钢结构计算书讲解与例题

第 1 页 共 22 页 成都航空职业技术学院成都航空职业技术学院 钢屋架施工图设计钢屋架施工图设计 实训任务书及指导书实训任务书及指导书 余成影余成影 编写编写 20112011 年年 1111 月月 第 2 页 共 22 页 钢屋架施工图设计钢屋架施工图设计 实训任务书实训任务书 适用于高等职业技术教育建筑工程技术专业 本课程以实际训练为主 着重于培养学生进行钢屋架施工图设计的能力 本课程对建 筑工程技术专业学生来说 实用性较强 是学好建筑工程技术专业的基础之一 一 实训目的一 实训目的 通过一周实训 学生基本能进行荷载汇集和杆力计算 能选用钢材及焊条 能确定屋 架形式及几何尺寸 能够布置屋盖支撑 能够选择杆件截面 能进行节点设计 能画出钢屋 架施工图 二 实训要求二 实训要求 1 技术要求 具备钢屋架杆力计算基本能力 具备钢屋架设计及作图能力 2 环境要求 学生在教室内独立完成 3 主要媒介 1 规范 标准 建筑结构荷载规范 钢结构设计规范 建筑结构制图标准 2 教材 建筑力学 建筑结构 3 工具 计算工具 作图工具 三 实训任务三 实训任务 以某单位单跨厂房钢屋盖设计开展实训教学 1 钢屋架杆力计算 2 选用钢材及焊条 3 确定屋架形式及几何尺寸 4 布置屋盖支撑 5 选择杆件截面 6 进行节点设计 7 画出钢屋架施工图 四 成果 作业 形式四 成果 作业 形式 实训结束 每个学生应当按要求交出一份计算书和钢屋架施工图一张 实训成果格式 计算书用 A4 幅面纸张完成 要求计算正确 字迹工整 加装封面 装 订成册 钢屋架施工图用 A2 幅面图纸完成 要求画图准确 布图美观 比例恰当 五 已知条件五 已知条件 第 3 页 共 22 页 根据下面的资料设计某单位单跨厂房钢屋盖 杆件长度 单位米 1 2 3 4 10 11 12 13 14 15 44442 22222 16 17 9 28 27 29 30 32 34 35 222 53 83 92 6 4 14 154 23 36 37 38 31 4 54 523 22 7 第 4 页 共 22 页 内力计算表内力计算表 表表 1 1 杆 件 名 称 计算内力 KN 10 250 00 11 12 480 25 13 14 633 71 15 16 730 94 上 弦 杆 17 716 60 1288 89 2522 27 3770 00 下 弦 杆 4726 89 27368 45 28 424 16 30 285 92 32157 66 33 144 77 3452 81 0 87 360 61 44 46 斜 腹 杆 3752 78 73 55 9 28 36 29 55 72 31 55 72 35 55 72 竖 杆 3891 89 支座反力 RA RB 467 2KN 六 实训时间安排六 实训时间安排 本实训共一周 第 5 页 共 22 页 七 评价与考核七 评价与考核 1 评价内容 计算书和钢屋架施工图 2 评价方法 过程表现与实训报告相结合进行综合评价 实训报告有老师批改并给出 成绩 3 过程与终结各占比例 过程表现占 30 实训报告占 70 序号实训内容实训时间 天 备注 1 布置任务 准备工作 熟 悉资料 0 5 2 确定屋架形式及几何尺寸 0 5 3 钢屋架杆力计算 0 5 4 选用钢材及焊条 布置屋 盖支撑 0 5 5 选择杆件截面 0 5 6 进行节点设计 0 5 7 画出钢屋架施工图 1 5 8 汇总总结和成绩评定 0 5 合计 5 第 6 页 共 22 页 钢屋架施工图设计钢屋架施工图设计 实训指导书实训指导书 设计步骤指导设计步骤指导 一 屋架杆件内力计算一 屋架杆件内力计算 见任务书中条件 二 屋架杆件截面的设计二 屋架杆件截面的设计 1 杆件的计算长度 1 桁架平面内计算长度 l0 x 桁架弦杆 支座斜杆 支座竖杆刚度较大 两端相连的杆少 对节点的嵌固程度小 可不考虑 其计算长度取几何长度 其它受压腹杆 考虑节点处拉杆的约束作用 计算长 度适当折减 取 l0 x 0 8l0 2 桁架平面外计算长度 loy 屋架弦杆在平面外的计算长度 应取侧向支承点间的距离 对上弦 取上弦横向水平 支撑的节间长度 在有檩屋盖中 如檩条与横向水平支撑的交叉点用节点板焊牢 则檩条 可视为上弦杆的支承点 对下弦 视有无纵向水平支撑 取纵向水平支撑节点与系杆或系杆与系杆之间的距离 对所有腹杆 l0y l0 3 斜平面计算长度 单面连接的角钢和双角钢组成的十字形杆件 斜平面计算长度 l0 0 9 但支座斜杆 l 与 支座竖杆仍取 l l 0 2 杆件容许长细比验算 长细比验算时应按平面内 平面外 两个方向分别验算 i l x x x 0 i l y y y 0 对单角钢腹杆 或十字形截面的双角钢竖杆 应验算杆件在斜平面的最大长细比 i l min 0 第 7 页 共 22 页 3 屋架杆件截面形式选择 上弦杆可选用不等边角钢短肢相连的截面 两个等边角钢相并的截面或 型截面 下弦杆可采用不等边角钢短肢相连的截面或 型截面 支座斜杆可采用不等肢角钢相连或等肢角钢相连的截面 屋架的其它腹杆 可采用等边角钢相并 与垂直支撑连接的竖杆采用两个等边角钢组成 的十字形截面 受力很小的腹杆可采用单角钢 交替放置在桁架平面两边 三 屋架的节点设计三 屋架的节点设计 1 确定节点板及节点构造 节点板的尺寸应由节点处各杆件截面尺寸及杆端焊缝长度来控制 设计时可画大样图来 确定 节点板的厚度可按端节间弦杆最大内力查表选用 2 节点构造与计算 1 下弦中间节点 弦杆与节点板的焊缝承受相邻弦杆的内力差 由此可求出焊角尺寸 NN N 21 肢背焊缝 fl N k h w f w f 7 0 2 1 1 肢尖焊缝 fl N k h w f w f 7 0 2 2 2 对腹板的角钢 可采用肢尖 肢背两侧焊缝或三围焊 型焊 2 上弦中间节点 在弦杆内力差作用下 角钢肢背与节点板间焊缝所受的剪应力为 N lh N K wf N 7 0 2 1 3 弦杆的拼接节点 弦杆与连接角钢连接焊缝所需的长度为 mm fh N l w f f w 10 7 04 max 1 下弦杆与节点板间的连接焊缝应按下式计算 f fh NK w f w t f 7 02 15 0 max1 上弦杆与节点板间连接焊缝所需长度为 mm f w t hf NP lw 10 7 08 sin 2 1 3 第 8 页 共 22 页 4 支座节点 支座底板所需净面积为 f N A cc n 四 画屋架施工图 图纸具体见后面附图 四 画屋架施工图 图纸具体见后面附图 1 可仅绘制半榀屋架 施工图上应包括屋架正面图 上弦和下弦平面以及必要的侧面 图 剖面图和零件图 2 图纸的左上角用适当比例绘制屋架简图 单线图 左半跨注明屋架杆的几何轴线尺 寸 右半跨注明杆件的内力设计值 并注明屋架跨中央的起拱高度 3 屋架杆件的轴线一般采用 1 20 1 30 绘制 而节点尺寸和杆件截面尺寸用 1 10 1 15 的比例尺绘制 钢屋架设计案例钢屋架设计案例 计算书和图纸计算书和图纸 一 设计资料一 设计资料 厂房总长度 120m 檐口高度 15m 厂房为单跨结构 内设两台中级工作制桥式吊车 拟设计钢屋架简支于钢筋混凝土柱上 混凝土等级为 C30 柱顶截面尺寸为 400mm x 400mm 钢屋架 设计不考虑抗震设防 二 选题二 选题 厂房柱距选择 6m 屋架形式 D 如图 2 1 跨度 24m 图 2 1 三 钢材选择及焊接方法和焊条型号三 钢材选择及焊接方法和焊条型号 钢材选择 Q235B 焊条选择 E43 型 手工焊 四 屋盖支撑系统布置图四 屋盖支撑系统布置图 第 9 页 共 22 页 本屋盖为无檩盖房 i 10 为平坡梯形屋架 屋架计算长度为 L L 300mm 23700mm 端部高度 中 部高度和屋盖杆件几何尺寸见施工图 跨中起拱按 L 500 考虑 上 下弦横向水平支撑 垂直支撑和系 杆布置见图 4 1 因连接孔和连接零件上有区别 图中分别给出了 W1 W2 和 W3 三种编号 屋架内力示意图 内力计算表内力计算表 表表 1 1 杆 件 名 称 计算内力 KN 10 250 00 11 12 440 25 13 14 683 71 15 16 770 94 上 弦 杆 17 746 60 1238 89 2582 27 3740 00 下 弦 杆 4766 89 27348 45 28 434 16 30 275 92 32187 66 33 124 77 3456 81 0 67 360 51 42 46 斜 腹 杆 3754 78 71 55 9 25 36 29 50 72 竖 杆 31 50 72 第 10 页 共 22 页 35 50 72 3897 89 支座反力 RA RB 507 2KN 七 杆件截面设计七 杆件截面设计 1 上弦杆截面计算 上弦杆截面计算 整个上弦杆采用同一截面 按最大内力计算 N 770 94kN 压力 查 钢结构设计手册 节点板厚度 选用 14mm 支座节点板厚度选用 16mm 计算长度 屋架平面内取节间轴线长度cml x 8 150 0 屋架平面外根据支撑和内力变化取 cml y 0 300 0 1502 0 因为 故截面宜选用两个不等肢 yx ll 00 2 角钢 且短肢相并 如图 7 1 所示 设 查表 60 807 0 需要截面积 图 7 1 上弦截面 mm f N A 3 4443 215807 0 1094 770 3 需要回转半径 cm l i x x 51 2 60 1508 0 cm l i y y 00 5 60 3000 0 根据需要的 A ix iy 查角钢型钢表 选用 2 A 50 6 c ix 2 85 cm iy 10100160 7 78cm 按所选角钢进行验算 9 5285 2 8 150 0 xxx il 56 3878 7 00 300 0 yyy il 满足长细比 的要求 150 由于只需求出 查轴心受压构件的稳定系数表 yx x min 842 0 x 22 3 215 95 180 5060842 0 1094 770 mmNfmmN A N x 所选截面合适 2 下弦杆截面计算 下弦杆截面计算 整个杆件采用同一截面 按最大内 力计算 N 766 89kN 拉力 计算长度 屋架平面内取节间轴线 长度cml x 300 0 屋架平面外根据支撑布置取 第 11 页 共 22 页 cml y 1185 0 计算需要净截面面积 图 7 2 下弦截面 2 3 12 3567 215 1093 766 mm f N An 选用 2 140 90 8 短肢相并 见图 7 2 所示 A 36 00 c ix 2 59 cm iy 4 50cm 按所选角钢进行截面验算 取 AAn 350 8 115 59 2 300 0 x x i l 350 33 263 50 4 1185 0 y y i l 22 3 215 4 213 3600 1093 766 mmNfmmN A N 所选截面满足要求 3 斜腹杆截面计算 斜腹杆截面计算 斜腹杆 28 N 434 16kN 压力 l0 x l0y l 254 3cm 因为 l0 x l0y 故采用不等肢角钢 长肢相并 使 ix iy 选用 2 140 90 10 见图 7 3 所示 A 44 6 c ix 2 56 cm iy 6 84cm 属于 b 类截面150 34 99 56 2 3 254 0 x x x i l 属于 b 类截面 150 18 37 84 6 3 254 0 y y y i l 满足长细比 的要求 150 由于只需求出 查表 图 7 3 斜腹杆 28 截面 yx x min 559 0 x 22 3 215 14 174 4460559 0 1016 434 mmNfmmN A N x 所选截面合适 斜腹杆 27 N 348 45kN 拉力 l0 x 0 8l 209 3cm l0y l 261 6 cm 计算需要净截面面积 2 3 7 1620 215 1045 348 mm f N An 选用 2 56 8 见图 7 4 所示 图 7 4 斜腹杆 27 截面 第 12 页 共 22 页 A 1674 c ix 1 68 cm iy 2 91 cm 验算 350 6 124 68 1 3 209 0 x x x i l 350 9 89 91 2 6 261 0 y y y i l 所选截面满足要求 22 3 215 2 208 1674 1045 348 mmNfmmN A N 斜腹杆 30 3 N 275 92kN 压力 l0 x 230 2mm l0y l 287 8mm 选用 2 80 8 见图 7 5 所示 A 2460mm2 ix 2 44cm iy 3 85cm 属于 b 类截面150 3 94 44 2 2 230 0 x x x i l 属于 b 类截面150 8 74 85 3 8 287 0 y y y i l 满足长细比 的要求 150 由于只需求出 查表 图 7 5 斜杆 2 13 截面 yx x min 596 0 x 22 3 215 2 188 2460596 0 1092 275 mmNfmmN A N x 所选截面合适 斜腹杆 32 4 N 187 66kN 拉力 l0 x 0 8l 229 4cm l0y l 286 7 cm 计算需要净截面面积 2 3 8 872 215 1066 187 mm f N An 选用 2 56 5 见图 7 6 所示 A 10 82 c ix 1 72 cm iy 2 77 cm 验算 图 7 6 斜腹杆 32 截面 350 4 133 72 1 4 229 0 x x x i l 350 5 103 77 2 7 286 0 y y y i l 22 3 215 4 173 1082 1066 187 mmNfmmN A N 所选截面满足要求 斜腹杆 33 5 N 124 77 压力 l0 x 251 0cm l0y l 313 8cm 选用 2 63 8 见图 7 7 所示 A 19 02c ix 1 90cm iy 3 18cm xx y y 14 xx y y 14 xx y y 14 第 13 页 共 22 页 属于 b 类截面150 1 132 90 1 0 251 0 x x x i l 属于 b 类截面150 7 98 18 3 8 313 0 y y y i l 满足长细比 的要求 150 由于只需求出 查轴心受压构件的稳定系数表 yx x min 378 0 x 图 7 7 斜腹杆 33 截面 22 3 215 5 173 1902378 0 1077 124 mmNfmmN A N x 所选截面合适 斜杆 34 6 N 56 81kN 拉力 l0 x 0 8l 250 2mm l0y l 312 7cm 计算需要净截面面积 2 3 2 264 215 1081 56 mm f N An 选用 2 56 5 见图 7 8 所示 A 10 82c ix 1 72 cm iy 2 77 cm 验算 350 5 145 72 1 2 250 0 x x x i l 350 9 112 77 2 7 312 0 y y y i l 图 7 8 斜腹杆 34 截面 22 3 215 5 52 1082 1081 56 mmNfmmN A N 所选截面满足要求 斜腹杆 36 7 N 42 46kN 安装过程中出现较大压力 l0 x 272 4cm l0y l 340 5cm 选用 2 63 4 见图 7 9 所示 A 9 96c ix 1 96cm iy 3 09cm 属于 b 类截面150 0 139 60 1 4 272 0 x x x i l 属于 b 类截面150 2 110 09 3 5340 0 y y y i l 满足长细比 的要求 150 xx y y 14 xx y y 14 第 14 页 共 22 页 由于只需求出 查表 yx x min 349 0 x 图 7 9 斜腹杆 36 截面 22 3 215 2 122 996349 0 1046 42 mmNfmmN A N x 所选截面合适 斜杆 37 8 N 71 55kN 安装过程中出现较大压力 l0 x 271 4cm l0y l 339 3cm 选用 2 63 6 见图 7 10 所示 A 14 58c ix 1 93cm iy 3 06cm 验算 150 6 140 93 1 4 271 0 x x x i l 150 9 110 06 3 3 339 0 y y y i l 由于只需求出 查轴心受压构件的稳定系数表 图 7 10 斜腹杆 37 截面 yx x min 342 0 x 22 3 215 5 143 1458342 0 1055 71 mmNfmmN A N x 所选截面合适 4 竖杆截面计算 竖杆截面计算 边竖杆 9 1 N 25 36kN 压力 l0 x l0y l 201 5cm 选用 2 63 10 A 23 32 c ix 1 88cm iy 3 07cm 属于 b 类截面150 2 107 88 1 5 201 0 x x x i l 属于 b 类截面150 6 65 07 3 5 201 0 y y y i l 满足长细比 的要求 150 由于只需求出 查轴心受压构件的稳定系数表 yx x min 510 0 x 22 3 215 3 21 2332510 0 1036 25 mmNfmmN A N x 所选截面合适 竖杆 29 2 N 50 72kN 压力 l0 x 184 0cm l0y 230 0cm 选用 2 63 10 A 23 32 c ix 1 88cm iy 3 07cm xx y y 14 第 15 页 共 22 页 属于 b 类截面150 9 97 88 1 0 184 0 x x x i l 属于 b 类截面150 9 74 07 3 0 230 0 y y y i l 满足长细比 的要求 150 由于只需求出 查轴心受压构件的稳定系数表 yx x min 568 0 x 22 3 215 3 38 2332568 0 1072 50 mmNfmmN A N x 所选截面合适 竖杆 31 3 N 50 72kN 压力 l0 x 208 0cm l0y 260 0cm 选用 2 63 10 A 23 32 c ix 1 88cm iy 3 07cm 属于 b 类截面150 7 110 88 1 0 208 0 x x x i l 属于 b 类截面150 7 84 07 3 0 260 0 y y y i l 满足长细比 的要求 150 由于只需求出 查轴心受压构件的稳定系数表 yx x min 489 0 x 22 3 215 5 44 2332489 0 1072 50 mmNfmmN A N x 所选截面合适 竖杆 35 4 N 50 72kN 压力 l0 x 232 0m l0y 290 0cm 选用 2 63 10 A 23 32 c ix 1 88cm iy 3 07cm 属于 b 类截面150 4 123 88 1 232 0 x x x i l 属于 b 类截面150 5 94 07 3 0 290 0 y y y i l 满足长细比 的要求 150 由于只需求出 查轴心受压构件的稳定系数表 yx x min 418 0 x 22 3 215 0 52 2332418 0 1072 50 mmNfmmN A N x 所选截面合适 中竖杆 38 5 N 97 89kN 拉力 l0 x 288 0m l0y 320 0cm 2 3 3 455 215 1089 97 mm f N An 第 16 页 共 22 页 选用 2 63 10 A 23 32 c ix 1 88cm iy 3 07cm 350 2 153 88 1 0 288 0 x x x i l 350 1 104 07 3 0 320 0 y y y i l 满足长细比 的要求 350 22 3 215 0 42 2332 1089 97 mmNfmmN A N 所选截面合适 图 7 11中竖杆截面图 屋架杆件一览表屋架杆件一览表 表二表二 计算长度回转半径长细比系数 min N m 杆件 杆内力 kN loxloy 截面形式及 角钢规格 截面积 c ix iy max 容许 长细 比 上弦 770 94 150 8300 0 短肢相并 2L160 100 1 0 50 62 857 7852 901500 842 180 95 下弦 766 89 300 01185 0 短肢相并 2L140 90 8 36 02 954 50263 33350 213 4 27348 45 209 3261 6 2L56 8 16 741 682 91124 6350 208 2 28 434 16 254 3254 3 长肢相并 2L140 90 10 44 62 566 8499 34150 0 559 174 14 30 275 92 230 2287 8 2L80 8 24 62 44 3 8 5 94 31500 596 188 2 32187 66 229 4286 7 2L56 5 10 821 72 2 7 7 133 4350 173 4 33 124 77 251 0313 8 2L63 8 19 021 903 18132 11500 378 173 5 3456 81 250 2312 7 2L56 5 10 821 722 77145 5350 52 5 36 42 46 272 4340 5 2L63 4 9 961 963 09139 01500 349 122 2 斜腹杆 37 71 55 271 4339 3 2L63 6 14 581 933 06140 61500 342 143 5 9 25 36 201 5201 5 2L63 10 23 321 883 07107 21500 510 21 3 29 50 72 184 0230 0 2L63 10 23 321 883 0797 91500 568 35 31 50 72 208 0260 0 2L63 10 23 321 883 07110 71500 489 44 5 竖杆 35 50 72 232 0 290 0 2L63 10 23 321 883 07123 41500 418 52 0 第 17 页 共 22 页 八 节点设计八 节点设计 图 8 1 钢屋架节点图 重点设计 1 2 11 18 5 五个典型节点 其余节点设计类同 1 下弦 下弦 2 节点节点 设计步骤 根据腹杆的内力计算腹杆与节点连接焊缝的尺寸 即hf和lw 然后根据lw的大小比例 绘出节点板的形状和大小 最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝 选用 E43 焊条 角焊缝的抗拉 抗压和抗剪强度设计值 160N m 实际所需的焊脚尺寸可由构造f w t 确定 1 11 2 杆的内力 N 348 45KN 采用三面围焊 肢背和肢尖焊缝 hf 6mm 根据所选角钢的宽度 所 需要的正面角焊缝长度为 mmlw63 3 kNflhN w ffwf 3 10316022 1 6367 027 0 33 肢背 取 160mmmm fh NN l w ff w 1 15512 16067 02 10 x5 0 x 3 1031045 3487 0 7 02 2 7 0 33 3 1 肢尖 取 60mmmm fh NN l w ff w 3 5112 16067 02 10 x 3 103x5 01045 3483 0 7 02 2 3 0 33 3 2 2 13 2 杆的内力 N 275 92KN 采用三面围焊 肢背与肢尖的焊缝 hf 6mm 所需要的正面角焊缝长 度为 mmlw80 3 NflhN w ffwf 41 8067 027 0 33 肢背 取 110mmmm fh NN l w ff w 9 10612 16067 02 2 655871092 2757 0 7 02 2 7 0 3 3 1 肢尖 取 60mmmm fh NN l w ff w 8 2412 16067 02 2 655871092 2753 0 7 02 2 3 0 3 3 2 3 竖杆 2 12 杆的内力 N 50 72KN 采用三面围焊 焊缝尺寸可按构造确定取 hf 8mm 所需要正面角的焊缝长度为 mmlw63 3 3897 89 288 0320 0 十字形 2L63 10 23 321 883 07153 2350 42 0 第 18 页 共 22 页 NflhN w ffwf 121 26387 07 0 33 因为 所以按两面侧焊缝计算 12 137733304321072 503 022 3 3 2 NNNk 肢背 取 40mmmm fh N l w ff w 8 3516 16087 02 1072 507 0 7 02 7 0 3 1 肢尖 因 8xhf 64mm 故取 70mmmmlw 4 2416 16087 02 1072 503 0 3 2 4 下弦杆焊缝验算 下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦内力之差 N 582 87 238 89 343 98kN 肢背焊缝验算 hf 8mm 2 3 f mm N23 62 32987 02 1098 3433 2 160N mm2满足要求 根据节点放样 得节点板尺寸为 345 300 节点图 如图 8 2 所示 2 上弦 上弦 11 节点 节点 1 11 2 杆节点板连接的焊缝计算与下弦节点 2 中 11 2 杆计算相同 mmlw63 3 mmlw160 1 mmlw60 2 2 1 11 杆 N 434 16 kN 图 8 2 下弦节点 2 采用三面围焊 设肢背和肢尖 hf 8mm 先假设所需要正面角的焊缝长度为 mmlw140 3 NflhN w ffwf 62 30607316022 1 14087 027 0 33 因为 所以按两面侧焊缝计算 3 3 2 2604961016 43430 022NNNk lw1 16 201 6 取 lw1 2