24米屋架钢结构课程设计.doc

目录设计资料2结构形式与布置3荷载计算5内力计算6杆件设计8节点设计12附件pf程序数据18钢结构课程设计24m跨钢屋架设计计算书一、设计资料：1. 某单层单跨工业厂房，跨度24m，长度102m。2. 厂房柱距6m，钢筋混凝土柱，混凝土强度C20，上柱截面尺寸400x400mm，钢屋架支承在柱顶。3. 吊车一台50T，一台20T，中级工作制桥式吊车（软钩），吊车平台标高12.000m。4. 荷载标准值（1） 永久荷载 三毡四油（上铺绿豆沙）防水层 0.4KN/m2 水泥砂浆找平层 0.3 KN/m2 保温层 0.6 KN/m2 一毡二油隔气层 0.05 KN/m2 预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2 屋架（包括支撑）自重 0.12+0.011L=0.384 KN/m2（2） 可变荷载 屋面活载标准值 0.7 KN/m2 雪荷载标准值 0.35 KN/m2 积灰荷载标准值 0.3 KN/m25. 屋架结构形式、计算跨度及几何尺寸见图1(屋面坡度为1:10)。图1 梯形屋架示意图（单位: mm）6.钢材选用Q235钢，角钢，钢板各种规格齐全，有各种类型的焊条和C级螺栓可供选用。7.钢屋架的制造、运输和安装条件：在金属结构厂制造，运往工地安装，最大 运输长度16m，运输高度3.85m，工地有足够的起重安装设备。二、结构形式与布置（1）屋架形式及几何尺寸如图2所示。图2 屋架形式及几何尺寸（单位mm）（2）屋架支撑的种类有横向支撑、纵向支撑、垂直支撑和系杆。横向支撑：根据其位于屋架上弦平面或者下弦平面，又可分为上弦横向支撑和下弦横向支撑，上弦平面横向支撑对保证上弦杆的侧向稳定性有着重要作用。设计人无数种屋架跨度为24m，室内有悬挂吊车，因此上弦与下弦都需在第一个柱间设置横向支撑，又因为长度为102m，所以应该在跨中增设一道横向支撑，保证横向支撑之间小于60m。纵向支撑：设于屋架的上弦与下弦平面，布置在沿柱列的各屋架端部节间部位，它可以与横向支撑一起形成水平刚性盘，增加房屋的整体刚度，减轻受荷较大的框架所受水平荷载和产生的水平变形对于梯形屋架，纵向支撑设在屋架的下弦的平面。垂直支撑：位于两屋架端部或跨间某处的竖向平面或者斜向平面内，它可以保证屋架侧向整体稳定性，传递纵向所受纵向荷载，对于梯形屋架跨度小于30m，因此只需在屋架两端和跨度中点设置垂直支撑。系杆：在屋架上弦平面，屋架跨中和两端各布置一道通长的刚性系杆，其他结点设通长的柔性系杆；下弦平面，仅在跨中和两端布置通长的柔性系杆。具体支撑形式如图3： 上弦平面下弦平面图3. 1-垂直支撑；2系杆；3上弦横向支撑；4下弦横向支撑；5下弦纵向支 三、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，故取屋面活荷载计算。 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m。 由于坡度为1:10，所以cos约等于1，因此按水平投影面积计算的自重与规范给定的q值基本相同。荷载永久荷载：预应力混凝土大型屋面板 屋架及支撑自重 三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 水泥砂浆找平层 保温层 一毡二油隔汽层 总计 3.761 可变荷载：屋面活荷载 积灰荷载 总计 1.4 设计屋架时，应考虑以下3种荷载组合：(1) 全跨永久荷载+全跨可变荷载全跨节点永久荷载及可变荷载： （2）全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载：半跨节点可变荷载：（3）全跨屋架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载全跨节点屋架自重：半跨节点屋面板自重及活荷载：（1） 、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。四、内力计算屋架在上述3种荷载组合作用下的计算简图见图4所示。由已知得F=1的屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨），然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表1（a）全跨永久荷载与全跨可变荷载（b）全跨永久荷载与半跨可变荷载（F2可左可右）（c）全跨屋架包括支撑、半跨屋面板自重、半跨屋面活荷载（F4可左可右）图4 荷载组合内力计算表格（表1）全跨左半跨右半跨F=46.449KNF1=33.849KNF2=12.60KNF3=4.149KNF4=27.72KN内力控制值FaF1aF2bF1aF2cF3aF4bF3aF4cabcKNKNKNKNKNKN上弦杆AB000000000BC-9.141-6.549-2.593-424.59-391.931-342.086-219.464-109.804-424.590CD-9.141-6.549-2.593-424.59-391.931-342.086-219.464-109.804-424.590DE-14.104-9.425-4.679-655.117-596.161-536.362-319.778-188.219-655.117EF-14.104-9.425-4.679-655.117-596.161-536.362-319.778-188.219-655.117FG-15.833-9.516-6.316-735.427-655.833-615.513-329.475-240.771-735.427GH-15.833-9.516-6.316-735.427-655.833-615.513-329.475-240.771-735.427HI-15.27-7.635-7.635-709.276-613.075-613.075-274.997-274.997-709.276下弦杆ac4.9753.6631.312231.0838214.5526184.93122.179657.00992231.0838ce12.0458.363.685559.4782513.0472454.1422281.7139152.1229559.4782eg15.2289.7115.517707.3254637.8112584.9668332.3699216.1122707.3254gi15.7168.7416.975729.9925642.1075619.8559307.5062258.5527729.9925斜腹杆aB-9-6.627-2.373-418.041-388.141-334.541-221.041-103.121-418.041Bc6.9454.8082.137322.5883295.6621262.0075162.092688.05245322.5883cD-5.456-3.412-2.044-253.426-227.671-210.435-117.218-79.2966-253.426De3.681.8831.797170.9323148.2901147.206567.4650865.08116170.9323eF-2.412-0.672-1.74-112.035-90.111-103.568-28.6352-58.2402-112.035Fg1.064-0.4891.55349.4217429.8539455.58314-9.1405447.463755.58314gH0.0851.6-1.5153.94816523.03717-16.211844.70467-41.643144.70467Hi-1.145-2.5131.368-53.1841-70.4209-21.5203-74.41133.17036-74.411竖腹杆Aa-0.5-0.50-23.2245-23.2245-16.9245-15.9345-2.0745-23.2245Cc-1-10-46.449-46.449-33.849-31.869-4.149-46.449Ee-1-10-46.449-46.449-33.849-31.869-4.149-46.449Gg-1-10-46.449-46.449-33.849-31.869-4.149-46.449Ii2.0391.0191.01994.7095181.8575181.8575136.7064936.7064994.70951五、 杆件设计支座斜杆最大内力设计值N=-418041N，选取中间节点板厚t=10mm，支座结点板厚t=12mm。（1）上弦杆整个上弦采用等截面，按照FG、GH杆件之最大设计内力设计。最大内力：N=-735427N， 上弦杆计算长度 在屋架平面内：l0x=1507.48 mm在屋架平面外：根据支撑布置和内力变化情况。因为，假设，则，故截面宜选用两个等边角钢相并。查附表1.20得，由， 考虑到板厚度为t16mm,且单个面积大于23.75cm2 ，节点板厚度为10mm，由此，查附表2.1得：考虑选用211010等边角钢。所以截面特性为：， 则 由 查附表1.20得， 故，不可。考虑选取212510等边角钢，截面特性为：， 则： 由cm 查附表1.20得， 故， 可。（2）下弦杆下弦杆属于轴心受拉杆件，截面按受力最大的部位g-i节间选用。最大内力为：在屋架平面内： 在屋架平面外： 假设，则，故截面宜选用两个不等边角钢长边相并。截面选择， 考虑到板厚度为t16mm,且单个面积大于16.97cm2 ，节点板厚度为10mm，由此，查附表2.3得：考虑选用21258010等边角钢。所以截面特性为：，可。（3）端斜杆aB最大内力：N=-418041N， 上弦杆计算长度 在屋架平面内：l0x=0.82442.1 =1953.68mm在屋架平面外：l0y=2442.1 mm 。因为，假设，则，故截面宜选用两个等边角钢相并。查附表1.20得，由， 考虑到板厚度为t16mm,且单个面积大于12.46cm2 ，节点板厚度为12mm，由此，查附表2.1得：考虑选用21008等边角钢。所以截面特性为：， 则 由 查附表1.20得， 故，可。（4）斜腹杆Bc最大内力：N=322588.3N， 上弦杆计算长度 在屋架平面内：l0x=0.82528.1 =2022.48mm在屋架平面外：l0y=2528.1 mm。假设，则，故截面宜选用两个等边角钢相并。由， 考虑到板厚度为t16mm,且单个面积大于7.50cm2 ，节点板厚度为10mm，由此，查附表2.1得：考虑选用2706等边角钢。所以截面特性为：， 则 故，可。（5）竖腹杆Ii最大内力：N=94709.51N上弦杆计算长度 在屋架平面内：l0x=0.83085 =2468mm在屋架平面外：l0y=3085mm。假设，则，故截面宜选用两个等边角钢相并。由， 考虑到板厚度为t16mm,且单个面积大于2.2025cm2 ，节点板厚度为10mm，又因为在钢结构受力构件中及其连接中不宜采用厚度小于4mm的钢板，截面不得小于454或者56364等，为了方便配料，也选用2706等边角钢。所以截面特性为：， 则 故，可。其它几根竖向腹杆斜向腹杆的截面选择可根据同样的方法求算出来，如下表2 杆件计算内力(KN)截面规格()截面面积(cm2)计算长度(cm)回转半径(cm)长细比容许长细比稳定系数应力名称编号l0xl0yixiyxyN/mm2上弦杆FG/GH-709.2761251048.746150.748301.4963.855.5239.254.61500.833181.1下弦杆gi729.9925125801039.424300.000300.0003.983.3175.490.6350185.2腹杆竖腹杆Aa-23.2255648.780152.000190.0001.732.7487.969.31500.63541.7Cc-46.4495648.780174.800218.5001.732.74101.079.71500.54996.4Ee-46.4495648.780198.800248.5001.732.74114.990.71500.464114.0Gg-46.4495648.780222.800278.5001.732.74128.8101.61500.392135.00Ii94.7095170616.320246.800308.5002.153.26114.894.635058.03斜腹杆aB-418.041100831.276195.368244.2103.084.5663.453.61500.791169.0Bc322.588370616.320202.248252.8102.153.2694.177.6350197.7cD-253.426100831.276222.023277.5293.084.5672.160.91500.739109.6De170.932370616.320222.023277.5292.153.26103.385.1350104.7eF-112.035100831.276242.562303.2033.084.5678.866.51500.69451.6Fg55.583145648.780242.562303.2031.732.74140.2110.735063.3gH44.704675648.780263.687329.6091.732.74152.4120.335050.9Hi-74.41170616.320263.687329.6092.153.26122.6101.11500.423107.8六、 节点设计选取下弦端节点及其下弦相邻节点、跨中上弦与下弦节点、其他位置上弦典型受力位置节点（屋脊节点）共5个节点进行设计。（1）节点CBc杆，计算内力，采取两面手工焊，角焊缝强度设计值，因为 所以取，则焊缝所需长度：角钢背， 实际长度：，取角钢趾， 可实际长度：，取Cc杆，计算内力， 角焊缝强度设计值，因为，根据构造要求取焊缝，则焊缝所需长度：角钢背， 实际长度：，取角钢趾， 据构造要求取为32mm实际长度：，取Dc 杆，计算内力， 角焊缝强度设计值，因为焊缝 ，则焊缝所需长度：角钢背： 实际长度：，取角钢趾：计算长度： 实际长度：，取ac与cd杆,N=559.4728-231.0838=328.39kN,根据节点放样，得节点板尺寸为400300mm。肢背焊缝验算，因为,所以取，可。（2）节点FFe杆，计算内力， 角焊缝强度设计值，因为,所以取，则焊缝所需长度：角钢背，实际长度取角钢趾， 实际长度取Fg 杆，计算内力， 角焊缝强度设计值，因为,所以取，则焊缝所需长度：角钢背， 实际长度：43.32+2*4=51.32，取角钢趾， 据构造要求取为32mm实际长度：，取EF,FG杆，计算内力上弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻内力之差： N=735.427-655.117=80.308kN，根据节点放样，得节点板尺寸为260230mm。考虑搁置屋面板的需要，节点板缩进上弦肢背10mm，用槽焊缝连接，槽焊缝按两条角焊缝计算，取。焊缝设计强度应乘以折减系数0.8,假定集中荷载P与上弦杆垂直，忽略屋架上弦坡度的影响。肢背焊缝验算：肢尖焊缝验算：（3）I节点 拼接角钢与受压弦杆的连接可按弦杆中的实际压力设计值N进行计算，每边共有4条焊缝平均承受此力，因为,所以取，因而得焊缝长度为 由此可得拼接角钢总长度为： 取 由于屋脊节点的节点板宽度相对较大且焊缝连接需抵抗的力一般不大，故上弦杆与节点板之间槽焊强度足够，不需计算。 考虑焊缝必须有一必要的最小承载力，需对此进行补充验算。上弦杆角钢趾部与节点板之间连接焊逢，按上弦杆内力15%计算 设，节点板尺寸取为400200mm，节点一侧焊缝：焊缝应力验算：（4）节点i下弦杆双角钢截面选用同样大小的角钢作为拼接件，为使拼接角钢与原来的角钢相紧贴，对拼接角钢顶部截去棱角，宽度为r（r为角钢内圆弧半径），对其竖直边应割去：，拼接接头一侧的连接焊缝长度按下弦杆强度计算，因为,所以取，每条焊缝所需长度为： 由连接焊缝的强度条件可求出拼接角钢的总长度为： 取拼接角钢长度L700mm，节点板尺寸为450350mm。节点一侧的连接焊缝按下弦杆内力的15%验算，焊缝长度按构造决定，因此不再计算。 （5）支座节点“a”支座反力：所需底板净面积：设底板尺寸为250250mm，底板锚栓孔径为50mm底板平面净面积：底板下平均应力：底板为两相邻边支撑板，单位宽度弯矩为：所需底板厚度：设一个加劲肋承受四分之一屋架支座反力，即 焊缝内力为: 设焊缝hf=6mm，焊缝计算长度： 焊缝应力验算：底板与节点板、加劲肋板底端的角焊缝连接计算公式：其中：， 设底板焊缝传递全部支座反力，底板焊缝总长度为： 设焊缝hf=6mm，底板焊缝验算:附件 内力计算PF程序数据：全跨输入数据：* * * * quankua 2013.1.10 * * * * 2.1E11 49 26 3 11 2 1 10E-82 3 1 10E-83 4 1 10E-84 5 1 10E-85 6 1 10E-86 7 1 10E-87 8 1 10E-88 9 1 10E-89 10 1 10E-810 11 1 10E-811 12 1 10E-812 13 1 10E-813 14 1 10E-814 15 1 10E-815 16 1 10E-816 17 1 10E-818 1 1 10E-818 2 1 10E-819 2 1 10E-819 3 1 10E-819 4 1 10E-820 4 1 10E-820 5 1 10E-820 6 1 10E-821 6 1 10E-821 7 1 10E-821 8 1 10E-822 8 1 10E-822 9 1 10E-822 10 1 10E-823 10 1 10E-823 11 1 10E-823 12 1 10E-824 12 1 10E-824 13 1 10E-824 14 1 10E-825 14 1 10E-825 15 1 10E-825 16 1 10E-826 16 1 10E-826 17 1 10E-818 19 1 10E-819 20 1 10E-820 21 1 10E-821 22 1 10E-822 23 1 10E-823 24 1 10E-824 25 1 10E-825 26 1 10E-80 19001350 20352850 21854350 23355850 24857350 26358850 278510350 293511850 308513350 293514850 278516350 263517850 248519350 233520850 218522350 203523700 19000 02850 05850 08850 011850 014850 017850 020850 023700 0181 0182 0262 0171 0 -0.5 02 0 -1 0 3 0 -1 04 0 -1 05 0 -1 06 0 -1 07 0 -1 08 0 -1 09 0 -1 010 0 -1 011 0 -1 012 0 -1 013 0 -1 014 0 -1 015 0 -1 016 0 -1 017 0 -0.5 00全跨输出数据：* * * * quankua 2013.1.10 * * * * The Input Data The General Information E NM NJ NS NLC 2.100E+11 49 26 3 1 The Information of Membersmember start end A I 1 1 2 1.000000E+00 1.000000E-07 2 2 3 1.000000E+00 1.000000E-07 3 3 4 1.000000E+00 1.000000E-07 4 4 5 1.000000E+00 1.000000E-07 5 5 6 1.000000E+00 1.000000E-07 6 6 7 1.000000E+00 1.000000E-07 7 7 8 1.000000E+00 1.000000E-07 8 8 9 1.000000E+00 1.000000E-07 9 9 10 1.000000E+00 1.000000E-07 10 10 11 1.000000E+00 1.000000E-07 11 11 12 1.000000E+00 1.000000E-07 12 12 13 1.000000E+00 1.000000E-07 13 13 14 1.000000E+00 1.000000E-07 14 14 15 1.000000E+00 1.000000E-07 15 15 16 1.000000E+00 1.000000E-07 16 16 17 1.000000E+00 1.000000E-07 17 18 1 1.000000E+00 1.000000E-07 18 18 2 1.000000E+00 1.000000E-07 19 19 2 1.000000E+00 1.000000E-07 20 19 3 1.000000E+00 1.000000E-07 21 19 4 1.000000E+00 1.000000E-07 22 20 4 1.000000E+00 1.000000E-07 23 20 5 1.000000E+00 1.000000E-07 24 20 6 1.000000E+00 1.000000E-07 25 21 6 1.000000E+00 1.000000E-07 26 21 7 1.000000E+00 1.000000E-07 27 21 8 1.000000E+00 1.000000E-07 28 22 8 1.000000E+00 1.000000E-07 29 22 9 1.000000E+00 1.000000E-07 30 22 10 1.000000E+00 1.000000E-07 31 23 10 1.000000E+00 1.000000E-07 32 23 11 1.000000E+00 1.000000E-07 33 23 12 1.000000E+00 1.000000E-07 34 24 12 1.000000E+00 1.000000E-07 35 24 13 1.000000E+00 1.000000E-07 36 24 14 1.000000E+00 1.000000E-07 37 25 14 1.000000E+00 1.000000E-07 38 25 15 1.000000E+00 1.000000E-07 39 25 16 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24 17850.000000 .000000 25 20850.000000 .000000 26 23700.000000 .000000 The Information of Supports IS VS 181 .000000 182 .000000 262 .000000 ( NA= 1425 ) ( NW= 3962 ) Loading Case 1 The Loadings at Joints NLJ= 17 ILJ PX PY PM 1 .0000 -.5000 .00000 2 .0000 -1.0000 .00000 3 .0000 -1.0000 .00000 4 .0000 -1.0000 .00000 5 .0000 -1.0000 .00000 6 .0000 -1.0000 .00000 7 .0000 -1.0000 .00000 8 .0000 -1.0000 .00000 9 .0000 -1.0000 .00000 10 .0000 -1.0000 .00000 11 .0000 -1.0000 .00000 12 .0000 -1.0000 .00000 13 .0000 -1.0000 .00000 14 .0000 -1.0000 .00000 15 .0000 -1.0000 .00000 16 .0000 -1.0000 .00000 17 .0000 -.5000 .00000 The Loadings at Members NLM= 0 The Results of Calculation The Joint Displacementsjoint u v phi 1 9.651500E-07 -4.523809E-09 -5.668388E-10 2 1.046694E-06 -8.199672E-07 -5.765250E-10 3 1.064347E-06 -1.655985E-06 -4.993679E-10 4 1.070348E-06 -2.375493E-06 -4.303502E-10 5 1.028929E-06 -2.978812E-06 -3.367365E-10 6 9.716762E-07 -3.423804E-06 -2.467442E-10 7 8.898398E-07 -3.747650E-06 -1.554280E-10 8 7.912175E-07 -3.903637E-06 -4.359500E-11 9 6.816404E-07 -3.909507E-06 2.858045E-24 10 5.720632E-07 -3.903637E-06 4.359500E-11 11 4.734409E-07 -3.747650E-06 1.554280E-10 12 3.916045E-