21m跨度钢结构课程设计.pdf

目目 录录1.0 设计资料.11.1 结构形式与布置.21.1.1 桁架形式及几何尺寸.21.1.2 屋架支撑布置.21.2 荷载计算.41.2.1 屋面活荷载选择.41.2.2 屋架和支撑自重计算.41.2.3 荷载组合.41.3 杆件设计及内力计算.61.3.1 屋架计算简图.61.3.2 杆件内力计算和杆件内力表.61.3.3 杆件设计.7(1)上弦杆.7(2)下弦杆.8(3)腹杆.9(4)竖杆.11(5)屋架杆件截面选择表.111.4 节点设计.121.4.1 下弦节点“c”.121.4.2 上弦节点“B”.131.4.3 上弦节点“D”.141.4.4 下弦节点“e”.151.4.5 上弦节点“F”.161.4.6 下弦节点“g”.171.4.7 屋脊节点“H”.181.4.8 竖杆与上弦节点“C,E,G”.191.4.9 支座节点“A”.191.4.10 支座节点“a”.21参考文献.22致谢.22附录.221.01.0 设计资料设计资料某厂房总长度 90m，跨度 21m，纵向柱距 6m。1.结构形式:钢筋混凝土柱，梯形钢屋架。柱的混凝土强度等级为 C30，屋面坡度 i=L/10；L 为屋架跨度。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度为 0.1g，二类场地。屋架下弦标高为 18m；厂房内桥式吊车为 2 台 150/30t（中级工作制），锻锤为 2 台 5t。2.屋架形式及荷载:屋架形式、几何尺寸及内力系数（节点荷载 P=1.0 作用下杆件的内力）如图图 1.111.11 及下图及下图所示。Aa+4.1000.000-7.472-11.262-12.18-12.18-7.684-4.409-1.572+0.713+5.808+5.808+2.792+0.328-1.0-1.0-1.0-0.5+9.744+11.962+11.768ceghBCDEFGH0.51.01.01.01.01.01.01.0 21 米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值Aaceggeca+3.0100.000-5.310-7.339-6.861-5.319-3.923-2.1620.00-5.641-2.633-0.047+1.913+1.367+1.570+1.848+3.960+1.222-1.039-1.200-1.525-1.776-2.043-1.0-1.0-1.00.000.000.00-0.5+6.663+7.326+5.884+4.636+3.081+1.090BCDEFGHG FED C BA0.51.01.01.01.01.01.01.0 21 米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值3.屋盖结构及荷载无檩体系：采用 1.56.0m 预应力混凝土屋板（考虑屋面板起系杆作用）荷载：屋架及支撑自重：按经验公式 q=0.12+0.011L，L 为屋架跨度，以 m 为单位，q 为屋架及支撑自重，以 KN/m2为单位；屋面活荷载：施工活荷载标准值为 0.7KN/m2，雪荷载的基本雪压标准值值根据不同学号按附表取。施工活荷载与雪荷载不同时考虑，而是取两者的较大值；积灰荷载取 0.6 KN/m2。屋面各构造层的荷载标准值：三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4KN/m2 水泥砂浆找平层 0.4KN/m2 保温层 0.35KN/m2 一毡二油隔气层 0.05KN/m2 水泥砂浆找平层 0.3KN/m2 预应力混凝土屋面板 1.45KN/m2表表 1-2 屋架构建内力组合表屋架构建内力组合表注：表中 F=57.78KN，F1=41.4KN，F2=16.38，F3=4.23KN，F4=23.94KN3.杆件设计杆件设计1)上弦杆上弦杆整个上弦采用等截面，按 FG,GH 杆件的最大设计内力设计，即N=-703.76KN上弦杆计算长度：在屋架平面内：为节间轴线长度，即L0 x=l0=1.5075m 在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据布置和内力变化情况，取 lOy为支撑点间的距离，即内力系数 F=1组合一组合二组合三杆件名称全跨(1)左半跨(2)右半跨(3)F*(1)F1*(1)+F2*(2)F1*(1)+F2*(3)F3*(1)+F4*(2)F3*(1)+F4*(3)杆件内力（KN）AB000000000BC CD-7.472-5.31-2.162-431.732-396.319-344.754-158.728-83.365-431.732DE EF-11.262-7.339-3.923-650.718-586.460-530.506-223.334-141.555-650.718上弦FG GH-12.18-6.861-5.319-703.760-616.635-591.377-215.774-178.858-703.760ac4.13.011.09236.898219.044187.59489.40243.438236.898ce9.7446.6633.081563.008512.542453.868200.729114.976563.008eg11.9627.3264.636691.164615.227571.164225.984161.585691.164下弦gh11.7685.8845.884679.955583.575583.575190.642190.642679.955aB-7.684-5.641-2.043-443.982-410.517-351.582-167.549-81.413-443.982Bc5.8083.961.848335.586305.316270.721119.37068.809335.586cD-4.409-2.633-1.776-254.752-225.661-211.623-81.684-61.168-254.752De2.7921.2221.57161.322135.605141.30541.06549.396161.322eF-1.572-0.047-1.525-90.830-65.851-90.060-7.775-43.158-90.830Fg0.328-1.0391.36718.952-3.44035.971-23.48634.11335.971斜腹杆gH0.7131.913-1.241.19760.8539.86248.813-25.71260.853Aa-0.5-0.50-28.890-28.890-20.700-14.085-2.115-28.890Cc-1-10-57.780-57.780-41.400-28.170-4.230-57.780Ee-1-10-57.780-57.780-41.400-28.170-4.230-57.780竖干Gg-1-10-57.780-57.780-41.400-28.170-4.230-57.780L0y=2*1.5075=3.015 m根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并，如图 1.17 所示 图图 1.17 上弦截面上弦截面腹杆最大内力 N=-446.901KN，查表知，中间节点板厚度选用 10mm，支座节点板厚度选用 12mm。设=60，查轴心受压稳定系数表=0.807则需要截面积为=703760/(0.807*215)=4056.1mm2*AfN.需要回转半径：ix=l0 x/=1507.5/60=25.125mm2iy=l0y/=3015/60=50.25mm2根据需要的,ix,iy查角钢型钢表，初选 2 L1409010，肢背间距*Aa=10mm，则 A=4452，ix=2.56cm，iy=6.77cm。2mm按所选角钢进行验算：x=l0 x/ix=1507.5/25.6=58.9=150y=l0y/iy=3015/50.25=60=150则满足长细比x，只需求y。查表y=0.807，则N/(XA)=703760/(0.807*4452)=195.932.15cm2，ix=2.59cm，iy=6.73cm.x=lox/ix=300/2.59=115.8350y=loy/iy=1035/6.73=153.8x，只需求y。查表y=0.7654，则=N/(XA)=443982/(0.7654*4452)=130.3 N/mm2215N/mm2故所选截面合适。杆 Bc杆件轴力：N=335.586KN=335586N计算长度：lox=loy=2613mm选用 2L1007，肢背间距 8mm，则A=27.60cm2，=3.09cm，=4.39cm.xiyix=lox/ix=261.3/3.09=84.6150y=loy/iy=261.3/4.39=59.5y，只需求x。查表x=0.6574，则=N/(XA)=335586/(0.6574*2760)=185.0N/mm2215N/mm2故所选截面合适。杆 cD杆件轴力：N=254.792KN计算长度：lox=loy=2864mm选用 2L1006，肢背间距 a=8mm，则A=23.87cm2，=3.10cm，=4.37cm.xiyi x=lox/ix=286.4/3.10=92.4150y=loy/iy=286.4/4.37=65.5y，只需求x。查表x=0.6052，则=N/(XA)=254792/(0.6052*2387)=176.4N/mm2215N/mm2故所选截面合适。杆 De杆件轴力：N=161.322KN计算长度：lox=loy=2864mm选用 2L906，肢背间距 a=8mm，则A=21.28cm2，=2.79cm，=3.98cm.xiyix=lox/ix=286.4/2.79=102.7150y=loy/iy=286.4/3.98=72.0y，只需求x。查表x=0.5378，则=N/(XA)=161322/(0.5378*2128)=141.0N/mm2215N/mm2故所选截面合适。杆 eF杆件轴力：N=-90.830KN计算长度：lox=loy=3124mm选用 2L706，肢背间距 a=8mm，则A=16.32cm2，=2.15cm，=3.18cm.xiyi x=lox/ix=312.4/2.15=145.3150y=loy/iy=312.4/3.18=98.2y，只需求x。查表x=0.3248，则=N/(XA)=90830/(0.3248*1632)=171.4N/mm2215N/mm2故所选截面合适。杆 Fg杆件轴力：N=35.971KN计算长度：lox=loy=3124mm选用 2L505，肢背间距 a=8mm，则 A=9.61cm2，=1.53cm，=2.38cm.xiyi x=lox/ix=312.4/1.53=204.2150y=loy/iy=312.4/2.38=131.3y，只需求x。查表x=0.1796，则=N/(XA)=35971/(0.1796*961)=208.4N/mm2215N/mm2故所选截面合适。杆 gH杆件轴力：N=60.853KN计算长度：lox=loy=3390mm选用 2L705，肢背间距 a=8mm，则A=13.75cm2，=2.16cm，=3.16cm.xiyi x=lox/ix=339/2.16=157.0150y=loy/iy=339/3.16=107.3y，只需求x。查表x=0.285，则=N/(XA)=60853/(0.285*1375)=155.3N/mm2215N/mm2故所选截面合适。4)竖杆竖杆 杆 Aa杆件轴力：N=-28.890KN计算长度：lox=0.8l=0.8*1990=1592mm，loy=1990mm选用 2L505，肢背间距 a=8mm，则 A=9.61cm2，=1.53cm，=2.38cm.xiyi x=lox/ix=159.2/1.53=104.1150y=loy/iy=199.0/2.38=83.6y，只需求x。查表x=0.5284，则=N/(XA)=28890/(0.5284*961)=56.9N/mm21.54cm，xi=2.89cm1.93cm.yix=lox/ix=231.2/1.94=119.2150y=loy/iy=289.0/2.89=100y，只需求x。查表x=0.441，则=N/(XA)=57780/(0.441*1229)=106.6N/mm2215N/mm2故所选截面合适。5)由于该屋架为对称结构，且荷载为对称荷载，故其他各杆截面设计由由于该屋架为对称结构，且荷载为对称荷载，故其他各杆截面设计由以上计算结果即可得到，详见表以上计算结果即可得到，详见表 1-3表表 1-3 屋架杆件截面选择表屋架杆件截面选择表计算应力xyxy()上弦FG GH-703.76150.7 301.5 2L140901044.522.566.7758.9601500.807195.9下弦eg691.163001035 2L14090836.082.596.73 115.8 153.8350191.6aB-443.982532532L140901044.524.473.7456.667.61500.7654130.3Bc335.59261.3 261.32L100727.63.094.3984.659.51500.6574185cD-254.75286.4 286.42L100623.873.14.3792.465.51500.6052176.4De161.32286.4 286.42L90621.282.793.98 102.7721500.5378141eF-90.83312.4 312.42L70616.322.153.18 145.3 98.21500.3248171.4Fg35.97312.4 312.42L5059.611.532.38 204.2 131.31500.1796208.4gH60.853393392L70513.752.163.16157107.31500.285155.3Aa-28.89159.21992L5059.611.532.38 104.1 83.61500.528456.9Cc Ee Gg-57.78231.22892L63512.291.542.89 119.21001500.441106.6竖杆腹杆杆件内力(KN)计算长度(cm)长细比容许长细比截面面积()截面规格稳定系数回转半径(cm)2cmxiyi2/mmNoxloyl1.4 节点设计节点设计用 E43 焊条时，角焊缝的抗拉，抗压和抗剪强度设计值2/160mmNfwf各杆件内力由表 1-2 查得，最小焊缝长度不应小于 8和 40mm。fh1 下弦节点下弦节点 c，见图，见图 1.19 图图 1.19(1)斜杆 Bc 与节点的连接焊缝计算：N=335.586KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm，所需焊缝长度为：肢背：用 150mm；mmlw3.1481616087.0210586.3557.031肢尖：用 100mmmmlw2.1001216067.0210586.3553.031(2)斜杆 cD 与节点的连接焊缝计算：N=126.66KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm，所需焊缝长度为：肢背：用 120mm；mmlw5.1151616087.0210752.2547.031肢尖：用 80mmmmlw9.681216067.0210752.2543.031(3)cC 杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸mmhf5(4)根据求的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为 410mm*335mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为 410mm，hf=6mm。焊缝所受的力为节点 b 左右两下弦杆的内力差 N=563.008-236.898=326.11KN。受力较大的肢背处焊缝应力为：223/160/2.73）12-410（67.021011.32675.0mmNfmmNwf焊缝强度满足要求。2 上弦节点上弦节点 B，见图，见图 1.20图图 1.20(1)Bc 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 c 相同。(2)斜杆 aB 与节点的连接焊缝计算：N=-443.982KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 10mm 和 6mm，所需焊缝长度为（按不等肢角钢短肢连接的角焊缝内力分配系数计算）：肢背：用 160mm；mmlw8.14820160107.0210443.98265.031肢尖：用 120mmmmlw6.1151216067.0210982.44335.031为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘的上肢背可缩进 8mm，用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，槽焊缝强度设计值乘以 0.8 的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载 P 与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得hf=节点板厚度/2=12/2=6mm，hf=10mm上弦与节点板间焊缝长度为 380mm，则(0.75 431732)2+(577802 1.22)22 0.7 6 (380 12)=105.0 N/mm220.80.8 160128wffN mm上弦肢尖角焊缝的切应力为：(0.25 431732)2+(577802 1.22)22 0.7 10 (380 12)=21.4N/mm2160N/mm2则节点板满足要求3 上弦节点上弦节点 D，见图，见图 1.21 图图 1.21(1)Dc 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 c 相同。(2)斜杆 De 与节点的连接焊缝计算：N=161.322KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm，所需焊缝长度为：肢背：用 90mm；mmlw0.791616087.0210322.1617.031肢尖：用 60mmmmlw0.481216067.0210161.3223.031(3)根据求的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为 310mm*260mm。经按照(2)中节点 B 验算方法验算知，满足要求。4 下弦节点下弦节点 e，见图，见图 1.22 图图 1.22(1)eD 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 D 相同。(2)斜杆 eF 与节点的连接焊缝计算：N=90.830KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm，所需焊缝长度为：肢背：用 60mm；mmlw5.511616087.021090.8307.031肢尖：用 40mmmmlw3.321216067.021090.8303.031(3)eE 杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸mmhf5(4)根据求的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为 320mm*250mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为 320mm，hf=6mm。焊缝所受的力为节点 e 左右两下弦杆的内力差 N=691.164-563.008=128.156KN。受力较大的肢背处焊缝应力为：223/160/2.37）12-320（67.0210128.15675.0mmNfmmNwf焊缝强度满足要求。5 上弦节点上弦节点 F，见图，见图 1.23 图图 1.23(1)Fe 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 e 相同。(2)斜杆 Fg 与节点的连接焊缝计算：N=35.971KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm，所需焊缝长度为：肢背：用 40mm；mmlw0.301616087.021035.9717.031肢尖：用 30mmmmlw0.201216067.021035.9713.031(3)根据求的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为 220mm*210mm。经按照(2)中节点 B 验算方法验算知，满足要求。6 下弦节点下弦节点 g，见图，见图 1.24 图图 1.24(1)gF 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 F 相同。(2)斜杆 gH 与节点的连接焊缝计算：N=60.853KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm，所需焊缝长度为：肢背：用 60mm；mmlw8.391616087.021060.8537.031肢尖：用 40mmmmlw6.251216067.021060.8533.031(3)gG 杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸mmhf5(4)根据求的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为 250mm*270mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为 250mm，hf=6mm。焊缝所受的力为节点 g 左右两下弦杆的内力差 N=60.853-35.971=24.882KN。受力较大的肢背处焊缝应力为：223/160/3.9）12-250（67.021024.88275.0mmNfmmNwf焊缝强度满足要求。7 屋脊节点屋脊节点 H，见图，见图 1.25 图图 1.25(1)弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力来计算。N=703.76KN设肢尖、肢背焊角尺寸为 8mm，取=230mmmml4.2121616087.041076.703w3wl拼接角钢长度取 2230+50=510mm。(2)上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载，上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的 15计算:N=703.7615=105.6KN。设肢尖焊角尺寸为 8mm，取节点板长度为 500mm，则弦杆一侧焊缝长度为 500/2-10-20=220mm，焊缝应力为a8.4222087.021076.03715.03MPa3.8122087.026.691076.03715.0623MP=91.9MPa160MPa2+(1.22)2验算可知，强度满足要求(3)斜杆 gH 与节点板的连接焊缝计算：N=60.853KN 此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 6mm 和 5mm，焊缝长度40mm 取=60mm。wlwl8 竖杆与上弦节点竖杆与上弦节点 C,E,G，见图，见图 1.26图图 1.26由于这三个杆的轴力相等且较小，焊缝尺寸均可按构造确定，取焊角尺寸 hf=5mm，焊缝长度40mm 取=60mm。wlwl9 支座节点支座节点 A，见图，见图 1.27为了便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的距离一般不小于下弦伸出肢的长度，故可取 160mm，在节点板中心线左侧设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相同，厚度同端部节点板为 12mm。(1)支座底板计算：支座反力：R=57.78*103*(8-1)=404460N加劲肋的宽度为 80mm，考虑底板上开孔，按构造需求取地板尺寸为240mm360 偏安全地取有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为：241280)121802(240mmAn验算柱顶混凝土的抗压强度：=R/An=404460/41280=9.8N/mm2fc=12.5N/mm2式中 fc-混凝土强度设计值，对 C25 混凝土，fc=12.5N/mm2则混凝土抗压强度满足要求。图图 1.27(2)底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算、节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两边支撑而另两边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：22M式中 -底板下的平均应力，=9.8N/mm2-两边支撑对角长度，2mm3.13980)2/12120(22-系数 由决定，为两边支撑的焦点到对角线的垂直距离，22/b2b2由三角形面积关系得=，=0.50 2bmm9.683.1398012022/b查表得=0.0602M=0.0602*9.8*139.32=11447.9Nmm底板厚度=17.9mm，取 t=20mm66 11447.9215(3)加劲肋与节点板的连接焊缝计算：偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座反力的 1/4，则焊缝受力：V=404460/4=101115N则 M=101115*47.5=4802962.5N/mm2设肢焊缝尺寸为 6mm，设所需焊缝长度为 170mm，则：a2.76)12170(67.02101115MPa4.137)12170(67.025.480296262MP=136.0MPa160MPa2+(1.22)2所以加劲肋高度不小于 170mm 即可。(4)节点板加劲肋与底板的连接焊缝计算:设底板连接焊缝传递全部支座反力 R=404460N,设焊缝尺寸为 8mm节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度：mmhhlffw624)20280(4)2240(2 160MPaa9.9462487.022.1404460MP满足要求，则可取 hf=8mm10 支座节点支座节点 a，见图，见图 1.28图图 1.28(1)aB 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 B 相同(2)竖杆与节点板的连接焊缝计算:N=28.89KN此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸mmhf5焊缝长度40mm 取=60mm。wlwl3)ac 杆与节点板连接焊缝计算：N=236.898KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm，所需焊缝长度为：肢背：用 120mm；mmlw5.1081616087.0210898.2367.031肢尖：用 80mmmmlw9.641216067.0210898.2363.031设计详图见施工图参考文献参考文献戴国欣主编，钢结构，武汉理工大学出版社，2007 年出版。陈绍番主编，钢结构（上、下册），中国建筑工业出版社，2003 年出版。汪一骏主编，轻型钢结构设计手册，中国建筑工业出版社，2001 年出版。魏明钟主编，钢结构，武汉理工大学出版社，2002 年出版。在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。致谢致谢首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因。而且通过这次课程设计使我能把学过的知识系统地串联起来并加以运用，在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助我的同学们，他们也为我解决了很多设计上的难题。同时也感谢学院为我们提供了一个良好的环境以使我们能顺利地完成课程设计。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友。附录：附录：参考教材钢结构基本原理（第二版）（中国建筑工业出版社）后的附录