单层平面钢框架结构设计.docx
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单层平面钢框架结构设计
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，小组内共同讨论分析了结构的各个构件，并且进行组内分工协作，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内容，我们在查找过程中发现课本中对铰接、刚接柱头设计的内容介绍的很少，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项目内容
本小组研究的主要内容有：
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内力图，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，再次进行内力的计算，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，进行内力分析，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EI1、EI2、EI3，然后再进行内力分析，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HW1751757.511受弯构件：
热轧型HN350175711
压弯柱：
热轧型HW200200812
2.2内力分析与计算
根据初选截面，可得出
4
12X=12980cm
4
I3x=4717cm
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，均布荷载q1和q2的弯矩图以及轴力和剪力图。
25kN/m
JUIIUIIIIIUUIUIIUU
5kN/m
200kN
1
12
1p（3600
6—2—
459
PEI2
23
1
（3600
46459
46
EI3
46298.25
97176
EI2
EI3
带入公式
（1）得
1
3
6
—
6
-）
4
4
40
4
1
6）
4
4MN
列一次超静定结构方程：
1p0
1
1
21
11（6
6
—.
6）（664）
El2
2
3El3
72
144
EI2
EI3
Xi
46298.25
I2
97176
I3
72144
I2I3
带入数据得，X1=669.94kN
39.36kij■m
2.3轴心受压柱设计
（1）选用热轧H型钢Q235
计算长度loxloy359.45cm
=0.807
38.62cm2
设入=60（b类），查附表4.2,
3
AN669.9410
A2
f0.80721510
lox359.45
ixiy—5.99cm
60
选用HW175<175X7.5X11
2
A51.43cm,ix7.53cm,iy4.37cm
（2）截面验算
359.45
47.74
x
7.53
359.45
83.25
y
4.37
x,y轴的值均属b类截面,
150
150
由y82.25得:
0.673
193.6N/mm2
2
215N/mm
669.94103
0.67351.43102
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
（1）假设梁的自重为0.5kN/m，b0.6
则Wx
Mx
95.97106
0.6215
743103mm3
（2）选用HN350175711，Wx
741.7cm3，自重与假设相符
截面iy3.95cm，A62.91cm，Ix12980cm4
（3）
H型钢应按下
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
l1t1
0h
600011
175350
1.0772
b0.690.131.0770.830
l1
1
600
3.95
152
求得稳定系数:
4320Ah
2
yt1235
4.4hfy
0.83攀
1522741.7
235
235
Mx
bWx
197215
95.9710
0.654741.710
整体稳定满足
（5）刚度验算：
vMxl95.9710660001vT1
I10Elx102061031298010464I400
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
I。
所以ix
Io
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200X200
3
472cm
4
1601cm,ix8.62cm,iy5.02cm,
根据K1
N=280.06kN,M=39.36kN?
m
查表6.7，得到
1.17
（1）验算强度：
NMx280.0610339.36106
AxWnx63.531021.05472103
123.48N/mm2f215N/mm2
（2）验算弯矩平面内的稳定
l0
1.17400
54.29
150
lx
8.62
查表附表4.2,x0.863
Ex
mx
2ea
20610363.53102
1.1
1.0
1.154.292
3.98106N
NxA
mx
280.06103
1.039.36106
xMx1
0.8
0.76763.53102
NEx
1.054721031
0.8
280.06103
3.98106
22
57.4786.97141.63N/mm2215N/mm2
（3）验算弯矩作用平面外稳定:
400
79.68
150
5.02
查附表4.2，y0.696
1.07
2fy
44000235
1.07
2
79.68
0.9261.0
44000
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,
N
1A
280.06103
0.69663.53102
39.69106
0.926472103
63.3390.03153.36
215N/mi
（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:
max
NMxh0280.06103
A匚363.53102
39.36106
4717104
117.12N/mm2
min
NMxh0280.06103
2~
AIx263.53102
39.36106
4717104
88
28.96N/mm2
maxmin
1.251.6
max
腹板：
h0176
tw8
117.1228.96
117.12
22
813
161.250.553.362571.68
翼缘：
b
t
1004
12
2.6铰接柱头设计
1、梁端设置支承加劲肋
105mm
（1）支承加劲肋在腹板平面外的稳定
24
8.9410cm
11
Z轴惯性矩Iz—217.53—10.50.73893.5cm4
1212
2
A42.35cm
iz
14.53cm
h0iz
32.8
14.53
2.3
b类截面，查附表4.2得=1
2
16.51N/mm
2
215N/mm
F（669.94600）103
A142.35102
（2）端部承压强度
查附表1.1可知，fce325N/mm2
ce
F
Ace
69.94103
17520
19.98N/mm
2
fce325N/mm
（3）支承加劲肋与腹板的连接焊接，焊条使用E43
查附表1.2可知，ffw160N/mm2
hfmax1.2t11.278.4mm
hfmin1.5、t1.5206.8mm,取hf8mm
69.94103
19.16N/mm2
20.7hflw20.78（32816）
fw160N/mm2
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
215
21546225mm2
设焊脚尺寸hf
10mm
69.94
103
2条侧焊缝长度
0.710160
231.23mm
则1条焊缝长度
+15-6mm'取lw100mm
所以加劲肋尺寸为h
21575
100mm,b_（）103.75mm
bs103.75
ts_
1515
（1）加劲肋在腹板平面外的整体稳定
丄110384cm4
12
6.92mm，所以ts取10mm
y轴惯性矩Iy
100
10
o2
1000mm10cm
iy
，y
A
I0
1
卫3.5
2.9
查附表4.2得:
0.999（b类）
F
A
（2）
3
69.9410
2
0.9991010
侧面角焊缝强度验算
2
235N/mm
2
215N/mm
3
69.9410
1001748500Nmm
2
6M
2
2helW
1748500
274.94N/mm
20.7101002
3
69.9410
49.96N/mm
0.710100
f
2helw2
74.94
1.22
2
（49.96）2
79.18N/mmffw160N/mm2
2.7铰接柱脚设计
N=669.94kN，选用Q235钢,
焊条E43型
采用
C15混凝土,
7.5N/m
（1）
底板尺寸
3
N669.941093047.2mm2
7.2
采用宽300mm长450mm的底板，毛面积
（4000mm）,大于所需净面积
A=450X300=135000mrh减去锚栓孔面积
基础对地板的压力为
699.94
103
2
5.2N/mm1350004000
底板的区格有三种，如图所示放置，现分别计算其单位宽度的弯矩
区格
为四边支承板ba1751501.17，查表4.7,a=0.0606
pa20.06065.215027090.2Nmm
区格
为三边支承板
1751750.43，查表4.7,3=0.0462
M2pa10.04625.217527357.35Nmm
区格为悬臂部分
1212
M3pc5.252.57166.25Nmm
22
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
Mmax7357.35Nmm
底板厚度t6Mmax
67357.3514.33mm
215
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
11505.2780N/mm
隔板与底板的连接（考虑一条）为正面角焊缝,
f1.22，取hf8mm，焊缝
780175
强度计算
fw160N/mm2
f114.17N/mm2
1.220.78175
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
78017568250N
设hf
8mm,
求焊缝长度
R
0.7hfffw
68250
0.7816076.18mm
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
Vmax
R68250N
Vmax682502
v125N/mm
1.5^^1.5102.4N/mm2
Mmax
ht10010
max
5
629.8610
2
10100
179.16N/mm2
2
215N/mm
算，此焊缝为
侧面角焊缝，设hf
10mm，求其长度
N
40.7hfffw
669.94103
40.710160
149.54mm
（3）靴梁计算
靴梁与柱身的连接（4条焊缝）按承受柱的压力N=669.94kN
取靴梁高200mm
设靴梁厚t=10mm,验算其抗剪抗弯强度
Vmax6825062.55.2137.5112937.5N
1.5晋1.584.7N/mm2fv125N/mm2
max
673.38105
102002
100.07N/mm2
2
215N/mm
社焊缝的焊脚
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hf10mm，贝y
3
491mm
669.9410
1.220.710160
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hf10mm，槽口取10mm长
焊缝长度:
39.36
106
55.3mm
200mm
w1
35011
185
39.36
106
46.6mm
200mm
w2
35011
215
80.06
103
328mm
w3
20.7
10160~""
所以焊缝都符合要求
2.加劲肋的验算：
所以只需
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,
验证下部加劲肋。
加劲肋尺寸：
bs匹401764045.9mm取Q100mm
3030
bs
ts一6.7mm且ts11mm.取ts20mm.取h175mm15
（1）加劲肋在腹板平面外的稳定
120mm
13
Iz1220.83
1
210323.34102cm4
12
12
A1220.8210
2
2
59.2cm
izVa
2.38cm
ho
201.22
7.4
iz
2.38
查表得：
0.9965
（b类）
6
39.3610
350
4
11.2104N
N压
11.2104
9.5N/mm2
215N/mm2
A20.99655920
（2）局部承压强度验算
查附表1.1
2
fee325N/mm
39.36106
11.2
ce
（3）
350
11.2104
2
20100
加劲肋于腹板的连接焊缝
查表ffw160N/mm2，取hf
11.2
20.7hflw220.7
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N280.06kN底板悬伸长度e40mm
底板宽度b2002
10
max
104N
28N/mm2
2
ee325N/mm
8mm
104
8（17628）62.5N/mmff160N/mm
M0.64kNm靴梁厚度t10mm
230280mm
3
280.06103
0.64106
2801
2
2801
l123.5mm取b280mml558mm
N
6M
2
max
2
1.83N/mm
bl
bl
N
6M
2
min
1.75N/mm
bl
bl2
11.82N/mm2
21.80N/mm2
2
31.78N/mm
（2）底板的区格有三种，现分别计算其单位宽度的弯矩
区格为四边支承板-2001.08
a186
查表得0.0536M1
1a20.5361.8218623374.9Nmm
区格为三边支承板
93
200
0.465
查表得0.0511M2
maxa120.05111.8320023740.52Nmm
区格为悬臂部分
1212
M3max（c10）1.8330828Nmm
22
取最大弯矩Mmax3740.52Nmmt
■'6Mmax
63740.52彳~~215
10.2mm
故取底板厚为20mm
隔板计算
隔9321.83340.38N/mm2
取hf8mm
340.8200
1.220.78200
2
49.8N/mm
w2
f160N/mm
N
丄
A
80.06
103
0.9965
加“79
215N/mm
R1342.420034224N
2
设hf8mm
R
0.7hfffw
34224
0.78160
38.2mm
取h200mm,
设隔板厚t
10mm
b50
200504mm
（3）验算抗弯抗剪强度:
VmaxR34224N
1.5
Vmax
1.5
34224
20010
2
25.7N/mm
fv125N/mm2
max
-342.2420021711200Nmm
8
5
617.11210
102002
2
25.7N/mm
2
215N/mm
（4）
靴梁
N1
3
280.0610
6
迢d143230N
200
设hf
8mm,
143230
80mm，取h320mm
20.78160
10mm
R30
10
max
2
空100
2
3422440
1.831.80
279
100
47219.4N
Vmax
1.5
ht
1.5
47219.4
32010
2
22.2N/mm2
2
v125N/mm
MmaxR55810093
2
-401.815558100
22
34224861401.8151792
2
29432641163088.3
4106352.3Nmm
max
641063523
103202
2
24.1N/mm
2
215N/mm
验算隔板与底板间焊缝强度:
取hf8mm
R2
34224
2
f1.220.7hfb
1.220.78
20016
2
54.5N/mm
验算四条焊缝处靴梁与底板间焊缝强度:
2
160N/mm
401.815179
21.220.7817916
12995.4
21.220.78163
2
5.84N/mm
160N/mm2
验算两条焊缝处靴梁与底板间的焊缝强度：
402001.801.78
f211.4N/mm2f160N/mm2
1.220.78200161.220.78184
锚栓选4个d20mm位置距边缘处各93mm
加劲肋bs150mm,bs230mm,h，!
270mm,t10mm
横板b50mm,t15mm,l558mm
三、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。
《钢结构课本第四版》
《钢结构连接节点设计手册》《钢结构设计与应用范例》《钢结构设计及实用计算》
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