鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計---鋼框架主、次梁設(shè)計

1、<p><b>　　鋼框架主、次梁設(shè)計</b></p><p><b>　　一、設(shè)計資料及說明</b></p><p>　　工程名稱：某多層圖書館二樓框架書庫</p><p>　　工程資料：結(jié)構(gòu)采用橫向框架承重，樓面活荷載標準值8，樓面板為150mm厚單向?qū)嵭匿摻罨炷涟澹奢d傳力途徑為：樓面板－次梁－主梁－柱－

2、基礎(chǔ)。設(shè)計中僅考慮豎向荷載和活載作用,框架梁按連續(xù)梁計算?？蚣芷矫娌贾脠D和柱截面圖如圖1和圖2。</p><p>　　工程要求：（1）設(shè)計次梁截面CL-1。</p><p>　　（2）設(shè)計框架主梁截面KL-1。</p><p>　?。?）設(shè)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>

3、　?。?）設(shè)計框架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點，要求采用高強螺栓連接。</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(1#圖紙一張)，KL-1鋼材用量表，設(shè)計說明。</p><p>　?。?）計算說明書，包括構(gòu)件截面尺寸估算、荷載計算、內(nèi)力組合、主次梁截面設(shè)計、主次梁強度、剛度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定驗算。</p><p

4、>　　說明：由于每行的鋼架布置相同，均可以按照間距為9m的平面鋼架計算。次梁按照鉸接結(jié)點計算，主梁按照連續(xù)梁計算。其計算簡化示意圖如下：</p><p>　　在簡化計算的情況下，次梁在除邊緣以外的中間各處受力相當(dāng)，且比邊緣大。所以只選取縱（B）與（C）之間的次梁計算即可。次梁計算單元如下圖：</p><p>　　選擇次梁材質(zhì)為Q235鋼，采用型鋼。主梁材質(zhì)為Q345鋼，采用焊接組合工

5、字形。</p><p><b>　　二、次梁設(shè)計</b></p><p><b>　　1、設(shè)計荷載</b></p><p><b>　　a.荷載標準值</b></p><p><b>　　b.荷載設(shè)計值</b></p><p>　　

6、c.最大彎矩與剪力設(shè)計值</p><p>　　次梁架于主梁上，相當(dāng)于簡支結(jié)構(gòu)，計算簡圖如下圖4：</p><p><b>　　次梁計算簡圖4</b></p><p>　　2.確定次梁的截面尺寸</p><p><b>　　確定腹板尺寸</b></p><p><b>

7、;　　確定翼緣尺寸：</b></p><p>　　次梁截面尺寸特征（如下圖）：</p><p><b>　　確定焊縫尺寸</b></p><p><b>　　3.次梁驗算</b></p><p><b>　　整體穩(wěn)定性驗算</b></p><p&

8、gt;<b>　　局部穩(wěn)定性驗算</b></p><p><b>　　剛度驗算</b></p><p><b>　　抗彎強度驗算</b></p><p><b>　　翼緣焊縫驗算</b></p><p>　　綜上所述：次梁為實腹式焊接工字型梁，截面為，翼緣

9、與腹板采用焊縫連接，，鋼結(jié)構(gòu)在焊接時焊條采用E43列，焊接方法為手工焊。</p><p>　　框架梁內(nèi)力組合計算及其設(shè)計</p><p>　?。ㄒ唬?模型簡化分析</p><p>　　由簡化力學(xué)模型得知，忽略掉連續(xù)梁對框架梁的荷載影響，只考慮次梁傳遞的荷載。而次梁的荷載又分為橫載和活載兩部分，故要考慮荷載的最不利布置情況。選取中間一拼框架梁做分析計算，由于將次梁簡化

10、為兩端鉸接，各個部分所傳遞的荷載都相同。中間一拼框架梁同時承受兩個次梁傳遞的荷載。</p><p>　　主梁力學(xué)簡化模型圖（結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器上截圖）</p><p>　　暫取主梁的自重為1.45KN/m，牌號為Q345。</p><p>　　由于梁的內(nèi)力較大，采用組合梁設(shè)計。</p><p><b>　?。ǘ?內(nèi)力計算</b&

11、gt;</p><p>　　1.荷載組合求最不利荷載</p><p><b>　　對于連續(xù)多跨梁</b></p><p>　?、僦ё幾畈焕奢d組合既是將活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>　?、诳缰薪孛娴淖畈焕奢d組合即是將活荷載滿布于此跨，其余跨相鄰布置活荷載。</p>

12、<p><b>　　計算簡圖</b></p><p>　　第一種組合：集中活荷載作用于第2、第4單元，可以得到這兩個單元的最大彎矩；</p><p>　　第二種組合：集中活荷載作用于第2、第3單元，可以得到第6單元的最大軸力；</p><p>　　第三種組合：集中活荷載作用于第3、第4單元，可以得到第7單元的最大軸力；</p&

13、gt;<p>　　第四種組合：集中荷載作用于第3單元，可以得到第三單元的最大彎矩。</p><p>　?。ㄓ捎诮Y(jié)構(gòu)對稱，所以第二和第三種組合可看成一種情況）</p><p><b>　　2.荷載計算</b></p><p>　　主梁受力為自重和次梁產(chǎn)生的集中力（其中主梁的自重、次梁自重以及樓面產(chǎn)生的集中力為恒載，樓面活載通過次梁產(chǎn)

14、生的集中力為活載）。</p><p><b>　　則①荷載標準值：</b></p><p>　　（1）框架梁自重： </p><p><b>　　活載標準值： </b></p><p><b>　?、诤奢d設(shè)計值：</b></p><p>　?。?）框架

15、梁自重： </p><p>　　活載設(shè)計值 </p><p><b>　　3.內(nèi)力計算</b></p><p>　　活載作用于第2第4單元內(nèi)力計算</p><p>　　桿端1 桿端2</p><p>　　單元碼 軸力 剪力

16、 彎矩 軸力 剪力 彎矩</p><p>　　1 -325.126 -124.337 113.243 -325.126 -124.337 -508.442</p><p>　　2 -124.337 325.126 -508.442 -124.337 -376.765 -740.882&l

17、t;/p><p>　　3 -12.396 124.146 -372.146 -12.396 -124.146 -372.146</p><p>　　4 -124.337 376.765 -740.822 -124.337 -325.126 -508.442</p><p>　　5 -500.911

18、 111.941 -368.676 -500.911 111.941 191.031</p><p>　　6 -500.911 -111.941 368.676 -500.911 -111.941 -191.031</p><p>　　7 -325.126 124.337 -508.442 -325.126 12

19、4.337 113.243</p><p>　　活載作用于第2第3單元內(nèi)力計算</p><p>　　桿端1 桿端2</p><p>　　單元碼 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩</p><p>　　1 -311.185

20、 -115.636 85.376 -311.185 -115.636 -492.804</p><p>　　2 -115.636 311.185 -492.804 -115.636 -390.706 -850.651</p><p>　　3 -89.202 363.387 -786.631 -89.202

21、-338.504 -674.659</p><p>　　4 -25.122 155.142 -420.925 -25.122 -93.149 -141.960</p><p>　　5 -754.093 26.434 -64.020 -754.093 26.434 68.149</p><p&g

22、t;　　6 -493.646 64.080 -253.734 -493.646 64.080 66.668</p><p>　　7 -93.149 25.122 -141.960 -93.149 25.122 -16.351</p><p>　　活載作用于第3單元內(nèi)力計算</p><p>　

23、　桿端1 桿端2</p><p>　　單元碼 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩</p><p>　　1 -94.529 -27.921 -8.567 -94.529 -27.921 -148.170</p><p>

24、　　2 -27.921 94.529 -148.170 -27.921 -153.762 -414.715</p><p>　　3 -97.218 350.946 -680.704 -97.218 -350.946 -680.704</p><p>　　4 -27.921 153.762 -414.71

25、5 -27.921 -94.529 -148.170</p><p>　　5 -504.707 -69.297 265.989 -504.707 -69.297 -80.497</p><p>　　6 -504.707 69.297 -265.989 -504.707 69.297 80.497<

26、/p><p>　　7 -94.529 27.921 -148.170 -94.529 27.921 -8.567</p><p><b>　　4.主梁內(nèi)力圖</b></p><p>　　在各種最不利荷載作用條件下，所得的內(nèi)力圖如下圖所示：</p><p>　　各單元最大彎矩示意圖（KN

27、.M）</p><p>　　各單元最大剪力示意圖 (KN)</p><p>　　各單元最大軸力示意圖(KN)</p><p>　　由最不利荷載條件下的內(nèi)力圖可以看出，對于框架梁，其最大內(nèi)力值為：</p><p><b>　　（三）主梁設(shè)計</b></p><p>　　先假設(shè)鋼板厚度，則取Q345鋼

28、的抗彎強度設(shè)計值得=310N/,E=206×N/和=250。梁最大容許撓度為L/250.</p><p><b>　　1.尺寸設(shè)計</b></p><p><b>　　（1）.腹板高度</b></p><p>　　1）.鋼梁的最小高度（按最大撓度限值確定）</p><p>　　2）.經(jīng)濟高

29、度經(jīng)驗公式</p><p><b>　　=7×－30cm</b></p><p><b>　　今需要的截面模量為</b></p><p>　　=7×－30cm =66.42cm</p><p>　　取腹板高度==670mm，加翼緣厚度可使梁高度滿足上述要求（≤，≈）</p&

30、gt;<p><b>　　(2).腹板厚度</b></p><p><b>　　1）.抗剪要求</b></p><p><b>　　== </b></p><p>　　2）.局部穩(wěn)定和構(gòu)造因素</p><p><b>　　= =</b><

31、;/p><p>　　綜上取=10mm，選用腹板—670×10。</p><p>　　(3).翼緣板截面尺寸（×）</p><p>　　一般翼緣寬度取10mm的倍數(shù)，厚度取2mm的倍數(shù)</p><p>　　根據(jù)抗剪強度和整體穩(wěn)定性要求</p><p><b>　　×≥－</b&g

32、t;</p><p><b>　　抗彎強度要求</b></p><p>　　整體穩(wěn)定性要求（試取整體穩(wěn)定性系數(shù)=0.80）</p><p><b>　　==</b></p><p>　　代入得；×≥ （a）</p><p>　　在確定和時，應(yīng)考慮翼緣板的局部穩(wěn)

33、定性要求，近似取</p><p>　　≤15＝15=12.38</p><p>　　則有：≥ （b）</p><p>　　即由式（）及（）得=cm,取=320mm，≥=12.92mm，即取=14mm。</p><p>　　×=32×1.4=40.8（需要×=38.87是在假設(shè)=0.80時提出來的，因具體值還不

34、確定，故供給的×值不一定大于或等于38.87。所選×是否恰當(dāng)，要在進行驗算后才知道，故這里采用的都是初選的尺寸）。翼緣板的局部穩(wěn)定性： </p><p>　　(4).截面特征系數(shù)</p><p>　　由以上（1）、（2）、（3）得出所設(shè)計的截面特征系數(shù)為：</p><p><b>　　2.強度驗算</b></p>

35、<p>　　鋼材自重與所設(shè)相當(dāng)，且稍小，因為不能重新計算內(nèi)力。其內(nèi)力值為：</p><p><b>　?。?）抗彎強度</b></p><p>　　跨中截面彎矩最大，按照有限塑性發(fā)展準則（取x = 1.05）得，</p><p><b>　　抗彎強度滿足。</b></p><p>&l

36、t;b>　　（2） 抗剪強度</b></p><p><b>　　座邊緣處的剪力最大</b></p><p><b>　　抗剪強度滿足</b></p><p>　　(3).局部承壓強度</p><p><b>　　式中: F----</b></p>

37、<p>　　lz---- 集中荷載在腹板計算高度上邊緣的假定分布長度集中荷載, </p><p>　　----集中荷載沿梁跨度方向上的支撐長度，此處次梁的寬度為300mm，取</p><p>　　----自集中荷載作用面至腹板計算點的距離，=14mm</p><p>　　---- 集中荷載增大系數(shù)，此處取=1.0 </p><

38、;p>　　---- 鋼材的抗壓強度設(shè)計值</p><p><b>　　局部承壓滿足。</b></p><p><b>　　（4）.折算應(yīng)力</b></p><p>　　由內(nèi)力圖可知，最大彎矩和剪力發(fā)生的截面（跨中）很接近，可當(dāng)成發(fā)生在同一截面來驗算，且在跨中作用有集中荷載。</p><p>　

39、　因此需驗算跨中截面腹板與翼緣處折算應(yīng)力</p><p>　　式中, 、c、-------- 腹板計算高度邊緣同一點上同時產(chǎn)生的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部壓應(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>　　按照抗彎構(gòu)件演算強度算：</

40、p><p><b>　　滿足。</b></p><p><b>　　3.整體穩(wěn)定性驗算</b></p><p>　　1）.彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性驗算</p><p>　　連續(xù)梁兩端固結(jié)，受壓翼緣自由長度l1為4.5m，次梁可視為主梁受壓翼緣一個側(cè)向支承點,故，由《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》表6-3可知，需要驗算整

41、體穩(wěn)定性。其側(cè)向的計算長度應(yīng)為。</p><p><b>　　長細比: ,</b></p><p>　　max = max(x,y) = 45.06 < [] =150.00 長細比(即剛度)滿足 。</p><p>　　對x軸，y軸均為b類截面</p><p>　　計算，，查《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》附表4-4得

42、 ，</p><p><b>　　簡支梁整體穩(wěn)定系數(shù)</b></p><p>　　式中b -梁整體穩(wěn)定的等效臨界彎矩系數(shù), 根據(jù)規(guī)范GB50017-2003之表B.1, 取1.75</p><p>　　y-梁在側(cè)向支承點間對截面弱軸y-y的長細比, </p><p>　　A-毛截面面積 15660mm2</p

43、><p>　　h-梁截面的全高698mm</p><p>　　t1--------受壓翼緣厚度1.40cm</p><p>　　--------截面不對稱系數(shù)，取=0</p><p>　　把以上各值代入得 > 0.6, 應(yīng)根據(jù)彈塑性方法來修正，1.0</p><p>　　同理側(cè)向支撐的另外一端。</p>

44、<p>　　歐拉臨界力: Nex = </p><p>　　有端彎矩和橫向荷載作用且使構(gòu)件產(chǎn)生同向彎曲 </p><p>　　在構(gòu)件段內(nèi)有彎矩和橫向荷載作用且使構(gòu)件產(chǎn)生異向彎曲</p><p>　　由公式： </p><p>　　平面內(nèi)整體穩(wěn)定滿足。</p><p>　　2）. 彎矩作用平面

45、外的穩(wěn)定性驗算</p><p>　　平面內(nèi)整體穩(wěn)定滿足。</p><p><b>　　整體穩(wěn)定滿足。</b></p><p><b>　　4.局部穩(wěn)定性驗算</b></p><p>　　翼緣：設(shè)計時已考慮，因此不必再驗算。</p><p>　　腹板：，滿足局部穩(wěn)定要求。<

46、;/p><p>　　不用配置橫向加勁肋。</p><p>　　5.翼緣與腹板連接焊縫計算</p><p>　　翼緣與腹板連接采用雙面角焊縫如圖：</p><p><b>　　傳力摩擦面數(shù)目2。</b></p><p>　　摩擦面的抗滑移系數(shù)，按照《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》表8-7，鋼材采用Q345，噴砂（丸）

47、</p><p>　　每個高強度螺栓的預(yù)拉應(yīng)力，表8-8,P=125kN最大剪力值為：V=390.706kN</p><p>　　上翼緣板對梁截面中和軸X的面積矩：</p><p>　　由剪力產(chǎn)生的焊縫中水平應(yīng)力為： </p><p>　　由均布荷載（N = 1204.7238 N/m每米自重）產(chǎn)生的焊縫中豎向力為：</p>&

48、lt;p><b>　　焊縫強度驗算為：</b></p><p><b>　　解得：</b></p><p><b>　　根據(jù)構(gòu)造要求：</b></p><p><b>　　所以取</b></p><p><b>　　6.剛度驗算</b

49、></p><p><b>　　撓度滿足要求。</b></p><p>　　綜上：主梁設(shè)計合格，滿足要求，不用配置橫向加勁肋。</p><p><b>　　四．連接</b></p><p>　?。ㄒ唬?框架主梁短梁段與框架柱連接</p><p>　　采用焊縫連接：Q34

50、5角焊接的的抗拉強度</p><p>　　Q345對接焊縫的抗拉強度</p><p>　　短梁段長度一般為L=0.9～1.2m。柱距為9米，而柱的截面高度h為0.6米，假設(shè)主梁與柱采用牛腿角焊縫連接，所以主梁長度為9-0.6=8.4m。取短梁段長度L為1.2m。</p><p>　　在剪力和軸力作用下，焊縫應(yīng)力分布為矩形。其中剪應(yīng)力由腹板承擔(dān)，軸力則由所有焊縫承受。

51、在彎矩作用下，焊縫應(yīng)力分布為三角形。從應(yīng)力分布來看，最危險點為“a”或者“b”點(如下圖)。</p><p>　　角焊縫連接的基本受力圖</p><p><b>　　1）.焊角尺寸</b></p><p>　　采用手工焊角焊縫，則有焊角尺寸應(yīng)滿足</p><p><b>　　又</b></p&

52、gt;<p><b>　　2）.焊縫截面特征</b></p><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>　　構(gòu)件截面對稱，焊縫

53、也對稱，因此焊縫形心至水平板頂面的距離（）與焊縫形心至水平板底面的距離（）等于y====349mm</p><p><b>　　求焊縫慣性矩</b></p><p><b>　　3).焊縫受力分析</b></p><p>　　根據(jù)最不利荷載計算出的內(nèi)力，可知在短梁段與柱連接點處的最大內(nèi)力可能出現(xiàn)兩種情況：</p>

54、;<p>　　情況一：計算3梁與框架柱焊接處</p><p><b>　　其最大內(nèi)力為:</b></p><p><b>　　“a”處受力為：</b></p><p><b>　　“a“點應(yīng)力為</b></p><p>　　結(jié)論：“a“點應(yīng)力滿足要求。</p

55、><p><b>　　“b”處受力為：</b></p><p><b>　　“b“點應(yīng)力為</b></p><p>　　結(jié)論：“b“點應(yīng)力滿足要求。</p><p>　　情況二：計算2或者4梁與框架柱焊接處</p><p><b>　　其最大內(nèi)力為：</b>

56、</p><p><b>　　“a”處受力為：</b></p><p><b>　　“a“點應(yīng)力為</b></p><p>　　結(jié)論：“a“點應(yīng)力滿足要求。</p><p><b>　　“b”處受力為：</b></p><p><b>　　“b

57、“點應(yīng)力為</b></p><p>　　結(jié)論：“b“點應(yīng)力滿足要求。</p><p>　　由以上計算可知采用全部雙面角焊縫能滿足設(shè)計的要求。</p><p>　　（二）.主梁短梁段與梁體工地拼接</p><p>　　設(shè)拼接中心的彎矩由翼緣和腹板承擔(dān)，剪力和軸力分別則由腹板承擔(dān)。彎矩按照鋼梁翼緣和腹板的剛度分配。</p>

58、<p>　　同樣，根據(jù)最不利荷載計算出的內(nèi)力，其最大內(nèi)力值為：</p><p><b>　　1.螺栓選擇</b></p><p>　　選擇采用M20（d=20mm）的8.8級高強螺栓摩擦型連接，孔徑。</p><p>　　一個高強螺栓的抗剪承載力設(shè)計值：</p><p><b>　　2．截面特性&

59、lt;/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><p><b>　

60、　分配到腹板上的彎矩</b></p><p><b>　　3.螺栓計算</b></p><p>　　(1）.梁單側(cè)翼緣連接所需的高強度螺栓數(shù)目為：</p><p><b>　　取。</b></p><p>　　(2).腹板上的螺栓計算</p><p><b&

61、gt;　　1).設(shè)計資料</b></p><p>　　2).單個螺栓的參數(shù)計算</p><p><b>　　所選螺栓的參數(shù):</b></p><p>　　采用規(guī)范 : GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范</p><p>　　類型及等級 : 高強螺栓摩擦型連接8.8級</p><p

62、>　　螺栓直徑d : 20 mm</p><p>　　受剪面數(shù)目 nv: 2</p><p>　　連接板鋼號 : Q345</p><p>　　同一受力方向連接板較小總厚度Σt: 10 mm</p><p>　　3).螺栓群受力計算</p><p>　　螺栓群受扭矩T和豎向剪力V以及水平力F（即偏心力作用下

63、螺栓群抗剪）, 采用彈性分析法。</p><p><b>　　螺栓的最大內(nèi)力：</b></p><p>　　所以螺栓的連接設(shè)計滿足受力要求。</p><p>　　4.拼接板截面尺寸確定</p><p>　　為使拼接板結(jié)點具有足夠的強度，并保證梁剛度的連續(xù)性，在確定梁的翼緣和拼接連接板時，應(yīng)根據(jù)連接板的凈截面面積大于等于梁

64、凈截面面積。</p><p>　　翼緣外側(cè)拼接連接板的厚度：</p><p>　　假設(shè)內(nèi)側(cè)拼接板的厚度為=8mm.</p><p>　　則梁內(nèi)側(cè)內(nèi)側(cè)拼接板的寬度，取。</p><p><b>　　腹板連接板厚度，取</b></p><p>　　由此得翼緣外側(cè)拼接板尺寸為：</p>

65、<p>　　翼緣內(nèi)側(cè)拼接板尺寸為：</p><p>　　腹板連接板尺寸為 ：</p><p>　　5構(gòu)件凈截面強度驗算</p><p><b>　　1.梁翼緣驗算</b></p><p>　　鋼板上的螺栓分布圖如下圖所示：</p><p>　　由圖可見，對并列螺栓，只需驗算凈截面即

66、可。</p><p><b>　　鋼材凈截面</b></p><p><b>　　正應(yīng)力</b></p><p><b>　　滿足要求。</b></p><p>　　2.驗算鋼腹板凈截面強度</p><p>　　與翼緣驗算同，對并列螺栓，只需驗算I-I凈

67、截面。</p><p><b>　　由于腹板的凈截面</b></p><p>　　高強螺栓傳遞軸力時，已有一部分由于摩擦作用再孔前傳遞，所以凈截面上的軸力為</p><p><b>　　正應(yīng)力</b></p><p><b>　　腹板截面滿足要求。</b></p>

68、<p><b>　　設(shè)計完畢。</b></p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1]中華人民共和國建設(shè)部. 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB5009－2001），中國建筑工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[2]中華人民共和國建設(shè)部. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50017－2003），中國建