钢结构课程设计实例

钢结构课程设计实例一、工程概况某沿海地区欲建一座三层的综合楼，一、二层为商场，一层层高为4.5米，二层层高为5米，三层为办公用房，层高为3.9米。房屋建筑所在地的设计资料如下：该地在无震区，不考虑抗震设计，基本雪压为0.3KN/m2,基本风压为200.6/KNmω=，地面粗糙度为B类，土壤昀大冰冻深度0.8米。二、结构布置及计算简图根据房屋使用功能及建筑设计的要求，结构体系选为钢结构纯框架体系，钢框架边柱、中柱采用宽翼缘热轧H形型钢。次梁、纵向梁均采用工形型钢截面，框架梁采用焊接工形组合截面。钢材采用Q235-B*F钢。框架梁与柱采用刚接形式，采用栓焊拼接，翼缘为完全焊透的坡口对接焊缝连接，腹板采用10.9级的摩擦性高强螺栓连接，接触面为喷砂处理。次梁与框架梁连接采用铰接形式。柱运输单元划分为两个单元，在二三层楼面间进行拼接。楼板为压型钢板现浇混凝土组合楼板，选用Q235钢，压型钢板型号为YX70-200-600，其上浇80mm厚的C20混凝土。柱脚采用露出整体式柱脚，柱下为钢筋混凝土独立基础。梁柱布置：纵向总共有5榀框架，框架共分三跨，第一跨跨度为8.4m,横向每隔2.1m布置一道次梁，第二、三跨跨度为7.2m。横向每隔2.4m布置一道次梁。梁柱布置如图1所示：9000900090009000360007200720084002280012345ABCD图1梁柱布置图底层计算高度为4.5+0.8=5.3（m）（0.8米为预估室内地坪至柱脚底板底面的高度），二层为5m,三层为3.9m，结构的竖向布置如图2所示：72002280039005000530014200DCBA柱拼接处84007200图2结构竖向布置图三、荷载统计1、竖向荷载统计混凝土板平均厚度为80+21=101（mm）（21mm为梯形凹槽部分混凝土折算厚度）。荷载统计如下表所示：表1楼屋面荷载计算表荷载编号项目楼38（商场）楼38（办公）屋35（铺地缸砖）楼、屋面活荷载/（KN/m2）3.502.01.50楼、屋面做法/（KN/m2）1.751.752.5980+21厚现浇混凝土/（KN/m2）2.532.532.53YX70-200-600压型钢板/（KN/m2）0.190.190.19棚35顶棚做法/（KN/m2）0.200.200.20活荷载标准值/（KN/m2）3.502.01.50恒荷载标准值/（KN/m2）4.674.675.512、水平荷载统计水平方向承受风荷载作用，基本风压200.6/KNmω=，1zμ=，查荷载规范，体型系数，迎风面0.8sμ=，背风面0.5sμ=−，方向相同。风振系数1zzzϕξυβμ=+其中zzHϕ=取昀大值1，脉动增大系数1.57ξ=，脉动影响系数0.43υ=11.570.43111.6751zzzϕξυβμ××=+=+=所以水平方向风的均布荷载迎风面：201.67510.80.60.8/kzszKNmωβμμω==×××=背风面：201.67510.50.60.5/kzszKNmωβμμω==×××=框架一侧水平均布荷载：12()1.3911.7/kkkqLLKNmωωω=×=+×=×=将均布荷载简化到楼层集中荷载有：第三层：33.911.720.672FKN=×=第二层：23.9511.747.172FKN+=×=第一层：155.311.754.592FKN+=×=图3水平荷载布置四、构件截面尺寸初步选择初步选定的梁柱截面尺寸及其截面几何特性如表2所示：表2梁柱截面尺寸及其截面几何特性表截面尺寸/mm项目Hbtwthw截面面积A/mm2Ix/X108mm4自重g/(N/m)边柱（1-3层）3943981118358183005.4891440.6中柱（1-3层）4004001321358215006.5361685.6框架梁（1、3层第一跨）6503008166181450011.221140.0框架梁（1、3层二、三跨）600300814572129768.45871081框架梁（2层第一跨）650250814622120008.684940.9框架梁（2层第二、三跨）600250814572115767.258909纵向梁（1-3层）55025061252691565.07747次梁（1-3层）45020091442293983.326749.7五、梁、柱的线刚度计算1、梁线刚度钢框架结构中，考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同作用，在计算梁线刚度时，对中框架梁取01.5bbIkEl=;对边框架梁取01.2bbIkEl=。图4梁柱截面尺寸示意图HwHtwBt以底层第一跨框架梁为例，梁的惯性矩为：8411.2210bImm=×，854011.22101.21.22.06103.3108400bbIkEkNml×==×××=×⋅其余梁线刚度计算同上。.表3梁的线刚度汇总表第一跨第二跨第三跨梁的位置1，3层2层1，3层2层1，3层2层惯性矩X108mm411.228.6848.45877.2588.45877.258线刚度kbX104/（KN/m）3.32.563.633.172.902.542、柱线刚度以底层为例：边柱惯性矩：845.48910cImm=×中柱惯性矩：846.53610cImm=×边柱线刚度：8545.489102.06102.13105300ccIkEkNmh×==××=×⋅中柱线刚度：8546.536102.06102.54105300ccIkEkNmh×==××=×⋅其余柱线刚度计算方法同上。表4柱的线刚度汇总表惯性矩/×108mm4kb×104/（KN/m）柱的位置中柱边柱中柱边柱一层6.5365.4892.542.13二层6.5365.4892.692.26三层6.5365.4893.452.9六、水平荷载作用下内力及侧移计算1.内力计算（D值法）1.1D值计算D值是使两端固定的柱上、下产生单位相对水平位移时需要在柱顶施加的水平力。以第三层第一跨柱为例A柱3.32.561.0122.92bckKk+===×∑0.33552KKα==+442212120.33552.9100.76810/3.9ckDkNmhα×××===×B柱3.32.563.633.171.79623.452bckKk+++===×∑0.4732KKα==+442212120.4733.45101.28710/3.9ckDkNmhα×××===×表5横向框架柱抗侧移刚度D值计算表(以三层为例)楼层柱位ck4/10kNm⋅bk∑4/10kNm⋅2bckKk=∑（底层：bckKk=∑）2KKα=+（底层：0.52KKα+=+层高m212ckDhα=4/10/kNm一层D值合计kb×104/（KN/m）A柱2.95.861.010.33550.768B柱3.4512.391.7960.4731.278C柱3.4512.241.7740.471.2793层D柱2.95.440.9380.3193.90.7304.064A柱2.95.861.2960.3930.427B柱3.4512.662.3530.5410.698C柱3.4512.242.2750.5320.6872层D柱2.95.441.2040.37650.4082.22A柱2.1303.3001.5490.5770.525B柱2.5406.9302.7280.6830.741C柱2.5406.5302.5710.6720.7291层D柱2.1302.9001.3620.5545.30.5042.51.2反弯点高度比计算(以三层为例)根据各层D值总和及各柱抗侧移刚度，依据D值法可求得反弯点高度比如下表：表6反弯点高度比表楼层柱位层间剪力/KN一层D值合计X104/（KN/m）D值kbX104/（KN/m）每柱剪力/KN层高（m）yy*h（m）柱底弯矩（KN*m）柱顶弯矩（KN*m）A柱0.7683.9060.4171.62636.3528.88B柱1.2786.5460.451.75511.48814.04C柱1.2796.5050.451.75511.4213.9533层D柱20.674.0640.7303.7133.90.4261.66146.1698.312A柱0.42713.0420.4192.09527.32237.886B柱0.69821.3360.4652.32549.60657.073C柱0.68721.0050.4502.25047.26057.7632层D柱67.842.220.40812.45850.4172.08525.97536.315A柱0.52525.7380.4162.20556.74779.664B柱0.74136.2940.4162.20580.021112.337C柱0.72935.7130.4502.38585.175104.1031层D柱122.432.50.50424.6855.30.4102.17353.64177.1911.3框架柱剪力及弯矩计算在水平荷载作用下，框架内力及位移可采用D值进行简化计算。以三层A柱为例：层间剪力20.67VkN=A柱剪力110.76820.673.9064.064DVkND==×=∑反弯点高度：y=0.417柱顶截面处弯矩为1()3.906(3.90.4173.9)8.88MVhyhkNm=−=×−×=⋅柱底截面处弯矩为13.9060.4173.96.352MVyhkNm==××=⋅1.4框架梁端弯矩、剪力及柱轴力计算以三层AB跨梁为例：3.38.8814.046.8683.33.63MkNmMkNm=⋅=×=⋅+左右，b8.88+6.868V1.853L8.4MMkN+===左右三层第一跨边柱的轴力：AbNV1.853kN=−=−其余的计算同上.内力图见下列各图：图5水平风荷载下框架弯矩图（单位：/KNM）图6水平风荷载下框架剪力图（单位；KN）图7水平风荷载下框架轴力图（单位；KN）2.水平荷载作用下的侧移计算三层层间侧移计算：4.064/ijDKNm=∑134320.670.00054.06410/MPiVKNmDKNmδ===×∑同理可以计算224267.840.00312.2210MPiVmDδ===×∑，1141122.430.00492.510MPiVmDδ===×∑从而一层侧移：110.0049MMmδΔ==二层侧移：2120.00490.00310.008MMMmδδΔ=+=+=三层侧移：31230.00050.00310.00490.0085MMMMmδδδΔ=++=++=表7侧移值表层数层间剪力(KN)层间刚度4/10kNm⋅层间位移（m）层高（m）框架水平侧移（m）3层20.67406400.00053.90.00852层67.84222000.003150.00361层122.43250000.00495.30.0005经校核，水平荷载作用下各层侧移值满足：11/0.0005/5.31/1106001/300MhΔ==22/0.0036/51/13891/300MhΔ==33/0.0085/3.91/4591/300MhΔ==，侧移值满足条件.七、竖向荷载作用下的内力计算1.竖向荷载统计一层荷载：恒载：4.67x1.2x9+0.747x9+1.14x1.2=58.38活载：3.5x1.2x9=37.8恒载：4.67x2.4x9+0.750x9+1.14x2.4=110.10活载：3.5x2.4x9=75.6恒载：4.67x2.4x9+0.750x9+1.14x2.4=110.10活载：3.5x2.4x9=75.6恒载：4.67x2.4x9+0.747x9+1.14x2.4=110.04活载：3.5x2.4x9=75.6恒载：4.67x2.4x9+0.750x9+1.14x2.4=110.10活载：3.5x2.4x9=75.6恒载：4.67x2.4x9+0.750x9+1.14x2.4=110.10活载：3.5x2.4x9=75.6恒载：4.67x(1.2