鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程設(shè)計(jì)--某鋼平臺結(jié)構(gòu)（布置及）設(shè)計(jì)

1、<p>　　鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　鋼框架設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)題目：</b></p><p>　　某鋼平臺結(jié)構(gòu)（布置及）設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　二、參考規(guī)范及書目</b></p>

2、<p><b>　　1、規(guī)范</b></p><p>　?。?）中華人民共和國建設(shè)部. 建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50105－2001）</p><p>　?。?）中華人民共和國建設(shè)部. 房屋建筑制圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50001－2001）</p><p>　　（3）中華人民共和國建設(shè)部. 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB5009－2001）

3、</p><p>　　（4）中華人民共和國建設(shè)部. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017－2003）</p><p>　?。?）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（GB50205-2001）</p><p>　?。?）沈祖炎等. 鋼結(jié)構(gòu)基本原理，中國建筑工業(yè)出版社，2006</p><p>　?。?）李星榮等. 鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4、手冊（第二版），中國建筑工業(yè)出版社，2005</p><p>　?。?）包頭鋼鐵設(shè)計(jì)研究院 中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)協(xié). 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算（第二版），機(jī)械工業(yè)出版社，2006</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)構(gòu)件</b></p><p>　　某多層圖書館二樓書庫樓面結(jié)構(gòu)布置圖如圖1（具體參照附表一按學(xué)號確定各自的柱網(wǎng)尺寸）。結(jié)

5、構(gòu)采用橫向框架承重，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，樓層層高取3.9m.</p><p>　　采用的鋼材、焊條為：學(xué)號為單號的同學(xué)用Q235鋼，焊條為E43型；雙號的同學(xué)用Q345鋼，焊條為E50

6、型；</p><p>　　活荷載分項(xiàng)系數(shù)1.4</p><p>　　永久荷載分項(xiàng)系數(shù)1.2</p><p><b>　　四、設(shè)計(jì)內(nèi)容要求</b></p><p>　　驗(yàn)算焊接H型鋼框架柱的承載能力，如不足請自行調(diào)整。</p><p>　　設(shè)計(jì)次梁截面CL-1（熱軋H型鋼）。</p>

7、<p>　　設(shè)計(jì)框架主梁截面KL-1（焊接工字鋼）。</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　設(shè)計(jì)次梁與主梁工地拼接節(jié)點(diǎn)，要求采用高強(qiáng)螺栓連接。</p><p>

8、　　繪制次梁與主梁工地拼接節(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，KL-1鋼材用量表，設(shè)計(jì)說明等。</p><p>　　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。</p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　鋼

9、框架設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　一、構(gòu)建整體信息及其簡化模型</p><p>　　某多層圖書館二樓書庫樓面結(jié)構(gòu)布置圖如圖1，結(jié)構(gòu)采用橫向框架承重，樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值6，樓面永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值5,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?？蚣芰喊催B續(xù)梁計(jì)算。其中框架柱為焊接H型鋼，截面尺寸為H60

10、0×300×12×18，樓層層高取3.9m，班級序號21，柱網(wǎng)尺寸8×12，例如下圖中柱網(wǎng)尺寸為9×9（單位：m）。</p><p>　　二、樓蓋荷載計(jì)算及次梁設(shè)計(jì)</p><p><b>　　簡化要點(diǎn)：</b></p><p>　　板面荷載按單向板分布；</p><p>

11、;　　次梁與框架梁鉸接連接，各次梁受力相同，可任取其中一根分析；</p><p>　　框架梁按連續(xù)梁設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮荷載的最不利位置。</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)材料材質(zhì)</b></p><p><b>　　Q235鋼，</b></p><p><b>　　E43焊條，</b>

12、;</p><p><b>　　荷載組合計(jì)算</b></p><p>　　樓面板永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值：</p><p><b>　　樓面板自重標(biāo)準(zhǔn)值：</b></p><p>　　樓面板活載標(biāo)準(zhǔn)值： </p><p><b>　　樓面板恒載設(shè)計(jì)值：</b>&l

13、t;/p><p><b>　　樓面板活載設(shè)計(jì)值：</b></p><p>　　組合均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：</p><p>　　組合均布荷載設(shè)計(jì)值為：</p><p>　　計(jì)算最大彎矩與剪力設(shè)計(jì)值</p><p>　　在設(shè)計(jì)荷載作用下的最大彎矩為：</p><p><b>

14、　　確定次梁的截面尺寸</b></p><p>　　次梁所需的截面抵抗矩(鋼梁自重未知，故考慮安全系數(shù)1.02）：</p><p>　　次梁選用H形截面，則選用HN792*300.</p><p><b>　　查表得其截面特征：</b></p><p><b>　　若考慮梁的自重：</b>

15、;</p><p><b>　　5.次梁驗(yàn)算</b></p><p>　?。?）按抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算 </p><p>　　故次梁的抗彎強(qiáng)度滿足要求。</p><p><b>　?。?）抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算</b></p><p>　　故次梁抗

16、剪強(qiáng)度滿足要求。</p><p><b>　　(3) 剛度驗(yàn)算</b></p><p>　　故滿足剛度要求。 </p><p>　　綜上所述，HN792*300型鋼滿足要求。 </p><p>　　三、框架梁內(nèi)力組合計(jì)算及其設(shè)計(jì)</p><p>　　1、力學(xué)模型分析及其內(nèi)力計(jì)算</p

17、><p>　　忽略連續(xù)梁對框架主梁的荷載影響，只考慮次梁傳遞的荷載，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，將框架主梁簡化為三跨連續(xù)梁。</p><p>　　框架主梁設(shè)計(jì)簡圖如下：</p><p>　　主梁截面尺寸待定，因此先不計(jì)主梁自重荷載：</p><p><b>　　集中恒載標(biāo)準(zhǔn)值：</b></p

18、><p><b>　　集中活載標(biāo)準(zhǔn)值：</b></p><p><b>　　集中恒載設(shè)計(jì)值：</b></p><p><b>　　集中活載設(shè)計(jì)值：</b></p><p>　　對于連續(xù)多跨梁，有如下規(guī)律：</p><p>　　（1）支座處最不利荷載組合是將活

19、荷載滿布于此支座所在的兩跨，其余跨相鄰布置活荷載；</p><p>　　（2）跨中截面的最不利荷載組合既是將活荷載滿布于此跨，其余跨相鄰布置活荷載。</p><p>　　由此可以得到5種最不利荷載組合。</p><p>　?、?集中活荷載作用于第1單元</p><p>　?、?集中活荷載作用于第2單元</p><p>

20、　　③ 集中活荷載作用于第1、3單元</p><p>　　④ 集中活荷載作用于第1、2單元</p><p>　　⑤ 集中活荷載作用于第1、2、3單元</p><p>　　a．恒載與情況①的組合荷載引起的主框架梁彎矩圖和剪力圖</p><p>　　G+Q G G</p><p>

21、;　　上圖為剪力圖(KN),下圖為彎矩圖(KNm）</p><p>　　b．恒載與情況②的組合荷載引起的主框架梁彎矩圖和剪力圖</p><p>　　G G+Q G</p><p>　　上圖為剪力圖(KN),下圖為彎矩圖(KNm）</p><p>　　c．恒載與情況③的組合荷載引起的主框架梁彎矩圖和剪力圖

22、</p><p>　　G+Q G G+Q </p><p>　　上圖為剪力圖(KN),下圖為彎矩圖(KNm）</p><p>　　d．恒載與情況④的組合荷載引起的主框架梁彎矩圖和剪力圖</p><p>　　G+Q G+Q G</p><p>

23、　　上圖為剪力圖(KN),下圖為彎矩圖(KNm）</p><p>　　e．恒載與情況⑤的組合荷載引起的主框架梁彎矩圖和剪力圖</p><p>　　G+Q G+Q G+Q</p><p>　　上圖為剪力圖(KN),下圖為彎矩圖(KNm）</p><p>　　由以上五種情況可知：</p><

24、p>　　梁在恒載與工況3的組合荷載作用下彎矩最大</p><p>　　梁在恒載和工況3的組合荷載作用下剪力最大。</p><p>　　2、框架梁的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算</p><p>　　所需截面模量為（鋼梁自重為止故考慮安全系數(shù)1.02）：</p><p><b>　　2.1、腹板高度</b></p><

25、;p><b>　　(1)梁的最小高度</b></p><p>　　根據(jù)正常使用極限狀態(tài)的要求，梁在荷載標(biāo)準(zhǔn)值的作用下的撓度不得超過設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的容許值。據(jù)此可得到簡支梁的最小高度為</p><p><b>　　n=300</b></p><p><b>　　(2)梁的經(jīng)濟(jì)高度</b></p

26、><p><b>　　經(jīng)濟(jì)高度經(jīng)驗(yàn)公式為</b></p><p><b>　　取腹板高度</b></p><p><b>　　2.2、腹板厚度</b></p><p><b>　　取</b></p><p>　　2.3、翼緣板的尺寸&l

27、t;/p><p><b>　　翼緣寬度：</b></p><p><b>　　又：</b></p><p><b>　　初選截面如圖所示：</b></p><p>　　2.4、主梁的截面特性</p><p>　　2.5、翼緣與腹板連接焊縫計(jì)算</p&g

28、t;<p>　　2.6、主梁截面驗(yàn)算</p><p><b>　　主梁自重標(biāo)準(zhǔn)值：</b></p><p><b>　　主梁自重設(shè)計(jì)值：</b></p><p>　　主梁（包括自重）所承受的最大彎矩與最大剪力按照近似計(jì)算：</p><p><b>　　(1)抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算<

29、;/b></p><p>　　考慮部分發(fā)展塑性變形 取</p><p>　　所以抗彎強(qiáng)度滿足要求</p><p><b>　　(2)抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算</b></p><p>　　所以抗剪強(qiáng)度滿足要求</p><p>　　(3)局部承壓強(qiáng)度驗(yàn)算</p><p><b

30、>　　跨中集中力：</b></p><p><b>　　局部壓應(yīng)力：</b></p><p><b>　　折算應(yīng)力驗(yàn)算</b></p><p>　　翼緣與腹板相接處計(jì)算折算應(yīng)力：</p><p>　　式中, -------- 腹板計(jì)算高度邊緣同一點(diǎn)上同時(shí)產(chǎn)生的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部壓

31、應(yīng)力 </p><p>　　其中,，跨中截面腹板與翼緣處正應(yīng)力</p><p><b>　　折算應(yīng)力滿足。</b></p><p>　　(5)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算</p><p>　　連續(xù)梁兩端固結(jié)，受壓翼緣自由長度，次梁可視為主梁受壓翼緣的一個(gè)側(cè)向支承點(diǎn)，故。故不需要驗(yàn)算該梁的整體穩(wěn)定性。</p><p&

32、gt;　　所以主梁的整體穩(wěn)定性滿足要求</p><p><b>　　(6)局部穩(wěn)定性</b></p><p>　　由于考慮了截面部分發(fā)展塑性變形，受壓翼緣板的自由外伸寬度與其厚度之比 </p><p>　　局部穩(wěn)定性符合要求。</p><p><b>　　(7)主梁剛度驗(yàn)算</b></p&g

33、t;<p>　　主梁在組合荷載作用下的最大撓度為</p><p>　　所以主框架梁剛度滿足要求。</p><p><b>　　翼緣與腹板焊縫計(jì)算</b></p><p><b>　　故滿足。</b></p><p>　　綜上所述，主梁設(shè)計(jì)截面滿足要求。</p><p

34、>　　驗(yàn)算框架柱的承載能力</p><p><b>　　邊柱驗(yàn)算：</b></p><p><b>　?、購?qiáng)度驗(yàn)算</b></p><p><b>　　不滿足</b></p><p>　　因此選用HN700*300型鋼</p><p><b&

35、gt;　　滿足</b></p><p><b>　?、谡w穩(wěn)定性及剛度</b></p><p><b>　　彎矩作用在平面內(nèi)：</b></p><p><b>　　彎矩作用在平面外：</b></p><p><b>　　③局部穩(wěn)定性：</b>&

36、lt;/p><p>　　H型鋼不需要驗(yàn)算局部穩(wěn)定性</p><p>　　綜上所述框架柱承載能力足夠。</p><p>　　五、主梁短梁段與柱的焊縫連接設(shè)計(jì)</p><p>　　1、 焊縫處內(nèi)力計(jì)算</p><p>　　由主梁在各種不利荷載組合下的內(nèi)力圖可知，在連接處的最大內(nèi)力為：</p><p>&

37、lt;b>　　焊縫分布情況如下</b></p><p>　　2 、 焊腳尺寸的設(shè)計(jì)</p><p>　　焊件均采用Q235鋼材，焊條為E43型，角焊縫為手工焊接，采用引弧板，沒有起弧和落弧引起的缺陷。</p><p>　　按構(gòu)造要求確定焊腳的尺寸：</p><p>　　角焊縫的尺寸除滿足強(qiáng)度要求外，還必須符合對其尺寸的限制和

38、構(gòu)造的要求</p><p><b>　　根據(jù)構(gòu)造要求</b></p><p>　　最大焊腳尺寸： 當(dāng)采用手工焊時(shí)，</p><p>　　其中為較薄板件的厚度</p><p>　　最小焊腳尺寸：當(dāng)采用手工焊時(shí)， </p><p>　　其中為較厚板件的厚度</p><p>&l

39、t;b>　　由上取</b></p><p><b>　　3 驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度</b></p><p><b>　　3.1焊縫截面特征</b></p><p>　　我國設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定側(cè)面角焊縫的計(jì)算長度不宜大于，當(dāng)超過這個(gè)值時(shí)，超出部分不予考慮。設(shè)計(jì)中豎直焊縫為故焊縫計(jì)算截面如圖所示：</p>

40、<p><b>　　水平焊縫面積</b></p><p><b>　　豎向焊縫面積</b></p><p><b>　　焊縫總面積</b></p><p><b>　　焊縫慣性矩</b></p><p>　?。ㄋ胶缚p繞自身軸慣性矩很小，計(jì)算時(shí)忽

41、略。）</p><p><b>　　3.2焊縫強(qiáng)度檢算</b></p><p>　　有規(guī)范，鋼材為Q235，焊條為E43型的手工焊，角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為:</p><p>　　根據(jù)最不利荷載計(jì)算出的內(nèi)力，可知在短梁段與柱連接點(diǎn)處的最大內(nèi)力可能出現(xiàn)兩種情況：（軸力為0）</p><p>　　(1)“a”點(diǎn)應(yīng)力分析：</

42、p><p><b>　　“a”點(diǎn)應(yīng)力為</b></p><p>　　故“a”點(diǎn)滿足要求。</p><p>　　（2）“b”點(diǎn)應(yīng)力分析：</p><p><b>　　“b”點(diǎn)應(yīng)力為：</b></p><p>　　故“b”點(diǎn)滿足要求。</p><p>　　綜上

43、所述焊縫強(qiáng)度滿足要求。</p><p>　　六、設(shè)計(jì)框架主梁短梁段與梁體工地高強(qiáng)螺栓拼接節(jié)點(diǎn) </p><p>　　6.1 連接處內(nèi)力計(jì)算</p><p>　　由于工地拼接時(shí)，預(yù)先將長為1.0m的主梁與柱子焊接（即以上第五部分所述），由主梁在各種不利荷載組合下的內(nèi)力圖可知，在為距柱子1.0m處的最大內(nèi)力為：</p><p>　　由上述主梁內(nèi)力

44、計(jì)算表知：</p><p><b>　　梁端最大彎矩 ，</b></p><p>　　對應(yīng)工況下支座最大剪力為</p><p>　　取短梁長度為1.0m，則集中荷載在1.0m處產(chǎn)生的內(nèi)力計(jì)算如下：</p><p><b>　　彎矩： </b></p><p><b&g

45、t;　　剪力：</b></p><p>　　6.2 高強(qiáng)螺栓的選擇以及孔距的確定</p><p>　　由于翼緣板處根據(jù)構(gòu)造要求配置的螺栓數(shù)量遠(yuǎn)大于根據(jù)強(qiáng)度驗(yàn)算所需的數(shù)量，因而翼緣處的螺栓采用M22的10.9級摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，孔徑，腹板處采用M24的10.9級摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，孔徑 </p><p>　　一個(gè)M20高強(qiáng)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值</

46、p><p>　　一個(gè)M24高強(qiáng)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值</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</p><p>　　——每個(gè)高強(qiáng)螺栓的預(yù)壓應(yīng)力，通過查閱鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對于M22，P取190KN ,對于M24，P取225KN。</p><p><

47、b>　　6.3 截面特性</b></p><p>　　毛截面慣性矩，由前已算出</p><p><b>　　腹板慣性矩，</b></p><p><b>　　翼緣慣性矩，</b></p><p><b>　　則分配到翼緣的彎矩</b></p>&

48、lt;p><b>　　分配到腹板上的彎矩</b></p><p><b>　　6.4翼緣拼接設(shè)計(jì)</b></p><p>　　梁單側(cè)翼緣連接所需的高強(qiáng)度螺栓數(shù)目</p><p>　　根據(jù)翼緣所承受的彎矩，翼緣拼接板所傳遞的軸向力為</p><p><b>　　,</b>&

49、lt;/p><p>　　其中h為兩翼緣形心間的距離。拼接板向邊傳遞磁力所需螺栓的個(gè)數(shù)為</p><p>　　螺栓孔徑取24mm，翼緣板的凈截面面積為：</p><p>　　翼緣板所能承受的軸向力設(shè)計(jì)值為：</p><p><b>　　采用8個(gè)。</b></p><p>　　翼緣外側(cè)拼接連接板的厚度：&

50、lt;/p><p><b>　　取</b></p><p>　　翼緣外側(cè)板的尺寸為：</p><p>　　翼緣內(nèi)側(cè)拼接連接板的厚度：</p><p>　　如果考慮內(nèi)外側(cè)拼接板截面面積相等，則有： </p><p>　　取，內(nèi)拼接板的尺寸為：</p><p&

51、gt;<b>　　螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算</b></p><p>　　上述計(jì)算表明螺栓強(qiáng)度滿足，可不必進(jìn)行驗(yàn)算。</p><p>　　故，翼緣拼接采用八個(gè)M22螺栓，拼接板尺寸為：</p><p><b>　　外拼接板： </b></p><p><b>　　內(nèi)拼接板： </b><

52、/p><p><b>　　6.5腹板拼接設(shè)計(jì)</b></p><p>　　梁腹板連接所需的高強(qiáng)螺栓數(shù)目：</p><p>　　采用10.9級的M24螺栓：</p><p>　　考慮到彎矩作用的影響，采用8個(gè)M24螺栓，并成兩排布置。</p><p>　　腹板兩側(cè)連接板的厚度：</p>&

53、lt;p><b>　　取</b></p><p>　　腹板兩側(cè)連接板的尺寸不妨取為：</p><p>　　則梁與梁的拼接板連接圖如下圖：</p><p>　　連接構(gòu)件的接觸面采用噴砂處理。</p><p><b>　　螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算</b></p><p>　　單個(gè)螺栓的

54、抗剪承載力設(shè)計(jì)值：</p><p>　　剪力 在螺栓群形心處所引起的附加彎矩：</p><p><b>　　修正后的彎矩：</b></p><p><b>　　螺栓最大應(yīng)力</b></p><p>　　故螺栓的連接強(qiáng)度滿足要求。</p><p>　　故，腹板拼接采用8個(gè)M24

55、螺栓，拼接板尺寸為：</p><p><b>　　外拼接板： </b></p><p>　　6.6. 螺栓的凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算：</p><p>　?。?）選截面1—1討論：</p><p>　　最大正應(yīng)力 </p><p><b>　

56、　最大剪應(yīng)力</b></p><p>　　對于點(diǎn)b,折算應(yīng)力為：</p><p><b>　　滿足要求</b></p><p>　?。?）選截面2—2討論：</p><p>　　最大正應(yīng)力 </p><p><b>　　

57、最大剪應(yīng)力</b></p><p>　　對于點(diǎn)b,折算應(yīng)力為：</p><p><b>　　滿足要求。</b></p><p>　　七、次梁與主梁工地拼接節(jié)點(diǎn)計(jì)算</p><p>　　次梁看做是簡支梁，故其支座處只有剪力，沒有彎矩。由之前計(jì)算知次梁支處最大剪力為V=495.9kN。采用10.9級高強(qiáng)螺栓?？讖?/p>