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：一、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（gb/t50105－2001）
2）中华人民共和国建设部。 房屋建筑制图统一标准（gb/t50001－2001）
3）中华人民共和国建设部。 建筑结构荷载规范（gb5009－2010）
4）中华人民共和国建设部。 钢结构设计规范（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（gb50205-2001）
2、参考书籍。
1）沈祖炎等。 钢结构基本原理，中国建筑工业出版社，2006
2）毛德培。 钢结构，中国铁道出版社，1999
3）陈绍藩。 钢结构，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），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），机械工业出版社，2006
二、设计构件。
某多层图书馆二楼书库楼面结构布置图如图，结构采用横向框架承重，楼面活荷载标准值2.0（单号.0（双号），其中12班竖向梁跨度取值：
学号1~10为8m、学号11~20为10m；学号21~为12m；其中13班水平向梁跨度取值：学号1~10为9m、学号11~20为11m；学号21~为13m；。楼面板为120mm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，次梁按简支梁计算。其中框架柱为焊接h型钢，截面尺寸为h600×300×12×18，层高3.
5m。三、设计内容要求。
1）设计次梁截面cl-1（热轧h型钢）。
2）设计框架主梁截面kl-1（焊接工字钢）。
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）设高计次梁与主梁工地拼接节点，要求采用强螺栓连接。
6）绘制主梁与柱连接节点详图，次梁与主梁工地拼接节点，短梁段及主梁体连接节点详图，梁体截面详图(2#图纸一张)，kl-1钢材用量表，设计说明等。
7）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，节点连接计算。
提示：1）取其中一榀框架进行计算，如轴线3，计算中要考虑活荷载的不利布置。（2）框架梁与柱为固结，次梁与框架梁之间为铰接。
3） 绘图注意事项。
1、平面布置图。
2、主梁施工详图。主要绘制主梁的正面图、平面图以及必要的侧面图和剖面图， 特殊零件的大样图。
比例尺：轴线方向：1:20 ~1:30 ，以免图幅太大；杆件截面、节点详图1:10~1:15，或更大（原则清楚表达节点的细部制造要求）。
3、要全部注明的各零件（杆件和板件）的定位尺寸，孔洞的位置，以及对工厂加工和工地施工的所有要求。
定位尺寸主要为主、次梁的轴线位置；螺栓孔位置要满足型钢线距表和螺栓容许的排列距离要求；对加工及工地施工的其他要求包括零件切刨、孔洞直径和焊缝尺寸等；焊缝要区分工厂焊缝和工地焊缝，以及适应运输单元的划分和拼装。
4、施工图中应注明各零件的型号和尺寸，对各零件进行详细编号，并附有材料表。型钢要注明型号和长度。钢板要注明宽、长和厚度。
零件按主次、上下、左右一定顺序逐一编号。编号与原则：完全相同的零件给予相同的零件数字编号，否则给予不同的编号。
5、说明：包括钢材的标号、焊条型号、焊接方法和质量要求。图中未注明的焊缝和螺孔尺寸以及油漆、运输和加工要求等图中未表现的其它内容。如：
说明：1：钢材用q235－b，焊条采用e43型。
3：未注明的角焊缝尺寸为6㎜
4：未注明的焊缝长度为满焊。
5：未注明的螺栓为m20，孔经φ20.5
6：构件表面彻底除锈，涂防锈漆和醇酸磁漆各二度。
图例：材料表。
一、 设计计算。
简化要点：1） 板面荷载按单向板分布；
2） 次梁与框架梁铰接连接，各次梁受力相同，可任取其中一根分析；根据荷载传力途径：楼面板－次梁－主梁－柱，依次计算各部分受力情况。
3） 框架梁按连续梁设计，应考虑荷载的最不利位置。
1、 结构材料材质。
1、q235钢，
2、e43焊条，
a、 楼面板部分。
楼面板为120mm厚单向实心钢筋混凝土板。
楼面活载标准值：
楼面板永久荷载标准值：
楼面板自重已经包括在永久荷载里面，所以不计算。
楼面板荷载设计值：
楼面板荷载标准值：
b、 次梁部分。
1、次梁在主梁上方，按简支梁计算。
2、 计算最大弯矩与剪力设计值。
次梁弯矩图：
次梁剪力图：
3、 确定次梁的截面尺寸。
选用截面模量最小值：
根据截面模量选用热轧h型钢 ,查附表可知：
4、次梁验算。
4、 由于选择的是热轧h型钢，不用验算局部稳定。又混凝土板覆盖在受弯构件的受压翼缘上并与其牢固连接，能阻止受压翼缘的侧向变形，故不用验算次梁的整体稳定性。综上分析可知，次梁验算需要对强度和刚度进行验算。
5、 抗弯强度检验（翼缘边缘的弯曲应力）： 满足。
6、 抗剪强度检验（腹板处的剪应力）： 满足
7、 刚度检验。
8、 满足。
故满足刚度要求。
综上所述，型钢满足要求。
c、 主梁部分。
由简化力学模型得知，忽略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永久荷载和活荷载两部分，需要考虑荷载的最不利布置情况，框架梁按连续梁计算。
主梁力学简化模型图：
主梁截面尺寸待定，因此先不计主梁自重荷载：
集中恒载标准值：
集中活载标准值：
集中恒载设计值：
集中活载设计值：
此结构具有对称性，仅对以下五种具有代表性的荷载在形式进行分析：
连续梁受满布活载。
1跨受满布活载。
2跨受满布活载。
跨受满布活载。
跨受满布荷载
通过上图比较可知：
最不利弯矩为①+⑥组合中：
最不利剪力为①+⑤组合中：
考虑计算时未计自重，出于安全考虑取
假设主梁钢板厚度， q235钢的抗弯强度设计值得=215n/,e=206×n/和=250。梁最大容许挠度为l/250.
所需截面模量为。
尺寸设计。1）.腹板高度。
1）.钢梁的最小高度（按最大挠度限值确定）
2）.经济高度经验公式。
综上计算，取腹板高度==700m
2).腹板厚度。
1）.抗剪要求。
2）.局部稳定和构造因素。
综上取=12mm，选用腹板700×12。
3).翼缘板截面尺寸（×）
一般翼缘宽度取10mm的倍数，厚度取2mm的倍数。
翼缘宽度，取。
又： 初选截面732 200 12 16如图所示：
翼缘与腹板连接焊缝计算。
取。钢结构在焊接时焊条采用e43系列，焊接方法为手工焊。
主梁截面验算。
主梁自重标准值：
主梁自重设计值：
主梁（包括自重）所承受的最大弯矩与最大剪力按照近似计算：
1)抗弯强度验算。
考虑部分发展塑性变形取。
所以抗弯强度满足要求。
2)抗剪强度验算。
所以抗剪强度满足要求。
3)局部承压强度验算。
跨中集中力：
局部压应力：
4)折算应力验算。
翼缘与腹板相接处计算折算应力：
满足。5）焊缝强度验算：
整体稳定验算：
将次梁作为主梁的侧向支撑，则。
其侧向的计算长度：
长细比： max = max( x, y) =73.59 < 150.00 长细比(即刚度)满足 。
对x轴，y轴均为b类截面。
查《钢结构基本原理》附表4-4，
为整体稳定的等效临界弯矩系数， 查规范gb50017-2003表b.1, 取。
y为梁在侧向支承点间对截面弱轴y-y的长细比，
a为毛截面面积
h为梁截面的全高
t1为受压翼缘厚度
为截面不对称系数，取=0
应根据弹塑性方法来修正，欧拉临界力。
有端弯矩和横向荷载作用且使构件产生同向弯曲
在构件段内有弯矩和横向荷载作用且使构件产生异向弯曲。
又主梁简化模型轴力。
平面内整体稳定：
满足。平面外整体稳定：
满足。局部稳定性验算：
翼缘：满足。
腹板：满足。
刚度验算。以铰接验算刚度。
计算知 满足。
可知，当为固结时刚度增大，挠度减少，满足。
d、 柱子部分。
h型钢不需要验算局部稳定性，且据前面分析只需运算外围柱子，当跨收到满活载时达到最大剪力弯矩。
框架柱为焊接h型钢，截面尺寸为h600×300×12×18，楼层层高取3.5m。
柱子截面特征。
刚度满足。强度验算：
满足。弯矩作用在平面内：
满足。弯矩作用在平面外：
满足。e．连接部分。
一）.框架主梁短梁段与框架柱节点（焊缝连接），施加引弧板。
采用焊缝连接：q255角焊接的的抗拉强度。
q235对接焊缝的抗拉强度。
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。由主梁在各种不利荷载组合下的内力图可知，在连接处的最大内力为：
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。
1）.焊角尺寸。
采用手工焊角焊缝，则有焊角尺寸应满足。取。又。
取。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y===316mm
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：
1) “a”处应力为：
结论：“a”点应力满足要求。
2）“b”处应力为：
结论：“b“点应力满足要求。
由以上计算可知采用全部双面角焊缝能满足设计的要求。
二）.框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点（高强螺栓连接）
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