钢结构课程设计-实例

目 录第一部分 设计资料设计资料1第二部分 设计计算书一、屋架支撑系统的设置2二、杆件内力的计算 3 2.1 荷载的计算 4 2.2 荷载的组合 4 2.3 内力的计算. 6三、杆件截面设计8 3.1 节点板厚选择. 8 3.2 上弦杆计算. 8 3.3 下弦杆计算.10 3.4 腹杆（斜腹杆、竖腹杆计算）. 11四、节点设计 17 4.1 下弦节点c设计. 17 4.2 上弦节点f设计. 19 4.3屋脊节点I设计. 21 4.4跨中下弦拼接点i设计. 22 4.5支座节点a设计. 23第三部分 附录（程序计算）一、全跨各节点受单位力计算 261.1 输入数据 261.2 输出数据 28二、左半跨各节点受单位力计算 302.1 输入数据 302.2 输出数据 32三、右半跨各节点受单位力计算343.1 输入数据 343.2 输出数据 36 钢结构课程设计报告 第一部分 设计资料梯形钢屋架设计资料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400x400mm，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 0.4KN/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 0.05 KN/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=0.384 KN/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(屋面坡度为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。第二部分 设计计算书1、 屋架支撑系统的设置屋架支撑（为了保持平面屋架的几何不变性而设置）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 荷载计算按屋面做法，已知各荷载标准值算出各荷载的设计值：对于永久性荷载，按公式 荷载设计值=1.2荷载标准值；对于可变荷载，按公式 荷载设计值=1.4荷载标准值。同时按屋面活载及雪荷载两者中取大值的原则，算出可变荷载的设计值。计算可列表1进行：序号荷载名称标准值（KN/）设计值（KN/）备 注恒载1三毡四油（上铺绿豆沙）防水层0.40.482水泥砂浆找平层0.30.363保温层0.60.724一毡二油隔气层0.050.065预应力混凝土大型屋面板1.41.686屋架（包括支撑）自重0.3840.4608q=0.12+0.011L（L=24m）永久荷载总重g3.1343.7608活载7屋面活载0.70.98屋面均布可变荷载和雪荷载，只取其较大者8雪荷载0.350.499积灰荷载0.30.42可变荷载总重p1.01.4取7、8中较大的值2.2 荷载组合内力组合的目的是求取各种不同荷载组合下屋架杆件的最“不利”内力设计值。对于梯形屋架，满跨荷载时可使弦杆的内力最大，而跨度中间的部分腹杆却是半跨受荷载时使其内力最大，因而在梯形屋架的内力组合时通常应考虑三种组合：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：全跨永久荷载半跨可变荷载 b种荷载组合屋架受力图 其中风荷载不参与组合，因为屋架的屋面坡度通常都小于，此时屋面的风荷载一般为吸力。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 内力计算本设计采用清华大学力学求解软件计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数，见下表（全跨和左半跨计算相关数据见附录）。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-1-10-46.4472-46.4472-33.8472-31.8672-4.1472-46.4472Ii2.0391.0191.01994.7058481.8199981.8199936.6986736.6986794.70584三、杆件截面设计根据最新钢结构规范GB500172003可知，对于板厚的轴心受压构件，当为轧制角钢时为b类截面，从而可以进行下面的查表计算处理。对单系腹杆（即无中间节点的腹杆），其上端与受压弦杆相连，对其转动约束影响不大，而其下端则与刚度较大的受拉弦杆相连，对其转动约束的影响较大。根据理论分析，对其取。在桁架平面外，弦杆的计算长度取其侧向支撑点的距离。侧向支承点必须是桁架横向支撑或垂直支撑的节点及与其用系杆相连的各个节点。规范中还规定所有腹杆在平面外的计算长度都等于其各自的几何长度，即。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（P412）：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）整榀屋架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（b类截面轴心受压构件的稳定系数）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（见下图）。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。（见下图）截面特性为: 截面验算： 刚度验算： 强度验算： 故下弦杆满足要求。3.4 腹杆（轴心受力构件）3.4.1 斜腹杆(1) 端斜杆aB计算内力：N=-418.025KN（压杆）计算长度：设，查附表1.20得，则需要截面积：截面选择：选取等边角钢21107（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（拉杆）计算长度： 截面选择：需要截面积选取2805截面特性：截面验算： 刚度验算： 强度验算： (3) 斜腹杆cD计算内力：N=-253.42KN（压杆）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：刚度验算： 由查附表1.20得： 稳定性验算：(4) 斜腹杆eF计算内力：N=-112.03KN（压杆）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： 3.4.2 竖腹杆竖腹杆Ii计算内力：N=94.701KN（拉杆）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：- 24 - 杆件计算内力(KN)选取截面规格截面面积(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（拉杆）gi729.964100801034.3343003002.354.78127.762.76350-212.6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-46.4475648.78222.80278.501.732.67128.79104.311500.391135.30Ii94.7064535.318246.8308.51.402.22176.3139.0350-178.1斜腹杆aB-418.025110730.3922442.12442.13.414.9371.650.01500.741213.6Bc322.57680515.824202.25252.812.483.6381.669.6350-203.9cD-253.41680824.606222.0277.52.443.6991.075.21500.614167.74De170.9264558.584222.0277.51.372.26162.1122.1350-200.1eF-112.03156816.734242.56303.201.682.75144.4110.31500.328204.11Fg55.5814546.972242.56303.201.382.24219.71135.36350-79.72gH44.7054546.972263.69329.611.382.24191.08147.15350-64.119Hi-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，采用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和剪切强度设计值=160N/mm,最小焊缝长度不应小于8和40mm，其余节点类同。其5个节点位置见下图：4.1 下弦节点c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图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