30m梯形钢屋架结构设计钢结构计算书.doc

浙江工业大学建筑工程学院 2011/2012学年 短 学期 建筑工程2009级 专业课程设计课程名称： 钢 结 构 设 计 题目： 30m梯形钢屋架结构设计 学生姓名： 段坤朋 学号： 200904160103 班级： 建筑工程2009(1) 指导教师： 赵滇生 2012年6月浙江工业大学建筑工程学院课程设计 30m梯形钢屋架设计目 录1 设计资料22 结构形式与布置32.1 桁架形式及几何尺寸32.2 桁架支撑布置33 荷载计算53.1 恒荷载53.2 活荷载53.3风荷载53.4 荷载组合64 内力计算85 杆件设计95.1 节点板厚度95.2 上弦杆设计95.3 下弦杆设计105.4 竖杆设计115.5 斜弦杆设计135.6 各杆件截面选择146 填板选择167 节点设计177.1 下弦节点c设计177.2 上弦节点B设计187.3 屋脊节点L设计197.4 下弦拼接节点l设计207.5 支座节点a设计217.6 腹杆焊缝尺寸表248 个人总结25参考文献251设计资料1.1 车间平面尺寸为144m30m，柱距9m，跨度为30m，柱网采用封闭结合。车间内有两台15t/3t中级工作制软钩桥式吊车。1.2 屋面采用长尺复合屋面板，板厚50mm，檩距不大于1800mm。檩条采用冷弯薄壁斜卷边Z形钢Z25075202.5，屋面坡度i=l/20l/8。1.3 钢屋架简支在钢筋混凝土柱顶上，柱顶标高9.000m，柱上端设有钢筋混凝土连系梁。上柱截面为400mm400mm，所用混凝土强度等级为C30，轴心抗压强度设计值fc14.3N/mm2。抗风柱的柱距为6m，上端与屋架上弦用板铰连接。1.4 钢材用 Q235-B，焊条用 E43系列型。1.5 屋架采用平坡梯形屋架，无天窗，外形尺寸如下图所示。1.6 该车间建于杭州近郊。1.7 屋盖荷载标准值：(l) 屋面活荷载0.50 kN/m2 (2) 基本雪压 s0 0.45 kN/m2 (3) 基本风压 w0 0.45 kN/m2 (4) 复合屋面板自重 0.15 kN/m2 (5) 檩条自重 查型钢表 (6) 屋架及支撑自重0.12+0. 01l kN/m2 1.8 运输单元最大尺寸长度为15m，高度为4.0m。2结构形式与布置2.1桁架形式及几何尺寸图2.1 桁架形式及几何尺寸起拱50mm，运输单元从中间划分，中间竖杆与左半部分一起运输。图2.3 檩条间跨中位置设置拉条2.2 桁架支撑布置平面屋架在其本身平面内，由于弦杆和腹杆构成了三角形的几何不变铰接体系而具有较大的刚度，但在垂直于屋架平面方向，即屋架平面外，不设支撑体系的平面屋架却不能保持其几何不变。房屋支撑系统的作用，总的来说就是提高结构的整体刚度、发挥结构的空间作用；保证结构的几何稳定性及受压构件的侧向稳定；防止构件在动力荷载作用下产生较大的振动；承担和传递房屋所受水平荷载以及保证安装时的稳定和安全等。因此，支撑系统的合理布置和设计，对房屋工程质量和安全、适用有极其重要的意义。本工程中，支撑总体采用对称布置，同时满足横向支撑间距不能超过60m的规定，在端部对称设置纵向支撑，竖向支撑设置于屋架两端和中部。图2.4 屋架支撑布置及屋架编号3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，取屋面活荷载计算。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）。本工程中屋面坡度i=1/10，计算得到倾角为5.71。3.1恒荷载复合屋面板自重 0.15/cos5.71=0.151kN/m檩条自重 8.3899.8/（100091.5)=0.055 kN/m屋架及支撑自重 0.120.0130=0.42 kN/m合计 0.626 kN/m3.2活荷载屋面活荷载 0.5 kN/m合计 0.5 kN/m3.3风荷载风载体型系数，查表知，迎风面，s=0.6；背风面，s=0.5。风压高度变化系数，本工程地面粗糙度为B类，屋架下弦标高9.00m，坡度为1/10，风压高度变化系数z1,不计风振系数z计算主要承重结构：迎风面：k1=1.0（0.6）1.00.45=0.27 kN/m背风面：k2=1.0（0.5）1.00.45=0.225 kN/m上弦节点风荷载设计值 1=-0.271.5079=3.66 kN/m 2=-0.2251.5079=3.05 kN/m 1、2均小于恒载标准值 0.6261.59=8.45 kN/m，故风荷载不会引起内力变号，故可不考虑风荷载组合。3.4荷载组合3.4.1全跨永久荷载+全跨可变荷载全跨节点荷载设计值：F1=（0.6261.20.51.4）1.59=19.59 kN计算简图如下：图3.1全跨永久荷载+全跨可变荷载计算简图3.4.2全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载设计值：F2=0.6261.21.59=10.14 kN半跨节点可变荷载设计值：F3=0.51.41.59=9.45 kN计算简图如下：图3.2全跨永久荷载+半跨可变荷载计算简图3.4.3全跨屋架支撑自重+半跨屋面结构材料+半跨施工荷载全跨屋架支撑自重节点荷载设计值：F4=0.421.21.59=6.80 kN半跨屋面结构材料节点荷载设计值：F5=（0.151+0.055）1.21.59=3.34 kN半跨施工荷载节点荷载设计值：F6=0.51.59=6.75 kN计算简图如下：图3.3全跨屋架支撑自重+半跨屋面结构材料+半跨施工荷载计算简图 3.4.1荷载组合确定弦杆和腹杆的轴力，3.4.2和3.4.3荷载组合可能会影响屋架跨中部分腹杆的最不利轴力。4.内力计算用结构力学求解器计算得到杆件内力组合表：表1 杆件内力组合表杆件名称组合一（kN）组合二（kN）组合三（kN）计算杆件内力（kN）上弦杆AB0000BC-282.08-244.5-205.48-282.08CD-282.08-244.5-205.48-282.08DE-439.79-373.78-312.88-439.79EF-439.79-373.78-312.88-439.79FG-508.29-420.99-350.56-508.29GH-508.29-420.99-350.56-508.29HJ-517.49-413.66-341.89-517.49JK-528.49-424.65-352.89-528.49KL-528.49-424.65-352.89-528.49下弦杆ac153.66134.34113.07153.66ce372.82320.19268.58372.82eg480.55403.56337.00480.55gj516.41420.83349.25516.41jl482.86366.40298.00482.86斜腹杆aB-241.35-210.99-177.59-241.35Bc187.88161.19135.18187.88cD-150.39-125.50-104.66-150.39De105.74584.4469.77105.75eF-77.06-56.78-46.07-77.06Fg45.2627.5321.2145.26gH-20.90-3.79-0.84-20.90Hj-2.92-18.12-17.78-18.12jk45.2363.7759.5363.77Jk13.9813.9813.9813.98kL60.6779.2174.9779.21竖杆Aa-9.79-9.79-8.445-9.79Cc-19.59-19.59-16.89-19.59Ee-19.59-19.59-16.89-19.59Gg-19.59-19.59-16.89-19.59Jj-29.39-29.39-26.69-29.39Kk-19.59-19.59-19.59-19.59Ll00005.杆件设计5.1 节点板厚度根据支座斜杆内力确定支座节点板和其它节点板的厚度，一般支座节点板较其它节点板厚2mm。本工程中屋架腹杆最大内力为-241.35kN（压）,查表得支座节点板厚度10mm，其他节点板厚度8mm。5.2 上弦杆设计整个上弦杆采用同一截面，按最大内力N=528.49kN（压杆）设计。上弦杆计算长度：在屋架平面内：为节点轴线长度在屋架平面外：根据支撑和内力变化取本工程中l0y / l0x比值在两种组合T形截面的iy/ix值之间，因此应同时选这两种T形截面设计，最后取用钢量较小者。5.2.1 等边角钢设，查表， （b类轴心受压构件），需要的截面积需要的回转半径根据需要的截面积A和回转半径、查型钢表，选用2 L1108，用钢量13.5322=27.064 kg/m， ，。按所选角钢进行验算：，故所选截面合适。5.2.2 不等边角钢，短肢相连 所需截面积A和回转半径、与等边角钢相同，查型钢表选用2 L125808, 用钢量25.102 kg/m ，,。按所选角钢进行验算：， 故所选截面合适。综上，两种截面都合适，但不等边角钢用钢量25.102 kg/m小于等边角钢用钢量27.064 kg/m，所以上弦截面选用不等边角钢2 L125808，短肢相连。5.3 下弦杆设计整个下弦杆采用同一截面，按最大内力N=516.41kN（拉杆）设计。下弦杆计算长度：在屋架平面内：为节点轴线长度在屋架平面外：根据支撑和内力变化取所需截面积：本工程中l0y / l0x比值在两种组合T形截面的iy/ix值之间，因此应同时选这两种T形截面设计，最后取用钢量较小者。5.3.1 等边角钢根据需要的截面积A查型钢表，选用2 L808，用钢量， ，。按所选角钢进行验算： 故所选截面合适。5.3.2 不等边角钢，长肢相连根据需要的截面积A查型钢表，选用2 L100807，用钢量19.312kg/m， ，。按所选角钢进行验算： 故所选截面合适。综上，两种截面都合适，但不等边角钢用钢量19.312 kg/m小于等边角钢用钢量19.316 kg/m，所以下弦截面选用不等边角钢2 L100807，长肢相连。5.4 竖杆设计除中间竖杆Ll为零杆外，其余竖杆内力相差不大，所以除Ll外，其余竖杆采用同一截面，以轴力最大-29.39kN的Jj杆进行设计。5.4.1 Jj杆设计计算长度：在屋架平面内：在屋架平面外：查表，该杆件的容许长细比所需回转半径：根据所需回转半径、，查型钢表，选用等边角钢2 L454(规范规定所选角钢不能低于L454)，。按所选角钢进行验算：对于单角钢或双角钢组成的T形截面杆件，在计算其绕对称轴整体稳定时，应采用计及扭转效应的长细比，即用取代原来的计算。，所以，查表，故所选截面合适。5.4.2 Kk杆验算Kk杆为K形腹杆体系的竖杆，在桁架平面外侧向支承点的间距为节间长度的2倍、两节间的轴心压力有变化时，规范规定计算长度按下式计算 ，查表，所选截面合适。5.4.3 Ll杆设计零杆截面只需根据刚度条件选择，采用等肢双脚钢十字形截面。桁架的竖杆按压杆考虑，容许长细比为200，则十字形截面所需回转半径为查型钢表，选用 L454，所以竖杆Ll采用2 L454角钢。5.5 斜杆设计5.5.1 aB杆设计内力(压杆)计算长度：选用2 L90567不等边角钢，长肢相并，。按所选角钢进行验算： 故所选截面合适。5.5.2 Bc杆设计内力(拉杆)计算长度：所需截面面积根据所需界面面积，查型钢表，选用2 L564等边角钢，。按所选角钢进行验算： 故所选截面合适。5.6各杆件的截面选择如下表：表2 各杆件界面选择杆 件计算内力(N)几何长度(mm)计算长度(mm)截面规格截面面积(cm2)回转半径(mm)长细比容许长细比稳定系数验算强度N/An或整体稳定N/(min A)填板数量名称编号l0xl0yAixiyxy(yz)min上弦杆 AB01357135727142L125808（短肢相并）31.982.516.0054.041.11501 BC-282.0815071507301466.150.21500.774114.01 CD DE-439.7915071507301466.150.21500.774177.71 EF FG-508.2915071507301466.150.21500.774205.31 GHHJ-517.4915071507301466.150.21500.774209.11JK-528.4915071507301466.150.21500.774213.51KL下弦杆ac153.662850285028502L100807（长肢相并）24.6023.163.3990.284.135062.51ce372.8230003000300094.984.5350151.51eg480.5530003000300094.984.5350195.31gj516.4130003000300094.984.5350209.91jl482.8630003000300094.984.5350196.31斜腹杆aB-241.352120212021202L90567（长肢相并）19.7602.862.3474.090.61500.617197.91cD-150.3924481958.424482L70513.752.163.1690.777.51500.616177.62eF-77.0626922153.6269299.785.21500.557100.62gH-20.9029462356.82946109.193.21500.54927.72Hj-18.1229462356.82946109.193.21500.54924.02Bc187.8822191775.222192L5648.7801.732.59102.685.7350214.02De105.7524481958.42448113.294.5350120.42Fg45.2626922153.62692124.5103.935051.52jk63.7721161692.8211697.881.735072.62Jk13.9819161532.8191688.674.035015.92kL79.2121121689.6211297.781.535090.22竖杆Aa-9.791500150015002L4546.9721.382.1687.068.11500.64121.91Cc-19.59178514281785103.579.91500.52253.81Ee-19.59208516682085120.992.41500.43165.23Gg-19.59238519082385138.31051500.35479.43Jj-29.39268521482685155.7126.41500.286147.44Kk-19.59134310741286155.777.81500.70040.11Ll029852149.62687194.6115.820016.填板选择由双脚钢组成的T形或者十字形截面的杆件，为了保证两个角钢共同工作，两脚刚间需要足够的连系。做法是每隔一定的距离两脚刚间加设填板。填板由构造决定，应比角钢肢宽（十字形截面则缩进）1015mm以便焊接。填板间距，对压杆取，拉杆取，式中i为一个角钢的回转半径，回转半径所对应的形心轴在T形双脚钢中为y-y轴，在十字形双脚钢中为最小轴x-x轴。填板数量布置已填于表2。7.节点设计7.1 下弦节点c设计图7.1 下弦节点c用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。设“Bc”杆的肢背和肢尖焊缝长度分别为，则所需的焊缝长度为肢背：，加，取160mm。肢尖：，加，取70mm。设“cD”杆的肢背和肢尖焊缝长度分别为，则所需的焊缝长度为肢背：，加，取90mm。肢尖：，加，取50mm。“Cc”杆内力较小，焊缝内力尺寸可以按构造选择，取。从而确定节点板尺寸395275mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为39.5m，。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，受力较大处的肢背出的焊缝应力为:焊缝强度满足要求。7.2 上弦节点B设计图7.2 上弦节点B设“aB”杆的肢背和肢尖焊缝长度分别为，则所需的焊缝长度为肢背：，加，取90mm。肢尖：，加，取80mm。设“Bc”杆的肢背和肢尖焊缝长度分别为，则所需的焊缝长度为肢背：，加，取160mm。肢尖：，加，取70mm。从而确定节点板尺寸395300mm，则计算长度弦杆相邻节间内力差偏心弯矩则 焊缝强度满足要求。7.3 屋脊节点L设计图7.3 屋脊节点L上弦杆采用拼接角钢采用2L125808，拼接角钢采用相同的角钢，热弯成型，角焊缝，按轴心受压等强度设计。拼接角钢全截面承载力为上弦杆与拼接角钢之间在接头一侧的焊缝长度为，加，取220mm。实际拼接角钢总长为。拼接角钢竖肢需切肢，则竖肢切去的。 切肢后剩余高度。上弦肢尖与节点板的连接焊缝按上弦内力的15%计算。角钢肢尖角焊缝的焊角尺寸，则计算长度，偏心弯矩则 焊缝强度安全。7.4 下弦拼接节点l设计跨度为30m的屋架可分为两个运输单元，在跨中节点采用工地焊缝拼接。左半边的弦杆和腹杆与节点板连接用工厂焊缝，而右边的弦杆和腹杆与节点板连接用工地焊缝。下弦杆为2L100807，拼接角钢与下弦用相同规格，下弦杆与拼接角钢之间的角焊缝的焊角心寸采用，则竖肢切去的。 图7.4 下弦拼接节点l下弦杆件与拼接角钢之间在接头的一侧焊缝长度为：拼接角钢长度，拼接角钢长度取400mm。下弦杆与节点板的连接杆件内力的15%计算。设肢背焊缝的焊角尺寸，则焊缝长度为：，加，取50mm。设肢尖焊缝的焊角尺寸，则焊缝长度为：，加，取40mm。7.5 支座节点a设计设“aB”杆的肢背和肢尖焊缝长度分别为，则所需的焊缝长度为肢背：，加，取130mm。肢尖：，加，取70mm。设“ac”杆的肢背和肢尖焊缝长度分别为，则所需的焊缝长度为肢背：，加，取90mm。肢尖：，加，取60mm。“Aa”杆内力较小，焊缝内力尺寸可以按构造选择，取。从而确定节点板尺寸376380mm。图7.5 支座节点a为便于施焊，下弦杆肢背与支座底板顶面的距离取155mm，锚栓用2M20，栓孔位置尺寸如图。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋高度和节点板高度相等。A 支座底板计算支座反力 支座底板平面尺寸 柱截面尺寸柱顶混凝土的抗压强度：支座底板的厚度按屋架反力作用的弯矩计算，式中，查表得，则 底板厚度，取B加劲肋与节点板的连接焊缝假定一块加劲肋承受屋架支座反力的四分之一，即。焊缝受剪力，弯矩，设焊缝，焊缝计算长度焊缝应力满足要求。C 支座节点板、加劲肋与底板的连接焊缝假定焊缝传递全部支座反力，支座节点板与底板的连接焊缝长度为则，采用。每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为则，采用。7.6 腹杆焊缝实际尺寸表表3 腹杆焊缝尺寸表杆件肢背肢尖（mm）实际焊缝长度（mm）（mm）实际焊缝长度（mm）aB101356135cD61056105eF51055105gH51055105Hj51055105Bc4135584De484585Fg450430jk484484Jk484484kL470440Aa480480Cc480480Ee480480Gg480480Jj480480Kk480480Ll4804808.个人总结第一次通过自己查阅各种相关规范进行学习和设计，这是不同于课本学习的