单层平面钢框架结构分析与设计项目报告

'单层平面钢框架结构分析与设计小组成员：课程名称：钢结构基本原理指导教师：日期：2014年10月 摘要：本研究项目是对单层钢框架结构进行分析与设计，并以小组讨论的形式进行分工协作，分别设计出单跨钢结轴心受力构件、受弯构件、压弯构件、铰接连接和钢接连接。本组的设计方案为一次超静定结构，需初步选定截面，求得抗弯刚度，利用结构力学的知识画出弯矩、剪力和轴力图，最后进行各构件的强度、刚度和稳定性的验算。前言：钢结构近年来在我国的应用得到较快发展，这种结构以其强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、工业化程度高、可重复使用率高、有利于环保等一系列优点，在建筑结构中得到广泛应用。另外钢结构材质均匀，符合力学假定。与其他结构相比，钢结构的理论设计结果与试验相差很小也是钢结构的特色之一。但是，由于钢结构与在建筑结构中应用广泛的钢筋混凝土结构相比，对于充任相同受力功能的构件，截面轮廓尺寸小、构件细长和板件较为薄弱。因此，钢结构分析理论尤其是稳定性理论的发展，不仅仅具有理论上的意义，而且具有重要的实用价值。课程作为建筑钢结构工程技术专业核心课程、建筑工程系其他各专业平台课程，自建筑钢结构工程技术专业成立以来，课程建设的步伐一直没有停息。课程建设紧随钢结构专业的成长步伐、贯彻学习新理念，与建筑钢结构行业的发展相呼应，相协调，在课程内容体系、实训项目开发等方面，力争能够真实体现钢结构施工岗位能力要求，使课程学习与企业岗位能力能够更好的衔接。《钢结构基本原理》课程组成员加快了课程建设的步伐，牺牲了很多节假日和休息时间，通过外出调研、专门研讨、网上收集等手段获取了大量的施工一线相关资料，为课程建设资源库建设和校本讲义、工作页等编写积累了大量的素材。目前所有的建设任务按照计划基本完成，在即将验收之际，将几个星期以来的建设历程特别是课程立项建设这一一段时间作一个简要总结。 一、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I2x=12980cm4I3X=4717cm4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X1，外力F，均布荷载q1和q2的弯矩图以及轴力和剪力图。列一次超静定结构方程：带入公式（1）得带入数据得，X1=669.94 2.3轴心受压柱设计（1）选用热轧H型钢Q235计算长度设λ=60（b类），查附表4.2，=0.807选用HW175×175×7.5×11（2）截面验算因为选用热轧型钢，局部稳定与强度可不验算 2.4受弯构件设计（1）假设梁的自重为则（2）选用，自重与假设相符截面（3）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H型钢应按下式计算求得稳定系数：（4）整体稳定验算：整体稳定满足 （5）刚度验算：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又根据所以所以根据附表7.2型钢表给出的热轧H型钢，经过多次选取选用H型200200根据查表6.7，得到 （1）验算强度：（2）验算弯矩平面内的稳定:查表附表4.2，（3）验算弯矩作用平面外稳定：查附表4.2，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，故取 （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：腹板：翼缘：2.6铰接柱头设计 1、梁端设置支承加劲肋：（1）支承加劲肋在腹板平面外的稳定Z轴惯性矩b类截面，查附表4.2得：φ=1（2）端部承压强度查附表1.1可知，（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， 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，则柱顶板取面积为设焊脚尺寸2条侧焊缝长度则1条焊缝长度，取所以加劲肋尺寸为，所以取10mm（1）加劲肋在腹板平面外的整体稳定y轴惯性矩查附表4.2得：（2）侧面角焊缝强度验算 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，（1）底板尺寸采用宽300mm，长450mm的底板，毛面积A=450×300=135000mm2减去锚栓孔面积（4000mm2）,大于所需净面积基础对地板的压力为底板的区格有三种，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，查表4.7，α=0.0606区格为三边支承板，查表4.7，β=0.0462 区格为悬臂部分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，最大弯矩为底板厚度取t=20mm（1）隔板计算将隔板视为两端支于靴梁的简支梁，其线荷载为隔板与底板的连接（考虑一条）为正面角焊缝，，取，焊缝强度计算隔板与靴梁的连接（外侧一条焊缝）为侧面角焊缝所受隔板的支座反力设，求焊缝长度取隔板高100mm,设隔板厚度t=10mm>175/50=3.5mm验算隔板抗剪弯强度 （1）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计算，此焊缝为侧面角焊缝，设，求其长度取靴梁高200mm设靴梁厚t=10mm，验算其抗剪抗弯强度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，社焊缝的焊脚尺寸均为，则显然，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，槽口取10mm长焊缝长度： 所以焊缝都符合要求2.加劲肋的验算：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，所以只需验证下部加劲肋。加劲肋尺寸：取且.取.取（1）加劲肋在腹板平面外的稳定查表得：（b类） （2）局部承压强度验算查附表1.1（3）加劲肋于腹板的连接焊缝查表，取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底板悬伸长度靴梁厚度底板宽度取 (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查表得区格为三边支承板查表得区格为悬臂部分取最大弯矩故取底板厚为隔板计算取，设取，设隔板厚（3）验算抗弯抗剪强度： （4）靴梁设，，取设验算隔板与底板间焊缝强度：取 验算四条焊缝处靴梁与底板间焊缝强度：验算两条焊缝处靴梁与底板间的焊缝强度：锚栓选4个位置距边缘处各93mm加劲肋横板三、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。参考文献《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》 '