钢结构课程设计计算书

钢结构课程设计 班 级 姓 名 学 号 指导老师 2011 年 月 日 2 目录目录 一一 设计资料设计资料 8 3 二二 结构形式与布置结构形式与布置 3 三三 荷载计算荷载计算 4 四四 内力计算内力计算 5 五五 杆件设计杆件设计 6 六六 节点设计节点设计 14 3 一 设计资料一 设计资料 1 题号 的已知条件 梯形钢屋架跨度 27m 长度 96m 柱距 6m 该车间内设有 两台 200 50 kN 中级工作制吊车 轨顶标高为 8 000 m 冬季最低温度为 20 地震 设计烈度为 7 度 设计基本地震加速度为 0 1g 采用 1 5m 6m 预应力混凝土大型屋面 板 80mm 厚泡沫混凝土保温层 卷材屋面 屋面坡度i 1 16 屋面活荷载标准值为 0 7 kN m2 雪荷载标准值为 0 3 kN m2 积灰荷载标准值为 0 6 kN m2 屋架铰支在钢 筋混凝土柱上 上柱截面为 400 mm 400 mm 混凝土标号为 C20 钢材采用 Q235B 级 焊条采用 E43 型 2 屋架计算跨度 lo 27 2 0 15 26 7m 3 跨中及端部高度 本次设计为无檩体系屋盖 采用缓坡梯形屋架 取屋架在 27m 轴线处的端部高度 h o 2000mm 屋架的中间高度 h 2844mm 屋架在 26 7m 处 两 端高度为 ho 2005m 屋架跨中起拱按 lo 500 考虑 取 53mm 二 结构形式与布置二 结构形式与布置 屋架型式及几何尺寸如图 1 1 所示 图 1 1 梯形屋架的形状和几何尺寸 根据厂房长度 96m 60m 跨度及荷载情况 设置三道上 下弦横向水平支撑 因柱网采用封闭结合 厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间 该水平支撑的规格与 中间柱间支撑的规格有所不同 在上弦平面设置了刚性系杆与柔性系杆 以保证安装 时上弦杆的稳定 在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆 以传递山墙风荷 载 在设置横向水平支撑的柱间 于屋架跨中和两端各设一道垂直支撑 梯形钢屋架 支撑布置如图 1 2 所示 垂直支撑 1 1 垂直支撑 2 2 4 桁架上弦支撑布置图 桁架下弦支撑布置图 图 1 2 梯形屋架支撑布置 三 荷载计算三 荷载计算 屋面活荷载与雪荷载不会同时出现 计算时 取较大的荷载标准值进行计算 因 此 取屋面活荷载0 7 kN m2进行计算 屋架沿水平投影面积分布的自重 包括支撑 按经验公式 gk 0 12 0 011 l kN m2计算 荷载计算见表 1 3 设计屋架时 应考虑以下三种荷载组合 在组合时 偏于安全不考虑屋面活荷载 的组合值系数 5 表 1 3 荷载计算 荷载名称标准值 kN m2 设计值 kN m2 预应力混泥土大型屋面板 1 41 4 1 35 1 89 三毡四油防水层 0 40 4 1 35 0 54 找平层 厚 20mm 0 02 20 0 40 4 1 35 0 54 100mm 厚泡沫混凝土保温层 0 1 6 0 60 6 1 35 0 81 屋架和支撑自重 0 12 0 011 27 0 4170 417 1 35 0 563 管道荷载 0 10 11 35 0 135 永久 荷载 永久荷载总和 3 1974 316 屋面活荷载 0 70 7 1 4 0 98 可变 荷载可变荷载总和 0 70 98 全跨节点永久荷载 全跨可变荷载 全跨节点永久荷载及全跨可变荷载为 F 4 316 0 98 1 5 6 47 664 kN 1 全跨节点永久荷载 半跨节点可变荷载 全跨节点永久荷载为 F1 4 316 1 5 6 39 844 kN 半跨节点可变荷载为 F2 0 98 1 5 6 8 82kN 2 全跨节点屋架 包括支撑 自重 半跨节点屋面板自重 半跨屋面活荷载 全跨节点屋架自重为 F3 0 563 1 5 6 5 067 kN 半跨节点屋面板自重及活荷载为 F4 1 89 0 7 1 5 6 23 31kN 上面的计算中 1 2 为使用阶段荷载情况 3 为施工阶段荷载情况 四 内力计算四 内力计算 屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图 1 4 所示 a 6 b c 图 1 4 屋架计算简图 由图解法或数解法得 F 1 的屋架各杆件的内力系数 F 1 作用于全跨 左半跨 然后求出各种荷载情况下的内力进行组合 计算结果如表 1 5 所示 五 杆件设计五 杆件设计 1 上弦杆 整个上弦杆采用等截面 按 21 22 杆件的最大设计内力设计 即 N 1019 066KN 上弦杆计算长度计算如下 在屋架平面内 为节间轴线长度 即 lox l0 1 503cm 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 根据支撑布置和内力变化情况 取 loy为支撑点间的距离 即 loy 3 1 503 4 509m 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 1 6 图所示 注 腹杆最大内力 N 482 369KN 中间板厚度选用 10mm 支座节点 板选用 12mm 设 60 钢材采用 Q235 查附表 12 2 稳定系数表 可得 0 807 由双角钢组 7 2L160 x100 x12 图 1 6 上弦杆截面 表 1 5 8 成的 T 形和十字形截面均属于 b 类 则需要的截面积为 mm 4 5873 215807 0 1019066 f N A 2 需要的回转半径为 cm lox ix505 2 60 3 150 cm loy iy515 7 60 9 450 根据需要的 A ix iy查附录 14 附录 15 选用 2L160 x100 x12 肢背间距 a 10mm 则由附录 14 查的 ix 28 2mm 由附录 15 查的 A 6011mm2 iy 77 5mm 按所选角钢进行验算 3 53 82 2 3 150 ix lox x 5 58 75 7 9 450 iy loy y 9 由于 由查附表 12 2 得 则 y x y 817 0 Mpa4693 93mm2 ix 2 846cm iy 7 7cm 2L160 100 10 图 1 7 下弦杆截面 按所选的角钢进行验算 350 4 105 46 28 3000 ix lox x 350 4 173 77 13350 iy loy y 因此 所选截面合适 3 端斜杆 31 杆件轴力为 N 482 369KN 计算长度 l0 x l0y 2496mm 因为 l0 x l0y 故采用不等边角钢 长肢相并 使 ix iy 选用 2L125 80 10 如 图 1 8 所示 则查附录 14 附录 15 可得 A 3942mm2 ix 3 98cm iy 3 31cm 10 2L125 80 10 图 1 8 端斜杆截面 按所选角钢进行验算 7 62 98 3 6 249 ix lox x 4 75 31 3 6 249 iy loy y 因 则由查附表 12 2 得 则 y x y 7176 0 Mpa 215Mpa 5 170 39427176 0 482369 A N 因此 所选截面合适 4 腹杆 40 最大拉力 N 9 101KN 最大压力 N 61 715KN 计算长度 l0 x 0 8l 0 8 3056 2444 8mm l0y 3056mm 选用 2L63 4 如图 1 9 所示 查附录 13 可得 A 996mm2 ix 1 96cm iy 2 94cm 按所选角钢进行验算 7 124 96 1 48 244 ix lox x 103 94 2 6 305 iy loy y 因 则由查附表 12 2 得 则 y x x 4125 0 Mpa 215Mpa 5 150 9964125 0 61715 A N 因此 所选截面合适 11 2L63 4 图 1 9 腹杆截面 5 竖杆 42 杆件轴力为 N 47 664KN 计算长度 l0 x 0 8l 0 8 2750 2200mm l0y 2750mm 选用 2L56 4 如图 1 10 所示 查附录 13 可得 A 878mm2 ix 1 73cm iy 2 67cm 按所选角钢进行验算 2 127 73 1 220 ix lox x 103 67 2 275 iy loy y 因 则由查附表 12 2 得 则 y x x 401 0 Mpa 215Mpa 4 135 878401 0 47664 A N 因此 所选截面合适 2L56 4 12 图 1 10 竖杆截面 在此 其他各杆件的截面选择计算过程不再一一列出 现将计算结果列于表 1 11 表 1 11 表 1 11 表 1 11 六 节点设计六 节点设计 1 下弦节点 4 见图 1 12 各杆件的内力由表 1 5 查的 设计步骤 由腹杆内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸 即 hf和lw 然后根 据l lw 2hf的大小按比例绘出节点板的形状和尺寸 最后验算下弦杆与节点板的连接 焊缝 采用 E43 型焊条 角焊缝的抗拉 抗压和抗剪强度设计值ffw 160Mpa 设 38 杆的肢背焊缝 hf1 10 mm 肢尖焊缝 hf2 6 mm 最好根据构造要 求选定焊角尺寸 肢背的焊缝长度为 114mm 肢尖的焊缝长度为 100mm 均为满焊 则验算如下 肢背 0 7N 2helw 0 7 126310 2 0 7 10 114 20 67 186MPa 160MPa 故满足要求 肢尖 0 3N 2helw 0 3 126310 2 0 7 6 100 12 11 6MPa 160MPa 故满足要求 由于 39 40 杆的内力很小 焊缝尺寸可按构造确定 取 hf 4 mm 根据上面求得的焊缝长度 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 325mm 265mm 下弦与节点板连接的焊缝长度为 325mm 满焊 hf 6mm 焊缝所受的力为左右 两下弦杆的内力差 N 1009 195 913 314 96 6kN 受力较大的肢背处的焊缝应 力为 0 75N 2helw 0 75 96600 2 0 7 6 325 12 28 28MPa 160MPa 故满足要求 因此 焊缝强度满足要求 该节点如图 1 12 所示 13 图 1 12 下弦节点 4 2 上弦节点 22 见图 1 13 38 杆与节点板的焊缝尺寸和节点 4 相同 37 杆与节点板的焊缝尺寸计算同上 设 37 杆的肢背焊缝 hf1 14mm 肢尖焊缝 hf2 6 mm 最好根据构造要求 选定焊角尺寸 肢背的焊缝长度为 155mm 肢尖的焊缝长度为 156mm 均为满焊 则 验算如下 肢背 0 7N 2helw 0 7 193740 2 0 7 14 155 28 54 48MPa 160MPa 故满足要求 肢尖 0 3N 2helw 0 3 193740 2 0 7 6 1156 12 48MPa 160MPa 故满足要求 设计节点板的尺寸为 310mm 295mm 为了便于在上弦杆上搁置屋面板 节点板的上边缘可以缩进上肢背 8 mm 采用 槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来 槽焊缝作为两条角焊缝计算 槽焊缝的强度设 计值乘以 0 8 的折减系数 计算时可以略去屋架上弦坡度的影响 并考虑到 P 对槽焊 缝长度中点的偏心距较小 所以略去由此偏心引起的弯矩 上弦肢背槽焊缝内的应力 不用验算 肢尖焊缝承受弦杆内力差 N 982 789 816 36 166 43 kN 偏心距 e 100 25 75mm 偏心力矩 M Ne 166 43 0 075 12 78kN m 按构造要求取肢尖 hf2 6mm 则上弦杆肢尖角焊缝的剪应力为 f 166430 0 7 2 6 298 66 5Mpa 由偏心力矩引起的正应力为 f 6M 2helw2 6 12780000 2 0 7 6 2982 102 8Mpa 则焊缝强度为 160MpaMPa ff 4 107 22 1 8 102 5 66 22 1 2222 所以满足强度要求 该节点如图 1 13 所示 14 图 1 13 上弦节点 22 3 屋脊节点 30 见图 1 14 弦杆一般都采用同号角钢进行拼接 为了使拼接 角钢与弦杆之间能够密合 病便于施焊 需将拼接角钢的尖角削除 且截去直肢的一 部分宽度 一般为 t hf 5mm 拼接角钢的这部分削弱 可以靠节点板开补偿 接头 一边的焊缝长度按弦杆内力计算 设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝 hf 10mm 焊缝计算长度为 一条焊缝 lw 1019066 4 0 7 10 160 227 5mm 拼接角钢的长度 ls 2 lw 2he 弦杆杆端空隙 拼接角钢长度取 520mm 上弦与节点板之间的槽焊缝 假定承受节点荷载 焊缝验算方法与节点 22 处槽 焊缝验算方法类似 此处验算过程略 上弦肢尖与节点板的连接焊缝 应按上弦内力 的 15 计算 并考虑此内力产生的弯矩 设肢尖焊缝 hf 10mm 取节点长度为 400mm 则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为 lw 400 2 10 20 170mm 焊缝应力为 f 0 15 1019066 0 7 2 10 170 64 2Mpa f 6M 2helw2 6 0 15 1019066 75 2 0 7 10 1702 170Mpa 160MpaMPa ff 4 153 22 1 170 2 64 22 1 2222 因此 焊缝强度满足要求 该节点如图 1 14 所示 因屋架的跨度很大 需将屋架分为两个运输单元 在屋脊 节点和下弦跨中节点设置工地拼接 左半边的上弦杆 斜杆和竖杆与节点板的连接用 工厂焊缝 而右半边的上弦杆 斜杆与节点板的连接用工地焊缝 腹杆与节点板连接焊缝的计算方法与以上几个节点相同 在此不再赘述 15 图 1 14 屋脊节点 30 4 支座节点 1 见图 1 15 下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距取 100mm 在节点中心线上设置加劲肋 加劲肋的高度与节点板的高度相等 厚度去 14 mm 1 支座底板的计算 支座反力为 R 428899N 支座底板的平面尺寸采用 280mm 400mm 如果仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力 则承压面积为 280mm 360mm 100800mm2 验算柱顶混凝土的抗压强度为 R An 428899 100800 4 25Mpa c 12 5Mpa 式中 c 混凝土抗压强度的设计值 对 C25 混凝土 c 12 5Mpa 支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算 节点板和加劲肋将底板分为四块 每块板为两相邻边自由的板 每块板的单位宽度的最大弯矩为 Mmax 2qa22 式中 q 底板下的平均应力 即 q 4 25Mpa a2 两边支承之间的对角线长度 即 a2 mm 2 218133173 22 2 系数 有 b2 a2查表确定 b2为两边支承的相交点到对角线 a2的垂直距离 由此得 b2 133 173 21