鋼結構課程設計--鋼框架主梁設計

1、<p>　　《鋼結構基本原理》課程設計計算書</p><p>　　題 目：鋼框架主梁設計</p><p><b>　　一、設計任務</b></p><p>　　某多層圖書館二樓樓面結構布置圖如圖，結構采用橫向框架承重，樓面活荷載標準值5KN/m2，樓面板為150mm厚單向實心鋼筋混凝土板，荷載傳力途徑為：樓面板－次梁－主梁－柱－基礎。

2、設計中僅考慮豎向荷載和活載作用。框架梁按連續(xù)梁計算。</p><p>　　（1）設計次梁截面CL-1。</p><p>　?。?）設計框架主梁截面KL-1。</p><p>　?。?）設計框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點，要求采用焊縫連接，短梁段長度一般為0.9～1.2m。</p><p>　　（4）設計框架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點，要求采

3、用高強螺栓連接。</p><p>　?。?）繪制主梁與柱連接節(jié)點詳圖，短梁段及梁體連接節(jié)點詳圖，短梁段與梁體制作詳圖，KL-1鋼材用量表，設計說明(1#圖紙一張)。</p><p>　?。?）計算說明書，包括構件截面尺寸估算、荷載計算、內力組合、主次梁截面設計、主次梁強度、剛度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定驗算。</p><p><b>　　二、次梁的設計</

4、b></p><p>　　2.1樓板荷載的估計</p><p>　　混凝土自重：25KN/m3 厚150mm </p><p>　　地磚面層：10mm厚地磚</p><p>　　3mm厚水泥膠結合層</p><p>　　20mm厚水泥砂漿找平層</p><p>　　底粉刷層：15mm

5、厚白灰砂漿17KN/m3 </p><p>　　合計：樓板恒載標準值 3.75+0.65+0.255=4.655KN/m2</p><p>　　樓面活載標準值 5KN/m2</p><p>　　2.2次梁荷載的設計（自重暫不考慮）</p><p><b>　　樓面板傳恒載 </b></p>

6、<p><b>　　樓面?zhèn)鬟f活載 </b></p><p>　　由可變荷載效應控制的組合</p><p>　　由永久荷載效應控制的組合</p><p><b>　　所以荷載設計值</b></p><p>　　q=56.64KN/m</p><p>　　2.3次梁

7、所受最大彎矩與剪力設計值</p><p>　　次梁架于主梁之上，相當于簡支結構，計算簡圖如下圖：</p><p>　　2.4初選次梁的截面尺寸</p><p>　　2.4.1梁高的確定</p><p>　　由于設計荷載時未考慮鋼梁自重，考慮安全因素，可取：</p><p>　　則次梁所需的截面抵抗矩：</p>

8、;<p>　　梁的最小高度（按最大撓度限值確定）：</p><p>　?。ㄉ鲜街腥235鋼的抗彎強度設計值=215N/mm2,E=206×103N/mm3和[]=250。）</p><p><b>　　梁經濟高度經驗公式</b></p><p>　　所以取腹板高度 加翼緣厚度可使梁高度滿足上述要求。</p>

9、<p>　　2.4.2腹板尺寸的確定</p><p><b>　　腹板高度取</b></p><p><b>　　則腹板厚度：</b></p><p><b>　　抗剪強度要求： </b></p><p>　　式中取Q235鋼的=125N/。</p>

10、<p>　　局部穩(wěn)定和構造因素： </p><p>　　取=10mm，則腹板可選用—650×10。</p><p>　　2.4.3翼緣板尺寸的確定</p><p>　　根據(jù)翼緣所需要的截面慣性矩確定翼緣板尺寸： </p><p><b>　?、?lt;/b></p><p>　　考

11、慮翼緣板的局部穩(wěn)定性和構造要求，近似取</p><p><b>　　即 ②</b></p><p><b>　　由①、②兩式可得：</b></p><p><b>　　取b=300mm</b></p><p><b>　　取t=12mm</b><

12、/p><p>　　則翼緣板可選用—300×12。</p><p>　　初選次梁截面如右圖：</p><p>　　2.5次梁整體穩(wěn)定的驗算</p><p>　　2.5.1截面幾何特性</p><p><b>　　截面積 </b></p><p><b>　　慣

13、性矩 </b></p><p><b>　　截面模量 </b></p><p><b>　　對y軸的回轉半徑 </b></p><p><b>　　梁在側向長細比 </b></p><p><b>　　由于，則：</b></p>

14、<p>　　次梁自重標準值：（用Q235鋼材）</p><p><b>　　次梁自重設計值：</b></p><p>　　次梁（包括自重）所承擔的最大的彎矩與最大剪力：</p><p>　　2.5.2整體穩(wěn)定性驗算 </p><p>　　整體穩(wěn)定不能滿足要求，需要

15、加大截面。</p><p>　　腹板選用—650×12</p><p>　　翼緣選用—320×16</p><p><b>　　截面幾何特性</b></p><p><b>　　截面積 </b></p><p><b>　　慣性矩 </b&

16、gt;</p><p><b>　　截面模量 </b></p><p><b>　　對y軸的回轉半徑 </b></p><p><b>　　梁在側向長細比 </b></p><p><b>　　由于，則：</b></p><p>

17、　　次梁自重標準值：（用Q235鋼材）</p><p><b>　　次梁自重設計值：</b></p><p>　　次梁（包括自重）所承擔的最大的彎矩與最大剪力：</p><p>　　整體穩(wěn)定性驗算 </p><p>　　此時次梁整體穩(wěn)定滿足要求。</p><

18、;p>　　2.5.3局部穩(wěn)定性驗算</p><p>　　故次梁不會發(fā)生局部失穩(wěn)，不需要設置加勁肋。 </p><p>　　2.5.4抗彎強度驗算</p><p>　　故抗彎強度滿足要求。</p><p>　　2.5.5抗剪強度驗算</p><p>　　剪力全部由腹板承擔 </p><p

19、>　　故主梁的抗剪強度滿足要求。</p><p>　　2.5.6剛度驗算 </p><p><b>　　故滿足剛度要求。</b></p><p>　　終選次梁截面如右圖：</p><p>　　三、設計框架主梁KL-1</p><p><b>　　3.1

20、荷載分析</b></p><p>　　3.1.1主梁的受力分析</p><p>　　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。其中邊緣主梁⑤受力是主梁③④受力的一半。則以主梁③④進行研究設計。</p><p>　　主梁按多跨連續(xù)梁設計，計算簡圖如下圖</p><p>　　主梁截面尺寸待定，因此先不計主梁自重荷載。&l

21、t;/p><p>　　則主梁跨中所受集中荷載設計值：</p><p><b>　　集中恒載：</b></p><p><b>　　集中活載：</b></p><p>　　3.1.2荷載的組合情況</p><p>　　由于此結構具有對稱性，故僅對以下六種荷載情況進行分析：</

22、p><p>　　①僅次梁傳遞集中力恒載時</p><p>　?、趦H（1）跨有集中活載時</p><p>　　③僅（2）跨有集中活載時</p><p>　?、埽?）（2）跨有集中活載時</p><p>　　⑤（1）（3）跨有集中活載時</p><p>　?、蓿?）（2）（3）跨都有集中活載時</

23、p><p><b>　　3.1.3內力計算</b></p><p>　?、賰H次梁傳遞集中力恒載時</p><p>　　②僅（1）跨有集中活載時</p><p>　?、蹆H（2）跨有集中活載時</p><p>　　④（1）（2）跨有集中活載時</p><p>　?、荩?）（3）跨有

24、集中活載時</p><p>　?、蓿?）（2）（3）跨都有集中活載時</p><p><b>　　各跨撓度表</b></p><p>　　表中單位為mm，撓度先下為正向上為負。</p><p>　　由①和其它情況彎矩的疊加可得跨中最大彎矩的產生為①+⑤時</p><p>　　由①和其它情況彎矩的疊

25、加可得支座處最大負彎矩的產生為①+④時</p><p>　　由①和其它情況剪力的疊加可得剪力最大的產生為①+④時</p><p><b>　?。ㄔ谥ё鵅左側）</b></p><p>　　由①和其它情況撓度的疊加可得撓度最大的產生為①+⑤時</p><p><b>　　故由以上計算知：</b><

26、;/p><p><b>　　最不利彎矩為：</b></p><p><b>　　最不利剪力為：</b></p><p>　　3.2初選主梁的截面尺寸</p><p>　　3.2.1梁高的確定</p><p>　　由于設計荷載時未考慮鋼梁自重，考慮安全因素，可?。?lt;/p>

27、;<p>　　則次梁所需的截面抵抗矩：</p><p>　　梁的最小高度（按最大撓度限值確定）：</p><p>　?。ㄉ鲜街腥235鋼的抗彎強度設計值=215N/mm2,E=206×103N/mm3和[]=400。）</p><p><b>　　梁經濟高度經驗公式</b></p><p>　　

28、所以取腹板高度 加翼緣厚度可使梁高度滿足上述要求。</p><p>　　3.2.2腹板尺寸的確定</p><p><b>　　腹板高度取</b></p><p><b>　　則腹板厚度：</b></p><p>　　抗剪強度要求： 式中取Q235鋼的=125N/。</p><p&

29、gt;　　局部穩(wěn)定和構造因素： </p><p>　　取=14mm，則腹板可選用—800×14。</p><p>　　3.2.3翼緣板尺寸的確定</p><p>　　根據(jù)翼緣所需要的截面慣性矩確定翼緣板尺寸： </p><p><b>　?、?lt;/b></p><p>　　考慮翼緣板的局部

30、穩(wěn)定性和構造要求，近似取</p><p><b>　　即 ②</b></p><p><b>　　由①、②兩式可得：</b></p><p><b>　　取b=360mm</b></p><p><b>　　取t=18mm</b></p>

31、<p>　　則翼緣板可選用—360×18。</p><p><b>　　主梁截面如右圖：</b></p><p><b>　　截面幾何特性</b></p><p><b>　　截面積 </b></p><p><b>　　慣性矩 </b&g

32、t;</p><p><b>　　截面模量 </b></p><p>　　主梁自重標準值：（用Q235鋼材）</p><p><b>　　主梁自重設計值：</b></p><p>　　主梁（包括自重）所承擔的最大的彎矩與最大剪力近似按下式計算：</p><p><b&g

33、t;　　3.3主梁的驗算</b></p><p>　　3.3.1整體穩(wěn)定驗算： </p><p>　　將次梁作為主梁的側向支撐，則</p><p>　　故主梁的整體穩(wěn)定不必驗算。</p><p>　　3.3.2局部穩(wěn)定性驗算</p><p>　　故次梁不會發(fā)生局部失穩(wěn),且不需

34、設置加勁肋。</p><p>　　3.3.3抗彎強度驗算</p><p>　　故抗彎強度滿足要求。 </p><p>　　3.3.4抗剪強度驗算</p><p>　　按剪力全部由腹板承擔 </p><p>　　故主梁的抗剪強度滿足要求。</p><p>　　3.3.5集中力作用處局部壓應力驗算

35、</p><p>　　由于a=320mm，則。</p><p><b>　　即 </b></p><p>　　滿足要求，且不需要設置加勁肋。</p><p><b>　　3.3.6剛度驗算</b></p><p><b>　　由上撓度組合可知</b>&l

36、t;/p><p>　　所以主梁剛度滿足要求。</p><p>　　四、框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點的設計：</p><p><b>　　4.1 設計資料</b></p><p>　　受力類型：彎矩、剪力</p><p>　　荷載數(shù)據(jù)：短梁和柱通過焊縫連接，短梁段長1m。由以上計算知，梁端最大彎矩和最

37、大剪力分別為：M=772.2kNm，V=348.17kN。 </p><p>　　主梁為組合工字型截面（），材料Q235鋼，采用手工焊，焊條為E43型焊條采用角焊縫焊接。焊縫的強度設計值：</p><p>　　截面尺寸和作用荷載如圖所示。</p><p><b>　　4.2確定焊腳尺寸</b></p><p><

38、b>　　構造要求：</b></p><p><b>　　手工焊接時： </b></p><p><b>　　由此可?。?lt;/b></p><p><b>　　因為</b></p><p>　　所以豎向焊縫長度取600mm,兩端各分布300mm。計算截面特性時如下

39、圖：</p><p><b>　　水平焊縫面積：</b></p><p><b>　　豎向焊縫面積：</b></p><p><b>　　總焊縫面積：</b></p><p>　　水平焊縫繞自身軸的慣性矩很小，計算時忽略，全部焊縫對x軸的截面慣性矩近似地?。?<

40、;/p><p>　　4.3驗算最危險點受力</p><p>　　首先假設腹板焊縫承受全部剪力，而全部焊縫共同承擔彎矩。</p><p><b>　　在剪力V作用下</b></p><p>　　在彎矩M作用下，翼緣上邊緣a點產生應力</p><p><b>　　翼緣下邊緣b點應力</b&

41、gt;</p><p>　　在彎矩、剪力共同作用下，焊縫最危險點為a、b兩點。</p><p><b>　　a點：</b></p><p><b>　　b點：</b></p><p><b>　　所以焊縫滿足要求。</b></p><p>　　五、設計框

42、架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點</p><p>　　5.1高強螺栓的選擇以及孔徑的確定</p><p>　　翼緣處的螺栓采用M20的10.9級摩擦型高強螺栓連接，孔徑，腹板處采用M24的10.9級摩擦型高強螺栓連接，孔徑 。</p><p>　　一個M20高強螺栓的抗剪承載力設計值</p><p>　　一個M24高強螺栓的抗剪承載力設計值&l

43、t;/p><p>　　——傳力摩擦面數(shù)目為2</p><p>　　——摩擦面的抗滑移系數(shù)，鋼材采用Q235，噴砂處理接觸面</p><p>　　——每個高強螺栓的預壓應力，通過查閱鋼結構設計規(guī)范，對于M20，P取155kN ,對于M24，P取225kN</p><p>　　5.2按構件材料的屈服強度作為高強度螺栓設計計算的依據(jù)</p>

44、;<p>　　5.2.1翼緣拼接的設計</p><p>　　主梁翼緣材料Q235軸心受拉達到屈服極限時所能承受的力為</p><p>　　梁翼緣連接所需的M20高強度螺栓數(shù)目</p><p><b>　　取n=12</b></p><p>　　翼緣蓋板所能承受的軸向力最好和母材強度相當</p>

45、<p>　　所以翼緣外側蓋板取—360×10×600</p><p>　　翼緣內側蓋板取兩塊—160×10×600（考慮腹板厚度和焊縫寬度）</p><p>　　5.2.2腹板拼接設計</p><p>　　主梁腹板材料Q235軸心受拉達到屈服極限時所能承受的力為</p><p>　　梁腹板連

46、接所需的M24高強度螺栓數(shù)目</p><p><b>　　取n=15</b></p><p>　　腹板蓋板所能承受的軸向力最好和母材強度相當</p><p>　　所以腹板蓋板可取—520×8×620</p><p>　　5.3鋼板凈截面強度驗算</p><p>　　由于工地拼接

47、時，預先將長為1.0m的主梁與柱子焊接，由主梁在各種不利荷載組合下的內力圖可知，在為距柱子1.0m處的最大內力為：</p><p><b>　　截面特性</b></p><p><b>　　毛截面慣性矩</b></p><p><b>　　腹板慣性矩，</b></p><p>

48、<b>　　翼緣慣性矩，</b></p><p><b>　　則分配到翼緣的彎矩</b></p><p><b>　　分配到腹板上的彎矩</b></p><p>　　翼緣板螺栓處按軸心受拉驗算，通過翼緣截面形心的軸力</p><p><b>　　翼緣凈截面積為<

49、/b></p><p>　　所以翼緣螺栓處強度滿足要求。</p><p>　　腹板凈截面積為(下圖)</p><p><b>　　凈截面特性</b></p><p><b>　　則正應力</b></p><p><b>　　剪應力</b></