钢结构设计课程设计m跨厂房普通钢屋架设计

1、一、设计资料某车间跨度为24ml厂房总长度90m柱距6m,车间内设有两台300/50kN中级工作制 吊车（参见平面图、剖面图），工作温度高于-20C,无侵蚀性介质，地震设防烈度为 6度, 屋架下弦标高为12.5m；采用1.5X6 m预应力钢筋混凝土大型屋面板，II级防水，卷材屋 面，屋架采用梯形钢桁架，两端钱支在钢筋混凝土柱上，混凝土柱上柱截面尺寸为 400X400mm混凝土强度等级为C25,屋架采用的钢材为 Q235Bffl,焊条为E43型。荷载（标准值）永久荷载:改性沥青防水层20厚1:2.5水泥砂浆找平层100厚泡沫混凝土保温层预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）屋架和支撑自重为0.35k

2、N/m20.4kN/m 20.6kN/m 21.4kN/m2，_ _、2(0.120+0.011L) kN/m可变荷载基本风压：0.35kN/m2基本雪压：（不与活荷载同时考虑）0.45kN/m2积灰荷载0.75kN/m2不上人屋面活荷载0.7kN/m2二、结构形式及支撑布置桁架的形式及几何尺寸如下图2.1所示850 1 7 150一0591332075 1(070751fO0035 di50diO0000 O3150 k 1350 I-fI12000图2.1桁架形式及几何尺寸桁架支撑布置如图2.2所示图2.2 桁架支撑布置符号说明：SC上弦支撑；XC:下弦支撑；CC:垂直支撑GG刚性系杆；L

3、G:柔性系杆三、荷载计算屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷 载计算。由于风荷载为0.35kN/m2小于0.49kN/m2,故不考虑风荷载的影响。沿屋面分布的 永久荷载乘以1/cos。112 “11 1.004换算为沿水平投影面分布的荷载。桁架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（Pw =0.12+0.011跨度）计算，跨度单位为 m 标准永久荷载：改性沥青防水层1.004x0.35=0.351kN/m20厚1:2.5水泥砂浆找平层100厚泡沫混凝土保温层预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）屋架和支撑自重为1.004x 0.4=0.402kN/m

4、1.004x 0.6=0.602kN/m 2 , 21.004x 1.4=1.406kN/m0.120+0.011x24=0.384kN/m22共 3.145kN/m0.7kN/m0.75kN/m标准可变荷载： 屋面活荷载 积灰荷载共 1.45kN/m 2考虑以下三种荷载组合全跨永久荷载+全跨可变荷载全跨永久荷载+半跨可变荷载 全跨桁架、天窗架和支撑自重+ 半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载（1）全跨永久荷载 拄跨可变荷载（按永久荷载效应控制的组合）全跨节点荷载设计值：（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨永久荷载设计值：对结构不利时：K 1.35 3.145kN/m2 1.5m 6m 38.21k

5、N （按永久荷载效应控制的组合）F1,2 1.2 3.145kN/m2 1.5m 6m 33.97kN （按可变荷载效应控制的组合）对结构有利时： 耳3 1.0 3.145kN , m2 1.5m 6m 28.31kN半跨可变荷载设计值：（3）全跨桁架包括支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载（按可变荷载效应控制的组合）全跨节点桁架自重设计值：对结构不利时：F3,1 1.2 0.384kN/m2 1.5m 6m=4.15kN对结构有利时：F3,2 1.0 0.384kN/m2 1.5m 6m=3.46kN半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：四、内力计算荷载组合（1）计算简图如图4.1 ,荷载组

6、合（2）计算简图如图4.2 ,荷载组合 算简图如图4.3.F1n V （3）计图4.1荷载F24o-X一 工 e H F24Ft2 (1)荷载组合(2)1 ,/F4nt3 f一 %i! tF3"yzF3i一 /闩 - /2 I 3 r .Fv - F4/1. yF41F3架件力桁杆内的各的(F=1 作用于全跨、走半跨和右半跨)。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见附表五、杆件设计(1)上弦杆整个上弦杆采用等截面，按 FG GH杆件的最大设计内力设计。N=788.27kN=788270N上弦杆计算长度：在桁架平面内，为节间轴线长度：在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，

7、取：因为loX=3loy,故宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。腹杆最大内力N=470.35kN节点板厚度选用10mm支座节点板厚度用12mm设=60,选用角钢，为b类截面，查表得 0.807 o需要截面积：需要的回转半径:根据需要的A、ix、iy查角钢规格表，选用2160 100 10,25063mm ,=2.85cm,iy =7.70cm, b/t 160cm/10cm 16 ,按所选角钢进行验算:V b1/t 16 > 0.56 lox/b15.27b1yz 3.7；2 2l 2t2 oy i""452.7b11603.7 1045212 102-ZZ452.7 1

8、6060.26 <150截面x和界面y都为b类截面，由于只需要求 y。查表的y =0.806NyA778270N 20.806 5063mm190.72 < 215N2 mm故所选截面合适(2)下弦杆整个下弦杆采用同一截面，按最大内力设计值设计。N=779070N平面内的计算程度和平面外的计算长度分别为：l ox 300cm , loy 1185cm所需截面面积：选用 2140 90 10, A 4452mm 2, ix=2.56cm, iy=6.77cm,由于 loy ? lox,故用不等肢角 钢短肢相并oy loy/iy 1185cm/6.77cm 175 <350考虑到

9、下弦有2 21.5mm的栓孔削弱，下弦净截面面积：N 779070N2.22 176.3N/mm <215N/mmAn 4022mm2所选截面合适。(3)端斜杆aB杆件轴力：N=470.35kN=470350N计算长度lox loy 249.4cm ,因为lox loy ,故采用不等值角钢长肢相并。使ix iy设=60,查表得 0.807 0ix lox/249.4cm/60 4.16cm 选用 2 L 125 80 10 , A 3942mm2 , ix 3.98cm , iy 3.31cm,按所选角钢进行验算:yz1.09b24y 12 2l 2t2 loy l b2/t 8<

10、0.48loy/b214.9624M 11.09 8043.3124942 10280.76 <150y 0 查表的 y =0.683。截面x和界面y都为b类截面，由于x> yz,只需要求N yA470350N ""20.683 3942mm174.70 N/mm2 < 215N/mm2故所选截面合适。(4)腹杆He最大拉力：21.46kN最大压力：97.75kN按最大压力进行计算,设计计算值为97.75kN。由于节点板的嵌固作用，桁架平面内的计算长度取0.8ox 0.8 329.5cm 263.6cm,节点板在桁架平面外的刚度很小，故桁架平面外的计算长度

11、仍取节间距离，即 loy l 329.5cm设=60,查表得0.807ix 0.8 lox.0.8 329.5cm60 4.39cm, ix lox329.5cn60 5.49cm 选用等肢角钢,2L 70 4 , A 1114mm2, ix 1.96cm , iy 2.94cm ,按所选角钢进行验算:loxx7ix263.6cm 120.9 <2.18cm150b/t15.75 < 0.5810y/b 0.583295 6330.3, 0.475b4_1 yz y2 2loy t329.52.940.475 704_2232954119.4<150截面x和界面y都为b类截面

12、，由于yz >只需要求x。查表的 x=0.433。97750xA0.433 1114202.6 < 215N/mm2由于腹杆压力大于拉力, 故所选截面合适。(5)腹杆Bb腹杆拉力设计值为故可不比验算拉应力。N =357.85kN选用280 6组成梯形截面，A 1879mm2,ix 2.47cm , iy 3.65cm ,按所选截面进行验算:平面内的计算长度和平面外的计算长度分别为0.8lox 205.5cm ,loy 256.9cm ,ox205.5cm. c83.2 <2.47cm350, xox256.9cm“，70.43.65cm35022A 1879mm > 1

13、664.4mm故所选截面合适。(6)竖杆Ie竖杆拉力设计值:N=144.39kN选用2L 50 4组成十字形截面，A 779mm2,ix 1.54cm ,iy2.43cm ,按所选截面进行验算:平面内的计算长度和平面外的计算长度分别为0.8lox 246.5cmloy 308.1cm ,lox 246.5cmx 2160.1 <ix 1.54cm350,l ox ix308.1cm 126.8 <2.43cm35022A 779mm > 671.6mm故所选截面合适。其他腹杆：竖杆Aa、CB Ec、Gd选用250短肢相并，腹杆Dc、Fd、Hd选用2L 704组成的十字形截面，

14、腹杆Db选用2J140 90 104组成的梯形截面，腹杆Fc选用280 6组成的梯形截面。经验算，所选截面都能满足要求 各杆件的截面的选择见附表2六、节点设计(1)下弦节点“ b”52.89280.26235.31357.85. A有E43型焊 条角焊缝 的抗拉、 抗压、和 抗剪强度 设计值ffw 160N. mm2。设 “ Bb” 杆的肢背 和肢尖焊 缝，加2hf后取16cm肢尖：l''w0.3Nw 2heff0.3 357850N_一_22 0.7 6mm 160 N mm605.59hf 8mm 和6mm,则所需 的焊缝长 度为：肢背：lw0.7Nw 2heff0.72

15、0.7 8r79.9mm ,力D2hf 后取 10cm设“Db”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf 8mm和6mm ,所需的焊缝长度为:肢背：lw0.75Nw 2heff0.75 280260N ,一一 22 0.7 8mm 160 N mm117.2mm ,加 2hf 后取 14cm肢尖：l''w0.25N2heffw0.25 280260N一 22 0.7 6mm 160 N mm52.1mm ,力口 2hf 后取 7cm“Cb”杆的内力很小，只需要按构造确定焊缝，取 hf 6mm 0根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作和装备等误差，按比例绘出节点详图，从

16、而确定节点板的尺寸为 310mm 400mm下弦与节点板的连接的焊缝长度为 400mm hf 6mm 0焊缝所受的左右两下弦杆的内力差为N 605.39kN 235.31kN 370.08kN ,肢背的力最大，取肢背进行计算，则肢背处的 焊缝应力为：0.75 370080N0.7 6mm(400-12)85.2 N/mm2 < 160 N/mm2焊缝强度满足要求。(2)上弦节点B0IB_二一二二一二二二二二二二口口 7口 i=- 一二1oi q _cKLhf 10mm和8mm,所需的焊缝长度为:“Bb”杆与 节点 板的 焊缝 尺寸 和节 点“b” 相同。“Ba”的背肢的缝寸别 杆肢和尖焊

17、尺分为肢背:0.65Nw2heff0.65 470350N_ 22 0.7 10mm 160 N mm136.5mm ,力口 2hf 后取 16cm0.3N0.35 470350N肢夫： l w w 2 91.9mm ,力口 2hf 后取 11cm2heff2 0.7 8mm 160 N mm考虑焊缝长度，同时为了在上弦搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm选择节点板尺寸为295mm480mm用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。验算上弦杆的焊缝：忽略桁架上弦坡度的影响，假定集中荷载 F与上弦杆垂直。上弦肢背承受集中荷载，肢尖承受左右弦杆的内力差。槽焊缝的计算焊角尺寸为hf 。节点板厚度

18、 1 10 5mm , hf=8mm f 22由节点板的长度确定槽焊缝的长度为 480mm上弦肢尖角焊缝的剪应力为：故焊缝强度满足要求。(3)下弦节点“ c”设“Dc”杆的肢背和肢尖焊缝hf 6mm和6mm ,则所需的焊缝长度为：0.7N0.7 186230N肢色：lw w 2 97.0mm ,力口 2hf 后取 11cm2heff2 0.7 6mm 160 N mm肢尖:0.3N2heffw0.3_186230N2 0.7 6mm 160 N mm241.6mm ,加 2hf 后取 6cm设“Fc”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf6mm和6mm ,所需的焊缝长度为:肢背：lw0.7N2hel

19、70.7 120380N2 0.7 6mm 160 N mm262.7mm ,加 2hf 后取 8cm肢尖:.''lw0.3N2heffw0.3 120380N2 0.7 6mm 160 N mm226.9mm ,由于焊缝计算长度不得小于8hf和40mm肢尖焊缝长度取6cnr“Cb”杆的内力很小，只需要按构造确定焊缝，取hf 6mm 0节点板取265mm315mm取hf 6mm ,下弦杆与节点板的焊缝长度为 315mm焊缝受左右弦杆的内力差为 N 759.5kN 605.59kN 153.91kN,受力较大的肢背处的剪应力为:0.75 153910N45.4 N/mm2 <

20、; 160 N/mm2焊缝强度满足要求。(4)下弦节点“ d”则所需的焊缝长度为:设“Fd”杆的肢背和肢尖焊缝hf 6mm和6mm肢背：lw0.7N0.7 58020N2he ffw2 0.7 6mm 160N mm230.2mm <8hf 48mm ,计算长度取 48mm力口 2hf后取7cm肢尖：lw舞 2heff0.3 58020N2 0.7 6mm 160 N mm213.0mm < 8hf 48mm ,计算长度取48mm 加 2hf 后取 6cm设“Hd杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf 6mm和6mm ,所需的焊缝长度为:肢背：lw0.7N0.7 39310N2heffw

21、 2 0.7 6mm 160 N mm220.5mm <8hf48mm，计算长度取48mm力口 2hf后取7cm-0.3N0.3 39310N肢大：lw w 22heff2 0.7 6mm 160 N mm8.8mm <8hf48mm ,计算长度取48mm加2hf后取6cm“C6 杆的内力为 52890N, hf 6mm 0肢背：lw0.7N0.7 52890N2heffw 2 0.7 6mm 160 N mm239.3mm <8hf48mm ,焊缝长度取6cm,肢尖的力比肢背的小，肢尖焊缝长度取 6cm,节点板取255mm285mm由于d点左右两端的拉力值相差不大,为 hf

22、 6mm。可只按构造确定其焊角尺寸(5)下弦节点“ e”腹杆"eH计算内力为97.75kN, hf 6mm ,肢背的焊缝长度为:肢尖：lw0.7N1 wr w2heff0.7 97750N2 50.9mm ,力口 2hf 后取 7cm2 0.7 6mm 160 N mm20.3NT7 L W2heff0.3 97750N2 0.7 6mm 160N mm221.8mm<48mm取焊缝长度为 6cm)节点板取325mm 270mm验算下弦节点板的焊缝。计算内力为 0.15 779.07kN=116.86kN, hf6mm ,焊缝长度为270,焊缝肢背的剪应力为:0.75 1168

23、60N2f40.44N. mm2 0.7 6mm (270-12)缝合适。竖杆“el”焊缝计算：< 160N/mm2 ,肢尖受力较小，不必验算。故焊拉力为 144.39kN,取 hf 8mm , l：0.3N： 2heff0.7 14439N2 56.4mm考虑起弧2 0.7 8mm 160N mm和灭弧，焊缝长度取7cm,肢尖受力较小，按构造确定焊缝长度为 6cnit hf 5mm 10 6 5 mm 21mm -r11 1下弦拼接角钢的总长度为采用与上弦统一钢号的角钢进行拼接，垂直肢截取宽度为拼接角钢的总长度取40cm(6)上弦节点 " C”、"E"、&

24、quot;G'。由于节点处左右弦杆的内力值相等，且竖杆的内力设计值相同，故采用相同的节点板 焊脚尺寸取6mm焊缝长度取6cm,连接板的尺寸如上图6.5.1上弦点“D”，午"、"H'焊缝尺寸根据下弦节点已经确定。节点“D：杆 “ Dbf肢背：hf8mm,lw14cm肢尖:hf6mm, lw7 cm杆“DC肢背：hf6mm,lw11cm肢尖：hf6mm, lw6cm节点“ F” ：杆 “ Fc”肢背：hf6mm,lw8cm肢尖：hf6mm, lw6cm杆 “Fd”肢背：hf6mm,l w7 cm肢尖：hf6mm, lw6cm节点“H：杆“ Hd肢背：hf6mm,

25、l w7 cm肢尖：hf6mm, lw6cm杆“He肢背：hf6mm,l w7 cm肢尖：hf6mm, lw6cm节点“D”、"F"、"H'所选择的连接板尺寸分别为：230mm 335mm220mm255mm235mm 245mm(7)屋脊节点“I ”采用与上弦角钢相同钢号的角钢进行拼接，截取的垂直肢的宽度为：t hf 5mm 23mm ,其中hf取8mm接头一边的焊缝长度按弦杆的内力计算。一条焊缝所需的焊缝长度为：lw751040N 24 0.7 8mm 160 mm209.6mm ,拼接角钢的长度取500mm>2209.6mm+4 8mm+152

26、=481.2mm 合适。根据腹杆的内力，取节点板尺寸为 200mm450mm上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载，计算长度为 450mm-2x15mm-4 , hf =5mm故计算长度为 3800mm节点荷载为52.89kN,焊缝承受的剪应力:F2 0.7 hf lw52890N2 0.7 5mm 380mm19.9N/mm2 <160N/mm2 ,满足。上弦肢尖与节点板的连接焊缝的内力计算值为上弦内力的15%设肢尖的焊缝hf=8mm节点板的长度为200mm则节点一侧弦杆的计算长度为:450mm lw 215mm 2 8mm 194mm,焊缝应力为:112.8N/mm2 < 1

27、60 N/mm 26.8.1支座节点6.8.2支座底板12cm,所确定的节点板尺寸如图 6.8.1 ,下弦杆焊脚尺寸为肢背：hf 8mm lw16cm腹杆“aB” 的焊缝尺寸同节点“ B”肢背 ：hf 10mm lw，肢尖：hf 8mmlw 11cmo节点板的厚度为14cm ,肢 尖：hf 6mm lw 14cm ,竖杆焊脚尺寸肢背和肢尖均为hf 6mm lw 6cm ,经验算焊缝满足要求。为了便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋与节点板的高度相等，厚度为12mm支座底板的计算支座反力：R=8F=8 52.89kN=423.12kN支座所

28、需的净截面为：An RR-就簿33849-mm2选择的支座底板的尺寸如图6.8.2 0仅考虑有加劲肋的部分承受支座反力，由于290mmx232mm=67280mm2>33849£ mmK 板的面积合适。底板的厚度按桁架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块为两 相邻边支撑而另两边自由的板。根据底板尺寸确定a1 171.2mmb1 81.2mm, b1 / a1 二0.474查表得 的值为0.054。底板下的平均应力为：每块板的单位宽度的最大弯矩为:底板厚度：取 t=18mm加劲肋与节点板的焊接焊缝计算。 计算简图如图6.8.3假定一个加劲肋承受白力为支座反力的

29、 1/4 ,即加劲 内力为R/4 423120N/4 105780N ,则焊缝的内力V 105780NM=105780N 35mm=3702300N mm2设焊缝hf 6mm ,焊缝的计算长度为： lw 495mm 12mm 15mm 468mm,则焊缝的应力:肋的计算为图6.8.1加劲肋计J 26.9N/mm212.1N/ mm229.5N/mm2 < 160 n/mm2 ,满足。节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。设焊缝传递全部的支座反力，每块加劲肋各传力为R/4=105780N,节点板传递的力为R/2=211560N设节点板与焊缝的焊脚尺寸hf 6mm ,则焊缝的计算长度我为: 节

30、点板的应力：强度满足。加劲肋焊脚尺寸hf 8mm每块加劲肋与地板的连接焊缝长度为: 加劲肋焊缝的应力为：强度满足。七、参考资料1、张耀春.钢结构设计原理.高等教育出版社，2004版。2、王国凡.钢结构连接方法及工艺.化学工业出版社，2005版。3、钢结构设计规范(GB50017-2003).北京计划出版社，2003版。4、房屋建筑制图统一标准(GB/T50001-2001).北京计划出版社，2002版附表1桁架杆件内内力组合表杆件名称内力系数第一种组 合F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 上弦AB0.000.00 n0.000.000.00 0.000.00P 0.00

31、10.000.000.00BG CD-8.74-6.26-2.48-462.42-426.03-405.55-370.48-339.98-186.24-95.65-462.42DE EF-13.37-8.93 1-4.44-707.14-642.02-609.01-575.99-531.05-269.37-161.68-707.14FG GH-14.90-8.96 1-5.50-788.27-700.99 :-661.53-650.16-601.53-276.31P-193.43-788.27HI-14.20-7.10-7.10-751.04-646.81-605.42-646.81-605.

32、42-228.90-228.90-751.04下弦ab4.453.521.26235.31221.66212.12188.49172.97102.7148.63235.31bc11.457.95 13.50P 605.59554.18 ；526.70488.93P 449.66 1237.79131.38605.59cd14.369.165.20759.50683.15646.53625.08577.98278.86184.15759.50de14.738.196.54779.07683.11642.36658.81613.68257.27217.65779.07斜腹 杆aB-8.89-6.5

33、5-2.35-470.35-435.93-415.57-374.23-342.73-193.67-93.05-470.35Bb6.774.682.08357.85327.28311.00289.12265.96140.1977.97357.85bD-5.30-3.31-1.99-280.26-251.02-237.32-231.73-214.55-101.16-69.70-280.26Dc3.521.79 d1.74:186.23160.74 1150.54160.02P 149.69 157.35P 56.17186.23cF-2.28-0.59-1.68-120.38-95.69-87.6

34、1-111.66-106.46-23.67-49.71-120.38Fd0.95-0.541.4950.0328.1622.7158.0257.96-9.1039.6058.02, -9.10dH0.181.61 1-1.469.7330.67134.15-14.34P-18.98139.31P -34.0939.31 ,-34.09He-1.51-2.671.16-80.08-97.09-97.75-40.84-31.35-70.2721.4621.46 ,-97.75竖杆Aa-0.50-0.500.00-26.45-26.45-25.65-19.11-16.99-14.05-2.08-26.45Cb-1.00-1.00 n0.00P -52.89-52.89 :-51.30-38.21P-33.971-28.09P -4.15-52.89Ec-1.00-1.000.00-52.89-52.