钢结构设计计算书模板.pdf
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1、 钢结构设计原理课程设计 计算书 专 业:土木工程 姓 名 学 号:指导老师:目 录 设计资料和结构布置-1 1.铺板设计 1.1 初选铺板截面 -2 1.2 板的加劲肋设计-3 1.3 荷载计算 -4 3.次梁设计 3.1 计算简图-5 3.2 初选次梁截面-5 3.3 内力计算-6 3.4 截面设计-6 4.主梁设计 4.1 计算简图 -7 4.2 初选主梁截面尺寸 -7 5.主梁内力计算 5.1 荷载计算-9 5.2 截面设计-9 6.主梁稳定计算 6.1 内力设计-11 6.2 挠度验算 -13 6.3 翼缘与腹板的连接 -13 7 主梁加劲肋计算 7.1 支撑加劲肋的稳定计算 -14
2、 7.2 连接螺栓计算 -14 7.3 加劲肋与主梁角焊缝-15 7.4 连接板的厚度-15 7.5 次梁腹板的净截面验算-15 8.钢柱设计 8.1 截面尺寸初选-16 8.2 整体稳定计算 -16 8.3 局部稳定计算 -17 8.4 刚度计算 -17 8.5 主梁与柱的链接节点-18 9.柱脚设计 9.1 底板面积-21 9.2 底板厚度-21 9.3 螺栓直径 -21 10.楼梯设计 10.1 楼梯布置-22 10.2 踏步板计算-22 10.3 梯段梁设计-23 11.斜支撑设计 11.1 支撑布置-25 11.2 斜支撑刚度计算 -25 1 设计资料 某机床加工车间,厂房跨度 24
3、m,长度 96m.设计对象为厂房内的钢操作平台,其平面尺寸为 30.0m 12.0m,室内钢结构操作平台建筑标高为 4.000m。设计使用年限 50 年,结构安全等级二级,拟采 用钢平台.(1)钢平台楼面做法:采用花纹钢板或防滑带肋钢板。(2)楼面活荷载标准值:根据工艺要求取为 6。0KN/m。(3)钢平台结构连接方式:平台板与梁采用焊接(角焊接);次梁与主梁采用高强度螺栓连接;主梁 与柱采用焊接或高强度螺栓连接,定位螺栓采用粗制螺栓.(4)材料选用:型钢、钢板采用 Q235 A。F;焊条采用 E43 型。粗制螺栓采用 Q235 钢材。(5)平台柱基础混凝土强度等级 C25。(6)连接方案:次
4、梁与主梁采用高强螺栓侧面铰接连接,次梁与主梁的上翼缘平齐;主梁与柱采用侧 向铰接连接;柱与基础采用铰接连接;平台板与主(次)梁采用焊接(角焊缝)连接.试对铺板、次梁、主梁、钢柱以及次梁与主梁、主梁与柱上端、柱脚及钢楼梯进行设计。连接方案 结构布置 梁格布置:采用单向板布置方案,柱网尺寸为 6。0m6.0m;主梁沿横向布置,跨度为 6m;次梁 沿纵向布置,跨度为 6。0 m。次梁的间距为 1.5m;单块铺板的平面尺寸为 0.75m1。5m。平台结构平 面布置如图 1 所示.加劲肋 次梁 主梁 柱 柱间支撑 1 柱间支撑 图 1 钢平台平面布置图 一、铺 板 设 计 1。1.初选铺板截面 在铺板的
5、短跨方向设置 15 道加劲肋,间距 l1 750mm.平板厚度t l1 150 l1 120 5.0 6。25mm 取t 7mm。1。2。计算简图 因铺板区格长边之比 b/a 1.5/0.75 2.0 可作为多跨连续的双向板计算,加劲肋和次梁作为其 支承边。1。3.内力计算 (1)荷载计算 7mm 厚花纹钢板:78.5 0.007 0。55 KN/m 2 平台板永久荷载标准值:g1 0.55 kN/m2 平台板可变荷载标准值:q2 3。0 kN/m2 平台板的荷载基本组合值:P g q 1。20.551。33。0 kN/m2 4.26 kN/m2 G 1 Q 2 平台板的荷载标准组合值:P g
6、 q 0。55 3.0 3。55 kN/m2 k 1 2 (2)内力计算 平台板单位宽度最大弯矩:Mmax pa2 0。1024。560。752 0.26 kN m 平台板的最大挠度:p a4 10-3 7504 fmax k 0。111 mm 1.75mm 3 5 7 3 Et 2。0610 注:根据 b/a=2.0,查表 4-1 可得,均布荷载作用下四边简支板的弯矩系数=0。102,=0.111。1 2 3 4 5 6 1.4.截面设计 (1)强度计算 铺板的强度按式(45)计算 Mmax 6Mmax W t2 6 0.26103 N/mm2 26。5N/mm2 f 215N/mm2 1.
7、2 72 7 f 1。75 1 1 (2)a 750 428.57 150 8 二、板 的 加 劲 肋 设 计 2.1。计算简图 加劲肋与铺板采用单面角焊缝,焊脚尺寸 6mm,每焊 150mm 后跳开 50mm 间隙(图 2-2b)。此 连续构造满足铺板与加劲肋作为整体计算的条件。加劲肋高度取 h=80 mm,厚度 6 mm,按 T 形截面计算,受压区为铺板翼缘,t=7mm,受压区 长度 30 t=210 mm,如图 22c 所示。加劲肋的跨度为 1。5m,计算简图如图 22a 所示 图 22 b 图 2-2 c 2。2.荷载计算 铺板为四边支承板,较精确地计算可假定荷载按梯形分布,为简化计算
8、,可安全地均布荷载考虑,即取加劲肋的负荷宽度 750mm。永久荷载标准值:平台板传来永久荷载 0.55 0。75 0.41kN/m 加劲肋自重 78。5 0。08 0。006 0。04 kN/m g k 0。45 kN/m 可变荷载标准值:qk 3。0 0。75kN/m 2。25kN/m 荷载的基本组合值:P G gk Q qk 1.2 0。45 1。3 2.25 3.47 kN/m 荷载的标准组合值:Pk gk qk (0.45 2.25)kN/m 2.70kN/m (3)内力计算 跨中最大弯矩设计值 M max 1/8 pl 2 1/8 3。471。52 0.98kN m 支座处最大剪力设
9、计值 Vmax 12 pl 12 3.471.5kN 2。60kN (4)截面特性计算 截面形心位置 yc 210 7 3.5 80 6(40 7)mm 14。21 mm 210 7 80 6 截面惯性矩 I 121 21073 2107(14。213。5)2 121 6803 806(72。79-40)2 946705.9 0(mm4)支座处抗剪面积只计算铺板部分,偏于安全的仍取 210mm 范围,则 Av 210 7 1470 mm2 (5)强度计算 受弯强度计算按式(47)计算,受拉侧应力最大截面塑性发展系数取 1.2.M max 0。98106 62.79N/mm2 f 215 N/m
10、m2(满足要求)W 1.2 946705。90/(87 14.21)x nx 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 4 按抗剪强度公式计算:Vmax S 1。5 Vmax =It A V =1.5。/1470 2.65 N/mm2 fv 125 N/mm2 (满足要求)21(6)变形计算 加劲肋的挠度按式(49)计算:f 5p l3 515003 1 1(满足要求)k 22 5 946705。90 1643。64 150 l 384EIx 3842.0610 三、钢 结 构 次 梁 设 计 3。1。计算简图 次梁与主梁铰接,按简支梁计算,跨度 l0=6.0 m,
11、如图 3-1 所示。加劲肋支撑间距 750 每根次梁的 负荷面积 主梁 31 次梁计算简图 3。2。初选次梁截面 次梁的荷载主要由铺板-加劲肋传来相隔 750 mm 分布集中荷载,每个加劲肋传到次梁上的集中 荷载设计值 qBS=3。34KN/m1.5/0.75=6.94 KN/m 23 qBSK=2。70KN/m1。5 0。75=5.40KN/m 24 次梁采用轧制普通工字钢,假定铺板不起刚性楼板作用。跨中无侧向支撑,上翼缘受均匀布荷载,自由长度为 6.0m。假定钢号为 2240 之间,查钢结构设计规范(GB 50017-2003)附表 B.2,=0.6。次梁跨中弯矩设计值 Mmax=1 qB
12、S l 2=1 6.949KNm=70.27KNm 25 8 8 所需的截面抵抗矩 Wx 1.02M X max=1。02 70.27106 mm3=555.62cm 26 b 0.6 215 f 选用I 32a,h=320mm,b=130mm,t=15。0mm,tw=9。5mm,Wx=692cm,I x=11080cm4,自重为 60Kg/m=0.527KN/m 27 3。3.内力计算 包含自重在内的次梁均布荷载基本组合值 qBS=(6.94+1.2 0.527)=7.57 KN/m 28 均布荷载标准组合值 qBSK=(5.40+0。527)=5。93 KN/m 29 最大弯矩基本组合值
13、Mmax=1 qBS L2 1 7。57 92 76。65 KNm 30 8 8 最大剪力基本组合值 Vmax=1 qBS L 1 7.57 9 34.07 KN 31 2 2 3。4.截面设计 轧制型钢梁不需要验算局部稳定;正截面强度不起控制作用;连接处净截面抗剪强度见连接节点 计算。截面积算内容包括承载力极限状态的整体稳定和试用阶段极限状态的挠度.(1)整体稳定性计算 M max 76.65106 2 184。61 f 215N/mm(满足要求)32 bWx 0。6 692 103 (2)挠度验算 f=5qBSK l3 55.83 90003 1 1(满足要求)33 l 384EIx 38
14、4 2。06 105 15796 104 264.86 250 6 四、初 选 主 梁 截 面 4。1。计算简图 主梁与柱铰接,按简支梁计算,跨度 l0=6。0m,计算简图见图 41 图 41 主梁计算简图 a)计算简图 b)内力图 c)截面尺寸 4.2。初选主梁截面尺寸 (1)梁腹板高度 hw 梁承受次梁传来的集中荷载,主梁的负荷长度为 6。0m.次梁传来集中荷载设 计组合值:P=7.57 KN/m 9 m=68。13 KN 次梁传来集中荷载标准组合值:PK=5.4 KN/m 9 m=48。60 KN 主梁的弯矩设计值近似按此梁端部反力计算 M X 1。1(32P 2l P 4l)1。1 1
15、2 Pl 1。1 12 68.13 7。5 281。04KN m 34 注:系数 1.1 为考虑主梁自重后的附加系数。则所需的截面抵抗矩为 Wnx M x f =281。04mm3 106/215=1307。16cm3 按下式确定梁的经济高度:he=73 Wnx 30cm=73 1307。16 30cm=46.53cm 主梁的最小高度按刚度条件确定,由表 4-2 可见,梁的允许挠度为 l0 400,其最小高度 hmin 必须满足:hmin l0 15=7500mm/15=500 mm 取梁的腹板高度 hw=500mm,满足最小高度要求,且接近经济高度.(2)梁腹板厚度 tw 梁腹板可按式(4-
16、13)估算:tw=hw =50 cm=0.6428cm=6。43mm 11 11 取 tw=8mm,大于 6 mm 的最小要求。(3)梁翼缘尺寸 bt 取上、下翼缘相同,截面模量按式计算:t h2 Wx=w w+bthw 6 可得到所需的上(下)翼缘面积:35 36 37 38 bt Wx tw hw=(1307。16 0.8 50)cm 2 19。48cm 2 39 hw 6 50 6 翼缘宽度 b=(16 1/2.5)h=83.33 200 mm,b 的取值不能小于构造要求的最小值,且不 小于 180 mm。取 b=200 mm,翼缘厚度取 t=10 mm,满足 8mm 的要求。单个翼缘面
17、积 A1=20cm2 1=20cm2 19.48 cm2 满足要求。40 主梁截面尺寸如图 424C 所示。(4)几何特征 主梁截面面积:A 2 200 10 500 8 8000mm 2 41 主梁截面惯性矩:Inx 200 5203/12 192 5003/12 343。47 106 mm4 42 I y 2 10 2003/12 500 83/12 13。36 106 mm4 抗弯截面模量:W I nx/(h/2)343.47 106/(520/2)mm3 1。80 10 6 mm3 nx 43 中和轴以上部分的面积距:S 200 10 255mm3 250 8125mm3 760 10
18、3 mm3 44 翼缘对截面中和轴的面积距:S1 200 10 255 mm3 510 103 mm3 45 五、主 梁 内 力 计 算 5。1。荷载计算 取加劲肋的构造系数为 1。05,主梁自重标准值:gk 1。05 8000 10 6 78。5KN/m 0。66KN/m 46 主梁自重设计值:荷载计算 g 1.2gk 1。2 0。66KN/m 0。79KN/m 47 截面最大弯矩的基本组合值 M max (68。13 6/2 0.79 62/8)KN m 207.95KN m 48 截面最大剪力的基本组合值 Vmax 1。5P 3g (1。5 68。13 3 0。79)KN 104.57K
19、N 49 主梁内力图如图 424b 所示。5。2.截面设计 (1)强度计算 抗弯强度:=M max 207。95106 2 2 2 N/mm 110.02N/mm f 215N/mm(满足要求)50 xWnx 1。051。32106 抗剪强度:V S 104.57 103 770 103 max N/mm2 29.31 f 125 N/mm2 51 Inxtw 343。47 10 6 8 (满足要求)(2)整体稳定计算 次梁可以作为主梁的侧向支撑。主梁受压翼缘的自由长度 l1=1.5m,受压翼缘宽 度 b1=200mm。l1/b1=1500/200=7。5 16,因此可不计算主梁的整体稳定性。
20、(3)翼缘局部稳定计算 梁受压翼缘自由外伸宽 b1=(200 8)/2=96 mm,厚度 t=10 mm。b1 96 235 9.6 13 13 52 t 10 f y 故受压翼缘局部稳定满足要求.(4)腹板局部稳定验算和腹板加劲肋设计 =500mm,=8mm,所以/=500/8=62.5 80235 f y =80,且 无局部压应力(),偏安全按照构造配置横向加劲肋。根据连续需要,在次梁位置设置横向加劲肋,间距 a=1.5m。腹板两侧成对布置。其外伸宽度 bs 要求满足:b h0 40 (500 40 )56.67 mm,取 bs =(200-8)mm/2=96 s 30 30 加劲肋的厚度
21、 ts 应满足:ts bs 96 mm 6.4mm ,ts 8 mm 15 15 因梁受压翼缘上有密布铺板约束其扭转,腹板受弯计算时的通用高厚比b:b2h t w f y 2 500 8 1 0.71 0.85 c 177 235 177 因此,临界应力 cr f=215N/mm2.a/h0=1500/500=3.01,腹板受剪计算的通用高厚比 S:h t w f y 500 8 S=0 1 0。634 0.80 56 235 41 5.34 4(h0 a)2 415。34 4 (500 1500)2 因此,临界应力 =125 N/mm2 53 54 55 六、主 梁 稳 定 计 算 6。1。
22、内力设计 根据主梁的剪力和弯矩分布(图 424b),需对各地区段分别进行局部稳定性验算。根据区段:平均弯矩 M1=(2/5pl+2/25ql2+0)/2=103.97 KNm 57 平均剪力 V1=(2p+1/2ql+2p+3/10ql)KN/2=138。63KN,则弯曲应力和平均剪应力分别为 M1h=103。63 1000000 500/2 343.47 1000000N/mm2 75。42N/mm2 58 2I X V1=138。63 1000/500 8N/mm2 34.66N/mm2 59 hwtw 因局部压应力为 0,区段的局部稳定:2 2 75。42/21575。42/215 34
23、.66/12534。66/125 0。20 1.0 60 cr cr 区段:平均弯矩=(2/5pl+2/25ql2+3/5pl+3/25ql2)/2 =259。93 KNm 61 平均剪力=(2p+23/10ql+p)/2=207。95KN,则弯曲应力和平均剪应力分别为 M 2 h=259.93 1000000 500/2 343.47 1000000 189。19N/mm2 2I X V2 =207.95 1000/500 8N/mm2 51。99N/mm2 hwtw 因局部压应力为 0,区段的局部稳定:2 2 。(。1。0 cr cr 62 63 64=注:计算主梁跨度是 4。5 米、6
24、米的同学,主梁内力计算有 2 个区段,右边序列号有 61、62、63、64。计算主梁跨度是 7。5 米、9 米的同学,主梁内力计算有 3 个区段,右边序列号增加第三区段的 65、66、67、68。=其中:主梁跨度是 7。5 米,区段 3 的计算 M3 右=3/5 P*L+3/25 Q*L2=311.92 M 中=4/5 P*L+1/8 Q L2=312。14 区段 3 的平均弯矩值应取以上两式的平均值,平均值的符号为 M 区段 3=312.03 65 Q3 右=3/5 Q*L 11 Q 中=0 区段 3 的平均剪力值应取以上两式的平均值,平均值的符号为 V 区段 3=则弯曲应力和平均剪应力分别
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