21m跨度钢结构课程设计(完整版)

目目 录录 1 0 设计资料 1 1 1 结构形式与布置 2 1 1 1 桁架形式及几何尺寸 2 1 1 2 屋架支撑布置 2 1 2 荷载计算 4 1 2 1 屋面活荷载选择 4 1 2 2 屋架和支撑自重计算 4 1 2 3 荷载组合 4 1 3 杆件设计及内力计算 6 1 3 1 屋架计算简图 6 1 3 2 杆件内力计算和杆件内力表 6 1 3 3 杆件设计 7 1 上弦杆 7 2 下弦杆 8 3 腹杆 9 4 竖杆 11 5 屋架杆件截面选择表 11 1 4 节点设计 12 1 4 1 下弦节点 c 12 1 4 2 上弦节点 B 13 1 4 3 上弦节点 D 14 1 4 4 下弦节点 e 15 1 4 5 上弦节点 F 16 1 4 6 下弦节点 g 17 1 4 7 屋脊节点 H 18 1 4 8 竖杆与上弦节点 C E G 19 1 4 9 支座节点 A 19 1 4 10 支座节点 a 21 参考文献 22 致谢 22 附录 22 1 01 0 设计资料设计资料 某厂房总长度 90m 跨度 21m 纵向柱距 6m 1 结构形式 钢筋混凝土柱 梯形钢屋架 柱的混凝土强度等级为 C30 屋面 坡度 i L 10 L 为屋架跨度 地区计算温度高于 200C 无侵蚀性介质 地震设防 烈度为 7 度 设计基本地震加速度为 0 1g 二类场地 屋架下弦标高为 18m 厂房 内桥式吊车为 2 台 150 30t 中级工作制 锻锤为 2 台 5t 2 屋架形式及荷载 屋架形式 几何尺寸及内力系数 节点荷载 P 1 0 作用下杆件 的内力 如图图 1 111 11 及下图及下图所示 A a 4 100 0 000 7 472 11 262 12 18 12 18 7 684 4 409 1 572 0 713 5 808 5 808 2 792 0 328 1 0 1 0 1 0 0 5 9 744 11 962 11 768 ce g h B C DE F GH 0 5 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 0 21 米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值 A ac eg g e c a 3 010 0 000 5 310 7 339 6 861 5 319 3 923 2 1620 00 5 641 2 633 0 047 1 913 1 367 1 570 1 848 3 960 1 222 1 039 1 200 1 525 1 776 2 043 1 0 1 0 1 0 0 00 0 00 0 00 0 5 6 663 7 326 5 884 4 636 3 081 1 090 B C D E F GH G F E D C B A 0 5 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 01 0 21 米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值 3 屋盖结构及荷载 无檩体系 采用 1 5 6 0m 预应力混凝土屋板 考虑屋面板起系杆作用 荷载 屋架及支撑自重 按经验公式 q 0 12 0 011L L 为屋架跨度 以 m 为单位 q 为屋架及支撑自重 以 KN m2为单位 屋面活荷载 施工活荷载标准值为 0 7KN m2 雪荷载的基本雪压标准值值根 据不同学号按附表取 施工活荷载与雪荷载不同时考虑 而是取两者的较大值 积 灰荷载取 0 6 KN m2 屋面各构造层的荷载标准值 三毡四油 上铺绿豆砂 防水层 0 4KN m2 水泥砂浆找平层 0 4KN m2 保温层 0 35KN m2 一毡二油隔气层 0 05KN m2 水泥砂浆找平层 0 3KN m2 预应力混凝土屋面板 1 45KN m2 表表 1 2 屋架构建内力组合表屋架构建内力组合表 注 表中 F 57 78KN F1 41 4KN F2 16 38 F3 4 23KN F4 23 94KN 3 杆件设计杆件设计 1 上弦杆上弦杆 整个上弦采用等截面 按 FG GH 杆件的最大设计内力设计 即 N 703 76KN 上弦杆计算长度 在屋架平面内 为节间轴线长度 即 L0 x l0 1 5075m 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到刚性 系杆作用 根据布置和内力变化情况 取 lOy为支撑点间的距离 即 内力系数 F 1 组合一组合二 组合三 杆件名 称全跨 1 左半跨 2 右半跨 3 F 1 F1 1 F2 2 F1 1 F2 3 F3 1 F4 2 F3 1 F4 3 杆件内 力 KN AB000000000 BC CD 7 472 5 31 2 162 431 732 396 319 344 754 158 728 83 365 431 732 DE EF 11 262 7 339 3 923 650 718 586 460 530 506 223 334 141 555 650 718 上 弦 FG GH 12 18 6 861 5 319 703 760 616 635 591 377 215 774 178 858 703 760 ac4 13 011 09236 898219 044187 59489 40243 438236 898 ce9 7446 6633 081563 008512 542453 868200 729114 976563 008 eg11 9627 3264 636691 164615 227571 164225 984161 585691 164 下 弦 gh11 7685 8845 884679 955583 575583 575190 642190 642679 955 aB 7 684 5 641 2 043 443 982 410 517 351 582 167 549 81 413 443 982 Bc5 8083 961 848335 586305 316270 721119 37068 809335 586 cD 4 409 2 633 1 776 254 752 225 661 211 623 81 684 61 168 254 752 De2 7921 2221 57161 322135 605141 30541 06549 396161 322 eF 1 572 0 047 1 525 90 830 65 851 90 060 7 775 43 158 90 830 Fg0 328 1 0391 36718 952 3 44035 971 23 48634 11335 971 斜 腹 杆 gH0 7131 913 1 241 19760 8539 86248 813 25 71260 853 Aa 0 5 0 50 28 890 28 890 20 700 14 085 2 115 28 890 Cc 1 10 57 780 57 780 41 400 28 170 4 230 57 780 Ee 1 10 57 780 57 780 41 400 28 170 4 230 57 780 竖 干 Gg 1 10 57 780 57 780 41 400 28 170 4 230 57 780 L0y 2 1 5075 3 015 m 根据屋架平面外上弦杆的计算长度 上弦截面选用两个不等肢角钢 短 肢相并 如图 1 17 所示 图图 1 17 上弦截面上弦截面 腹杆最大内力 N 446 901KN 查表知 中间节点板厚度选用 10mm 支 座节点板厚度选用 12mm 设 60 查轴心受压稳定系数表 0 807 则需要截面积为 703760 0 807 215 4056 1mm2 Af N 需要回转半径 ix l0 x 1507 5 60 25 125mm2 iy l0y 3015 60 50 25mm2 根据需要的 ix iy查角钢型钢表 初选 2 L140 90 10 肢背间距 A a 10mm 则 A 4452 ix 2 56cm iy 6 77cm 2 mm 按所选角钢进行验算 x l0 x ix 1507 5 25 6 58 9 150 y l0y iy 3015 50 25 60 150 则满足长细比 x 只需求 y 查表y 0 807 则 N XA 703760 0 807 4452 195 932 15cm2 ix 2 59cm iy 6 73cm x lox ix 300 2 59 115 8 350 y loy iy 1035 6 73 153 8 x 只需求 y 查表y 0 7654 则 N XA 443982 0 7654 4452 130 3 N mm2 215N mm2 故所选截面合适 杆 Bc 杆件轴力 N 335 586KN 335586N 计算长度 lox loy 2613mm 选用 2L100 7 肢背间距 8mm 则 A 27 60cm2 3 09cm 4 39cm x i y i x lox ix 261 3 3 09 84 6 150 y loy iy 261 3 4 39 59 5 y 只需求 x 查表x 0 6574 则 N XA 335586 0 6574 2760 185 0N mm2 215N mm2 故所选截面合适 杆 cD 杆件轴力 N 254 792KN 计算长度 lox loy 2864mm 选用 2L100 6 肢背间距 a 8mm 则 A 23 87cm2 3 10cm 4 37cm x i y i x lox ix 286 4 3 10 92 4 150 y loy iy 286 4 4 37 65 5 y 只需求 x 查表x 0 6052 则 N XA 254792 0 6052 2387 176 4N mm2 215N mm2 故所选截面合适 杆 De 杆件轴力 N 161 322KN 计算长度 lox loy 2864mm 选用 2L90 6 肢背间距 a 8mm 则 A 21 28cm2 2 79cm 3 98cm x i y i x lox ix 286 4 2 79 102 7 150 y loy iy 286 4 3 98 72 0 y 只需求 x 查表x 0 5378 则 N XA 161322 0 5378 2128 141 0N mm2 215N mm2 故所选截面合适 杆 eF 杆件轴力 N 90 830KN 计算长度 lox loy 3124mm 选用 2L70 6 肢背间距 a 8mm 则 A 16 32cm2 2 15cm 3 18cm x i y i x lox ix 312 4 2 15 145 3 150 y loy iy 312 4 3 18 98 2 y 只需求 x 查表x 0 3248 则 N XA 90830 0 3248 1632 171 4N mm2 215N mm2 故所选截面合适 杆 Fg 杆件轴力 N 35 971KN 计算长度 lox loy 3124mm 选用 2L50 5 肢背间距 a 8mm 则 A 9 61cm2 1 53cm 2 38cm x i y i x lox ix 312 4 1 53 204 2 150 y loy iy 312 4 2 38 131 3 y 只需求 x 查表x 0 1796 则 N XA 35971 0 1796 961 208 4N mm2 215N mm2 故所选截面合适 杆 gH 杆件轴力 N 60 853KN 计算长度 lox loy 3390mm 选用 2L70 5 肢背间距 a 8mm 则 A 13 75cm2 2 16cm 3 16cm x i y i x lox ix 339 2 16 157 0 150 y loy iy 339 3 16 107 3 y 只需求 x 查表x 0 285 则 N XA 60853 0 285 1375 155 3N mm2 215N mm2 故所选截面合适 4 竖杆竖杆 杆 Aa 杆件轴力 N 28 890KN 计算长度 lox 0 8l 0 8 1990 1592mm loy 1990mm 选用 2L50 5 肢背间距 a 8mm 则 A 9 61cm2 1 53cm 2 38cm x i y i x lox ix 159 2 1 53 104 1 150 y loy iy 199 0 2 38 83 6 y 只需求 x 查表x 0 5284 则 N XA 28890 0 5284 961 56 9N mm21 54cm x i 2 89cm 1 93cm y i x lox ix 231 2 1 94 119 2 150 y loy iy 289 0 2 89 100 y 只需求 x 查表x 0 441 则 N XA 57780 0 441 1229 106 6N mm2 215N mm2 故所选截面合适 5 由于该屋架为对称结构 且荷载为对称荷载 故其他各杆截面设计由由于该屋架为对称结构 且荷载为对称荷载 故其他各杆截面设计由 以上计算结果即可得到 详见表以上计算结果即可得到 详见表 1 3 表表 1 3 屋架杆件截面选择表屋架杆件截面选择表 计算应力 x y x y 上弦FG GH 703 76150 7 301 5 2L140 90 1044 522 566 7758 9601500 807195 9 下弦eg691 163001035 2L140 90 836 082 596 73 115 8 153 8350191 6 aB 443 982532532L140 90 1044 524 473 7456 667 61500 7654130 3 Bc335 59261 3 261 32L100 727 63 094 3984 659 51500 6574185 cD 254 75286 4 286 42L100 623 873 14 3792 465 51500 6052176 4 De161 32286 4 286 42L90 621 282 793 98 102 7721500 5378141 eF 90 83312 4 312 42L70 616 322 153 18 145 3 98 21500 3248171 4 Fg35 97312 4 312 42L50 59 611 532 38 204 2 131 31500 1796208 4 gH60 853393392L70 513 752 163 16157107 31500 285155 3 Aa 28 89159 21992L50 59 611 532 38 104 1 83 61500 528456 9 Cc Ee Gg 57 78231 22892L63 512 291 542 89 119 21001500 441106 6 竖杆 腹杆 杆件内力 KN 计算长度 cm 长细比 容许长细 比 截面面积 截面规格 稳定系数 回转半径 cm 2 cm x i y i 2 mmN ox l oy l 1 4 节点设计节点设计 用 E43 焊条时 角焊缝的抗拉 抗压和抗剪强度设计值 2 160mmNf w f 各杆件内力由表 1 2 查得 最小焊缝长度不应小于 8和 40mm f h 1 下弦节点下弦节点 c 见图 见图 1 19 图图 1 19 1 斜杆 Bc 与节点的连接焊缝计算 N 335 586KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm 所需焊缝长度为 肢背 用 150mm mmlw3 14816 16087 02 10586 3557 0 3 1 肢尖 用 100mmmmlw2 10012 16067 02 10586 3553 0 3 1 2 斜杆 cD 与节点的连接焊缝计算 N 126 66KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm 所需焊缝长度为 肢背 用 120mm mmlw5 11516 16087 02 10752 2547 0 3 1 肢尖 用 80mmmmlw9 6812 16067 02 10752 2543 0 3 1 3 cC 杆的内力很小 焊缝尺寸可按构造确定 取焊角尺寸 mmhf5 4 根据求的焊缝长度 并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误 差 按比例绘出节点详图 从而确定节点板尺寸为 410mm 335mm 下弦与节点板连接的焊缝长度为 410mm hf 6mm 焊缝所受的力为节 点 b 左右两下弦杆的内力差 N 563 008 236 898 326 11KN 受力较大 的肢背处焊缝应力为 22 3 160 2 73 12 410 67 02 1011 32675 0 mmNfmmN w f 焊缝强度满足要求 2 上弦节点上弦节点 B 见图 见图 1 20 图图 1 20 1 Bc 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 c 相同 2 斜杆 aB 与节点的连接焊缝计算 N 443 982KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 10mm 和 6mm 所需焊缝长度为 按 不等肢角钢短肢连接的角焊缝内力分配系数计算 肢背 用 160mm mmlw8 14820 160107 02 10443 98265 0 3 1 肢尖 用 120mmmmlw6 11512 16067 02 10982 44335 0 3 1 为了便于在上弦上搁置大型屋面板 上弦节点板的上边缘的上肢背可缩 进 8mm 用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来 槽焊缝可按两条焊 缝计算 槽焊缝强度设计值乘以 0 8 的折减系数 计算时可略去屋架上 弦坡度的影响 而假定集中荷载 P 与上弦垂直 上弦肢背槽焊缝内的应 力由下面计算得 h f 节点板厚度 2 12 2 6mm h f 10mm 上弦与节点板间焊缝长度为 380mm 则 0 75 431732 2 57780 2 1 22 2 2 0 7 6 380 12 105 0 N mm2 2 0 80 8 160128 w f fN mm 上弦肢尖角焊缝的切应力为 0 25 431732 2 57780 2 1 22 2 2 0 7 10 380 12 21 4N mm2 160N mm2 则节点板满足要求 3 上弦节点上弦节点 D 见图 见图 1 21 图图 1 21 1 Dc 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 c 相同 2 斜杆 De 与节点的连接焊缝计算 N 161 322KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm 所需焊缝长度为 肢背 用 90mm mmlw0 7916 16087 02 10322 1617 0 3 1 肢尖 用 60mmmmlw0 4812 16067 02 10161 3223 0 3 1 3 根据求的焊缝长度 并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误 差 按比例绘出节点详图 从而确定节点板尺寸为 310mm 260mm 经按照 2 中节点 B 验算方法验算知 满足要求 4 下弦节点下弦节点 e 见图 见图 1 22 图图 1 22 1 eD 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 D 相同 2 斜杆 eF 与节点的连接焊缝计算 N 90 830KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm 所需焊缝长度为 肢背 用 60mm mmlw5 5116 16087 02 1090 8307 0 3 1 肢尖 用 40mmmmlw3 3212 16067 02 1090 8303 0 3 1 3 eE 杆的内力很小 焊缝尺寸可按构造确定 取焊角尺寸 mmhf5 4 根据求的焊缝长度 并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误 差 按比例绘出节点详图 从而确定节点板尺寸为 320mm 250mm 下弦与节点板连接的焊缝长度为 320mm hf 6mm 焊缝所受的力为节 点 e 左右两下弦杆的内力差 N 691 164 563 008 128 156KN 受力较 大的肢背处焊缝应力为 22 3 160 2 37 12 320 67 02 10128 15675 0 mmNfmmN w f 焊缝强度满足要求 5 上弦节点上弦节点 F 见图 见图 1 23 图图 1 23 1 Fe 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 e 相同 2 斜杆 Fg 与节点的连接焊缝计算 N 35 971KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm 所需焊缝长度为 肢背 用 40mm mmlw0 3016 16087 02 1035 9717 0 3 1 肢尖 用 30mmmmlw0 2012 16067 02 1035 9713 0 3 1 3 根据求的焊缝长度 并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误 差 按比例绘出节点详图 从而确定节点板尺寸为 220mm 210mm 经按照 2 中节点 B 验算方法验算知 满足要求 6 下弦节点下弦节点 g 见图 见图 1 24 图图 1 24 1 gF 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 F 相同 2 斜杆 gH 与节点的连接焊缝计算 N 60 853KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm 所需焊缝长度为 肢背 用 60mm mmlw8 3916 16087 02 1060 8537 0 3 1 肢尖 用 40mmmmlw6 2512 16067 02 1060 8533 0 3 1 3 gG 杆的内力很小 焊缝尺寸可按构造确定 取焊角尺寸 mmhf5 4 根据求的焊缝长度 并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误 差 按比例绘出节点详图 从而确定节点板尺寸为 250mm 270mm 下弦与节点板连接的焊缝长度为 250mm hf 6mm 焊缝所受的力为节 点 g 左右两下弦杆的内力差 N 60 853 35 971 24 882KN 受力较大 的肢背处焊缝应力为 22 3 160 3 9 12 250 67 02 1024 88275 0 mmNfmmN w f 焊缝强度满足要求 7 屋脊节点屋脊节点 H 见图 见图 1 25 图图 1 25 1 弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接 为使拼接角钢与弦杆之间 能够密合 便于施焊 需将拼接角钢进行切肢 切棱 拼接角钢的这部 分削弱可以靠节点板来补偿 拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力来计算 N 703 76KN 设肢尖 肢背焊角尺寸为 8mm 取 230mmmml4 21216 16087 04 1076 703 w 3 w l 拼接角钢长度取 2 230 50 510mm 2 上弦肢背与节点板用槽焊缝 假定承受节点荷载 上弦肢尖与节点 板用角焊缝 按上弦杆内力的 15 计算 N 703 76 15 105 6KN 设肢尖焊角尺寸为 8mm 取节点板长度为 500mm 则弦杆一侧焊缝长 度为 500 2 10 20 220mm 焊缝应力为 a8 42 22087 02 1076 03715 0 3 MP a3 81 22087 02 6 691076 03715 06 2 3 MP 91 9MPa 160MPa 2 1 22 2 验算可知 强度满足要求 3 斜杆 gH 与节点板的连接焊缝计算 N 60 853KN 此杆内力很小 焊缝尺寸可按构造确定 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别 为 6mm 和 5mm 焊缝长度 40mm 取 60mm w l w l 8 竖杆与上弦节点竖杆与上弦节点 C E G 见图 见图 1 26 图图 1 26 由于这三个杆的轴力相等且较小 焊缝尺寸均可按构造确定 取焊角尺 寸 hf 5mm 焊缝长度 40mm 取 60mm w l w l 9 支座节点支座节点 A 见图 见图 1 27 为了便于施焊 下弦角钢水平肢的底面与支座底板的距离一般不小于下 弦伸出肢的长度 故可取 160mm 在节点板中心线左侧设置加劲肋 加劲肋的高度与节点板的高度相同 厚度同端部节点板为 12mm 1 支座底板计算 支座反力 R 57 78 103 8 1 404460N 加劲肋的宽度为 80mm 考虑底板上开孔 按构造需求取地板尺寸为 240mm 360 偏安全地取有加劲肋部分的底板承受支座反力 则承压面 积为 2 41280 121802 240mmAn 验算柱顶混凝土的抗压强度 R An 404460 41280 9 8N mm2 fc 12 5N mm2 式中 fc 混凝土强度设计值 对 C25 混凝土 fc 12 5N mm2 则混凝土抗压强度满足要求 图图 1 27 2 底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算 节点板和加劲肋将底板 分为四块 每块板为两边支撑而另两边自由的板 每块板的单位宽度的 最大弯矩为 2 2 M 式中 底板下的平均应力 9 8N mm2 两边支撑对角长度 2 mm 3 13980 2 12120 22 系数 由决定 为两边支撑的焦点到对角线的垂直距离 22 b 2 b 2 由三角形面积关系得 0 50 2 b mm9 68 3 139 80120 22 b 查表得 0 0602 M 0 0602 9 8 139 32 11447 9N mm 底