[钢结构设计原理]课程设计实例

《钢结构设计原理》课程设计

一、设计目的

1、巩固、提高、充实和运用所学的《钢结构》课程有关理论知识； 2、培养和锻炼独立工作能力及分析和解决实际问题的能力； 3、为将来毕业设计打下基础。

二、设计要求

必须符合钢结构设计规范GBJ17-88规定的有关设计公式及设计内容。

三、设计题目

按照表格中所给设计任务条件，进行简支钢板梁桥的主梁设计，截面都采用焊接双轴对称工型截面。

四、设计内容

包括主梁的截面选择、变截面设计、截面校核、翼缘焊缝计算、腹板加劲肋配置、支座处支承加劲肋设计等内容，并画出设计后的主梁构造图。

五、已知条件

跨度：15米 钢号：16Mn 焊条号：E50 恒荷载标准值：98kN

活载标准值：202kN 集中荷载个数：5个 集中荷载跨度C=2.5米

六、其它说明

1、恒、活荷载的分项系数分别为1.2、1.4；

2、表中恒荷载标准值包括主梁上的次梁自重，且集中荷载F是恒、活荷载通过次梁传到主梁上； 3、主梁自重估计值均为q4kN/m，且主梁钢板采用手工焊接； 4、主梁允许最大挠度值vT/l1/400； 5、主梁的截面建筑容许最大高度为2500mm。

七、设计过程

㈠主梁设计

1

主梁自重标准值qGK4kN/m，设计值为q1.24kN/m4.8kN/m。 则主梁最大剪力（支座处）为

5ql54.815

VmaxF400.4kN1037kN

2222

最大弯矩（跨中）为

Mmax

Rlql2F7.5F5F2.5282

1237.2154.815400.47.5

400.47.5kNm4639.5kNm282

2

采用焊接工字形组合截面梁，估计翼缘板厚度tf16mm，故抗弯强度设计值f295N/mm2。

Mx4639.5106

计算需要的截面模量为 Wxmm314978103mm3

xf1.05295

2、试选截面

⑴确定腹板高度h0

①建筑允许最大高度 hmax2500mm ②按刚度条件，梁的最小高度为

hmin

fl295

40015000mm1377mm 66

1.28510vT/l1.28510

③经济梁高，按经验公式

hce7x3001426mm 取梁的腹板高度为 h01400mm ⑵确定腹板厚度tw

Vmax1037103

①按抗剪要求腹板厚度为 tw1.21.2mm5.2mm

h0fv1400170②按经验公式 twh0/11

/11cm1.1cm

取腹板厚度 tw12mm

⑶确定翼缘尺寸

每个翼缘所需截面积为

Wxtwh01497810312140022

 Af mm7899mmh0661400

翼缘宽度为

bh/5～h/31400/5～1400/3mm280～467mm 取b320mm

翼缘厚度为 tAf/b7899/320mm24.7mm 取t26mm

tw12mm

3、截面验算

⑴梁的截面几何参数

hh02t1400226mm1452mm h1h02t/21400226/2mm1426mm

Ix

113

bh3btwh032145.2330.81403cm41120419cm4 12122I21120419Wxxcm315433cm3

h145.2



Atwh02bt1.21402322.6cm2344.4cm2

⑵强度验算

①验算抗弯强度

Mx4639.5106222

 N/mm286.3N/mmf295N/mm3

xWnx1.051543310

②验算抗剪强度

VmaxS103710332026713700123502

N/mm

Ixtw112041910412

68.4N/mm2fv170N/mm2

③主梁的支承处以及支承次梁处均配置支承加劲肋，故不验算局部承压强度（即c0）。 ④验算折算应力（腹板端部）

Mmaxh0/24639.51061400/222

1 N/mm290N/mm4

Ix112041910VS1200.21033202671322

1 N/mm8.8N/mm4

Ixtw11204191012

则折算应力为

ZS131290238.82N/mm2290.4N/mm21.1f324.5N/mm2

⑶刚度验算

全部永久荷载与可变荷载的标准值在梁跨中产生的最大弯矩为

1

R5300300415kN930kN

2

2

2

9301541521 Mk3007.530053002.5.5kNm kNm34872825MklvT1 vT53487.5106150001



l1.348EIx1.3482.061051120419400104551l

4、变截面的设计

⑴变截面位置和端部截面尺寸

梁的截面在半跨内通常做一次改变，可以节约钢材，一般在距支座l/6处改变截面比较经济。 此处的弯矩 M2577.5kNm，剪力 V1025kN 变截面所需的翼缘宽度

M2577.5106

Wmm38.321106mm3

xf1.05295

3

btWhtwh0/6/h18.3211061452121400/6/14262mm23243mm2



3



2



令厚度t26mm不变，采用b200mm仍满足各项要求。

⑵变截面后强度验算

① 截面的几何参数

133Ixbhbtwh0

12

1200145232001214003mm48.03109mm412





2Ix28.03109

Wxmm31.106107mm3

h1452



S1bth1/2200261426/2mm33.71106mm3

h140014003h63

SS10tw03.7110612mm6.6510mm

2424

②变截面强度验算

a.验算抗弯强度

2577.5106222

N/mm221.9N/mmf295N/mm  1.051.106107

xWx

M

b.验算抗剪强度

VS10251036.65106222

N/mm70.7N/mmf170N/mm  v98.031012Ixtw

c.验算折算应力（腹板端部）

Mh0/22577.51061400/2N/mm2224.69N/mm2 198.0310Ix





VS110251033.7110622

1 N/mm39.46N/mm98.031012Ixtw



则折算应力为

ZS131224.692339.462N/mm2234.9N/mm21.1f324.5N/mm2

③变截面刚度验算

跨中有5个间距（C2.5m）相等的集中荷载Fk300kN,近似折算成均布荷载

qk

Fk300

44124kN/mm，变截面位置在距支座l/6处，即1/6。 C2.5

22

最大相对挠度为

vT5qkl3

l384EIX

I

3x13.2143

Ix

3

[1**********]1500010411

13.21343 9

3842.06105112041961048.03106

v11

T415l400

5、翼缘焊缝设计

⑴支座处

VmaxS110371033.71106

hfmm1.71mm

w1.48.031092001.4Ixff ⑵变截面处

VS1102510332026713

hfmm1.94mm w4

1.4Ixff1.4112041910200



对于手工焊 hfmin1.5max1.5267.65mm，采用 hf10mm。

㈡设计和布置其腹板加劲肋

h0/tw1400/12116.780235/fy66，并且h0/tw170235/fy140，应配置横向加劲肋。

按构造要求横向加劲肋的间距应为a0.5h00.51400mm700mm，

a2h021400mm2800mm。故在两个次梁与主梁连接处之间应增设一个横向加劲肋，加劲肋之间的间距取为a2000mm，加劲肋成对布置于腹板两侧，如图所示，

1、计算区格腹板的局部稳定



仅布置横向加劲肋，由于c0，故按公式

cr

1进行计算。 cr

2

2

2、临界应力计算

⑴cr的计算：由于主梁受压翼缘扭转受到约束

h/t

b0w

1771400/12345

0.7990.85

235177235



fy

则crf295N/mm2

⑵cr的计算：a/h02000/14001.41.0，故 s

h0/tw

5.344h0/a2

fy235



1400/12

415.3441400/20002



345

1.280.8 235

则cr10.59s0.8fv10.591.280.8170N/mm2121.856N/mm2 3、各区格计算

横向加劲肋采用对称布置，其尺寸为 外伸宽度为

bs

h014004040mm86.7mm

3030

取bs90mm。

厚度为 ts取ts6mm。

5、支座支承加劲肋的设计

①支座加劲肋的宽度为支座处翼缘的宽度bce200mm，则支座支承加劲肋采用200mm16mm ②支座支承加加劲肋计算，如图所示

bs90

mm6mm 1515

A1.62014.851.2cm249.82cm2

11

Ix1.620314.851.23cm41068.81cm4

1212

i 

I.81

cm4.63cm A49.82

h0140030.2 i4.6310

查表得0.935，（b类）

R1237.2103222

N/mm265.6N/mmf295N/mm2

A0.93549.8210 支座加劲肋端部刨平顶紧，其端部承压应力，得

R1237.2103

ceN/mm2386.6N/mm2fce400N/mm2

Ace16200 ③支座支承加劲肋与腹板用直角角焊缝连接，焊脚尺寸为

R1237.2103

hfmm3.16mm w

0.7214002000.7lwff hf1.5max1.526mm7.6mm 取hf8mm

《钢结构设计原理》课程设计

一、设计目的

1、巩固、提高、充实和运用所学的《钢结构》课程有关理论知识； 2、培养和锻炼独立工作能力及分析和解决实际问题的能力； 3、为将来毕业设计打下基础。

二、设计要求

必须符合钢结构设计规范GBJ17-88规定的有关设计公式及设计内容。

三、设计题目

按照表格中所给设计任务条件，进行简支钢板梁桥的主梁设计，截面都采用焊接双轴对称工型截面。

四、设计内容

包括主梁的截面选择、变截面设计、截面校核、翼缘焊缝计算、腹板加劲肋配置、支座处支承加劲肋设计等内容，并画出设计后的主梁构造图。

五、已知条件

跨度：15米 钢号：16Mn 焊条号：E50 恒荷载标准值：98kN

活载标准值：202kN 集中荷载个数：5个 集中荷载跨度C=2.5米

六、其它说明

1、恒、活荷载的分项系数分别为1.2、1.4；

2、表中恒荷载标准值包括主梁上的次梁自重，且集中荷载F是恒、活荷载通过次梁传到主梁上； 3、主梁自重估计值均为q4kN/m，且主梁钢板采用手工焊接； 4、主梁允许最大挠度值vT/l1/400； 5、主梁的截面建筑容许最大高度为2500mm。

七、设计过程

㈠主梁设计

1

主梁自重标准值qGK4kN/m，设计值为q1.24kN/m4.8kN/m。 则主梁最大剪力（支座处）为

5ql54.815

VmaxF400.4kN1037kN

2222

最大弯矩（跨中）为

Mmax

Rlql2F7.5F5F2.5282

1237.2154.815400.47.5

400.47.5kNm4639.5kNm282

2

采用焊接工字形组合截面梁，估计翼缘板厚度tf16mm，故抗弯强度设计值f295N/mm2。

Mx4639.5106

计算需要的截面模量为 Wxmm314978103mm3

xf1.05295

2、试选截面

⑴确定腹板高度h0

①建筑允许最大高度 hmax2500mm ②按刚度条件，梁的最小高度为

hmin

fl295

40015000mm1377mm 66

1.28510vT/l1.28510

③经济梁高，按经验公式

hce7x3001426mm 取梁的腹板高度为 h01400mm ⑵确定腹板厚度tw

Vmax1037103

①按抗剪要求腹板厚度为 tw1.21.2mm5.2mm

h0fv1400170②按经验公式 twh0/11

/11cm1.1cm

取腹板厚度 tw12mm

⑶确定翼缘尺寸

每个翼缘所需截面积为

Wxtwh01497810312140022

 Af mm7899mmh0661400

翼缘宽度为

bh/5～h/31400/5～1400/3mm280～467mm 取b320mm

翼缘厚度为 tAf/b7899/320mm24.7mm 取t26mm

tw12mm

3、截面验算

⑴梁的截面几何参数

hh02t1400226mm1452mm h1h02t/21400226/2mm1426mm

Ix

113

bh3btwh032145.2330.81403cm41120419cm4 12122I21120419Wxxcm315433cm3

h145.2



Atwh02bt1.21402322.6cm2344.4cm2

⑵强度验算

①验算抗弯强度

Mx4639.5106222

 N/mm286.3N/mmf295N/mm3

xWnx1.051543310

②验算抗剪强度

VmaxS103710332026713700123502

N/mm

Ixtw112041910412

68.4N/mm2fv170N/mm2

③主梁的支承处以及支承次梁处均配置支承加劲肋，故不验算局部承压强度（即c0）。 ④验算折算应力（腹板端部）

Mmaxh0/24639.51061400/222

1 N/mm290N/mm4

Ix112041910VS1200.21033202671322

1 N/mm8.8N/mm4

Ixtw11204191012

则折算应力为

ZS131290238.82N/mm2290.4N/mm21.1f324.5N/mm2

⑶刚度验算

全部永久荷载与可变荷载的标准值在梁跨中产生的最大弯矩为

1

R5300300415kN930kN

2

2

2

9301541521 Mk3007.530053002.5.5kNm kNm34872825MklvT1 vT53487.5106150001



l1.348EIx1.3482.061051120419400104551l

4、变截面的设计

⑴变截面位置和端部截面尺寸

梁的截面在半跨内通常做一次改变，可以节约钢材，一般在距支座l/6处改变截面比较经济。 此处的弯矩 M2577.5kNm，剪力 V1025kN 变截面所需的翼缘宽度

M2577.5106

Wmm38.321106mm3

xf1.05295

3

btWhtwh0/6/h18.3211061452121400/6/14262mm23243mm2



3



2



令厚度t26mm不变，采用b200mm仍满足各项要求。

⑵变截面后强度验算

① 截面的几何参数

133Ixbhbtwh0

12

1200145232001214003mm48.03109mm412





2Ix28.03109

Wxmm31.106107mm3

h1452



S1bth1/2200261426/2mm33.71106mm3

h140014003h63

SS10tw03.7110612mm6.6510mm

2424

②变截面强度验算

a.验算抗弯强度

2577.5106222

N/mm221.9N/mmf295N/mm  1.051.106107

xWx

M

b.验算抗剪强度

VS10251036.65106222

N/mm70.7N/mmf170N/mm  v98.031012Ixtw

c.验算折算应力（腹板端部）

Mh0/22577.51061400/2N/mm2224.69N/mm2 198.0310Ix





VS110251033.7110622

1 N/mm39.46N/mm98.031012Ixtw



则折算应力为

ZS131224.692339.462N/mm2234.9N/mm21.1f324.5N/mm2

③变截面刚度验算

跨中有5个间距（C2.5m）相等的集中荷载Fk300kN,近似折算成均布荷载

qk

Fk300

44124kN/mm，变截面位置在距支座l/6处，即1/6。 C2.5

22

最大相对挠度为

vT5qkl3

l384EIX

I

3x13.2143

Ix

3

[1**********]1500010411

13.21343 9

3842.06105112041961048.03106

v11

T415l400

5、翼缘焊缝设计

⑴支座处

VmaxS110371033.71106

hfmm1.71mm

w1.48.031092001.4Ixff ⑵变截面处

VS1102510332026713

hfmm1.94mm w4

1.4Ixff1.4112041910200



对于手工焊 hfmin1.5max1.5267.65mm，采用 hf10mm。

㈡设计和布置其腹板加劲肋

h0/tw1400/12116.780235/fy66，并且h0/tw170235/fy140，应配置横向加劲肋。

按构造要求横向加劲肋的间距应为a0.5h00.51400mm700mm，

a2h021400mm2800mm。故在两个次梁与主梁连接处之间应增设一个横向加劲肋，加劲肋之间的间距取为a2000mm，加劲肋成对布置于腹板两侧，如图所示，

1、计算区格腹板的局部稳定



仅布置横向加劲肋，由于c0，故按公式

cr

1进行计算。 cr

2

2

2、临界应力计算

⑴cr的计算：由于主梁受压翼缘扭转受到约束

h/t

b0w

1771400/12345

0.7990.85

235177235



fy

则crf295N/mm2

⑵cr的计算：a/h02000/14001.41.0，故 s

h0/tw

5.344h0/a2

fy235



1400/12

415.3441400/20002



345

1.280.8 235

则cr10.59s0.8fv10.591.280.8170N/mm2121.856N/mm2 3、各区格计算

横向加劲肋采用对称布置，其尺寸为 外伸宽度为

bs

h014004040mm86.7mm

3030

取bs90mm。

厚度为 ts取ts6mm。

5、支座支承加劲肋的设计

①支座加劲肋的宽度为支座处翼缘的宽度bce200mm，则支座支承加劲肋采用200mm16mm ②支座支承加加劲肋计算，如图所示

bs90

mm6mm 1515

A1.62014.851.2cm249.82cm2

11

Ix1.620314.851.23cm41068.81cm4

1212

i 

I.81

cm4.63cm A49.82

h0140030.2 i4.6310

查表得0.935，（b类）

R1237.2103222

N/mm265.6N/mmf295N/mm2

A0.93549.8210 支座加劲肋端部刨平顶紧，其端部承压应力，得

R1237.2103

ceN/mm2386.6N/mm2fce400N/mm2

Ace16200 ③支座支承加劲肋与腹板用直角角焊缝连接，焊脚尺寸为

R1237.2103

hfmm3.16mm w

0.7214002000.7lwff hf1.5max1.526mm7.6mm 取hf8mm