钢结构课程设计实例

1、 同济大学浙江学院钢结构课程设计实例 一梯形普通钢屋架课程设计实例同济大学浙江学院土木工程系TONGJI ZHEJIANG COLLEGE课程设计课程名称 钢结构课程设计 设计题目 梯形普通钢屋架设计（ 组） 系 名 称 土木工程_ _ _专 业_ 土木工程 _ _姓 名_ _ _ 学 号_ _ _ 指导教师_ _ _ _ 日 期_ _ 钢 屋 架 设 计 计 算 书一 题目：设计某车间（有吊车、无天窗、无振动设备）二 设计资料1. 车间柱网布置图（24m×90m ）2. 屋架支撑与钢筋混凝土柱顶3. 屋面采用1.5×6m的预应力钢筋混凝土大型屋面板。（屋面板不考虑作为支撑

2、用）4. 柱距6m，厂房跨度L=24m。5. 柱网布置6. 选用钢材Q235B，焊条E43型，手工焊。图1 柱网布置图三 屋架布置及几何尺寸图2 屋架几何尺寸 屋架计算跨度=24000-300=23700mm。屋架在24m轴线处的端部高度取H0=1990mm。跨中高度H= 3190mm。四 支撑布置屋架支撑布置见图3所示。上弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑垂直支撑图3 屋架支撑布置图说明：图3中与横向水平支撑连接的屋架编号为GWJ-2，山墙的端屋架编号为GWJ-3，其他屋架编号均为GWJ-1。五 荷载计算及内力计算1、 荷载计算汇总表项次荷载名称标准值KN/m2设计值KN/m2备注1预应力钢筋

3、混凝土屋面板（包括嵌缝）1.41.68沿屋面坡向分布2二毡三油加绿豆沙0.40.48沿屋面坡向分布3找平层（板上）0.40.48沿屋面坡向分布4找平层（板下）0.30.36沿屋面坡向分布5保温层0.70.846一毡二油隔气层0.050.067钢屋架及支撑自重0.380.46沿水平面分布8悬挂管道0.150.18恒载总和3.784.549活载1.41.96取屋面均布活载活载总和1.41.96注：非轻型屋盖不考虑风荷载的作用。永久荷载和可变荷载引起的屋架上弦节点荷载设计值：a) 使用阶段P(恒)=4.54×1.5×6=40.86 kN P(活)=1.96×1.5

4、15;6=17.64 kNb) 施工阶段P(恒)=0.46×1.5×6=4.14 kN P(活)=(1.68+1.96)×1.5×6=32.76 kN2、 荷载组合设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：（1） 全跨永久荷载+全跨可变荷载（2） 全跨永久荷载+半跨可变荷载（3） 全跨屋架与支撑+半跨屋面板+半跨屋面活荷载以上1），2）为使用阶段荷载组合;3）为施工阶段荷载组合。3、 内力计算 图4该设计采用内力系数法计算了屋架在左半跨单位集中荷载作用下的杆力系数(如图4所示)，并列于表1。根据算得的节点荷载和杆力系数，利用表1进行杆件的内力计算组合并求出各杆

5、的最不利内力，计算过程和结果如表1。 表1 杆力组合表 杆 件名 称杆内力系数内力值计算内力KN组合项目P=1使用阶段施工阶段P恒×P活×P活×P恒×P活×P活×在左半跨在右半跨全跨全跨恒载在左半跨在右半跨全跨恒载在左半跨在右半跨上弦杆AB0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00+BD-6.25-2.47-8.72-356.30-110.25-43.57-36.10-204.75-80.92-510.12+DF-9.04-4.49-13.53-552.84-159.47-79.20-56.01-

6、296.15-147.09-791.51+FH-9.17-6.09-15.26-623.52-161.76-107.43-63.18-300.41-199.51-892.71+HI-7.38-7.38-14.71-601.05-130.18-130.18-60.90-241.77-241.77-861.42+下弦杆ac3.481.254.73193.2761.3922.0519.58114.0040.95276.71+ce8.003.5311.53471.12141.1262.2747.73262.08115.64674.51+eg9.345.3114.65598.60164.7693.676

7、0.65305.98173.96857.03+gi8.446.7315.17619.85148.88118.7262.80276.49220.47887.45+斜腹杆aB-6.53-2.34-8.87-362.43-115.19-41.28-36.72-213.92-76.66-518.90+Bc4.762.126.88281.1283.9737.4028.48155.9469.45402.48+cD-3.14-2.03-5.44-222.28-55.39-35.81-22.52-102.87-66.50-313.48+De1.901.803.70151.1833.5231.7515.3262

8、.2458.97216.45+eF-0.71-1.75-2.46-100.52-12.52-30.87-10.18-23.26-57.33-143.91+Fg-0.451.561.1145.35-7.9427.524.60-14.7451.1172.87-10.15+ +gH1.55-1.530.020.8227.34-26.990.0850.78-50.1250.86-50.04+Hi-2.471.39-1.08-44.13-43.5724.52-4.47-80.9245.54-87.7041.07+竖杆Aa-0.500.00-0.50-20.43-8.820.00-2.07-16.380.

9、00-29.25+CcEeGg-1.000.00-1.00-40.86-17.640.00-4.14-32.760.00-58.50+Ii-0.970.00-1.00-40.86-17.110.00-4.14-31.780.00-57.97+图4 上弦左半跨单位集中荷载作用下的杆力系数六 杆件截面设计1、 上弦杆截面计算整个上弦杆不改变截面，取上弦最大设计杆力（FH杆）计算。N =892.71kN（压力），。根据腹杆最大设计杆力，查钢结构设计手册，取中间节点板厚度t=12mm，支座节点板厚度t=14mm。因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并。如图5所示。yyxx12图5上弦截面设，查轴

10、心受压构件的稳定系数表需要截面积需要回转半径 根据需要的AS、 ix 、iy ，查角钢型钢表，选用2，AS= 52.800c , ix = 2.54 cm , iy = 6.88cm(节点板厚12mm)。按所选角钢进行验算，查轴心受压构件的稳定系数表，故 满足要求。验算对称轴y的稳定承载力。因，换算长细比，查轴心受压构件的稳定系数表，故 ，满足要求。垫板每节间放置一块（满足范围内不少于两块），垫板间距=150.8/2=75.4cm<40i (i=4.44cm)。2、 下弦杆截面计算下弦亦不改变截面，采用最大设计杆力(gi杆)计算，N=887.45kN（拉力），需要的净截面面积为12xxy

11、y图6 下弦截面选用2（短肢相连），, (节点板厚12mm)。验算：在节点设计时，将位于de杆连接支撑的螺栓孔包在节点板内，且使栓孔中心到节点板端边缘距离不小于100mm，故截面验算中不考虑栓孔对截面的削弱，按毛截面验算（）：满足要求。垫板每节间放一块，=150cm<80i (i=4.47cm)。3、 端斜杆截面计算选取aB杆，N =518.90kN（压力）, ， 设，查轴心受压构件的稳定系数表需要截面积 回转半径xxyy12，选用长肢相并，查型钢表，选用2， ， ，图7 端斜杆截面验算： 因，换算长细比查轴心受压构件的稳定系数表，故满足要求。垫板每节间放置两块，=253.5/3cm=8

12、4.5 cm <40i (i=2.59cm)。4、 斜腹杆截面计算a) Bc杆N=402.48KN(拉力)， ，需要的净截面积 选用2（等肢相并）， ， ，yyxx12图8 斜腹杆截面验算： 满足要求垫板每节间放置一块，=260.8/2cm=130.4cm <80i (i=2.14cm)。b) gH杆情况一：N=50.86KN（拉力） 情况二：N =50.04kN（压力）按受压杆设计时， 设，查轴心受压构件的稳定系数表 需要截面积 回转半径 ， 选用2（等肢相并）， ， 压杆验算： 因，换算长细 比 查轴心受压构件的稳定系数表，故满足要求。 拉杆验算： 满足要求垫板每节间放置三块，

13、=339.6/4cm=84.9cm <40i (i=2.33cm)。5、 竖杆a) Aa杆N=-29.25 kN（压力）， 设，查轴心受压构件的稳定系数表需要截面积 回转半径 ，选用2（等肢相并）， ，yyxx12图9 竖杆截面验算： 因，换算长细比 查轴心受压构件的稳定系，故满足要求。垫板每节间放置三块，=199/4cm=49.8 cm <40i (i=1.55cm)。b) Gg杆N=-58.50 kN（压力）, ，。设，查轴心受压构件的稳定系数表需要截面积 回转半径 ，选用2（等肢相并）， ，验算： 因，换算长细 比 查轴心受压构件的稳定系数表，故满足要求。垫板每节间放置三块，

14、=231.2/4cm=57.8 cm <40i (i=1.73cm)。其余各杆的截面选择见表2。表2 屋架杆件截面选择表名称杆件编号内力（kN）计算长度(cm)截面形式和规格截面面积（c）回转半径(cm)长细比容许长细比稳定系数计算应力N/A(N/m)上弦FH-892.71150.8301.6140×90×12(短肢相连)52.82.546.8859601500.807209.5下弦gi887.453001185140×90×10(短肢相连)44.522.566.84118173350199斜腹杆aB-518.90253.5253.5140

15、5;90×8(长肢相连)36.0764.503.7056801500.688209.5Bc402.48208.6260.870×718.852.143.369778350213.5cD-313.48228.7285.980×1030.252.423.829576.61500.588176De216.45228.7285.956×510.831.722.77133103350200eF-143.91250.3312.980×515.822.483.7010191.31500.549165.7Fg72.87-10.15249.5311.956

16、15;36.6861.752.72142.6120.81500.33510945.3gH50.86-50.04271.6339.675×514.822.333.52117101.51500.45334.374.5Hi-87.7041.07269.633775×514.822.333.52115.7100.81500.460128.627.7竖杆Aa-29.2519919950×35.941.552.48128.486.91500.395124.6Cc-58.50183.222956×48.781.732.74105.988.21500.517128.9E

17、e207.225956×48.781.732.74119.898.61500.438152.1Gg231.228956×48.781.732.74133.6109.21500.372179.1Ii-57.97斜平面=408.570×411.14i(min)=2.74cm(man)=149七 节点设计1. 各腹杆杆端焊缝尺寸计算公式： （角钢肢背所需焊缝长度） （角钢肢尖所需焊缝长度） 例如腹杆aB，设计杆力N=-436.35kN，设肢背与肢尖的焊角尺寸各为hf1=8mm，hf2=6mm。因aB杆系不等边，角钢以长肢相连，故K1=0.65，K2=0.35。则，取，取

18、其它腹杆所需焊缝长度的计算结果见表3。未列入表中的腹杆均因杆力很小，可按构造取，。表3 腹杆杆端焊缝尺寸杆件名称设计内力(kN)肢背焊缝(mm)肢尖焊缝(mm)l1hfl2hfaB-518.9021081506Bc402.4817581056cD-313.481806856De216.451256656eF-143.91906506Fg72.87506506gH50.86506506Hi-87.70506506Aa-29.25506506Cc、Ee、Gg-58.50506506Ii-57.975065062. 下弦节点“c”按表3所列Bc、cD杆所需焊缝长度，按比例绘制节点详图，从而确定节点板

19、的形状和尺寸（如图10）。由图中量出下弦与节点板的焊缝长度为360mm，设焊角尺寸hf=6mm，焊缝承受节点左、右弦杆的内力差N= Nce-Nac = 674.51-276.71 = 397.8kN。验算肢背焊缝的强度：满足要求。肢尖的焊缝应力更小，定能满足要求。竖杆bC下端应伸至距下弦肢尖为20mm处，并沿肢尖和肢背与节点板满焊。图10 下弦节点“c”3. 上弦节点“B”按表4所列腹杆Ba、Bc所需焊缝长度，确定节点板形状和尺寸，如图11所示。量得上弦与节点板的焊缝长度为415mm，设hf=6mm，因节点板缩进上弦肢背8mm，所以强度设计值要乘以0.8的折减系数，节点集中荷载P= 40.86

20、+17.64 = 58.5 (kN)，弦杆内力差N= NBD = 510.12 kN。忽略P对焊缝的偏心并视其与上弦垂直，则上弦肢背的焊缝应力为:满足要求。由于肢尖焊缝的hf=6mm，故应力更小，定能满足要求，不必验算。图11 上弦节点“B”4. 下弦中央拼接节点“i” 拼接角钢计算因节点两侧下弦杆力相等，故用一侧杆力Ngi= 887.45 kN计算。拼接角钢采用与下弦杆相同的截面2，设与下弦的焊缝的焊脚尺寸hf=8mm，竖直肢应切去=t+hf+5(mm)=10+8+5=23(mm)，节点一侧与下弦的每条焊缝所需计算长度为 拼接角钢需要的长度为为保证拼接节点处的刚度取，：L=600mm。 下弦

21、与节点板的连接焊缝计算下弦与节点板的连接焊缝按0.15Nef计算。取焊脚尺寸hf=6mm，节点一侧下弦肢背和肢尖每条焊缝所需长度l1、l2分别为在图12中，节点板宽度是由连接竖杆的构造要求所决定的，从图中量得每条肢背焊缝长度为125 mm，每条肢尖焊缝长度为125mm，满足要求。图12 下弦中央拼接节点“i”5. 屋脊节点“I” 拼接角钢计算拼接角钢采用与上弦相同的截面2。设两者间的焊脚尺寸hf=8mm，竖直肢应切去=t+hf+5(mm)=12+8+5=25(mm)。按上弦杆力NHI=861.42 kN计算拼接角钢与上线的焊缝，节点每侧每条焊缝需计算长度为拼接角钢所需长度为保证拼接节点处的刚度

22、，取L=600mm。 上弦与节点板间焊缝计算上弦与节点板间在节点两侧共8条焊缝，共同承受节点荷载P与两侧上弦内力的合力。近似地取sin = tan =0.1，该合力的数值为2Nsin - P= 2×861.42×0.1 58.5= 113.78(kN)设焊脚尺寸hf=6mm，每条焊缝所需长度为由图13量得的焊缝长度为125mm。图13 屋脊节点“I”6. 支座节点“a” 底板计算底板承受屋架的支座反力R=8P=468 kN，柱采用C25，混凝土的轴心抗压强度设计值fc=11.9N/mm²。底板需净面积An为锚栓直径采用d=25mm，锚栓孔布置见图14，栓孔面积为底板需总面积为按构造要求底板面积取为A=280×280=78400（mm²）>As，