钢结构课程设计

一、设计资料1、已知条件：梯形钢屋架跨度21m，长度60m，柱距6m。冬季最低温度为－20℃，地震设计烈度为8度。采用1.5m×6m预应力混凝土大型屋面板，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1.1kN/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，混凝土标号为C30。钢材采用Q345B级，焊条采用E50型。2、屋架计算跨度：l0=21m-2×0.15m=20.7m。二、结构形式与布置屋架形式及几何尺寸如图1所示。19901350229025902890304026132864312425302864312433901507.51507.51507.51507.51507.51507.51507.5150AaceghBCDFGH15007=10500×图1根据厂房长度（60m≤60m）、跨度及荷载情况，设置两道上下弦横向水平支撑。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。在上弦平面设置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。由于l=21m30m，故在跨度中央设置一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置图如图2所示。图2(a)图2(b)图2(c)图2梯形钢屋架支撑布置（a）桁架上弦支撑布置图；（b）桁架下弦支撑图；（c）垂直支撑1—1SC—上弦支撑；XC—下弦支撑；CC—垂直支撑；GG—刚性系杆；LG—柔性系杆三、荷载计算考虑到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，取活荷载标准值0.5kN/m2。屋架沿水平投影积分的重分布的自重(包括支撑)按经验公式gk=(0.12+0.011L)kN/m2计算.跨度单位为米(m).荷载计算见表1。表1荷载计算荷载名称标准值(kN/m2)设计值(kN/m2)永久荷载大型屋面板1.41.4×1.35=1.89三盏四油防水层0.40.4×1.35=0.5420mm水泥砂浆0.02×20=0.40.4×1.35=0.54保温层0.50.5×1.35=0.675屋架各支撑自重0.12+0.011×30=0.450.45×1.35=0.608管道荷载0.10.1×1.35=0.135永久荷载总和3.354.388可变荷载屋面活荷载0.50.5×1.4=0.7积灰荷载1.11.1×1.4=1.54可变荷载总和1.62.24F=（4.388+0.7×0.7+1.54×0.9）×1.5×6=56.376KN支座反力：R=7F=7×56.376=395KN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和积灰荷载的组合值系数。（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载。全跨节点永久荷载及可变荷载为F=(4.388+2.24)×1.5×6=59.652kN（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载。全跨节点永久荷载：F1=4.388×1.5×6=39.492kN半跨可变荷载:F2=2.24×1.5×6=20.16kN（3）全跨屋架(包括支撑)自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载。全跨节点屋架自重:F3=0.608×1.5×6=5.47kN半跨节点屋面板自重及活荷载:F4=(2.24+0.5)×1.5×6=24.66kN上述计算中，（1）,（2）为使用节点活荷载情况,（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3所示。图2.1桁架计算简图(c)(b)(a)由图解法或数解法（本设计采用结构力学求解器）F=1的屋架的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨），然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果如表2。表2屋架杆件内力组合杆件名称内力系数F=1第一种组合F*①第二种组合第三种组合计算杆件内力(kN)全跨①左半跨②右半跨③F1*①+F2*②F1*①+F2*③F3*①+F4*②F3*①+F4*③上弦AB0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00BC,CD-7.472-5.310-2.162-445.720-402.134-338.670-171.816-94.187-445.72DE,EF-11.262-7.339-3.923-671.801-592.713-523.847-242.583-158.344-671.80FG,GH-12.180-6.861-5.319-726.561-619.330-588.244-235.817-197.791-726.56下弦Ab4.1003.0101.090244.573222.599183.89296.65449.306244.573Bc9.7443.6633.081581.249458.656446.923143.629129.277581.249cd11.9627.3264.636713.557620.095565.865246.091179.756713.557de11.7685.8845.884701.985583.363583.363209.470209.470701.985斜腹杆aB-7.684-5.641-1.748-458.366-417.179-338.696-181.139-85.137-458.37Bb5.8083.9601.581346.459309.203261.242129.42370.757346.459bD-4.409-2.633-1.520-263.006-227.202-204.763-89.047-61.600-263.01Dc2.7921.2221.344166.548134.897137.35745.40748.415166.548cF-1.572-0.047-1.505-93.773-63.029-92.422-9.758-45.712-93.773Fd0.328-1.0391.36719.566-7.99340.512-23.82835.50440.512dH0.7131.913-1.20042.53266.7243.96651.075-25.69266.724-25.692竖杆Aa-0.500-0.5000.000-29.826-29.826-19.746-15.065-2.735-29.826Cb-1.000-1.000.000-59.652-59.652-39.492-30.130-5.470-59.652五、杆件设计（1）上弦杆。整个上弦采用等截面，按FG、GH杆件的最大内力设计，即N=-726.56KN。上弦杆计算长度如下。在屋架平面内：为节间轴线长度，即lox=l0=1.5075m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=l1=1.5075×4=6.03m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角肢钢，短肢相并。腹杆最大内力为N=-458.366kN，查周俐俐主编《钢结构》表8-4，中间节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。设60，钢材选用Q345，查稳定系数表，可得741.0（b类截面），则需要的截面积为：234.93162310741.0106.5726mmfNA需要的回转半径为mmlioxx125.2560.51507mmlioyy100.5606030图4上弦杆截面0Ec-1.000-1.0000.000-59.652-59.652-39.492-30.130-5.470-59.652Gd-1.000-1.0000.000-59.652-59.652-39.492-30.130-5.470-59.652根据需要的A、xi、yi、查角钢规格表，选用2L160×100×10，肢背间距a=10mm,如图4，则A=5060mm2,xi=2.85cm，yi=7.7cm按所选角钢进行验算：89.10/235131010/100/b1509.852.528.51507x1501.378776030xxfyhililoyoyy满足长细比及宽厚比要求。故所选截面合适。（2）下弦杆。整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的de杆计算，则N=713.557kNmmlox3000，mmmmloy10350220700，所需截面为2202.238.23013101000557.713cmmmfNA选用2L125×80×10，因为oxoyll，故用不等肢角钢，短肢相并。见图5，查周俐俐主编《钢结构》附录14、15可得A=39.422cm23.022cm,xi=2.26cm,yi=6.11cm。按所选角钢进行验算：35074.1326.223000xoxxil；35040.1691.6110350yoyyil因此，所选截面合适。（3）端斜杆aB。杆件的轴力为N=-458.366kN，计算长度为oxlmmloy2530。图5下弦杆截面图6端杆aB截面因为lox=loy，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ixiy。选用2L1258010，可得A=39.422cm,xi=3.98cm,yi=3.31cm按所选的角钢进行验算：15057.638.392530xoxxil15044.761.332530yoyyil因xy，只需求y，查表y=0.6122，则MPaMPaANy310.918939426122.0458366因此，所选截面合适。（4）腹杆dH。此杆采用通长杆件。最大拉力：N=66.724kN最大压力：N=25.692kNdH在桁架平面内的计算长度取为mmlox2712，mmloy3390故采用等边角钢，选用2L63×5，见图7，肢背间距取10mm，查查表得A=12.282cm，xi=1.94cmyi=3.04cm。按所选角钢进行验算：1509.71394.192712xoxxil1501.511104.33390yoyyil因yx，只需求x得x=0.256，则MPaMPaANx3103.7811228256.025692拉应力为MPaMPaAN3104.354122866724因此所选截面合适。（5）竖杆CbN=-59.652kN，mmllox18328.0。mmlloy2290。由于杆件内力较小，取100，需要的回转半径为mmlioxx2.3181001832mmlioyy0.9221002290选截面的xi，yi教上述计算的xi，yi略大些。选用2L63×5，见图8，其几何特性为A=12.282cm，xi=1.94cm,yi=3.04cm,则1503.4944.191832mmilxox1503.3754.302290mmilyoy因yx，只需求x，由x查表得x=0.4768，则MPaMPaANx3108.810112284768.062127因此所选截面合适。剩下各杆件的截面选择计算结果见表3。表3屋架杆件截面选择图7腹杆dH截面图8竖杆Cb截面注：表格中凡未加特别说明的不等边角钢组合截面形式均为短边相并六、节点设计（1）下弦节点b。（见图9）各杆件的内力由表2查得。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fh和wl，然后根据wl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名称杆件编号内力（kN）计算长度(cm)截面规格截面面积（cm2)回转半径（cm）长细比容许长细比稳定系数计算应力/NA(N/mm2oxloylxiyixyxy上弦FG、GH-726.56150.756032L160×100×1067.4228.57.752.8978.311500.741