中南大学钢结构课程设计.doc
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《钢结构基本原理》课程设计任务书
中南大学土木工程学院土木工程专业（本科）
《钢结构基本原理》课程设计任务书
题目：
钢框架主次梁设计
姓名：
班级：
学号：
目录
一、设计条件 2
二、设计内容和要求 3
三、设计次梁截面CL-1 4
3.1次梁荷载设计（不含次梁的自重） 4
3.2次梁截面设计 5
3.3次梁截面验算 5
四、框架主梁内力组合及其计算 5
4.1主梁荷载设计 5
4.2主梁截面设计 10
4.3主梁截面验算 11
五、设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点 13
5.1计算拼接点荷载 13
5.2螺栓连接设计 13
六、设计框架主梁短梁段与框架柱连接节点 17
6.1焊缝尺寸确定 17
6.2焊缝截面特征 18
6.3焊缝受力分析 18
七、设计体会 20
八、参考文献 21
一、设计条件
某多层钢框架结构三楼楼面结构布置如图1所示，结构采用横向框架承重，柱网布置尺寸及楼面活载大小详见“五附图”。
楼面板为150mm厚单向实心钢筋混凝土板，楼层装修从下至上具体如下：
轻钢龙骨吊顶（0.2<标准值>）→框架钢梁→150mm厚实心钢筋混凝土板（25<标准值>）→水磨石面层（包括20mm厚水泥砂浆找平，0.65<标准值>）。
荷载传力途径为：
楼面板－次梁－主梁－柱－基础。
设计中仅考虑竖向荷载作用，框架主梁按连续梁计算，次梁按简支梁计算。
结构布置柱网尺寸及楼面活荷载大小
组别
主梁跨度B（mm）
次梁跨度L（mm）
楼面活载标准值（kN/m2）
1
8400
9000
5.0
2
8400
9000
7.0
3
8000
8400
6.0
4
8000
8400
8.0
5
8000
9000
6.0
√6
8000
9000
8.0
以下设计中钢材选用Q235。
二、设计内容和要求
（1）进行次梁CL-1截面设计。
（2）进行框架主梁KL-1截面设计，并绘制施工图。
（3）进行框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点设计，短梁段长度一般为0.9～1.2m，要求采用高强螺栓连接，并绘制施工图。
（4）进行框架主梁短梁段与框架柱连接节点设计，要求采用焊缝连接，并绘制施工图。
要求：
提交设计计算说明书一份，框架主梁KL-1施工图（一号图）一张。
计算说明书包括：
构件截面尺寸估算、荷载计算、内力组合、主次梁截面设计（包括截面板件连接焊缝设计）、主次梁强度、刚度、整体稳定、局部稳定验算。
计算书按中南大学课程设计统一格式编制，要求文本规范、层次分明、字体工整，图表准确，并按以下顺序装订成册：
封面、设计任务书、目录（应标明各章节页码）、设计计算正文文本、设计体会、参考文献（按规范格式书写）、封底。
施工图绘制包括：
绘制框架主梁短梁段与梁体制作详图、框架主梁短梁段与柱连接节点详图、短梁段与主梁梁体连接节点详图，KL-1钢材用量表，设计说明（1#图纸一张）。
施工图图面布置合理，比例适当，图面整洁，线条清楚，文字采用宋体或仿宋体，符合制图标准，达到施工图要求。
三、设计次梁截面CL-1
1.次梁荷载设计
（1）荷载标准值
1）由于次梁可以看作是两端铰接的，为了简化计算，只将次梁两侧的楼面荷载以及楼面板自重加入计算，荷载的标准值如下
楼面活载：
；
2）根据楼面板的构造可知
楼面混凝土自重：
；
（2）荷载设计值：
（3）最大弯矩与剪力设计值
次梁架于主梁上，相当于简支梁结构，计算简图如下
次梁荷载分布图：
次梁弯矩分布图：
次梁剪力分布图：
最大弯矩设计值为：
2.次梁截面设计
根据截面模量选用热轧普通工字型钢I63c，其截面特性及基本尺寸如下：
3.次梁截面验算
由于选用型钢，故无需检验其整体稳定及局部稳定，只需检验强度及刚度即可，计算如下：
（1）抗弯强度度验算
，满足
（2）抗剪强度验算
，满足
（3）刚度验算
，满足
综合上述计算，故次梁选用I63c满足要求。
四、框架主梁内力组合计算及其设计
1.主梁荷载设计
由简化力学模型得知，忽略掉连续梁对框架梁的荷载影响，只考虑次梁传递的荷载。
而次梁的荷载又分为恒载和活载两部分，故要考虑荷载的最不利布置情况。
选取中间一拼框架梁做分析计算，由于将次梁简化为两端铰接，各个部分所传递的荷载都相同。
中间一拼框架梁同时承受两个次梁传递的荷载。
主梁力学简化模型图
主梁截面尺寸待定，因此先假设不计主梁自重荷载，在验算中再计入自重。
集中恒载设计值：
集中活载设计值：
（1）荷载分析：
由于结构的对称性，仅对以下6种荷载形式进行分析，并用“结构力学求解器”求出弯矩图和剪力图如下所示：
1）次梁传递集中力恒载
弯矩图：
剪力图：
2）连续梁受满布活载
弯矩图：
剪力图
3）跨受满布活载
弯矩图
剪力图
4）2跨受满布活载
弯矩图：
剪力图：
5）1、2跨受满布活载
弯矩图：
剪力图：
6）1、3跨受满布活载
弯矩图：
剪力图：
（2）内力计算
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
M1
213.66
403.2
456.96
-67.2
389.76
470.4
M2
213.66
403.2
-67.2
537.6
407.4
134.4
MB
-213.66
-403.2
-188.16
-268.8
-456.96
134.4
MC
-213.66
-403.2
53.76
-268.8
-215.04
134.4
VA
106.83
201.6
241.92
-50.4
191.52
252
VD
-106.83
-201.6
-10.08
50.4
40.32
-252
VB左
-106.83
-201.6
-161.28
-50.4
-211.68
-151.2
VB右
106.83
201.6
30.24
201.6
231.84
0
VC左
-106.83
-201.6
30.24
-201.6
-171.36
0
VC右
106.83
201.6
-10.08
50.4
40.32
151.2
（3）内力组合及最不利荷载
（1）+
（2）
（1）+（3）
（1）+（4）
（1）+（5）
（1）+（6）
最不利荷载
M1
616.86
670.62
146.46
603.42
684.06
684.06
M2
616.86
146.46
751.26
621.06
348.06
751.26
MB
-616.86
-401.82
-482.46
-670.62
-79.26
-670.62
MC
-616.86
-159.9
-482.46
-428.7
-79.26
-616.86
VA
308.43
348.75
56.43
298.35
358.83
358.83
VD
-308.43
-116.91
-56.43
-66.51
-358.83
-358.83
VB左
-308.43
-268.11
-157.23
-318.51
-258.03
-318.51
VB右
308.43
137.07
308.43
338.67
106.83
338.67
VC左
-308.43
-76.59
-308.43
-278.19
-106.83
308.43
VC右
308.43
96.75
157.23
147.15
258.03
308.43
故由上表可知：
2.主梁截面设计
先假设钢板厚度，则取Q345钢的抗弯强度设计值得,，梁最大容许挠度为，
先假设。
（1）腹板高度
1）钢梁的最小高度（按挠度限值计算）
2）经济高度经验公式
综合上述，
（2）腹板厚度
取腹板厚度
（3）翼缘宽度及厚度
翼缘宽度,取
翼缘厚度取
则，满足
（4）截面特征
（5）确定焊缝尺寸
取
3.主梁截面验算
主梁自重标准值：
（此处采用钢材）
主梁自重设计值：
主梁（包含自重）所承担的最大弯矩值与最大剪力近似按下式计算：
（1）强度验算
1）抗弯强度
2）抗剪强度
3）局部承压强度
4）折算应力
综合上述，故满足强度条件
（2）整体稳定验算
，则
故整体稳定性满足
（3）局部稳定验算
故局部稳定性满足
（4）刚度验算
故满足刚度要求
（5）翼缘与腹板焊缝计算
，满足要求。
综上可知，主梁设计截面满足要求。
五、框架主梁短梁段与梁体工地拼接结点设计
1.计算拼接点荷载
由于工地拼接时，预先将长为1.0m的主梁与柱子焊接，利用结构力学求解器得到各种不利荷载组合下的内力图如下
弯矩图：
剪力图：
由求解器求得在为距柱子1.0m处的最大内力为：
2.螺栓连接设计
则按比例分配得
（1）翼缘拼接设计
1）梁单侧翼缘连接所需的高强度螺栓数目
采用10.9级的M20螺栓：
2）翼缘外侧拼接连接板的厚度：
3）翼缘内侧拼接连接板的厚度：
取
如果考虑内外侧拼接板截面面积相等，则有：
4）螺栓强度验算
上述计算表明螺栓强度满足，可不必进行验算。
故翼缘拼接采用6个M20螺栓，拼接板尺寸为：
外拼接板：
内拼接板：
翼缘螺栓分布图如下：
（2）腹板拼接设计
1）梁腹板连接所需的高强螺栓数目：
2）腹板两侧连接板的厚度：
3）螺栓强度验算
单个螺栓的抗剪承载力设计值：
故螺栓的连接强度满足要求，腹板采用10M20螺栓，
拼接板尺寸为：
，螺栓布置如下：
（3）螺栓的净截面强度验算：
选截面1—1讨论：
最大正应力
最大剪应力
交接处折算应力
综上，螺栓选择和布置符合要求。
六、框架主梁短梁段与框架柱连接节点设计
在剪力和轴力作用下，焊缝应力分布为矩形。
其中剪应力由腹板承担，轴力则由所有焊缝承受。
在弯矩作用下，焊缝应力分布为三角形。
从应力分布来看，最危险点为“a”或者“b”点（如下图）。
1.焊角尺寸确定
采用手工焊角焊缝，则有焊角尺寸应满足
又
焊缝示意图：
2.焊缝截面特征
水平焊缝面积
竖向焊缝面积
焊缝总面积
构件截面对称，焊缝也对称，因此焊缝形心至水平板顶面的距离（）与焊缝形心至水平板底面的距离（）等于
求焊缝惯性矩
3.焊缝受力分析
根据最不利荷载计算出的内力，可知在短梁段与柱连接点处的最大内力可能出现两种情况：
（轴力为0）
（1）“a”点应力分析
“a”点应力为
结论：
“a”点应力满足要求。
（2）“b”处受力为：
“b“点应力为
结论：
“b“点应力满足要求。
综上，螺栓选择和布置符合要求。
七、设计体会
通过此次课程设计，我更加扎实地掌握了有关钢结构设计方面的知识，首先，课程设计帮助我们巩固了课堂的理论知识。
将一些在课堂上一知半解的知识进行了进一步消化，有了更深的理解。
另外，课程设计还将课上零散的知识串联在了一起，从钢材的选择，到梁截面的选择，再到构件间的连接，都有一个系统的回顾。
让我们重新浏览了一遍书本，梳理了钢结构基本原理的知识。
在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一遍遍的思考和审视终于发现了问题的关键所在，同时也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，只有自己真正动手去做，才能明白这其中的奥妙。
在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。
最终的验算环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在同学们的共同努力下，也都终于游逆而解。
在今后社会的发展和学习时间过程中，我们一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，而应积极主动地去面对问题，并发现症结，然后一一进行解决，只有这样，才能有所收获，才能从这精心安排的课程设计中学到一些知识。
课程设计虽说是一门专业性很强的课程，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，但其同时又是一门哲学课，让我明白了许多道理。
通过此次课程设计，我掌握了钢结构的几种受力类型及相应的破坏形式；了解了验算每种破坏形式的原理及步骤；同时对钢结构的螺栓和焊缝连接也有了更深一步的认识。
回顾此次课程设计，至今让感慨颇多，从理论到时间，在这短短几天的日子里，可以说是苦多于甜，但是我们也真的学到了很多东西，不仅巩固了之前的知识，还获得了许多书本之外的宝贵财富。
这次课程设计让我明白了理论纤细实际的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从理论中得出结论，并以实践验证，才是真正的有所收获，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计过程中遇到问题是必然的，但在解决问题中始终保持一颗求学的心却是我们的学海无涯的心态使然。
八、设计规范及参考书籍
1.规范
（1）中华人民共和国建设部.建筑结构制图标准[S]（GB/T50105－2001）
（2）中华人民共和国建设部.房屋建筑制图统一标准[S]（GB/T50001－2001）
（3）中华人民共和国建设部.建筑结构荷载规范[S]（GB5009－2001）
（4）中华人民共和国建设部.钢结构设计规范[S]（GB50017－2003）
（5）中华人民共和国建设部.钢结构工程施工质量验收规范[S]（GB50205-2001）
2.参考书籍
（1）沈祖炎等.钢结构基本原理[M].中国建筑工业出版社，2006
（2）毛德培.钢结构[M].中国铁道出版社，1999
（3）陈绍藩.钢结构[M].中国建筑工业出版社，2003
（4）李星荣等.钢结构连接节点设计手册（第二版）[M].中国建筑工业出版社，2005
（5）包头钢铁设计研究院 中国钢结构协会房屋建筑钢结构协.钢结构设计与计算（第二版）[M].机械工业出版社，2006
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