钢结构课程设计参考

1、钢结构设计第一节 钢屋架课程设计任务书一、设计题目24m 跨钢屋架设计。二、设计任务1 材料选择。2屋架形式及屋架几何尺寸的确定。3屋架及屋盖支撑的布置。4屋架的结构设计。5绘制屋架施工图。三、设计资料西安某厂一车间长度为72m， 跨度24m， 柱距6 m。内设两台20 5t 中级工作制桥式吊车和两台5t 锻锤，冬季计算温度为20C，设防烈度为8 度，近震。屋面采用 1 5 6 0m 大型屋面板，卷材防水屋面（其具体构造已由建筑设计确定），屋面坡度i=1 10。屋活荷载标准值0 7kN rn2，雪荷载标准值0 5kN m2，积灰荷载标准值0 75kN m2。第二节 钢屋架设计计算一、屋架类型由

2、于车间内部设有M 台 5t 锻锤，又具有加热设备炉。拟采用钢屋架，钢筋混凝土柱，混凝土采用C25（ fc= 12 5N mm2）。二、钢材及焊条根据该地区的冬季计算温度和荷载性质，钢材采用AY3F（甲类顶吹氧气转炉3号沸腾钢）， 要求保证抗拉强度，伸长率。屈服强度，冷弯试验及碳、硫、磷含量合格。 屋架连接方法采用焊接，焊条选用E43 型， 手工焊，根据结构的重要性，焊缝质量要求达到一级标准。三、屋架形式及几何尺寸因屋面采用预应力混凝土大型屋面板，屋面坡屋i=1 10，故采用梯形屋架。屋架计算跨度取支柱轴线间 的 距 离 减 去 300mm 。 L0 = L 2 150=24000 300=23

3、700mm。屋架端部高度H0=1990mm（ H0与屋架中部高度及H0取为1 8 2 lm 等较整H0 有足够的大小，亦能较好地传递支座弯矩而不L屋 架 中 部 高 度H=H02 i 1990 十 0. 1 240002 =3190mm屋架的高跨比H L =3190 24000=l 7 5，在经1 6 1 10）内，为使屋架上弦只受节点荷腹杆体系采用节间为3m 的人字形式，1 5 6m 屋屋架跨中起拱50mm（l 500）l 所示。图2GWJ一屋架；SC一水平支撑；LG一系杆；CC垂直支撑四、支撑布置根据 车间长度72m，屋架跨度 L =24m 荷载情况，以及吊车、锻锤设置情况，布置三道上、下

4、弦横向水平支撑 ，二道 纵向水平支撑，垂直支撑和系杆（如图2）屋脊节点及屋架支座处沿厂房通长设置刚性系杆， 屋架下弦沿跨中通长设一道柔性系杆。 凡 与支撑连接的屋架（两端和中间共6 榀屋架），编号为 GWJ 2，其它编号均为GWJ 1。五、荷载和内力计算1荷载计算屋面活荷载与雪载一般不会同时出现，从前面可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载进行计算。屋架沿 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。永久荷载标准值：三毡四油绿豆砂20 厚 1： 3 水泥砂浆找平层泡沫混凝土保温层80 厚大型屋面板（含灌缝）0 35kN m20 02

5、20=0 40kN m20 08 6=0 48kN m21 40kN m2屋架和支撑自重管道自重可变荷载标准值 屋面活载 积灰荷载0 12 0 011 24=0 38kN m 1 45kN m2 以上荷载计算中，因屋面坡度较小，风荷载对屋面为吸力，对重屋盖可不考虑，所以各荷载均按水平投影面积计算。永久荷载设计值：12311=373kNm2可变荷载设计值：14145=203kNm22荷载组合设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：（ 1）全跨永久荷载十全跨可变荷载屋架上弦节点荷载：P=（ 3 73 2 03）1 5 6=51 84kN支座反力 ：RA=51 84（1 2 2 7） =414 72kN

6、=RA （ 屋架另一端支座）0 1kN m223 11kN m20 7kN m20 75kN m22）全跨永久荷载十半跨可变荷载屋架上弦节点荷载： P半 =3 73 1 5 6=33 57kNP半 2 03 1 5 6 18 27kN3）全跨屋架与支撑十半跨屋面板十半跨屋面活荷载全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载：P全 =1 2 0 38 1 5 6=4 10kN作用于半跨的屋面板及活载产生的节点荷载。取屋面可能出现的活载（即不利活载）P 全 =（ 1 2 1 4 l 4 0 7） 1 5 6=23 94kN以上 （ 1），（2）为使用阶段荷载组合， （ 3）为施工阶段荷载组合。图3（注）全跨节

7、点作用单位荷载时各杆内力图解；（b）半跨，节点作用单位荷载时各杆内力图解3内力计算按 图解法， 解析法或电算法均可计算屋架各杆件内力。本设计 采用图解法计算内力。应用图解法求得单位荷载作用于全跨及半跨各节点的各杆内力， 即内力系数 ， 然后可求出当荷载作用于全跨及半跨各节点时的杆件内力，并求出三种荷载组合下的杆件内力， 取其中不利内力（正、负最大值）作为设计屋架的依据。具体计算见图 3。1全跨永久荷载十全跨可变荷载组合各杆件计算内力 图由上述计算可见，跨中附近斜腹杆的内力发生变号，是由于考虑了施工阶段荷载的不利分布，如果按照正确的施工方法，屋面板采用对称吊装，就不会出现杆件内力的变号。六、杆件

8、截面设计1上弦整个上弦不改变截面，按最大内力设计（见内力图 ），NkM = 790 56kN。上弦杆计算长度：在 屋架平面内，为节间轴线长度L0 x= 1508m m；在屋架平面外，根据支撑布置和内力变化情况取L0y=2 1508=3016mm（按大型屋面板与屋架保证三点焊，故取两块屋面板宽度）。 TOC o 1-5 h z 因为L0y =2 L0 x，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并 。腹杆最大内力N= 458 76kN（ 压力需稳定计算 ），查（上一章）表4， 节点板厚度选用10mm， 支座节点板厚度选用12mm。4桁架节点板用度选用表梯形 屋架 腹杆 最大 内力 或三 角形 屋架 弦

9、杆 最大 内力 （ kN ）节点板钢号Q235 180190300310490500680690900Q345 250260370380550560740750980中间节点板厚度（ mm）68101214支座节点板厚度（ mm）810121416 TOC o 1-5 h z 上弦杆截面：（T 型轴心受压构件应计算 yz）设 = 6 0， 按 3号钢 （ Q235） ， 轴心受压构件属b类载面。查附表4 4，得 =0 807。N 790.56 1032需要截面积A=4556mm ，需要的f 0.807 215回转半径：ixLox 150825.2mmLoy iy60301650.3mm60根据

10、A、 ix、 iy查附表3 25， p396页，选用2L14090 10， A=4452 2mm2， ix=25 6m iy 67 7mm。按所选角钢进行验算：yLoxix150858.911 5 025.6Loyiy301644.515067.7 x y，只需求 x，查附表4 4得，x=0 813NA x790.56 1030.813 4452.2218.4N / mm2215N / mm2所选截面合适，如图 4 所示。垫板每个节间设一块。2下弦整个下弦也不改变截面，按最大内力NDE=787 97kN 设计（ 拉力不需稳定计算）。按下弦支撑布置情况：L0 x=3000mm， L0y =600

11、0mm 计算所需下弦截面净面积：Anfd787.97 1032153 6 6mm5 2根据 A 查附表 3 25, 选用 2L125 80 10（ 短肢相并 ），A=3942 4mm2， ix=22 6mm， iy=61 1mm，截面如图5所示。45验算： 如果连接支撑的螺栓孔中心至节点板边缘距离不小于100mm， 螺栓孔对下弦截面的削弱可不考虑，所以An=A。Lox3000ox132.74mm350i 22.6 xxLoy6000iy 61.198.20mm3 5（满足要求） 0每个节间设一块垫板。3503、端斜杆AG（ T型轴心受压构件应计算 yz）NAG= 458 78kN， L0 x=

12、L0y= 2535mm。查附表25,节点板厚度选用10mm， 如选用2L125 80 8，长肢相并， 则A=3197 8mm2， ix=40 1mm， iy 32 7mm。L 2535 TOC o 1-5 h z 验算，Lox 2535 63.22150 x i 40.1xLo2535oy77.521 5 0i32.7 yx， 只需求y，查附表 4 4有 min= y=0 704458 78 103458.7810203.79N/mm2215N/mm20.704 3197.8满足要求，截面如图6所示。图64斜腹杆GNGB= 357 7kN， 拉杆 ，几何长度，为L =2608mm，L0 x=0

13、 8 L =0 8 2608=2086 4mm， L0y =2608mm。所需截面面积：AnN 357.7 1032.1663.72mm2fd215查附表3 24（ 等边角钢组合表） ,节点板厚度选用10mm，选用 iy=362 L80 6，则A=1880mm2， ix=24 7mm，5mm验算：N 357.7 103A Lox ix Loy iy18802086.419027N/mm2 215N/mm284.473 5 024.7260871.4535.6满足要求，截面如图7 所示。5竖杆AF、应计算 yz)H、 CJ、 DL、 EN( T型轴心受压构件NAF=NBH=NCJ=NPL=NEN

14、= 51 84kN，其 内力大小相同，选用长细比较大的竖杆进行设计，则可保证其他竖杆的安全可靠性。NDL= 51 84kN， ox=24 5mmox=0 8L=0 8 2890=2312mm，Loy =2890mm。内力较小，按各杆允许长细比而150选择角钢，所需回转半径为:ixLox2312 15.40mm150iy根据A、Loyix、2890 19.27mm150i y查附表3 24，节点板厚度选用10mm，选用 2L56 5，则A 1083mm2， ix 17 2mm， iy26 9rnmLox2312 134.415017.2oy289026.9107.43150Lox x ixN17

15、9173.1 查附表4 4 有： x=0 74924.525920228.2N /mm2A 0.749 1229中 间 竖 杆 EN ：Lox = Loy = 0 3190=2871mm215N/mm29 L =0 9yiy 满足要求。根据布置螺栓的要求，端竖杆及中间竖杆最小应当选用 2L63 5 的角钢，采用十字形截面， 由附表3 24知，A=1229mm2， iox=24 5mm，因十字形截面x0 主轴与桁架平面斜交，故计算长度Lox=Loy= 0 9L端竖杆AF： Lox= Loy= 0 9L=0 9 1990=1791mm2L63 5 组成的十字形截面，Lo 2871iso19.14m

16、m150is=19 14mm，满足要求，截面如图8 所示。 （轴心6斜腹杆BINBI= 285 12kN， Lox =0 8L=0 8 2869=2295 2，Loy =2869 mm查附表3 24，如选用2L90 6，则A=2127mm2，ix=27 9mm，iy=40 5mm验算： xox2295.282.2715027.9Loyiy2295.270.8415040.5查附表4 4有：min= x=0 669N 285.12 103A 0.669 2127满足要求，截面如图7斜腹杆ICNIC 192 33kN，200.37N/mm2 215N/mm29所示。Lox 0 8L 0 8 285

17、92287 2mm， Loy 2859mmN 192.33 1032894.6mmfd选用 2 iy=29 7mm215L63 5， A=1229mm2， ix=19 4mm，Lox2287.2x117.9150 x i 19.4xLoy2287.296.26150y iy 29.7N 192.33 10322156.49N / mm 215N /mmA 1229 满足要求。8斜腹杆 CKNck 129 6kN， Lox 0 8L 0 8 31292503 2mm， Loy=3129mm，2选用2L75 5，则A=1473mm2， ix=23 3mm，iy=34 5mm验算： xLoxixLo

18、yiy252033.3.2 107.43150312990.715034.5查附表4一 4得 3N 129.6 103min= x=0 508A 0.508 1473 满足要求。9斜腹杆KD 、45.98kNN DM 36.25kN ，2173.2N/mm2DM 、 MEN KD67.00kN7.46kN2 215N/mm2NME= 79 18kN，三杆可以选择内力较大杆件进行计算67kN 选截面积。67kN 较大，按Lox 0 3119mm8 L 08 3119 2495 2mm，LoyAn67.0 103fd215311.63mm2选用 2 L63 5， A=1229mm2， ix=19

19、4mmiy=29 7mm验算：Lox ix Loy iy21499.57.2 128.61503119.010515029.767.0 1032254.5N /mm 215N /mm1229满足要求按 N=NME= 79 18kN 验算 ：Lox 0 8 L 0 8 3385 2708mm，Loy 3385mm选用 2L63 5，则A=1229mm2， ix=19iy=29 7mmLox 2708 139.59150ix 19.4Loy 3385113.97150y iy 29.74mm，查附表4 4得 min= x=0 39279.18 1030.392 1229164.35N/mm2 21

20、5N/mm2满足要求。各杆件选用见表2屋架杆件一览表表 4 2七、节点设计1 下弦节点各杆的 内力由计算表1查得这类节点的设计步骤 是： 先 根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸， 即 hf和 Lw， 然后 根据Lw的大小 按比例绘出节点板的形状和大小， 最后 验算下弦杆与节点板的连接焊缝。用 E43 焊条时， 角焊缝的抗拉、拉压和抗剪强度设计值ffw =160N2 mm 。设 BG 杆 的肢背和肢尖焊缝肢背 Lw肢尖LwH 杆的内力很小hf=6mm 和 5mm，所需焊缝长度由式（8 19）为：K1N2 0.7 h f w 10（ K1 查表8 1）K2N2 0.7 杆 的肢背与肢尖的

21、焊缝hf分别为6mm和 5mm30.7 285.12 103肢背Lw=10 158.5mm，取Lw =180mm 0.7 6 160h fw 10（ K2查表81）30 7 3577 100.3 285.12 103肢尖Lw =10 86.37mm ，取Lw =100mm2 0.7 5 160肢背Lw= 2. 0.7 .6 160 10 196.3mm，取Lw =220mm0 3 3577 103肢尖Lw= 2 0.7 5 160 10 105.8mm，取 Lw =120mmhf=5mm根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的按比例 作出节点详图（见10），从而确定节点板尺寸为360 41

22、0mm。图 10 B节点下弦与节点板连接的焊缝长度为 410mm， hf=5mm，焊缝所受的力为左右下弦杆的内力差 N=596 16（ AB杆力） 轴力），受力较大的肢背处焊缝应力为243 65（ BC 杆力） =35251kN=N（焊缝受N10.7hf1Lw1w ffN1 k1Nf=0.7 352.51 103294.3N / mm2 0.7 5(410 10)2160N / mm2焊缝强度满足要求。2上弦节点GB杆与节点板的焊缝尺寸和节点相同， AG杆与节点板的焊缝尺寸按上述方法计算NAG 458 78kN肢背：hf=10mm，0.65 458.78 103L10 143.13mmw= 2

23、 0.7 10 160实际取Lw =160mm30.35 458.78 103肢尖：hf=6mm，10 129.47mmLw= 2 0.7 6 160Lw =140mm图 11G 节点为了便于搁置屋面板， 上弦节点板的上边缘缩进上弦肢背8mm， 上弦角钢与节点板间用槽焊连接， 计算时可略去屋架上弦坡度的影响， 认为集中力P 与上弦垂t 10直 。 P=51 84kN， hf=2=120=5mm。根据斜杆焊缝长度确定节点板尺寸，置得节点板长度440mm（ 见图11）焊缝计算长度Lw=440 10=430mm， 设 上侧焊缝负担垂直焊缝的全部力（见例9 2） ，则肢背焊缝应力为：P3f51.84

24、103 /（2 0.7 5 430）f 2heLw17.2N / mm2f ffw 1 22 160=195 2N mm2肢尖焊缝承受弦杆内力差 N 及偏心力弯距M 。 N=NGHNGF=451 0kN偏心距e=90 21 2=68 8mm（查附表3 5得 L140 90 10的 x0=21 2mm）偏心力距M= N e=451 0 103 68 8=3 10 107N mm，采用hf=8mm 则f=N2he Lw=4510103207 8430=93 6N mm26M72f 26 3.10 107/2 0.7 8 4302f 2heL2w289.8N /mm2f/ f289.8/1.22 2

25、 93.62 119.10N/mm2 160N/mm23屋脊节点N弦杆一般都采用同号角钢进行拼接， 为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，且便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，并截去垂直肢的一部分宽度（一般为t hf5mm） 。 拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设焊缝高度hf=8mm，则所需焊缝计算长度为：LwNmax4 0.7hf f764.64 10310 wf，取Lw =230mm。10 223.34mm4 0.7 8 160拼接角钢长度取500mm 2 230=460mm上弦与节点板间的槽焊，假定承受节点荷载，验算P 2N1 sin略（可用公式L 8

26、 0.7h fw 10mm计算焊缝长度，宜将ffw 乘 以 0 8）。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15计算。设肢尖焊缝hf=8mm，节点板长度为430mm（见下图），节点一侧弦杆焊缝的计算长度为430Lw= 2缝应力为：5（弦杆端头的间隙）10=200mm，焊Nf15%30.15 764.64 103251.2N /mm22 0.7heLw2 0.7 8 200ew6M2 0.7hf L2w0.15 764.64 103 68.8 62 0.7 8 2002105.68N /mm2fN 2Mf / f 251.22105.68/1.22 2 100.63N / mm2 160N

27、/mm212 屋脊节点N4下弦跨中节点设计跨中起拱50mm， 下弦接头设于跨中节点处， 连接角钢 取与下弦杆相同截面2L125 80 10，焊缝高度hf=8mm，焊缝长度LwN4 0.7 hfffw10787.97 1034 0.7 8 16010229.86mm取 Lw =230mm连接角钢长度L =2 230 10=470mm，取L =480mm。 TOC o 1-5 h z 肢尖切去 =t hf+5=10 8 5=23mm，截面削弱2A=23 10=230mm2。A 230A 1971 11.7% 原截面的15% （满足要求）下弦杆与节点板，斜杆与节点板之间的连接焊缝均按构造设计。因屋架

28、的跨中高度较大，需将屋架分成两个运输 单元，在屋脊和下弦跨中设置工地拼接节点，左半边 的上弦、斜杆和竖杆与节点连接采用工厂焊，而右半 边的上弦，斜杆与节点板的连接采用工地焊。腹杆与节点板连接焊缝的计算方法与以上几个节 点相同。图 13 节点 E（以上各个节点板缺节点板强度、稳定验算，及具体尺寸）5支座节点为了便于施焊，下弦杆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。加劲助取460 80 10mm， 节点板取460 380 12mm的钢板 。( 1)支座底板的计算。51.84 51.84支座反力R=51 84 1722 =414 72kN按构造要求采用底板面积为a

29、 b=280 340mm2，若仅考虑加劲助部分底板承受支座反力R， 则承压面积为 280(2 80 12) =48160mm2验算柱顶混凝土的抗压强度。3R 414.72 1032A 481608.61N/mm 24m） 弦杆宜根据内力的变化改变截面尺寸，但半跨内一般只改变一次。六、构造要求屋架的杆件一般应用节点板相互连接，各杆的内力通过与节点板的焊缝互相平衡。在节点设计中应当注意以下几点：1 各杆件的形心线应尽量与屋架几何轴线重合，并交于节点中心，以避免由于偏心距产生的节点附加弯矩。2屋架各杆用节点板连接时，弦杆腹杆之间，腹杆与腹杆之间的间隙，不宜小于20mm。3 节点板的尺寸，形状在绘制施工图时决定。形状应当尽可能简单，规则。至少有两边平行。如矩形、梯形、直角梯形等。节点板的尺寸。 首先计算焊缝的长度和焊脚尺寸。焊缝高度一般取等于或小于角钢肢厚。根据节点上各杆件的焊缝长度， 并考虑杆件之间应留有的间隙，以及制作和装配误差确定节点板的尺寸和形状。然后再验算弦杆与节点板的焊缝。GWJ24材料表构件编号杆件号杆件位置断 面长 度 (mm)数量量(kg)正反每个共计合计1上弦L14