钢结构课程设计(1).doc

目 录一钢结构课程设计任务书1二钢结构课程设计计算书31 支撑布置32 荷载计算43 内力计算64 杆件设计75 节点设计18三 附图1钢屋架施工图2钢屋架节点详图和材料表一、 钢 结 构 课 程 设 计 任 务 书一、设计资料1、结构形式某厂房跨度为21m，总长90m，柱距6m，采用梯形钢屋架、1.56.0m预应力混凝土大型屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400400，混凝土强度等级为C30，屋面坡度为。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为7度，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、 屋架形式及选材屋架形式、几何尺寸及内力系数如附图所示。屋架采用的钢材及焊条为：1班学号为单号的同学用钢，焊条为型，学号为双号的同学用钢，焊条为型；2班学号为单号的同学用钢，焊条为型，学号为双号的同学用钢，焊条为型。3、荷载标准值（水平投影面计） 永久荷载： 三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4 KN/m2 水泥砂浆找平层 0.4 KN/m2 保温层 0.65KN/m2(按附表取) 一毡二油隔气层 0.05 KN/m2 水泥砂浆找平层 0.3 KN/m2预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2屋架及支撑自重：按经验公式计算： KN/m2悬挂管道： 0.15 KN/m2 可变荷载：屋面活荷载标准值： 雪荷载标准值： 0.35KN/m2积灰荷载标准值： 1.0 KN/m2(按附表取)二、设计内容1、计算书部分进行桁架支撑布置，画出屋架结构及支撑的布置图；选择钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目的要求；进行荷载计算、内力计算、内力组合，设计各杆件截面；设计一个下弦节点、一个上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点。2、图纸部分绘制钢屋架施工图（包括桁架简图及材料表）。用铅笔绘制白纸图，尺寸及标注应齐备，满足构造要求。三、设计要求1、计算书可用铅笔等书写，插图应按一定比例绘制，做到眉目清晰，文图配合；2、图纸应符合房屋建筑制图统一标准（GB/T 500012001）和建筑结构制图标准（GB/T 501052001）的要求；3、完成时间：一周。附 图 一 图1.1 21米跨屋架几何尺寸图1.2 21米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值图1.3 21米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值32二、钢结构课程设计计算书1.支撑布置桁架形式及几何尺寸在设计任务书中已经给出，桁架支撑布置如图1.1所示。其中考虑到厂房内有桥式吊车2台150/30t(中级工作制 )，锻锤为2台5t，布置下弦纵向水平支撑。符号说明：SC上上弦支撑；XC下弦支撑；CC垂直支撑;GG刚性系杆；LG柔性系杆2.荷载计算屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面荷载计算。永久荷载标准值三毡四油防水层：0.4 kN/m2水泥砂浆找平层：0.4 kN/m2保温层：0.65 kN/m2一毡二油隔气层：0.05 kN/m2水泥砂浆找平层：0.3 kN/m2预应力混凝土大型屋面板：1.4 kN/m2屋架及支撑自重：(按经验公式)q=0.12+0.11L =0.12+0.01121=0.3510.351 kN/m2悬挂管道：0.15 kN/m2小计：3.701 kN/m2可变荷载标准值：屋面活荷载标准值（大于雪荷载）：0.7 kN/m2积灰荷载标准值：1.0 kN/m2小计：1.7 kN/m2设计桁架时，应考虑以下三种荷载组合：2.1 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=（3.7011.35+1.71.4）1.56=66.39 kN/m22.2 全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载：F1=3.7011.351.56=44.97 kN/m2半跨节点活荷载：F2=1.71.41.56=21.42 kN/m22.3 全跨桁架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载全跨节点桁架自重：F3 =0.3511.21.56=3.79 kN/m2半跨节点屋面板自重及活荷载：F4=（1.41.2+0.71.4）1.56=23.94 kN/m2（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。3.内力计算根据设计任务书中老师给出的F=1 的桁架各杆件的内力系数，然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表3.1。表3.1 桁架杆件内力组合表项目内力系数（F=1）内力组合计算杆件内力/kN全垮荷载左半跨荷载第一种组合F第二种组合第三种组合杆件名称左半跨杆件内力右半跨杆件内力F1+F2F1+F2F3+F4F3+F4上弦杆AB0.000 0.000 0.000 000000BC,CD-7.472 -5.310 -2.162 -495.99 -449.68 -382.25 -155.44 -80.08 -495.99 DE,EF-11.262 -7.339 -3.923 -747.57 -663.54 -590.37 -218.38 -136.60 -747.57 FG,GH-12.180 -6.861 -5.319 -808.51 -694.58 -661.55 -210.41 -173.50 -808.51 下弦杆ac4.100 3.010 1.090 272.16 248.81 207.68 87.60 41.63 272.16 ce9.744 3.663 3.081 646.81 516.55 504.09 124.62 110.69 646.81 eg11.962 7.326 4.636 794.04 694.73 637.11 220.72 156.32 794.04 gg11.768 5.884 5.884 781.16 655.12 655.12 185.46 185.46 781.16 斜腹杆aB-7.684 -5.641 -2.043 -510.06 -466.30 -389.23 -164.17 -78.03 -510.06 Bc5.808 3.960 1.848 385.54 345.95 300.71 116.81 66.25 385.54 cD-4.409 -2.633 -1.776 -292.67 -254.63 -236.27 -79.74 -59.23 -292.67 De2.792 1.222 1.570 185.33 151.70 159.16 39.84 48.17 185.33 eF-1.572 -0.047 -1.525 -104.35 -71.68 -103.34 -7.08 -42.47 -104.35 Fg0.328 -1.039 1.367 21.77 -7.51 44.03 -23.63 33.97 44.03 -23.63 gH0.713 1.913 -1.200 47.33 73.03 6.35 48.50 -26.03 73.03 -26.03 竖杆Aa-0.500 -0.500 0.000 -33.19 -33.19 -22.48 -13.87 -1.90 -33.19 Cc-1.000 -1.000 0.000 -66.38 -66.38 -44.96 -27.73 -3.79 -66.38 Ee-1.000 -1.000 0.000 -66.38 -66.38 -44.96 -27.73 -3.79 -66.38 Gg-1.000 -1.000 0.000 -66.38 -66.38 -44.96 -27.73 -3.79 -66.38 4 杆件设计4.1 上弦杆整个上弦杆采用等截面，按FG，GH杆件的内力最大，作为最大设计值N= -808.51kN=-808510N （受压）上弦杆计算长度a .在行架平面内，为节间轴线长度：lox=150.75cmb .在行架平面外，根据支撑布置内力变化情况，DH间的上弦杆取loy=2150.75=301.5cmAD间的上弦杆取loy=2150.75=301.5cmloy=2lox(loy=3lox),故截面宜选用两个不等边角钢，短肢相并腹杆最大内力N=510.06kN,查表9.6.4，节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度用12mm。设=60查附录4得。需要截面积：需要的回转半径：根据需要的As，ix，iy查角钢规格表，选用2 L1409012A=52.80 cm2ix = 2.536 cmiy =6.81 cm （）满足长细比要求，截面在x和y平面内皆属b类，由于 ，只要求，查表得，。由于支撑节间的间距不同，需验算AD间的上弦杆在行架平面外的稳定性，已知FBC=FCD=495.99kN，查表得=0.772,所选截面满足稳定性要求。4.2 下弦杆整个下弦采用等截面，按最大内力所在的eg杆计算：Nmax=794.04kN=794040 N（受拉）lox= 300cm，由于跨中有通长系杆，两端有下弦纵向水平支撑，loy=750cm 所需截面积为：loy=2.5lox，宜选用两个不等边角钢，短肢相并，选用2L1258012A =46.70cmix =3.95cmiy =6.16cm满足长细比要求。4.3 端斜杆aB杆件轴力：N=-510.06kN=-510060N（受压）计算长度lox=loy=253cm。因为lox=loy，故采用不等边角钢，长肢相并，使ix=iy。设=70，查附录4得，需要的回转半径：根据需要的A，ix，iy查角钢规格表，选用2L140908A=36.08cm2iy=3.63cmix=4.50cm，满足长细比要求， 截面在x和y平面内皆属b类，由于，只求，查附录4，得，所选截面合适。4.4 腹杆4.4.1 Bc杆N=385.54kN=385540N由于lox=0.8l=0.8261.3cm=209.0cm，loy=261.3cm，选用2L806A=18.79cm2，iy=3.65cm， ix=2.47cm，满足长细比要求，且所选截面满足要求。4.4.2 Dc杆N=-292.67kN=-292670Nlox=0.8l=0.8286.4cm=229.14cmloy=286.4cm， 设=100查附录4得,由于lox=loy=261.3cm，选用2L1006A=23.86cm2，iy=4.44cm， ix=3.10cm，由于，只求，查附录4，得，所选截面满足。4.4.3 De杆N=185.33kN=185330N由于lox=0.8l=0.8286.4=229.12cm，loy=286.4m，选用2L506A=11.38cm2，iy=2.48cm， ix=1.51cm，满足长细比要求，且所选截面满足要求。4.4.4 eF杆N=-104.35kN=-104350Nlox=0.8l=0.8312.4cm=249.92cmloy=312.4cm， 设=140查附录4得,选用2L706A=16.32cm2，iy=3.26cm， ix=2.15cm，由于，只求，查附录4，得，所选截面满足。4.4.5 Fg杆Nmax=44.03kN=44030N，Nmin=-23.63kN=-23630Nlox=0.8l=0.8312.4=249.92cmloy=312.4cm， 设=150查附录4得选用2L706（见图4.7，与eF杆一样，为了使角钢型号不要太多，偏于安全的选择已有型号相近的角钢，以下有很多这种情况，并非不懂得选择经济截面）A=16.32cm2，iy=3.26cm， ix=2.15cm，由于，只求，查附录4，得，同时所选截面满足。4.4.6 gH杆此杆最大拉力：Nmax=73.03kN，最大压力：Nmin=-26.03kN设=150,lox=0.8l=0.8339cm=271.2cm；loy=339cm， 选用2L755A=14.82cm2，iy=3.43cm， ix=2.32cm，由于，只求，查附录4，得，同时所选截面满足。4.5 竖杆4.5.1 Aa杆N=-33.19kN=-33190N，lox=loy=200.5cm，内力较小，按选择，需要的回转半径为：查角钢规格表，选用等边角钢2L 506（见图4.6，与De杆一样）A=11.380cm2，iy=2.48cm，ix=1.51cm，只求所选截面满足4.5.2 Cc杆N=-66.38kN=66380N；lox=0.8l=0.8229=183.2cm；loy=229cm内力较小，按选择，需要的回转半径为：查角钢规格表，选用等边角钢2L456A=10.15cm2；iy=2.28cmix=1.36cm，只求所选截面满足。4.5.3 Ee杆N=-66.38kN=66380N； lox=0.8l=0.8259=207.2cm；loy=259cm内力较小，按选择，需要的回转半径为：，查角钢规格表，选用等边角钢2L506（见图4.6，与De杆一样）A=11.38cm2；iy=2.48cm；ix=1.51cm，只求所选截面满足。4.5.4 Gg杆N=-66.38kN=66380N；lox=0.8l=0.8289cm=231.2cm；loy=289cm内力较小，按选择，需要的回转半径为：，查角钢规格表，选用等边角钢2L506（见图4.6，与De杆一样）A=11.38cm2；iy=2.48cm；ix=1.51cm，只求所选截面满足表4.1 杆件截面选择表杆件计算内力/kN截面规格截面面积/cm2计算长度/cm回转半径/cm长细比容许长细比稳定系数应力/(N/mm2)名称编号loxloyixiyxyxy上弦FG、GH-808.51 140901252.800 150.8 301.5 2.54 6.81 59.44 44.27 150 0.810 189.04 下弦eg794.04 125801246.700 300.0 750.0 3.95 6.16 75.95 121.75 350 170.03 斜腹杆aB-510.06 14090836.080 253.0 253.0 4.50 3.63 56.22 69.70 150 0.753 187.74 Bc385.54 80618.790 209.4 261.3 2.47 3.65 84.78 71.59 350 205.18 cD-292.67 100623.860 229.2 286.4 3.10 4.44 73.93 64.50 150 0.768 159.72 De185.33 50611.380 229.4 286.4 1.51 2.48 151.92 115.48 350 162.86 eF-104.35 70616.320 249.9 312.4 2.15 3.26 116.24 95.83 150 0.457 139.92 Fg44.0370616.320 249.9 312.4 2.15 3.26 116.24 95.83 150 0.457 31.68 -23.63gH73.03 75514.820 339.0 339.0 2.32 3.43 146.00 98.83 150 0.322 54.55 -26.03 竖杆Aa-33.19 50610.150 200.5 200.5 1.51 2.48 132.78 80.85 150 0.422 69.11 Cc-66.38 45610.150 183.2 229.0 1.36 2.28 134.71 100.44 150 0.370 176.75 Ee-66.38 611.380 207.2 259.0 1.51 2.48 137.22 104.44 150 0.356 163.85 Gg-66.38 50611.380 231.2 289.0 1.51 2.48 153.11 116.53 150 0.301 193.79 Hh0.00 5070.00 5.节点设计5.1.下弦节点板设计5.1.1 “c”点（见图5.1）用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。设Bc杆（2L806）的肢背和肢尖的焊缝hf=7mm和6 mm，则所需的焊缝长度为：设Dc杆（2L506）的肢背和肢尖的焊缝hf=7 mm和6 mm，则所需的焊缝长度为：Cc杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf=5 mm， 肢背和肢尖的lw=6cm。（）根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为320mm390mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为49cm，hf=6。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，N=646.81kN-272.16kN=374.65kN，受力较大的肢背处焊缝应力为：5.1.2 “e”点（见图5.2）设De杆（2 L 506）的肢背和肢尖的焊缝hf=7 mm和6 mm，则所需的焊缝长度为：设eF（2 L 706）杆的肢背和肢尖的焊缝hf=7 mm和6 mm，则所需的焊缝长度为：Ee杆（2 L 506）的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf=6 mm， 肢背和肢尖的lw=6cm。（）根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为260mm290mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为46cm，hf=6。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，N=794.04kN-646.81kN=147.23kN，受力较大的肢背处焊缝应力为：5.1.3 “g”点（见图5.3）设gH杆（2 L 755）的肢背和肢尖的焊缝hf=5 mm和5 mm，则所需的焊缝长度为：由gH杆可知，Fg杆和Gg杆的内力很小按构造要求确定焊缝尺寸，取hf=5 mm，肢背和肢尖的lw=6cm。（）根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为270mm300mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为30cm，hf=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，N=794.04kN-646.81kN=147.23kN，受力较大的肢背处焊缝应力为：5.2 上弦节点板设计5.2.1 “B”节点（见图5.4）Bc杆（2L 806）与节点板的焊缝尺寸和节点“c”相同。aB（2L140908）杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算, 设aB杆（2 L 140908）的肢背和肢尖的焊缝hf=8 mm和6 mm，则所需的焊缝长度为：为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。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，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力为：上弦杆（ 2L1409012）与节点板间焊缝长度为460mm节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时，槽焊缝肯定是安全的，可不必验算。肢尖焊缝验算如下： 满足。5.2.2 “D”节点（见图5.5）De杆与节点板的焊缝尺寸和节点“e”相同。Dc杆与节点板的焊缝尺寸和节点“c”相同。上弦与节点板间焊缝长度为节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时，槽焊缝肯定是安全的，可不必验算。肢尖焊缝验算如下：满足。5.2.3“E”节点（见图5.6，其它类似节点板都这样设计，如“G”节点“C”节点）Ee杆与节点板的焊缝尺寸和节点“e”相同。由于节点两端的荷载差为0N，仅按构造要求，具体做法请见图5.65.2.4 “F”节点（见图5.7）Fe杆与节点板的焊缝尺寸和节点“e”相同。Fg杆与节点板的焊缝尺寸和节点“g”相同。上弦与节点板间焊缝长度为230mm节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时，槽焊缝肯定是安全的，可不必验算。肢尖焊缝验算如下：满足。5.3.屋脊节点“H” （见图5.8）弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分宽度（一般为t+hf+5mm=27mm）。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊接长度按弦杆内力计算。设焊缝hf=10 mm，则所需焊缝长度为（一条焊缝）；拼接角钢的长度取500mm 2180.47mm+410+20mm=420.94mm。上弦与节点板之间的焊槽，假定承受节点荷载，验算略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算。设肢尖焊缝hf=10mm，节点板长度为40cm,则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为：因桁架的跨度较大，需将桁架分成两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。腹杆Hg与节点板的连接焊缝的计算长度与“g”节点相同。5.4.支座节点（见图5.9）为劣便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距取160mm。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，厚度为12mm。5.4.1