《钢结构设计原理》课程设计指导书 （钢结构平台） 土木工程与建筑学院 《钢结构设计原理钢结构设计原理》设计原理》课程设计指导书 绪言 课程设计目的要求 《钢结构设计原理课程设计》是土木工程专业学生在学习《钢结构设计原理》课程后一个重要的综合实践性教学环节，目的是培养学生对钢结构的设计和应用能力。通过基本的设计训练，要求学生重点掌握结构内力计算、构件和节点设计及绘制钢结构施工图等专门知识，从而加深对钢结构设计原理基本理论和设计知识的认识，提高对所学知识的综合运用能力。 第一节《第一节《钢结构设计》钢结构设计》课程设计题目 一、设计题目 冶炼车间检修钢结构平台。 二、设计任务 要求每位同学在一周内完成指定的课程设计内容，并提供相应计算书、施工图纸及相关总结报告： 1）计算书 （1）平台铺板设计； （2）平台梁（次梁、主梁）设计； （3）平台柱设计； （4）连接（次梁与主梁、梁与柱和柱脚）设计。 2）画出平台平面布置图、平台主梁施工图（包括与次梁连接和与柱连接节点详图）、平台柱施工图（包括柱脚大样），要求： （1）标注尺寸，要全部注明板件的定位尺寸和孔洞位置等； （2）施工图上还应有文字说明，说明的内容包括钢材的钢号、焊条的型号、加工精度要求、焊缝质量要求、图中未注明的焊缝和螺栓孔的尺寸及防锈处理的要求等。 三、设计资料 某冶炼车间检修平台，平台使用钢材材质、平面尺寸、活荷载见《钢结构设计原理》课程设计任务书。不考虑水平向荷载。柱间支撑按构造设置。平台上三个有直径1 m检修洞口，位置不限。平台顶面标高为6m，平台下净空至少4m，梁柱铰接连接。平台平面内不考虑楼梯设置。 1第二节 钢结构平台设计钢结构平台设计 一、平台钢结构的组成和布置 1.1 平台钢平台钢结构的组成 平台钢结构通常由铺板、主次梁、柱、柱间支撑及梯子和栏杆组成，不同类型的平台组成的方式一般不同。 轻型平台钢结构因作用荷载较小，一般由轧制型钢梁和铺板用焊接或螺栓连接组成，也常用三脚架、吊架、支承托等直接支承在厂房及其他结构上；中型普通操作平台一般由平台主梁、平台次梁及平台铺板等组成，平台梁常采用轧制型钢，当跨度较大时，可采用焊接工字形梁；重型操作平台除活载作用外，还可能直接承受动力荷载，因此，这类平台钢结构通常由独立的柱网、主梁及铺板等组成。 1.2 平台钢结构的布置平台钢结构的布置要求 用于工业生产的平台机构，其结构布置一般（包括平台尺寸、标高、梁格及柱网布置等）应满足下列要求： （1）满足使用功能和生产工艺操作的要求，保证足够的通行和操作净空。一般通行净空高度不应小于1.8 m，宽度不宜小于0.9m，局部最小宽度不应小于0.6 m。 （2）满足受力性要求。平台钢结构铺板、梁、柱等应分别满足强度、稳定性和刚度的要求；对直接承受动力荷载的平台梁或平台桁架以及它们的连接，尚应满足疲劳强度的要求。 平台梁柱布置时应考虑将固定设备荷载、大直径工业管道的吊挂和其他较大的集中荷载直接作用在平台梁、柱上，力求传力路径直接、明确。 （3）满足经济性要求。应将平台的梁、板尽量直接支承于厂房柱、大型设备或其他结构上。另外，充分利用铺板的允许跨距合理布置梁格，平台钢结构的梁、柱应优先选用轧制型钢，并力求构件尺寸统一，以方便制造、运输和安装。 1.3 平台梁格的布置形式 钢结构平台通常由若干梁平行或交叉排列而成梁格。根据平台梁排列方式不同，梁格布置可分为下列三种类型： （1）单向梁格 这种梁格仅有主梁，适用于跨度较小的情况，一般采用型钢梁。 （2）双向梁格 这种梁格有主梁及一个方向的次梁，次梁由主梁支承，是最为常用的梁格形式。 （3）复式梁格 这种梁格除主梁和纵向次梁外，还有支承于纵向次梁的横向次梁。复式梁格荷载传递层次多，构造较复杂，应用较少，只适用于荷载重和主梁间距很大的情况。 21.4 平台钢结构的设计内容平台钢结构的设计内容和设计步骤 平台钢结构的设计内容和设计步骤如下： （1）平台钢结构布置：主要包括平台柱网布置、平台梁格布置、平台铺板布置和平台柱间支撑布置等。 （2）平台钢结构选型：主要包括选择平台铺板形式，选择平台主梁、次梁的截面形式，选择平台柱截面形式和选择平台柱间支撑布置形式等。 （3）确定平台构造形式：主要包括平台铺板与次梁、平台次梁与平台主梁、平台柱与平台主梁、平台柱与平台基础连接等的构造形式。 （4）确定平台钢结构各组成部分的计算模型：主要包括平台铺板、平台主（次）梁、平台柱和柱间支撑的计算模型。 （5）确定平台钢结构各组成部分的计算荷载。 （6）截面设计和验算：主要包括平台铺板、平台主梁和次梁、平台柱、柱间支撑、平台柱柱头和柱脚的设计等。 二、平台钢结构的荷载 平台钢结构作用的荷载取决于平台构造和使用要求，一般包括平台钢结构构件自重、平台活荷载、设备荷载等。对室外平台，还应考虑风荷载、雪荷载的作用。对于设有一般动力设备或机动车的平台钢结构，其动力影响可采用将设备荷载或车辆荷载乘以动力系数后，按静力荷载计算，动力系数一般可取1.1～l.3。对于受有较大动力设备和机械车辆荷载，或有特殊要求的平台钢结构，必要时应按有关的专门规范和规定进行动力计算。 对轻型平台，如人行走道、单轨吊车、检修平台的活荷载，可按均布活荷载考虑，活荷载标准值可取为2.0 kN/m2；对中型普通操作平台，如一般工艺或设备检修平台，或有小型设备及少量堆料的操作平台，活荷载的标准值可取为4.0～8.0 kN/m2；对重型操作平台，如高炉炉顶平台、炼钢车问操作平台、铸锭平台、轧钢车间均热炉平台、电炉操作平台及有行车或振动荷载的平台等，活荷载标准值一般在10.0 kN/m2以上，通常由工艺设计人员提供。对平台上检修、安装时的堆料活荷载，应根据实际情况合理分区考虑。另外，在计算平炉、转炉或其他类似车间的工作平台时，由堆积检修材料所产生的荷载可乘以下列系数予以折减：对主梁，取0.85；对柱和基础，取0.75。 平台铺板作用的使用荷载，一般由铺板传递给次鬃，再由次梁以集中荷载形式传递给主架，由主梁通过柱头、柱身和柱脚最后传递给基础。因此，平台铺板、梁、柱构件设计时，通常应根据平台钢结构构件形式计算： （1）平台铺板自重和平台铺板的使用荷载； （2）平台铺板传给平台次梁的分布荷载； （3）平台次梁传给平台主梁的集中荷载； （4）平台主梁传给平台柱的荷载。 3 平台柱间支撑主要承受平台钢结构的纵横向水平荷载，设计支撑时一般应考虑横向风荷载、水平刹车荷载和由固定设备、管道推力等产生的其他水平荷载。位于地震区的平台钢结构，还应验算地震作用对平台柱间支撑系统所产生的影响。 三、平台钢结构构件设计 3.1平台铺板设计 3.1.1 平台铺板的构造与要求 平台铺板支承于平台次梁，根据构造形式可将其分为轻型钢平台铺板（又可分为花纹平台钢板、带肋平台钢板及电焊花纹平台钢板等）、钢筋混凝土预制平台铺板、压型钢板与钢筋混凝上组合平台铺板、钢网格平台铺板等。不同形式的平台铺板计算方法不同，但都必须符合相应的强度和刚度的要求，如对轻型钢平台铺板，铺板厚度t不宜小于6 mm，铺板净跨度l不宜大于(120～150)t，铺板挠度不宜大于l/150。 轻型钢平台铺板可分为无肋和有肋两种形式。无肋铺板宜按构造配置加劲肋，相邻肋中心间距一般取100t（t为铺板厚度）与短跨度2～2.5倍的较小值。有肋铺板常用高度不小于60 mm、厚度不小于5 mm的扁钢或不小于L45×4或L56×36×4的角钢作肋板，不等肢角钢应将长肢与铺板焊接。加劲肋计算截面（图2）的挠度不应大于l/250。 3.1.2 轻型钢平台铺板的计算 平台铺板一般均按承受均布荷载计算。轻型钢平台铺板按有肋和无肋铺板计算，其中仅按构造配置加劲肋的铺板，也按无肋铺板计算。 （1）无肋平台铺板设计不考虑板中存在拉力时，一般可按仅受弯矩的简支单向受弯板计算，对大面积三跨或三跨以上的连续钢铺板，可按连续板计算，其最大弯矩Mmax、应力σ和最大挠度vmax可分别按下式计算： Mmax=αql2 （1） σ=vmax6Mmax≤f （2） 2tqkl4=β3≤[v] （3） Et式中 q、qk—单位宽度板条上（包括自重）的荷载设计值和荷载标准值； l、t一平台铺板的跨度和厚度； E、f一平台铺板材料的弹性模量和设计强度； α、β一系数，对单跨简支或双跨连续板，可取α=0.125，β=0.156；对三跨或三跨以上连续板，可取α=0.1，β=0.11。 （2）有肋铺板（图1）设计时，可分别计算平板和加劲肋。 4 图1 有加劲肋平台铺板 ①平板计算 将加劲肋视为平板的支承，当平板跨度b与加劲肋间距a之比b/a≤2.0 在进行平板计算时，时，可按四边简支的双向板计算。在均布荷载作用下，四边简支双向板的最大弯矩、强度和挠度可分别按下列公式计算： Mx=β1qa2 (4) My=β2qa2 (5) σmax=6Mmax≤f (6) 2γxtvmaxqka4=β3≤[v] (7) Et3式中：a—四边简支板短边方向的跨度；t—铺板厚度；q、qk—板单位宽度上均布荷载（包括自重）设计值和标准值；Mx、My—四边简支板分别在x和y方向的弯矩；Mmax—Mx、My中的较大者；σmax—平台铺板截面上的最大应力；γx—截面塑性发展系数，取1.2；β1、β2、β3—系数，由表1查得。 当平台铺板跨度b与加劲肋间距a之比b/a>2.0时，应按两端简支单跨板或连续单向板计算，计算公式与无肋铺板相同。 ②加劲肋计算 加劲肋可按两端支承于平台梁上的简支梁计算其强度和挠度，计算荷载应取两加劲肋之间范围的总荷载，计算截面按加劲肋和每侧各15t（t为铺板厚度）的宽度参与截面共同工作考虑。用扁钢和角钢作加劲肋的计算截面如图2所示。加劲肋的计算跨度l0= l1+l2，如图3所示。 5 图2 加劲肋的计算截面 图3 加劲肋的计算跨度 表1 四边简支无肋铺板的弯矩和挠度计算系数 3.2平台次梁平台次梁设计 平台次梁常设计成简支梁，为减小内力和变形，有时还可设计成连续梁。平台次梁主要承受平台铺板传来的均布荷载，一般可采用轧制型钢梁。其中，工字形截面钢梁为双轴对称截面，受力性能好，应用也最广泛。槽钢截面梁单轴对称，在横向荷载作用下易产生扭转，故一般仅用于平台的边梁。平台次梁的容许挠度值可取为l/250（l为平台次梁的跨度）。 平台次梁的整体稳定一般可通过与刚性铺板牢固连接来保证，而由截面抗弯强度控制设计。通常根据次梁上作用的荷载和支座支承情况计算其最大弯矩，再根据所选用材料的抗弯强度设计值，求出所需净截面抵抗矩．直接在型钢表中选择合适的型钢号；然后验算选定型钢梁截面的强度、刚度和整体稳定。如果有必要，可重选截面，再重复以上步骤，直到满意为止。由于型钢截面翼缘和腹板都比较厚，其宽厚比和高厚比一般均能满足局部稳定的要求，可不必验算型钢梁的局部稳定。另外，端部无较大削弱时，一般可不必验算抗剪强度。而局部压应力也只有在较大集中荷载或支座反力处才验算。 63.3平台主梁平台主梁设计 平台主梁主要承受平台次梁传来的集中荷载，根据荷载及跨度大小，其一般可采用轧制工字钢、H型钢和焊接工字钢等截面形式。平台主梁的容许挠度值为l/600～l/250，一般常取l/400（l为平台主梁的跨度）。 焊接工字形截面组合梁由三块钢板拼焊而成，其截面设计内容和步骤主要包括：估算梁截面的高度，确定腹板的厚度和翼缘的尺寸，再根据选定的截面验算梁的强度、稳定和刚度。 3.4平台柱设计 平台柱一般宜设计成等截面实腹柱，当平台柱高度较大或作用荷载较大时，也可采用格构式柱。平台柱截面形式应根据荷载大小、连接和制造条件，材料供应和柱子高度等因素确定，一般应选用双轴对称截面。对实腹柱，常用截面有轧制工字钢、H型钢、焊接H形组合截面、圆钢管和组合型钢管等。对格构式柱，常用截面有两根工字钢或两根槽钢组成的截面，以及由四个角钢或两个圆钢管组成的截面。 平台柱绕两主轴的长细比不应超过150，实际中应根据柱身高度及荷载大小选用，一般为60～100。 平台柱一般按轴心受压构件进行设计和验算。 3.5柱间支撑体系设计 3.5.1柱间支撑的布置与形式 未与厂房柱等承重结构相联系的独立平台或平台钢结构的独立部分，应在某些柱列设置柱间支撑。尤其当主梁与柱铰接时，必须布置纵向和横向柱间支撑以承受水平荷载，使整个平台钢结构成为空间稳定体系。支撑宜布置在柱列中部，这样可减少平台的温度应力，但因工艺的生产条件限制不能布置在柱列中间时，也可布置在端部。不同柱列的柱间支撑应尽可能设在同一开间。 柱间支撑常采用十字交叉形式，若交叉形式与使用要求有矛盾时，可采用门形支撑或在柱列设置连续隅撑，有时也采用横梁与柱刚接的框架形式。 3.5.2柱间支撑内力计算柱间支撑内力计算 柱间支撑主要承受平台钢结构的水平荷载，当同一柱列设有两道或两道以上的柱间支撑时，则全部纵向水平荷载由柱列所有支撑平均分担。计算柱间支撑内力时，可假定节点为铰接，并忽略偏心的影响。 对十字交叉支撑，一般假定其仅承受拉力而不承受压力，其计算简图如图4所示，支撑杆所受内力分别为： N1=H （8） N2= H （9） cosθ7 式中：H为平台柱柱间支撑承受的水平推力。 图4 十字交叉支撑 第三节、第三节、主要参考文献 主要参考文献 1.董军．钢结构基本原理．重庆大学出版社，2011 2.《钢结构设计手册》编辑委员会．钢结构设计手册（上册）．中国建筑工业出版社，2004 3.陈绍蕃 顾强主编．钢结构（上册 钢结构基础）．中国建筑工业出版社，2007 4.陈志华．建筑钢结构设计．天津大学出版社，2004 5.王肇明．建筑钢结构设计．同济大学出版社，2001 6.钢结构设计规范（GB50017-2003）．中国计划出版社，2003 7. 钢结构设计规范国家标准管理组．《钢结构设计计算示例》编制委员会．钢结构设计计算示例．中国计划出版社，2007 8