18M跨钢屋架设计钢结构课程设计.doc

钢结构设计课程设计18M跨钢屋架设计土木工程（工程管理）专业本科（四年制）适用 成 绩： 指导教师： 徐晓天 班 级： 土木工程 学生姓名： 滕 达 设计时间： 2014年9月25日 中国海洋大学工程学院土木工程系土木工程教研室一、设计资料1、 青岛地区某金属加工厂厂房总长度90m，跨度为18m.，柱距6m，采用梯形角钢屋架，钢材Q235B，焊条E43型。无檩无天窗屋盖体系，1.56.0m预应力混凝土屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400x400，柱的混凝土强度等级为C30，屋面坡度i=1/10。屋架下弦标高为18m；厂房内设A5级150/30t桥式吊车2台。几何尺寸及内力系数（节点荷载P=1.0作用下杆件的内力）如附图所示。2. 屋架荷载标准值（水平投影面计）屋架及支撑自重：按经验公式q=0.12+0.011L，L为屋架跨度，以m为单位，q为屋架及支撑自重，以KN/m2为单位； 可变荷载：查建筑结构荷载规范GB50009-2012，活荷载与雪荷载不同时考虑，取两者的较大值。不考虑积灰荷载和风荷载的影响。屋面各构造层的荷载标准值：三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4KN/m2水泥砂浆找平层 0.4KN/m2保温层： 0.4KN/m2一毡二油隔气层 0.05KN/m2水泥砂浆找平层 0.3KN/m2预应力混凝土屋面板 1.45KN/m2 左侧为屋架杆件几何尺寸 右侧为屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值二、设计成果1、依据钢结构设计手册建筑抗震设计规范GB50011-2010钢结构设计规范GB50017-2003建筑结构荷载规范GB50009-2012完成屋架支撑布置，杆件及节点设计，形成计算说明书，封面自行设计，A4纸张打印；2、绘制屋架施工详图，支撑布置图，A3纸打印，与计算说明书装订到一起。三、设计过程要求 将学号最后两位除以10后加表中内力系数，即为新内力系数，继续完成后续计算设计。每人一题，避免重复，计算书及图纸相同者均不通过屋架杆件内组合表注：表内负值表示压力：正值表示拉力。 表1杆件名称内力系数(F=1)第一种组 合第二种组合第三种组合计算杆件内力KN全跨左半全跨右半全跨上弦AB0.000.000.00BCD-6.22-4.37-1.85DEF-8.99-5.64-3.36FG-9.10-4.55-4.55下弦ab3.472.540.93bc7.965.332.64cd9.285.313.97斜腹杆aB-6.50-4.75-1.75Bb4.743.161.58bD-3.38-1.86-1.52Dc1.880.541.34cF-0.690.62-1.31Fd-0.46-1.631.17竖杆Aa-0.50-0.500.00Cb-1.00-1.00-1.00Ec-1.00-1.00-1.00Gd0.810.460.4118m钢屋架课程设计（方案）计算书1. 荷载计算1.1 永久荷载三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.41.2=0.48 KN/水泥砂浆找平层 0.41.2=0.48 KN/保温层 0.41.2=0.48 KN/一毡二油隔气层 0.051.2=0.06 KN/水泥砂浆找平层 0.3 1.2=0.36 KN/预应力混凝土屋面板 1.451.2= 1.74KN/屋架和支撑自重 (0.120.011L)1.2=(0.120.01118)1.2=0.382 KN/恒荷载总和 3.982 KN/1.2 可变荷载 不考虑积灰荷载和风荷载的影响活荷载（或雪荷载） 0.71.4=0. 98 KN/ 可变荷载总和 0.98 KN/注：屋面坡度不大，对荷载影响小，未予考虑。风荷载对屋面为吸力，重屋盖可不予考虑。1.3 屋架跨度计算 L=300=（18000300）mm=17700mm 屋架高跨比h/L=2890/17700=1/6.12，符合经济高度要求。1.4支撑布置根据车间长度、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑。考虑到柱网的布置情况，厂房两端的横向水平支撑设在第二柱间。在第一柱间的上弦设置刚性细杆保证安装时上弦的稳定，下弦设置刚性细杆以传递山墙风荷载。在设有横向水平支撑柱间的屋架跨中及两端设三道竖向支撑。1.5 荷载组合屋架设计时，应考虑一下三种荷载组合：使用阶段：全跨永久荷载全跨可变荷载屋架上弦节点荷载：F1=（3.9820.98）1.56KN=44.658KN全跨永久荷载半跨可变荷载F2=3.9821.56KN=35.838KN F2=0.981.56KN=8.82KN施工阶段：全跨屋架和支撑自重半跨屋面板重半跨屋面活荷F3=0.3821.56KN=3.438KNF3=(1.740.98)1.56KN=24.48KN1.6 内力计算根据学号（080142011069）最后两位除以10加表中内力系数为新内力系数，得出下表屋架杆件内组合表注：表内负值表示压力：正值表示拉力。 表1杆件名称内力系数(F=1)第一种组 合第二种组合第三种组合计算杆件内力KN全跨左半全跨右半全跨上弦AB0.000.000.000.000.000.000.000.000.00BCD-13.12-11.27-8.75-585.91-569.60-547.37-321.00-259.31-585.91DEF-15.89-12.55-10.26-709.62-680.07-659.96-361.61-305.79-709.62FG-16.00-11.45-11.45-714.53-674.40-674.40-353.30-353.30-714.53下弦ab10.379.447.83463.10454.90440.70266.74227.33463.10bc14.8612.237.54663.62640.42616.70350.48284.63663.62cd16.1812.2110.87722.57685.55675.73354.53321.72722.57斜腹杆aB-13.4-11.65-8.65-598.42-582.98-556.52-331.26-257.82-598.42Bb11.6410.068.48519.82505.88491.95286.29247.61519.82bD-10.28-8.76-8.42-459.08-445.68-442.68-249.79-241.46-459.08Dc8.787.448.24392.10380.28387.33212.32231.90392.10cF-7.59-7.52-8.21-338.95-205.68-344.42158.00-227.08-344.42Fd-7.36-8.538.07-328.68-339.00-192.59-234.12172.25-339.00竖杆Aa-7.4-7.40.00-330.47-330.47-265.20-206.59-25.44-330.47Cb-7.9-7.9-7.9-352.80-352.80-352.80-220.55-220.55-352.80Ec-7.9-7.9-7.9-352.80-352.80-352.80-220.55-220.55-352.80Gd7.717.367.31344.31341.23340.79206.68205.46344.312.结构形式与布置图 屋架支撑布置图如下图所示。3.杆件计算截面选择：按腹杆最大内力 N=-598.42KN，根据单壁式桁架节点板厚度选用表，选用中间节点板厚度取12mm，支座节点的节点板厚度取14mm。3.1 上弦杆整个上弦杆采用等截面，最不利内力N=-714.53KN。上弦杆计算长度：在桁架平面内，为节间轴线长度：l0x=150.8cm，屋架平面外：l0y=300cm(取两块屋面板宽度)，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并，如下图设=80，查附表17-2，的=0.688A=N/（f）=714.53KN/(0.688215N/mm2)=4830.52mm2需要回转半径：ix=l0x/=150.8/80=1.89, iy=l0y/=300/80=3.75;由iy/ix=3.75/1.89=1.98;根据需要A、的查角钢型钢规格表;选2L1409012，A=5280，=2.54cm、=6.81cm，按所选角钢进行验算：x=Lox /x =150.8/2.54=59.37LOx，截面选用两个不等肢角钢，短肢相并，如下图所示查角钢型钢规格表，选2L140908；A=3600mm2，ix=2.59cm，iy=6.65cm；按所选角钢进行截面验算；x=LOx/ix=300/2.59=115.83=350;y=LOy/iy=885/6.65=133.08=350;N/A=722.57KN/3600mm2=200.71N/mm2215N/mm2.综上，所选截面合适。3.3 斜端杆(aB)杆件轴力：N=-598.42KN;计算长度: LOx=253cm;LOy=253cm;故采用不等肢角钢，长肢相并，如下图所示： 设=80，查附表17-2得=0.688A=N/（f）=598.42KN/（0.688215N/mm2）=4045.57mm2；需要求回转半径：ix=LOX/=253/80=3.16；iy=LOY/=253/80=3.16；查角钢型钢规格表，选2L1409010；A=4460mm2，ix=4.47cm，iy=3.66cm；b2/t=90/10=9截面刚度和稳定性验算： x=LOx/ix=253/4.47=56.60=150;因为b2/t=90.48LOy/b2=0.48253/10=12.14 y=253/3.66=69.13x,所以只求y； min=y=0.752；N/(A)=598.42KN/(0.7524460mm2)=178.42N/mm2215N/mm2;综上，所选截面合适。3.4 斜腹杆bD按内力计算,N=-459.08KN;计算长度:LOx=0.8286.4cm=229.12cm;LOy=286.4cm;截面选用两个等肢角钢;设=80，查表附表7-12得=0.688；A=N/（f）=459.08KN/（0.688x215N/mm2）=3103.57mm2；需要求回转半径：ix=LOx/=229.12/80=2.86；iy=LOy/=286.4/80=3.58；查角钢型钢规格表：选2L9010；A=3440mm2，ix=2.74cm，iy=4.13cm；截面刚度和稳定性验算：x=LOx/ix=229.12cm/2.74cm=83.62=150 ；因为b/t=90.58xLOy/b=0.58286.4/9=18.46；y=286.4cm/4.13cm=69.35；因为yx,所以只求x； min=x=0.665；N/(A)=459.08KN/(0.6653440mm2)=200.68N/mm2215N/mm2;综上，所选截面合适。Bb按内力计算,N=519.82KN;计算长度:LOx=0.8*261.3cm=209.04cm,LOy=261.3cm;截面选用两个等肢角钢;A=N/f=519.82KN/（215N/mm2）=2417.77mm2；需要求回转半径：ix=LOx/=209.04cm/80=2.61cm；iy=LOy/=261.3cm/80=3.27cm；查角钢型钢规格表：为确保所选规格不用太多:选2L9010；A=3440mm2，ix=2.74cm，iy=4.13cm；截面刚度和稳定性验算：x=LOx/ix=209.04cm/2.74cm=76.29=350 ；y=LOy/iy=261.3cm/4.13cm=63.27=350 ；N/(A)=519.82N/(3440mm2)=151.11N/mm2215N/mm2;综上，所选截面合适。3.5 竖杆杆件轴力：Ec杆 N=-352.80KN;计算长度: LOx=0.8259cm=207.2cm，LOy=259cm；截面选用两个等肢角钢;设=80，查表附表7-12得=0.688；A=N/（f）=352.80KN/（0.688x215N/mm2）=2385.07mm2；需要求回转半径：ix=LOx/=207.2cm/80=2.59cm；iy=LOy/=259.0cm/80=3.24cm；查角钢型钢规格表：为确保所选规格不用太多:竖杆与腹杆选用同一规格选2L9010；A=3440mm2，ix=2.74cm，iy=4.13cm；截面刚度和稳定性验算：x=LOx/ix=207.2cm/2.74cm=75.62=150 ；因为b/t=90.58xLOy/b=0.58259.0/9=16.69；y=LOy/iy=259.0cm/4.13cm=62.71=150 ；因为yx,所以只求x； min=x=0.718；N/(A)=352.80KN/(0.7183440mm2)=142.55N/mm2215N/mm2;综上，所选截面合适。4.桁架杆件截面选择杆件截面选择表 表2杆件内 力/KN截 面 规 格面 积/cm2计算长度/cm回转半径/cm应力/(N/mm2)上弦-714.53短肢相并2L140X90X1252.80150.80300.002.546.8159.371500.807167.7下弦722.57短肢相并2L140X90X836.00300.00885.002.596.65133.08350-200.71aB-598.42长肢相并2L140X90X1044.60253.00253.004.473.6669.131500.752178.42Bb519.82T形截面2L90X1034.40209.04261.302.744.1376.29350-151.11bD-459.08T形截面2L90X1034.40229.12286.402.744.1390.101500.620196.92Dc392.10T形截面2L90X1034.40229.12286.402.744.13-350-cF-344.42T形截面2L90X1034.40249.92312.402.744.13-150-158.00Fd-339.00T形截面2L90X1034.40249.92312.402.744.13-150-172.25Aa-330.47T形截面2L90X1034.40199.00199.002.744.13-150-Cb-352.80T形截面2L90X1034.40183.20229.002.744.13-150-Ec-352.80T形截面2L90X1034.40207.20259.002.744.1375.621500.718142.55Gd344.31T形截面2L90X1034.40260.10260.102.744.13-350-5.节点设计本设计采用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。各杆件内力由表1查得，最小焊缝长度应小于8。 5.1 下弦节点b点5.1.1 斜杆Bb与节点的连接焊缝计算:N=519.82KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm.所需焊缝长度为:肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.7519.82103/(20.76160)10=290.74mm,取300mm肢尖：w2=a2N/(20.7hffw)+2hf=0.3519.82103/(20.75160)10=139.24mm，取140mm5.1.2 斜杆bD与节点的连接焊缝计算:N=-459.08KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm.所需焊缝长度为:肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.7459.08103/(20.76160)10=249.10mm,取250mm肢尖：w2=a2N/(20.7hffw)+2hf=0.3459.08103/(20.75160)10=122.97mm，取130mm5.1.3 竖杆Cb与节点板连接焊缝计算：N=-352.80KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm.所需焊缝长度为:肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.7352.80103/(20.76160)10=193.75mm,取200mm肢尖：w2=a2N/(20.7hffw)+2hf=0.3352.80103/(20.75160)10=104.5mm，取110mm5.1.4 下弦杆与节点板连接焊缝计算：焊缝受力为左右下弦杆的内力差N=663.62KN-463.10KN=200.52KN，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm，所需焊缝长度为：肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.7200.52103/(20.76160)10=114.44mm,取120mm肢尖：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.3200.52103/(20.76160)10=54.76mm,取60mm5.1.5节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例绘出节点详图，从而初步确定节点板尺寸为290mm420mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为420mm，=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差N=663.62KN-463.10KN=200.52KN,受力较大的肢背处的焊缝应力为：=0.7200.52103/20.76（420-12）=40.96N/2fw=160N/2综上，焊缝强度满足要求。5.2下弦节点c点5.2.1 斜杆cD与节点的连接焊缝计算:N=392.10KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm.所需焊缝长度为:肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.7392.10103/(20.76160)10=214.22mm,取220mm肢尖：w2=a2N/(20.7hffw)+2hf=0.3392.10103/(20.75160)10=115.03mm，取120mm5.2.2 斜杆cF与节点的连接焊缝计算:N=-344.42KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm.所需焊缝长度为:肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.7344.42103/(20.76160)10=189.39mm,取190mm肢尖：w2=a2N/(20.7hffw)+2hf=0.3344.42103/(20.75160)10=102.26mm，取110mm5.2.3 竖杆cE与节点板连接焊缝计算：N=-352.80KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm.所需焊缝长度为:肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.7352.80103/(20.76160)10=193.75mm,取200mm肢尖：w2=a2N/(20.7hffw)+2hf=0.3352.80103/(20.75160)10=104.5mm，取110mm5.2.4 下弦杆与节点板连接焊缝计算：焊缝受力为左右下弦杆的内力差N=722.57KN-663.62KN=58.95KN，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm，所需焊缝长度为：肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.758.95103/(20.76160)10=40.70mm,取50mm肢尖：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.358.95103/(20.76160)10=23.16mm,取30mm5.2.5节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例绘出节点详图，从而初步确定节点板尺寸为230mm330mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为330mm，=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差N=722.57KN-663.62KN=58.95KN,受力较大的肢背处的焊缝应力为：=0.758.95103/20.76（330-12）=15.44N/2fw=160N/2综上，焊缝强度满足要求。5.3上弦节点B点（如图所示）5.3.1 斜杆Bb与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b中的bB杆计算相同。5.3.2 斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，N=-598.42KN设肢背与肢尖的焊脚尺寸分别为：10mm和6mm。所需焊缝长度为：肢背：w1=a1N/20.7hffw2hf=0.65598.42103/20.71016014=187.65mm,取190mm肢尖：w2=a2N/20.7hffw2hf=0.35598.42103/20.7616014=155.84mm，取160mm5.3.3 上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm，用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，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：(节点板厚度)=12mm=6mm，上弦与节点板间焊缝长度为400mm。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，可不必须验算。肢尖焊缝验算为：弦杆肢尖与节点板得到连接焊缝计算：承担弦杆内力差：N=585.91KN-0KN=585.91KN偏心弯矩为M=Ne=585.91（0.125-0.025）=58.59KNMf=N/20.7hfw2=585.91103/20.710(400-20)=110.13N/mm2f=6M/20.7hfw22=658.59106/20.710(400-20)2=133.76N/2 =155.40Nmm2160Nmm2,满足要求5.3.4 节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为280mm400mm。5.4 屋脊节点“G”（详见下图） 5.4.1 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，并便于施工焊接，需将拼接角钢的尖角削除，且截支垂直肢的一部分宽度(一般为t+5mm)。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。N=-714.53KN，设焊肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则所需焊缝计算长度为(一条焊缝)：Lw=714.53KN/（4x0.7x8mmx160N/mm2）+10mm=209.37mm取210mm;拼接角钢的长度取：2210mm+50=470mm5.4.2 弦杆与节点板的连接焊缝计算：上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定节点荷载，验算从略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，N=714.53KN15%=107.18KN。设焊肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，节点板长度为300mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为：Lw=300/2-5-10=135mm焊缝应力为：f=0.15N/20.7hfw2=107.18103/20.78135=70.89N/mm2f=6M/20.7hfw22=6107.180.1510668.8/20.781352=128.39N/2=126.89Nmm2160Nmm2,满足要求5.4.3 中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=-352.80KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm.所需焊缝长度为:肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.7352.80103/(20.76160)10=193.75mm,取200mm肢尖：w2=a2N/(20.7hffw)+2hf=0.3352.80103/(20.75160)10=104.5mm，取110mm5.5 下弦跨中节点d 5.5.1 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：拼接角钢与下弦杆截面相同，传递内力N=722.57KN。设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为：Lw=722.57KN/（4x0.7x8mmx160N/mm2）+10mm=211.61mm取220mm拼接角钢长度不小于2220mm+10=450mm。肢尖节切去=t+5=8+8+5=21mm,截面削弱A=218=162mm2。A/A=162mm2/1800mm2=9%15%;所以切去部分满足要求；5.5.2 弦杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力的15%计算，N=722.57KN15%=108.39KN。设肢背、肢尖焊脚尺寸为6mm，弦杆一侧需焊缝长度为：肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.75108.39103/(20.76160)10=70.49mm,取80mm肢尖：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.25108.39103/(20.76160)10=30.16mm,焊缝长度按构造要求。5.5.3 腹杆与接点板连接焊接缝计算：5.5.3.1 Fd杆：N=-339.00KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm.所需焊缝长度为:肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.7339.00103/(20.76160)10=186.56mm,取190mm肢尖：w2=a2N/(20.7hffw)+2hf=0.3339.00103/(20.75160)10=100.80mm，取110mm5.5.3.2 Gd杆：N=344.31KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm.所需焊缝长度为:肢背：w1=a1N/(20.7hffw)+2hf=0.7344.31103/(20.76160)10=189.33mm,取190mm肢尖：w2=a2N/(20.7hffw)+2hf=0.3344.31103/(20.75160)10=92.23mm，取100mm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