18M钢结构课程设计

一、课程设计（论文）的内容通过某工业厂房钢屋架的设计，培养学生综合运用所学的理论知识和专业技能，解决钢结构设计实际问题的能力。要求在老师的指导下，参考已学过的课本及有关资料，遵照国家设计规范要求和规定，按进度独立完成设计计算，并绘制钢屋架施工图。具体内容包括：进行屋架支撑布置，并画出屋架结构及支撑的布置图；进行荷载计算、内力计算及内力组合，设计各杆件截面；对钢屋架的各个节点进行设计并验算一个下弦节点、一个上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点；绘制钢屋架运送单元的施工图，包括桁架简图及材料表等。二、课程设计（论文）的要求与数据1、课程设计（论文）的要求学生的课程设计资料包括封面（按学校统一规定格式打印）、课程设计（论文）任务书、正文及按规定要求折叠的工程图纸，应按以上排序装订后提交。学生应掌握课程的基本理论，基本知识扎实，概念清楚，设计计算正确，结构设计合理，设计说明书撰写规范，绘图符合标准，工程图纸应符合房屋建筑制图统一标准（GB/T 500012001）和建筑结构制图标准（GB/T 501052001）的要求。2、课程设计数据(1) 结构形式某厂房跨度为18m，总长72m，柱距6m，采用梯形钢屋架、1.56.0m预应力混凝土大型屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面450450，混凝土强度等级为C30，屋面坡度为。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为7度，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）。(2) 屋架形式及选材屋架形式、几何尺寸及内力系数如附图所示。屋架采用的钢材及焊条为：学号尾数为单号的同学用钢，焊条为型；学号尾数为双号的同学用钢，焊条为型。(3) 荷载标准值（水平投影面计） 永久荷载： 三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4 KN/m2 水泥砂浆找平层 0.4 KN/m2 保温层 0.7 KN/m2(按附表取) 一毡二油隔气层 0.05 KN/m2 水泥砂浆找平层 0.3 KN/m2预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2屋架及支撑自重：按经验公式计算：0.318 KN/m2悬挂管道： 0.25 KN/m2 可变荷载：屋面活荷载标准值： 雪荷载标准值： 0.5KN/m2积灰荷载标准值： 0.75 KN/m2(按附表取)保温层及积灰荷载取值与设计方案编号有关，详见附表一。每位同学须对照附表一中的设计方案编号将相应的荷载取值填入课程设计任务书中。附表一 设计方案安排表设计方案学号保温层积灰荷载1081010131700027,101010131380018,1010101317000011010101317000060.70.7521010101317000071010101317000210.60.931010101317000221010101317000300.51.041010101317000331010101317000621010101324200240.451.2三、课程设计（论文）应完成的工作1、计算书部分进行屋架支撑布置，画出屋架结构及支撑的布置图；选择钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目的要求；进行荷载计算、内力计算及内力组合，设计各杆件截面；设计一个下弦节点、一个上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点。2、图纸部分绘制钢屋架运送单元的施工图，包括桁架简图及材料表。附 图 一 图1.1 18米跨屋架几何尺寸图1.2 18米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值图1.3 18米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值 18m钢屋架课程设计（方案 ）计算书1荷载计算钢材选择用Q235-D，E50焊条。 荷载计算说明：屋面活荷载标准值与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。1.1永久荷载永久荷载：标准值单位1/cos（）单位三毡四油（上铺绿豆砂）防水层0.4KN/m20.402KN/m2水泥砂浆找平层0.4KN/m20.402KN/m2保温层0.7KN/m20.704KN/m2一毡二油隔气层0.05KN/m20.050KN/m2水泥砂浆找平层0.3KN/m20.302KN/m2预应力混凝土大型屋面板1.4KN/m21.407KN/m2屋架及支撑自重：按经验公式 计算0.318KN/m20.320KN/m2悬挂管道：0.25KN/m20.251KN/m2共3.837KN/m2 1.2可变荷载可变荷载标准值单位1/cos（）单位屋面活荷载标准值： 0.7KN/m20.704 KN/m2积灰荷载标准值： 0.75KN/m20.754 KN/m2共1.457 KN/m21.3设计桁架时，考虑以下三种荷载组合1.3.1全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载控制）根据公式（书本第9页：1.3.13）及查规范得屋面均布活荷载组合值系数0.7，积灰荷载组合值系数0.9F=（1.35*3.837+1.4*0.7*0.7+1.4*0.9*0.75）*1.5*6=61.342KN/m21.3.2全跨永久荷载+半跨可变荷载1.3.2.1全跨永久荷载F1.1=（1.35*3.837）*1.5*6=46.621KN/m2（按永久荷载为主的组合）F1.2=（1.2*3.837）*1.5*6=41.441 KN/m2F1.3=（1.0*3.837）*1.5*6=34.534KN/m2（对结构有利）1.3.2.2半跨可变荷载F2.1=1.4*（0.7*0.7+0.9*0.75）*1.5*6=14.679 KN/m2（按永久荷载为主的组合）F2.2=1.4*（0.7+0.9*0.75）*1.5*6=17.368KN/m21.3.3全跨桁架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载（按可变荷载的组合为主）1.3.3.1全跨桁架包括支撑F3.1=（1.2*0.318）*1.5*6=3.434 KN/m2F3.2=（1.0*0.318）*1.5*6=2.862 KN/m21.3.3.2半跨屋面板自重及半跨屋面活荷载F4=（1.2*1.4+1.4*0.7）*1.5*6=23.94 KN/m21.3.1与1.3.2为使用阶段荷载情况1.3.3为施工阶段荷载情况 2桁架计算简图 图1.1 18米跨屋架几何尺寸图1.2 18米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值图1.3 18米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值3桁架杆件内力计算3.1桁架杆件内内力组合表杆件名称内力系数第一种组合第二种组合第三种组合计算杆件内力/KN全跨左半跨右半跨FxF1.ix+F2.ixF1.ix+F2.ixF3.ix+F4xF3.ix+F4x上弦AB000.000 0.00 0.00 BC-6.221-4.371-1.850 -381.61 -381.61 CD000.000 0.00 0.00 DE-8.993-5.636-3.357 -551.65 -551.65 EF000.000 0.00 0.00 FG-9.102-4.551-4.551 -558.33 -558.33 下弦ac3.472.5370.933 212.86 212.86 ce7.9625.3252.637 488.41 488.41 eg9.2795.3123.967 569.19 569.19 斜腹杆aB-6.502-4.754-1.748 -398.85 -398.85 Bc4.7393.1581.581 290.70 290.70 cD-3.382-1.862-1.520 -207.46 -207.46 De1.884 0.541.344 115.57 115.57 eF-0.690 0.615-1.305 -42.33 -23.14 -51.32 12.75 -33.61 -51.32 12.75 Fg-0.462 -1.6321.170 -28.34 -55.75 10.29 -40.66 26.69 -55.75 26.69 竖杆Aa-0.500 -0.50.000 -30.67 -30.67 Cc-1.000 -10.000 -61.34 -61.34 Ee-1.000 -10.000 -61.34 -61.34 Gg0.812 0.4060.406 49.81 49.81 3.2斜腹杆eF和Fg内力计算组合表杆件名称全跨左半跨右半跨F1.iF2.iF1.ix+F2.ixF1.ix+F2.ix斜腹杆eF-0.690 0.615-1.305 46.621 14.679 -23.14 -51.32 -0.690 0.615-1.305 41.441 17.368 -17.91 -51.26 -0.690 0.615-1.305 34.534 14.679 -14.80 -42.98 -0.690 0.615-1.305 34.534 17.368 -13.15 -46.49 Fg-0.462 -1.6321.170 46.621 19.782 -53.82 1.61 -0.462 -1.6321.170 41.441 22.428 -55.75 7.10 -0.462 -1.6321.170 34.534 19.782 -48.24 7.19 -0.462 -1.6321.170 34.534 22.428 -52.56 10.29 全跨左半跨右半跨F3.iF4F3.ix+F4xF3.ix+F4xeF-0.690 0.615-1.305 3.434 23.940 12.35 -33.61 -0.690 0.615-1.305 2.862 23.940 12.75 -33.22 Fg-0.462 -1.6321.170 3.434 23.940 -40.66 26.42 -0.462 -1.6321.170 2.862 23.940 -40.39 26.69 4支撑4.1上弦横向水平支撑选用节间距的2倍4.2下弦水平横向支撑同上弦支撑4.3下弦纵向水平支撑不设置4.4垂直支撑5杆件计算5.1上弦杆按受力最大值取杆截面统一选择用一种规格整个上弦杆采用单截面按FG最大截面内力计算N=-558.33*1000=-558330N上弦杆计算长度LOX=150.8cmLOy=2x150.8cm=311.6cm截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并由于是梯形桁架，则节点板由腹杆内力确定查表9.6.4，得398.65KN选用节点板厚度10mm，支座节点板厚度12mm设=80，查表附录4得=0.688A=N/（f）=558330N/（0.688x215N/mm2）=3774.54mm2需要求回转半径ix=LOX/=150.8/80=1.89iy=LOY/=311.6/80=3.9由iy/ix=3.9/1.89=2.07查附录8选用2125x80x10A=3942mm2，ix=2.26cm，iy=6.11cm，b1/t=125/10=12.5验算：X=LOX/ix=150.8/2.26=66.73因为b1/t=125/10=12.50.56xLOY/t=0.56*311.8/12.5=13.96yz=y=LOY/ix=311.6/6.11=51查表b类截面X=66.73得Y=0.771558330N/（0.771x3942mm2）=183.7N/mm2215N/mm2所选截面合适5.2下弦杆整个下弦杆采用同一截面按eg最大截面内力计算N=569.19*1000N=569190NLOX=300cmLOy=900-15cm=885cmA=N/（f）=569190N/（215N/mm2）=2647.40mm2LoyLOX，截面选用两个不等肢角钢，短肢相并查附录8选用2100x63x10A=3093mm2，ix=1.745cm，iy=5.02cm验算：X=LOX/iX=300/1.745=172350Y=LOY/iY=885/5.02=176.29350所选截面合适5.3端斜杆aBN=-398.85*1000=-398850NLOX=253cmLOy=253cm根据书本319页表9.6.3截面选用两个不等肢角钢，长肢相并设=80，查表附录4得=0.688A=N/（f）=398850N/（0.688x215N/mm2）=2696mm2需要求回转半径ix=LOX/=253/80=3.16iy=LOY/=253/80=3.16查附录8选用2100x80x10A=3433mm2，ix=3.12cm，iy=3.53cm，b2/t=80/10=8验算：X=LOX/ix=253/3.12=81.09因为b2/t=80.48xLOY/b2=0.48*253/10=12.14y=253/3.53=71.67yz=yx（1+（1.09xb24）/（LOY2xt2）=76.67150查表b类截面y=76.67插入法得Y=0.712398850N/（0.712x3433mm2）=163.18N/mm2215N/mm2所选截面合适5.4斜腹杆cD按内力计算N=-207.46*1000=-207460N计算长度LOX=0.8*286.4cm=229.12cmLOy=286.4cm截面选用两个等肢角钢设=80，查表附录4得=0.688A=N/（f）=207460N/（0.688x215N/mm2）=1402mm2需要求回转半径ix=LOX/=229.12/80=2.86iy=LOY/=286.4/80=3.58查附录8选用280x5A=1582mm2，ix=2.48cm，iy=3.63cm验算：X=LOX/ix=229.12/2.48=92.39因为b/t=160.58xLOY/b=0.58x286.4/8=20.76y=286.4/3.63=78.9Bc按内力计算N=290.7*1000N=290700NLOX=0.8*261.3cm=209.04cmLOy=261.3cmA=N/（f）=290700N/（215N/mm2）=1352mm2查附录8为确保所选规格不用太多,选用280x5A=1582mm2，ix=2.48cm，iy=3.63cm验算：X=LOX/iX=209.04/2.48=84.29350Y=LOY/iY=261.3/3.63=71.98350所选截面合适5.5竖杆Ee杆:N=-61.34*1000=-61340NLOX=0.8*259cm=207.2cmLOy=259cm截面选用两个等肢角钢设=80，查表附录4得=0.688A=N/（f）=61340N/（0.688x215N/mm2）=414.68mm2需要求回转半径ix=LOX/=207.2/80=2.59iy=LOY/=259/80=3.24查附录8，竖杆与腹杆选用同一规格选用280x5A=1582mm2，ix=2.48cm，iy=3.63cm验算：X=LOX/ix=207.2/2.48=83.55因为b/t=160.58xLOY/b=0.58x259/8=18.78y=259/3.63=71.35查表b类截面y=79.63利用插入法得Y=0.686所选截面合适6桁架杆件截面选择6.1桁架杆件截面选择表杆件名称计算杆件内力/KN截面规格备注与填缝板平行的回转半径填板10mm位置最大间距设计值填板位置间距设计形心距离实际形心距离X0cmY0cmX0cmY0cm上弦AB0.00 2125x80x10短肢相并3.98159.2751.922BC-381.61 2125x80x10短肢相并3.98159.2751.922CD0.00 2125x80x10短肢相并3.98159.2751.922DE-551.65 2125x80x10短肢相并3.98159.2751.922EF0.00 2125x80x10短肢相并3.98159.2751.922FG-558.33 2125x80x10短肢相并3.98159.2751.922下弦ac212.86 2100x63x10短肢相并3.152521001.581.5ce488.41 2100x63x10短肢相并3.152521001.581.5eg569.19 2100x63x10短肢相并3.152521001.581.5斜腹杆aB-398.85 2100x80x10长肢相并3.12124.81003.123Bc290.70 280x52.48198.41002.152cD-207.46 280x52.4899.2752.152De115.57 280x52.48198.41002.152eF-51.32 280x52.4899.2752.15212.75 280x52.4899.2752.152Fg-55.75 280x52.4899.2752.15226.69 280x52.4899.2752.152竖杆Aa-30.67 280x52.4899.2752.152Cc-61.34 280x52.4899.2752.152Ee-61.34 280x52.4899.2752.152Gg49.81 280x52.48198.41002.1527节点设计7.1上弦节点F节点见图7.1F节点eF杆选用焊缝肢背与肢尖为hf=6mm和5mmN=-51.32x1000N=51320N肢背：LW=0.7N/（2hexffw）=0.7x51320N/（2x0.7x6x160）=27mm实际肢背：27+2hf=39mm,取10hf=6cm肢尖：L”W=0.3N/（2hexffw）=0.3x51320N/（2x0.7x5x160）=14mm实际肢尖：14+2hf=24mm,取10hf=5cmFg杆选用焊缝肢背与肢尖为hf=6mm和5mmN=-55.75x1000N=55750N肢背：LW=0.7N/（2hexffw）=0.7x55750N/（2x0.7x6x160）=29mm实际肢背：29+2hf=41mm,取10hf=6cm肢尖：L”W=0.3N/（2hexffw）=0.3x5750N/（2x0.7x5x160）=15mm实际肢尖：15+2hf=25mm,取10hf=5cm为便于在上弦杆上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。角焊缝作为两条角焊缝计算，焊缝强度乘以0.8的折减系数计算时略去桁架上弦坡度的影响，而假定集中荷载与上弦杆垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：hf=5mm，h”f=9mm上弦肢尖角焊缝的剪应力为：满足要求。7.2下弦节点e节点图7.2 e节点图De杆：选用焊缝肢背与肢尖为hf=6mm和5mm肢背：LW=0.7N/（2hexffw）=0.7x115570N/（2x0.7x6x160）=60mm实际肢背：60+2hf=109+2*6=72mm，取8cm肢尖：L”W=0.3N/（2hexffw）=0.3x115570N/（2x0.7x5x160）=31mm实际肢尖：31+2hf=41mm，取5cmEe杆：选用焊缝肢背与肢尖为hf=6mm和5mm肢背：LW=0.7N/（2hexffw）=0.7x61340N/（2x0.7x6x160）=32mm实际肢背：32+2hf=31+2*6=43mm，取6cm肢尖：L”W=0.30N/（2hexffw）=0.30x61340N/（2x0.7x5x160）=16mm实际肢尖：16+2hf=20+2*5=26mm，取8hf+2hf=5cmFe杆：选用焊缝肢背与肢尖为hf=6mm和5mm肢背：LW=0.7N/（2hexffw）=0.7x51320N/（2x0.7x6x160）=27mm实际肢背：27+2hf=39mm，取8hf+2hf=6cm肢尖：L”W=0.3N/（2hexffw）=0.3x51320N/（2x0.7x5x160）=14mm取8hf+2hf=5cm采用厚度10mm、400x300的节点板与下弦杆焊接：hf=6mm验算下弦杆：N=566.19-488.41=77.78KN受力较大的肢背：Tf=0.75x77780N/（2x0.7x6mmx（400mm-12mm）=17.89N/mm2160N/mm2焊缝满足强度要求。7.3下弦中央节点g图7.3 g节点图下弦杆中间不间断，按普通下弦节点计算腹杆Fg：选用焊缝肢背与肢尖为hf=6mm和5mm肢背：LW=0.7N/（2hexffw）=0.7x55750N/（2x0.7x6x160）=29mm实际肢背：29+2hf=41mm取最小焊缝10倍的焊脚尺寸6cm肢尖：L”W=0.3N/（2hexffw）=0.3x55750N/（2x0.7x5x160）=17mm肢尖：17+2hf=27mm取最小焊缝10倍的焊脚尺寸5cm腹杆Gg：采用双立柱的型式选用焊缝肢背与肢尖为hf=6mm和5mm肢背：LW=0.7N/（2hexffw）=0.7x498100N/（2x0.7x6x160）=26mm实际肢背：26+2hf=38mm，取最小焊缝10倍的焊脚尺寸6cm肢尖：L”W=0.3N/（2hexffw）=0.3x49810N/（2x0.7x5x160）=14mm肢尖：14+2hf=24mm取最小焊缝10倍的焊脚尺寸5cm由于对称的关系：Fg杆与Fg杆相同，不作计算根据实际杆件的位置布置与焊缝的长度初步选用钢板规格：500x350x10下弦与节点板的焊缝连接因为下弦中间不中断，所以N=587.84KN-587.84KN=0KN取0.15N=0.15*569.19=85.37KN选用焊缝肢背与肢尖为hf=8mm和8mm，通长满焊验算：受力较大的肢背：Tf=0.75x85370N/（2x0.7x8mmx（500mm-16mm）=11.81N/mm2160N/mm2焊缝满足要求7.4屋脊G节点图7.4 G节点图弦杆采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能紧密配合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分宽度，拼接角钢的削除靠节点板来补偿，节点一边的焊接长度按弦杆内力计算，设焊缝hf=10-1=9mmLw=558330N/（4x0.7x9mmx160N/mm2）=138.47mm拼接角钢的长度取=600mm2x138.47+20+4x9=326.94mm上弦与节点板之间的槽焊，钢板取500mm上弦与节点板的焊缝，500mm全长-20mm间隙-4x5=460mm验算：（61342N）/（2X0.7X0.5X10X460）=19.05N/mm20.8*1.22*160N/mm2满足要求设肢尖焊缝hf=9mm，节点板长度为500mm计算长度LW=50/2-1-2x0.9=22.2cm焊缝应力为：满足要求。7.5支座节点a图7.5