《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》課程設(shè)計(jì)計(jì)算書-鋼框架主次梁設(shè)計(jì)

《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》課程設(shè)計(jì)計(jì)算書題目：鋼框架主次梁設(shè)計(jì)《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)規(guī)范及參考書籍1、規(guī)范（1）中華人民共和國建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)[S]（GB/T50105－2010）（2）中華人民共和國建設(shè)部.房屋建筑制圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S]（GB/T50001－2010）（3）中華人民共和國建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]（GB5009－2012）（4）中華人民共和國建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]（GB50017－2003）（5）中華人民共和國建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S]（GB50205-2001）2、參考書籍（1）沈祖炎等.鋼結(jié)構(gòu)基本原理[M].中國建筑工業(yè)出版社，2006（2）毛德培.鋼結(jié)構(gòu)[M].中國鐵道出版社，1999（3）陳紹藩.鋼結(jié)構(gòu)[M].中國建筑工業(yè)出版社，2003（4）李星榮等.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊（第二版）[M].中國建筑工業(yè)出版社，2005（5）包頭鋼鐵設(shè)計(jì)研究院

中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)協(xié).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算（第二版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006二、設(shè)計(jì)條件某多層鋼框架結(jié)構(gòu)三樓樓面結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，結(jié)構(gòu)采用橫向框架承重，柱網(wǎng)布置尺寸及樓面活載大小詳見“五附圖”。樓面板為150mm厚單向?qū)嵭匿摻罨炷涟澹瑯菍友b修從下至上具體如下：輕鋼龍骨吊頂(0.2<標(biāo)準(zhǔn)值>)→框架鋼梁→150mm厚實(shí)心鋼筋混凝土板(25<標(biāo)準(zhǔn)值>)→水磨石面層(包括20mm厚水泥砂漿找平，0.65<標(biāo)準(zhǔn)值>)。荷載傳力途徑為：樓面板－次梁－主梁－柱－基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)中僅考慮豎向荷載作用，框架主梁按連續(xù)梁計(jì)算，次梁按簡支梁計(jì)算。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（1）進(jìn)行次梁CL-1截面設(shè)計(jì)。（2）進(jìn)行框架主梁KL-1截面設(shè)計(jì)，并繪制施工圖。（3）進(jìn)行框架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，短梁段長度一般為0.9～1.2m，要求采用高強(qiáng)螺栓連接，并繪制施工圖。（4）進(jìn)行框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，要求采用焊縫連接，并繪制施工圖。要求：提交設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份，框架主梁KL-1施工圖（一號圖）一張。計(jì)算說明書包括：構(gòu)件截面尺寸估算、荷載計(jì)算、內(nèi)力組合、主次梁截面設(shè)計(jì)（包括截面板件連接焊縫設(shè)計(jì)）、主次梁強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定驗(yàn)算。計(jì)算書按中南大學(xué)課程設(shè)計(jì)統(tǒng)一格式編制，要求文本規(guī)范、層次分明、字體工整，圖表準(zhǔn)確，并按以下順序裝訂成冊：封面、設(shè)計(jì)任務(wù)書、目錄（應(yīng)標(biāo)明各章節(jié)頁碼）、設(shè)計(jì)計(jì)算正文文本、設(shè)計(jì)體會(huì)、參考文獻(xiàn)（按規(guī)范格式書寫）、封底。施工圖繪制包括：繪制框架主梁短梁段與梁體制作詳圖、框架主梁短梁段與柱連接節(jié)點(diǎn)詳圖、短梁段與主梁梁體連接節(jié)點(diǎn)詳圖，一根KL-1鋼材用量表，設(shè)計(jì)說明(1#圖紙一張)。施工圖圖面布置合理，比例適當(dāng)，圖面整潔，線條清楚，文字采用宋體或仿宋體，符合制圖標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到施工圖要求。四、進(jìn)度安排周一：構(gòu)件尺寸估算和樓蓋荷載計(jì)算；周二：樓蓋內(nèi)力計(jì)算及內(nèi)力組合；周三：主梁截面設(shè)計(jì)及連接設(shè)計(jì)計(jì)算；周四：施工圖繪制；周五：計(jì)算文本整理。五、附圖結(jié)構(gòu)布置柱網(wǎng)尺寸及樓面活荷載大小組別主梁跨度B(mm)次梁跨度L(mm)樓面活載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)1800084009.02800084008.0√3840090007.04840090006.05800090008.0目錄一、設(shè)計(jì)說明…………………1二、次梁CL-1截面設(shè)計(jì)………12.1次梁荷載和內(nèi)力的計(jì)算（不含次梁自重）………12.2次梁截面的選取……………………22.3次梁截面的驗(yàn)算……………………2三、框架主梁KL-1截面設(shè)計(jì)…………………33.1主梁荷載計(jì)算及內(nèi)力組合…………33.2主梁截面的選取……………………93.3主梁截面的驗(yàn)算…………………113.4翼緣與腹板連接焊縫計(jì)算………14四、框架主梁短梁段與梁體工地拼接點(diǎn)設(shè)計(jì)………………154.1梁翼緣板的拼接…………………154.2梁腹板的拼接……………………164.3翼緣與腹板凈截面的強(qiáng)度驗(yàn)算…………………19五、框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)………………205.1框架主梁短梁段與柱的連接焊縫計(jì)算…………20六、設(shè)計(jì)體會(huì)…………………22七、參考文獻(xiàn)…………………23一、設(shè)計(jì)說明在本次鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，鋼材均采用Q235鋼。設(shè)計(jì)任務(wù)書圖1中，取B=8400mm，L=9000mm，樓面活載標(biāo)準(zhǔn)值為7KN/QUOTE。二、次梁CL-1截面設(shè)計(jì)2.1次梁荷載和內(nèi)力的計(jì)算（不含次梁自重）2.1.1荷載的計(jì)算由于設(shè)計(jì)中，次梁可按簡支梁計(jì)算，所以為了簡化計(jì)算，只將次梁兩側(cè)樓面板的自重和樓面板所受的活載加入計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果如下：（1）荷載標(biāo)準(zhǔn)值①樓面板所受活載的標(biāo)準(zhǔn)值為：②根據(jù)樓面板的構(gòu)造，計(jì)算得樓面板自重的標(biāo)準(zhǔn)值為：（2)荷載設(shè)計(jì)值①樓面板所受活載的設(shè)計(jì)值為：②樓面板自重的設(shè)計(jì)值：2.1.2截面內(nèi)力的計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求，次梁的計(jì)算簡圖如下：①次梁截面的最大彎矩值為：②次梁截面的最大剪力值為：2.2次梁截面的選取次梁所需的凈截面模量為：所以，根據(jù)次梁所需的凈截面模量，選用熱軋普通工字型剛I63a，其截面特性如下：QUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTE2.3次梁截面的驗(yàn)算由于次梁選用的是工字型鋼，可不需對次梁進(jìn)行局部穩(wěn)定性驗(yàn)算，又考慮到樓板對次梁的側(cè)向約束，次梁的整體穩(wěn)定性也不需要驗(yàn)算。所以，對次梁只需進(jìn)行強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算即可，具體計(jì)算如下：2.3.1次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算（采用荷載設(shè)計(jì)值）（1）次梁的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算所以，次梁滿足抗彎強(qiáng)度要求。（2）次梁的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算所以，次梁滿足抗剪強(qiáng)度要求。2.3.2次梁的剛度驗(yàn)算（采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值、考慮次梁自重）（1）次梁發(fā)生的最大撓度為：（2）次梁的容許撓度為：所以，次梁滿足剛度要求。綜上所述，次梁采用熱軋普通工字型剛I63a滿足設(shè)計(jì)要求。三、框架主梁KL-1截面設(shè)計(jì)3.1主梁荷載計(jì)算及內(nèi)力組合在設(shè)計(jì)過程中，只考慮次梁傳遞給主梁的力，又因次梁的荷載分為恒載和活載，所以需要考慮次梁活載的最不利位置。設(shè)計(jì)過程中選取中間的框架主梁做分析計(jì)算，由于次梁簡化成簡支梁，各個(gè)部分所傳遞的荷載相同，所以中間框架主梁同時(shí)受兩個(gè)次梁傳遞的荷載。具體簡化得到的主梁力學(xué)模型如下：由于主梁的截面尺寸還沒確定，所以設(shè)計(jì)截面時(shí)先不計(jì)主梁的自重荷載，在驗(yàn)算時(shí)再計(jì)入主梁的自重。3.1.1荷載的計(jì)算（1）主梁所受集中恒載的設(shè)計(jì)值為：（2）主梁所受集中活載的設(shè)計(jì)值為：3.1.2截面內(nèi)力的計(jì)算由主梁的簡化模型可知，主梁的結(jié)構(gòu)形式是對稱的，所以僅需對主梁所受的6種荷載形式進(jìn)行計(jì)算分析。由已學(xué)的結(jié)構(gòu)力學(xué)知識，求出這六種荷載形式作用下主梁的彎矩圖和剪力圖如下：（1）主梁承受集中恒載受力圖彎矩圖剪力圖（2）主梁三跨都承受集中活載受力圖彎矩圖剪力圖（3）主梁第1跨承受集中活載受力圖彎矩圖剪力圖（4）主梁第2跨承受集中活載受力圖彎矩圖剪力圖（5）主梁第1、2跨承受集中活載受力圖彎矩圖剪力圖（6）主梁第1、3跨承受集中活載受力圖彎矩圖剪力圖根據(jù)上面的彎矩與剪力圖，可以得出最不利荷載可能發(fā)生在下圖中標(biāo)字母或者數(shù)字的截面：這些截面的內(nèi)力統(tǒng)計(jì)如下：（1）（2）（3）（4）（5）（6）最不利荷載-232.4-388.9-492.6129.6-363.0-518.6-751.0232.4388.9440.78不需算376.0453.7686.1-232.4-388.9-181.50-259.3-440.8-129.6-621.3232.4388.9不需算518.6453.7不需算751.0-232.4-388.951.7-259.28-207.4-129.6-621.3232.4388.9不需算不需算不需算453.7686.1-232.4-388.9-25.9129.6103.7-518.6-751.0110.7185.2222.2-46.3175.9231.5342.2QUOTE左110.7185.2222.2-46.3175.9231.5342.2QUOTE右-110.7-185.2-148.2-46.3-194.5-138.9-305.2QUOTE左-110.7-185.2-142.2-46.3-194.5-139.9-305.2QUOTE右110.7185.227.7185.2213.00323.7QUOTE左110.7185.227.7185.2213.00323.7QUOTE右-110.7-185.227.7-185.2-157.40-295.9QUOTE左-110.7-185.227.7-185.2-157.40-295.9QUOTE右110.7185.2-9.346.937.6138.9295.9QUOTE左110.7185.2-9.346.937.6138.9295.9QUOTE右-110.7-185.2-9.346.937.6-231.5-342.2-110.7-185.2-9.346.937.6-231.5-342.2所以，由上表得出，QUOTE，QUOTE。3.2主梁截面的選取根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，假設(shè)鋼板的厚度小于16mm，則Q235鋼的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值QUOTE。所以可計(jì)算的截面的抵抗矩為：3.2.1腹板高度QUOTE（1）截面的最小高度QUOTE假設(shè)主梁的容許撓度值QUOTE為了保證正常使用時(shí)梁的撓度不超過規(guī)范值，查找鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范得：（2)梁的經(jīng)驗(yàn)高度QUOTE和腹板高度QUOTE為了滿足經(jīng)濟(jì)要求，使得用鋼量最小，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得：參照以上數(shù)據(jù)，并考慮適當(dāng)增大梁高以增加梁的剛度，取梁的腹板高度QUOTE。3.2.2腹板厚度QUOTE根據(jù)最大剪應(yīng)力為腹板平均剪應(yīng)力的1.2倍時(shí)，計(jì)算得梁腹板厚度為：又按經(jīng)驗(yàn)公式估算梁的腹板厚度為：參照以上數(shù)據(jù)，取梁的腹板厚度QUOTE。3.2.3翼緣寬度b和厚度t根據(jù)以下公式試選翼緣板寬度b=280mm，則計(jì)算得翼緣的厚度t=11.3mm，所以取t=18.0mm。綜上所述，取梁的截面如下圖：3.3主梁截面的驗(yàn)算3.3.1主梁的強(qiáng)度驗(yàn)算（1）主梁截面的實(shí)際尺寸計(jì)算①主梁的截面面積為：②主梁的截面慣性矩為：③主梁的截面彈性模量為：（2)主梁自重估算和內(nèi)力計(jì)算①主梁的自重標(biāo)準(zhǔn)值為：②主梁在自重作用下的受力圖和內(nèi)力圖如下：受力圖彎矩圖剪力圖綜上所述，主梁截面的最大彎矩值QUOTE，最大的剪力值QUOTE。（3）主梁的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算所以，主梁滿足抗彎強(qiáng)度要求。（4）主梁的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算所以，主梁滿足抗剪強(qiáng)度要求。（5）主梁折算應(yīng)力的驗(yàn)算①截面靜矩為：②正應(yīng)力為：③剪應(yīng)力為：④折算應(yīng)力為：所以，主梁的折算應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。綜上所述，主梁的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.2主梁的穩(wěn)定性驗(yàn)算（1）主梁的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算由于平臺的剛性密鋪板可保證主梁的整體穩(wěn)定，所以不需要驗(yàn)算主梁的整體穩(wěn)定性。（2）主梁的局部穩(wěn)定性驗(yàn)算①主梁翼緣寬厚比驗(yàn)算如下：QUOTE，滿足要求②主梁腹板高厚比驗(yàn)算如下：QUOTE，滿足要求所以，主梁滿足局部穩(wěn)定性要求。綜上所述，主梁滿足穩(wěn)定性要求。3.3.4主梁的剛度驗(yàn)算（采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值、考慮主梁自重）為了安全起見，把主梁的受力模型簡化成簡支梁，且以單跨主梁的跨中撓度來控制整根主梁的撓度，單跨主梁簡化后的受力模型如下：計(jì)算得：①跨中撓度為：②主梁的容許撓度為：綜上所述，主梁的滿足剛度要求。3.4翼緣與腹板連接焊縫計(jì)算根據(jù)腹板和翼緣間的兩條連接焊縫剪應(yīng)力應(yīng)滿足的公式，計(jì)算得：假設(shè)焊縫施工時(shí)使用手工焊，所以根據(jù)手工焊縫的構(gòu)造要求：綜上所述，翼緣與腹板連接焊縫的尺寸取QUOTE。又因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)用的是Q235鋼，所以鋼結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)應(yīng)采用E43系列焊條，工藝為手工焊接。四、框架主梁短梁段與梁體工地拼接點(diǎn)設(shè)計(jì)4.1梁翼緣板的拼接（1）梁翼緣板拼接的等強(qiáng)設(shè)計(jì)主梁的用鋼為Q235鋼，則QUOTE。接觸面經(jīng)噴砂后涂無機(jī)富鋅漆，查找規(guī)范得摩擦面的抗滑移系數(shù)QUOTE。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，傳力摩擦面數(shù)QUOTE。高強(qiáng)螺栓選用10.9級的M20螺栓，則螺栓的預(yù)拉力P=155KN，所以單個(gè)高強(qiáng)度摩擦型螺栓的抗剪承載力為：螺栓排列采用單側(cè)雙排排列的形式，且查找規(guī)范取螺栓孔的直徑QUOTE，所以可計(jì)算得翼緣板的凈面積為：則翼緣板凈截面面積所能承受的軸力為：所以，根據(jù)公式計(jì)算得所需的高強(qiáng)螺栓數(shù)量為：綜上所述，采用8個(gè)高強(qiáng)摩擦型螺栓。假設(shè)上拼接板的跨度等于翼緣的寬度，即為280mm。按構(gòu)造要求，高強(qiáng)螺栓可配置如下圖所示：、所以，單塊下拼接板的寬度為131mm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求拼接板面積不小于翼緣板凈面積，假定上下拼接板的厚度相等，可得：所以，取拼接板的厚度t=8mm。綜上所述，翼緣拼接板采用8個(gè)10.9級的M20螺栓，單塊拼接板的尺寸為：單塊上拼接板：QUOTE單塊下拼接板：QUOTE4.2梁腹板的拼接(1）高強(qiáng)螺栓配置高強(qiáng)螺栓選用10.9級的M20螺栓，根據(jù)螺栓配置的構(gòu)造要求，具體配置螺栓如下：(2）連接處的內(nèi)力計(jì)算取短梁長為1m，受力圖如下：計(jì)算得：1m處的彎矩QUOTE，剪力QUOTE。腹板的毛截面慣性矩為：翼緣的毛截面慣性矩為：整個(gè)截面的慣性矩為：彎矩由翼緣和腹板共同承擔(dān)，兩者按剛度成比例分配，計(jì)算得：翼緣承擔(dān)的彎矩為：腹板承擔(dān)的彎矩為：剪力QUOTE在螺栓群形心處所引起的附加彎矩為：所以，修正后的腹板彎矩值為：（3）螺栓強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求，傳力摩擦面數(shù)QUOTE。高強(qiáng)螺栓選用10.9級的M20螺栓，則螺栓的預(yù)拉力P=155KN，所以單個(gè)高強(qiáng)度摩擦型螺栓的抗剪承載力為：拼接截面處剪力全部由腹板承擔(dān)，作用于螺栓群形心處，由各螺栓平均分配，所以每個(gè)螺栓承擔(dān)的垂直剪力為：螺栓受到的最大的力為：所以，根據(jù)如下公式計(jì)算得：綜上所述，高強(qiáng)螺栓滿足要求。（4）拼接板強(qiáng)度驗(yàn)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求，不妨取腹板拼接板厚度QUOTE，則拼接板的幾何性質(zhì)如下：凈截面慣性矩：凈截面抵抗矩：所以，根據(jù)公式：所以，拼接板強(qiáng)度滿足要求。綜上所述，單塊腹板拼接板的尺寸為：QUOTE。4.3翼緣與腹板凈截面的強(qiáng)度驗(yàn)算（1）翼緣凈截面強(qiáng)度的驗(yàn)算由上述計(jì)算可得，翼緣承擔(dān)的彎矩QUOTE，翼緣的凈截面面積為：所以可以計(jì)算得：綜上，翼緣強(qiáng)度滿足要求。（2）腹板凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算腹板凈截面慣性矩為：腹板凈截面面積矩為：截面上的彎矩為：腹板上邊緣的正應(yīng)力為：腹板上邊緣的切應(yīng)力為：折算應(yīng)力為：所以，腹板強(qiáng)度滿足要求。綜上所述，翼緣和腹板的凈截面強(qiáng)度都滿足要求。五、框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)5.1框架主梁短梁段與柱的連接焊縫計(jì)算焊縫連接采用全周施焊的角焊縫，連續(xù)施焊，并且假定腹板焊縫承受全部剪力，彎矩由全部焊縫承擔(dān)。假定角焊縫的尺寸QUOTE，故角焊縫的具體尺寸如下：（1）焊縫的幾何性質(zhì)腹板的面積焊縫的慣性矩（2）應(yīng)力計(jì)算和校核①翼緣焊縫的最大正應(yīng)力②剪力在腹板焊縫中產(chǎn)生的平均剪應(yīng)力腹板焊縫中由彎矩引起的最大正應(yīng)力翼緣焊縫與腹板焊縫的交點(diǎn)處應(yīng)力所以，驗(yàn)算滿足要求。綜上所述，框架主梁短梁段與柱的連接焊縫采用角焊縫尺寸為QUOTE的E43系列的焊縫。六、設(shè)計(jì)體會(huì)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)可以說是我在大學(xué)里接觸到的第一個(gè)課程設(shè)計(jì)。雖然在課程設(shè)計(jì)過程中遇到了很多困難和很多令自己困惑的問題，但是當(dāng)自己解決這些問題后，成就感和滿足感油然而生。回顧整個(gè)課程設(shè)計(jì)過程，可以說還是記憶猶新。起初，當(dāng)老師把設(shè)計(jì)任務(wù)布置下來的時(shí)候，我覺得這題目有點(diǎn)難做，并且還要用CAD畫圖，而我的CAD已經(jīng)很久沒有接觸過，所以不免擔(dān)心任務(wù)完不成。在布置任務(wù)時(shí)，老師給了我們基本參考書和鋼結(jié)構(gòu)相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，這給我們帶來了很多的便利，使我們初步認(rèn)識了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些基本方法和流程。在開始課程設(shè)計(jì)之前，我把參考資料仔細(xì)地研究了一遍，從中知道了大概要設(shè)計(jì)的內(nèi)容。經(jīng)過對課程設(shè)計(jì)內(nèi)容的詳細(xì)分析，猛然感覺課程設(shè)計(jì)的專業(yè)性之強(qiáng)，如果我能很好的完成課程設(shè)計(jì)，那么它將給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提