单层平面钢框架结构设计.docx

单层平面钢框架结构设计、前期工作1.1总体思路首先，根据钢结构基本原理课程研究设计说明书所给出的的单层平面钢框架结构图， 小组共同讨论分析了结构的各个构件，并且进行组分工协作，分别研究各结构之间的连接等 等，找出各部分结构所需的技术方法和涉及到的知识点，随之在课本中找到相应部分的容，我 们在查找过程中发现课本中对铰接、刚接柱头设计的容介绍的很少，于是去图书馆借资料和相 关书籍。经过大家的多番讨论，我们整 理出了两种设计方案及可行性措施。然后我们将设计方 案拿给指导老师审核，老师 给出建议和指导后，我们不断的思考讨论和修改，最终确定出了一 种更合理的设计方案，给指导老师审核通过后，我们开始进行下一期工作。1.2项目容本小组研究的主要容有：结构分析计算与截面选择、钢结构构件连接的设计、钢结构轴心受 力构件的设计、钢结构受弯构件的设计、钢结构压弯构件的设计。我们所设计的钢框架为超静定结构，因此不能直接根据结构件所受的外力来确定框架的力 图，而是需要根据钢结构设计要求，初步选定截面尺寸，确定各个构件的抗弯刚度EI，然后 根据结构力学的知识，用力法解超静定方程，从而可以求解出其轴力图、剪力图和弯矩图，据 此对轴心受压柱、受弯柱和压弯柱分别进行强度、刚度和稳定性的验算，若有一项不符合，则需 重新选取截面，再次进行力的计算，直至所有构建均满足强度、刚度和稳定性的要求。1.3可行性分析初步拟定的方案存在较大缺陷。三根构件分别为轴心受力构件、受弯构件和压弯构件， 由于受力性质的不同，各构件对于强度、刚度和稳定等方面的要求不尽相同，因此抗弯刚度的 大小相差也较大，一开始假定的三根构件的抗弯刚度相等显得非常不合理。后续的截面选取和 验算工作可能会十分复杂，需要多次选取才能获得合适的截面，影响之后的柱头和柱脚的设计与 计算。因此可行性较低。第二个方案中，先根据经验假定各构件的抗弯刚度，再带入整体验算，显得较为灵活，有利于 减少选取截面的时间和修改的概率。因此可行性较高。1.4实施计划本组成员共有8人，分为四个小组，两人一组，分别进行”轴心受压柱的设计”，受弯 梁的设计”，”压弯柱的设计”，”梁与柱的连接以及柱与基础的连接”。首先第一步进行的是轴心受压柱的设计，由其所受的轴心压力选择合适的截面进行计算并 验算其刚度与整体稳定性。第二步进行的是压弯梁的设计，根据梁所受弯矩选择截面并验算其刚度与稳定性。同时进 行轴心受压柱柱头与柱脚的设计。第三步进行压弯柱的设计，由其所受轴心压力与弯矩选择合适的截面并进行强度，刚度与 稳定性的验算。第四步进行的是刚接柱头与柱脚的设计，完成整个平面框架的设计。1.5预期成果虽然初步拟定的方案可行性较低，但是其仍然存在着可行性的，若通过假设三个构件采用 的同一个抗弯刚度EI，进行力分析，截面选取，强度刚度与稳定性的验算，若初步拟定的方案 可行，则采用此种方案，若不可行，则采用第二种方案，重新假定这三个构件的抗弯刚度EI 、 EI 2、EI 3,然后再进行力分析，截面选取，强度刚度与稳定性验算，成功的选出轴心受压柱， 梁，压弯柱所需型钢。二、项目分析设计2.1初选截面经过多次选择，最终选定截面：轴心受压柱：热轧型HW175 175 7.5 11受弯构件：热轧型HN350 175 7 11压弯柱：热轧型HW200 200 8 126O0kN25kN/m200kN2.2力分析与计算JUIIUIIIIIUUIUIIU根据初选截面，可得出412X=12980cm乙5kN/m4I o=4717cm3X此结构为一次超静定结构，将（1）柱断开，再加一对轴力X,得到 静定体系（如图），分别求出轴力XI,外力F，以及轴力和剪均布荷载q1和q2的弯矩图列一次超静定结构方程：2 1)3 El 33111 El 2 (67216 -. 62144ei22ei3301P(6 6 4)Am46298.25X1 21 213J- 1(360062459 6 6 -)1pp ei22234414 6 4594 640 41 6)EI (360036/46298.25971764 MNE“EI3带入公式（1）得9717672144带入数据得，X1=669.94 kNOS. * m39.36kij mHTH2.3轴心受压柱设计(1)选用热轧H型钢Q235 计算长度 lox loy 359.45cm设入=60 (b类)，查附表4.2 ,=0.807A N 669.94 10A38.62cm22f 0.807215 10lox 359.45ix iy-5.99cm60选用HW175<175 X 7.5 X11A 51.43cm2,ix 7.53cm,4.37cm(2) 截面验算359.4547.741507.53359.4583.254.37150x,y轴的值均属b类截面,由 y 82.25 得:0.673669.94 103193.6N /mm20.673 51.43 1022215N / mm因为选用热轧型钢，局部稳定与强度可不验算2.4受弯构件设计假设梁的自重为0.5kN/m， b 0.6Mx95.97 106743 103mm30.6 215(2)选用 HN 350 175 7 11，Wx741.7 cm3，自重与假设相符截面 iy 3.95cm，A 62.91cm2，I、12980cm4H型钢应按下(3) 由于试选截面时，整体稳定系数是参考普通工字钢假定的，对式计算l1t10h6000 11175 3501.077 2b 0.690.13 1.0770.8301116003.95152求得稳定系数:4320 Ah2152 114.4 350.6780.60.2821.070.654b0.678(4) 整体稳定验算：0.83 攀2351522741.7235Wx95.97 1060.654 741.7 107197 215整体稳定满足v刚度验算：1Ml95.97 106 60001vTI10El 10206 108 912980 104464I400x刚度满足由于型钢腹板较厚，不必验算抗剪强度，且宽厚比较小，不必验算局部稳定2.5压弯构件设计根据规定 150又根据所以i " x所以根据附表 7.2型钢表给出的热轧H型钢，经过多次选取选用H型200 X20041601cm , i 8.62cm, i 5.02cm,472cm x yN = 280.06kN,M = 39.36kN ?m根据K164002.67cm150A 63.53cm2, I 4717cm4, I9213017.2y12600 1.64查表6.7，得到1.17(1)验算强度:N Mx 28006 1033936 106axWnx63.53 1021.05 472 103123.48N/mm2 f 215N/mm2(2)验算弯矩平面的稳定:1.17 40054.29150lx8.62查表附表4.2 ,0.8632ea206 103 63.53 1023.98 106NEx1.11.1 54.2921.0mx280.06 1031.0 39.36 106mxxMx 10.767 63.53 1020.8 r ex2 257.47 86.97141 .63N /mm2215N /mm21.05472103 1280.06 1030.8 3.98 106(3)验算弯矩作用平面外稳定:4005.0279.68150查附表 4.2, y 0.6961.07fy44000 23521.07 79.68440000.9261.0所计算构件为结构右端压弯柱，有端弯矩和横向荷载作用，但使结构产生同向曲率,280.06 10339.69 10663.33 90.03 153.36215N /mi1A0.696 63.53 1020.926 472 103(由以上计算知，此压弯构件是由弯矩作用平面外控制设计的)(4 )局部稳定验算:117.12N / mm228.96N/mm2N Mx h0max A 匚 3N Mx h0minA Ix 2max minmax280.06 10363.53 102280.06 1032-63.53 102117.12 28.96117.1239.36 1064717 10439.36 106884717 1041.25 1.6腹板：h 17622tw16 o 0.5 x16 1.25 0.5 53.36 2571.68翼缘：bt100 4128 132.6铰接柱头设计1、梁端设置支承加劲肋C 15 7 235 105mm(1) 支承加劲肋在腹板平面外的稳定110.5 0.731224893.5顷48.94 10 cm1Z轴惯性矩Iz 2 17.53122A 42.35 cmh0 32.80 2.3 iz 14.53b类截面，查附表4.2得=1F (669.94 600) 103A 1 42.35 102216.51N /mm2 215N / mm(2)端部承压强度查附表1.1可知，f 325N/mm2ce69.94 10319.98N /mmce A ce(3)的连接焊接,175 20焊条使用2325N /mmce支承加劲肋与腹板E43查附表1.2可知，ffw 160N / mm2hfmax 1-2t1】.2 78.4mmhf .n 1.5、t 1.520 6.8mm,取 hf 8mm69.94 10319.16N/mm22 0.7hflw2 0.7 8 (328 16)w 160N / f所以该加劲肋满足要求。2、在柱腹板处设置纵向加劲肋:在柱端设置柱顶板则柱顶板取面积为21521546225mm2设焊脚尺寸hf10mm69.941032条侧焊缝长度231.23mm则1条焊缝长度所以加劲肋尺寸为0.710 160156mml '取100mm100mm , b215()103.75mmbs 103.75 ts 156.92mm，所以t取10mm15(1)加劲肋在腹板平面外的整体稳定 y轴惯性矩IyX 1 103 84cm41210010o1000mm2 10cmI。卫3.52.9查附表4.2得:0.999(b69.943100.999 102 235N102/ mm2215N / mm侧面角焊缝强度验算6M369.94 101001748500 N mm174850022helW74.94N / mm0.7101002f2helw 2369.94 100.7 10 10049.96Nmm74.94(49.96)22.7 铰接柱脚设计N=669.94kN，选用采用C15混凝土,(1)底板尺寸1.22Q235 钢,焊条E43型7.5N/m669 94 10N -7.2采用宽300mm长450mm的底板93047.2mm2毛面积699.94基础对地板的压力为底板的区格有三种，如图所示放置区格为四边支承板b 175 a150pa20.0606 5.21502区格为三边支承板79.18N/mm f w 160N/mm2f(4000mm)，大于所需净面积A=450X 300=135000mrh减去锚栓孔面积103135000 400025.2N /mm现分别计算其单位宽度的弯矩1.17，查表 4.7 , a =0.06067090.2N mm75175 0.43，查表 4.7 , 3 =0.0462M2 pa： 70.0462 5.2 17527357.35N mm区格为悬臂部分1 2 1 27166.25N mmM 3 pc 5.2 52.52 2这三种区格的弯矩值接近，不必调整底版平面尺寸和隔板位置，最大弯矩为M max 7357.35N mm底板厚度七6Mmax7357 3514.33mm215取 t=20mm（2）隔板计算将隔板视为两端支于靴梁的简支梁，其线荷载为1150 5.2780N / mm隔板与底板的连接（考虑一条）为正面角焊缝,f 1.22,取 hf 8mm，焊缝强度计算780 175fw 160N/mm2-114.17N /mm21.22 0.7 8 175隔板与靴梁的连接（外侧一条焊缝）为侧面角焊缝所受隔板的支座反力780 17568250 N设hf8mm,求焊缝长度6825076.18mm0.7 8 1600.7h f w取隔板高100mm设隔板厚度t=10mm>175/50=3.5mm 验算隔板抗剪弯强度VmaxR 68250NVmax6825062-780 1758529.86 10 N mm1.51.5102.4N /mm2 v 125N /mmMmax冬 6 29.86 10179.16N/mm2(3)靴梁计算10 100靴梁与柱身的连接(4条焊缝)按承受柱的压力侧面角焊缝，设hf10mm，求其长度2215N /mmN=669.94kN 算，此焊缝为N669.94 103149.54mm4 0.7 hf ffw4 0.7 10 160取靴梁高200mm设靴梁厚t=10mm,验算其抗剪抗弯强度V 68250 62.5 5.2 137.5m晋1.5 曰 1.5112937.5N84.7N/mm f 125N/mm2 v2max6 73.38 105100.07N/mm210 20022 215N / mm靴梁与地板的连接焊缝和隔板与地板的连接焊缝传递全部柱的压力，尺寸均为加社焊缝的焊脚 10mm，贝 y3669.94 10491mm1.22 0.7 10 160显然，焊缝的实际计算已超过此值柱脚与基础的连接构造采用两个20mm的锚栓。2.8刚接柱头设计1.计算长度：取焊脚尺寸hf 10mm，槽口取10mm长焊缝长度：39.36 106 55.3mm200mmw1350 1118539.36 106c _ - -e 46.6mm200mmw2350 1121580 . 061 03QQQ 328mm w3 2 0.710 160 ""所以焊缝都符合要求2.加劲肋的验算：上下两衬板对应处各设置一加劲肋，上部加劲肋受拉，下部加劲肋受压，所以只需验证下部加劲肋。加劲肋尺寸：b匹40176 4045.9 mm取Q 100mmbt 一 6.7mm 且 t 11mm.取 t 20mm.取 h 175mm 15（1）加劲肋在腹板平面外的稳定f235 ec 15t二_120mmfy1【12312 103 23.34 102cm412 20.83 12A 12 20.8 2 102o 259.2cm2.38cmho20 1.2 2 7.4lz2.38(b查表得：0.9965 类)6%39.36 10411.2 104N350N压/2A 211.2 104, 9.5N / mm2215N / mm20.9965 5920(2)局部承压强度验算查附表 1.1fee 325N /mm39.36 10611.2 104N35011.2 1042325 N / mmee228N / mm2ce2010一(3) 加劲肋于腹板的连接焊缝查表 ffw 160N / mm2，取 hf 8mm11 .1042 0.7hflw 2 2 0.728 (176 2 8)62.5N /mm ff 160 N /mm所以该加劲肋符合要求2.9刚接柱脚设计(1)刚接柱脚的设计与验算支座反力N 280.06kN底板悬M 0.64kN m靴梁厚伸长度e 40mm度t 10mm底板宽度 b 200 210 2 30 280mm280.06 103°64 106max2801 22801l123.5mm 取 b 280mm l 558mmN6M2max21.83 N / mmblblN6M2minblbl21.75N / mm11.82N/mm21.80N/mm2221.78N/mm12(2)底板的区格有三种，现分别计算其单位宽度的弯矩3区格为四边支承板-2。1.08a 186查表得。536 M1ia20.536 1.82 1862 3374.9N mm区格为三边支承板一。465200杳表得0.0511 M2maxa12 0.0511 1.83 2002 3740.52N mm区格为悬臂部分1 2 1 2M3 (c 10) 3maX 2 21.83 30828N mm取最大弯矩M 3740.52N mm t故取底板厚为20mm隔板计算6 3740.52max彳 21510.2mm隔 93 2 1.83340.38N / mm2取 hf 8mm340.8 2001.22 0.7 8 2002 w49.8N / mm160 N f2/mmN80 .06-10 3加“790.9965AR 1 342.4 20034224 N2215 N / mm设 hf 8mm3422438.2mm0.7hf取 h 200mm设隔板厚t0.710mm(3)验算抗弯抗剪强度:Vmax R 34224N1.5VmaxmaxN18 160b50342241.5200-342.24 2002 856 17.112 1010 2002靴梁8mm,10mmR 30342244047219.4NVmax1.5 二ht10280.061020050 4mm25.7N2mmf 125N/mm21711200N mm25.7N3101432302 0.7 8max21.83 1.8047219.41.5 320 102/mm1602 215N / mm6迢 d 143230N20080 mm，取 h 320mm空100227910022 22.2N / mm2v 125 N / mm-40 1.815558 1002 234224 86 1 40 1.815 1792229432641163088.34106352.3N mm6 41063523 max 10 3202验算隔板与底板间焊缝强度：取 hf 8mm2224.1N / mm 215N / mmR 2342242f 1.22 0.7 hf b1.22 0.7 8200 16254.5 N / mm2160N /mm验算四条焊缝处靴梁与底板间焊缝强度:40 1.815 17912995.42 1.22 0.7 8179 162 1.22 0.7 8 163验算两条焊缝处靴梁与底板间的焊缝强度：1.80 1.78 40 2002 11.4N/mm2f1.22 0.7 8200 161.22 0.7 8 1845.84N /mm160N /mm2f 160N/mm2锚栓选4个d 20mm位置距边缘处各93mm力口劲肋 b 1 50mm,b 2 30mm, h, !270mm,t 10mm横板 b 50mm, t 15mm, l 558mm、总结经过小组成员这几周的努力，终于完成了钢结构三级项目。回想这几周的奋斗故事，我们每个人 获得的不仅仅是书本上的知识，更是获得了合作、友谊、经验与成长。这些收获不仅是我们对钢结构这门课程有了最透彻的认识，也开阔了我们的思维，扩展了我们的视野，培养了我们作为即将步入社会的大学生的基本能力，团结合作才能创造出更大的成果。参考文献钢结构课本第四版钢结构连接节点设计手册钢结构设计与应用例钢结构设计及实用计算135266.3i400