电大本科钢结构毕业设计.pdf

一、设计任务书一、设计任务书 （一）题目（一）题目 单层厂房钢屋盖 （二）设计要求（二）设计要求 1、屋盖支撑布置说明布置原则、依据。 2、设计一个普通钢屋架：节点荷载计算、杆件内力计算、杆件内力组 合、杆件截面 、截面设计四个点型节点，附全部计算书。 3、绘制施工图：内容包括支撑布置图，屋架结构图图中注明计算内力 和选定的截面，支座节点、上弦一般节点、下弦拼接接点、屋脊节点。 （三）设计资料（三）设计资料 1、钢屋架跨度为 24m，屋架间距 b=6m，屋架支座高度 H0=2m，屋架坡 度 i=1/12，屋架上弦节间长度 d=3m。 2、屋面采用 1.5m*6.0m，预应力钢筋混凝土屋面板和卷材屋面（由二 毡三油防水层， 2cm 厚水泥砂浆找平层及 8cm 厚的泡沫混凝土保温层组成） 。 屋架坡度 i=1/12，屋架选用梯形钢屋架，跨中高度 H=3.25m，屋架简支在 钢筋混凝土柱顶上，上柱截面取为 400mm*400mm，混凝土标号为 C20，当地 基本雪压为 0.7KN/m2,钢材采用 Q235，B 级，焊条采用 E43 型，手工焊。 屋架上弦平面利用屋面板，用埋固的小钢板和上弦杆焊住，代替水平 支撑，在屋架下弦平面的端部及两侧面端面布置水平及竖直支撑。 3、屋架计算跨度：l0=24m-2*0.15m=23.7m。 4、跨中及端部高度，此设计为无檀屋盖方案，采用平板梯形屋架，取 屋架在 24m 轴线处的端部高度 h0=2.0m，屋架的中间高度 h=3m，则屋架在 23.7m 处， 两端的高度 h0=2.0125m， 屋架跨中起拱按 l0/500 考虑， 取 48mm。 （四）设计依据（四）设计依据 1、 建筑结构荷载规范GB50009-2010 2、 钢结构设计规范GB50017-2010 3、 建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001 4、 建筑抗震设计规范GB5011-2010 5、 冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002 二、设计计算书二、设计计算书 （一）结构形式与布置（一）结构形式与布置 屋架形式及几何尺寸见附图1 根据厂房长度取 84m60m，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， 设水平支撑的规格与中间柱网的支撑的规格有所不同，在所有柱间的上弦 平面布置了刚性与柔性系杆，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，于是屋架跨中和两端各设一道垂直支梯，梯形钢屋架支撑布 置附图1 所示。 （二）荷载计算（二）荷载计算 1 1、恒载标准值：、恒载标准值： 防水层（二毡三油上铺小石子）0.35 KN/m 2，沿屋面坡向分布。 找平层（20mm 厚水泥砂浆）0.4 KN/m 2，沿屋面坡向分布。 保温屋（8cm 泡沫混凝土）0.45 KN/m 2，沿屋面坡向分布。 预应力混凝土屋面板（包括灌缝）1.4 KN/m 2，沿屋面坡向分布。 屋架自重（包括支撑）按经验公式计算 I=0.12+0.011L=0.12+0.011*24=0.38 KN/m 2，沿水平投影面分布。 2 2、活荷载标准值：、活荷载标准值： 屋面均部活荷载（不上人的屋面）0.7 KN/m 2，沿水平投影面分布。 雪载 S=S0（因屋面与水平面的倾角=arctan1/12=4.7615，故屋面 积雪分布系数=1.0） 。 风载：因=4.7615，风载体型系数=对屋面为吸力，故可不考虑风 载影响。 屋面荷载与雪荷载不会同时出现，计算时取较大荷载标准值进行计算， 因二者均为 0.7 KN/m 2，故可取其一，如屋面活荷载 0.7 KN/m2进行计算。 荷载计算如表1 表1荷载计算表 荷载名称计算式 标准值 KN/m 2 设计值 KN/m 2 备注 防水层（二毡三油上 铺小石子） 0.350.42沿屋面坡向分布 水 泥 砂 浆 找 平 层 （20mm 厚） 0.02*200.40.48沿屋面坡向分布 泡沫混凝土保温层 （80mm 厚） 0.450.48沿屋面坡向分布 预应力混凝土屋面板 （含灌缝） 1.41.68沿屋面坡向分布 屋架和支撑自重0.12+0.011*240.380.46沿水平分布 恒载总和2.983.58 屋面均布活荷载0.70.98沿水平面分布， 计 算中取二者中的 较大值 雪荷载0.70.98 可变荷载总和0.70.98 注：由于屋面坡度不大，对荷载的影响较小，未予考虑。风荷载为吸 力，重屋盖可不考虑。 3、荷载计算及汇总表？ 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 F=（3.56+0.98）*3*6=82.08KN （2）全跨永久荷载+半跨可变荷载 全跨节点永久荷载：F1=3.58*3*6=64.44KN 半跨节点可变荷载：F2=0.98*3*6=17.64KN （3）全跨屋架（包括支撑）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载： 全跨节点屋架自重：F3=0.46*3*6=8.24KN 半跨节点屋面板自重及活荷载：F4=（1.68+0.46+0.98）*3*6=56.16KN （1） 、 （2）为使用节点荷载情况。 （3）为施工阶段荷载情况。 （三）内力计算（三）内力计算 屋架上三种荷载作用下的计算简图如图1 所示： （a）全跨永久荷载+全跨可变荷载 （b）全跨永久荷载+半跨可变荷载 （c）全跨屋架及支撑自重+半跨屋面板自重及活载 图图-1-1 屋架计算简图屋架计算简图 1、 用图解法或数个解法解得 F=1 的屋架的内力系数分别求出 （a） 、（b） 、 （c）三种情况屋架杆件的内力。 2、 然后将求出各种荷载情况下的内力进行组合， 计算结果如表-2 所示。 屋顶上弦杆除了承受轴心压力外，尚承受节点间集中荷载而产生的弯 矩。其值为： 第一节点：M=0.8M0=0.841.043/4=24.62KNM 中间节点：M=0.6M0=0.641.043/4=18.47KNM 中间节点：M=-0.6M0=-18.47KNM 在全跨恒载和全跨活载作用下，屋顶弦杆、竖杆和靠近支座斜杆的内 力均比较大，在屋架及支撑自重和半跨屋面板与活载作用下，靠近跨中的 斜杆的内力可能发生变号。 （四）杆件设计（四）杆件设计 1、上弦杆 按受力最大的弦杆设计，沿跨度全长载面保持不变。 上弦杆 DE 为压弯杆件：N=972.65KN M=18.47 KNM lox=3000mm，loy=1500mm（由于上弦杆和屋面板埋设小钢板并牢固焊 接，可代替水平支撑，故上弦杆平面外的计算长度 loy=1500mm） 腹杆最大内力 N=574.56KN，查表得，中间节点板厚度选用 12mm，支座 节点板厚度选用 14mm。 设=90 查 Q235 钢的稳定系数表，可得=0.621，b 类载面则所需载 面面积为：7285 215621. 0 1065.972 3 f N A 需要的回转半径：ix= lox/=3000/90=33.3mm iy= loy/=1500/90=16.67mm 根据需要 A， ix， iy 查角钢规格表， 选用 216014， 肢背间距 a=12mm， 则：A=43.32=86.6cm 2 W1x=234.42=468.8cm 2 W2x=90.952=181.9cm 2 ix=4.92cmiy=7.07cm x= lox/ ix=3000/49.2=61.0y= loy/ iy=1500/70.7=21.2 =（x，y）max=61.0 满足长细=150 的要求，查得=0.801，则 =MPa A N 52.143 106 .86801. 0 1056.995 2 3 215Mpa （1）按公式验算弯距作用内的稳定性 查表得载面塑性发展系数 y1x=1.05y2x=1.2 NEX=KN EA 6 .4105 0 .61 1014.751006. 2 2 252 2 2 此处节点间弦杆相当于两端支撑有端弯距和横向荷载同时作用，使构 件产生反向曲率的情况，根据规范等效弯距系数m =0.85 将以上数据代入下式验算作用平面内的稳定性： )56.410/65.9728 . 01 (108 .46805. 1 1047.1785. 0 106 .86801. 0 1065.972 /8 . 01 ( 3 6 2 3 E m NNWy M A N =179.6N/mm2f=215N/ mm2 对于这种 T 形载面压弯杆件，还应验算载面另一侧，即 )/25. 11 2 E m NNW M A N （ = )6 .4105/65.97225. 11 (109 .18105. 1 1047.1885. 0 106 .86 1065.972 3 6 2 3 =4.5N/ mm 2 =06.12096.114=5.1N/ mm 2f=215N/ mm2 所以可保证弦杆弯距作用平面内的稳定性。 （2）按下式验算弯距作用平面外的稳定性： y=loy/ iy=1500/70.7=21.2mm=150，查表得=0.966 对于双角钢 T 形载面的整体性系数： 96. 0 235 235 2 .210017. 01 235 0017. 01 f b 将以上数据代入下式验算作整体稳定性 3 6 2 3 1 108 .46896. 0 1047.1885. 0 106 .86966. 0 1065.972 W M A N b m =116.27+34.9=151.2N/mm 2 f=215 N/mm 2 所以可保证弯距作用平面外的稳定性。 （3）强度验算： 由于上弦杆两端得弯距比较大，同时 W 2 较小，因此，需按下式验算节 点负弯距载面无翼缘一边的强度： 3 6 2 3 2 109 .1812 . 1 1047.18 106 .86 1065.972 z W M A N =112.3+84.6=196.9N/mm 2 f=215 N/mm 2 因 BC，CD，DE 的弯距值和 Efd 相同，而轴心力均小于 EF，为了简化制 造工作，故用 EF 相同的载面尺寸而不必验算。 上弦杆 AB，N=0，M=24.62KNm 3 6 2 109 .1812 . 1 1062.24 z W M =112.8 N/mm 2f=215 N/mm2 2、下弦杆 按轴心拉杆设计，沿全长截面不变，截面采用等肢角钢拼合，最大设 计拉力： Nma=927.5KN lox=600cmloy=1200cmA= 2 3 10215 105 .927 f N =43.14cm 2 选用 210012，A=22.82=45.6cm2 可满足要求。 ix=3.03cmx= lox/ ix=600/3.03=198.02=350 由于此屋顶不受动力作用，故可反验算在竖直平面内的长细比。 3、斜腹杆 （1）端斜腹杆 Ab N=-574.56KNlox=loy=3631cm 因为 Lox=Loy，故采用不等肢角钢，长肢相并使 LoxLoy，选用 216010010，则 A=225.3=50.6 cm2ix=5.14cmiy=4.05cm 65.895 .401 .36364.7014. 51 .363iyloxixlox， 65.89max y， 满足长细比 则的要求，查得623. 0150 2 3 106 .50623. 0 1056.574 A N =182.3Mpa215Mpa 所选截面合适。 （2）其它斜腹杆 Bb：N=357.87KN，lox=0.8loy=300cmloy=3750cm 选用 2806，则 A=29.4=18.8cm 2， ix=2.47cm， iy=3.73cm ，54.10073. 337546.12147. 2300 iy lox y ix lox 46.121max y， 满足长细 2 3 108 .18 1087.375 150 A N 的要求，则 =190.4Mpa215Mpa bD：N=-205.2KN，lox=0.8loy=325.6cmloy=407cm 选用 2907，则 A=212.3=24.6cm 2， ix=2.78cm， iy=4.14cm 31.9814. 440712.11778. 26 .325 iy loy y ix lox ， 12.117max y， 满足长细比， 则的要求，查得453. 0150 2 3 106 .24453. 0 102 .205 A N =184.14 Mpa215Mpa 所选截面合适。 Dc：N=85.52KN，lox=0.8loy=325.6cmloy=407cm 选用 2805，则 A=27.91=15.58cm 2， ix=2.48cm， iy=3.71cm 31.9871. 340712.11748. 26 .325 iy loy y ix lox ， 12.117max y， 满足长细比， =150 的要求，则 2 3 1058.15 1052.85 A N =54.89Mpa215Mpa 所选截面合适。 4、竖杆 （1）端竖杆 Aa N=-41.04KN，lox=201.25cmloy=201.25cm 由于杆件内力较小，按 =150 选择 ix= lox/=201.25/150=1.34cm，iy= loy/ iy =201.25/150=1.34cm 查表，选截面的 ix，iy 较上述计算值略大， 选用 2634，则 A=24.98=9.96cm 2， ix=1.96cm， iy=3.02cm 64.6602. 325.20168.10296. 125.201 iy loy y ix lox ， 68.102max y， 满足长细比， 则的要求，查得538. 0150 2 3 1096. 9538. 0 1004.41 A N =76.6Mpa215Mpa所选截面合适。 表表-2-2 屋架构件内力计算及内力组合表屋架构件内力计算及内力组合表 杆件名称 内力系数（Fi=1) 第一种组合 F 第二种组合 全跨 左半跨 右半跨 F1+ F2 F1+ F2 F3+ F4 上弦 AB000000 BC9.3773.4769.32727.28663.78470.33 CD9.427.053.5773.19731.39668.76473.55 DE11.857.95.85972.65902.97866.81541.31 下弦 ab5.94.61.97484.27461.34414.95306.95 bc11.38.54.78927.5870.17812.49545.2 斜腹杆 aB75.672.41574.56551.1493.59376.11 Bb4.363.051.9357.87334.76314.47207.21 bD2.51.321.75205.2184.38191.9794.73 Dc0.70.251.4257.449.5270.1619.81 竖杆 Aa0.50.501.0241.0432.2232.2 Cb1.01.0082.0282.0864.4464.4 Ec0.02001.641.291.290.16 表表-3-3 各杆件内力及截面选择表各杆件内力及截面选择表 构件设计内力计算长度（cm) 截面形式 和规格 截面面 积 （cm 2) 截面抵 抗矩 （cm 3) 回转半径长细比 编号N(KN)M(KNm)loxloyix(cm)iy(cm)x 上 弦AB024.62300150 2 160 1486.6468.84.927.0761 杆 BC 769.3218.47300150 2 160 1486.6468.84.927.0761 CD 773.1918.47300150 2 160 1486.6468.84.927.0761 DE 972.6518