课程设计-- 钢屋架结构设计.doc

课 程 设 计 说 明 书课程名称： 钢 结 构 设计题目： 钢屋架结构设计 院 系： 土木与建筑工程学院 学生姓名： 张 永 杰 学 号： 201001010076 专业班级： 10土木2班 指导教师： 陈 晓 霞 2012年12月15日 课 程 设 计 任 务 书设计题目三角形钢屋架课程设计 学生姓名张永杰所在院系土建学院专业、年级、班10土木2班设计要求：1.计算书内容包括：选题（屋架形式）、选择钢材、选择焊接方法及焊条型号、荷载计算及内力组合、杆件截面设计、屋架节点设计。2.施工图（用CAD绘制或手绘）绘制与屋盖支撑相关联的钢屋架施工图，图面内容：屋架索引图（画在图面左上角）比例：1：100-1：150屋架正面图（画对称的半榀）比例：1：20或1：30或自定上、下弦杆俯视图 比例：1：10或1：15必要的剖面图（端竖杆、中竖杆、托架及垂直支撑连接处）屋架支座详图及零件详图、施工图说明、标题栏（写明题目、指导教师、姓名、班级、日期）学生应完成的工作：1.设计计算书一份；2.绘制与屋盖支撑相关联的钢屋架施工图（1号图纸）一张；3.图纸应叠成计算书一般大小，与计算书装订后上交。参考文献阅读：1.戴国欣主编.钢结构（第3版）M.武汉：武汉理工大学出版社，2011.1.2.张耀春主编.钢结构设计原理M.北京：高等教育出版社，2004.8.3.唐岱新，孙伟民主编.高等学校建筑工程专业课程设计指导M. 北京：中国建筑工业出版社，2002.6.4.陈志华编著.建筑钢结构设计M. 天津：天津大学出版社，2004.3.5.周俐俐，姚勇等编著.土木工程专业 钢结构课程设计指南M. 北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社，2007.5. 工作计划：12月10号到12月11号计算.。12月12号到12月14号画图和整理.任务下达日期： 2012年12月7日任务完成日期： 2012年12月 15 日指导教师（签名）： 学生（签名）： 三角形钢屋架课程设计摘 要:该三角形钢屋架采用A型屋盖结构，首先根据屋架的尺寸和受力特点对檩条的截面进行选择并验算强度，接着分析杆件的内力，并绘制内力分布图，然后选择杆件截面，最后设计各节点的节点板尺寸及焊缝长度。计算的同时对刚度和稳定性也进行了验算，最后绘制施工图。设计过程中首先对屋架的受力特点及传力方式进行梳理，分清楚主要受力构件及次要受力构件，选择杆件截面时本着在满足强度刚度要求的前提下，还考虑经济节约的原则，选择了最合适的截面。关键词：钢结构 三角形屋架 设计目 录1 设计背景 1.1 设计资料 1.2 屋架形式 2 设计方案2.1 檩条设计 2.2 屋架支撑 3 方案实施 3.1 荷载与内力计算 3.2 杆件截面设计 3.3 节点设计 4 结果与结论5 收获与致谢 5.1 收获 5.2 致谢 6 参考文献 7 附件 1 设计背景1.1 设计资料厂房长度96m, 檐口高度15m。厂房为单层单跨结构，内设有两台中级工作制桥式吊车。拟设计钢屋架，简支于钢筋混凝土柱上，柱的混凝土强度等级为C20。柱顶截面尺寸为400mm。钢屋架设计可不考虑抗震设防。厂房柱距选择：6m（1）三角形钢屋架(a)1）属有檩体系：檩条采用槽钢，跨度为6m，跨中设有一根拉条10。2）屋架屋面做法及荷载取值（荷载标准值）：永久荷载：波形石棉瓦自重 0.20 kN/m2 檩条及拉条自重 0.20 kN/m2 保温木丝板重 0.25 kN/m2 钢屋架及支撑重 (0.12+0.011跨度) kN/m2 可变荷载：雪荷载 0.55 kN/m2 屋面活荷载 0.40 kN/m2 积灰荷载 0.30 kN/m2 注：1、以上数值均为水平投影值；2、（a）、（b）屋架的形式与尺寸见图1。1.2 屋架形式（a）2 设计方案2.1 檩条设计1.屋架尺寸屋架计算跨度：=300=27000300=26700mm屋面倾角： 屋架跨中的高度为：mm上弦长度： 节间长度： 节间水平投影长度：a=2396.40.9285=2225mm屋架几何尺寸见图2。 图2 屋架几何尺寸（单位：mm）3.3 檩条的设计选用18a槽钢截面，由型钢表查得，自重0.202，=141.4，=20，=1272.7。1.荷载计算（对轻屋面，可只考虑可变荷载效应控制的组合）永久荷载：（坡面）永久荷载：波形石棉瓦自重 0.20 kN/m2 檩条及拉条自重 0.20 kN/m2 保温木丝板重 0.25 kN/m2 =0.65 kN/m2可变荷载：积灰荷载 0.30 kN/m2 雪荷载 0.55 kN/m2（由于雪荷载大于屋面荷载，所以取雪荷载）qk=(0.55+0.3) 2.225=1.89gk=0.652.225=1.45檩条均布荷载设计值：=+=1.21.45+1.41.89=4.39 =4.390.9285=4.08 =4.390.3714=1.632.强度验算 弯矩设计值（见图4）： 图4 弯矩图=4.0862=18.36=1.639=-）因为在檩条的跨中设置了一道拉条）檩条的最大应力（拉应力）位于槽钢下翼缘的肢尖处。3.刚度验算只验算垂直于屋面方向的挠度。荷载标准值： +=1.45 +1.89=3.34 因有拉条，不必验算整体稳定性。故选用18a槽钢檩条能满足要求。2.2屋架支撑2.檩条和支撑布置根据屋面材料的最大容许檩距，可将檩条布置于上弦节点上（见图2），檩距为节间长度。在檩条的跨中设置一道拉条。根据厂房总长度96m，跨度为27m，有中级工作制吊车及第一开间尺寸5.5m等因素，可在厂房两端的第二开间设置一道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，并在同一开间两榀相邻屋架的腹杆间设置两道垂直支撑（在跨度13左右处各一道，见图3）。上弦檩条可兼做系杆，故不另设系杆，在下弦跨中央设置一道通长的柔性系杆。此外，在厂房两端的第一开间下弦各设置三道刚性系杆（见图3）。图3 屋架支撑布置（单位;mm）（a）上弦横向水平支撑；（b）下弦横向水平支撑；（c）垂直支撑3 方案实施3.1 荷载与内力计算1.永久荷载（水平投影面）波形石棉瓦自重 0.20 kN/m2 檩条及拉条自重 0.20 kN/m2 保温木丝板重 0.25 kN/m2 屋架和支撑自重 0.12+0.11L=0.12+0.01127=0.417 =1.067可变荷载: 雪荷载为0.55 积灰荷载为0.3 4.屋架上弦在檩条处的集中荷载屋架上弦在檩条处的集中荷载设计值由永久荷载效应控制的组合为F=（1.21.067+1.40.550.7+1.40.90.3）62.225=29.33.2 杆件截面设计表2 屋架杆件内力计算表杆件名称杆件内力系数内力设计值（）上 弦AB-14.81-434.5BC-13.66-400.2CD-14.07-412.3DE-13.70-401.4EF-12.55-367.7FG-12.95-379.4下 弦AH+13.75+402.9HI+11.25+329.6IJ+7.50+219.8腹 杆DI-2.79-81.7BH、CH-1.21-35.5EK、FK-1.21-35.5HD、DK+2.50+73.3IK+3.75+109.9KG+6.25+183.1GJ0.000注：负为受压，正为受拉。3.6 杆件截面选择弦杆端节间最大内力为434.5kN 有焊接屋架节点板厚度选用表，可选用屋架中间节点板厚度为8mm，支座节点板厚度为10mm。1.上弦杆（见图6）整个上弦杆不改变截面，按最大内力计算。图6 上弦截面=-434.5cm，,=2=2239.64=479.28cm。选用2125808，组成的T形截面，节点板厚为10mm，查型钢表得A=215.99=31.98， 根据查表得，则 故所选截面合适。2.下弦杆（见图7）图7 下弦截面下弦杆也不改变截面，按最大内力计算Nmax=+402.9kN，屋架平面内的计算长度取最大节间长度，即lox=560.6cm。因屋架下弦在跨中央设有一道通长的系杆，故屋架平面外的计算长度取侧向固定点间的距离，即loy=1335cm。所需截面面积为：选用290568，短肢相连的T形截面，由型钢表查得 =22.37,=2.85cm，=4.54cm 故所选截面合适。3.腹杆DI杆（1） =81.7,=0.8=0.8287.6 =230.1cm，=287.6cm选用2568，A=16.73，=1.68cm，=2.75cm。根据，查表得，则所选截面合适。（2）BH、CH、EK、FK杆N=-35.5，=187.2cm选用638单角钢截面，A=90515，=1.227cm，则=0.9=0.9187.2=168.48cm=137.31=150由，查表得。单角钢单面连接计算构件稳定性时强度设计值折减系数为故所选截面满足要求。（3）HD、DK杆N=+73.3kN，l=387.2cm 选用636单角钢截面，A=7.288 iyo=1.24cmLo=0.9l=0.9387.2=348.5cm单角钢单面连接计算构件强度时的强度设计值折减系数，则故所选择的截面合适。（4）IK、KG杆两根杆件采用相同的截面，用按最大内力=183.1计算，=387.2cm，=2=2387.2=774.4cm 选用2634，A=24.978=9.956，=1.96cm，=2.94cm。所选截面合适。（5）GJ杆。N=0, =534cm对有连接垂直支撑的屋架WJ2，采用2634组成十字形截面，并按受压支撑验算其长细比。=0.9=0.9534=480.6cm，cm故满足要求。对不连接垂直支撑的屋架WJ1，选用564单角钢，并按受拉支撑验算其长细比，=1.259cm 故满足要求。屋架各杆件截面选择情况见表3。表3 屋架杆件截面选择杆件名称杆件编号内力设计值（kN）计算长度（mm）选用截面截面面积A（cm2）杆件受力类型长细比容许长细比计算应力(N/mm2)杆件端部的角钢肢背和肢尖焊缝（mm）填板数(每节间)上弦AB、BC、CD、DE、EF、FG-434.52396.44792.8212580831.98压杆59.778.91500.7194.141下弦AH、HI、IJ-402.95606133529056822.37拉杆197.6294350180.181708702腹杆DI-81.723012876256816.73压杆137104.61500.357136.85505202BH、CH、EK、FK-35.5187218726389.515压杆=1.2271500.3614103.25430415HD、DK+73.3387238726367.288拉杆=281350182.85130550IK、GK+183.13872774426349.956拉杆197.55263.40350183.951305502GJ0（压）4806480626349.96压杆=195.4200513055070（拉）480648066344.98拉杆=381.74004504503.3 节点设计本例只选择几个有代表性的、重要的节点进行计算，其余节点的计算过程从略，可参见屋架施工图。1. 屋脊节点（见图8）腹杆GK与节点板的连接焊缝，查表得（以下同），取肢背和肢尖的焊脚尺寸分别为和，则杆端所需的焊缝长度分别为肢背故取。 图8 屋脊节点（单位：mm）故肢尖：取=70mm。拼接角钢采用与上弦杆等截面，肢背处削棱，竖肢切去V=t+5=18mm，取V=20mm，并将竖肢切口后经热弯成型用对接焊缝焊接。拼接接头一侧所需的焊缝计算长度为 拼接角钢的总长度为 =2（+10）+d=2（170+10）50=420mm上弦杆与节点板的塞焊缝，假定承受节点荷载F2，验算从略。上弦肢尖与节点板的焊缝连接按弦杆内力的15%计算，且考虑由此产生的偏心弯矩作用（偏心距e=95mm）。设肢尖焊缝焊脚尺寸=5mm，节点板总长度为500mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为 =（5002）-20-10（500/2）/0.92852010=420mm焊缝应力为 =34=80=由以上计算结果可知，因弦杆与节点板的连接焊缝受力不大，且连接长度较大，故可按照构造进行满焊，不必计算。2.下弦拼接节点（见图9） 图9 下弦拼节点（单位：mm）屋架跨度27m超过运输界限，故将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点G和下弦节点I处设置工地拼接。腹杆杆端与节点板的焊缝连接按IK和ID中最大内力计算。设肢背和肢尖的焊脚尺寸均取，则杆端所需的焊缝长度分别为肢背：故取80mm。肢尖：故按构造取30mm。弦杆与节点板的连接焊缝按弦杆内力与的内力差计算，因为内力差较小，按构造布置焊缝即可满足要求，不必计算。拼接角钢采用与下弦杆相同截面，肢背处削棱，竖肢切去V=t+5=18mm。按拼接焊缝与杆件等强度原则，接头一侧所需的焊缝计算长度为 拼接角钢所需总长度为=2（+10）+10=2（220+10）+10=470mm3.上弦节点D（见图10） 图10 上弦节点D（单位：mm）各腹杆杆端与节点板的焊缝计算从略，节点板的形状和尺寸如图10所示。上弦肢背塞焊缝承受檩条传来的集中荷载（节点荷载）F，取节点板缩进肢背5mm，=t2=4mm，则肢尖与节点板的焊缝承受弦杆的内力差为=-=-412.3+401.4=-10.9偏心距e=95mm，且节点板长度较大，故可不作计算，按构造要求布置焊缝进行满焊即可满足条件。2. 支座节点。（见图11） 图11 支座节点（单位：mm）屋架支撑与钢筋混凝土柱上，混凝土强度为C20，=10为便于施焊，取下弦轴线至支座底板上表面的距离为160mm，并设置图12所示加劲肋。下弦杆端与节点板的焊缝取肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为=6mm和=4mm，则所需焊缝长度为：肢背：故取220mm。肢尖 故按构造取160mm。上弦杆端与节点板的焊缝，由于焊缝长度较大，可不必计算，按构造要求即可。(1)支座底板计算。支座反力为 R=6F=629.3=175.8支座底板尺寸取ab=250mm250mm,采用M22锚栓，并用图示U形缺口。柱顶混凝土的压应力为：=底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算。支座节点板和加劲肋将支座底板分成四块，每块板均为两相邻边固定支撑而另两相邻边自由的板。两支撑边之间的对角线长度为：=170mm两支撑边之间的交点到对角线的垂直距离为：=2=85mm =85170=0.5，查表得=0.058，则M=0.0583.06170170=5129底板所需厚度（按厚度t在1640范围取值）：t=12.3mm故取t=20mm(2)加劲肋与节点板的连接焊缝加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似，如图12所示。 图12 加劲肋计算简图（单位：mm）假定一块加劲肋的受力为屋架支座反力的14，即V=R4=43.95M=加劲肋厚度采用10mm，焊脚尺寸取6mm，焊缝计算长度为=320-152=290mm则焊缝应力为：=25.7=160加劲肋、节点板与支座底板的连接焊缝。图12所示切口宽度为15mm，两条节点板和四条加劲肋焊缝的总长度为:=2（250-10）+4（125-5-15-10）=860mm=22.3=160故满足要求。其余各节点的计算过程从略。 4 结果与结论 从老