钢结构课程设计计算书

《钢结构设计》课程设计计算书一、题目普通钢屋架设计，并绘制屋架支撑、檩条布置图和屋架施工图二、工程概况某车间厂房总长度约为108m。车间设有两台30吨中级工作制吊车。车间无腐蚀性介质。该车间为单跨双坡封闭式厂房，屋架采用三角形桁架式钢屋架（见图1），屋架下弦标高为9m，其两端铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面尺寸为400㎜×400㎜，混凝土强度等级为C屋面采用彩色压型钢板加保温层屋面，C型檩条，檩距为1.5m~2.芬克式豪式图1三角形桁架式钢屋架示意图三、设计资料按表1选取屋架形式、坡度、柱距、跨度和所在地区的雪荷载。屋面恒荷载(包括屋面板、保温层、檩条、屋架及支撑等)水平投影标准值为0kN/㎡。屋面活荷载标准值为0.30kN/㎡。不考虑积灰荷载、风荷载。雪荷载（kN/㎡）见表1，不考虑全垮积雪不均匀分布情况。荷载规范规定屋面活荷载与雪荷载不同时考虑,而采用其中较大者。本设计中活荷载均小于雪荷载，故只需考虑恒载和雪荷载的组合。这种组合分全跨雪荷载和半跨雪荷载两种情况，即内力组合为“恒+全”和“恒+半”两种组合值。结构重要性系数为γ0。屋架采用Q235B钢，焊条采用E43型。四、设计内容与要求1.材料的选择：包括屋架所采用的钢材的品种，螺栓的种类及规格，焊条的型号等。2.确定屋架的形式，计算屋架各杆的几何尺寸。3.布置屋架及屋盖支撑，画出屋盖支撑、檩条布置图(1号图纸铅笔图一张)。4.进行屋架结构设计，提出结构计算书一份。5.绘制屋架施工图(1号图纸铅笔图一张)，其主要内容包括：屋架的正面图，上、下弦平面图，侧面图和设有垂直支撑、系杆处必要的剖面图，正面图中没表示清楚的零件详图、屋架简图、材料表等。6.制图按中华人民共和国国家标准，《房屋建筑制图统一标准》(GB/T50001-2001)，《建筑结构制图标准》(GB/T50105-2001)。五、参考资料(1)《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)(2)《钢结构设计规范》(GB50017-2003)(3)《建筑结构静力计算手册》(4)《钢结构设计手册（上册）》六、计算书撰写规范之一设计资料某工程为跨度为21m的单跨双坡封闭式厂房，总长度为40m，采用三角形桁架式钢屋架即芬克式钢屋架，屋面坡度i=1:2.5，屋架间距为，车间设有两台30吨中级工作制吊车，屋架铰接于钢筋混凝土柱上，上柱截面尺寸为400mm*400mm，混凝土强度等级为C20，无吊顶，屋架下弦标高为10m，屋面材料采用彩色压型钢板加保温层屋面，C型檩条，屋面恒荷载标准值为0.5KN/m2，屋面活荷载标准值为0.2KN/m2，基本雪压为0.3KN/m2，不考虑积灰荷载、风荷载，不考虑全跨积雪不均匀分布情况。结构重要性系数γ=1.0，屋架采用Q235B钢，焊条采用E43型2．屋架形式和几何尺寸屋架形式和几何尺寸如下图1图1屋架形式和几何尺寸檩条支承于上弦节点，屋架坡度为a=arctg1/=22º´，檩距为3．支撑布置上弦横向水平支撑设置在房屋两端及伸缩缝处第一开间内，并在相应开间屋架跨中设置垂直支撑。上弦横向水平支撑在交叉点处与檩条相连。故上弦杆在屋架平面外的计算长度等于其节间几何长度。在其余开间屋架下弦跨中设置一通长水平柔性系杆。下弦杆在屋架平面外的计算长度为屋架跨度的一半。（1）永久荷载标准值：屋面恒荷载标准值Gk=0.50kN/m2。屋面活荷载标准值Qk=0.20kN/m2。屋面雪荷载标准值Sk=0.3kN/m2。（2）上弦的集中荷载和节点荷载永久值。α=5.88KN节点永久荷载标准值：P’=P=5.88KN。.图2上弦的集中永久荷载计算简图（3）上弦的集中雪荷载及节点雪荷载α=3.53KN。节点雪荷载标准值：P2=P1=3.53KN。（4）荷载规范规定屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，而是采用其中较大者。本例中只需考虑恒载和雪荷载的组合。荷载组合：1.2x永久荷载+1.4x雪荷载。5．内力计算内力组合：杆件以受拉为正，受压为负（表1）。上弦杆内力计算表1屋架杆件内力组合表杆件名称杆件编号全跨荷载半跨荷载内力组合内力系数恒载标准值P1=5..88kN内力系数最不利内力上弦1-2-87.08-52.28-38.05-177.69-157.77-177.692-3-80.32-48.22-9.62-33.96-163.89-143.93-163.893-4-82.73-49.672-35.37-168.81-148.80-168.814-5-80.56-48.36-9.65-34.06-164.37-144.36-164.375-6-73.79-44.30-30.01-150.57-130.56-150.576-7-76.15-45.71-8.91-31.45-155.37-135.41-155.37下弦1-813.7580.8548.5410.0035.30164.97146.44164.978-911.2566.1539.717.5026.48134.98116.45134.989-107.5044.1026.483.7513.2489.9971.4589.99腹杆2-8-7.11-4.27-4.27-14.52-14.52-14.523-8-1.21-7.11-4.27-4.27-14.52-14.52-14.524-9-2.79-16.41-9.85-2.78-9.81-33.47-33.43-33.475-11-1.21-7.11-4.27-4.27-14.52-14.52-14.526-11-1.21-7.11-4.27-1.21-4.27-14.52-14.52-14.524-82.5014.708.832.508.8330.0030.0030.004-112.5014.708.832.508.8330.0030.0030.009-113.7522.0513.243.7513.2444.9944.9944.997-116.2536.7522.066.2522.0674.9974.9974.997-1000.000.000.000.000.000.000.00（１）整个上弦杆采用等截面通长杆，以避免采用不同截面时的杆件拼接。取等肢双角钢L90x8上弦杆各杆内力中属1—2杆压应力最大，故上弦杆只要对1—2进行验算即可，包括强度验算，刚度验算，稳定性验算。整个下弦不改变截面，采用等截面通长杆。取等肢双角钢L80x7下弦杆等截面，取最大应力杆验算，取9—10杆。下弦杆取杆段9—10的强度条件选择截面，拉杆，故不做稳定性验算。腹杆选截面拉杆进行强度和刚度验算，压杆进行稳定性和刚度验算。由于压杆种类较多，力也较多，所以对腹杆做截面选择时应根据内力情况分类，首先，对2—8，3—8，5—11，6—11杆内力相等，选取单肢等边角钢L45x4同一截面，对于杆4—9选等肢双角钢L50x5，此类杆件受压，需进行稳定性验算。而杆件4—8和4——11杆取等肢双角钢L50x5，中间零杆取等肢双角钢L63x5.此类杆属于拉杆也不用进行稳定性验算。各杆相关参数参见屋架杆件截面选用表2：表2屋架杆件截面选用表杆件名称杆件编号内力（kN）截面规格截面面积mm²计算长度lox(mm)计算长度loy(mm)回转半径ix(mm)回转半径iy(mm)长细比λx长细比λy长细比λyz稳定系数ψmin强度N/AN/mm²稳定性N/ψA容许长细比[λ]强度设计值fN/mm²上弦杆1-2-178L90x827801858371667.3190.8591.44100150下弦杆1-8165L80x7218029925984163.175.7350腹杆2-83-85-116-11L45x43961464106.050.636.71504-9-33.5L50x596022232778145.3834.972.81504-84-11L36x455230083760276217.454.43507-1174.99L50x5960300837603507-100.00L63x5122841404140213.403507.节点设计7.1运输单元划分根据运输允许的最大尺寸，把屋架划分为四个运输单位，左右两榀小桁架，跨中一段水平下弦杆和中央弦杆在节点7，9和9‘处设置工地拼接，节点10处工地连接。角焊缝强度设计（E43型焊条）7.2形心距离确定屋架各杆件轴线至各杆件角钢背面的距离Z0＇如表3，表中Z0为杆件重心线至角钢背面的距离。表3屋架各杆件轴线至角钢背面的距离Z0＇杆件名称杆件截面重心距离Z0(mm)轴线距离Z0＇(mm)备注上弦杆2∟90×825下弦杆2∟80×725腹杆4—9∟50×5154—8、4—112∟36×4107—112∟50×5152—8、3—8、5—11、6—112∟45×415单面连接中央吊杆7—102∟63×5207.3杆件焊缝尺寸确定屋架杆件焊缝尺寸如表4所示。表4屋架杆件连接焊缝表杆件名称杆件编号截面规格（mm）杆件内力（kN）肢背焊脚尺寸hf1(mm)肢背焊缝长度lw1(mm)肢尖焊脚尺寸hf2(mm)肢尖焊缝长度lw2(mm)上弦杆1-22L90x8-177.6953505350下弦杆1-82L80x7164.945120560斜腹杆2-82L45x45405403-82L45x45405404-82L45x45405404-92L50x5-33.475405404-112L45x45405405-112L45x45405406-112L45x45405407-112L50x574.995405409-112L50x5540540竖腹杆7-102L63x50550550节点设计7.支座节点（1）下弦杆。根据书上表可得支座节点板厚度取8mm，则其他节点板厚度取6mm，Q235B钢。焊缝抗拉强度设计值为ft=160N/mm²。取角钢背部焊脚尺寸，角钢趾部焊脚尺寸，其中K1=0.7，K2=0.3.背部：肢部：背部实际焊缝长度采用lw1+2hf=103+10=113取为120。肢部实际焊缝长度采用lw2+2hf=44+10=54取为60。图3支座节点（2）上弦杆与节点板间连接焊缝计算N=177.67kN，P=6.00kN（节点荷载）节点板与角钢背部采用塞焊缝连接hf=5mm，其中P值很小，焊缝强度不必计算，肯定能满足要求。角钢肢部焊缝承受全部轴心力N及其偏心弯矩M的共同作用，M=N（90-Z0取肢部焊脚尺寸hf=5mm，由节点板实际焊缝长度L=460mm，计算长度lw2-2hf=450>60hf因为有集中荷载，需要验算焊缝的强度要求。（3）底板计算N/mm²锚栓直径采用20，底板留U形孔，锚栓套版采用-70x20x70，孔径22×/4接触面压应力mm²<fc。满足混凝土轴心抗压强度。底板尺寸定为axb=220mmx220mm。（4）底板厚度底板被节点板和加劲肋划分成四块相邻边支承德小板，板中最大弯矩（取单位板宽计算） ，支座节点板厚度为8mm，加劲肋厚度为6mm。b1/a1=0.5得=0.06，求的M=0.06x1.697x1.0x149.9^2=2287.9N.mm。底板厚度t≥16mm，取t=20mm，所以底板选用—220x220x20（5）节点板、加劲肋与底板水平连接焊缝计算因为底板为正方形，故节点和加劲肋与底板的连接焊缝各承担50%轴力。①节点板与底板间水平连接焊缝承受轴心力N=R/2=72/2=36kN根据经验此类轴力较小，可以根据构造要求选取脚焊缝选取hf=8mm.②加劲肋与底板间水平连接焊缝选取hf=8mm。（6）加劲肋与节点板竖向连接焊缝计算加劲肋厚度选用6mm，与中间节点板同厚。每块加劲肋与节点板间竖向连接焊缝受力：V=0.5x0.5R=18Kn 焊缝计算长度lw=(40+63)-10=93mm需要=。构造要求采用hf=5mm，满足要求。上弦杆一般节点2，3，5，6，4（1）按下面方法步骤和要求绘制节点详图图4：1）严格按几何关系画出汇交于节点B的各杆件轴线（轴线至杆件角钢背面的距离Z0＇按表3）；2）节点板上部缩进上弦杆角钢背面10mm、取上弦杆与短压杆轮廓间距离为15mm和根据短压杆与节点板间的连接焊缝尺寸等，确定节点板尺寸；3）标注节点详图所需各种尺寸。由于腹杆2—8，3—8，5—11，6—11内力皆为压力且相等。并且都是采用单角钢L45*5,故所有连接节点板同意采用同意型号。（2）焊缝设计以杆2—8为例计算（图4a，4b）。N1=177.69kN，N2=163.89kN，P=12kN。节点荷载P全部由上弦杆角钢肢背塞焊承受，因P值很小，焊缝强度不必计算。节点板厚度取6mm，角钢厚度为5mm，故取角钢肢背焊脚尺寸，背部实际焊缝长度采用50。上弦杆角钢肢尖角焊缝：取肢尖焊脚尺寸，承受节点两侧弦杆内力差及其偏心弯矩M的共同作用，其中⊿；M=⊿N（90-Z0＇）x10-3k图4上弦节点由图4a中量得实际焊缝长度l2=170mm,计算长度lw2=l2-2hf2mm=170-需要 =.构造要求采取hf=5mm，满足要求。 （3）验算无竖腹杆节点板稳定（4-9）：取受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离c=80mm。节点板厚度t=8，c/t=10。因为c/t≤10(235/fy)½,etf>kN,故满足要求。（4）验算单腹杆节点板拉剪破坏（7-11）：be=45+2*50*tan30°=，则etf>kN,满足要求。（5）验算有竖腹杆节点板稳定：取受压斜腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离c=80mm。节点板厚度t=8，c/t=10。因为c/t≤15(235/fy)½,故满足要求。屋脊拼接节点7 N=155.37kNP=12kN拼接角钢的构造和计算拼接角钢采用与上弦杆截面相同的2∟90×8。拼接角钢与上弦杆间连接焊缝的焊脚尺寸取hf=6mm。（见图5）拼接接头每侧的连接焊缝共有四条，按连接强度条件需要每条焊缝的计算长度拼接处左右弦杆端部空隙50mm，需要拼接角钢长度 为了保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度La=500mm。此外，因屋面坡度较大，应将拼接接角钢的竖肢剖口3=2×（90-8-18）/2.5=采用60mm，先钻孔在切割，然后冷弯对齐焊接。图5屋脊拼接节点（2）绘制节点详图绘制方法、步骤和要求与上弦一般节点B基本相同，腹杆与节点板间连接焊缝尺寸按表4采用。为便于工地拼接，拼接处工地焊一侧的弦杆一拼接角钢和受拉主斜杆与跨中吊环杆上分别设置直径为和13mm的安装螺栓孔。（3）拼接接头每侧上弦杆与节点板间连接焊缝的计算 9kN设角钢背部的塞焊缝承受竖向合力V的一半，取hf=5mm，焊缝的计算长度（0.5P很小，不计其偏心影响） 由图量得实际焊缝长度远大于lw1=，因此认为焊缝满足计算要求。由于内力比较小，故可不进行焊缝强度验算。（4）验算无竖腹杆节点板稳定（4-9）：取受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离c=80mm。节点板厚度t=8，c/t=10。因为c/t≤10(235/fy)½,etf>N,故满足要求。（5）验算单腹杆节点板拉剪破坏（7-11）：be=45+2*50*tan30°=，则etf>N,满足要求。下弦一般节点8（1）绘制节点详图6（2）下弦杆与节点板间连接焊缝计算N1=164.97kNN2⊿=164.97-134.98=29.99kN。图6下弦一般节点由节点详图中量得实际焊缝长度l1=l2=320mm，其计算长度lw1=lw2=360mm（取hf=5mm）需要构造要求。采用，满足要求。（3）验算无竖腹杆节点板稳定：取受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离c=80mm。节点板厚度t=8，c/t=10。因为c/t≤10(235/fy)½,故满足要求。（4）验算单腹杆节点板拉剪破坏：be=45+2*50*tan30°=，则etf>N,满足要求。下弦拼接节点9N1=134.98kNN2（1）拼接角钢采用与下弦杆截面相同的2∟80×7。拼接角钢与下弦杆间连接焊缝的焊脚尺寸取。拼接头每侧的连接焊缝共有四条，按连接强度条件需要每条焊缝的计算长度拼接处弦杆端部空隙取为10mm，需要拼接角钢长度为保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度La=300mm.（2）绘制节点详图汇交于节点9的屋架各杆轴线至角钢背面的距离按表采用，腹杆与节点板间的连接焊缝尺寸按表采用。为便于工地拼