钢结构课程设计报告.doc

设计资料：北京地区某金工车间。采用无檩屋盖体系，梯形钢屋架。厂房长度为72m，跨度为27m，柱距6m，厂房高度为15.7m。车间内设有两台200/50kN中级工作制吊车，计算温度高于-20。采用三毡四油，上铺小石子防水屋面，水泥砂浆找平层，厚泡沫混凝土保温层，1.5m*6m预应力混凝土大型屋面板。屋面积灰荷载0.3kN/m2，屋面活荷载0.3kN/m2，雪荷载为0.4kN/m2，风荷载为0.45kN/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为400mm*400mm，混凝土标号为C20。要求设计钢屋架并绘制施工图。一、 钢材及焊条1、 钢材选用（1） 结构的重要性对于重型工业建筑结构、大跨度结构、高层或超高层民用建筑结构和重级工作制吊车梁等都是重要的一级结构。（2） 荷载的性质结构构件承受的为静力荷载（3） 连接方法为焊接类型，结构不可避免地会产生残余应力、残余变形及各种焊接缺陷，有导致结构产生裂纹或脆性断裂的危险。（4） 工作环境计算温度高于-20。综上：结构构件承受的为静力荷载在-20，焊接结构，选择Q235B2、 焊条选用对Q235B型钢焊件用E43系列型焊条。二、 钢屋架的外形和几何尺寸1、 屋架外形选用梯形屋架、平行弦2、 几何尺寸（1） 屋架计算跨度 27000-2*150=26700mm（2） 屋架的高跨比H/l应在经济范围内，选择=1/10。（3） 腹杆体系采用节间为3m的人字形式（4） 屋架跨中起拱取fl/50027m轴线处两端高度取1990mm,则屋架26.7m处，两端高度取= 2012.36m。屋架跨中起拱高度f按l/500考虑，取53.4mm。三、 屋架的支撑布置图表 1 屋架单跨尺寸图表 2图表 3 屋架上弦支撑构件图表 4 屋架下弦支撑构件四、 荷载计算屋面荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的雪荷载与积灰荷载同时考虑。则活荷载0.4kN/m2进行计算。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式计算，跨度单位为米（m）。荷载计算表标准值（kN/m2)设计值（kN/m2)荷载名称原值*1.2*1.35*1.4*1.4*0.7预应力混凝土大型屋面板1.41.681.89三毡四油防水层0.40.480.54找平层0.40.480.54泡沫混凝土保温层0.10.120.135找平层0.50.60.675屋架和支撑自重0.41370.496440.558495永久荷载总和3.21373.856444.338495屋面活荷载0.40.560.392积灰荷载(永久控制时乘1.00.30.420.42可变荷载总和0.70.980.812因为，3.85444+0.984.338495+0.812，所以永久荷载起到控制作用，则设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合。1、 全跨永久荷载+全跨可变荷载46.354462、 全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载：39.04646半跨节点可变荷载：7.3083、 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：5.026455半跨节点屋面板自重及活荷载20.538五、 内力计算图表 5 各杆编号图图表 6 全跨内力图图表 7 左跨内力图图表 8 右跨内力图根据sap84计算屋架构件内力组合表如下：杆件名称内力系数第一种组合F*(1)第二种组合第三种组合计算杆件内力（kN)全跨(1)左半跨(2)右半跨(3)F1*(1)+F2*(2)F1*(1)+F2*(3)F3*(1)+F4*(2)F3*(1)+F4*(3)最大拉力最大压力上弦AB0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00BC/CD-9.98-7.50-3.10-462.62-444.49-412.34-204.20-65.75-444.49DE/EF/FG-16.39-11.90-5.63-759.75-726.94-681.12-326.79-198.01-726.94GH/HI/IJ-19.17-12.40-8.48-888.61-839.14-810.49-351.03-270.52-839.14下弦ab5.364.121.56248.55239.48220.79111.5759.0559.05bc13.319.784.42616.98591.21551.99267.85157.62616.98157.62cd18.2412.197.59845.51801.29767.65342.04247.50845.51de17.819.909.90825.57767.79767.79292.91292.91825.57斜腹杆aB-10.07-7.73-2.94-466.79-449.69-414.68-209.38-111.00-449.69Bb7.935.822.64367.59352.17328.93159.3994.08367.59bD-6.48-4.44-2.55-300.38-285.47-253.02-123.76-84.94-285.47Dc4.602.812.25213.23200.15196.0680.8369.33213.23cf-3.51-1.30-2.77-162.70-146.52-157.30-44.24-74.53-157.30fG-2.70-0.49-2.77-125.16-109.01-125.67-23.64-70.46-125.67Gd0.720.741.8433.3857.0199.9618.8241.4199.96dg1.162.91-2.2053.7766.5629.2265.60-39.3566.56-39.35gJ1.903.65-2.2088.07216.71-11.7184.51-35.63216.71-35.63fE0.730.730.0033.8433.8428.5018.663.6733.84fF-1.00-1.000.00-46.35-46.35-39.05-25.56-5.03-46.35gH0.670.670.0031.0631.0626.1617.133.3731.06gI-1.00-1.000.00-46.35-39.05-39.05-25.56-5.03-39.05竖杆Aa-0.50-0.500.00-23.18-23.18-19.52-12.78-2.51-23.18bC-1.00-1.000.00-46.35-46.35-39.05-25.56-5.03-46.35cE-1.50-1.500.00-69.53-58.57-58.57-38.35-7.54-58.57dH-1.50-1.500.00-69.53-58.57-58.57-38.35-7.54-58.57eJ0.010.080.080.460.980.981.691.691.69六、 杆件设计1、 上弦杆GH/HI/IJ整个上弦杆采用等截面，按GH/HI/IJ杆件的最大设计内力设计，即-888.61kN上弦杆长度：在屋架平面内，为节间轴线长度，即在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起刚性系杆作用，根据支持布置和内力变化情况，取为支撑点间的距离，即根据腹杆的最大内力-463.54，查表2.8得屋架节点板厚度为12mm。屋架支座厚度14mm。假定60，0.807=4723.5mm22.513cm7.54cm选用短肢相并，A=60.2cm2,=2.82cm, =8.76cm验算，=150.8/2.82=53.48=150,=452.4/8.76=34.43=150。，88610/(0.808*6020)=182.6939.32cm2, =2.56cm,=6.84cm=300/2.56=117350=1485/6.84=2173503、 端斜杆aBNaB=-466.79kN253.5cm,选用 ,A=44.6cm2, =2.56,=6.84验算：=253.5/3.08=83.11150,=253.5/4.56=55.11150466790/(0.662*4460)=182.67N/mm2219N/mm2。4、 腹斜杆dg-gJ此杆为再分式桁架腹杆，在g节点处不断开，两段内力不同：最大拉力：Ndg=66.56kN NgJ=100.86kN最大压力：Ndg=39.35kN NgJ=35.63kN在桁架平面内，l0x=224.9cm。在平面外，则按公式计算：=337.35cm选用,A=11.44cm2,1.93cm,3.06。验算；=224.9/1.93=116.53150=337.35/3.06=110.251500.386=39350/(0.386*1144)=89.12N/mm2215N/mm2m5、 竖杆dHNdH=-58.57kN,0.8*304=243.2cm,304cm,内力较小。故应当选用,A=12.28cm2, 1.94cm，3.04cm。验算；=243.2/1.94=125.36150=400.11/3.04=1001500.413=58570/(0.413*1228)=115.48N/mm2215N/mm2m6、 竖杆aANaA=-23.18kN，因为是支座坚杆，所以 201.24cm，因为内力较小，所以按选取。则，201.24/150=1.34cm,按其查表，, A=10.16cm2,1.36,2.36其他各杆的截面设计：名称杆件编号内力（kN)计算长度(cm)截面形式和规格2*截面面积cm2回转半径cm长细比容许长细比（八）稳定系数计算应力N/mm2loxloyixiy八x八y上弦GH/HI/IJ-888.61150.80301.602L160*100*1260.202.828.7653.4834.431500.808182.69下弦de845.51285.001485.002L140*90*1044.602.566.84111.33217.113501189.58斜腹杆aB-466.79253.5253.52L100*1038.63.054.683.1155.111500.662182.67Bb367.59208.64260.802L90*621.202.794.1374.7863.153501173.39bD-300.38229.52286.902L100*623.803.104.5174.0463.611500.726173.84Dc213.23228.72285.902L70*513.742.163.31105.8986.373501155.19cG-162.70208.70313.052L90*621.202.794.1374.8075.801500.72106.59Gd41.56260.08325.102L63*512.281.943.04134.06106.94350133.84dJ100.86224.90337.352L63*614.581.933.06116.53110.251500.44560.65-39.35fE33.84150.64188.302L50*59.601.532.5398.4674.43350135.25gH31.06162.16202.702L50*59.601.532.53105.9980.12350132.35竖杆Aa-23.18201.24201.242L45*610.161.372.36146.8985.271500.32769.76bC-46.35183.20229.002L63*510.161.372.36133.7297.031500.373122.32cE-69.53207.20259.002L63*512.281.943.04106.8085.201500.516109.73dH-69.53243.20304.002L63*512.281.943.04125.36100.001500.413137.10eJ1.69267.20334.002L63*512.281.943.04137.73109.871500.3563.87fF-46.35103.60129.502L45*610.161.372.3675.6254.871500.71763.63gI-46.35121.60152.002L45*610.161.372.3688.7664.411500.63372.08七、 节点设计1、 下弦节点b的设计由腹杆内力计算腹杆内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，即和，然后根据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。用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值=160MPa。设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝=8mm和6mm，则所需的焊缝长度为（按等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）肢背：=0.7*367590/(2*0.7*8*160)= 143.59，取150mm肢尖：=0.3*367590/(2*0.7*6*160)= 82.05，取90mm设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝=8mm和6mm，则所需的焊缝长度为肢背：=0.7*300380/(2*0.7*8*160)= 117.33，取120mm肢尖：=0.3*300380/(2*0.7*6*160)= 67.05，取90mm图表 9 下弦杆节点b“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取=5mm。根据上面求得的的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例给出节点详图（如图表9），从而确定节点板尺寸为350mm*445mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为44.5cm，=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差为=616.98-248.55=368.43kN,受力较大的肢背处的焊缝应力为=0.75*368430/（2*0.7*6*(445-12)）=70.91MPa160MPa该焊缝满足强度要求。2、 上弦节点B的设计 “Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。“aB”杆节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算得=-466.79kN设“aB”杆的肢背和肢尖焊缝=10mm和6mm，则所需的焊缝长度为。=0.7*466790/(2*0.7*10*160)= 145.87mm，取150mm=0.7*466790/(2*0.7*6*160)= 104.19mm，取120mm为了方便在上弦搁置大型屋面板，节点板的上边缘可缩进肢背8mm，用塞焊缝连接，此时，图表 10 上弦B节点设计图=t*0.5=12*0.5=6mm，=460-10=450mm。承受的集中力为P=46.35kN。=12.26N/mm2=160kN/mm2肢尖焊缝承担的弦杆内力差，=462620-0=462620kN，偏心距e=10-3=7cm，则偏心弯矩为=462620*72=33308457.18N/mm2，设=8mm，则=89.79N/mm2=160 N/mm2= 84.33N/mm2=160 N/mm2=113.32 N/mm2=160 N/mm2满足要求。3、 上弦跨中拼接点J的设计弦杆的拼接，采用拼接角钢。为了使拼接角钢在拼接处能紧贴被连接的弦杆和便于施焊。需将拼接角钢削棱切肢。设焊缝高度为=8mm，=12+8+5=25mm。拼接角钢与弦杆的连接焊缝按被连接弦杆的最大内力计算，NIJ=-888.61kN，每条焊缝按以下算法：=247.94mm，取250mm拼接角钢总长度L=2*lw+20=520mm。=12+8+5=25mm，按上弦坡度热弯。计算屋脊处弦杆与节点板的连接焊缝，取=5mm，则需要的焊缝长度为：=31.12mm按图布置节点板长度。图表 11 上弦中跨节点设计图4、 下弦跨中拼接点e的设计将拼接角钢削棱切肢。设焊缝高度为=8mm，=12+8+5=25mm。拼接角钢与弦杆的连接焊缝按被连接弦杆的最大内力计算，Ned=-845.51kN，每条焊缝按以下算法：=235.91mm，取240mm拼接角钢总长度L=2*lw+50=530mm, = =12+8+5=25mm。弦杆较大内力为Ned=-845.51kN