1、.單層平面鋼框架結(jié)構(gòu)分析與設計 姓 名：朱銳（組長）、楊肖、馬健、徐耀、戴雅倩、候勝魯、項彥、李海星課程分工或貢獻：朱銳：軸心受壓柱 戴雅倩：受彎梁 楊肖：壓彎柱 項彥：鉸接柱腳 馬健、候勝魯：鉸接柱頭 徐耀、李海星：剛性柱腳指 導 教 師 ：周洪彬、王兆強2014年10月:單層平面鋼框架結(jié)構(gòu)分析與設計李海星、項彥、候勝魯、徐耀、馬健、楊肖、戴雅倩、朱銳摘要：在熟練掌握鋼結(jié)構(gòu)基本原理的前提下， 通過對單層單跨鋼框架的結(jié)構(gòu)方案的選用，首先進行截面的估算（初選截面，假設長細比等）， 其次進行鋼結(jié)構(gòu)的主要設計：連接的構(gòu)造和設計、軸心受力構(gòu)件的選擇與設計（包括強度、剛度、整體與局部穩(wěn)定）、受彎構(gòu)件截面

2、的選擇與設計（包括強度、剛度、整體與局部穩(wěn)定）、壓彎或拉彎構(gòu)件截面的選擇與設計，設計的同時在設計計算書里詳細論述以上內(nèi)容。前言：在大學生動手能力較弱的今天，各高校紛紛進行課程改革，我校領(lǐng)導也積極行動起來，安排了鋼結(jié)構(gòu)課程研究三級項目。實施此項精心準備的設計項目，旨在使學生在熟練掌握鋼結(jié)構(gòu)基本原理的基礎上，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學分析方法和鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范深入了解并掌握一種單層平面鋼框架的相關(guān)知識、分析和設計方法，掌握鋼結(jié)構(gòu)設計計算書的撰寫方法，使學生具備獨立設計結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本能力，提高綜合應用已有知識解決工程實際問題的能力，培養(yǎng)資料留存意識、團隊合作精神、項目組織與管理、交流表達能力，更好地培養(yǎng)土木工程專業(yè)學生

3、的專業(yè)技術(shù)能力和綜合素質(zhì)。相關(guān)領(lǐng)域所做的工作和特色：在鋼結(jié)構(gòu)設計方面，逐步發(fā)展高強度低合金鋼材，新增Q420鋼。鋼材質(zhì)輕，便于制造和安裝，良好、豐富的建筑藝術(shù)表現(xiàn)力使鋼結(jié)構(gòu)受到廣大建筑師的青睞。改進鋼結(jié)構(gòu)設計方法和結(jié)構(gòu)的革新是本領(lǐng)域今后值得研究的課題。項目切入點：大前提是有良好的鋼結(jié)構(gòu)基本原理理論知識。鋼結(jié)構(gòu)方案的選擇及截面估算：方案選擇是概念設計，即根據(jù)內(nèi)力進行迅速構(gòu)思，之后便是截面初步估算。主要是梁柱斷面尺寸的估算（柱按長細比估算，梁高跨度的一般比值）。構(gòu)件設計與節(jié)點設計：首先是材料選擇，其次是確定節(jié)點形式。前期概況：我們組抽到的單層平面鋼框架從結(jié)構(gòu)上說是一個靜定結(jié)構(gòu)，受集中荷載和均布荷載

4、的作用。我們組先進行了小組討論，分析課程研究項目說明書的內(nèi)容，然后進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力與結(jié)構(gòu)形式的分析，通過結(jié)構(gòu)各部件所受荷載形式分為軸壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件、壓彎構(gòu)件、鉸接柱腳、鉸接柱頭和剛接柱頭。根據(jù)組內(nèi)成員特點進行分工，各自就自己的內(nèi)容進行設計。之后小組討論成員進行成果展示，相互檢查，提出問題，進行修正。項目預期結(jié)果：通過設計，同學們對課本知識有更深入的理解，熟練了相關(guān)設計計算。組長嚴格控制進度和質(zhì)量，組員們團結(jié)合作、積極認真完成任務，最終項目圓滿成功。目 錄1、 結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖的計算2、 軸心受壓柱的設計3、 梁的設計4、 壓彎柱的設計5、 柱頭設計（左）6、 柱頭設計（右）7、 鉸接柱腳8、 剛性柱腳

5、九、心得體會1.結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖的計算對整體方程得：單獨考慮左邊柱： 圖1.1單獨考慮梁： 單獨考慮右邊柱： 聯(lián)立方程得： 圖1.2 受力分析圖圖1.3 彎矩圖圖1.4 軸力圖圖1.5 剪力圖2.軸心受壓柱的設計定柱的截面形式為熱軋H型鋼2.1初選截面如右圖所示由于熱軋H型鋼可以選用寬翼緣的形式，截面的寬度較大，因此長細比的假設值可適當減小，假設=60。對寬翼緣H型鋼，因b/H>0.8,所以無論對X軸還是Y軸都屬于b類截面，查表得=0.807。所需的幾何量為：由附表選型鋼圖2.1 軸心受壓柱截面腹板的高度比,滿足構(gòu)造要求。2.2 截面驗算因截面無孔眼削弱，可不驗算強度。又因為熱軋H型鋼，亦可不

6、必驗算局部穩(wěn)定，只需進行驗算整體穩(wěn)定。因?qū)、Y軸均屬b類截面，故由長細比較大值查表得滿足整體穩(wěn)定3.梁的設計根據(jù)M圖計算，最大彎矩設計值：則截面模量：圖3.1 受彎梁截面根據(jù)附表7.2查得 選用HN350×175×7×11，其他參數(shù)： 由于型鋼截面翼緣和腹板厚度較大，不必驗算局部穩(wěn)定；端部無大的削弱時，也不必驗算剪應力。因此，只需進行整體穩(wěn)定的驗算：參數(shù)：等效彎矩系數(shù)：Y軸的長細比：整體穩(wěn)定系數(shù)：整體穩(wěn)定滿足4.壓彎柱的設計柱所承受的最大軸力和彎矩分別為 試選熱軋H型鋼 4.1截面幾何特性 4.2驗算強度4.3驗算彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定 b類截面，查表得 4.4驗

7、算彎矩作用平面外的穩(wěn)定 b類截面，查表得 圖4.1 壓彎柱截面4.5局部穩(wěn)定驗算由于是熱軋型鋼，因此不需要驗算局部穩(wěn)定。5.柱頭設計（左）H形截面柱采用HW 175×175×7.5×11H形截面梁采用HN 350×175×7×11梁柱、頂板、突緣及加勁肋均采用Q235鋼連接點不受彎矩，采用鉸接5.1梁端設置加勁肋，梁端加勁肋尺寸375×50×10，采用=6mm，計算長度 滿足要求 滿足要求因此，梁端加勁肋尺寸為375×50×105.2柱端設置加勁肋 a=80mm 計算長度 彎矩：彎矩引起的應力：

8、剪力引起的應力： 圖5.1 柱頭左截面焊縫的強度： 滿足要求 滿足要求因此，柱端加勁肋尺寸為262×80×10螺栓采用（粗制） 頂板尺寸 185×185×18 墊板尺寸 185×50×10 6.柱頭設計（右）H形截面柱采用HN (r=9) H形截面梁采用HN (r=13)梁、柱、頂板、突緣及加勁肋均采用Q235鋼6.1梁端設置加勁肋取 t=10mm h=370 b=150梁與加勁肋焊縫尺寸 計算長度 剪力引起的應力：6.2柱端設置加勁肋計算長度設為 a=80 剪力引起的應力： 滿足要求彎矩：彎矩引起的應力：焊縫強度計算： 滿足要求因此

9、，柱端加勁肋尺寸為100×80×10圖6.1 柱頭（右）螺栓采用 (粗制） 頂板尺寸 墊板尺寸圖6.1 柱頭右截面7.鉸接柱腳設計軸心壓力設計值為，選柱腳鋼材為鋼，焊條為型。基礎混凝土采用C15，其抗壓強度設計值。7.1底板尺寸需要的底板凈面積：采用寬為295mm，長為400mm的底板，毛面積為，減去錨栓孔面積（約為），大于所需凈面積。基礎對底板的壓應力為：底板的區(qū)格有四種，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4.7，區(qū)格為三邊支承板，,查表4.8，區(qū)格為懸臂部分，區(qū)格與區(qū)格數(shù)據(jù)相同，這四種區(qū)格的彎矩值相差不大，不必調(diào)整底板平面尺寸和隔板位置。最大彎矩為：。底

10、板厚度：7.2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（僅考慮外側(cè)一條焊縫）為正面角焊縫，。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為：設求焊縫長度（即隔板高度）：取隔板高100mm，設隔板厚度。驗算隔板抗剪抗彎強度：7.3靴梁計算 靴梁與柱身的連接（4條焊縫），按承受柱的壓力計算，此焊縫為側(cè)面角焊縫，設，求其長度，取靴梁高200mm。靴梁作為支撐于柱邊的懸伸梁，設厚度，驗算其抗剪和抗彎強度靴梁與底板的連接焊縫和隔板與底板的連接焊縫傳遞全部柱的壓力，設焊縫的焊腳尺寸均為，所得的焊縫總計算長度應為：，顯然焊縫的實際計算總長度已超

11、過此值。柱腳與基礎的連接按構(gòu)造采用兩個20mm的錨栓。圖 7.1鉸接柱腳8.剛性柱腳設計選用整體式剛接柱腳 N=54KN M=24KN.M選柱腳鋼材為鋼，焊條為型。基礎混凝土采用C15，其抗壓強度設計值。8.1底板尺寸靴梁厚取t=10mm 底板寬B=150+10×2+30×2=230mm底板面積 底板長L取450MM實際應力兩者大小幾乎相等，因此可按均布荷載計算，取=0.52N/mm2四邊區(qū)格 b/a=130/71.5=1.8 查=0.095, M=0.095×0.52×71.5×71.5=252.5N.mm四邊區(qū)格 b/a=1.7 查 =0.

12、091,M=0.091×0.52×90×90=383.3N.mm三邊區(qū)格 b1/a1=0.33 查=0.03,M=0.03×0.52×150×150=360N.mm一邊區(qū)格 M=0.5×0.52×30×30=234N.mm所以板厚,取t=6mm。8.2靴梁與柱身間豎向焊縫計算取=10mm 取靴梁高度h=100mm8.3靴梁與底板的焊縫計算懸伸部分=0.22mm 柱身部分=0.14mm 因此取=6mm8.4靴梁強度計算支座最大剪力最大彎矩靴梁強度8.5隔板計算 取厚度t=10mm 隔板對底板荷載q=(50+

13、90/2)×0.52=49.4N/mm 隔板與底板焊縫 取=6mm 隔板與靴梁=6mm 隔板支座反力 焊縫長度 取隔板高度h=30mm 厚度取t=10mm 強度驗算： 8.6錨栓計算 本剛性柱腳的底板不受拉力， 故選420錨栓，鋼材Q235。圖8.1 剛性柱腳俯視圖圖8.2 剛性柱腳截面9.心得與體會徐耀：通過這次三級項目的學習和制作，我掌握了很多知識，并對鋼結(jié)構(gòu)有了更加徹底和充分的認識。本次三級項目采取以小組合作的方式分工分配任務進行，同時我負責剛接柱腳的設計與制作，在學習過程中，通過一步步的研究與分析，我逐步的掌握了關(guān)于剛接柱腳的相關(guān)知識，之后再結(jié)合實際情況和我們的設計要求，對剛

14、接柱腳進行了多次修改和完善。最后我將我的研究成果和小組成員進行分享和討論，大家都有了進一步的認識。與此同時，我也學習到了小組其他成員的分析內(nèi)容，對自身的知識進行了擴充。我認為這是一次非常有必要的項目活動，既鍛煉了課堂知識的活用，又培養(yǎng)了自己動手的實際能力。馬健：完成了這一次三級項目的，我想我不僅僅是獲得了關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的知識與技能，更重要的是我學到了一些做科研所必備的素質(zhì)，它們會對我以后的學習工作產(chǎn)生積極的影響。首先是團隊合作的精神，個人能力再強，他所懂得的，能做的都是有限的，通過團隊配合我們才能完成更艱難的任務，通過團隊配合才能取長補短，充實自我。我真正接觸與見識了這個科學的世界，使我對科研和創(chuàng)

15、新產(chǎn)生了好奇與興趣，而這些好奇與興趣必然引導我走向更高更遠的科學世界，并樂此不疲，我想這個才是對我影響最深遠的，也是對我最重要的。 候勝魯：做完三級項目后第一感覺，如獲重釋。在做三級項目的過程中，非常的無奈和焦急，因為沒有經(jīng)驗，沒有詳細的步驟，沒有準確的數(shù)據(jù)，沒有足夠的資料，掌握知識也不牢固，總之感覺困難重重。雖然現(xiàn)在三級項目勉強完成了，感覺還是有好多錯誤。有困難就會有收獲，三級項目確實增強了我們的動手能力，自我汲取知識的能力，和團隊合作的能力。人多力量的，我們組用了大量的時間一起討論研究，雖然分工，也會互相幫忙，相互討論。不過感覺教學改革，每科學科都做設計，時間緊，任務重，難免感覺做不好。

16、項彥：周老師布置的鋼結(jié)構(gòu)三級項目任務轉(zhuǎn)眼已經(jīng)接近尾聲了。對于大三的這次整體的課程改革，我個人覺得對學生還是有一定的幫助的。首先，通過這次大的項目，我們小組每個成員都學會了怎樣與其它成員更好地互相合作。這次三級項目，還讓我們把前期沒有太明白的課程弄得更加清晰、透徹。不管怎么樣，這樣的項目對于學生來說總體是利大于弊的。 李海星：通過這幾周和隊友們一起做鋼結(jié)構(gòu)三級項目，其中有無奈也有欣喜，不過幸好到最好成功完成了這次項目，對此我也有我自己的一些心得體會。首先是通過這個學會了和他人合作，大家知道如何分工，有困難時互相討論，才能一起把這個做好，不然單靠一個人是不可能完成的。然后就是通過這個項目也讓我對書中的知識了解的更深透，其實這個三級項目貫穿了整本書的知識，做完這個項目后，讓我對鋼結(jié)構(gòu)有了一個整體把握。最后也希望以后能再有這樣的討論，當然不能太緊，這次所有課程都做，大家都感覺壓力很大，有時為了趕進度難免有些地方做的不好，所以希望以后老師能協(xié)調(diào)布置。 楊肖：經(jīng)過幾周的準備我們完成了三級項目，以下是我的幾點體會。通過對一個簡單鋼架的設計