钢结构课程设计正文

钢结构课程设计专业：土建系班级：08级建工（2）班姓名：邵文凡2目录一设计资料……………………………………………………..（3）二结构形式与布置……………………………………………..（3）三荷载计算……………………………………………………..（4）四内力计算……………………………………………………..（5）五杆件设计…………………………………………………….（6）.六节点设计…………………………………………………….（14）3一、设计资料1、根据任务书的已知条件：梯形钢屋架跨度27m，长度90m，柱距6m。该车间内设有两台20/5t中级工作制吊车，两端铰支于钢筋混凝土阶梯柱上，上柱采用截面为400mm×400mm，混凝土标号为C30。屋面采用1.5m×6m预应力混凝土大型屋面板，板面以上依次为：三毡四油防水层、20mm厚水泥砂浆找平层、80mm厚泡沫混凝土保温层，卷材屋面，屋面坡度i＝1/10。屋面活荷载标准值为0.5kN/m2，雪荷载标准值为0.4kN/m2，积灰荷载标准值为0.3kN/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱钢材采用Q235B级，焊条采用E43型。2、屋架计算跨度：lo=27-2×0.15=26.7m。3、跨中及端部高度：本次设计为无檩体系屋盖，采用缓坡梯形屋架，取屋架在27m轴线处的端部高度h’o=2000mm，屋架的中间高度h=2844mm，屋架在26.7m处，两端高度为ho=2005m。屋架跨中起拱按lo/500考虑，取53mm。二、结构形式与布置屋架型式及几何尺寸如图1-1所示。20051508150815091508150815081508150813500229025903040334012951520260825352869208720872249224918832027150828503000300045002859325115013501990AKJHGFEgedcfDCBba101图1-1梯形屋架的形状和几何尺寸根据厂房长度（90m60m）、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间，该水平支撑的规格与中间柱间支撑的规格有所不同。在上弦平面设置了刚性系杆与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载。在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端各设一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置如图1-2所示。垂直支撑1-14垂直支撑2-2桁架上弦支撑布置图桁架下弦支撑布置图图1-2梯形屋架支撑布置三、荷载计算5屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准值进行计算。因此，取屋面活荷载0.3kN/m2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gk=(0.12+0.011×l)kN/m2计算。荷载计算见表1-3：设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合，在组合时，偏于安全不考虑屋面活荷载的组合值系数。表1-3荷载计算荷载名称标准值（kN/m2）设计值（kN/m2）永久荷载预应力混泥土大型屋面板1.41.4×1.35=1.89三毡四油防水层0.40.4×1.35=0.54找平层（厚20mm）0.02×20=0.40.4×1.35=0.54100mm厚泡沫混凝土保温层0.1×8=0.80.8×1.35=1.08屋架和支撑自重0.12+0.011×27=0.4170.417×1.35=0.563永久荷载总和3.4174.613可变荷载屋面活荷载0.50.5×1.4=0.7可变荷载总和0.50.7全跨节点永久荷载+全跨可变荷载。全跨节点永久荷载及全跨可变荷载为F=(4.613+0.7)×1.5×6=47.817kN（1）全跨节点永久荷载+半跨节点可变荷载。全跨节点永久荷载为F1=4.613×1.5×6=41.517kN半跨节点可变荷载为F2=0.7×1.5×6=6.3kN（2）全跨节点屋架（包括支撑）自重+半跨节点屋面板自重+半跨屋面活荷载。全跨节点屋架自重为F3=0.563×1.5×6=5.067kN半跨节点屋面板自重及活荷载为F4=（1.89+0.7）×1.5×6=23.31kN上面的计算中，（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。四、内力计算屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图1-4所示。（a）6（b）（c）图1-4屋架计算简图由图解法或数解法得F=1的屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨），然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果如表1-5所示。五、杆件设计1.上弦杆。整个上弦杆采用等截面，按（21）、（22）杆件的最大设计内力设计，即N=-1019.066KN。上弦杆计算长度计算如下。在屋架平面内：为节间轴线长度，即lox=l0=1.503cm在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据支撑布置和内力变化情况，取loy为支撑点间的距离，即loy=3×1.503=4.509m根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并，如1-6图所示。（注：腹杆最大内力N=-482.369KN，中间板厚度选用10mm，支座节点板选用12mm。）设λ=60，钢材采用Q235，查附表12-2稳定系数表，可得φ=0.807（由双角钢组72L160x100x12图1-6上弦杆截面表1-58成的T形和十字形截面均属于b类），则需要的截面积为4.5873215807.01019066fNAmm2需要的回转半径为cmloxix505.2603.150cmloyiy515.7609.450根据需要的A、ix、iy查附录14、附录15，选用2L160x100x12，肢背间距a=10mm则由附录14查的ix=28.2mm；由附录15查的A=6011mm2，iy=77.5mm。按所选角钢进行验算：][3.53.82.23.150ixloxx][5.5875.79.450iyloyy9由于yx，由y查附表12-2得817.0，则5.2076011817.01019066ANMpa215Mpa所以所选截面合适。2.下弦杆。整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的（4）杆计算，则N=1009.15KN。l0x=3000mm,l0y=26700/2=13350mm(因跨中有通长系杆)，所需截面面积为A=N/ƒ=1009195/215=4693.93mm2选用2L160×100×10，如图1-7所示。查附录14、附录15可得A=5063mm24693.93mm2,ix=2.846cm,iy=7.7cm。2L160×100×10图1-7下弦杆截面按所选的角钢进行验算：][4.105.46.283000ixloxx=350][4.1737713350iyloyy=350因此，所选截面合适。3.端斜杆（31）。杆件轴力为N=482.369KN，计算长度l0x=l0y=2496mm。因为l0x=l0y，故采用不等边角钢，长肢相并，使ix≈iy。选用2L125×80×10，如图1-8所示。则查附录14、附录15可得A=3942mm2，ix=3.98cm，iy=3.31cm。102L125×80×10图1-8端斜杆截面按所选角钢进行验算：][7.62.98.36.249ixloxx][4.7531.36.249iyloyy因yx，则由y查附表12-2得7176.0，则5.17039427176.0482369ANMpa215Mpa因此，所选截面合适。4.腹杆（40）。最大拉力：N=9.101KN最大压力：N=-61.715KN计算长度l0x=0.8l=0.8×3056=2444.8mm，l0y=3056mm选用2L63×4，如图1-9所示，查附录13可得A=996mm2，ix=1.96cm，iy=2.94cm。按所选角钢进行验算：][7.124.96.148.244ixloxx][10394.26.305iyloyy因yx，则由x查附表12-2得4125.0，则5.1509964125.061715ANMpa215Mpa因此，所选截面合适。112L63×4图1-9腹杆截面5.竖杆（42）。杆件轴力为：N=-47.664KN计算长度l0x=0.8l=0.8×2750=2200mm，l0y=2750mm选用2L56×4，如图1-10所示，查附录13可得A=878mm2，ix=1.73cm，iy=2.67cm。按所选角钢进行验算：][2.127.73.1220ixloxx][10367.2275iyloyy因yx，则由x查附表12-2得401.0，则4.135878401.047664ANMpa215Mpa因此，所选截面合适。2L56×4图1-10竖杆截面在此，其他各杆件的截面选择计算过程不再一一列出，现将计算结果列于表1-11。12表1-1113表1-1114表1-1115六、节点设计（1）下弦节点“4”（见图1-12）。各杆件的内力由表1-5查的。设计步骤：由腹杆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l=lw+2hf的大小按比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。采用E43型焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ffw=160Mpa。设“(38)”杆的肢背焊缝hf1=10mm，肢尖焊缝hf2=6mm，（最好根据构造要求选定焊角尺寸），肢背的焊缝长度为114mm，肢尖的焊缝长度为100mm（均为满焊）。则验算如下：肢背：σ=0.7N/2helw=0.7×126310/[2×0.7×10×（114-20）]=67.186MPa160MPa故满足要求。肢尖：σ=0.3N/2helw=0.3×126310/[2×0.7×6×（100-12）]=11.6MPa160MPa故满足要求。由于（39）（40）杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf=4mm。根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为325mm×265mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为325mm（满焊），hf=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差N=1009.195–913.314=96.6kN，受力较大的肢背处的焊缝应力为σ=0.75N/2helw=0.75×96600/[2×0.7×6×（325-12）]=28.28MPa160MPa故满足要求。因此，焊缝强度满足要求。该节点如图1-12所示。图1-12下弦节点“4”（2）上弦节点“22”（见图1-13）。“（38）”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“4”相同。“（37）”杆与节点板的焊缝尺寸计算同上。设“(37)”杆的肢背焊缝hf1=14mm，肢尖焊缝hf2=6mm，（最好根据构造要求选16定焊角尺寸），肢背的焊缝长度为155mm，肢尖的焊缝长度为156mm（均为满焊）。则验算如下：肢背：σ=0.7N/2helw=0.7×193740/[2×0.7×14×（155-28）]=54.48MPa160MPa故满足要求。肢尖：σ=0.3N/2helw=0.3×193740/[2×0.7×6×（1156-12）]=48MPa160MPa故满足要求。设计节点板的尺寸为310mm×295mm为了便于在上弦杆上搁置屋面板，节点板的上边缘可以缩进上肢背8mm。采用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，槽焊缝的强度设计值乘以0.8的折减系数。计算时可以略去屋架上弦坡度的影响，并考虑到P对槽焊缝长度中点的偏心距较小，所以略去由此偏心引起的弯矩。上弦肢背槽焊缝内的应力不用验算。肢尖焊缝承受弦杆内力差ΔN=982.789–816.36=166.43kN，偏心