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HW1751757.511受弯构件：热轧型HN350175711压弯柱：热轧型HW2002008122.2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：01111pX32321114472)466(1)3262166(1EIEIEIEI323219717625.46298)64144064459643600(1)4364164593222163600(1EIEIEIEIp带入公式（1）得32321144729717625.46298IIIIX带入数据得，X1=669.94kN2.3轴心受压柱设计（1）选用热轧H型钢Q235计算长度cmlloyox45.359设λ=60（b类），查附表4.2，=0.807262.3810215807.01094.66923cmfNAcmliioxyx99.56045.359选用HW175×175×7.5×11cmicmicmAyx37.4,53.7,43.512（2）截面验算15025.8337.445.35915074.4753.745.359yx673.0:25.82,y得类截面，由值均属轴的byx2223/215/6.1931043.51673.01094.669mmNfmmNAN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6.0/5.0bmkN，则336107432156.01097.95mmfMWbxx（2）选用37.741117175350cmWHNx，，自重与假设相符截面421298091.6295.3cmIcmAcmixy，，（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2077.1350175116000111hbtl830.0077.113.069.0b15295.36001yyil求得稳定系数：6.0678.0235235354.41.115217.7413591.62152432083.02354.41432022212yyxybbfhtWAh654.0678.0282.007.1'b（4）整体稳定验算：fWMxb215197107.741654.01097.9536'x整体稳定满足（5）刚度验算：400146411012980102061060001097.9510436lvEIlMlvTxx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xil0所以cmlix67.21504000cmliy67.21504000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200×2003xyx4y4x2cm472cm02.5icm62.8icm1601cm4717,53.63WIIcmA，，，，mkNMkNN•==36.39,06.280根据64.14003.52666002.1301733221lIlIK查表6.7，得到17.1（1）验算强度：223623nxxxn/215/48.1231047205.11036.391053.631006.280mmNfmmNWMAN（2）验算弯矩平面内的稳定:15029.5462.840017.10xxil查表附表4.2，863.0xNEANE622322x2'x1098.329.541.11053.63102061.10.1mx22633623'/215/63.14197.8647.571098.31006.2808.011047205.11036.390.11053.63767.01006.2808.01mmNmmNNNMMANExxxxmxx（3）验算弯矩作用平面外稳定：15068.7902.5400y查附表4.2，696.0y0.1926.014400068.7907.12354400007.122yybf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0.1,0.1tx另236231/21536.15303.9033.6310472926.01069.391053.63696.01006.280mmNWMANxbxtxx（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：246230max/12.117881047171036.391053.631006.2802mmNhIMANxx246230min/96.28881047171036.391053.631006.2802mmNhIMANxx6.125.112.11796.2812.117maxminmax0腹板：68.712536.535.025.116235255.01622817600yxwfth翼缘：138124100tb2.6铰接柱头设计1、梁端设置支承加劲肋：mmfCy105235715（1）支承加劲肋在腹板平面外的稳定Z轴惯性矩424331094.85.8937.05.101215.172121cmcmIz235.42cmAcmAIizz53.143.253.148.320zihb类截面，查附表4.2得：φ=12223/215/51.161035.42110)60094.669(mmNfmmNAF（2）端部承压强度查附表1.1可知，2/325mmNfce23/325/98.19201751094.69mmNfmmNAFcecece（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，2/160mmNfwfmmthf4.872.12.11maxmmhmmthff8,8.6205.15.1min取223/160/16.19)16328(87.021094.697.02mmNfmmNlhFwfwf