《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》課程設(shè)計(jì)-某多層圖書館二樓框架書庫

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1、 中南大學(xué)土木工程學(xué)院土木工程專業(yè)（本科） 《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582 題 目：鋼框架主次梁設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師： 姓 名： 班 級：土木工程1312班 學(xué) 號： 一、 設(shè)計(jì)資料 工程名稱：某多層圖書館二樓框架書庫 工程資料：結(jié)構(gòu)采用橫向框架承重，樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值5.0水平向梁跨度為9m。樓面板為120mm厚單向?qū)嵭匿摻罨炷涟?，荷載傳力途徑為：樓面板－次梁－主梁－柱－基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)中僅考慮豎向荷載和活載作用，框架梁

2、按連續(xù)梁計(jì)算，次梁按簡支梁計(jì)算。其中框架柱為焊接H型鋼，截面尺寸為H600×300×12×18，層高3.5m。 平面框架布置圖如圖 工程要求： （1）設(shè)計(jì)次梁截面CL-1（熱軋H型鋼）。 （2）設(shè)計(jì)框架主梁截面KL-1（焊接工字鋼）。 （3）設(shè)計(jì)框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點(diǎn)，要求采用焊縫連接，短梁段長度一般為0.9～1.2m。 （4）設(shè)計(jì)框架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點(diǎn)，要求采用高強(qiáng)螺栓連接。 （5）設(shè)高計(jì)次梁與主梁工地拼接節(jié)點(diǎn)，要求采用強(qiáng)螺栓連接。 （6）繪制主梁與柱連接節(jié)點(diǎn)詳圖，次梁與主梁工地拼接節(jié)點(diǎn)，短梁段及主梁體連接節(jié)點(diǎn)詳圖，梁體截面詳圖(2#圖紙一張)，KL-1

3、鋼材用量表，設(shè)計(jì)說明等。 （7）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)、主次梁強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定驗(yàn)算，節(jié)點(diǎn)連接計(jì)算。 二、 設(shè)計(jì)參數(shù) 混凝土自重： 120mm 粉刷層： 15mm 找平層： 20mm 樓面活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值： 5.0 水磨石樓面：

4、 鋼材(Q235)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值： 鋼材(Q235)抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值： 鋼材(Q235)的彈性模量： 三、 設(shè)計(jì)次梁截面CL-1 1. 設(shè)計(jì)荷載 (1)恒載-標(biāo)準(zhǔn)層樓面（標(biāo)準(zhǔn)值） 水磨石面層樓面 粉刷 1.305 找平層 結(jié)構(gòu)層：120mm 厚單向?qū)嵭匿摻罨炷涟? 荷載標(biāo)準(zhǔn)值 (2)活載（標(biāo)準(zhǔn)值） 樓面活載標(biāo)準(zhǔn)值 5 (3) 豎向荷載下框架的受力 a荷載標(biāo)準(zhǔn)值 樓

5、面板傳恒載 樓面?zhèn)鬟f活載 b荷載設(shè)計(jì)值 c最大彎矩與剪力設(shè)計(jì)值 圖2 2.確定次梁的截面尺寸 由于設(shè)計(jì)初鋼梁自重未知（考慮安全因素），故?。? 次梁所需的截面抵抗矩： Wnx=Mγxfd=502.53×1061.05×215=2.226×106mm3=2226cm3 選用熱軋H型鋼：HN6062011220 Ix=91000cm4 Wnx=3000cm3 A=153.3cm2 ix=24.4cm h=606mm

6、 B=201mm t1=12mm t2=20mm m=120kg/m 3.次梁驗(yàn)算 次梁自重標(biāo)準(zhǔn)值：q= 12099.8=10584N/m 次梁自重設(shè)計(jì)值: q= 1.212099.8=12700N/m 次梁（包括自重）所承擔(dān)的最大的彎矩與最大剪力: (1)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算 次梁在樓板的作用下不會(huì)發(fā)生平面外的失穩(wěn)，故不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定性 (2)局部穩(wěn)定性驗(yàn)算 熱軋型鋼不必驗(yàn)算局部穩(wěn)定性 (3) 剛度驗(yàn)算 ωmax=5ql4

7、384EIx=5×(17.22+20+10.58)×90004384×2.06×105×91000×104=21.78mm ω=l250=9000250=36mm>21.78mm 剛度滿足要求 (4)抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算 σmax=MmaxγxWnx=621.27×1061.05×3000×103=197.23N/mm2

8、設(shè)計(jì)荷載 如圖，板荷載傳遞給次梁，次梁傳遞給主梁。主梁受自重恒載、次梁傳遞的集中恒載、次梁傳遞的集中活載。以主梁?進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。 主梁截面尺寸待定，因此先不計(jì)主梁自重荷載。 集中恒載： 集中活載： 截面內(nèi)力的計(jì)算 在主梁上的集中荷載分布一共有7種形式，根據(jù)對稱性，獨(dú)立不相同的荷載分布形式有5種。現(xiàn)利用矩陣位移法的PF軟件分別計(jì)算其彎矩和剪力，并確定其中的最不利荷載位置及其大小。 計(jì)算方法： 采用矩陣位移法，利用PF程序進(jìn)行電算。 Step1：確定坐標(biāo)系，為節(jié)點(diǎn)、桿系編號。見圖1. 圖4 重要說明：

9、（1） ：圖中假設(shè)（1）、（2）、（3）位置均有均布荷載Q，當(dāng)計(jì)算不同情況下的荷載時(shí)，剩余位置設(shè)為0即可。如此，方便程序輸入。 （2） ：由于內(nèi)力計(jì)算時(shí)與材料本身無關(guān)，故輸入時(shí)E、I均可取為1. Step2:建立輸入文件，按規(guī)定格式輸入各參數(shù)。 Step3:運(yùn)行程序，輸出結(jié)果。見3.1.3分析結(jié)果。 3.1.3.結(jié)果分析 注意：依照矩陣位移法的正負(fù)號規(guī)定，截面上彎矩逆時(shí)針時(shí)為正，向上剪 力為正。 情況一： 第一種集中荷載在下圖2： 圖5 彎矩圖： 圖6 剪力圖為： 圖7 情況二

10、： 荷載作用位置如下圖 圖8 彎矩圖為： 圖9 剪力圖為： 圖10 情況三： 受力情況為下圖 圖11 彎矩圖為： 圖12 剪力圖為： 圖13 情況四： 受力情況圖為下圖: 圖14 彎矩圖為： 圖15 剪力圖為： 圖16 情況五： 受力情況為： 圖17 彎矩圖為： 圖18 剪力圖為： 圖19 表二：內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表 情況 最大彎矩（） 最大剪力（） 作用位置 最大彎矩（） 最大剪力（） 情況一 319.20 151.20 第一跨中 336.00 157.50

11、 情況二 336.00 126.00 第二跨中 情況三 294.00 144.90 第二跨中 情況四 336.00 157.50 左右固端 情況五 252.00 126.00 全部跨中 所以，由上表得出，， 。 恒載作用下的內(nèi)力 圖20 彎矩圖： 圖21 剪力圖： 圖22 3.1.3主梁總體受力匯總 1) 可以得到荷載最不利組合形式下 ， 2) 恒載作用下的內(nèi)力為 3) 故得到主梁的受力為： 2．確定主梁的截面尺寸： 由于設(shè)計(jì)初鋼梁自重未知（考慮安全因素），故?。? 主梁所需的截面抵抗矩： Wnx=Mm

12、axγxf=545.37×1061.05×215=2.4158×106mm3=2415.8cm3 主梁選用焊接工字型鋼 （1） 確定腹板尺寸： （1）截面的最小高度hmin 假設(shè)主梁的容許撓度值ω=l400，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： hmin=l15=533.3mm=53.3cm （2) 梁的最大高度 h=8000/8=1000mm=100cm 梁的經(jīng)驗(yàn)高度he和腹板高度hw 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： he=73Wnx-30=732415.8-30=63.92cm 參照以上數(shù)據(jù)，并考慮適當(dāng)增大梁高以增加

13、梁的剛度，取梁的腹板高度hw=75cm=750mm。 腹板厚度tw 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： tw≥1.2Fsmaxhwτ=1.2Fsmaxhwfv=1.2×256.84×103750×125=3.29mm 又按經(jīng)驗(yàn)公式估算梁的腹板厚度為： tw≥hw11=7.9mm 參照以上數(shù)據(jù)，取梁的腹板厚度tw=10mm。 （2）確定翼緣尺寸： 每個(gè)翼緣所需的截面面積： Af=Wnxhw-twhw6=bt=4620.8mm2 試選翼緣板寬度b=280mm，則計(jì)算得翼緣的厚度t=16.5mm，所以取t=18.0mm。 綜上所述，取梁的截

14、面如右圖： 圖23 (3)主梁截面尺寸特征: （1）主梁截面的實(shí)際尺寸計(jì)算 ①主梁的截面面積為： A=750×10+280×18×2=17580mm2 ②主梁的截面慣性矩為： Ix=10×750312+280×18312×2+280×18×3842×2=1838191140mm4 ③主梁的截面彈性模量為： Wnx=Ixymax=1838191140393=4677331mm3 （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 圖24 彎矩圖 圖25 剪力圖 圖26 綜上

15、所述，主梁截面的最大彎矩值，最大的剪力值。 3.主梁驗(yàn)算 （1）主梁的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算 σmax=MmaxγxWnx=570.81×1061.05×4677331=116.22N/mm2

16、5N/mm2 ③剪應(yīng)力為： τ=Fs?SxIx?tw=264.90×103×19353601838191140×10=27.89N/mm2 ④折算應(yīng)力為： σzs=σ2+3τ2=116.452+3×27.892=126.07N/mm2<1.1f=236.5N/mm2 所以，主梁的焊縫應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。 (4)局部應(yīng)力驗(yàn)算： 次梁作用在主梁上，主梁受到次梁給予的集中荷載 lz=201+5×18=291mm 局部壓應(yīng)力 σc=Ftwlz=450.68×10310×291=154.87N/mm2≤215N/mm2 (6)折算應(yīng)力驗(yàn)算： τ=Fs?SxIx?tw=264.

17、90×103×19353601838191140×10=27.89N/mm2 σ=MIx?hw2=570.81×1061838191140?7502=116.45N/mm2 σzs=σ2+σc2-σσc+3τ2=147.8N/mm2<1.1f=236.5N/mm2 (7)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算： 驗(yàn)算是否需要進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算： lb=4000280=14.3<16 故不需驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。 (8)局部穩(wěn)定性驗(yàn)算： ①主梁翼緣寬厚比驗(yàn)算如下： b1t=13518=7.5<13235fy=13，滿足要求 ②主梁腹板高厚比驗(yàn)算如下： hwtw=75010=75<80235fy=

18、80，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。 剛度驗(yàn)算： 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： 圖27 計(jì)算得： ①跨中撓度為： ω=5q‘l4385EIx+Fl348EIx=4.9mm ②主梁的容許撓度為： ω=l400=8400400=21mm>ω=4.9mm 綜上所述，主梁的滿足剛度要求。 五、驗(yàn)算框架柱的承載能力 邊柱驗(yàn)算： ①強(qiáng)度驗(yàn)算 ②整體穩(wěn)定性及剛度 彎矩作用在平面內(nèi)：

19、 彎矩作用在平面外： ③局部穩(wěn)定性： 柱的局部穩(wěn)定滿足要求 綜上所述框架柱承載能力足夠。 六．框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)： 1. 設(shè)計(jì)資料 受力類型：彎矩、剪力（軸力較小忽略不計(jì)） 荷載數(shù)據(jù)：短梁和柱通過焊縫連接，短梁長1m。由以上計(jì)算知，梁端最大彎矩和最大剪力分別為：，V=231.1kN。 焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值： 主梁為組合工字型截面（I786×280×10×18），材料Q235鋼，焊條為E43型焊條采用角焊縫焊接。截面尺寸和作用荷載如圖所示。 圖28 2. 連接計(jì)算 連接采用沿全周施焊的角焊縫連接，轉(zhuǎn)角處連續(xù)施焊，沒有起弧和落弧

20、所引起的焊口缺陷，并假定全部剪力由腹板的連接焊縫承擔(dān)，不考慮工字形翼緣端部繞轉(zhuǎn)部分焊縫的作用。 設(shè)沿工字形梁全周角焊縫的焊角尺寸為 水平焊縫繞自身軸的慣性矩很小，計(jì)算時(shí)忽略，全部焊縫對x軸的截面慣性矩近似地取： Ifx=2×0.7×10×112×7503+2×280-102×75022+280×78622=1629190080mm4 焊縫在最外面邊緣“1”點(diǎn)處的截面抵抗矩： Wf=Ifx393=1629190080393=4145522mm3 焊縫在腹板頂部“2”點(diǎn)處的截面抵抗矩： Wf=Ifx375=1629190080375=4344507mm3 在彎

21、矩作用下，角焊縫在最邊緣處“1”點(diǎn)處的最大應(yīng)力為： σ1M=MWf=228.86×1064145522=55.21N/mm2 在翼緣和腹板交接的角焊縫“2”點(diǎn)處的M與V的共同作用下的應(yīng)力為： σ2M=MWfhwh=228.86×1064344507×350368=50.1N/mm2 τfv=V2×0.7×10×hw=231.1×1032×0.7×10×750=22N/mm2 βf=1.22,(σfMβf)2+(τfv)2=46.59N/mm2

22、拼接點(diǎn)的內(nèi)力計(jì)算 取短梁段長度取1.0m 已知：（梁自重） 故拼接點(diǎn)的內(nèi)力為 5.2梁翼緣板拼接設(shè)計(jì)(等強(qiáng)原則設(shè)計(jì)) 說明： （1） 采用10.9級M16高強(qiáng)摩擦型螺栓，。 （2） 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)為：。 連接采用與翼緣板等強(qiáng)的原則，雙面拼接板，單側(cè)拼接板為8mm,以保證其凈截面積不小于翼緣的凈截面積。 按照構(gòu)造要求每列布置4個(gè)螺栓，則所以可計(jì)算得翼緣板的凈面積為： An=280-4×18×18=3744mm2 翼緣板凈截面面積所能承受的軸力為： 單個(gè)高強(qiáng)度摩擦型螺栓的抗剪承載力為： 計(jì)算得拼接一側(cè)所需的高強(qiáng)螺

23、栓數(shù)量為： n=NNvb=AnfNvb=804.96125.55=6.41，取n=8 取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： 圖29 所以，單塊下拼接板的寬度為135mm。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： 280t+262t≥3492，得t>6.5mm 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：-280mm×8mm×360mm 單塊下拼接板： 5.3梁腹板的拼接 (1）高強(qiáng)螺栓配置 高強(qiáng)螺栓選用10.

24、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： 圖30 5.3 腹板拼接計(jì)算 說明： （1） 采用10.9級M20高強(qiáng)螺栓摩擦性連接，螺栓孔徑取22mm. （2） 連接處構(gòu)件接觸面采用噴砂處理。 梁的毛截面慣性矩和腹板的毛截面慣性矩分別為： 假設(shè)剪力由腹板全部承擔(dān)： 初步選用腹板拼接板為在腹板拼接縫一側(cè)排兩排螺栓，一列排5個(gè)高強(qiáng)度承壓型螺栓，按構(gòu)造要求，布置螺栓如下圖所示： 圖31 驗(yàn)證螺栓強(qiáng)度： 單個(gè)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值： 將彎矩和建立移至螺栓形心處，

25、引起的附加扭矩為： 易知左端螺栓群彎矩相加，較不利，故修正后的扭矩為： 由扭矩（順時(shí)針）與剪力（向下）的方向判斷，1號螺栓最不利，由此只需要驗(yàn)證1號螺栓的強(qiáng)度： 故螺栓強(qiáng)度滿足要求。 5.4 凈截面強(qiáng)度計(jì)算 （1） 翼緣板凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算 易知翼緣板的凈截面面積小于拼接板，故只需驗(yàn)算翼緣板的凈截面強(qiáng)度。 強(qiáng)度滿足要求。 （3） 腹板凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算 驗(yàn)算腹板第一排螺栓孔的被削弱截面: 折算應(yīng)力： 因此,凈面強(qiáng)度滿足要求。 八．次梁與主梁工地拼接節(jié)點(diǎn)計(jì)算 a.次梁與主梁的連接構(gòu)造 次

26、梁為簡支梁，與主梁側(cè)面連接。次梁通過10.9級M22摩擦型高強(qiáng)螺栓直接連接到主梁的橫向加勁肋上，構(gòu)件表面噴砂涂漆，為避免與加勁肋相碰，次梁的上下翼緣需要切去一側(cè)。? b.連接計(jì)算? 鉸接連接節(jié)點(diǎn)需要傳遞次梁端部反力，次梁端部局部切割后的腹板截面、連接角鋼以及螺栓應(yīng)能滿足此抗剪要求。 單個(gè)M20摩擦性高強(qiáng)螺栓的抗剪承載力 取n=4 采用一豎排M20摩擦性高強(qiáng)螺栓連接 驗(yàn)算凈截面強(qiáng)度： c.加勁肋與主梁的角焊縫? 焊縫計(jì)算長度僅考慮與主梁腹板連接部分有效，即 lw=750-2×10=730mm τf=1860602×0.7×10×730=18.2N/mm2≤160N/mm2 滿足要求