中南大学《钢结构课程设计计算书》优秀

《钢结构基本原理》课程设计计算书

题 目：钢框架结构的主次梁设计 姓 名：XX

班 级：土木11XX 学 号：120811XXXX 指导老师：周凌宇

建筑工程系

目录

一．设计构件...................................................................................................2 二．设计内容要求...........................................................................................2 三．设计参数...................................................................................................3 四、设计次梁截面CL-1.................................................................................3 五、设计框架主梁KL-1.................................................................................8 六、框架主梁短梁段与框架柱连接节点的设计...........................................14 七、设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点（采用高强螺栓）...........16 八、设计规范及参考书籍 ..............................................................................23

1

一、设计构件

某多层图书馆二楼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

6kN/m2，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。 D45004500KL-19000LL-1CL-1KL-1LL-1CL-1KL-1LL-1CL-1KL-1LL-1CL-1KL-150030C450090004500KL-1LL-1CL-1KL-1LL-1CL-1KL-1LL-1CL-1KL-1LL-1CL-1KL-145004500KL-19000CL-1KL-1CL-1KL-1CL-1KL-1CL-1KL-130A1LL-19000LL-19000LL-19000LL-1900023图1 结构平面布置图45图2 框架柱截面图 二、设计内容要求 （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，

KL-1钢材用量表，设计说明(1#图纸一张)。

（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。

2

540BLL-1LL-1LL-1LL-1

三．设计参数

混凝土自重： 25kN/m3 厚度：150mm 粉刷层： 17kN/m 厚度：15mm 找平层： 20kN/m3 厚度：20mm 楼面活荷载的标准值： 6kN/m2

水磨石楼面： 0.65kN/m2

3 钢材（Q235）强度设计值： fd?215N/mm2 钢材（Q235）抗剪强度设计值：fv?125N/mm2 钢材（Q235）的弹性模量： E?2.06?105N/mm2

四、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

1.305kN/m2

32 结构层：150mm单向钢筋混凝土楼板 0.15m?25kN/m?3.75kN/m 合计：

5.055kN/m2

（2）活载

楼面活载标准值 6kN/m

2 （3）内力计算

a. 荷载标准值

楼面板传恒载=5.055kN/m?4.5m?22.7475kN/m 楼面传递活载=6kN/m?4.5m?27kN/m

b. 荷载设计值

q?1.2q恒?1.4q活?65.097kN/m c. 最大弯矩与剪力设计值

22

3

次梁架于主梁之上，相当于简支结构，计算简图如下：

q?65.097kN/m次梁计算简图

Mmax?121ql??65.097?92?659.107kN·m 88

Vmax?11ql??65.097?9?292.934kN 222.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 M?1.02Mmax?1.02?659.107?672.289kN· 次梁所需的截面抵抗矩：

Wx?M计?672.289?3.127?106mm3

fd215 次梁选用工字形截面。

（1）确定腹板尺寸

梁的经济高度： he?73Wx?300?724mm 取： h?760mm(h?he)

he 腹板厚度: tw??7.69mm

3.5 取： tw?12mm 若翼缘的厚度取：t?20mm 则 hw?h?2t?690mm （2）确定翼缘尺寸

每个翼缘所需的截面面积：

Wxtwh??3006.49mm2 h6Af 翼缘板的宽度： bf??150.32mm2

tAf? 暂取： bf?300mm

（3）次梁截面尺寸特征（如右图）

4

33300?760288?720 I???2.0164?109mm4 x1212Ix2.0164?109 Wx???5.306?106mm3

h76022360?300?20?370?29976mm003 2720?12320?3003??2?90103680mm4 Iy?1212A?2?300?20?720?12?20640mm2

Sx?360?12? iy?

IyA?90103680l9000?66.07mm ?y???136.22

20640iy66.079000?20 ?0.793300?760 ?b?0.69?0.13?2???yt?4320Ah?1?? ?b??b???2?yWx?4.4h????235? b?fy? ?0.793?432020640?760136.22?202235?[1?()]?0]?

4.4?760235136.2225.306?106 ?0.704 由于?b?0.6，则：

?b'?1.07?（4）确定焊缝尺寸

0.282?0.669 0.704ff?160N/mm2,V?Vmax'?292.93kN

mm0 S1?300?20?360?216000 hf?3w11.4ffw?VS1?7.58mm Ixmax

hfmin?1.5t?1.52?06.m7m 1 hfmax?2tmin?24mm

故取hf?8mm，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

5

次梁自重标准值：（用Q235钢材）

q自?(2?300?20?720?12)?10?6?7.85?9.8?1.59kN/m

’ 次梁自重设计值：q?1.2q自?1.2?1.59?1.908kN/m

次梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力：

121ql?659.107??1.908?92?678.426kN 88(q?q')l(65.097?1.908)?9 Vmax???301.523kN

22 Mmax?Mmax?' （1）整体稳定性验算

Mmax'678.426?106 ??0.889?1 6?b'Wxfd0.669?5.306?10?215 故次梁的整体稳定满足要求。

（2）局部稳定性验算

翼缘：

b300??15?30 t20 腹板：

hw720235??60?84?84 tw12fy 故次梁不会发生局部失稳。

(3) 刚度验算

5qkl45?(22.7475?27?1.59)?90004????10.56mm 384EIx384?2.06?105?2.0164?109[?]?l9000??36mm???10.56mm 250250 故满足刚度要求。

（4）抗弯强度验算

Mmax'659.107?106??118.3N/mm2?fd?215N/mm2 6?xWx1.05?5.306?10 故抗弯强度满足要求。

（5）抗剪强度验算

6

VmaxSx292.934?103?299760022 ?max???36.29N/mm?f?125N/mmv9Ixtw2.0164?10?12故抗剪强度满足要求。

（6）支座处局部承压应力验算

由于未知主梁的截面尺寸，故先假设a?100mm，则

lz?a?5hy?100?5?20?200mm。

F301.523?103 ?c???125.6N/mm2?f?215N/mm2

lz?tw200?12满足要求，且不需要设置支承加劲肋。

（7）翼缘焊缝验算

mm0 S1?300?20?360?2160003VmaxS1292.934?103?21600002 ????26.15N/mm9Ixtw2.0164?10?12Mxy659.107?106?3602 ?? ??117.674N/mm9Ix2.0164?10

?2?3?2?117.6742?3?26.152?126.09N/mm2??1f?176N/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

为I720?300?12?20，如右图。 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。

7

五、设计框架主梁KL-1 1.设计荷载

由题图，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①⑤受力是主梁②③④受力的一半。则以主梁②③④进行研究设计。 主梁计算简图如下图：

主梁截面尺寸待定，因此先不计主梁自重荷载。

荷载标准值：

恒载：Gk?(22.7475?1.59)?9?219.038kN

活载： Qk?4.5?6?9?243kN 荷载设计值：

恒载：G?1.2Gk?262.846kN

活载：Q?1.4Qk?340.2kN

（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： ①恒载满布； ②活载满布； ③1跨活载满布； ④2跨活载满布； ⑤1,2跨活载满布； ⑥1,3跨活载满布；

（2）故共有五种荷载组合：①+②，①+③，①+④，①+⑤，①+⑥，可分别作出这五种

荷载组合下的内力图。

①＋②

8

①＋③

①＋④

9

①＋⑤

①＋⑥

故由以上内力图可知：

m 最不利弯矩为：Mmax?1064.61kN·最不利剪力为：Vmax??400.48kN

2. 确定主梁的截面尺寸

10

由于设计初钢梁自重未知（考虑安全因素），故取：

m M计?1.02Mmax?1.02?1064.61?1085.902kN·主梁所需的截面抵抗矩：

M计1085.902?106 Wx???5.051?106mm3

fd215 主梁也选用工字形截面，则：

（1）确定腹板尺寸

主梁的经济高度： he?73Wx?300?901.04mm 取： h?950mm

腹板厚度: tw?he3.5?8.58mm

取： tw?15mm 若翼缘的厚度取： t?20mm

则： hw?950?2t?910mm （2）确定翼缘尺寸

每个翼缘所需的截面面积：

Wxtwh??3964.21mm2 h6Af3964.21??198.21mm 翼缘板的宽度：bf?t2011 bf?(,)h?(150,316.7)mm

53 Af? 综合上述取： bf?300mm

（3）主梁截面尺寸特征

11

300?9503(300?15)?9103Ix???3.537?109mm4

1212Ix3.537?109Wx???7446450mm3h95022

Sx?455?15? （4）确定焊缝尺寸

455?300?20?(455?10)?4342687.5mm3 2错误！未找到引用源。

ff?160N/mm2,V?Vmax?438.554KN

0 ， hf? S1?300?20?465?27900mm3w'11.4ffw?VS1?1.54mm Ix hfmin?1.5tmax?6.7mm ， hfmax?1.2tmin?1.2?15?18mm

取： hf?10mm。钢结构在焊接时焊条采用E43系列，焊接方法为手工焊。

3. 主梁验算

主梁自重标准值：（用Q235钢材）

?6 q自?(2?300?20?910?15)?10?7.85?9.8

?1.97KN/m

' 主梁自重设计值：q?1.2q自?2.346KN/m

主梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力近似按下式计算： Mmax'?Mmax?1ql2?1064.61?1?2.346?92?1088.16kN·m

88 Vmax'?Vmax?q'l2.346?9?400.48??411.037kN 22 （1） 整体稳定验算

将次梁作为主梁的侧向支撑，则

l14500??15?16 b300故主梁的整体稳定不必验算。 （2）局部稳定性验算

翼缘：

b300235??7.5?15?15 2t40fy

12

腹板：

hw910235??60.67?84?84 tw15fy 故主梁不会发生局部失稳。

(3) 刚度验算

Gl3Ql3ql4

??1.146??1.615??0.667?100EIx100EIx100EIx

262.846?103?90003340.2?103?90003?1.146??1.615?100?2.06?105?3.537?109100?2.06?105?3.537?109

1.97?90004?0.667??10.605mm100?2.06?105?3.537?109 [?]?l9000??22.5mm???10.605mm 400400 故满足刚度要求。

（4）抗弯强度验算

Mmax'1064.61?106??136.16N/mm2?fd?215N/mm2 ?xWx1.05?7446450 故抗弯强度满足要求。

（5）抗剪强度验算

3VS400.48?10?4342687.5maxx ?max???34.54N/mm2?fv?125N/mm2 9Ixtw3.357?10?15故抗剪强度满足要求。

（6）支座处局部压应力验算

先假设a?170mm，则lz?a?5hy?170?5?20?270mm，即

F411.037?103?c???101.49N/mm2?fd?215N/mm2 lz?tw270?15

故局部承压满足要求，且不需要设置支承加劲肋。 （7）集中力作用处局部压应力验算

由于a?300mm，则lz?a?5hy?300?5?20?400mm，即

F411.037?103 ?c???68.5N/mm2?f?215N/mm2

lz?tw400?15

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故局部承压满足要求，且不需要设置加劲肋。 （8）翼缘焊缝验算

mm0 S1?300?20?465?2790003VmaxS1400.48?103?27900002 ????21.06N/mm9Ixtw3.537?10?15Mxy1064.61?106?4552 ?? ??136.95N/mm9Ix3.537?10?2?3?2?136.952?3?21.062?141.73N/mm2??1f?176N/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

为I 950x300x15x20，如右图。 翼缘与腹板采用焊缝连接，hf=10mm， 钢结构在焊接时焊条采用E43列， 焊接方法为手工焊。

六、框架主梁短梁段与框架柱连接节点的设计

1. 设计资料

受力类型：弯矩、剪力（轴力较小忽略不计）

荷载数据：短梁和柱通过焊缝连接，短梁长1m。由以上内力计算知，梁端最大弯矩和最大剪力分别为：

M=890.66KNm，V=400.48KN。

焊缝的强度设计值：ftw?fcw?215N/mm2,fvw?125N/mm2,ffw?160N/mm2

主梁为组合工字型截面（I950?300?15?20），材料Q235钢，焊条为E43型焊条采用角焊缝焊接。截面尺寸和作用荷载如图所示。

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2. 连接计算

连接采用沿全周施焊的角焊缝连接，转角处连续施焊，没有起弧和落弧所引起的焊口缺陷，并假定全部剪力由腹板的连接焊缝承担，不考虑工字形翼缘端部绕转部分焊缝的作用。

设沿工字形梁全周角焊缝的焊角尺寸为hf?10mm

水平焊缝绕自身轴的惯性矩很小，计算时忽略，全部焊缝对x轴的截面惯性矩近似地取：

Ifx?2?0.7?10?(1?9103?2?132.5?4502?280?4802)?2.534?109mm4 12 焊缝在最外面边缘“1”点处的截面抵抗矩：

Wf?Ifx485Ifx465?5.224?106

焊缝在腹板顶部“2”点处的截面抵抗矩：

Wf??5.449?106

在弯矩作用下，角焊缝在最边缘处“1”点处的最大应力为：

?1MM890.66?106w???170.49N/mm2??fff?195.24N/mm2 6Wf5.224?10在翼缘和腹板交接的角焊缝“2”点处的M与V的共同作用下的应力为：

?fMMhw890.66?1062???163.45N/mmWfh5.449?106

b?5?135mm 2b?300?2hf?280mm a? ?fvV400.48?103???31.43N/mm2 2?0.7?hf?hw2?0.7?10?910?fM2w22?f?1.22,()?(?v)?137.61N/mm?fff

?f

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满足设计要求。

3. 按构造设置水平加劲肋

水平加劲肋应设置于柱上相连梁的上下翼缘的位置上，且水平加劲肋的水平中心线应与梁翼缘的水平中心线相重合；此时梁翼缘的内力作为集中力作用于柱上。为了保证连接节点处不致于产生局部破环，水平加劲肋应按以下要求分别在与梁上下翼缘对应处柱腹板的两侧成对地布置。

a、 按水平加劲肋的构造要求，设定其厚度为ts?15mm?0.7tFb b、 水平加劲肋的自由外伸宽度应满足下式要求：

bs235?18?18 得出，bs?18?15?270mm tsfyc、 水平加劲肋采用完全焊透的坡口对接焊接连接

hfw?bstsf/2270?15?215/2??3.6mmW2?0.7lwWff2?0.7?540?160

hfw?0.7tWc?21mm取hfw?21mm

故焊缝截面如图，取hf?10mm。

七、设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点（采用高强螺栓） 1. 计算螺栓连接处的荷载：

（1）由集中荷载产生的固端弯矩：

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M1V1

由上述主梁内力图知：

mM01v01

m ， 梁端最大弯矩M1??890.66kN·对应工况下支座最大剪力为V1?Vmax?400.48kN

取短梁长度为1.0m，则集中荷载在1.0m处产生的内力计算如下：

m 弯矩：M01?M1?V1a??490.18kN· 剪力：V01?V1?400.48kN

（2）由均布荷载产生的固端弯矩：

M2V2mM02v02

M2?Mmax均??0.100gl2??0.100?2.346?92??19.003KNm

由均布荷载产生的端部剪力：

V2?Vmax均??0.600gl??0.600?2.346?9?12.668KN

均布荷载在1.2m处产生的内力计算如下：

弯矩：M02?M2?V2a?12gl?5.612KNm 2 剪力：V02??V2?ga?10.322KN

（3）由集中、均布荷载叠加所得的弯矩剪力：

m 弯矩：M0?M01?M02??509.183kN·

17

剪力： V0?V01?V02?413.148kN

2. 设计螺栓连接：

采用精确设计的方法，即弯矩由翼缘和腹板共同承担，剪力仅由腹板承担，翼缘承担的弯矩MF和

腹板承担的弯矩Mw，二者按刚度成比例分配：

b?300mm h?950mm t?20mm tw?15mm IF? IWbb11bt(h?t)2?bt3?2595100000mm4 261?tw(h?2t)3?941963750mm4 12bb IO?IW?IF?3537063750mm4

bI 则：MF?FbM0?373.581kN·m

I0m Mw?MO.?MF?509.183?373.581?135.602kN· （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nFb

采用10.9级的M22螺栓：

bH Nv?0.9nf???????2?0.45?190?153.9kN

b nFb?MF373.581??2.56，取nFb?4 bH153.9?0.95hNv计算截面上螺栓孔径取23.5mm，翼缘板的净截面面积为：

An?(300?2?23.5)?20?5060mm2

翼缘板净截面所能承受的轴向力设计值为：

N?Anfd?5060?215?1087.9kN

nFb?N1087.9??7.07bH 153.9Nv 故翼缘连接一侧的螺栓采用8个。

18

② 翼缘外侧拼接连接板的厚度：

t t1?w?3?10.5mm 取t1?12mm

2 翼缘外侧板的尺寸为：1?12?300?500

③ 翼缘内侧拼接连接板的厚度：

b?tw?2hf300?15?2?10??132.5mm，取b'?140mm b'?22bt t2??4?11.14mm

4b' 如果考虑内外侧拼接板截面面积相等，则有：

300?12 t2??12.86mm

2?140 取t2?13mm，内拼接板的尺寸为：2?13?140?500

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。

故翼缘拼接采用八个M22螺栓，拼接板尺寸为：

外拼接板： 1?12?300?700 内拼接板： 2?13?140?700

（2）腹板拼接设计

① 梁腹板连接所需的高强螺栓数目

nwb：

采用10.9级的M22螺栓：

nwb?bAnwfvbH2Nv?910?15?0.85?125?5.07

2?153.9?0.93?103 考虑到弯矩作用的影响，采用8个M22螺栓，并成两排布置。

② 腹板两侧连接板的厚度： t3?twhw?1?8.18mm 取t3?12mm 2h 腹板两侧连接板的尺寸不妨取为：2?12?480?500 则梁与梁的拼接板连接图如下图：

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连接构件的接触面采用喷砂处理。

③ 螺栓强度验算

单个螺栓的抗剪承载力设计值：

b Nv?0.9nf???????2?0.45?190?153.9kN

剪力Vo 在螺栓群形心处所引起的附加弯矩：

''m M?V0a?413.148?0.1225?50.611kN· 修正后的弯矩：

Mw?Mw?M'?135.602?50.611?186.213kN·m 螺栓最大应力 N1xM'Mwy1186.213?106?180???112.55kN 22222?r4?180?4?185?4?65?4?60Mwx1186.213?106?65???40.64kN 22222?r4?180?4?185?4?60?4?65V413.148??51.64kN n8MM'' N1yMNv1y?

(N1x)2?(N1y?N1y)2?147.88KN?Nvb?153.9KN

M 故螺栓的连接强度满足要求。

3. 螺栓的净截面强度验算：

（1）选截面1—1讨论：

20

M1?Mo?Voa1?509.183?413.148?0.165?577.352kN·m

V1?413.148kN

Inx?Ix?(4?15?23.5?2?15?23.5?602?2?15?23.5?1802)

1242 ?3.533?10mm Wnx?Inx?7.439?106 4759Sn?Sx?23.5?15?60?23.5?15?180?4258087.5mm3

最大正应力

M1577.352?106???73.92N/mm2?fd?215N/mm2 6?xWnx1.05?7.439?10?max??na最大剪应力

?max?413.148?1000?4258087.5?33.20N/mm2?fv?125N/mm2 93.533?10?15M1455?70.81N/mm2?fd?215N/mm2

?xWnx475 对于点b,折算应力为：

?nb??b?413.148?1000?2790000?21.75N/mm293.533?10?15

?2?3?2?70.812?3?21.752?80.21N/mm2?fd?215N/mm2

满足要求。

（2）选截面2—2讨论：

21

M2?Mo?Voa2?509.183?413.148?0.15?571.155kN·m

V2?413.148kN

Inx?Ix?(4?20?23.5?4?20?23.5?4652)

122 ?3.130?10mm

94Wnx?Inx?6.591?106 475Sn?Sx?4?23.5?20?465?3468487.5mm3

最大正应力

?max??na?M2571.155?106??82.53N/mm2?fd?215N/mm2 6?xWnx1.05?6.591?10 最大剪应力 ?max?413.148?1000?3468487.5?30.52N/mm2?fv?125N/mm2 93.130?10?15M2455?79.06N/mm2?fd?215N/mm2

?xWnx475 对于点b,折算应力为：

?nb??b?413.148?1000?27900002?24.55N/mm3.130?109?15

?2?3?2?79.062?3?24.552?89.77N1/mm2?fd?215N/mm2

满足要求。

至此设计完毕。

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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（GB5009－2001） （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 （2）毛德培. 钢结构，中国铁道出版社

（3）王国周等. 钢结构－原理与设计，清华大学出版社

（4）罗邦富等. 钢结构设计计算手册（第三册），中国建筑工业出版社 （5）李和华. 钢结构连接节点设计手册，中国建筑工业出版社

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