中南大学 钢结构课程设计

梯形钢屋架设计书中南大学钢结构设计原理课程设计 学 院：土木建筑学院班 级：姓 名：学 号：设计课题：梯形钢屋架设计指导老师：胡狄2010-7-10目录第一篇 设计资料一、设计资料2第2章 设计计算书1、 屋架支撑系统的设置一、拟订尺寸4二、桩在承台底面的布置 5三、承台底面形心处的位移计算6四、墩身弹性水平位移的计算 10五、桩基检算12六、配筋计算14第3章 电算结果一、原始输入数据 17二、电算输出结果 18三、手算电算结果对照表21附录1：设计说明书一份附录2：桩基础布置及桩身钢筋构造图一张第一篇 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400400mm，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 0.4 kN/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 0.05kN/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=0.384kN/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。第二篇 设计计算一、 屋架支撑系统的设置屋架支撑的种类有横向支撑、纵向支撑、垂直支撑和系杆。在本设计中，屋架支撑系统设计如下：1.1 厂房柱距6m,屋架间距取为6米。1.2 在房屋两端第一个柱间各设置一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑。房屋长度较大，为102m，其两端横向支撑间距超过了60m，为增加屋盖的刚性，在长度方向正中间的柱间加设一道横向支撑。1.3 房屋是厂房，且厂房内有吊车，高度较高，对房屋整体刚度的要求较高，设置纵向支撑，对梯形屋架，纵向支撑设置在屋架的下弦平面。1.4 在屋架中和两端各布置一道垂直支撑。垂直支撑的形式根据高度与柱距的比值确定。在此屋架结构中，h/l=3085/6000=0.51，故取如下图垂直支撑形式：垂直支撑图样1.5 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。屋架支撑系统设置如图2所示。梯形屋架支撑布置图1垂直支撑；2系杆；3上弦横向支撑；4下弦横向支撑；5下弦纵向支撑二、杆件内力的计算先定出屋架所有杆件的尺寸，画出屋架示意图如图3：屋架几何尺寸图2.1 荷载计算恒载设计值=恒载标准值1.2活载设计值=活载标准值1.4(1) 永久荷载设计值三毡四油（上铺绿豆沙）防水层 水泥砂浆找平层 保温层 一毡二油隔气层 预应力混凝土大型屋面板 屋架（包括支撑）自重 合计 (2) 可变荷载设计值由于积雪时人不大可能大量拥上屋面等原因，对屋面均布可变荷载和雪荷载，只取其较大者。屋面活载： 雪荷载： 积灰荷载： 合计 2.2 荷载组合设计屋架时应考虑三种组合：使用阶段a.全跨永久荷载+全跨可变荷载 结点荷载设计值： a种荷载组合屋架受力图b.全跨永久荷载+半跨可变荷载 节点荷载设计值： b种荷载组合屋架受力图施工阶段c.全跨屋架（包括支撑）自重+半跨屋面板+半跨活载 节点荷载设计值： c种荷载组合屋架受力图2.3 内力计算实际采用pf程序计算杆件在单位节点作用下各杆件的内力系数，见下表（全跨和左半跨相关数据见附录）。由表内三种组合可见：组合一，对杆件计算主要起控制作用；组合二和组合三，可能引起跨中几根斜腹杆发生内力变号。如果施工过程中，在屋架两侧对称均与铺设面板，则可避免内力变号而不用组合三。杆件及节点编号：节点编号示意图屋架节点编号，如下图所示：节点编号图示根据电算所得各荷载组合下杆件内力系数，即可求得其对应控制内力，结果见下表：屋架杆件内力组合表杆件名称内力系数（P=1）第一种组合第二种组合第三种组合计算内力全跨左半跨右半跨P=46.4472kNP1=46.4472kNP1=31.8672kNP2=33.8472kNP2=4.1472kNPP1P2P1P2P1P2P1P2KNKNKNKNKNKN上弦杆AB000000000BC-9.141-6.549-2.593-424.574-391.949-342.103-219.452-109.792-424.574CD-9.141-6.549-2.593-424.574-391.949-342.103-219.452-109.792-424.574DE-14.104-9.425-4.679-655.091-596.136-536.336-319.753-188.194-655.091EF-14.104-9.425-4.679-655.091-596.136-536.336-319.753-188.194-655.091FG-15.833-9.516-6.316-735.399-655.77-615.45-329.442-240.738-735.399GH-15.833-9.516-6.316-735.399-655.77-615.45-329.442-240.738-735.399HI-15.27-7.635-7.635-709.249-613.048-613.048-274.97-274.97-709.249下弦杆ac4.9753.6631.312231.0748214.5436184.921122.170757.00096231.0748ce12.0458.363.685559.4565513.0255454.1205281.6922152.1012559.4565eg15.2289.7115.517707.298637.7838584.9394332.3425216.0848707.2981gi15.7168.7416.975729.9642642.0792619.8276307.4779258.5244729.9642斜腹杆aB-9-6.627-2.373-418.025-388.125-334.525-221.025-103.104-418.025Bc6.9454.8082.137322.5758295.6496261.995162.080188.03994322.5758cD-5.456-3.412-2.044-253.416-227.662-210.425-117.208-79.2868-253.416De3.681.8831.797170.9257148.2835147.199967.4584665.07454170.9257eF-2.412-0.672-1.74-112.031-90.1066-103.563-28.6309-58.2358-112.031Fg1.064-0.4891.55349.4198229.8520255.58122-9.1424647.4617855.58122gH0.0851.6-1.5153.94801223.03701-16.21244.70451-41.643344.70451Hi-1.145-2.5131.368-53.182-70.4188-21.5182-74.408933.17242-74.4089竖腹杆Aa-0.5-0.50-23.2236-23.2236-16.9236-15.9336-2.0736-23.2236Cc-1-10-46.4472-46.4472-33.8472-31.8672-4.1472-46.4472Ee-1-10-46.4472-46.4472-33.8472-31.8672-4.1472-46.4472Gg-1-10-46.4472-46.4472-33.8472-31.8672-4.1472-46.4472Ii2.0391.0191.01994.7058481.8199981.8199936.6986736.6986794.70584屋架杆件内力组合表三、杆件截面设计3.1、节点板厚选择支座斜杆最大内力设计值N=-418.025KN，查钢结构原理与设计课本表9.1：选取中间节点板厚t=10mm，支座结点板厚t=12mm。3.2、上弦杆（压弯构件）整个上弦杆采用同一截面，免去不同截面杆件间的拼接。截面按受力最大的部位F-G-H节间选用，最大内力为：由屋面坡度1：10得屋面倾角：计算长度： 弯矩作用平面内 弯矩平面外（侧向无支撑） 虽当时宜选用长边外伸的两不等边角钢，但压弯构件又希望加大角钢的竖边尺寸，因而仍选用两个等边角钢。设，查附表1.20得，则需要截面特性为： 因为F-G-H节间不是端部，故节点板厚度为10mm,由此查附表2.1得：选用212510等边角钢。 截面特性为： 则： 由cm查附表1.20得，故 3.3 下弦杆（轴心受拉构件）整榀屋架下弦杆采用等截面。截面按受力最大的部位g-i节间选用，最大内力为：计算长度：，（因下弦有纵向支撑和系杆）截面选择：根据所需截面特性，查附表2.1选用21008010不等边角钢，且短肢相连。截面特性为:截面验算： 故下弦杆满足要求。3.4 腹杆（轴心受力构件） (1) 端斜杆aB计算内力：N=-418.04KN计算长度：截面选择：选取等边角钢21008（端部节点板厚度为12mm）截面特性：截面验算： 查附表1.20得：，故端斜杆aB符合要求。 (2) 斜腹杆Bc计算内力：N=322.576KN计算长度： 截面选择：需要截面积选取2805，截面特性：截面验算： (3) 斜腹杆cD计算内力：N=-253.42KN计算长度： 截面选择：设，查附表1.20得，.则需要截面积：选取2808，截面特性：截面验算： 由查附表1.20得：， (4) 斜腹杆eF计算内力：N=-112.03KN计算长度： 截面选择：设，查附表1.20得，.则需要截面积：选取2568，截面特性：截面验算： 由查附表1.20得：， （5）竖腹杆Ii计算内力：N=94.701KN计算长度： 截面选择：需要截面积选取2453截面特性：截面验算： 其它几根竖向腹杆的截面选择可根据同样的方法求算出来。3.5 杆件截面选择列表上弦杆和下弦杆采用等截面通长杆，腹杆截面形式有多种截面形式。各杆件截面选择表汇总如下表：14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-735.3991251048.746150.7301.53.855.5239.254.61500.833181.1下弦杆gi729.964100801034.3343003002.354.78127.762.76350212.6腹杆竖腹杆Aa-23.2244535.3181901901.402.30135.782.61500.361121.0Cc-46.4474546.972174.8218.51.382.24126.797.51500.402165.7Ee-46.4474546.972198.8248.51.382.24144.1110.91500.329202.5Gg-46.4475648.78222.80278.501.732.67128.79104.311500.391135.30Ii94.7064535.318246.8308.51.402.22176.3139.0350178.1斜腹杆aB-418.025110730.3922442.12442.13.414.9371.650.01500.741213.6Bc322.57680515.824202.25252.812.483.6381.669.6350203.9cD-253.41680824.606222.0277.52.443.6991.075.21500.614167.74De170.9264558.584222.0277.51.372.26162.1122.1350200.1eF-112.03156816.734242.56303.201.682.75144.4110.31500.328204.11Fg55.5814546.972242.56303.201.382.24219.71135.3635079.72gH44.7054546.972263.69329.611.382.24191.08147.1535064.119Hi-74.40975617.594263.69329.612.313.46114.1595.261500.47089.98四、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、上弦典型受力位置节点（屋脊节点）5个节点作为主要节点进行设计，其余节点类同。其5个节点位置见下图：4.1 下弦节点c先计算腹杆焊缝长度，然后定出节点板的形状和尺寸，最后计算下弦杆与节点板之间的连接焊缝。(1) 斜杆Bc与节点板的连接焊缝计算，角焊缝强度设计值，设焊缝 ，则焊缝所需长度：角钢背：计算长度： 实际长度：，取角钢趾：计算长度： 可实际长度：，取(2) 竖杆Cc与节点板的连接焊缝计算， 角焊缝强度设计值，设焊缝，则焊缝所需长度：角钢背：计算长度： 据构造要求取为48mm实际长度：，取角钢趾：计算长度： 据构造要求取为48mm实际长度：，取(3) 斜杆cD与节点板的连接焊缝计算cD 杆焊缝计算， 角焊缝强度设计值，设焊缝 ，则焊缝所需长度：角钢背：计算长度: 实际长度：，取角钢趾：计算长度： 实际长度：，取(4) 下弦杆焊缝验算下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻内力之差： N=559.46-231.07=328.39kN根据节点放样，得节点板尺寸为400300mm。肢背焊缝验算，设，4.2 上弦节点F(1) Fe杆焊缝计算， 角焊缝强度设计值，设焊缝 ，则焊缝所需长度：角钢背：计算长度:实际长度：，取角钢趾：计算长度： 据构造要求取为48mm实际长度：，取(2) Fg 杆焊缝计算， 角焊缝强度设计值，设焊缝 ，则焊缝所需长度：角钢背：计算长度: 据构造要求取为48mm实际长度：482+6=60，取角钢趾：计算长度： 据构造要求取为48mm实际长度：，取(3) 上弦杆焊缝验算上弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻内力之差：N=735.399-655.091=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：4.3 屋脊节点I(1) 拼接角钢与弦杆的连接计算及拼接角钢总长度的确定 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条寒风平均承受此力，因而得焊缝长度为 由此可得拼接角钢总长度为： 取 (2) 弦杆与节点板的连接焊缝计算 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：4.4 跨中下弦拼接点i(1) 下弦杆拼接及长度计算（设焊缝hf=8mm）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，每条焊缝所需长度为： 由连接焊缝的强度条件可求出拼接拼接角钢的总长度为： 取拼接角钢长度L600mm，节点板尺寸为450350mm。(2) 下弦节点与节点板连接角焊缝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。4.5 支座节点a(1) 支座底板计算支座反力：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：(2) 加劲肋与节点板的连接焊缝计算 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：(3) 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:故符合要求。附录：1 全跨各节点受单位力1（1）输入数据* * 1 composite beam 2010.7.6 * *200E6 49 26 3 11 2 1 10E-182 3 1 10E-183 4 1 10E-184 5 1 10E-185 6 1 10E-186 7 1 10E-187 8 1 10E-188 9 1 10E-189 10 1 10E-1810 11 1 10E-1811 12 1 10E-1812 13 1 10E-1813 14 1 10E-1814 15 1 10E-1815 16 1 10E-1816 17 1 10E-1818 1 1 10E-1818 2 1 10E-1819 2 1 10E-1819 3 1 10E-1819 4 1 10E-1820 4 1 10E-1820 5 1 10E-1820 6 1 10E-1821 6 1 10E-1821 7 1 10E-1821 8 1 10E-1822 8 1 10E-1822 9 1 10E-1822 10 1 10E-1823 10 1 10E-1823 11 1 10E-1823 12 1 10E-1824 12 1 10E-1824 13 1 10E-1824 14 1 10E-1825 14 1 10E-1825 15 1 10E-1825 16 1 10E-1826 16 1 10E-1826 17 1 10E-1818 19 1 10E-1819 20 1 10E-1820 21 1 10E-1821 22 1 10E-1822 23 1 10E-1823 24 1 10E-1824 25 1 10E-1825 26 1 10E-180 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（2）输出数据* * * * 1 composite beam 2010.7.6 * * * * The Input Data The General Information E NM NJ NS NLC 2.000E+08 49 26 3 1 The Information of Membersmember start end A I 1 1 2 1.000000E+00 1.000000E-17 2 2 3 1.000000E+00 1.000000E-17 3 3 4 1.000000E+00 1.000000E-17 4 4 5 1.000000E+00 1.000000E-17 5 5 6 1.000000E+00 1.000000E-17 6 6 7 1.000000E+00 1.000000E-17 7 7 8 1.000000E+00 1.000000E-17 8 8 9 1.000000E+00 1.000000E-17 9 9 10 1.000000E+00 1.000000E-17 10 10 11 1.000000E+00 1.000000E-17 11 11 12 1.000000E+00 1.000000E-17 12 12 13 1.000000E+00 1.000000E-17 13 13 14 1.000000E+00 1.000000E-17 14 14 15 1.000000E+00 1.000000E-17 15 15 16 1.000000E+00 1.000000E-17 16 16 17 1.000000E+00 1.000000E-17 17 18 1 1.000000E+00 1.000000E-17 18 18 2 1.000000E+00 1.000000E-17 19 19 2 1.000000E+00 1.000000E-17 20 19 3 1.000000E+00 1.000000E-17 21 19 4 1.000000E+00 1.000000E-17 22 20 4 1.000000E+00 1.000000E-17 23 20 5 1.000000E+00 1.000000E-17 24 20 6 1.000000E+00 1.000000E-17 25 21 6 1.000000E+00 1.000000E-17 26 21 7 1.000000E+00 1.000000E-17 27 21 8 1.000000E+00 1.000000E-17 28 22 8 1.000000E+00 1.000000E-17 29 22 9 1.000000E+00 1.000000E-17 30 22 10 1.000000E+00 1.000000E-17 31 23 10 1.000000E+00 1.000000E-17 32 23 11 1.000000E+00 1.000000E-17 33 23 12 1.000000E+00 1.000000E-17 34 24 12 1.000000E+00 1.000000E-17 35 24 13 1.000000E+00 1.000000E-17 36 24 14 1.000000E+00 1.000000E-17 37 25 14 1.000000E+00 1.000000E-17 38 25 15 1.000000E+00 1.000000E-17 39 25 16 1.000000E+00 1.000000E-17 40 26 16 1.000000E+00 1.000000E-17 41 26 17 1.000000E+00 1.000000E-17 42 18 19 1.000000E+00 1.000000E-17 43 19 20 1.000000E+00 1.000000E-17 44 20 21 1.000000E+00 1.000000E-17 45 21 22 1.000000E+00 1.000000E-17 46 22 23 1.000000E+00 1.000000E-17 47 23 24 1.000000E+00 1.000000E-17 48 24 25 1.000000E+00 1.000000E-17 49 25 26 1.000000E+00 1.000000E-17 The Joint Coordinatesjoint X Y 1 .000000 1900.000000 2 1350.000000 2035.000000 3 2850.000000 2185.000000 4 4350.000000 2335.000000 5 5850.000000 2485.000000 6 7350.000000 2635.000000 7 8850.000000 2785.000000 8 10350.000000 2935.000000 9 11850.000000 3085.000000 10 13350.000000 2935.000000 11 14850.000000 2785.000000 12 16350.000000 2635.000000 13 17850.000000 2485.000000 14 19350.000000 2335.000000 15 20850.000000 2185.000000 16 22350.000000 2035.000000 17 23700.000000 1900.000000 18 .000000 .000000 19 2850.000000 .000000 20 5850.000000 .000000 21 8850.000000 .000000 22 11850.000000 .000000 23 14850.000000 .000000 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 1.013408E-03 -4.750000E-06 -5.951807E-07 2 1.099029E-03 -8.609657E-04 -6.053513E-07 3 1.117564E-03 -1.738784E-03 -5.243363E-07 4 1.123866E-03 -2.494268E-03 -4.518678E-07 5 1.080375E-03 -3.127753E-03 -3.5