钢结构课程设计计算书.docx

钢结构课程设计设计名称某车间钢屋盖（参数见表）专业班级土木工程131班学 号139044045姓 名何祥指导老师曹现雷日 期 2016.5.2 建筑工程学院土木系制目录 一、评分标准与成绩1二、设 计 任 务 书2三、设 计 计 算 书3一、评分标准与成绩评分标准优（90100分）1、结构布置合理，荷载计算正确，各项技术指标取值合理，内力计算正确，杆件设计较合理，满足“标准”和“规范的要求”。2、应交的图表资料齐全，图纸整洁美观，表格内各项数据计算无误。3、计算书内容齐全，文字流畅，条理清晰，有独立分析问题和解决问题的能力。良（8089分）1、结构布置合理，荷载计算正确，各项技术指标取值合理，内力计算正确，杆件设计合理，满足“标准”和“规范的要求”。2、应交的图表资料齐全，图纸比较整洁美观，表格内各项数据计算无误。3、计算书内容齐全，条理比较清晰，有一定独立分析问题和解决问题的能力。中（7079分）介于条件“良”和“及格”之间者可得：“中”及格（6069分）1、结构布置基本合理，荷载计算基本正确，各项技术指标取值基本上满足“标准”和“规范的要求”。2、交的图表资料基本齐全，绘图及计算质量较差。不及格（60分）1、设计成果是抄袭他人的（或请他人代做）。2、结构布置很不合理，计算错误，图纸内容不全，绘图线条不清晰，图纸潦草，敷衍应付了事。评 定成绩教师签名： 年 月 日 二、设计任务书钢结构设计课程设计任务一、题目普通钢屋架设计。并绘制屋架支撑、檩条布置图和屋架施工图二、工程概况某厂房车间设有两台10吨中级工作制吊车。车间无腐蚀性介质。该车间为单跨双坡封闭式厂房，屋架采用三角形或梯形桁架式钢屋架（见图1），屋架下弦标高9m，其两端铰支于钢筋混凝土柱上，柱截面尺寸为400400，混凝土强度等级为C30。屋面采用压型钢板屋面，C型檩条，檩距为1.2m2.6m。 八节间梯形屋架 八节间芬克式屋架图1 桁架式钢屋架示意图三、设计资料每位学生按表1选取厂房长度、屋架形式、坡度、柱距、跨度和所在地区的雪荷载。屋面恒荷载（包括屋面板、保温层、檩条、屋架及支撑等）取值参考教材2.2.1中规定（如荷载规范规定屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，而采用其中较大者；采用水平投影面上的荷载值作为设计荷载等）。活荷载标准值取0.5kN/mm2；雪荷载取值参考附表1，不考虑风荷载、积灰荷载和积雪不均匀分布情况。结构重要性系数为0=1.0。屋架采用Q235B钢，焊条采用E43型。设计时，荷载组合包括以下二项：a. 恒载+全跨活荷载（或雪荷载）b. 恒载+半跨活荷载（或雪荷载）四、设计内容与要求 1.材料的选择：包括屋架所采用的钢材的品种，螺栓的种类及规格，焊条的型号等。 2.确定屋架的形式，计算屋架各杆的几何尺寸。 3.布置屋架及屋盖支撑，画出屋盖支撑、檩条布置图(1号图纸铅笔图一张)。 4.进行屋架结构设计，提交结构计算书一份。5.绘制屋架施工图(1号图纸铅笔图一张)，其主要内容包括：屋架的正面图，上、下弦平面图，侧面图和设有垂直支撑、系杆处必要的剖面图，正面图中没表示清楚的零件详图、屋架简图、材料表等。6.制图按中华人民共和国国家标准，房屋建筑制图统一标准和建筑结构制图标准。 五、参考资料 (1)建筑结构荷载规范(GB50009-2001) (2)钢结构设计规范(GB50017-2003)(3)建筑结构静力计算手册 (4)钢结构设计手册（上册） 目 录一、设计资料二、屋架形式及几何尺寸三、支撑的布置四、檩条的布置五、材料自重及荷载六、荷载计算七、杆件截面选择八、节点的设计九、填板的计算31一、设计资料：某车间厂房总长度约为72m，跨度为18m。车间设有两台10吨中级工作制吊车。车间无腐蚀性介质。该车间为单跨双坡封闭式厂房，屋架采用梯形桁架式钢屋架。屋面坡度为1:12，屋架间距为7.2m，屋架下弦标高9m，其两端铰支于钢筋混凝土柱上，柱截面尺寸为400400，混凝土强度等级为C30。屋面采用压型钢板屋面，C型檩条，檩距为1.2m2.6m。结构重要性系数为0=1.0。活荷载标准值取0.5kN/m2；雪荷载取基本雪压0.75 kN/m2，不考虑积灰荷载和积雪不均匀分布情况。屋架采用Q235B钢，焊条采用E43型。二、屋架形式及几何尺寸屋架及几何尺寸如图1所示，檩条支承于屋架上弦节点，均为节点荷载。经计算可知，屋架坡角为 = arctan 112 =4.76，檩距为2.258m，水平投影距离为2.250m。图1 屋架形式和几何尺寸三、支撑的布置支撑布置图如图2所示，上、下弦横向水平支撑设置在厂房两端和中部的同一柱间，并在相应开间的屋架跨中设置竖直支撑，在其余开间的屋架下弦跨中设置一道通长的刚性细杆，上弦通过水平支撑在节点处设置一道通长的刚性细杆。在下弦两端设纵向水平支撑。故上弦杆在屋架平面外的计算长度等于横向支撑的节距。支撑的布置见图2。上弦水平支撑布置图下弦水平支撑布置图1 - 1 中部垂直支撑布置图2 - 2 端部垂直支撑布置图图2 支撑的布置图四、檩条布置檩条设置在屋架上弦的每个节点上，间距2.258m。因屋架间距为7.2m，所以在檩条跨中三分点处设两道直拉条。在屋脊和屋檐分别设置斜拉条和撑杆。檩条布置见图3。图3 檩条布置图五、材料自重及荷载已知：彩色压型钢屋面板： 0.15KN/m2 保温层及灯具： 0.15KN/m2 C型檩条自重： 0.10KN/m2 屋架及支撑自重： q=0.12+0.011L=0.318KN/m2 雪荷载（水平投影面）： 0.75KN/m2 活荷载（水平投影面）： 0.5KN/m2六、荷载计算1：永久荷载（恒载）： 彩色压型钢屋面板： 0.15/cos4.76 = 0.151 KN/m2 保温层及灯具 0.15/cos4.76 = 0.151 KN/m2 檩条自重： 0.1KN/m2 屋架及支撑自重： q = 0.318KN/m2 合计： 0.720KN/m2 2：可变荷载（对水平投影面）：（1） 屋面活荷载：0.50 KN/m2（2） 雪荷载标准值：Sk=r S0=0.75 KN/m20.50 KN/m2雪荷载不与屋面活荷载同时组合，仅考虑两者之间中的较大作用。（3） 不考虑风荷载（4） 上弦的集中荷载及节点荷载由檩条传给屋架上弦的节点恒荷载如图4所示，由檩条传给屋架上弦的节点活荷载如图5所示图4 上弦节点恒荷载计算简图图5 上弦节点活荷载计算简图具体计算过程如下：（1） 全跨屋面恒荷载上弦集中恒荷载标准值P1=0.722.257.2=11.664 KN（2） 全跨屋面活荷载上弦集中活荷载标准值P2=0.752.257.2=12.15 KN若由可变荷载组合控制，则上弦节点荷载设计值为1.211.664+1.412.15=31.01 KN若由永久荷载组合控制，则上弦节点荷载设计值为1.3511.664+1.40.712.15=27.65 KN 综上可知，本工程屋面荷载由可变荷载组合控制 3：内力组合：内力组合见表6，假定杆件轴力 拉为正，压为负。 表6 屋架各杆件内力组合表杆件名称杆件编号恒荷载及屋面活荷载半跨屋面活荷载内力组合最不利荷载（kN）内力系数恒荷载内力（kN）活荷载内力（kN）内力系数半跨活荷载内力（kN）1.2恒+1.4活（kN）1.2恒+1.4半跨活（kN）上弦杆1000000002-7.23 -84.33 -87.84 -4.82 -58.56 -224.17 -183.18 -224.17 3-7.23 -84.33 -87.84 -4.82 -58.56 -224.17 -183.18 -224.17 4-8.03 -93.66 -97.56 -4.01 -48.72 -248.98 -180.6 -248.98 下弦杆54.67 54.47 56.01 3.33 40.46 143.78 122.01 143.78 68.18 95.41 99.39 4.91 59.66 253.64 198.02 253.64 斜腹杆7-5.83 -68.00 -70.83 -4.16 -50.54 -180.76 -152.36 -180.76 83.17 36.97 38.52 1.83 22.23 98.29 75.37 98.29 9-1.33 -15.51 -16.16 -1.18 -14.36 -41.24 -38.72 -41.24 10-0.25 -2.92 -3.04 -1.23 -14.94 -7.76 -24.42 -24.42 竖腹杆11-0.50 -5.83 -6.08 -0.50 -6.08 -15.51 -15.51 -15.51 12-1.00 -11.66 -12.15 -1.00 -12.15 -31.01 -31.01 -31.01 130.33 3.85 4.01 0.17 2.07 10.23 7.52 10.23 七、杆件截面选1、上弦杆内力最大的为4杆，N4= -248.98 KN， lox= 225.8cm, loy= 451.6cm。选用短肢相并的不等边角钢2L 100 x 80 x 6，A = 2 x 10.6 = 21.2cm2, 回转半径 ix=2.40cm, iy=4.54cm长细比：x = loxix = 225.82.40 = 94.1 = 150 y = loyiy = 451.64.54 = 99.5 z , yz = y1+0.06 (zy)2 = 99.5*1+0.06 (61.799.5)2 =101.8Max(x, yz)= yz=101.8 查表得 yz = 0.543NminAf = 203.45 * 103 0.543 * 21.2 * 102*215 =0.998 1.0 满足要求。2、下弦杆内力最大的为6杆，N6= 253.64 KN， lox=450cm, loy= 450 cm。选用2L 70 x 6角钢，A = 2 * 8.16 = 16.32cm2, ix=2.15cm, iy=3.11cm受拉杆件的容许长细比 = 350长细比：x = loxix = 4502.15 = 209.3 = 350 y = loyiy = 4503.11 = 144.7 = 350 NAf = 207.26 * 103 16.32 * 102*215 =0.73 1.0 满足要求。3、斜腹杆(1)支座斜腹杆7 N7 = -180.76 KN ， lox = 281.3 cm, loy= 281.3 cm。选用2L 80 x 6 角钢，A = 2 * 9.4 = 18.8cm2, ix=2.47cm, iy=3.51cm长细比：x = loxix = 281.32.47 = 113.9 = 150 y = loyiy = 281.33.51 = 80.1 z , yz = y1+0.16 (zy)2 = 80.1*1+0.16 (5280.1)2 =85.5 = 150Max(x, yz)= x=113.9 查表得 x = 0.471 NminAf = 147.71 * 103 0.471 * 18.8 * 102*215 =0.95 1.0 满足要求。 (2)斜腹杆8， N8 = 98.29KN， lox= 0.8 l=225cm, loy= 281.3 cm。选用2L 45x4角钢，A = 2 * 3.49 = 6.98cm2, ix=1.38cm, iy=2.08cm受拉杆件的容许长细比 = 350长细比：x = loxix = 2251.38 = 163.0 = 350 y = loyiy = 281.32.08 = 135.2 = 350 NAf = 80.32 * 103 6.98 * 102*215 = 0.65 1.0 满足要求。(3)斜腹杆9，N9= -41.24 KN， lox= 0.8 l =244.16 cm, loy= 305.2 cm。选用2L 70x6角钢，A = 2 * 8.16 = 16.32cm2, ix=2.15cm, iy=3.11cm长细比：x = loxix = 244.162.15 = 113.6 = 150 y = loyiy = 305.23.11 = 98.1 z，yz=y1+0.16 (zy)2 =98.1*1+0.16 (45.598.1)2 =101.5Max(x, yz)= x=113.6 查表得 x = 0.472 NminAf = 33.70 * 103 0.472 * 16.32 * 102*215 = 0.25 1.0 满足要求。(4)斜腹杆10，N10= -24.42 KN， lox= 0.8 l= 244.16 cm, loy= 305.2 cm。选用2L70 x 6角钢，A = 2 * 8.16=16.32cm2, ix=2.15cm, iy=3.11cm长细比：x = loxix = 244.162.15 = 113.6 = 150 y = loyiy = 305.23.11 = 98.1 z，yz=y1+0.16 (zy)2 =98.1*1+0.16 (45.598.1)2 =101.5 Max(x, yz)= x=113.6 查表得 x = 0.472 NminAf = 17.45 * 103 0.472 * 16.32 * 102*215 = 0.15 1.0 满足要求。4、竖腹杆(1)竖腹杆11，N11= -15.51 KN， lox= 150 cm, loy= 150 cm。选用2L 45x4角钢，A = 2 * 3.49 = 6.98cm2, ix=1.38cm, iy=2.08cm受压杆件的容许长细比 = 150长细比：x = loxix = 1501.38 = 108.7 = 150 y = loyiy = 1502.08 = 72.12 z，yz = y1+0.16 (zy)2 =72.12*1+0.16 (43.87572.12)2 =76.39Max(x, yz)= x=108.7 查表得 x =0.5008 NminAf = 12.67 * 103 0.5008 * 6.98 * 102*215 =0.21 1.0 满足要求。 (2)竖腹杆12，N12= -31.01 KN， lox= 0.8 l =150 cm, loy= 187.5 cm。选用2L 45 x 4 角钢，A = 2 * 3.49 = 6.98cm2, ix=1.38cm, iy=2.08cm长细比：x = loxix = 1501.38 = 108.7 = 150 y = loyiy = 187.52.08 = 90.1 z，yz = y1+0.16 (zy)2 =90.1*1+0.16 (43.87590.1)2 =93.5Max(x, yz)= x=108.7 查表得 x =0.5008 NminAf = 25.34 * 103 0.5008 *6.98 * 102*215 = 0.411.0 满足要求。 (3)竖腹杆13，N13= 10.23 KN， lox= 0.8 l =180 cm, loy= 225 cm。选用2L45 x 4角钢，A = 2 * 3.49 = 6.98cm2, ix=1.38cm, iy=2.08cm受拉杆件的容许长细比 = 350长细比：x = loxix = 1801.38 = 130.4 = 350 y = loyiy = 2252.08 = 108.2 = 350 NAf = 8.36 * 103 6.98 * 102*215 = 0.07 1.0 满足要求。各杆件截面选择汇总见下表八、节点的设计1、形心距离的确定屋架各杆件的角钢背面的距离Z0如表8所示，表中Z0为杆件重心线至角钢背面的距离。2、腹杆与节点板的连接焊缝 节点板厚度t=6mm，支座处节点板厚度t=8mm(1)斜腹杆7 N7=-180.76 KN，截面规格为2L 80 x 6所需最小焊缝宽度 hf ：hf 1.5t = 1.5*6 = 3.7mm，角钢肢尖处最大焊缝宽度: hf 6 mm,角钢肢背出最大焊缝宽度 : hf 1.2 t = 7.2mm。所以 角钢肢尖和肢背处都取 hf = 5 mm。 所需焊缝长度：肢背：lw1 K1N72 * 0.7 hfffw + 2 hf = 0.7*180.76*1032 * 0.7*5*160 + 2 *5=122.98mm 取 125mm肢尖： lw2 K2N72 * 0.7 hfffw = 0.3*180.76*1032 * 0.7*5*160 =48.42mm 取50mm lw2 = lw2 + 2 hf = 50 + 2 *5=60mm (2) 斜腹杆8N8 = 98.29 KN，取 hf = 4 mm所需焊缝长度：肢背： lw1 K1N82 * 0.7 hfffw + 2 hf = 0.7*98.29*1032 * 0.7*4*160 + 2 *4=84.79mm 取 85mm肢尖： lw2 K2N82 * 0.7 hfffw = 0.3*98.29*1032 * 0.7*4*160 =32.91 15 满足斜腹杆与弦杆夹角为37、43，在3060之间 满足节点板自由边长度lf/t=168/6=2860 满足 N 8力作用下节点板拉剪验算： 1 = 37 2 = 90 3 = 53 l1 = 58mm l2 = 45mm l3 = 55mm 1 = 0.66 2 = 1.00 l3 = 0.76N (iA i)=98.29 * 1030.66 * 58 + 1*45 + 0.76 * 55*6 = 127.78N/mm2f = 215N/mm2压力作用下节点板稳定验算：受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距c=81mm c/t=13.515，可不计算稳定。综上，节点板“D”设计满足要求。（3）有集中荷载的节点节点“A”节点板与上弦角钢肢背采用槽焊缝（满焊）连接，并由此槽焊缝支撑上弦集中荷载P（ P = 25.34 KN）。节点板与上弦角钢肢尖采用双面贴角焊缝连接，承担上弦的内力差N。1 : 槽焊缝验算取槽焊缝宽度hf= 0.5t = 3mm，得 Lw = 430 2*3 = 424mm。 f = P2 * 0.7 hf Lw = 31.01 * 1032 * 0.7 * 3 * 424=17.41N/mm2 ff w = 0.8 * 160=128 N/mm2。由此可见，塞焊缝一般不控制。2 : 上弦肢尖角焊缝验算取角焊缝宽度为hf=5mm，所以得 Lw= 430 2*5 = 420mm，内力差N = -224.17KN，偏心距 e = 60mm，偏心弯矩M = N*e。 f=6M2 * 0.7 hf Lw2 = 6 * 224.17 *103*602 * 0.7 * 5 * 4202 = 65.36 N/mm2f = N2 * 0.7 hf Lw = 224.17 * 1032 * 0.7 * 5 * 420 = 76.24 N/mm2。 ff2+f2=65.361.222+76.242 = 93.18 N/mm2ff w=160N/mm2。3 : 节点板强度及稳定性验算节点板自由边长度lf/t=291/6=48.560 满足 N 8力作用下节点板拉剪验算： 1 = 42 2 = 90 3 = 48 l1 = 73mm l2 = 45mm l3 = 61mm 1 = 0.69 2 = 1.00 l3 = 0.73N (iA i)=98.29 * 1030.69 * 73 + 1*45 + 0.73 * 61*6 = 117N/mm2N7 =147.71KN综上，节点板“A”设计满足要求。节点“B”1 : 槽焊缝验算取槽焊缝宽度hf= 0.5t = 3mm，得 Lw = 150 2*3 = 144mm。 f = P2 * 0.7 hf Lw = 31.01 * 1032 * 0.7 * 3 * 144=51.28N/mm2 ff w = 0.8 * 160=128 N/mm2。2 : 上弦肢尖角焊缝验算N = 0KN，肢尖焊缝按构造满焊即可3 : 节点板强度及稳定性验算 对于有竖腹杆的节点板，c/t =20/6=3.3 15235/fy，可不计算稳定。综上，节点板“A”设计满足要求。节点“C”1 : 槽焊缝验算取槽焊缝宽度hf= 0.5t = 3mm，得 Lw = 330 2*3 = 324mm。 f = P2 * 0.7 hf Lw = 31.01 * 1032 * 0.7 * 3 * 324=22.79N/mm2 ff w = 0.8 * 160=128 N/mm2。2 : 上弦肢尖角焊缝验算取角焊缝宽度为hf=5mm，所以得 Lw= 330 2*5 =320mm，内力差N = -21.81KN，偏心距 e = 60mm，偏心弯矩M = N*e。 f=6M2 * 0.7 hf Lw2 = 6 * 21.81 *103*602 * 0.7 * 5 * 3202 = 10.96 N/mm2f = N2 * 0.7 hf Lw = 21.81 * 1032 * 0.7 * 5 * 320 = 9.74 N/mm2 ff2+f2=10.961.222+9.742 = 13.25 N/mm2ff w=160N/mm23 : 节点板强度及稳定性验算节点板自由边长度lf/t=216/6=36N9 =33.70KN综上，节点板“C”设计满足要求。(4)下弦拼接节点“K”1 : 下弦杆拼角钢计算拼接角钢与下弦角钢使用相同的2L70 x 6角钢，设焊缝宽度宽度为 hf = 5m，为了便于施焊，切去拼接角钢肢尖部分竖肢，切去 = t + hf + 5 = 6 +5+5=16。再切去拼接角钢的直角棱边，所以下弦杆与拼接角钢在接头一侧的的焊缝长度为：Lw= N4 * 0.7 hf ffw + 2hf = 253.64 * 1034 * 0.7 * 5 * 160 + 2 * 5 = 123.23mm取 Lw为145mm，下弦角钢间隙取10，则拼接角钢的长度为 2Lw + 10 = 300mm。2 : 下弦杆与节点板焊缝计算因节点板两端杆件内力差0，所以取一侧内力(207.26KN)的15进行计算。取角焊缝宽度 hf 5，节点板满焊，则：角焊缝长度为Lw= 195 2*5 = 185 mm。肢背焊缝： 0.15 1 N2 * 0.7 hf Lw =0.15 * 0.7 * 253.64 * 1032 * 0.7 * 5 * 185 =20.56 N/mm2ff w=160N/mm2肢尖焊缝：0.15 2 N2 * 0.7 hf Lw =0.15 * 0.3 * 207.26253.64 * 1032 * 0.7 * 5 * 185 = 8.81/mm2ff w=160N/mm2所以下弦跨中节点板满足受力要求。为了便于拼接节点现场施焊，需进行提前定位，在拼接角钢的两侧翼橼板和下弦杆底部布置安装螺栓（5）上弦拼接节点“J”1 : 槽焊缝计算槽焊缝所受的力大小为：P2N4* sin =31.01 2 * 248.98 * sin4.76=-10.31KN因槽焊缝所受的力很小，所以可以不需验算槽焊缝，槽焊缝满焊即可满足受力要求。2：上弦拼接角钢的计算拼接角钢与上弦角钢使用相同规格的2L100 x 80 x 6角钢，设焊缝宽度为 hf = 5m，上弦杆与拼接角钢在接头一侧的焊缝长度为：Lw= N4 * 0.7 hf ffw + 2hf = 248.98 * 1034 * 0.7 * 5 * 160 +2*5 = 121.15mm取Lw 为135mm， b=50，则拼接角钢的长度为2Lw+ 50 = 320mm。3、上弦肢尖与节点板的连接焊缝验算节点板传力为 N = 0.15 N4 = 37.35 KN。取角焊缝长度为hf=5mm，焊缝为满焊，所以Lw=215 2 * 5 =205 mm偏心距e=60mm，偏心弯矩M =N*e。 f=6M2 * 0.7 hf Lw2 = 6 * 37.35 *103*602 * 0.7 * 5 * 2052 = 45.68 N/mm2f = N2 * 0.7 hf Lw = 37.35 * 1032 * 0.7 * 5 * 205 = 26.08 N/mm2 ff2+f2=45.681.222+21.32=45.63N/mm2ff w=160N/mm2所以节点板“J”满足要求。（6）支座节点支座上弦节点 1 : 槽焊缝验算取槽焊缝宽度hf= 0.5t = 3mm，得 Lw = 150 2*3 = 144mm。 f = P2 * 0.7 hf Lw = 15.51 * 1032 * 0.7 * 3 * 144=25.65N/mm2 ff w = 0.8 * 160=128 N/mm2。2 : 上弦肢尖角焊缝验算N = 0KN，取hf= 5mm 肢尖焊缝按构造满焊即可3 : 节点板强度及稳定性验算对于有竖腹杆的节点板，c/t =20/6=3.3 15235/fy，可不计算稳定。综上，支座上弦节点设计满足要求。支座下弦节点为了便于