钢结构课程设计计算书书.doc

钢结构课程设计计算书书

— 第一学期

钢结构课程设计

专业班级： 土木xxx
姓 名： xxxxxx
学 号：
指导老师： xxxxxxx
日 期： 1月

目 录
一、设计资料……………………………………………………………………………………..…3

二、屋架布置及几何尺寸………………………………………………………………………..…3
1.几何尺寸……………………………………………………………………………………..3
2.支撑布置……………………………………………………………………………………..3

三、荷载计算……………………………………………………………………………………..…4
1.荷载………………………………………………………………..……………………....…4
2.荷载组合………………………………………………………………………………......…4

四、内力计算…………………………………………………..………………………….……....…4

五、杆件截面设计…………………………………………..…………………………….……....…6
1.上弦杆截面计算…………………………………..………………………………………....…6
2.下弦杆截面计算………………………………..…………………………………………....…7
3.斜杆截面计算………………………………..……………………………………………....…8
4.竖敢截面计算………………………………..…………………………………………….......13

六、节点设计………………………………..…………………………………………………....…17
1.下弦节点设计………………………..……………………………………………...……....…17
4.支座节点设计………………………..………………………………….…………………....…18

一：设计资料
24000
5500
6000
6000
6000
6000
6000
6000
6000
6000
500
500
1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
2
A
B
某单跨单层厂房，跨度L=24m，长度54m，柱距6m，厂房内无吊车、无振动设备，屋架铰接于混凝土柱上，屋面采用1.5×6.0m太空轻质大型屋面板。钢材采用Q235-BF，焊条采用E43型，手工焊。柱网布置如图1所示， 杆件容许长细比：屋架压杆[]=150，屋架拉杆[]=350。

图1 柱网布置图
二屋架形式及几何尺寸
由于采用大型屋面板和油毡防水屋面，故选用平坡梯形钢屋架，未考虑起拱时的上弦坡度i＝1/10。屋架跨度l＝24m，每端支座缩进0.15m，计算跨度l0＝l－2×0.15m＝23.7m；端部高度取H0＝2m，中部高度H＝3.2m；起拱按f＝l0/500，取50mm，起拱后的上弦坡度为1/9.6。
配合大型屋面板尺寸（1.5*6m），采用钢屋架间距B＝6m，上弦节间尺寸1.5m。选用屋架的杆件布置和尺寸如施工图所示。 （屋架计算跨度=24000-300=23700mm。屋架端部高度H0= mm。）

图2 屋架的杆件尺寸
由于房屋较短，仅在房屋两端5.5m开间内布置上、下弦横向水平支撑以及两端和中央垂直支撑，不设纵向水平支撑。中间各屋架用系杆联系，上下弦各在两端和中央设3道系杆，其中上弦屋脊处与下弦支座共三道为刚性系杆。所有屋架采用统一规格，但因支撑孔和支撑连接板的不同分为三个编号：中部6榀为WJ1a ,设6道系杆的连接板，端部第2榀为WJ1b，需另加横向水平支撑的的连接螺栓孔和支撑横杆连接板；端部榀（共两榀）为WJ1c。

图3 上弦平面

图4下弦平面与剖面

三、荷载计算
1、 荷载
永久荷载
大型屋面板 0.50+0.001×38=0.535 KN/m2
防水层 0.10 KN/m2
屋架及支撑自重 0.15 KN/m2
悬挂管道 0.05 KN/m2

小计 ∑0.835 KN/m2
2、 可变荷载（标准值）
屋面活荷载与雪载一般不会同时出现，可取其中较大者进行计算
屋面活载 0.58 kN/m2
以上荷载计算中，因屋面坡度较小，风荷载对屋面为吸力，对重屋盖可不考虑，因此各荷载均按水平投影面积计算。
由永久荷载控制的荷载组合值为：1.35×0.835+0.7×1.4×0.58 =1.696 kN/m2
由可变荷载控制的荷载组合值为：1.2×0.835+1.4×0.58 =1.814 kN/m2
故可变荷载效应起控制作用。
永久荷载设计值：1.2×0.835 = 1.002 kN/m2
可变荷载设计值：1.4×0.58=0.812 kN/m2
3、荷载组合
设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：
(1)全跨永久荷载+全跨可变荷载
全跨节点永久荷载及可变荷载F=（1.002+0.812）×1.5×6 = 16.33 kN
(2)全跨永久荷载+半跨可变荷载
全跨节点永久荷载F1=1.002×1.5×6 = 9.02 kN
半跨节点可变荷载F2=0.812×1.5×6=7.31 kN
(3)全跨屋架与支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载
全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载：F3=1.2×0.15×1.5×6= 1.62 kN
半跨屋面板自重及活载产生的节点荷载：F4=（1.2×0.535+1.4×0.58）×1.5×6=13.09 kN
以上1），2）为使用阶段荷载组合;3）为施工阶段荷载组合。
四、内力计算
按屋架内力系数图计算杆件内力，然后乘以实际的节点荷载，屋架要上述第一种荷载组合作用下，屋架的弦杆、竖杆和靠近两端的斜腹杆内力均达到最大值，在第二和第三种荷载作用下，靠跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生变号，因此，在全跨荷载作用下所有杆件的内力均应计算，而在半跨荷载作用下，仅需计算近跨中的斜腹杆内力，取其中不利内力（正、负最大值）作为屋架的依据。具体计算见图屋架各杆内力组合见表。

内力计算表 表1
内力计算
杆件名称
杆内力系数
全跨永久荷载+全跨可变荷载
P=16.33kN
N=P×③
全跨永久荷载+半跨可变荷载
P1=9.02kN
P2=7.31kN
N左=P1×③+P2×①
N右=P1×③+P2×②
全跨屋架支撑+半跨屋面板+半跨可变荷载
P3=1.62kN
P4=13.09kN
N左=P3×③+P4×①
N右=P3×③+P4×②
计算内力
KN
P=1
在左
半跨
在右
半跨
全跨
①
②
③
上
弦
杆
A-B
0
0
0
0
0
0
0
B-D
-6.253
-2.476
-8.729
-142.54
-124.45
96.84
-95.99
-46.55
-142.54
D-F
-9.036
-4.486
-13.522
-220.81
-188.02
-154.76
-140.19
-80.63
-220.81
F-K
-9.152
-6.075
-15.227
-248.66
-204.25
-181.76
-144.47
-104.19
-248.66
K-H
-7.362
-7.362
-14.724
-240.44
-186.63
-186.63
-120.22
-120.22
-240.44
下
弦
杆
a-c
3.489
1.250
4.739
77.39
68.25
51.88
53.35
24.04
77.39
c-e
7.999
3.526
11.525
188.20
162.43
129.73
123.38
64.83
188.20
e-g
9.324
5.297
14.621
238.76
200.04
170.60
145.74
93.02
238.76
g-h
8.416
8.716
17.132
279.77
216.05
218.24
137.92
141.85
279.77
斜
杆
a-B
-6.532
-2.340
-8.872
-144.88
-127.77
-97.13
-99.88
-45.00
-144.88
B-c
4.687
2.112
6.799
111.03
95.59
76.77
72.37
38.66
111.03
c-D
-3.395
-2.029
-5.424
-88.57
-73.74
-63.76
-53.23
-35.35
-88.57
D-e
1.882
1.791
3.673
59.98
46.89
46.22
30.59
29.39
59.98
e-F
-0.697
-1.799
-2.496
-40.76
-27.61
-35.66
-13.17
-27.59
-40.76
F-g
-0.456
1.557
1.101
17.98
6.60
21.31
-4.19
22.16
22.16
g-K
1.550
-1.522
0.028
0.46
11.58
-10.87
20.33
-19.88
20.33
K-h
-2.474
1.378
-1.096
-17.90
-27.97
0.19
-34.16
16.26
-34.16
竖
杆
a-A
-0.500
0
-0.500
-8.17
-8.17
-4.51
-7.36
-0.81
-8.17
c-C
-1.000
0
-1.000
-16.33
-16.33
-9.02
-14.71
-1.62
-16.33
e-E
-1.000
0
-1.000
-16.33
-16.33
-9.02
-14.71
-1.62
-16.33
g-G
-1.000
0
-1.000
-16.33
-16.33
-9.02
-14.71
-1.62
-16.33
h-H
0.983
0.983
1.966
32.10
24.92
24.92
16.05
16.05
32.10

五、杆件截面设计
1、上弦杆截面计算
整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算N = -248.66 kN（压力），查单节点板桁架和桁架节点板厚度3—9表 可知节点板厚度选用8mm，支座节点板厚度选用10mm。
计算长度 屋架平面内取节间轴线长度
屋架平面外根据支撑和内力变化取
因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并。如图1所示。
y
y
x
x
8

图1上弦截面
设，查轴心受压构件的稳定系数表
需要截面积
需要回转半径
根据需要的A 、 ix 、iy ，查《钢结构》P328角钢型钢表，选用2∟，A = 21.27 c㎡ ,
ix = 2.01cm , iy = 5.29cm。
按所选角钢进行验算

满足长细比：的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
2、下弦杆截面计算
整个杆件采用同一截面，按最大内力计算，N=293.13 kN （拉力），查单节点板桁架和桁架节点板厚度3—9表 可知中间节点板厚度选用8mm，支座节点板厚度选用10mm。

计算长度 屋架平面内取节间轴线长度
屋架平面外根据支撑布置取
计算需要净截面面积
选用2∟80×50×6（短肢相并），见图2所示，A =15.12c㎡ , ix =1.41 cm , iy =3.98cm
按所选角钢进行截面验算，取。

8
x
x
y
y

图2 下弦截面

所选截面满足要求。
3、斜杆截面计算
① 斜杆a-B
N = -144.88kN (压力)，l0x = l0y = l =254.3 cm
因为l0x = l0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ix = iy
选用2∟100×80×6，见图3所示，A = 21.27c㎡ , ix = 3.17cm , iy = 3.38cm
x
x
y
y
8

图3 斜杆a-B截面
属于b类截面
属于b类截面
满足长细比：的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
② 斜杆B-c N = 111.03kN（拉力），l0x = 0.8l = 0.8×261.6=209.3cm, l0y = l =261.6 cm
计算需要净截面面积
选用2∟45×4，见图4所示，A = 6.97 c㎡ , ix = 1.38 cm , iy = 2.16 cm
x
x
y
y
8

图 4斜杆B-c截面

按所选角钢进行截面验算：

所选截面满足要求。
斜杆c-D
N = -88.57kN (压力)，l0x =0.8 l =0.8×287.8=230.2cm l0y = l =287.8cm
计算需要净截面面积
选用2∟63×6，见图5所示，A =14.57mm2 , ix =1.93cm , iy = 2.91cm
x
x
y
y
8

图5斜杆c-D截面
按所选角钢进行截面验算
属于b类截面
属于b类截面
满足长细比：的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
斜杆D-e
.N =59.98kN （拉力），l0x = 0.8l =0.8×286.7= 229.4cm, l0y = l =286.7 cm
计算需要净截面面积

选用2∟45×4，见图6所示，A = 6.97 c㎡ , ix = 1.38 cm , iy = 2.16 cm
x
x
y
y
8

图 6 斜杆D-e截面

按所选角钢进行截面验算：

所选截面满足要求。
斜杆e-F
N = -40.76kN (压力)，l0x =0.8 l =0.8×313.8=251.0cm l0y = l =313.8cm
计算需要净截面面积
选用2∟63×6，见图7所示，A =14.57c㎡ , ix = 1.93cm , iy =2.91cm
x
x
y
y
8

图7 斜杆e-F截面
按所选角钢进行截面验算：
属于b类截面
属于b类截面
满足长细比：的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
斜杆F-g
N = 22.16kN（拉力）， l0x = 0.8l =0.8×312.7= 250.2cm, l0y = l =312.7cm
计算需要净截面面积
选用2∟45×4，见图8所示，A = 6.97c㎡ , ix = 1.38 cm , iy = 2.16 cm
x
x
y
y
8

图 8 斜杆F-g截面

按所选角钢进行截面验算：

所选截面满足要求。
斜杆g-K
N = 20.33kN（拉力），N = -19.88kN（压力） l0x =0.8 l =0.8×340.5=272.4cm l0y = l =340.5cm
计算需要净截面面积
选用2∟70×5，见图9所示，A =13.75 c㎡ , ix = 2.16cm , iy = 3.16 cm
x
x
y
y
8

图9 斜杆g-K截面
按所选角钢进行验算：
属于b类截面
属于b类截面
满足长细比：的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

综合考虑选用2∟70×5均满足压力和拉力的要求。
斜杆K-h
最大压力N=-34.16kN（压力），l0x =0.8 l =0.8×339.3=271.4cm l0y = l =339.3cm
计算需要净截面面积

选用2∟70×5，见图10所示，A =13.75c㎡ , ix = 2.16cm , iy =3.16cm
x
x
y
y
8

图10 斜杆K-h截面
按所选角钢进行验算

由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
4、竖杆截面计算
边竖杆a-A
N = -8.17N (压力)，,l0x = l0y = l =200.0cm
计算需要净截面面积
选用2∟56×5，A =10.83c㎡ , ix =1.72cm , iy =2.61cm
按所选角钢进行运算：
属于b类截面
属于b类截面
满足长细比：的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
竖杆b-B
N = -16.33kN (压力)，,l0x =0.8 l =0.8×230=184cm l0y =230cm
选用2∟56×5，A =10.83c㎡ , ix =1.72cm , iy =2.61cm
按所选角钢进行运算：
属于b类截面
属于b类截面

满足长细比：的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
竖杆e-E
N = -16.33kN (压力)， l0x =0.8 l =0.8×260=208cm l0y = l =260cm
选用2∟56×5，A =10.83c㎡ , ix =1.72cm , iy =2.61cm
按所选角钢进行运算：
属于b类截面
属于b类截面
满足长细比：的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
竖杆g-G
N = -16.33 kN (压力), l0x =0.8 l =0.8×290=232cm l0y =290cm
选用2∟56×5，A =10.83 c㎡ , ix =1.72cm , iy =2.61cm
按所选角钢进行运算：
属于b类截面
属于b类截面
满足长细比：的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
竖杆h-H
N =32.10kN (拉力)， l0x =0.8 l =0.8×320=256cm l0y =320cm

选用2∟56×5，A =10.83 c㎡ , ix =1.72cm , iy =2.61cm
按所选角钢进行运算：

满足长细比：的要求。

所选截面合适。

中竖杆截面图
屋架杆件一览表
杆件
杆内力
kN
计算长度
截面形式及
角钢规格
截面积
(m㎡)
回转半径
长细比
容许长细比

系数
φmin
σ
(N/m㎡)
lox
loy
ix(mm)
iy(mm)
λmax

上弦
-248.66
1508
3016
┛┗短肢相并
2L110×70×6
2127
20.1
52.9
75
150
0.720
162
下弦
279.77
3000
6000
┛┗短肢相并
2L80×50×6
1512
14.1
39.8
213
350
—
185
斜腹杆
a-B
-144.88
2543
2543
┛┗长肢相并
2L100×80×6
2127
31.7
33.8
80
150
0.688
99
B-c
111.03
2093
2616
┛┗
2L45×4
697
13.8
21.6
152
350
—
159
c-D
-88.57
2302
2878
┛┗
2L63×6
1457
19.3
29.1
119
150
0.442
138
D-e
59.98
2294
2867
┛┗
2L45×4
697
13.8
21.6
166
350
—
86
e-F
-40.76
2510
3138
┛┗
2L63×6
1457
19.3
29.1
130
150
0.387
72
F-g
22.16
2502
3127
┛┗
2L45×4
697
13.8
21.6
181
350
—
32
g-K
20.33
2724
3405
┛┗
2L70×5
1375
21.6
31.6
126
150
0.406
36
K-h
-34.16
2714
3393
┛┗
2L70×5
1375
21.6
31.6
126
150
0.406
61
竖杆
a-A
-8.17

十字形
2L56×5
1083
17.2
26.1
116
150
0.458
16
c-C
-16.33
1840
2300
十字形
2L56×5
1083
17.2
26.1
107
150
0.511
30
e-E
-16.33
2080
2600
十字形
2L56×5
1083
17.2
26.1
121
150
0.432
35
g-G
-16.33
2320
2900
十字形
2L56×5
1083
17.2
26.1
135
150
0.365
49
h-H
32.10
2560
3200
十字形
2L56×5
1083
17.2
26.1
149
350
—
30

六、节点设计
重点设计“a”、“c”、“e”、“g” “h”五个典型节点，其余节点设计类同。
1．1下弦杆c节点
这类节点的设计步骤是：先根据腹杆的内力计算腹杆与节点连接焊缝的尺寸，即hf和lw 。然后根据lw的大小比例绘出节点板的形状和大小，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。
选用E43焊条，手工焊。角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值＝160N/m㎡。
（1）B-c杆的内力N=111.03KN，角钢为L45×4，采用两边围焊 。肢背和肢尖焊缝hf=4mm，所需要的焊缝长度为：
肢背：，取100mm
肢尖：，取80mm
（2）c-D杆的内力N=88.57KN，角钢为L63×6，采用两边侧焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：
肢背，取80mm
肢尖，取60mm
（3） 竖杆c-C杆的内力N=16.33KN，角钢为L56×5，采用两边侧焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：。
肢背，取50mm
肢尖，取50mm
（4）下弦杆焊缝验算
下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦内力之差。
ΔN＝188.20－77.39＝110.81kN
肢背焊缝验算，hf＝5mm，
τf＝=7N/mm2＜160N/mm2焊缝强度满足要求。

1.2．下弦杆e节点
（1）D-e杆的内力N=59.98KN，角钢为L45×4，采用两边围焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：
肢背，取60mm

肢尖，取50mm
（2）e-F杆的内力N=40.76KN，角钢为L63×6，采用两边侧焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：
肢背，取50mm
肢尖，取50mm
（3）竖杆c-e杆的内力N=16.33KN，角钢为L56×5，采用两边侧焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：。内力很小，只需按构造要求取肢尖和肢背的焊缝长度取50mm。
（4）下弦杆焊缝验算
下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦内力之差。
ΔN＝238.76－188.20＝50.56kN
肢背焊缝验算，hf＝5mm，
τf＝N/mm2＜160N/mm2焊缝强度满足要求。
1.3．下弦杆g节点
与下弦杆g相连的腹杆和弦杆，内力都很小，按构造要求，肢背和肢尖焊缝hf=5mm，焊缝长度取50mm。
1.4．下弦杆h节点
与下弦杆h相连的腹杆和弦杆，内力都很小，按构造要求，肢背和肢尖焊缝hf=5mm，焊缝长度取50mm。
1.5.支座a节点
a-B杆的内力N=141.88KN，角钢为L100×80×6，采用两边围焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：
肢背，取100mm
肢尖 取60mm

下弦节点各杆肢尖、肢背尺寸

杆件
hf（mm）
肢背(mm)
hf（mm）
肢尖(mm)
a-B
5
94mm取100mm
5
55mm取60 mm
B-c
5
79mm取100 mm
5
40mm取80 mm
c-D
5
65mm取80mm
5
34mm取60mm
D-e
5
47mm取60mm
5
26mm取50mm
e-F
5
35mm取50mm
5
21mm取50mm
F-g
5
按构造取50mm
5
按构造取50mm
g-K
5
按构造取50mm
5
按构造取50mm
K-h
5
按构造取50mm
5
按构造取50mm
2、底板计算
2.1支座a节点
为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋。加劲肋取460×80×8mm，节点取460×380×8mm的钢板。
支座反力RA=Ra=144.88sin58+8.17=131KN
（1）支座底板的计算
支座反力RA=Ra=131KN
按构造要求采用底板面积为a×b=280×360mm2如仅考虑加劲肋部分底板承受支座反力R，则承压面积为280×（2×80+8）=47040mm2
验算柱顶混凝土的抗压强度：σ=R/Au=131×103/47040=2.78N/mm2＜fc=12.5N/mm2满足。
底板的厚度按屋架反力作用下的弯距计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两相邻边支承，而另两相邻边自由的板，每块板单位宽度的最大弯距为：M=βσ
式中 σ—底板下的平均应力，σ=2.78N/mm2；
2—两支承边之间的对角线长度，2=228mm；
β—系数，由b2/a2决定。b2=80×150/228=110.5，b2/a2=110.5/228=0.485，查表得β=0.056
故M=βσ=0.056×2.78×2282=8092.9Nmm。
底板厚度t==15mm，取t=20mm。
（2）加劲肋与节点的连接焊缝计算
加劲肋高度取与支座节点板相同，厚度取与中节点板相同（即—380×14×460），一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力为四分之一支座反力。
R/4=131×103/4=32.8×103N，M=Ve=32.8×103×50=1.64×106Nmm
设焊缝hf=8mm，焊缝计算长度lw=460-10-15=435mm，则焊缝应力为
τf=32.8×103)/(2×0.7×8×435)=7N/mm2，
σf=(6×1.72×106)/(2×0.7×8×4352)=5N/mm2，
=90N/mm2＜160N/mm2
（3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝
设焊缝传递全部支座反力R=131kN，其中每块加劲肋各传R/4=32.8kN，节点板传递R/2=65.5kN。
节点板与底板的连接焊缝计算长度=2×（300-10）=580mm，所需要的焊脚尺寸为h≥(65.5×103)/(0.7×580×160×1.22)=0.8mm，取h=5mm。
每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为=（100-20-10）×2=140mm。所需要的焊缝尺寸为h≥(65.5×103)/(0.7×140×160×1.22)=3mm，取h=6mm，节点图如下图所示。

其它节点设计方法与上述方法类似。具体见屋架施工图。