鋼結(jié)構(gòu)課程原理課設(shè)

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程設(shè)計第一章 設(shè)計題目某機床加工車間鋼結(jié)構(gòu)操作平臺設(shè)計。第二章 設(shè)計條件1.某機床加工車間，廠房跨度21m沒或24m，長度96m。室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)操作平臺建筑標高為4.500m，柱網(wǎng)布置如圖2-1所示。房屋安全等級為二級，設(shè)計使用年限50年，耐火等級二級。圖2-1 柱網(wǎng)布置圖2.樓面活荷載根據(jù)工藝要求為2.07.0kNm2，詳見下表，準永久值系數(shù)q=0.8。3.連接方式 平臺板與梁采用焊接（角焊接）；次梁與主梁采用高強度螺栓連接；主梁與柱采用焊接或高強度螺栓連接，定位螺栓采用粗制螺栓。4.材料 型鋼、鋼板采用Q235-A.F；焊條采用E43型；粗制螺栓采用Q235鋼材。5.平臺做法

2、設(shè)計對象為廠房內(nèi)的鋼操作平臺，鋼平臺樓面做法：（1）采用花紋鋼板或防滑鋼板。（2）鋼筋混凝土預制板。 （3）柱網(wǎng)尺寸和可變荷載標準值按老師分配的數(shù)值計算。第三章 設(shè)計內(nèi)容1.鋼平臺結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng) (支撐布置及選型，在計算書上應(yīng)繪制支撐布置圖)。2.樓板設(shè)計 (包括樓板和加勁肋的設(shè)計或者樓板配置及合理布置)。3.次梁設(shè)計 （采用型鋼）。4.主梁設(shè)計 (采用焊接組合梁)。 5.鋼柱設(shè)計 （采用焊接組合柱或型鋼柱）。6.次梁與主梁、主梁與柱上端、柱腳設(shè)計。7.平臺樓梯和欄桿的選擇與設(shè)計。8.鋼平臺的設(shè)計施工圖。 第四章 結(jié)構(gòu)布置1.梁格布置采用單向板布置方案，柱網(wǎng)尺寸為9.0m×6.0m；主

3、梁沿縱向布置，跨度為9m；次梁沿橫向布置，跨度為6.0m。間距為1.5m；單塊鋪板的平面尺寸為1.5m×6.0m。平臺結(jié)構(gòu)平面布置如圖4-1所示。 圖4-1 鋼平臺平面布置圖2、連接方案次梁與主梁采用高強螺栓側(cè)面鉸接連接，次梁與主梁的上翼緣平齊；主梁與柱采用側(cè)向鉸接連接；柱與基礎(chǔ)采用鉸接連接；平臺板與主（次）梁采用焊接（角焊縫）連接。3.支撐布置 鋼平臺柱的兩端均采用鉸接連接，并設(shè)置柱間支撐，以保證結(jié)構(gòu)幾何不變。在軸線和軸線B處分別布置縱、橫向支撐，采用雙角鋼，如圖4-2所示。圖4-2 11剖面因無水平荷載，支撐磕按構(gòu)造要求選擇角鋼型號。 受壓支承的最大計算長度，受壓支撐的允許長細比

4、=200，要求回轉(zhuǎn)半徑選用2L125×8（節(jié)點板厚度8mm，,為對稱軸）。第五章 鋪板設(shè)計1. 初選鋪板截面 在鋪板的短跨方向設(shè)置5道加勁肋，間距。平板厚度。2. 計算簡圖因鋪板區(qū)格長邊之比 可作為多跨連續(xù)的雙向板計算，加勁肋和次梁作為其支承邊。3.內(nèi)力計算（1）荷載計算8mm厚花紋鋼板： 平臺板永久荷載標準值： 平臺板可變荷載標準值： 平臺板的荷載基本組合值： （5-1）平臺板的荷載標準組合值： （5-2）（2）內(nèi)力計算平臺板單位寬度最大彎矩： （5-3）注：根據(jù)b/a=1.5，查鋼結(jié)構(gòu)課程解析與實例中表4-1可得，均布荷載作用下四邊簡支板的彎矩系數(shù)=0.081。 平臺板的最大撓度

5、： （5-4）注： 根據(jù)b/a=1.5，查鋼結(jié)構(gòu)課程解析與實例中表4-1可得，均布荷載作用下四邊簡支板的撓度系數(shù)4.截面設(shè)計（1）強度計算 鋪板的強度按式（4-5） 計算（5-5）（2）撓度計算 （5-6）5.加勁肋設(shè)計（1）計算簡圖 加勁肋與鋪板采用單面角焊縫，焊腳尺寸6mm，每焊150mm后跳開50mm間隙（圖5-1b所示）。 此連續(xù)構(gòu)造滿足鋪板與加勁肋作為整體計算的條件。加勁肋高度取h=80mm，厚度6mm，考慮有30t=180mm寬度的鋪板作為翼緣，按T形截面計算，如圖5-1c所示。加勁肋的跨度為1.5m，計算簡圖如圖5-1a所示：（a）（b） （c）圖5- 1 加勁肋計算簡圖（2）荷

6、載計算 鋪板為四邊支承板，較精確地計算可嘉定荷載按梯形分布，為簡化計算，可安全地均布荷載考慮，即取加勁肋的負荷寬度1000mm。 永久荷載標準值：平臺板傳來永久荷載 （5-7）加勁肋自重 （5-8） 可變荷載標準值： （5-9） 荷載的基本組合值： （5-10）荷載的標準組合值 （5-11）（3）內(nèi)力計算跨中最大彎矩設(shè)計值 （5-12） 支座處最大剪力設(shè)計值 （5-13）（4）截面特性計算截面形心位置 （5-14）截面慣性矩 （5-15）（5-1）支座處抗剪面積只計算鋪板部分，偏于安全的仍取180mm范圍，則 （5-16）（5）強度計算 受彎強度計算按式(4-7)計算，受拉側(cè)應(yīng)力最大截面塑性發(fā)

7、展系數(shù)取1.2。 （5-17） 受剪強度按式（4-8）計算： = （5-18） =（滿足要求）（6）變形計算 加勁肋的撓度按式（4-9）計算：（滿足要求）（5-19）第六章 次梁設(shè)計 1.計算簡圖 次梁與主梁鉸接，按簡支梁計算，跨度=6.0m，如圖6-1所示。圖6-1 次梁計算簡圖2.初選次梁截面 次梁的荷載主要由鋪板-加勁肋傳來相隔1000mm分布集中荷載，每個加勁肋傳到次梁上的集中荷載設(shè)計值（5-1）（5-1） 次梁采用軋制普通工字鋼，假定鋪板不起剛性樓板作用。跨中無側(cè)向支撐，上翼緣受均勻布荷載，自由長度為6.0m。 假定鋼號為2240之間，查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50017-2003）附

8、表B.2，b=0.6。次梁跨中彎矩設(shè)計值max=18 （6-1）所需的截面抵抗矩1.02Mx,maxbf= （6-2）選用，h=280mm,b=122mm,t=13.7mm,tw=8.5mm,WX=508.2cm3,=7115cm4, 自重為43.47kg/m=0.4347KN/m。 3.內(nèi)力計算包含自重在內(nèi)的次梁均布荷載基本組合值 （6-3）均布荷載標準組合值 （6-4）最大彎矩基本組合值max=18= （6-5）最大剪力基本組合值max=12= （6-6）4.截面設(shè)計軋制型鋼梁不需要驗算局部穩(wěn)定；正截面強度不起控制作用；連接處凈截面抗剪強度見連接節(jié)點計算。截面積算內(nèi)容包括承載力極限狀態(tài)的整

9、體穩(wěn)定和試用階段極限狀態(tài)的撓度。（1）整體穩(wěn)定性計算=MmaxbWx （6-7）（2）撓度驗算=(滿足要求) （6-8）第七章 主梁設(shè)計1、計算簡圖主梁與柱鉸接，按簡支梁計算，跨度l0=9.0m，計算簡圖如圖7-1a所示：2、初選主梁截面尺寸（1）梁腹板高度hw 主梁承受次梁傳來的集中荷載，主梁的負荷寬度為9.0m。次梁傳來集中荷載設(shè)計組合值：P=13.42kN/m×9.0m = 120.78kN次梁傳來集中荷載標準組合值：PK=10.44KN/m×9.0m = 93.96KN主梁的彎矩設(shè)計值近似按此梁端部反力計算，假定g=2.0kN/m，則： （7-1）則所需的截面抵抗矩

10、為W nx Mx f =1002.618 ×106/215 =4663340mm3=4663.3cm3 （7-2）按下式確定梁的經(jīng)濟高度： （7-3）或 （7-4）梁的最小高度按剛度條件確定，由表4-2可見，梁的允許撓度為l0/400，其最小高度hmin 必須滿足：hmin l0 /15=9000mm/15=600mm （7-5）取梁的腹板高度hw =850mm，滿足最小高度要求，且接近經(jīng)濟高度。（2）梁腹板厚度tw 梁腹板可按下式估算：tw = hw 11 = （7-6）取tw =12mm,大于6mm的最小要求。（3）梁翼緣尺寸b×t 取上、下翼緣相同，截面模量按下式計算

11、： 可得到所需的上（下）翼緣面積： （7-7）翼緣寬度，取b=300mm,翼緣厚度取t=16mm,滿足8mm的u要求。單個翼緣面積A1 =30×1.6=48cm2 >40.70cm2，滿足要求。主梁截面尺寸如圖7-1C所示。（4）幾何特征主梁截面面積： （7-8）主梁截面慣性矩：Inx （7-9）Iy= （7-10）抗彎截面模量：Wnx=Inx/(h/2)= （7-11）中和軸以上部分的面積距：（7-12）翼緣對截面中和軸的面積距：S1 = （7-13）3、內(nèi)力計算取加勁肋的構(gòu)造系數(shù)為1.05，主梁自重標準值：gk = （7-14）主梁自重設(shè)計值:g=，滿足。 （7-15）截面

12、最大彎矩的基本組合值 （7-16）截面最大剪力的基本組合值 （7-17）主梁內(nèi)力圖如圖7-1b所示。4、截面設(shè)計（1）強度計算抗彎強度：= M max xWnx= 抗剪強度：= V maxS Inxtw （7-18）=(2)整體穩(wěn)定計算 次梁可以作為主梁的側(cè)向支撐。主梁受壓翼緣的自由長度l1=1.5m ，受壓翼緣寬度b1 =200mm。l1/b1 =1500/300=5.016，因此可不計算主梁的整體穩(wěn)定性。（3）翼緣局部穩(wěn)定計算 梁受壓翼緣自由外伸寬b1 =(300-12)mm/2=144mm，厚度t=16mm。 （7-19）故受壓翼緣局部穩(wěn)定滿足要求。（4）腹板局部穩(wěn)定驗算和腹板加勁肋設(shè)計

13、h0 = hw =850mm, tw=12mm,所以h0/tw =850/12=70.83< =80，且無局部壓應(yīng)力（ c=0），僅需按照構(gòu)造配置橫向加勁肋。根據(jù)連續(xù)需要，在次梁位置設(shè)置橫向加勁肋，間距a=1.5m。腹板兩側(cè)成對布置。其外伸寬度bs要求滿足：，取加勁肋的厚度ts應(yīng)滿足： ， （7-20）因梁受壓翼緣上有密布鋪板約束其扭轉(zhuǎn)，腹板受彎計算時的通用高厚比 ： （7-21）因此，臨界應(yīng)力cr=f =215N/mm2。 a/h0=1500/850=1.76>1,腹板受剪計算的通用高厚比s: （7-22）因此，臨界應(yīng)力 cr=125N/mm2 根據(jù)主梁的剪力和彎矩分布（圖4-2

14、4b），需對各地區(qū)段分別進行局部穩(wěn)定性驗算。根據(jù)區(qū)段I：平均彎矩M1=463.94 / 2=231.97KN m，平均剪力V1=（310.76+307.82）/ 2=120.22KN，則彎曲應(yīng)力和平均剪應(yīng)力分別為 （7-23） （7-24） 因局部壓應(yīng)力為0，區(qū)段I 的局部穩(wěn)定： （滿足要求） （7-25） 區(qū)段II：平均彎矩M2 =（463.94+742.30）/2=603.12KNm,平均剪力V2=（187.04+184.11）/2=185.58KN，則彎曲應(yīng)力和平均剪應(yīng)力分別為 （7-26） （7-27）因局部壓應(yīng)力為0，區(qū)段II的局部穩(wěn)定： （滿足要求） （7-28）區(qū)段III：平均彎

15、矩=（742.30+835.09）/2=788.70KNm,平均剪力=（63.33+60.39）/2=61.86KN，則彎曲應(yīng)力和平均剪應(yīng)力分別為 （7-29）因局部壓應(yīng)力為0，區(qū)段III的局部穩(wěn)定： （滿足要求） （7-30）5、撓度驗算根據(jù)圖乘法有 （7-31）6、翼緣與腹板的連接強度采用連續(xù)直角焊縫，所需焊縫的焊腳尺寸為（7-32）按構(gòu)造要求， （7-33） （7-34）取 h f =8mm，如圖7-1c所示。 第八章 次梁與主梁的連接節(jié)點 次梁與主梁平接，如圖8-1所示，連接螺栓采用8.8級M16摩擦型高強度螺栓。計算連接螺栓和連接焊縫時，除了次梁端部垂直剪力外，尚應(yīng)考慮由于偏心所產(chǎn)生

16、的附加彎矩的影響。1.支撐加勁肋的穩(wěn)定計算一側(cè)加勁肋寬bs=144mm,厚度t=10mm,按軸心受壓桿件驗算腹板平面外穩(wěn)定。驗算時考慮與加勁肋相鄰的15tw=15mm×10=150mm范圍內(nèi)的腹板參與工作。加勁肋總的有效截面特性： （8-1） （8-2） （8-3）（8-4）根據(jù)=13.99，查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50017-2003）附錄B表B.2，可得受壓穩(wěn)定系數(shù)=0.985。加勁肋承受兩側(cè)次梁的梁端剪力 （8-5）= （8-6）2.連接螺栓計算在次梁端部剪力作用下，連接一側(cè)的每一個高強度螺栓承受的剪力： () （8-7）剪力V=40.26kN，偏心距e=（40+10+40）mm

17、=90mm，偏心力矩Me=Ve=作用，單個高強度螺栓的最大拉力：Nt=N1M= （8-8）單個8.8級M16摩擦型高強度螺栓的抗剪承載力Nv=nfP= （8-9）在垂直剪力和偏心距共同作用下，一個高強度螺栓受力為Ns= (滿足要求) （8-10）3.加勁肋與主梁的角焊縫剪力V=40.26kN，偏心距e=（144+40+10）=194mm=mm，偏心力矩Me=Ve=，采用hf=8mm，焊縫計算長度僅考慮與主梁腹板連接部分有效，即=850-2*8=834mm，則= （8-11）= （8-12）=（8-13）4.連接板的厚度連接板的厚度按等級強度設(shè)計。對于雙板連接板，其連接板厚不宜小于6mm，取連接

18、板的厚度t=8mm。5.次梁腹板的凈截面驗算不考慮孔前轉(zhuǎn)力，近似按下式進行驗算：= （8-14）次梁與主梁跨內(nèi)的連接節(jié)點大樣如圖8-2所示。圖8-2 次梁與主梁跨內(nèi)的連接節(jié)點大樣第九章 鋼柱設(shè)計 平臺結(jié)構(gòu)中，中柱、邊柱和角柱的受力顯然不同，從節(jié)約鋼材出發(fā)，可以設(shè)計成不同的柱子截面。但從方便鋼材訂貨、構(gòu)件加工和現(xiàn)場安裝的便利考慮，實際工程設(shè)計時，采用相同的截面。 以最不利的中柱為依據(jù)，選擇柱子截面并計算。1.截面尺寸初選一根主梁傳遞的豎向反力設(shè)計值 一根次梁傳遞的豎向反力設(shè)計值 所有，中柱的軸力設(shè)計值N: （9-1）柱子的計算簡圖如圖9-1所示，因有柱間支撐，將其視為兩端不動的鉸支承，柱子高度為

19、鋼平臺樓面標高（標高為4.500m）減去主梁高度的一半，即H=（4500-832/2）=4084mm。 因柱子高度不大，初步假定弱軸方向（y軸）的計算長度為，b類截面，由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50017-2003）附錄B.2，可查得軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，則所需的面積A： （9-2）柱的計算長度，截面的回轉(zhuǎn)半徑,查有關(guān)表格，選擇柱子截面HW200x200，其幾何系數(shù)： 翼緣厚t=15mm，腹板厚=10mm，回轉(zhuǎn)半徑，面積，理論重量94.5kg/m。2.整體穩(wěn)定計算 考慮一半柱子重量集中到中柱頂，則柱頂軸力設(shè)計值： 圖9-1 平臺柱計算簡圖 （9-3） （9-4） （9-5）繞兩主軸截面分類均屬

20、于b類，故按較大長細比計算，由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50017-2003）附錄B表B.2，可查得，則 (滿足要求) （9-6）3局部穩(wěn)定計算 翼緣外伸寬度與其厚度的比值： （9-7） 腹板高度與其厚度的比值：（9-8） 滿足穩(wěn)定要求。4.剛度計算 （滿足要求） （9-9）第十章 主梁與柱的鏈接節(jié)點1.主梁與柱側(cè)的鏈接設(shè)計主梁擱置在小牛腿上，小牛腿為T形截面，尺寸如圖10-1c所示。小牛腿柱翼用角焊縫鏈接，主梁支座反力通過支撐面接觸傳遞。小牛腿2M12普通螺栓其安裝定位作用，與連接角鋼連接的2M12普通螺栓其防止側(cè)傾作用。主梁梁端局部承壓計算：腹板翼緣交界處局部承壓長度： （10-1）梁端集中反力

21、設(shè)計值，則 （10-2）因此，主梁端部的連接可不設(shè)支承加勁肋。 (a)平臺梁與柱的連接（b）1-1剖面 （c）小牛腿截面 （d）小牛腿焊縫截面 （e） 2-2剖面圖10-1 平臺梁與柱的的連接構(gòu)造2.牛腿與柱的連接設(shè)計角焊縫柱腳高度，扣除焊縫起始處各10mm厚的焊縫截面如圖10-1d所示。焊縫截面幾何特性計算：抗剪計算面積 （10-3）截面形心位置 （10-4）焊縫群慣性矩 （10-5） 最下端截面模量: （10-5）焊縫內(nèi)力設(shè)計值：剪力 V=310.76KN彎矩 M=310.76x(0.26-0.016)/2+0.01=41.02KNm （10-6）焊縫截面強度計算： （10-7） （10-

22、8） (滿足要求)(10-9)因焊縫截面承載力設(shè)計值小于牛腿截面設(shè)計承載力，故不再作牛腿截面彎矩、抗剪計算。3.柱翼緣在牛腿翼緣拉應(yīng)力作用下是否設(shè)置橫向加勁肋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50017-2003）第7.4.1條規(guī)定計算柱翼緣厚度是否滿足： （10-10）式中，tcf、Acf分別為柱翼緣板厚度和梁（本例中小牛腿）受拉翼緣面積；分別為梁（小牛腿）翼緣和柱翼緣的鋼材強度設(shè)計值。 （10-11）故需要設(shè)置橫向加勁肋。設(shè)橫向加勁肋為-80x12鋼板，布置在與小牛腿翼緣的同高處，如圖10-1a所示。第十一章 柱腳設(shè)計 平臺柱的柱腳采用鉸接連接的方式。 1.底板面積 平臺柱截面HW300×30

23、0，采用方形底板，其邊長B=H=b+40mm=340mm。初選螺栓孔直徑24mm，底板上錨栓孔洞直徑50mm，A=1962mm。 基礎(chǔ)混凝土強度等級C25（=11.9N/mm），柱底的軸力N=702.24KM+1.2×0.945×4.5KN=707.3KN。則 =N/mm=6.33N/mm<f=11.9N/mm （11-1） 2.底板厚度 A區(qū)格，懸臂板的懸臂長度c=20mm,則 M=0.5c=0.5×6.33×20N·mm/mm=1266N· mm/mm （11-2） B區(qū)格，三邊支承區(qū)格板，b=(15010/2)mm=145

24、mm，a=(3002×15)mm=270mm，由b/a=145/270=0.54，查表4-5，=0.066 M=0.5=0.0660.5×6.33×270N·mm/mm=15228.08N·mm/mm（11-3）取較大區(qū)格彎矩計算板厚tt =mm=20.61mm （11-4）取底板厚度t=22mm。3.錨栓直徑平臺柱在所有工作條件下都始終受壓，則按門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（:）規(guī)定，選用的錨栓直徑不應(yīng)小于24。本設(shè)計取錨栓直徑24。11-1 柱腳示意圖第十二章 樓梯設(shè)計1.樓梯布置采用折梁樓梯，折梁一端支撐于軸主梁，另一端支承在地面基礎(chǔ)。

25、每個踏步高度取210mm,共4500/200=23步，踏步寬度度取180mm，則斜梁的水平投影長度23180mm=4140mm,斜梁的傾角=arctan（4500/4140）=47.4°。平臺寬度取1860mm，梯段寬度取800mm。踏步板采用6mm厚花紋鋼板，折梁采用16a，W=108.3×10³mm³，I=8.662×10mm，g=17.23kg/m。2.踏步板計算（1）構(gòu)造 踏步板下設(shè)30×6加勁肋，加勁肋與踏步板采用h=6mm雙面角焊縫連接，如圖12-1所示：圖12-1踏步板截面踏步板兩端與斜梁焊接，按簡支構(gòu)件，跨中作用1KN

26、集中荷載設(shè)計。（2）撓度計算 簡化計算僅考慮加勁肋的慣性矩，并假定截面形心位于加勁肋頂部。 截面的慣性矩： I=6×30³/12+6×30×(30/2)²mm=54000mm （12-1）撓度： f=mm （12-2） =0.96mm<l/250=800mm/250=3.2mm (滿足要求)（3）連接計算 踏步板與梯段梁0016a采用單面角焊縫連接。承受的剪力V=F/2=500N，所需焊縫高度： h= （12-3）按構(gòu)造要求， （12-4）3.梯段梁設(shè)計因兩根梯段梁之間有踏步板連接，固梯段板的整體穩(wěn)定性不必計算。梯段梁的計算內(nèi)容包括承載能力極限狀態(tài)的強度計算，連接計算和正常使用極限狀態(tài)的撓度計