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2.02kN mm （单号）、5.02kN mm （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。
图1 结构平面布置图提示：（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Q 235－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Φ20.56：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，22/125,/215mm N f mm N f v ==2、E43焊条，2/160mm N f w f =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：4520kN /m =⨯=q楼面板永久荷载标准值：4312kN /m =⨯=q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：1.420 1.21242.4kN /m =⨯+⨯=q楼面板荷载标准值：201232kN /m =+=qB 、 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22max1142.411641.3KN/m 88M ql ==⨯⨯= max1142.411233.222V ql kN ==⨯⨯= 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：63max 641.3102840.75f 1.05215γ⨯===⨯x x d M W cm根据截面模量选用热轧H 型钢 ,查附表可知：1224883001118164.4=====H mmB mmmm mmA cm tt4x337140029301084.11549.920.8====x xxW cm cmcm cmI S i4、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、①抗弯强度检验（翼缘边缘的弯曲应力）：622max 3641.310208/215/1.05293010σγ⨯===<=⨯⨯x x M N mm f N mmW 满足 6、②抗剪强度检验（腹板处的剪应力）：3322max 4xw 232.20101549.91046.02/125/714001011tτ⨯⨯⨯===<=⨯⨯Xv N mm f N mm V SI 满足7、③刚度检验8、44545532110001100041.4844384384 2.06107140010250250⨯⨯===<==⨯⨯⨯⨯k x q l l V mm mm EI 满足故满足刚度要求。
综上所述，4883001118HM ⨯⨯⨯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：2011220k G KN=⨯=集中活载标准值：1211132k Q KN=⨯=集中恒载设计值： 1.21120264G KN =⨯⨯= 集中活载设计值： 1.41211184.8Q KN =⨯⨯=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： ①连续梁受满布活载②1跨受满布活载③2跨受满布活载④1、2跨受满布活载⑤1、3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： max 510.400=⋅M KN m 最不利剪力为①+⑤组合中： max247.500KN=V考虑计算时未计自重，出于安全考虑取 1.1510.4561.44=⨯=⋅M KN m假设主梁钢板厚度16mm ≤， Q235钢的抗弯强度设计值得f =215N/2mm ,E=206×310N/2mm和l v ⎡⎤⎢⎥⎣⎦=250。
梁最大容许挠度为L/250.所需截面模量为63max 561.44102487.0f 1.05215γ⨯===⨯x x d M W cm 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）min 35521511000.250459.9631.231.220610⨯⨯⎡⎤≥=⨯=⎢⎥⨯⨯⎣⎦fl l h mm E v 2）.经济高度经验公式 33x772487.0-3064.840cm 648.40mm ====h ew综上计算，取腹板高度w h =0h =700m(2).腹板厚度 1）.抗剪要求w t =3max 1.2247.51.2 3.39mm 70012510⨯⨯==⨯w v V h f2）.局部稳定和构造因素 7007.56===w w h t mm 综上取w t =12mm ，选用腹板700×12。
(3).翼缘板截面尺寸（b ×t ）一般翼缘宽度取10mm 的倍数，厚度取2mm 的倍数翼缘宽度()b=(1/5,1/3)h 140,233.3=，取mm 200=b 又：322487101-700122152.867006x w w f w W t h A h mm ⋅⨯=-=⨯⨯=2152.810.76,16.200f A t mm t mm b ==== 初选截面732 ⨯200 ⨯12 ⨯16如图所示：()33846326333374211200730200127008.7761012122.39710/220016358350122 1.88102001635811456001170012216200 2.14310121222001612700148008.x x x x l y xx I mm I W mm h S mm S mm I mm A mm I i A =⨯⨯-⨯-⨯=⨯==⨯=⨯⨯+⨯÷=⨯=⨯⨯==⨯⨯+⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯+⨯===6777610243.51148002.1431038.0514800yy mmI i mmA⨯=⨯===翼缘与腹板连接焊缝计算2max31min max min160/,247.520016358114560011.841.41.546, 1.2 1.21214.4wflf wxff ff N mm V V KNS mmV Sh mmIfh mm h t mm====⨯⨯=⋅≥⋅=≥=⨯=≤=⨯=取10fh mm=。
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：67.859.81480010 1.138/q kN m-=⨯⨯⨯=主梁自重设计值：1.2 1.2 1.138 1.37/q kN m=⨯=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：'22max max'max max11510.4 1.378517.7181211247.5 1.378252.9822M M ql kN mV V ql kN=+=+⨯⨯=•=+=+⨯⨯=(1)抗弯强度验算考虑部分发展塑性变形取 1.05xγ=6226517.7110205.69/215/,1.052.39710x xMN mm N mm Wσγ⨯===<⋅⨯⨯所以抗弯强度满足要求(2)抗剪强度验算36228252.9810 1.881045/125/8.7661012xxVSN mm N mmI tτ⨯⨯⨯===<⨯⨯所以抗剪强度满足要求(3)局部承压强度验算跨中集中力：448.8F kN=mmhalz3701453005=⨯+=+=局部压应力：322448.810176.31/215/12370cw zFN mm N mmt lσ⨯===<⨯(4)折算应力验算12350205.69201.09368h mm σσ==⨯=Nhmax 011xw328252.9810114560027.52/8.7661012t τ=⨯⨯==⨯⨯N mmV SI翼缘与腹板相接处计算折算应力：2zs 2/195.81215σ==<==d mm N N f mm 满足（5）焊缝强度验算：3221811.4114560023.5160252.981.4108.7761010σ=<⨯==⨯⨯⨯⨯=x f w fV N NS mmmmh I f整体稳定验算：将次梁作为主梁的侧向支撑，则140002016200lb==>=，故需要验算整体稳定性。