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1、第 14 页 中国矿业大学力学与建筑工程学院结构设计原理课程设计 第二部分：钢结构（中国矿业大学力学与建筑工程学院土木11-7班 x x）一、设计资料某钢结构工作平台，结构平面布置如图所示，铺板采用预制钢筋混凝土平板，焊接于次梁上，次梁与主梁，主梁与柱均为铰接，柱与基础为刚性连接。平台均布恒荷载标准值（包括平台铺板自重）为,活荷载标准值为。钢材采用Q235B，焊条为E43型，手工焊接。平台基础顶面到平台铺板底部高度。结构安全等级为二级。主梁GL2与次梁GL3平接，主梁GL2一端支承于中柱顶中，另一端支承于边柱侧（柱顶与梁顶部平齐），中柱采用格构式、边柱采用实腹式构件；次梁GL3采用型钢梁，主梁
2、GL2采用组合梁。（L1=8400mm，L2=9300mm）二、设计计算内容1.确定次梁和预制板的布置。（绘制平面布置图）2.平台梁的设计（绘制平台梁详图）（1）次梁GL3的设计（2）主梁GL2的设计选择主梁（焊接组合梁）截面（截面可沿长度改变）；计算翼缘焊缝；设计加劲肋。3.平台柱的设计（绘制边柱及中柱详图）（1）边柱GZ3设计（实腹式：按压弯构件设计）（2）中柱GZ4设计（格构式：按轴心受压构件设计）4.梁柱连接设计（绘制连接详图）（1）主梁GL2与边柱GZ3的连接设计（2）主梁GL2与次梁GL3的连接设计三、设计过程1. 确定梁和预制板的布置见图12. 次梁GL3的设计 （1）荷载及内力
3、（暂不计次梁自重） 次梁GL3为跨度的两端简支梁。 恒载标准值 活载标准值 总荷载标准值 总荷载设计值：图1 平面布置图 由永久荷载效应控制的组合 由可变荷载效应控制的组合 故总荷载设计值由可变荷载效应控制，次梁内力计算时取 最大弯矩标准值 最大弯矩设计值最大剪力设计值（2）试选截面 设次梁自重引起的弯矩为（估计值）。因次梁上铺钢筋混凝土平台板并与之相焊接，故不必计算整体稳定性。截面将由抗弯强度确定，设翼缘厚度大于，取,则需要的抵抗矩为 均布荷载作用下简支梁的挠度条件为 需要的惯性矩为 按需要的和查型钢表，选用热轧普通工字钢，有关参数如下： （3）截面强度验算（计入次梁自重） 弯矩设计值 剪力
4、设计值 弯曲应力 （满足要求） 剪应力 （满足要求） （4）截面刚度验算（挠度验算） 因提供的（需要值），故挠度条件必然满足。3. 主梁GL2设计 （1）内力计算（暂不计主梁自重） 由于柱截面尺寸未确定，为计算简便，偏安全地取轴线距离为跨度。故，主梁GL2为跨度的两端简支梁。 次梁传给主梁的集中力标准值 次梁传给主梁的集中力设计值 由可变荷载效应控制： 由永久荷载效应控制： 故取 最大弯矩设计值 最大剪力设计值 （2）试选截面 需要的截面抵抗矩为（假定翼缘厚度超过，取） 腹板高度 梁的最小高度： 根据主梁刚度要求，由梁的最小高跨比计算公式得 梁的经济高度： 故取腹板高度 腹板厚度（假定腹板厚度
5、不超过，取） 故取腹板厚度 所需翼缘面积为 通常翼缘；不比计算整体稳定性的要求为：（受压上翼缘自由长度）；构造及放置面板的要求为；放置加劲肋的要求；取上下翼缘宽度相同。综合以上因素，确定取 ,，满足要求。受压翼缘自由外伸宽度与厚度之比 因此，受压翼缘的局部稳定得到保证。 （3）截面验算 内力计算 梁的截面积 梁的单位长度自重 取自重分项系数为，考虑构造系数，则：自重设计值 最大弯矩为 最大剪力为 截面特性 强度验算 弯曲应力 （满足要求） 剪切应力 （满足要求） 折算应力（跨度中点处） 折算应力（离支座处） 故梁的截面强度满足要求。 （4）整体稳定验算 次梁可以作为主梁的侧向支承，主梁受压翼缘
6、自由长度，受压翼缘宽度，则，故梁的整体稳定不必进行验算。 （5）梁的刚度验算 集中荷载标准值 等效均布荷载标准值（构造系数） 计算挠度时，不必考虑因翼缘宽度改变的影响，近似按下式计算 （满足要求） （6）梁的截面改变采用改变翼缘宽度的方法。取截面改变处离支座的距离，下面对截面改变处进行验算。 截面内力 变截面处弯矩 变截面处剪力 截面尺寸 需要的截面模量 需要的翼缘面积取翼缘宽度为，厚度，则翼缘面积为 截面参数 ， 稳定验算受压翼缘外伸宽度与厚度之比，故受压翼缘的局部稳定满足要求。 强度验算 弯曲应力 （满足要求） 剪切应力 （满足要求） 折算应力 故梁的截面改变处强度满足要求。 （7）翼缘和
7、腹板的连接焊缝 采用直角角焊缝，所需焊缝的焊脚尺寸 构造要求， 故取焊脚尺寸 （8）局部稳定验算 各区格的局部稳定验算 ，应配置横向加劲肋，在支座处和每根次梁处（即集中荷载处）设支承加劲肋，且加劲肋间距，满足构造要求。 梁承受静力荷载，按规范要求，宜考虑腹板屈曲后强度。但为了节省钢材，已将梁设计成了沿跨度为变截面，若考虑腹板屈曲后强度，变截面处可能会不满足承载力要求，故本设计不考虑腹板屈曲后强度。 区格 用于腹板受弯计算时通用高厚比为 用于腹板受剪计算时通用高厚比为 次梁连接于主梁的加劲肋上，估腹板计算高度边缘的局部压应力。 支座附近区格的平均弯矩和平均剪力为： 平均弯矩在腹板计算高度边缘的弯
8、曲应力 平均剪力在腹板计算高度边缘的剪切应力 （满足要求） 区格 用于腹板受弯计算时通用高厚比为 用于腹板受剪计算时通用高厚比为 次梁连接于主梁的加劲肋上，估腹板计算高度边缘的局部压应力。 支座附近区格的平均弯矩和平均剪力为： 平均弯矩在腹板计算高度边缘的弯曲应力 平均剪力在腹板计算高度边缘的剪切应力 （满足要求） 区格 用于腹板受弯计算时通用高厚比为 用于腹板受剪计算时通用高厚比为 次梁连接于主梁的加劲肋上，估腹板计算高度边缘的局部压应力。 支座附近区格的平均弯矩和平均剪力为： 平均弯矩在腹板计算高度边缘的弯曲应力 平均剪力在腹板计算高度边缘的剪切应力 中间加劲肋（横向） 截面估算 宽度，取
9、 厚度，取 焊缝： ，取 支座加劲肋 支座反力 根据端部承压条件： 得，取 支座加劲肋采用，有关参数如下： ,(c类截面), 加劲肋在腹板平面外的稳定性 （满足要求） 支座加劲肋与腹板的连接焊缝 ，取，则 (满足要求)3. 边柱GZ3的设计 （1）初选截面按轴心受压构件设计初步选取截面尺寸。柱GZ3一端铰接，一端刚接，侧面半柱高处设柱间支撑。计算高度； 边次梁GL3线荷载 GL3传到GZ3顶的轴力设计值 GL2传到GZ3侧的轴力设计值 轴向力的合力设计值 采用工字型组合截面柱，翼缘为轧制边。按轴心受压估算截面尺寸，但实际为偏心受压，故取增大系数。按照式和式，当取，时，。当取，时，所以取，查表（
10、C类），所需截面面积为： 按稳定性要求 按经济性要求 二者相差较小，而且前者比后者略大，截面符合要求。故取，则，取；高度应满足，取，腹板厚度。 取，。 则截面的几何特性为： （2）强度验算偏心距偏心弯矩 (满足要求) 图4 边柱截面尺寸 （3）弯矩作用平面内稳定性验算 ，查表，b类截面， （满足要求） （4）弯矩作用平面外稳定性验算 ；查表，b类截面， ，取 （满足要求） （5）局部稳定验算 腹板： 翼缘： 局部稳定满足要求。4.中柱GZ4的设计（1）初选截面 分肢截面（对实轴计算） 中柱采用格构式柱，按轴心受压构件设计 轴力，一端铰接，一端刚接 假定，查得 所需截面面积 所需回转半径 分肢采
11、用一对槽钢翼缘内向，选用，则截面特性为 ， 分肢间距 采用缀条式，柱内力偏大。缀条采用角钢，两缀条面内斜缀条毛截面面积之和。 按等稳定原则，得 采用，实际 两槽钢翼缘间净距 （2）稳定性验算（绕实轴） ，查表，b类截面， （满足要求） （3）稳定性验算（绕虚轴） （满足要求） ， 如采用人字式单斜缀条体系，交汇于分肢槽钢边线，则 ，取 满足要求，不必验算分肢稳定和强度。槽钢为轧制型钢，也无需验算分肢局部稳定。 （4）缀条设计 柱的剪力 每个缀条面剪力 缀条采用， 采用人字式单斜缀条体系，分肢 斜缀条长度 稳定性验算 一根缀条内力 缀条。查表，b类截面， 单面连接等边角钢按轴心受压计算稳定性时，
12、强度折减系数 （满足要求） 缀条连接 单面连接等边角钢按轴心受压计算连接时，强度设计值折减系数 缀条焊缝采用角焊缝，肢背 按构造要求，肢背和肢尖焊缝均用，则 （4）横隔设计 柱截面最大宽度为，横隔间距和。柱高，上下两端柱头、柱脚处以及中点处设置钢板横隔，与斜缀条节点配合设置。 5.连接设计 （1）主梁与次梁的连接设计 次梁的支座反力 采用高强螺栓摩擦性平接法连接，高强螺栓采用，级，孔径为，采用喷砂处理。 一个螺栓的抗剪承载力设计值 所需的螺栓的数量（考虑连接处的约束作用，取次梁支座反力增大系数） 取 螺栓排列如图所示，螺栓间距，端距及边距均满足容许间距的要求。 次梁抗剪强度验算（削弱后） 稍偏于安全，验算近似按下式 （2）主梁与边柱GZ3的连接 梁支承于边柱侧，可先根据构造及经验初步布置，构造图如大图所示， 承托板传递全部剪力，螺栓为安全螺栓。 承托板尺寸为。由于剪力较大，承托板与翼缘连续角焊缝采用三面围焊，取焊脚尺寸。 正面角焊缝所承担的内力 侧面角焊缝强度（考虑剪力对承托与柱翼缘连接角焊缝的偏心影响，取增大系数），根据 得 ，取。
中国矿业大学结构设计原理课程设计钢结构部分
