中南大学钢结构课程设计

0.15m × 25 KN / m3 = 3.75KN / m 2
5.055KN/m2
（2）活载
楼面活载标准值
7 KN / m 2
（3）竖向荷载下框架受荷总图
荷载由板到梁传递示意图如下图 3 所示：
a.
荷载标准值
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楼面板传恒载=
1 × 5.055 KN / m 2 × 4.5m × 2 = 22.7475 KN / m 2 1 × 7 KN / m 2 × 4.5m × 2 = 31.5 KN / m 2
= 1.22 KN / m
次梁自重设计值： q ’ = 1.2q自 = 1.2 × 1.22 = 1.464KNm 次梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力：
1 1 M max ' = M max + ql 2 = 722.895 + ×1.908 × 9 2 = 742.214 8 8 (q + q ' )l ( 71.394 + 1.908) × 9 Vmax = = = 329.859KN 2 2 （1）整体稳定性验算
A = 2 × 300 × 20 + 720 ×12 = 20640 mm2 iy = Iy A
= 90103680 = 66.07mm 20640 9000 × 20 = 0.793 300 × 760
截面特征图 5-1
λy =
l 9000 = = 136.22 i y 66.07
ห้องสมุดไป่ตู้
β b = 0.69 + 0.13 ×
故满足刚度要求。
（4）抗弯强度验算
M max ' 742.241 = = 133.2 N / mm2 < f d = 215 N / mm2 6 γ x W x 1.05 × 5.306 ×10
故抗弯强度满足要求。
（5）抗剪强度验算：
τ max =
Vmax S x 329.859 × 10 3 × 2997600 = = 40.86 N / mm2 ≤ f v = 125 N / mm2 I xt w 2.0164 × 10 9 × 12
2 ⎡ ⎤ ⎛ λyt ⎞ 4320 Ah ⎢ 235 ϕb = βb 1+ ⎜ +η b ⎥ ⎟ 2 ⎥ fy λy Wx ⎢ ⎝ 4.4h ⎠ ⎣ ⎦
= 0.793 × = 0. 704
4320 20640 × 760 136.22 × 20 2 235 × [ 1+ ( ) ] + 0] × 2 6 4.4 × 760 235 136.22 5.306 × 10
② 连续梁受满布活载
M 1 = 0.175 × 396.6 × 9 = 624.645 KNm, M 2 = 0. 100 × 396.6 × 9 = 56.94 KNm M B = M C = −0.150 × 396.6 × 9 = −534.41KNm V A = −V D = 0.350 × 396.6 = 138.81KN VB 左 = −VC右 = −0.650 × 396.6 = −257.79 KN VB 右 = −VC左 = 0.500 × 396.6 = 198.3KN
①
次梁传递集中力恒载
②
连续梁受满布活载
③
1 跨受满布活载
④
2 跨受满布活载
⑤
1、2 跨受满布活载
⑥
1、3 跨受满布荷载
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（2）内力计算
① 次梁集中力恒载
M 1 = 0.175 × 262.845 × 9 = 413.981KNm, M 2 = 0.100 × 262.845 × 9 = 236.560 KNm M B = M C = −0.150 × 262.845 × 9 = −354.840 KNm V A = −V D = 0.350 × 262.845 = 92.996 KN VB 左 = −VC 右 = −0.650 × 262.845 = −170.849 KN VB 右 = −VC左 = 0.500 × 262.845 = −131 .423KN
（1）确定腹板尺寸
梁的经济高度： he = 73 W x − 300 = 755.67mm 取：
h = 760 mm( h > he ) tw = he
3.5 = 7.89 mm
腹板厚度: 取：
t w = 12 mm
若翼缘的厚度取： t
= 2 0m m
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则
h w = h − 2t = 720 mm
图 5-2
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四、设计框架主梁 KL-1 1.设计荷载
如图，板荷载传递给次梁， 次梁传递给主梁。主梁受自重恒载、次梁传递的集中恒载 、 次梁传递的集中活载。其中边缘主梁� ⑤受力是主梁�③④受力的一半。则以主梁� ③④ 进行研究设计。 主梁计算简图如下图 6：
A
1
2 B 主梁计算简图 6 C
二、设计参数
混凝土自重： 粉刷层： 找平层：
2 5 kN / m 3
17kN / m
3
20 kN / m 3 中南大学土木建筑学院 1
厚度：150mm 厚度：15mm 厚度：20mm
楼面活荷载的标准值： 水磨石楼面： 钢材（Q235）强度设计值：
6 kN / m 2 0 .6 5 kN / m 2
钢结构基本原理课程设计
钢框架设计说明书
一、设计资料
工程名称：某多层图书馆二楼框架书库 工程资料：结构采用横向框架承重，楼面活荷载标准值 7 kN mm 2 ，楼面板为 150mm 厚单向实心钢筋混凝土板，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和活载作用,框架梁按连续梁计算。框架平面布 置图和柱截面图如图 1 和图 2。
③ 1 跨受满布活载
M 1 = 0.200 × 396.6 × 9 = 713.88 KNm, M 2 = 0KNm M B = −0.100 × 396.6 × 9 = −356.94 KNm, M C = 0.025 × 396.6 × 9 = 89.235KNm
V A = 0.40 × 396.6 = 158.64KN , VD = −0.025 × 396.6 = −9.915KN VB 左 = −0.600 × 396.6 = −237.96 KN ,VC右 = −0.025 × 396.6 = −9.915KN VB 右 = VC左 = 0.125 × 396.6 = 49.575KN
由于 ϕb > 0.6 ，则：
ϕ b ' = 1.07 −
（4）确定焊缝尺寸
0.282 = 0.669 0.704
ff
w
= 160 N / mm 2 , V = Vmax ' = 327.71KN
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S1 = 300 × 20 × 360 = 2160000mm3 hf ≥
1 VS • 1 = 7.58mm w Ix 1.4 f f
工程要求： （ 1）设计次梁截面 CL-1。 （2）设计框架主梁截面 KL-1。 （3）设计框架主梁短梁段与框架柱连接节点，要求采用焊缝连接，短梁段长 度一般为 0.9～1.2m。 （4）设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点，要求采用高强螺栓连接。 （5）绘制主梁与柱连接节点详图，短梁段及梁体连接节点详图，短梁段与梁 体制作详图(1#图纸一张)，KL-1 钢材用量表，设计说明。 （6）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、主次梁强度、刚度、整体稳定、局部稳定验算。
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④
2 跨受满布活载
M 1 = 0 KNm, M 2 = 0.175 × 396.6 × 9 = 624.645KNm M B = M C = −0.075 × 396 .6 × 9 = −267.705 KNm V A = −V D = −0.075 × 396.6 = −29.745 KN VB 左 = −VC右 = −0.075 × 396.6 = −29.745 KN VB 右 = VC左 = 0.500 × 396.6 = 198.3KN
hf min ≥ 1.5 t max = 1.5 20 = 6.71mm
h f max ≤ 2t min = 24 mm
故取 h f
= 8 m m ，钢结构在焊接时焊条采用 E43 列，焊接方法为手工焊。
3.次梁验算
次梁自重标准值： （用 Q235 钢材）
q自 = (2 × 250 × 20 + 590 × 10) ×10 − 6 × 7.85 × 9.8
故主梁的抗剪强度满足要求。
（6）翼缘焊缝验算
S1 = 300 × 20 × 360 = 2160000mm3 τ= Vmax S1 329.859 ×10 3 × 2160000 = = 29.45 N / mm2 9 I x tw 2.0164 ×10 × 12 M x y 742.241 ×10 6 × 360 = = 132.547 N / mm 2 Ix 2.0164 × 10 9
故次梁不会发生局部失稳。
(3) 刚度验算
υ=
5q k l 4 5 × ( 22.7475 + 31.5 + 1.59) × 9000 4 = = 11.48mm 384 EI x 384 × 2.06 × 105 × 2.0164 × 109
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[υ ] =
l 9000 = = 36mm > υ = 11.48mm 250 250
（2）确定翼缘尺寸：
每个翼缘所需的截面面积：
Af =
Wx t w h − = 3006.49 mm2 h 6
翼缘板的宽度： b f = 暂取：
Af t
= 150.32 mm2
bf = 300mm
（3）次梁截面尺寸特征（如图 5-1）：
Ix = Wx =
300 × 760 3 288 × 720 3 − = 2.0164 × 10 9 mm4 12 12
1
D
主梁截面尺寸待定，因此先不计主梁自重荷载。 集中恒载： G = ( 22.7475 + 1.59) × 9 × 1.2 KN = 262.845 KN
集中活载： Q = 1.4 × 7 × 4.5 × 9 = 396.9 KN
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（1）荷载分析：
由于此结构具有对称性，故仅对以下六种具有代表性的何在形式进行分析：
Ix 2.0164 × 109 = = 5.306 × 10 6 mm3 h 760 2 2 360 S x = 360 ×12 × + 300 × 20 × 370 = 2997600mm3 2
720 × 123 20 × 300 3 Iy = + × 2 = 90103680 mm4 12 12
f d = 215 N / m m 2
钢材（Q235）抗剪强度设计值： f v = 125 N / mm 2 钢材（Q235）的弹性模量：
E = 2 .0 6 × 1 0 5 N / m m 2
三、设计次梁截面 CL-1 1.设计荷载 （1）恒载—标准层楼面（标准值）
水磨石面层楼面 粉刷层 找平层 结构层：150mm 单向钢筋混凝土楼板 合计： 1.305KN/m2
M max ' 742.214 × 10 6 = = 0.973 < 1 ϕb 'W x f d 0.669 × 5.306 × 10 6 × 215
故次梁的整体稳定满足要求。
（2）局部稳定性验算
b 150 = = 7 .5 ≤ 1 5 t 20
235 = 15 fy
hw 720 235 = = 60 ≤ 84 = 84 tw 12 fy
楼面传递活载= b. 荷载设计值
q = 1.2 q恒 + 1.4 q活 = 71.397 KN / m
c. 最大弯矩与剪力设计值 次梁架于主梁之上，相当于简支结构，计算简图如下图 4：
次梁计算简图 4 1 2 1 ql = × 71 . 397 × 9 2 = 722 . 895 KNm 8 8
M max =
σ=
σ 2 + 3τ 2 = 132.547 2 + 3 × 29.45 2 = 142.02 N / mm2 ≤ β 1 f = 176 N / mm2
故翼缘焊缝折算应力符合。 综上所述：次梁为实腹式焊接工字型梁，截面 ×20+720 ×12，如右图 5-2。 为 2×300 300× 20+720× 翼缘与腹板采用焊缝连接，hf=8mm， 钢结构在焊接时焊条采用 E43 列， 焊接方法为手工焊。
1 Vmax = ql = 327.71 2
2.确定次梁的截面尺寸
由于设计初钢梁自重未知（考虑安全因素） ，故取：
M = 1.02M max = 1.02 × 722.895 = 737.353KNm
次梁所需的截面抵抗矩： M计 737 . 353 Wx = = = 3 . 430 × 10 6 mm 3 fd 215 次梁选用工字形截面，则：