钢结构设计计算书.docx

钢结构屋架设计计算书 一、 设计资料单跨双坡封闭式厂房屋面离地面高度约20m，屋架铰支于钢筋混凝土柱柱顶。带保温层的双层压型钢板屋面（自重0.4KN/），槽钢檩条（坡向间距约为0.794m）。结构主要性系数为0=1.0，地区基本风压为0.45KN/，冬季室外计算温度高于-20。屋面坡度i=1/2.5。屋架间距：6m；厂房长度：84m；屋架跨度：18m；基本雪压（KN/）:0.75。钢筋混凝土柱子的上柱截面400400mm，混凝土强度等级为C25。厂房内有中级工作制桥式吊车，起重量Q=100KN。屋面均布活荷载标准值（不与雪荷载同时考虑，按水平投影面积计算）为：轻型屋面取0.50KN/,计算负荷面积不超过60屋面构件时，取0.50KN/；施工检修集中荷载标准值取1.0KN。不考虑地震设防。二、钢材和焊条的选择根据该地区的计算温度、屋架承受的荷载特征（静力荷载）和连接方法（焊接结构），钢材选用Q235D，焊条采用E4303型，手工焊。三、屋架形式及几何尺寸采用人字式三角形屋架，屋面坡度i=1/2.5，屋面倾角=arctan1/2.5=2148， sin=0.3714，cos=0.9285。 屋架计算跨度 l0=l-300=17700mm屋架跨中高度 h=17700/5=3540mm上弦长度 L=l0/2cos=17700/（20.9285）=9532mm划分为4个节间长度 s=9532/4=2383mm节间水平投影长度 l=scos=23830.9285=2213mm四、支撑布置根据厂房长度大于大于60m，跨度l=18m和有桥式吊车，故在房屋两端第一开间和厂房中间设置3道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，并在跨中设置垂直支撑。上弦水平支撑下弦水平支撑五、檩条布置带保温层的双层压型钢板屋面自重标准值0.4KN/（坡向），预估檩条（包跨拉条）自重0.20KN/m；可变荷载：雪荷载大于屋面活荷载，故可变荷载按雪荷载取值，雪荷载为 0.751.25=0.9375 KN/。檩条跨度为6m,水平间距0.794cos=0.738m（沿屋面坡向方向间距为0.794m）。恒荷载与雪荷载组合荷载标准值 qk=0.40.794+0.2+0.93750.738=1.21N/mm线荷载设计值为（只考虑可变荷载效应控制的组合）q=1.2（0.40.794+0.2）+1.40.93750.738=1.59KN/mqx=1.592.5/7.25=1.48KN/mqy=1.591/7.25=0.59 KN/m弯矩设计值：Mx=1/81.4862=6.66KNmMy=1/80.5932=0.664 KNm恒荷载与检修荷载组合qk=0.40.794+0.2=0.5176KN/mqxk=0.51762.5/7.25=0.481KN/mqyk=0.51761/7.25=0.192 KN/m弯矩设计值Mx=1/81.20.48162+1cos1.46/4=4.55 KNmMy=1/81.20.19232+1sin1.43/4=0.649 KNm取两者较大值Mx=1/81.4862=6.66KNmMy=1/80.5932=0.664 KNm由抗弯强度要求的截面模量近似值为： Wnx=(Mx+My)/xf=(6.66+50.664)106/1.05215=44.2103mm2选14a,自重0.15KN/m（加拉条重后与假设基本相符），截面几何特征：Wx=80.5cm3，Wy=13.0cm3，Ix=564cm4,ix=5.52cm,iy=1.70cm.因有拉条，不必验算整体稳定性。 Mx/xWnx+My/yWny=6.66106/1.0580.5103+0.664106/1.213.0103=121.4N/mm2f=215 N/mm2验算垂直于屋面方向的挠度： V/l=5/384qkxl3/EIx=5/3841.212.560003/2061035641042.5/7.25=0.0027v/l=0.0067作为屋架上弦平面支撑的横杆或刚性撑杆的檩条应验算其长细比： x=600/5.52=108.7200 y=300/1.70=176.5200檩条满足要求。六、屋架节点荷载由于可变荷载按雪荷载取值带保温层的双层压型钢板屋面标准值 0.4KN/m20.794=0.3176 KN/m檩条和拉条 0.20 KN/m永久荷载总和 gk=0.5176 KN/m可变荷载 qk=0.93750.794cos=0.69 KN/m檩条均布载设计值 g+q=1.20.5176+1.40.69=1.59 KN/m檩条作用在屋架上弦的集中力 Q=2（q+g）l/2=21/21.596=9.54KN节点荷载设计值 F=39.54=28.62KN 风荷载：B类地面，取=1.2，风荷载高度变化系数为1.25，屋面迎风面的体型系数为-0.272，背风面为-0.5,。所以负风压的设计值（垂直于屋面）为 迎风面：w1=-1.20.2721.250.45=-0.1836KN/ 背风面：w2=-1.20.51.250.45=-0.3375KN/风吸力小于屋面永久荷载，故永久荷载和风荷载组合不会增大杆件内力，因此不需考虑。在半跨雪荷载作用下，腹杆内力不变号，故只需按全跨雪荷载和永久荷载组合计算屋架杆件内力。七、屋架杆件内力计算 取节点A计算如下图 NBAsin=R-F/2NBAcos=NACNBA=-269.7KNNAC=250.4KN 取节点B计算如下图NAB=NDB+NCBNABsin+NCBsin=F+NDBsinNDB=-231.2KNNCB=-38.5KN 取节点D计算如下图NBD=NEDNCD=FNCD=-28.62KNNED=-231.2KN 取节点C计算如下图NCA+0.64NEC=NBCcos+NCFNBCsin+NDC+0.77NEC=0NEC=55.74KNNCF=179KN 取节点E计算如下图NDEcos=0.64NCE+0.64NFE+NGEcosNDEsin+0.77NFE=F+0.77NCE+NGEsinNFE=-55.8KNNGE=-154.3KN 取节点G计算如下图NGF+F=2NEGsinNGF=85.9KN上弦杆的局部弯矩 M0=QL/3=9.542.213=7.04 KNm端节点 M1=0.8 M0=5.63 KNm中间节间、节点M2=0.6 M0=4.22 KNm杆件内力图如下八、截面选择按弦杆最大内力269.7KN，选中间节点板厚度为10mm,支座节点板厚度为10mm。（1） 上弦整个上弦采用等截面，取AD杆段，按最大内力NAB=-269.7KN，NBD=-231.2KN，M1=5.63 KNm, M2=-4.22 KNm计算。选用21258010短肢相并的T型截面如下图所示： A=219.7=39.4cm2，ix=2.26cm，iy=6.11cm。 W1X=2I/y=104.8cm3 W2X=2I/y=33.1cm3 Z0=2.05cm 强度（按节点B）：由负弯矩控制N/An+MX/2XW2X=269.7103/39.4100+4.22106/1.233.1103=174.7N/mm2f=215N/mm2由负弯矩控制N/An+MX/1XW1X=269.7103/39.4100+5.63106/1.05104.8103=119.6N/mm2f=215N/mm2 弯矩作用平面内的稳定性（按AB杆）。查附表，由正弯矩M1控制。X=l0x/ix=238.3/2.26=105.4=150 查表得x=0.5206NEX=2EA/1.1X2=655.5KN按有端弯矩和横向荷载同时作用使构件产生反向曲率，取=0.85N/xA+mxMx/1XW1X(1-0.8N/NEX)=269.7103/0.520639.4100+0.855.63106/1.05104.8103（1-0.8269.7/655.5）=196.3N/mm2f=215N/mm2| N/ A-mxMx/2XW2X(1-1.25N/NEX) |=|269.7103/39.4100-0.855.63106/1.233.1103（1-1.25269.7/655.5）|=179.6N/mm2f=215N/mm2 (满足要求) 弯矩作用平面内的稳定性（按AD杆）由负弯矩M2控制。l0y=l1(0.75+0.25N2/N1)=2238.3（0.75+0.25231.2/269.7）=460cmb1/t=125/10=12.50.564600/125=20.6yz=yy=loy/iy=460/6.11=75.3=150 (刚度满足)，查表得y=0.7182b=1.0N/yA+txMx/bW1X=269.7103/0.718239.4102+10.854.22106/133.1103=203.7N/mm2f=215N/mm2 （满足要求） 填板每个节间放一块，l=917mm40i=4039.8=1592mm。（2）下弦整个下弦采用等截面，按最大内力NAC=250.4KN计算。屋架平面内计算长度根据最大单节AC，即l0x=442.5cm。屋架平面外计算长度因在跨中有一道系杆，故loy=885cm。An=N/An=250.4103/215=11.65cm2选用2805短肢相并的T型截面，An=A=27.91=15.82cm2，ix=2.48cm，iy=3.63cm，=N/A=250.4103/15.82102=158.3N/mm2f=215N/mm2x=l0x/ix=442.5/2.48=178.4=350 （满足要求）y= l0y/iy=885/3.63=243.8=350 （满足要求） 填板每个节间放一块，l=1683mm80i=8024.8=1984mm。（3）斜腹杆BC杆N=-38.5KN，lox=0.8l=0.8238.3=190.64cm，loy=238.3cm选用2505相并的T型截面，An=A=24.8=9.6cm2，ix=1.53cm，iy=2.45cm。x=l0x/ix=190.64/1.53=124.6=150 查表得x=0.413y= l0y/iy=238.3/2.45=97.3=150N/xA=38.5103/0.4139.6102=97.1N/mm2f=215N/mm2 填板每个节间放三块，l=425mm40i=4024.8=992mm。DC杆N=-28.62KN，lox=0.8l=0.8177=141.6cm，loy=177cm选用2505相并的T型截面，An=A=24.8=9.6cm2，ix=1.53cm，iy=2.45cm。x=l0x/ix=141.6/1.53=92.5=150 查表得x=0.6045y= l0y/iy=177/2.45=72.2=150N/xA=28.62103/0.60459.6102=49.3N/mm2f=215N/mm2填板每个节间放二块，l=445mm40i=4024.8=992mm。EF杆N=-55.8KN，lox=0.8l=0.8345.6=276.48cm，loy=345.6cm选用2805相并的T型截面，An=A=27.91=15.82cm2，ix=2.48cm，iy=3.63cm。x=l0x/ix=276.48/2.48=111.5=150 查表得x=0.484y= l0y/iy=345.6/3.63=95.2=150N/xA=55.8103/0.48415.82102=72.9N/mm2f=215N/mm2填板每个节间放三块，l=730mm40i=4024.8=992mm。EC杆N=55.74KN，l=345.6cm。选用805，A=7.91cm2，iyo=1.6cm，l0=0.9l=311.04cm。 = l0/ iyo=311.04/1.6=194.4=350 单角钢单面连接计算构件稳定性时的强度设计值应与折减，得R=0.85=N/A=55.74103/7.91102=70.5N/mm2Rf=0.85215N/mm2=183 N/mm2GF杆N=85.9KN，l=354cm。选用805，A=7.91cm2，iyo=1.6cm，l0=0.9l=318.6cm。 = l0/ iyo=318.6/1.6=199.125=350 单角钢单面连接计算构件稳定性时的强度设计值应与折减，得R=0.85=N/A=85.9103/7.91102=108.6N/mm2Rf=0.85215N/mm2=183 N/mm2九、节点计算节点B先算腹杆与节点板的连接焊缝：BC杆肢背和肢尖的焊脚尺寸取hf=5mm，则所需要的焊缝长度（考虑起弧灭弧缺陷）：肢背lw=2/3NBC/20.7hfffw+2hf=2/338.5103/20.75160+25=33mm肢尖lw=1/3NBC/20.7hfffw+2hf=1/338.5103/20.75160+25=22mm根据构造要求，角焊缝最短长度应大于8hf或40mm，所以角焊缝长度均取50mm。 其次检验上弦杆与节点板的连接焊缝：节点板缩进10mm，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载F=28.62KN。垂直于轴线的力N=Fcos=28.12KN，hf=t/2=5mm，lw=210-10=200mm。 =N1/20.7hflw=28.12103/20.75200=20.1N/mm2fffw=1.22160=195.2 N/mm2肢尖焊缝承担弦杆内力差N=269.7-231.2=38.5KN，偏心距e=60mm，偏心力矩M=Ne=38.50.06=2.31 KNm，采用hf=5mm，则对N: f=38.5103/20.75200=27.5 N/mm2对M： f=6M/2helw2=62.31106/20.752002=49.5 N/mm2则焊缝强度为 （f/f）2+f20.5=49 N/mm2ffw=160 N/mm2最后验算节点板的强度和稳定性由于节点板按照表7-4要求设计，所以可以不用验算强度。稳定性验算： c/t=38/10=3.810(235/f235/fy)=10节点B满足要求。节点D先算腹杆与节点板的连接焊缝：DC杆肢背和肢尖的焊脚尺寸取hf=5mm，则所需要的焊缝长度（考虑起弧灭弧缺陷）：肢背lw=2/3NDC/20.7hfffw+2hf=2/328.62103/20.75160+25=27mm肢尖lw=1/3NDC/20.7hfffw+2hf=1/328.62103/20.75160+25=19mm根据构造要求，角焊缝最短长度应大于8hf或40mm，所以角焊缝长度均取50mm。其次检验上弦杆与节点板的连接焊缝：节点板缩进10mm，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载F=28.62KN。垂直于轴线的力N=Fcos=28.12KN，hf=t/2=5mm，lw=95-10=85mm。 =N1/20.7hflw=28.12103/20.7585=47.3N/mm2fffw=1.22160=195.2 N/mm2肢尖焊缝承担弦杆内力差N=231.2-231.2=0KN，肢尖满焊。最后验算节点板的强度和稳定性由于节点板按照表7-4要求设计，所以可以不用验算强度。稳定性验算： c/t=22/10=2.215(235/f235/fy)=15节点D满足要求。节点E先算腹杆与节点板的连接焊缝：EC杆肢背和肢尖的焊脚尺寸取hf=5mm，则所需要的焊缝长度（考虑起弧灭弧缺陷）：肢背lw=2/3NEC/0.7hfffw+2hf=2/355.74103/0.75160+25=77mm肢尖lw=1/3NEC/0.7hfffw+2hf=1/355.74103/0.75160+25=43mm根据构造要求，角焊缝最短长度应大于8hf或40mm，所以肢尖角焊缝长度取50mm，肢背角焊缝取80mm。EF杆肢背和肢尖的焊脚尺寸取hf=5mm，则所需要的焊缝长度（考虑起弧灭弧缺陷）：肢背lw=2/3NEF/20.7hfffw+2hf=2/355.8103/20.75160+25=43mm肢尖lw=1/3NEF/20.7hfffw+2hf=1/355.8103/20.75160+25=27mm根据构造要求，角焊缝最短长度应大于8hf或40mm，所以角焊缝长度取50mm。其次检验上弦杆与节点板的连接焊缝：节点板缩进10mm，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载F=28.62KN。垂直于轴线的力N=Fcos=28.12KN，hf=t/2=5mm，lw=325-10=315mm。 =N1/20.7hflw=28.12103/20.75315=12.8N/mm2fffw=1.22160=195.2 N/mm2肢尖焊缝承担弦杆内力差N=231.2-154.3=76.9KN，偏心距e=60mm，偏心力矩M=Ne=76.90.06=4.6 KNm，采用hf=5mm，则对N: f=76.9103/20.75315=34.9 N/mm2对M： f=6M/2helw2=64.6106/20.753152=39.7N/mm2则焊缝强度为 （f/f）2+f20.5=47.7 N/mm2ffw=160 N/mm2最后验算节点板的强度和稳定性由于节点板按照表7-4要求设计，所以可以不用验算强度。稳定性验算： c/t=69/10=6.910(235/f235/fy)=10节点E满足要求。节点C先算腹杆与节点板的连接焊缝：BC杆肢背和肢尖的焊脚尺寸取hf=5mm，则所需要的焊缝长度（考虑起弧灭弧缺陷）：肢背lw=2/3NBC/20.7hfffw+2hf=2/338.5103/20.75160+25=33mm肢尖lw=1/3NBC/20.7hfffw+2hf=1/338.5103/20.75160+25=22mm根据构造要求，角焊缝最短长度应大于8hf或40mm，所以角焊缝长度均取50mm。DC杆肢背和肢尖的焊脚尺寸取hf=5mm，则所需要的焊缝长度（考虑起弧灭弧缺陷）：肢背lw=2/3NDC/20.7hfffw+2hf=2/328.62103/20.75160+25=27mm肢尖lw=1/3NDC/20.7hfffw+2hf=1/328.62103/20.75160+25=19mm根据构造要求，角焊缝最短长度应大于8hf或40mm，所以角焊缝长度均取50mm。EC杆肢背和肢尖的焊脚尺寸取hf=5mm，则所需要的焊缝长度（考虑起弧灭弧缺陷）：肢背lw=2/3NEC/0.7hfffw+2hf=2/355.74103/0.75160+25=77mm肢尖lw=1/3NEC/0.7hfffw+2hf=1/355.74103/0.75160+25=43mm根据构造要求，角焊缝最短长度应大于8hf或40mm，所以肢尖角焊缝长度取50mm，肢背角焊缝取80mm。其次检验弦杆与节点板的连接焊缝：节点板突出20mm，hf=5mm，lw=505-10=495mm。由于两端轴力差较小，所以满足要求，不需计算。最后验算节点板的强度和稳定性由于节点板按照表7-4要求设计，所以可以不用验算强度。稳定性验算： c/t=128/10=12.815(235/f235/fy)=15节点E满足要求。 屋脊节点G先算腹杆与节点板的连接焊缝：FG杆肢背和肢尖的焊脚尺寸取hf=5mm，则所需要的焊缝长度（考虑起弧灭弧缺陷）：肢背lw=2/3NFG/0.7hfffw+2hf=2/385.9103/0.75160+25=113mm肢尖lw=1/3NFG/0.7hfffw+2hf=1/385.9103/0.75160+25=62mm根据构造要求，角焊缝最短长度应大于8hf或40mm，所以肢尖角焊缝长度取62mm，肢背角焊缝取115mm。其次检验上弦杆与节点板的连接焊缝：节点板缩进10mm，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载F=14.31KN。垂直于轴线的力N=Fcos=13.3KN，hf=t/2=5mm，lw=105-10=95mm。 =N1/20.7hflw=13.3103/20.7595=20N/mm2fffw=1.22160=195.2 N/mm2拼接计算拼接角钢采用与上弦杆相同截面21258010，除倒棱之外，竖肢需切去=t+hf+5=10+5+5=20mm，并按上弦坡度热弯。拼接角钢与上弦连接焊缝在接头一侧的总长度（hf=5mm）lw=N/0.7hfffw=154.3103/0.75160=276mm共四条焊缝，认为平均受力，每条焊缝实际长度：Lw=276/4+10=79mm，取80mm。拼接角钢总长度为： l=2lw+10=170mm，取200mm最后验算节点板的强度和稳定性由于节点板按照表7-4要求设计，所以可以不用验算强度。稳定性验算： c/t=62/10=6.215(235/f235/fy)=15节点G满足要求。下弦拼接节点F腹杆与节点板焊接尺寸均满足要求故不需验算。拼接角钢采用与下弦杆相同截面2805，除倒棱之外，竖肢需切去=t+hf+5=5+5+5=15mm，并按上弦坡度热弯。拼接角钢与上弦连接焊缝在接头一侧的总长度（hf=5mm）lw=N/0.7hfffw=179103/0.75160=320mm共四条焊缝，认为平均受力，每条焊缝实际长度：Lw=360/4+10=90mm拼接角钢总长度为： l=2lw+10=190mm，取200mm最后验算节点板的强度和稳定性由于节点板按照表7-4要求设计，所以可以不用验算强度。稳定性验算： c/t=70/10=715(235/f235/fy)=15节点F满足要求。支座节点A1、焊缝验算先算下弦杆AC与节点板的连接焊缝肢背lw=2/3NAC/20.7hfffw+2hf=2/3250.4103/20.75160+25=160mm肢尖lw=1/3NAC/20.7hfffw+2hf=1/3250.4103/20.75160+25=90mm 其次检验上弦杆与节点板的连接焊缝：节点板缩进10mm，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载F=14.31KN。垂直于轴线的力N=Fcos=13.3KN，hf=t/2=5mm，lw=580-10=570mm。 =N1/20.7hflw=13.3103/20.75570=3.3N/mm2