钢结构课程设计正文.doc

钢结构课程设计

专 业： 土 建 系

班 级： 08级建工（2）班

姓 名： 邵文凡

目录

一 设计资料……………………………………………………..（3）

二 结构形式与布置……………………………………………..（3）

三 荷载计算……………………………………………………..（4）

四 内力计算……………………………………………………..（5）

五 杆件设计…………………………………………………….（6）
.
六 节点设计…………………………………………………….（14）

一、设计资料
1、根据任务书的已知条件：梯形钢屋架跨度27m，长度90m，柱距6m。该车间内设有两台20/5 t中级工作制吊车 ，两端铰支于钢筋混凝土阶梯柱上，上柱采用截面为400 mm×400 mm，混凝土标号为C30。屋面采用1.5m×6m预应力混凝土大型屋面板，板面以上依次为：三毡四油防水层、20mm厚水泥砂浆找平层、80mm厚泡沫混凝土保温层，卷材屋面，屋面坡度i＝1/10。屋面活荷载标准值为0.5 kN/m2，雪荷载标准值为0.4 kN/m2，积灰荷载标准值为0.3 kN/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱钢材采用Q235B级，焊条采用E43型。
2、屋架计算跨度：lo=27-2×0.15=26.7m。
3、跨中及端部高度：本次设计为无檩体系屋盖，采用缓坡梯形屋架，取屋架在27m轴线处的端部高度h’o=2000mm，屋架的中间高度h=2844mm，屋架在26.7m处，两端高度为ho= 2005m。屋架跨中起拱按lo/500考虑，取53mm。
二、结构形式与布置
屋架型式及几何尺寸如图1-1所示。

图1-1梯形屋架的形状和几何尺寸

根据厂房长度（90m>60m）、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间，该水平支撑的规格与中间柱间支撑的规格有所不同。在上弦平面设置了刚性系杆与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载。在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端各设一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置如图1-2所示。

垂直支撑1-1

垂直支撑2-2

桁架上弦支撑布置图

桁架下弦支撑布置图
图1-2 梯形屋架支撑布置

三、荷载计算
屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准值进行计算。因此，取屋面活荷载0.3kN/m2进行计算。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式gk=(0.12+0.011×l)kN/m2计算。荷载计算见表1-3：

设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合，在组合时，偏于安全不考虑屋面活荷载的组合值系数。
表1-3 荷载计算
荷载名称
标准值（kN/m2）
设计值（kN/m2）
永久荷载
预应力混泥土大型屋面板
1.4
1.4×1.35=1.89
三毡四油防水层
0.4
0.4×1.35=0.54
找平层（厚20mm）
0.02×20=0.4
0.4×1.35=0.54
100mm厚泡沫混凝土保温层
0.1×8=0.8
0.8×1.35=1.08
屋架和支撑自重
0.12+0.011×27=0.417
0.417×1.35=0.563
永久荷载总和
3.417
4.613
可变荷载
屋面活荷载
0.5
0.5×1.4=0.7
可变荷载总和
0.5
0.7

全跨节点永久荷载+全跨可变荷载。全跨节点永久荷载及全跨可变荷载为
F=(4.613+0.7) ×1.5×6=47.817kN
（1） 全跨节点永久荷载+半跨节点可变荷载。
全跨节点永久荷载为
F1=4.613×1.5×6=41.517kN
半跨节点可变荷载为
F2=0.7×1.5×6=6.3kN
（2） 全跨节点屋架（包括支撑）自重+半跨节点屋面板自重+半跨屋面活荷载。
全跨节点屋架自重为
F3=0.563×1.5×6=5.067 kN
半跨节点屋面板自重及活荷载为
F4=（1.89+0.7）×1.5×6= 23.31kN
上面的计算中，（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。
四、内力计算
屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图1-4所示。

（a）

（b）

（c）
图1-4 屋架计算简图

由图解法或数解法得F=1的屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨），然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果如表1-5所示。

五、杆件设计
1.上弦杆。整个上弦杆采用等截面，按（21）、（22）杆件的最大设计内力设计，即N=-1019.066KN。
上弦杆计算长度计算如下。
在屋架平面内：为节间轴线长度，即 lox=l0=1.503cm
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，根据支撑布置和内力变化情况，取loy为支撑点间的距离，即 loy=3×1.503=4.509m
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1-6图所示。（注：腹杆最大内力N=-482.369KN，中间板厚度选用10mm，支座节点板选用12mm。）
设λ=60，钢材采用Q235，查附表12-2稳定系数表，可得φ=0.807（由双角钢组

2L160x100 x12
图1-6 上弦杆截面

表1-5

成的T形和十字形截面均属于b类），则需要的截面积为
mm
需要的回转半径为

根据需要的A、ix、iy查附录14、附录15，选用 2L160x100 x12 ，肢背间距a=10mm则由附录14查的ix =28.2mm；由附录15查的A=6011mm2，iy=77.5mm。
按所选角钢进行验算：

由于>，由查附表12-2得，则
Mpa<215Mpa
所以所选截面合适。

2.下弦杆。整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的（4）杆计算，则N=1009.15KN。
l0x=3000mm,l0y=26700/2=13350mm(因跨中有通长系杆)，所需截面面积为
A=N/ƒ=1009195/215=4693.93mm2
选用2L160×100×10，如图1-7所示。查附录14、附录15可得A=5063 mm2>4693.93mm2,ix=2.846cm,iy=7.7cm。

2L160×100×10
图1-7 下弦杆截面

按所选的角钢进行验算：
=350
=350
因此，所选截面合适。

3.端斜杆（31）。杆件轴力为N=482.369KN，计算长度l0x=l0y=2496mm。
因为l0x=l0y，故采用不等边角钢，长肢相并，使ix≈iy。选用2L125×80×10，如图1-8所示。则查附录14、附录15可得A=3942mm2，ix=3.98cm，iy=3.31cm。

2L125×80×10
图1-8 端斜杆截面
按所选角钢进行验算：

因>，则由查附表12-2得，则
Mpa<215Mpa
因此，所选截面合适。

4.腹杆（40）。最大拉力：N=9.101KN
最大压力：N=-61.715KN
计算长度l0x=0.8l=0.8×3056=2444.8mm，l0y=3056mm
选用2L63×4，如图1-9所示，查附录13可得A=996mm2，ix=1.96cm，iy=2.94cm。
按所选角钢进行验算：

因<，则由查附表12-2得，则
Mpa<215Mpa
因此，所选截面合适。

2L63×4
图1-9 腹杆截面

5.竖杆（42）。杆件轴力为：N=-47.664KN
计算长度l0x=0.8l=0.8×2750=2200mm，l0y=2750mm
选用2L56×4，如图1-10所示，查附录13可得A=878mm2，ix=1.73cm，iy=2.67cm。
按所选角钢进行验算：

因<，则由查附表12-2得，则
Mpa<215Mpa
因此，所选截面合适。

2L56×4
图1-10 竖杆截面
在此，其他各杆件的截面选择计算过程不再一一列出，现将计算结果列于表1-11。
表1-11
表1-11
表1-11
六、节点设计
（1）下弦节点“4”（见图1-12）。各杆件的内力由表1-5查的。
设计步骤：由腹杆内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，即hf和lw，然后根据l=lw+2hf的大小按比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。采用E43型焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ffw=160Mpa。
设“(38)”杆的肢背焊缝hf1= 10 mm，肢尖焊缝hf2= 6 mm，（最好根据构造要求选定焊角尺寸），肢背的焊缝长度为114mm，肢尖的焊缝长度为100mm（均为满焊）。则验算如下：
肢背：σ=0.7N/2helw=0.7×126310/[2×0.7×10×（114-20）]=67.186MPa<160MPa
故满足要求。
肢尖：σ=0.3N/2helw=0.3×126310/[2×0.7×6×（100-12）]=11.6MPa<160MPa
故满足要求。
由于（39）（40）杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf= 4 mm。
根据上面求得的焊缝长度，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325mm×265mm。
下弦与节点板连接的焊缝长度为 325mm（满焊），hf= 6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差 N= 1009.195 – 913.314= 96.6kN，受力较大的肢背处的焊缝应力为
σ=0.75N/2helw=0.75×96600/[2×0.7×6×（325-12）]=28.28MPa<160MPa
故满足要求。
因此，焊缝强度满足要求。
该节点如图1-12所示。

图1-12 下弦节点“4”

（2）上弦节点“22”（见图1-13）。“（38）”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“4”相同。“（37）”杆与节点板的焊缝尺寸计算同上。
设“(37)”杆的肢背焊缝hf1= 14mm，肢尖焊缝hf2= 6 mm，（最好根据构造要求选定焊角尺寸），肢背的焊缝长度为155mm，肢尖的焊缝长度为156mm（均为满焊）。则验算如下：
肢背：σ=0.7N/2helw=0.7×193740/[2×0.7×14×（155-28）]=54.48MPa<160MPa
故满足要求。
肢尖：σ=0.3N/2helw=0.3×193740/[2×0.7×6×（1156-12）]=48MPa<160MPa
故满足要求。
设计节点板的尺寸为310mm×295mm
为了便于在上弦杆上搁置屋面板，节点板的上边缘可以缩进上肢背 8 mm。采用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，槽焊缝的强度设计值乘以0.8的折减系数。计算时可以略去屋架上弦坡度的影响，并考虑到P对槽焊缝长度中点的偏心距较小，所以略去由此偏心引起的弯矩。上弦肢背槽焊缝内的应力不用验算。
肢尖焊缝承受弦杆内力差ΔN=982.789–816.36= 166.43 kN，偏心距e= 100-25=75mm，偏心力矩M=ΔNe=166.43×0.075= 12.78kN·m，按构造要求取肢尖hf2= 6mm，则上弦杆肢尖角焊缝的剪应力为
τf=166430/（0.7×2×6×298）=66.5Mpa
由偏心力矩引起的正应力为
σf=6M/2helw2=6×12780000/（2×0.7×6×2982）=102.8Mpa
则焊缝强度为
<160Mpa
所以满足强度要求。
该节点如图1-13所示。

图1-13 上弦节点“22”

（3）屋脊节点“30”（见图1-14 ）。弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与弦杆之间能够密合，病便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去直肢的一部分宽度（一般为t+hf+5mm）。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板开补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。
设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝hf= 10mm。焊缝计算长度为（一条焊缝）
lw=1019066/（4×0.7×10×160）=227.5mm
拼接角钢的长度ls=2（lw+2he）+弦杆杆端空隙，拼接角钢长度取520mm
上弦与节点板之间的槽焊缝，假定承受节点荷载，焊缝验算方法与节点“22”处槽焊缝验算方法类似，此处验算过程略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，并考虑此内力产生的弯矩。设肢尖焊缝hf= 10mm ，取节点长度为 400mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为
lw=400/2-10-20=170mm
焊缝应力为
τf=0.15×1019066/（0.7×2×10×170）=64.2Mpa
σf=6M/2helw2=6×0.15×1019066×75/（2×0.7×10×1702）=170Mpa
<160Mpa
因此，焊缝强度满足要求。
该节点如图1-14所示。因屋架的跨度很大，需将屋架分为两个运输单元，在屋脊 节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦杆、斜杆和竖杆与节点板的连接用工厂焊缝，而右半边的上弦杆、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。
腹杆与节点板连接焊缝的计算方法与以上几个节点相同，在此不再赘述。

图1-14 屋脊节点“30”

(4)支座节点“1”见图1- 15 。下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距取100mm。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度去 14 mm。

1）支座底板的计算。支座反力为R=428899N。支座底板的平面尺寸采用280mm×400mm，如果仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为280mm×360mm=100800mm2。验算柱顶混凝土的抗压强度为
σ=R/An=428899/100800=4.25Mpa<ƒc=12.5Mpa
式中ƒc—混凝土抗压强度的设计值，对C25混凝土，ƒc=12.5Mpa。
支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为
Mmax=β2qa22
式中 q—底板下的平均应力，即q= 4.25Mpa
a2—两边支承之间的对角线长度，即a2=
β2—系数，有b2/a2查表确定，b2为两边支承的相交点到对角线a2的垂直距离。
由此得
b2=133×173/218.2=105.4mm
b2/a2=0.483
查表得β2=0.0532，则单位宽度的最大弯矩为
Mmax=β2qa22=0.0532×4.25×218.22=10764.9N.mm
底板厚度为

故取t=20mm
2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算。加劲肋与节点板的连接计算与牛腿焊缝相似，见图1-16。

图1-16 加劲肋计算简图

偏于安全地假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的1/4，即 428899/4=107224.75N，则焊缝内力为
V=107224.75
M=107244.75×65=6969610N.mm
设焊缝焊脚hf= 6mm ，焊缝计算长度 lw=640-20-12=608mm，则焊缝应力为
<160MPa
3）节点板、加劲肋、底板的焊缝计算。设焊缝传递全部支座反力R=428899N，其中每块加劲肋各传R/4=107224.75N，节点板传递R/2=214449.5N。
节点板与底板的连接焊缝长度∑lw=2×（280-12）=536mm，焊脚尺寸hf= 6mm。
214449.5/（0.7×536×6×1.22）=71.3Mpa<160MPa
故满足要求。
每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为∑lw=2×（173-20-12）=282mm，焊脚尺寸hf= 6mm。
428899/（0.7×282×6×1.22）=74.2Mpa<160MPa
故满足要求。

图1-15 支座节点“1”

其他节点的计算不再一一列出，详见施工构造。
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