單層平面鋼框架結(jié)構(gòu)分析與設計項目報告

1、單層平面鋼框架結(jié)構(gòu)分析與設計 小組成員： 課程名稱： 鋼結(jié)構(gòu)基本原理 指導教師： 日 期： 2014年10月 摘要： 本研究項目是對單層鋼框架結(jié)構(gòu)進行分析與設計，并以小組討論的形式進行分工協(xié)作，分別設計出單跨鋼結(jié)軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件、壓彎構(gòu)件、鉸接連接和鋼接連接。本組的設計方案為一次超靜定結(jié)構(gòu)，需初步選定截面，求得抗彎剛度，利用結(jié)構(gòu)力學的知識畫出彎矩、剪力和軸力圖，最后進行各構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性的驗算。前言： 鋼結(jié)構(gòu)近年來在我國的應用得到較快發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)以其強度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、工業(yè)化程度高、可重復使用率高、有利于環(huán)保等一系列優(yōu)點，在建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛應用。另外鋼結(jié)構(gòu)

2、材質(zhì)均勻，符合力學假定。與其他結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的理論設計結(jié)果與試驗相差很小也是鋼結(jié)構(gòu)的特色之一。但是，由于鋼結(jié)構(gòu)與在建筑結(jié)構(gòu)中應用廣泛的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，對于充任相同受力功能的構(gòu)件，截面輪廓尺寸小、構(gòu)件細長和板件較為薄弱。因此，鋼結(jié)構(gòu)分析理論尤其是穩(wěn)定性理論的發(fā)展，不僅僅具有理論上的意義，而且具有重要的實用價值。 課程作為建筑鋼結(jié)構(gòu)工程技術專業(yè)核心課程、建筑工程系其他各專業(yè)平臺課程，自建筑鋼結(jié)構(gòu)工程技術專業(yè)成立以來，課程建設的步伐一直沒有停息。課程建設緊隨鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)的成長步伐、貫徹學習新理念，與建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展相呼應，相協(xié)調(diào)，在課程內(nèi)容體系、實訓項目開發(fā)等方面，力爭能夠真實體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)施工

3、崗位能力要求，使課程學習與企業(yè)崗位能力能夠更好的銜接。 鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程組成員加快了課程建設的步伐，犧牲了很多節(jié)假日和休息時間，通過外出調(diào)研、專門研討、網(wǎng)上收集等手段獲取了大量的施工一線相關資料，為課程建設資源庫建設和校本講義、工作頁等編寫積累了大量的素材。目前所有的建設任務按照計劃基本完成，在即將驗收之際，將幾個星期以來的建設歷程特別是課程立項建設這一一段時間作一個簡要總結(jié)。一、前期工作1.1總體思路 首先，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程研究設計說明書所給出的的單層平面鋼框架結(jié)構(gòu)圖，小組內(nèi)共同討論分析了結(jié)構(gòu)的各個構(gòu)件，并且進行組內(nèi)分工協(xié)作，分別研究各結(jié)構(gòu)之間的連接等等，找出各部分結(jié)構(gòu)所需的技術方法

4、和涉及到的知識點，隨之在課本中找到相應部分的內(nèi)容，我們在查找過程中發(fā)現(xiàn)課本中對鉸接、剛接柱頭設計的內(nèi)容介紹的很少，于是去圖書館借資料和相關書籍。經(jīng)過大家的多番討論，我們整理出了兩種設計方案及可行性措施。然后我們將設計方案拿給指導老師審核，老師給出建議和指導后，我們不斷的思考討論和修改，最終確定出了一種更合理的設計方案，給指導老師審核通過后，我們開始進行下一期工作。1.2項目內(nèi)容 本小組研究的主要內(nèi)容有：結(jié)構(gòu)分析計算與截面選擇、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的設計、鋼結(jié)構(gòu)軸心受力構(gòu)件的設計、鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件的設計、鋼結(jié)構(gòu)壓彎構(gòu)件的設計。 我們所設計的鋼框架為超靜定結(jié)構(gòu)，因此不能直接根據(jù)結(jié)構(gòu)件所受的外力來確定框架的

5、內(nèi)力圖，而是需要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設計要求，初步選定截面尺寸，確定各個構(gòu)件的抗彎剛度ei，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)力學的知識，用力法解超靜定方程，從而可以求解出其軸力圖、剪力圖和彎矩圖，據(jù)此對軸心受壓柱、受彎柱和壓彎柱分別進行強度、剛度和穩(wěn)定性的驗算，若有一項不符合，則需重新選取截面，再次進行內(nèi)力的計算，直至所有構(gòu)建均滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求。1.3可行性分析 初步擬定的方案存在較大缺陷。三根構(gòu)件分別為軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件，由于受力性質(zhì)的不同，各構(gòu)件對于強度、剛度和穩(wěn)定等方面的要求不盡相同，因此抗彎剛度的大小相差也較大，一開始假定的三根構(gòu)件的抗彎剛度相等顯得非常不合理。后續(xù)的截面選取和驗算工作可能

6、會十分復雜，需要多次選取才能獲得合適的截面，影響之后的柱頭和柱腳的設計與計算。因此可行性較低。第二個方案中，先根據(jù)經(jīng)驗假定各構(gòu)件的抗彎剛度，再帶入整體驗算，顯得較為靈活，有利于減少選取截面的時間和修改的概率。因此可行性較高。1.4實施計劃本組成員共有8人，分為四個小組，兩人一組，分別進行”軸心受壓柱的設計”，”受彎梁的設計”，”壓彎柱的設計”，”梁與柱的連接以及柱與基礎的連接”。首先第一步進行的是軸心受壓柱的設計，由其所受的軸心壓力選擇合適的截面進行計算并驗算其剛度與整體穩(wěn)定性。第二步進行的是壓彎梁的設計，根據(jù)梁所受彎矩選擇截面并驗算其剛度與穩(wěn)定性。同時進行軸心受壓柱柱頭與柱腳的設計。第三步進

7、行壓彎柱的設計，由其所受軸心壓力與彎矩選擇合適的截面并進行強度，剛度與穩(wěn)定性的驗算。第四步進行的是剛接柱頭與柱腳的設計，完成整個平面框架的設計。1.5預期成果 雖然初步擬定的方案可行性較低，但是其仍然存在著可行性的，若通過假設三個構(gòu)件采用的同一個抗彎剛度ei，進行內(nèi)力分析，截面選取，強度剛度與穩(wěn)定性的驗算，若初步擬定的方案可行，則采用此種方案，若不可行，則采用第二種方案，重新假定這三個構(gòu)件的抗彎剛度ei1、ei2、ei3，然后再進行內(nèi)力分析，截面選取，強度剛度與穩(wěn)定性驗算，成功的選出軸心受壓柱，梁，壓彎柱所需型鋼。2、 項目分析設計2.1初選截面經(jīng)過多次選擇，最終選定截面：軸心受壓柱：熱軋型h

8、w1751757.511受彎構(gòu)件：熱軋型hn350175711壓彎柱：熱軋型hw2002008122.2內(nèi)力分析與計算根據(jù)初選截面，可得出i2x=12980cm4 i3x=4717cm4 此結(jié)構(gòu)為一次超靜定結(jié)構(gòu)，將（1）柱斷開，再加一對軸力x，得到靜定體系（如圖），分別求出軸力x1，外力f，均布荷載q1和q2的彎矩圖以及軸力和剪力圖。列一次超靜定結(jié)構(gòu)方程： 帶入公式（1）得帶入數(shù)據(jù)得，x1=669.942.3軸心受壓柱設計（1）選用熱軋h型鋼q235計算長度設=60（b類），查附表4.2，=0.807選用hw175×175×7.5×11（2）截面驗算因為選用熱軋型

9、鋼，局部穩(wěn)定與強度可不驗算2.4受彎構(gòu)件設計（1）假設梁的自重為則（2）選用，自重與假設相符截面（3）由于試選截面時，整體穩(wěn)定系數(shù)是參考普通工字鋼假定的，對h型鋼應按下式計算求得穩(wěn)定系數(shù)：（4）整體穩(wěn)定驗算：整體穩(wěn)定滿足（5）剛度驗算：剛度滿足由于型鋼腹板較厚，不必驗算抗剪強度，且寬厚比較小，不必驗算局部穩(wěn)定2.5壓彎構(gòu)件設計根據(jù)規(guī)定 又根據(jù)所以所以根據(jù)附表7.2型鋼表給出的熱軋h型鋼，經(jīng)過多次選取選用h型200200 根據(jù)查表6.7，得到（1） 驗算強度：（2）驗算彎矩平面內(nèi)的穩(wěn)定: 查表附表4.2， （3）驗算彎矩作用平面外穩(wěn)定： 查附表4.2， 所計算構(gòu)件為結(jié)構(gòu)右端壓彎柱，有端彎矩和橫向

10、荷載作用，但使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生同向曲率，故取 （由以上計算知，此壓彎構(gòu)件是由彎矩作用平面外控制設計的）（4） 局部穩(wěn)定驗算：腹板：翼緣： 2.6鉸接柱頭設計1、梁端設置支承加勁肋 ：（1）支承加勁肋在腹板平面外的穩(wěn)定z軸慣性矩b類截面，查附表4.2得：=1（2） 端部承壓強度查附表1.1可知，（3） 支承加勁肋與腹板的連接焊接，焊條使用e43查附表1.2可知， 所以該加勁肋滿足要求。2、在柱腹板處設置縱向加勁肋：在柱端設置柱頂板，則柱頂板取面積為設焊腳尺寸2條側(cè)焊縫長度 則1條焊縫長度，取所以加勁肋尺寸為，所以取10mm（1）加勁肋在腹板平面外的整體穩(wěn)定y軸慣性矩查附表4.2得：（2）側(cè)面角焊縫強度驗

11、算2.7鉸接柱腳設計n=669.94kn，選用q235鋼，焊條e43型采用c15混凝土，（1） 底板尺寸采用寬300mm，長450mm的底板，毛面積a=450×300=135000mm2減去錨栓孔面積（4000mm2）,大于所需凈面積基礎對地板的壓力為底板的區(qū)格有三種，如圖所示放置，現(xiàn)分別計算其單位寬度的彎矩區(qū)格為四邊支承板，查表4.7，=0.0606區(qū)格為三邊支承板，查表4.7，=0.0462區(qū)格為懸臂部分這三種區(qū)格的彎矩值接近，不必調(diào)整底版平面尺寸和隔板位置，最大彎矩為底板厚度取t=20mm（2） 隔板計算將隔板視為兩端支于靴梁的簡支梁，其線荷載為隔板與底板的連接（考慮一條）為正

12、面角焊縫，取，焊縫強度計算隔板與靴梁的連接（外側(cè)一條焊縫）為側(cè)面角焊縫所受隔板的支座反力設，求焊縫長度取隔板高100mm,設隔板厚度t=10mm>175/50=3.5mm驗算隔板抗剪彎強度 （3） 靴梁計算 靴梁與柱身的連接（4條焊縫）按承受柱的壓力n=669.94kn計算，此焊縫為側(cè)面角焊縫，設，求其長度取靴梁高200mm設靴梁厚t=10mm，驗算其抗剪抗彎強度靴梁與地板的連接焊縫和隔板與地板的連接焊縫傳遞全部柱的壓力，社焊縫的焊腳尺寸均為，則顯然，焊縫的實際計算已超過此值柱腳與基礎的連接構(gòu)造采用兩個20mm的錨栓。2.8剛接柱頭設計1.計算長度：取焊腳尺寸，槽口取10mm長焊縫長度：

13、所以焊縫都符合要求2.加勁肋的驗算：上下兩襯板對應處各設置一加勁肋，上部加勁肋受拉，下部加勁肋受壓，所以只需驗證下部加勁肋。加勁肋尺寸： 取 且. 取. 取（1）加勁肋在腹板平面外的穩(wěn)定查表得：（b類）（2） 局部承壓強度驗算 查附表1.1 （3）加勁肋于腹板的連接焊縫查表，取所以該加勁肋符合要求2.9剛接柱腳設計(1)剛接柱腳的設計與驗算支座反力 底板懸伸長度 靴梁厚度底板寬度 取 (2)底板的區(qū)格有三種，現(xiàn)分別計算其單位寬度的彎矩區(qū)格為四邊支承板查表得 區(qū)格為三邊支承板查表得 區(qū)格為懸臂部分取最大彎矩故取底板厚為隔板計算取， 設 取，設隔板厚（3）驗算抗彎抗剪強度：（4）靴梁設， ，取設驗算隔板與底板間焊縫強度：取驗算四條焊縫處靴梁與底板間焊縫強度：驗算兩條焊縫處靴梁與底板間的焊縫強度：錨栓選4個位置距邊緣處各93mm加勁