结构设计原理课程设计计算书

一、设计资料

某二层框架结构，柱网布置见附图1。底层层高，二层层高，基础顶面到室内距离，框架柱截面尺寸为，结构安全等级为二级，环境类别为一类。 面层做法：按江苏省标准图集苏    采用水磨石楼面(厚水磨石面层，水泥砂浆打底，荷载标准值取)；该楼盖无其它特殊要求。设计时按双向板楼盖设计。 

顶棚处理：厚混合砂浆抹灰,荷载标准值取。 

活载取值： 

材料选用：混凝土；梁内纵向受力钢筋采用，其余钢筋均采用。（，）

二、设计计算内容

1 确定结构平面布置图

2 板的设计（3.865标高楼板，弹性方法）

（1） 板的内力计算

（2） 强度计算

（3） 绘制配筋图

3. 次梁设计（3.865标高次梁，弹性方法）

（1） 内力计算

（2） 强度计算

（3） 绘制配筋图

4. 主梁设计  （3.865标高③轴主梁，弹性方法）

（1） 内力计算

（2） 强度计算

（3） 选配钢筋、绘制材料抵抗弯矩图及配筋图

三、设计过程

1. 结构平面布置图（见图1）

2. 楼板计算

（1）尺寸估算

① 由于主梁两端均与柱刚接，按弹性理论设计。主梁计算长度

查表,主梁，取；

宽度，取；

图1 楼盖结构平面布置图

② 由于次梁两端均与主梁整浇，按弹性理论设计。次梁中间跨计算长度；次梁边跨计算长度。

查表,次梁，取。

宽度，取。

③ 由于楼板两端均与主梁整浇，按弹性理论设计。计算跨度（C、D区隔），（A、B区隔），。各区板的计算跨度见表1。

查表，楼板，考虑到楼面活荷载比较大及其他影响，取。

（2）荷载计算

荷载标准值    

面层  水磨石楼面                                

结构层厚楼板                    

活载标准值                                    

荷载设计值

由可变荷载控制的组合    

由永久荷载控制的组合        

故荷载设计值由可变荷载效应控制，板内力计算时取

3）内力计算

双向板按弹性理论计算内力，在求各区板内最大弯矩时，按恒荷载满布及活荷载棋盘式布置，取荷载：

在作用下，各支座可视为固定，某些区隔板跨内最大正弯矩不在板的中心点处；在作用下，各区格板四周均可视为简支，跨内最大正弯矩则在板的中心点处，计算时可近似取二者之和作为跨内最大正弯矩值。

在求各中间支座最大负弯矩时，按恒荷载及活荷载均满布各区隔板计算，取荷载：        。

计算时，泊松比取，各区板的计算列于表1。

四周与梁整体连接的板区隔，计算所得的弯矩值，根据下列情况予以折减：中间跨的跨中截面及中间支座为；边跨的跨中截面以及从楼板边缘算起的第二支座截面：当时为，当时为时为。为垂直于楼板边缘方向的计算跨度，为沿楼板边缘方向的计算跨度。各区隔折减系数见表2。

（4）配筋计算

各跨中、支座弯矩已求得，即可近似按算出相应的钢筋面积。由于板的配筋率一般较低，故近似取内力臂系数。

截面有效高度的选定：跨中截面，短跨方向，长跨方向；支座截面近似取

。配筋计算见表2。

表1 各区隔板内力计算

根据荷载就近向板支承边传递的原则近似确定：从板区隔的四角分角线与平行于长边的中线相交，将每一区隔分为四块，每块小板上的荷载就近传递至支承梁上。因此，除梁自重（均布荷载）和直接作用在梁上的荷载（分布荷载或集中荷载）外，沿区隔板长边方向的支承梁（次梁）上荷载为梯形分布，短边方向的支承梁（主梁）上为三角形分布。

（1）荷载计算（中间梁）

板传来的恒载（梯形）

恒载标准值                        

活载标准值                        

次梁自重                             

粉刷层重                              

次梁及粉刷                                  

由可变荷载控制的组合

由永久荷载控制的组合

故荷载设计值由可变荷载效应控制。

对于边梁，计算方法同中间梁，设计时可以根据中间梁配筋，此方法是偏于安全的。

（2）计算简图

次梁计算简图见图2。

（3）内力计算

次梁按弹性理论计算内力，应该考虑活载的不利布置，板传来的恒载为梯形分布荷载，梁自重为均布荷载，分别按照梯形荷载和均布荷载可以直接查表得相应的系数，从而计算相应的最大最小内力，次梁最大弯矩计算结果见表3，次梁剪力计算结果见表4。

（4）正截面配筋计算

次梁跨中截面按T形截面进行受弯承载力计算。翼缘宽度边跨和跨中均按下面的较小值采用：，,故取。跨中截面按一排钢筋考虑，故取，翼缘厚度，支座截面按两排钢筋考虑，故取。

因，其值均大于跨中弯矩设计值的最大值，故各跨中截面均属于第一类T型截面。支座按矩形截面计算。次梁正截面受剪承载力计算结果见表5。

（5）次梁斜截面受剪承载力计算

次梁斜截面受剪承载力计算见表6。

（6）计算结果及次梁的构造要求，绘次梁配筋图，见大图。

表2 板正截面承载力计算

图2 次梁的计算简图

表3 次梁弯矩计算

表4 次梁剪力计算

（1）荷载计算

主梁荷载计算见表7。

（2）计算简图

（3）柱刚度为。梁的刚度为

。

 柱线刚度

 梁线刚度

边节点，中间点

，查表可知，按等跨简支连续梁计算内力。

主梁的计算简图见图3。

（3）内力计算

查表等跨连续梁内力计算系数表，主梁弯矩计算见表8。

（4）主梁正截面抗弯承载力计算

在正弯矩作用下，主梁跨中截面按T型截面配筋，边跨和中跨的翼缘宽度均按下面的较小值采用：，，故取；跨中截面按双排钢筋考虑，取。

因，其值大于跨中弯矩设计值的最大值，故各跨中截面均属于第一类T型截面。

主梁支座截面按矩形截面计算，由于支座处截面、板、次梁、主梁负筋相互交叠，使主梁的有效高度降低，故取。支座A内边缘及支座B截面弯矩按计算：

主梁正截面承载力计算结果见表10，主梁斜截面承载力计算结果见表11。

（5）主梁附加横向钢筋计算

由次梁传给主梁的集中荷载为

配附加箍筋的范围。先选2 C 18吊筋，则所需附加箍筋的截面面积为

取B 10@50双肢箍，则，故次梁两侧各布置三排附加箍筋。

（6）绘制主梁施工图

纵筋锚固长度，对于C 25钢筋，

。

关于支座钢筋的截断，根据中国建筑标准设计研究所出版的《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》（03G101-1）规定，梁支座上部纵筋的长度规定如下：第一排非通长筋从柱（梁）边起延伸到位置；第一排非通长筋从柱（梁）边起延伸到位置。的取值规定为：对于端支座，为本跨净跨；对于中间支座，为支座两边较大一跨的净跨值。

本设计净跨均为，第一排通长筋从柱边起延伸长度；第二排通长筋从柱边起延伸长度。

当梁端实际受到部分约束但按简支计算时，应在支座区上部位置纵向构造钢筋，其截面积不应小于渠跨中下部受力钢筋计算需要面积的四分之一，且不少于两根；该纵向构造钢筋自支座边缘向跨内伸出的长度不应小于，此处，为该跨的跨度。故支座上部直接延伸到端支座内。但端支座柱宽，该应延伸至节点对边向下弯折，其包含弯弧段在内的水平投影长度不应小于，包含弯弧段在内的竖直投影长度应为。故竖直段长。下部纵筋入柱内长度。根据计算结果及主梁计算要求，绘主梁配筋图，见之后附加大图。

图3 主梁计算简图

表7 主梁荷载计算表

1、设计资料

某钢结构工作平台，结构平面布置如图4所示，铺板采用预制钢筋混凝土平板，焊接于次梁上，次梁与主梁，主梁与柱均为铰接，柱与基础为刚性连接。平台均布恒荷载标准值（包括平台铺板自重）为,活荷载标准值为。钢材采用Q235B，焊条为E43型，手工焊接。平台基础顶面到平台铺板底部高度。结构安全等级为二级。

主梁GL2与次梁GL3平接，主梁GL2一端支承于中柱顶中，另一端支承于边柱侧（柱顶与梁顶部平齐），中柱采用格构式、边柱采用实腹式构件；次梁GL3采用型钢梁，主梁GL2采用组合梁。（，）

2、设计计算内容

1. 确定次梁和预制板的布置。（绘制平面布置图）

2. 平台梁的设计（绘制平台梁详图）

（1）次梁GL3的设计

（2）主梁GL2的设计

选择主梁（焊接组合梁）截面（截面可沿长度改变）；计算翼缘焊缝；设计加劲肋。

3.平台柱的设计（绘制边柱及中柱详图）

（1）边柱GZ3设计（实腹式：按压弯构件设计）

（2）中柱GZ4设计（格构式：按轴心受压构件设计）

图4 平台结构布置图

4.梁柱连接设计（绘制连接详图）

（1）主梁GL2与边柱GZ3的连接设计

（2）主梁GL2与次梁GL3的连接设计

3、设计过程

1. 次梁GL3的设计

（1）荷载及内力（暂不计次梁自重）

次梁GL3为跨度的两端简支梁。

恒载标准值    

活载标准值    

总荷载标准值    

总荷载设计值：

由永久荷载效应控制的组合    

由可变荷载效应控制的组合    

故总荷载设计值由可变荷载效应控制，次梁内力计算时取

最大弯矩标准值    

最大弯矩设计值    

最大剪力设计值    

（2）试选截面

设次梁自重引起的弯矩为（估计值）。因次梁上铺钢筋混凝土平台板并与之相焊接，故不必计算整体稳定性。截面将由抗弯强度确定，设翼缘厚度大于，取,则需要的抵抗矩为

均布荷载作用下简支梁的挠度条件为

需要的惯性矩为

按需要的和查型钢表，选用热轧普通工字钢，有关参数如下：

                    ， 

（3）截面强度验算（计入次梁自重）

弯矩设计值        

剪力设计值        

弯曲应力    

（满足要求）

剪应力        

（满足要求）

（4）截面刚度验算（挠度验算）

因提供的（需要值），故挠度条件必然满足。

2 主梁GL2设计

（1）内力计算（暂不计主梁自重）

由于柱截面尺寸未确定，为计算简便，偏安全地取轴线距离为跨度。故，主梁GL2为跨度的两端简支梁。

次梁传给主梁的集中力标准值    

次梁传给主梁的集中力设计值

由可变荷载效应控制： 

由永久荷载效应控制： 

故取

最大弯矩设计值    

最大剪力设计值    

（2）试选截面

需要的截面抵抗矩为（假定翼缘厚度超过，取）

① 腹板高度

梁的最小高度：

根据主梁刚度要求，由梁的最小高跨比计算公式得        

梁的经济高度：

故取腹板高度

② 腹板厚度（假定腹板厚度不超过，取）

故取腹板厚度

所需翼缘面积为

通常翼缘；不必计算整体稳定性的要求为：（受压上翼缘自由长度）；构造及放置面板的要求为；放置加劲肋的要求；取上下翼缘宽度相同。综合以各上因素，确定取

，，满足要求。

受压翼缘自由外伸宽度与厚度之比。因此，受压翼缘的局部稳定得到保证。

（3）截面验算

① 内力计算

梁的截面积        

梁的单位长度自重    

（a）计算简图（未考虑自重）              图6 主梁截面尺寸

（b）计算简图（计入自重）

（c）弯矩图（）

（d）剪力图（）

图5 计算简图及内力图

取自重分项系数为，考虑构造系数，则：自重设计值

最大弯矩为

最大剪力为

② 截面特性

③ 强度验算

弯曲应力    

（满足要求）

剪切应力    

（满足要求）

折算应力（跨度中点处）

折算应力（离支座处）

故梁的截面强度满足要求。

（4）整体稳定验算

次梁可以作为主梁的侧向支承，主梁受压翼缘自由长度，受压翼缘宽度，则，故梁的整体稳定不必进行验算。

（5）梁的刚度验算

集中荷载标准值    

等效均布荷载标准值（构造系数）    

计算挠度时，不必考虑因翼缘宽度改变的影响，近似按下式计算

（满足要求）

（6）梁的截面改变

采用改变翼缘宽度的方法。取截面改变处离支座的距离，下面对截面改变处进行验算。

① 截面内力

变截面处的弯矩    

变截面处的剪力    

② 截面尺寸

需要的截面模量    

需要的翼缘面积    

取翼缘宽度为，厚度，则翼缘面积为

③ 截面参数    

， 

④ 稳定验算

受压翼缘外伸宽度与厚度之比，故受压翼缘的局部稳定满足要求。

⑤强度验算

弯曲应力    

（满足要求）

剪切应力    

（满足要求）

折算应力

故梁的截面改变处强度满足要求。

（7）翼缘和腹板的连接焊缝

采用直角角焊缝，所需焊缝的焊脚尺寸

构造要求， 

故取焊脚尺寸

（8）局部稳定验算

① 各区格的局部稳定验算

，应配置横向加劲肋，在支座处和每根次梁处（即集中    荷载处）设支承加劲肋，且加劲肋间距，满足构造要求。

梁承受静力荷载，按规范要求，宜考虑腹板屈曲后强度。但为了节省钢材，已将梁设计成了沿跨度为变截面，若考虑腹板屈曲后强度，变截面处可能会不满足承载力要求，故本设计不考虑腹板屈曲后强度。

区格Ⅰ

用于腹板受弯计算时通用高厚比为

用于腹板受剪计算时通用高厚比为

次梁连接于主梁的加劲肋上，估腹板计算高度边缘的局部压应力。

支座附近区格Ⅰ的平均弯矩和平均剪力为：

平均弯矩在腹板计算高度边缘的弯曲应力

平均剪力在腹板计算高度边缘的剪切应力

（满足要求）

区格Ⅱ

用于腹板受弯计算时通用高厚比为

用于腹板受剪计算时通用高厚比为

次梁连接于主梁的加劲肋上，估腹板计算高度边缘的局部压应力。

支座附近区格Ⅱ的平均弯矩和平均剪力为：

平均弯矩在腹板计算高度边缘的弯曲应力

平均剪力在腹板计算高度边缘的剪切应力

（满足要求）

区格Ⅲ

用于腹板受弯计算时通用高厚比为

用于腹板受剪计算时通用高厚比为

次梁连接于主梁的加劲肋上，估腹板计算高度边缘的局部压应力。

支座附近区格Ⅲ的平均弯矩和平均剪力为：

平均弯矩在腹板计算高度边缘的弯曲应力

平均剪力在腹板计算高度边缘的剪切应力

② 中间加劲肋（横向）

截面估算

宽度

厚度，取

焊缝： 

，取

③ 支座加劲肋

支座反力

根据端部承压条件： 

得，取

支座加劲肋采用，有关参数如下：

, (b类截面)

加劲肋在腹板平面外的稳定性

（满足要求）

支座加劲肋与腹板的连接焊缝

，取

(满足要求)

3 边柱GZ3的设计

（1）初选截面

按轴心受压构件设计初步选取截面尺寸。柱GZ3一端铰接，一端刚接，侧面半柱高处设柱间支撑。计算高度； 

边次梁GL3线荷载    

GL3传到GZ3顶的轴力设计值    

GL2传到GZ3侧的轴力设计值    

轴向力的合力设计值    

采用工字型组合截面柱，翼缘为轧制边。按轴心受压估算截面尺寸，但实际为偏心受压，故取增大系数。按照式和式，当取，时，。当取，时，，所以取，查表（C类），所需截面面积为：

按稳定性要求

按经济性要求

二者相差较小，而且前者比后者略大，截面符合要求。故取，则，取；高度应满足，取，腹板厚度。

取，，，。

则截面的几何特性为：

                图7 边柱截面尺寸

（2）强度验算

偏心距        

偏心弯矩    

(满足要求)

（3）弯矩作用平面内稳定性验算

，查表，b类截面， 

（满足要求）

（4）弯矩作用平面外稳定性验算

；查表，b类截面， 

，取

（满足要求）

（5）局部稳定验算

腹板：

翼缘： 

局部稳定满足要求。

4 中柱GZ4的设计

（1）初选截面

① 分肢截面（对实轴计算）

中柱采用格构式柱，按轴心受压构件设计

轴力，一端铰接，一端刚接    

假定，查得

所需截面面积    

所需回转半径    

分肢采用一对槽钢翼缘内向，选用，则截面特性为

② 分肢间距

采用缀条式，柱内力偏大。缀条采用角钢，两缀条面内斜缀条毛截面面积之和。

按等稳定原则，得

解得

采用，实际

两槽钢翼缘间净距

（2）稳定性验算（绕实轴）

，查表得

（满足要求）

（3）稳定性验算（绕虚轴）

（满足要求）

， 

如采用人字式单斜缀条体系，，交汇于分肢槽钢边线，则

，取

满足要求，不必验算分肢稳定和强度。槽钢为轧制型钢，也无需验算分肢局部稳定。

（4）缀条设计

① 柱的剪力

每个缀条面剪力

缀条采用，， 

采用人字式单斜缀条体系，，分肢

斜缀条长度

② 稳定性验算

一根缀条内力

缀条。b类截面， 

单面连接等边角钢按轴心受压计算稳定性时，强度折减系数

（满足要求）

③ 缀条连接

单面连接等边角钢按轴心受压计算连接时，强度设计值折减系数

缀条焊缝采用角焊缝，肢背

按构造要求，肢背和肢尖焊缝均用，，则

（4）横隔设计

柱截面最大宽度为，横隔间距和。柱高，上下两端柱头、柱脚处以及中间三等分点处设置钢板横隔，与斜缀条节点配合设置。

5 连接设计

（1）主梁与次梁的连接设计

次梁的支座反力

采用高强螺栓摩擦性平接法连接，高强螺栓采用，级，孔径为，安装时喷无机富锌烯。

一个螺栓的抗剪承载力设计值

所需的螺栓的数量（考虑连接处的约束作用，取次梁支座反力增大系数）

取

螺栓排列如图所示，螺栓间距，端距及边距均满足容许间距的要求。

次梁抗剪强度验算（削弱后）

稍偏于安全，验算近似按下式

（2）主梁与边柱GZ3的连接

梁支承于边柱侧，可先根据构造及经验初步布置，构造图如图所示，

承托板传递全部剪力，螺栓为安全螺栓。

承托板尺寸为。由于剪力较大，承托板与翼缘连续角焊缝采用三面围焊，取焊脚尺寸。

正面角焊缝所承担的内力

侧面角焊缝强度（考虑剪力对承托与柱翼缘连接角焊缝的偏心影响，取增大系数），根据

得

，取。