《钢结构设计》word版.doc

钢结构基本原理课程设计任务书一、课程设计的内容通过某工业厂房钢屋架的设计，培养学生综合运用所学的理论知识和专业技能，解决钢结构设计实际问题的能力。要求在老师的指导下，参考已学过的课本及有关资料，遵照国家设计规范要求和规定，按进度独立完成设计计算，并绘制钢屋架施工图。具体内容包括：进行屋架支撑布置，并画出屋架结构及支撑的布置图；选择钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目的要求；进行荷载计算、内力计算及内力组合，设计各杆件截面；对钢屋架的各个节点进行设计及验算；绘制钢屋架运送单元的施工图，包括桁架简图及材料表。二、设计规范及参考书籍1、规范（1）中华人民共和国建设部. 建筑结构制图标准（GB/T501052001）（2）中华人民共和国建设部. 房屋建筑制图统一标准（GB/T500012001）（3）中华人民共和国建设部. 建筑结构荷载规范（GB50092001）（4）中华人民共和国建设部. 钢结构设计规范（GB500172003）（5）中华人民共和国建设部. .钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）2、参考书籍（1）沈祖炎等. 钢结构基本原理，中国建筑工业出版社（2）毛德培. 钢结构，中国铁道出版社（3）王国周等. 钢结构原理与设计，清华大学出版社（4）罗邦富等. 钢结构设计计算手册（第三册），中国建筑工业出版社（5）李和华. 钢结构连接节点设计手册，中国建筑工业出版社（6）房屋建筑制图统一标准（GB/T 500012001），中国计划出版社，2002（7）建筑结构制图标准（GB/T 50105-2001），中国计划出版社，2002三、设计数据(1) 结构形式某厂房跨度为18m，总长90m，柱距6m，采用梯形钢屋架、1.56.0m预应力混凝土大型屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400400，混凝土强度等级为C30，屋面坡度为。地区计算温度高于-50C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为7度，屋架下弦标高为18m。(2) 屋架形式及选材屋架跨度为18m，屋架形式、几何尺寸及内力系数如附图所示。屋架采用的钢材及焊条为：钢，焊条为型。(3) 荷载标准值 永久荷载：屋面材料自重： 0.5 KN/m2屋架及支撑自重：按经验公式计算：0.318 KN/m2 可变荷载：屋面活荷载标准值： 雪荷载标准值： 0.6KN/m2风荷载标准值： 0.3KN/m2附 图 ： 图1：18米跨屋架几何尺寸图2：18米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值图3：18米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值三、设计完成工作要求1、计算书部分进行屋架支撑布置，画出屋架结构及支撑的布置图；选择钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目的要求；进行荷载计算、内力计算及内力组合，设计各杆件截面；设计一个下弦节点、一个上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点。2、图纸部分绘制钢屋架运送单元的施工图，包括桁架简图及材料表。要求用铅笔绘制白纸图，尺寸及标注应齐备，满足构造要求。目录第一章 设计基本资料第二章 设计计算一、屋架支撑布置2二、荷载计算及杆件内力计算41、荷载计算42、荷载组合53、内力计算6三、杆件截面设计71、节点板厚72、上弦杆73、下弦杆94、端斜杆Ba105、斜杆Bc116、中竖杆Gg12四、节点设计151、下弦节点“c”（图11）152、上弦节点“B”（图12）163、屋脊节点“G”（图13）184、跨中下弦拼接节点“g”（图14）205、支座节点“a”（图15）21六、设计施工图2425第一篇 设计资料1. 某单层单跨工业厂房，跨度18m，长度102m。2. 厂房柱距6m，钢筋混凝土柱，混凝土强度C20，上柱截面尺寸400400mm，钢屋架支承在柱顶。3. 吊车一台150T，一台20T，中级工作制桥式吊车（软钩），吊车平台标高12m。4. 荷载标准值：(1)永久荷载屋面材料自重 0.50KN/m2屋架（包括支撑）自重0.12+0.011L=0.318kN/m2(2)可变荷载屋面活载标准值 0.5 kN/m2雪荷载标准值 0.6 kN/m2风荷载标准值 0.3 kN/m25. 屋架结构形式、计算跨度及几何尺寸见图1(屋面坡度1:10)。图1：屋架形式及几何尺寸6.钢材选用Q235钢，角钢、钢板各种规格齐全，有各种类型的焊条和C级螺栓可供选用。7.钢屋架的制造、运输和安装条件：在金属结构厂制造，运往工地安装，最大运输长度16m，运输高度3.85m，工地有足够的起重安装设备。第二篇 设计计算1、 屋架支撑系统的设置屋架支撑的种类有横向支撑、纵向支撑、垂直支撑和系杆。在本设计中，屋架支撑系统设计如下：1.1 厂房柱距6m,屋架间距取为6米。1.2 在房屋两端第一个柱间各设置一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑。房屋长度较大，为增加屋盖的刚性，在长度方向正中间的柱间加设一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑，使其两端横向支撑间距小于60m，。1.3 厂房内有吊车，高度较高，为满足对房屋整体刚度的要求，设置纵向支撑，设置在屋架下弦平面。1.4 在屋架中和两端各布置一道垂直支撑。垂直支撑的形式根据高度与柱距的比值确定。在此屋架结构中，h/l=3085/6000=0.51，故取如下图垂直支撑形式。垂直支撑图样1.5 在屋架上弦平面，屋架跨中和两端各布置一道通长的刚性系杆，其他结点设通长的柔性系杆；下弦平面，仅在跨中和两端布置通长的柔性系杆。屋架支撑系统设置如图2所示。二、杆件内力的计算先定出屋架所有杆件的尺寸，画出屋架示意图如图3。图3 屋架几何尺寸图2.1 荷载计算恒载设计值=恒载标准值1.2活载设计值=活载标准值1.4(1) 永久荷载设计值屋面材料自重 屋架（包括支撑）自重 合计 0.9816kN/m2(2) 可变荷载设计值由于积雪时人不大可能大量拥上屋面等原因，对屋面均布可变荷载和雪荷载，只取其较大者。对于梯形屋架，屋面坡度小于30，风荷载不参与内力组合故可不考虑。屋面活载： 雪荷载： 合计 2.2 荷载组合(1) 使用阶段 a.全跨永久荷载+全跨可变荷载 结点荷载设计值： a种荷载组合屋架受力图 b.全跨永久荷载+半跨可变荷载 节点荷载设计值： b种荷载组合屋架受力图(2) 施工阶段 全跨屋架（包括支撑）自重+半跨屋面材料+半跨活载 节点荷载设计值： 第三种荷载组合的设计值比第一、二种荷载组合都要小，所以不起控制作用。2.3 内力计算各种荷载组合下，屋架杆件内力计算，计算P=1分别作用在左右跨、全跨时个杆件产生的内力，得到单位节点荷载作用下各杆的内力系数，其他荷载组合可按下表进行杆件内力的计算，只有当左右半跨内力系数的正负号不同时，第二种荷载组合才可能起控制作用。屋架杆件内力组合表杆件名称内力系数（P=1）第一种组合第二种组合计算内力全跨左半跨右半跨P=20.1744kNP1=20.1744kNP2=8.8344kNPP1P2P1P2KNKNKNKN上弦杆AB0000000BC-6.221-4.371-1.850-125.50-125.50CD-6.221-4.371-1.850-125.50-125.50DE-8.993-5.636-3.357-181.43-181.43EF-8.993-5.636-3.357-181.43-181.43FG-9.102-4.551-4.551-183.63-183.63下弦杆ac3.4702.5370.93370.0170.01ce7.9625.3252.637160.63160.63eg9.2795.3123.967187.20187.20斜腹杆aB-6.502-4.754-1.748-131.17-131.17Bc4.7393.1581.58195.6195.61cD-3.382-1.862-1.520-68.23-68.23De1.8840.5401.34438.0138.01eF-0.690+0.615-1.305-14.000.88-20.89-20.89Fg-0.462-1.6321.170-9.32-22.599.19-22.59/9.19竖腹杆Aa-0.5-0.50-10.09-10.09Cc-1-10-20.17-20.17Ee-1-10-20.17-20.17Gg+0.812+0.406+0.40616.3816.38三、杆件截面设计图4 屋架杆件内力图3.1 节点板厚选择支座斜杆最大内力设计值N=-131.17KN，经查表：选取中间节点板厚t=8mm，支座结点板厚t=8mm。3.2 上弦杆（压弯构件）（1）整个上弦杆采用同一截面，免去不同截面杆件间的拼接。截面按受力最大的部位F-G节间选用，最大内力为：计算长度：屋架平面内取节点中心间轴线长度： l0x =l=150.8cm屋架平面外根据屋盖支撑布置和上弦杆内力变化，取 l0y =2l=301.6cm截面选择：由于l0y =2l0x，选用不等边角钢，短边相连。设=65，查附表2-5得=0.78，需要的截面特性：A=N/f=183630/(0.78215)=10.95cmix= l0x /=150.8/65=2.32cmiy= l0y /=301.6/65=4.64cm根据需要的A、ix、iy，查型钢表（附表5-14），选用2L100808不等边角钢，短边相连，截面特性为：图5 上弦截面A=27.888 cm，ix =2.37cm，iy =4.66cm截面验算：x= l0x /ix=150.8/2.37=63.6y= l0y /iy=301.6/4.66=64.7=150由=64.2，查附表2-5得 =0.783=N/A=183630/(0.78334.334100)=84.09N/mm2215N/mm2所选截面满足要求。（2）上弦杆按压弯构件验算因为该屋架是无檩，在实际工作中，上弦杆有节间荷载，除计算上弦杆的轴心压力外，还应计算上弦杆的局部弯矩实际上弦杆受力形式如图6图6 局部弯矩计算简图均布荷载等于恒载与活载之和：对于DF杆，N=-181.43，M=2.27KN*m，轴力和弯矩都较大，所以我们对DF杆按压弯构件进行检算。截面强度检验：截面强度满足要求。杆件在弯矩作用平面内稳定性检验： DF杆在弯矩作用平面内稳定性满足要求。杆件在弯矩作用平面外稳定性检验：检验合格。上弦杆按2L100808设置满足压弯构件的受力要求。3.3 下弦杆（轴心受拉构件）整榀屋架下弦杆采用等截面。截面按受力最大的部位e-g节间选用，最大内力为：计算长度：，（因下弦有纵向支撑和系杆）截面选择：根据所需截面特性，查附表2.1选用270455不等边角钢，且短肢相连。图7 下弦杆截面截面特性为:截面验算： 故下弦杆满足要求。3.4 腹杆（轴心受力构件）(1) 端斜杆aB计算内力：N=-131.17KN计算长度：截面选择：设，查轴心受力稳定系数表，。需要的截面特性：查型钢表，初选2L100806，短肢相并，见图8。图8 端斜杆截面A=21.274cm2， =2.40cm， =4.61cm。截面验算： 查附表1.20得：，故端斜杆aB符合要求。(2) 斜腹杆Bc计算内力：N=95.61KN计算长度： 截面选择：需要截面积选取等边角钢2505，截面特性：图9斜腹杆Bc截面截面验算： 因此所选截面满足要求。 (4) 竖腹杆Gg计算内力：N=-16.38KN计算长度： 截面选择：需要截面面积查型钢表，中竖杆Gg选用 2455，并采用十字形截面，见图10。图10 中竖杆GgA=8.584cm2，1.72cm。截面验算：，所选截面满足要求。（5） 其他腹杆 其他腹杆因为内力都较小，考虑不宜采用过多不同规格的角钢，故此处也选用2565其余各杆件截面选择结果见表2。表2 屋架杆件截面选择表杆件计算内力（kN）截面规格截面面积（cm2）计算长度（cm）回转半径（cm）长细比容许长细比稳定系数应力（N/mm2）名称编号上弦杆所有-183.6310080827.888150.8301.62.374.6664.71500.771185.39下弦杆所有187.207045511.2183008851.283.49234.37350166.87腹杆Aa-10.094558.584159.21991.372.18116.21500.461625.46Ba-131.1710080621.2742532532.404.61105.41500.5701108.15Bc95.6156510.83209261.31.722.62121.535088.28Cc-20.1756510.83183.22291.722.62106.51500.588631.64Dc-68.2356510.83229.1286.41.722.62133.21500.3736168.45De38.0156510.83229.1286.41.722.62133.235035.10Ee-20.1756510.83207.22591.722.62120.51500.508636.62Fe-20.8970513.75249.9312.42.163.24114.61500.467241.14Fg-22.5970513.75249.9312.42.163.24114.61500.467243.40Gg16.384558.584=260.1=1.72151.220019.08四、节点设计重点设计支座节点“a”、上弦节点“B”、下弦节点“c”、屋脊节点“G”、下弦中央节点“g”五个典型节点（图9），其余节点设计类同。用E43焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值 ，各杆件内力由表2查得，最小焊缝长度不应小于。图11：杆件内力（kN）1、下弦节点“c”（图12）先计算腹杆焊缝长度，然后定出节点板的形状和尺寸，最后计算下弦杆与节点板之间的连接焊缝。（1）Bc杆焊缝计算：N=95.61kN，Bc杆的截面形式为2565 取h=5mm。因力较小，采用两侧焊缝。所需焊缝长度为：肢背：，取。肢尖：，取。（2）Dc杆焊缝计算：N=-68.23kN，Dc杆的截面形式为2565因力较小，同样采用两侧焊缝，取h=5mm。所需焊缝长度为：肢背：，取。肢尖：，取。（3）Cc杆焊缝计算：N = -20.17kN，Cc杆的截面形式为2565。因力较小，同样采用两侧焊缝，取h=5mm。所需焊缝长度为：肢背：，按构造要求，取。肢尖：，按构造要求，取。（4）下弦杆焊缝验算：下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦杆内力差N=160.63-70.0190.62kN。下弦杆的截面形式为270454取。肢背焊缝验算：肢尖焊缝验算：2、上弦节根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差进行节点放样，得节点板尺寸为300250，如图12示。图12：下弦节点“c”上弦节点“B”（图13）（1）Bc杆焊缝计算与下弦节点“c”相同。（2）Ba杆焊缝计算：N=-131.17kN，Ba杆的截面形式为100806取焊脚尺寸，肢背：，取。肢尖：，取。（3）上弦杆焊缝验算：为了便于在上弦杆上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘缩进角钢肢背的尺寸为，取。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可视为两条焊脚为的角焊缝。由于焊缝质量不易保证，焊缝的强度设计值应乘以系数0.8。节点板放样尺寸为360300，如图13示。图13：上弦节点“B”设肢尖焊缝，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦杆垂直。肢背焊缝验算：尖焊缝验算：3、屋脊节点“G”（图14）（1）上弦杆拼接计算：上弦杆常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，并便于施焊，需将拼接角钢的棱角削圆并切去垂直肢的一部分宽度：=t+hf+5mm=8+6+5=19mm，拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。拼接接头一侧的连接焊缝长度可按上弦杆内力计算，N=-183.63kN，设，每条焊缝所需长度为：取拼接角钢长度（2）上弦杆与节点板连接焊缝计算：上弦杆与节点板之间槽焊承受节点荷载，强度足够，计算略。上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15%计算。设，节点板长度为250mm，节点一侧的焊缝长度为。偏心距，取。焊缝应力验算：（3）中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=16.38kN，此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=5mm，则焊缝长度取50mm。（4）节点板尺寸：方法同前，如图14所示。图14：屋脊节点“G”4、跨中下弦拼接节点“g”（图15）（1）下弦杆拼接计算：下弦杆采用同号角钢，并采用削圆棱角和切去垂直肢宽度等构造处理