钢结构课程设计计算书

1、钢结构课程设计班 级： * 姓 名： * 学 号： * 指导老师： * 2011年 * 月 *日 目录一 设计资料 8.（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）一、设计资料1、题号*的已知条件：梯形钢屋架跨度27m，长度96m，柱距6m。该车间内设有两台200/50 kn中级工作制吊车，轨顶标高为8.000 m。冬季最低温度为20，地震设计烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g。采用1.5m6m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i1/16。屋面活荷载标准值为0.7 kn/m2，雪荷

2、载标准值为0.3 kn/m2，积灰荷载标准值为0.6 kn/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为400 mm400 mm，混凝土标号为c20。钢材采用q235b级，焊条采用e43型。2、屋架计算跨度：lo=27-20.15=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ho=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。 图1-1梯形屋架的形状和几何尺寸根据厂房长度（96m60m）、跨

3、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1-1 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0.7 kn/m2进行计算。屋架沿水平

4、投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式gk=(0.12+0.011l)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1.41.41.35=1.89三毡四油防水层0.40.41.35=0.54找平层（厚20mm）0.0220=0.40.41.35=0.54100mm厚泡沫混凝土保温层0.16=0.60.61.35=0.81屋架和支撑自重0.12+0.01127=0.4170.4171.35=0.563管道荷载0.10. 11

5、.35=0.135永久荷载总和3.1974.316可变荷载屋面活荷载0.70.71.4=0.98可变荷载总和0.70.98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=(4.316+0.98) 1.56=47.664 kn（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=4.3161.56=39.844 kn半跨节点可变荷载为 f2=0.981.56=8.82kn（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=0.5631.56=5.067 kn半跨节点屋面板自重及活荷载为 f4=（1.89+0.7）

6、1.56= 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） （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

7、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=31.503=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=60，钢材采用q235，查附表12-2稳定系数表，可得=0.807（由双角钢组 2l160x100 x12 图1-6 上弦杆截面表1-5成的t形和十字形截面均属于b类），则需要的截面积为 mm需要的回转半径为 根据需要的a、ix、iy查附录14、附录15，选用 2l160x100 x12

8、，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： 由于，由查附表12-2得，则 mpa4693.93mm2,ix=2.846cm,iy=7.7cm。 2l16010010 图1-7 下弦杆截面按所选的角钢进行验算：=350 =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ixiy。选用2l1258010，如图1-8所示。则查附录14、附录15可得a=3942mm2，ix=3.98cm，i

9、y=3.31cm。 2l1258010 图1-8 端斜杆截面按所选角钢进行验算： 因，则由查附表12-2得，则 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=0.83056=2444.8mm，l0y=3056mm 选用2l634，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： 因，则由查附表12-2得，则 mpa215mpa因此，所选截面合适。 2l634 图1-9 腹杆截面 5.竖杆（42）。杆件轴力为：n=-47.664kn 计

10、算长度l0x=0.8l=0.82750=2200mm，l0y=2750mm 选用2l564，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： 因，则由查附表12-2得，则 mpa215mpa因此，所选截面合适。 2l564 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。 表1-11 表1-11 表1-11六、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

11、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= 10 mm，肢尖焊缝hf2= 6 mm，（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：=0.7n/2helw=0.7126310/20.710（114-20）=67.186mpa160mpa 故满足要求。肢尖：=0.3n/2helw=0.3126310/20.76（100-12）=11.6mpa160mpa 故满足要求。 由于（39）（40）杆的内力很小

12、，焊缝尺寸可按构造确定，取hf= 4 mm。 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325mm265mm。 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 =0.75n/2helw=0.7596600/20.76（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）。

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= 6 mm，（最好根据构造要求选定焊角尺寸），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：=0.7n/2helw=0.7193740/20.714（155-28）=54.48mpa160mpa 故满足要求。肢尖：=0.3n/2helw=0.3193740/20.76（1156-12）=48mpa160mpa 故满足要求。设计节点板的尺寸为310mm295mm为了便于在上弦杆上搁置屋面板，节点板的上边

14、缘可以缩进上肢背 8 mm。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n=982.789816.36= 166.43 kn，偏心距e= 100-25=75mm，偏心力矩m=ne=166.430.075= 12.78knm，按构造要求取肢尖hf2= 6mm，则上弦杆肢尖角焊缝的剪应力为 f=166430/（0.726298）=66.5mpa由偏心力矩引起的正应力为 f=6m/2h

15、elw2=612780000/（20.762982）=102.8mpa则焊缝强度为 160mpa所以满足强度要求。该节点如图1-13所示。 图1-13 上弦节点“22”（3）屋脊节点“30”（见图1-14 ）。弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与弦杆之间能够密合，病便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去直肢的一部分宽度（一般为t+hf+5mm）。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板开补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。 设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝hf= 10mm。焊缝计算长度为（一条焊缝） lw=1019066/（40.710160）=227.5mm 拼接角钢的长度ls=

16、2（lw+2he）+弦杆杆端空隙，拼接角钢长度取520mm 上弦与节点板之间的槽焊缝，假定承受节点荷载，焊缝验算方法与节点“22”处槽焊缝验算方法类似，此处验算过程略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，并考虑此内力产生的弯矩。设肢尖焊缝hf= 10mm ，取节点长度为 400mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为 lw=400/2-10-20=170mm焊缝应力为 f=0.151019066/（0.7210170）=64.2mpa f=6m/2helw2=60（20.7101702）=170mpa 160mpa因此，焊缝强度满足要求。 该节点如图1-

17、14所示。因屋架的跨度很大，需将屋架分为两个运输单元，在屋脊 节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦杆、斜杆和竖杆与节点板的连接用工厂焊缝，而右半边的上弦杆、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。 腹杆与节点板连接焊缝的计算方法与以上几个节点相同，在此不再赘述。 图1-14 屋脊节点“30”(4)支座节点“1”见图1- 15 。下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距取100mm。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度去 14 mm。1）支座底板的计算。支座反力为r=428899n。支座底板的平面尺寸采用280mm400mm，如果仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压

18、面积为280mm360mm=100800mm2。验算柱顶混凝土的抗压强度为 =r/an=428899/100800=4.25mpac=12.5mpa式中c混凝土抗压强度的设计值，对c25混凝土，c=12.5mpa。 支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为 mmax=2qa22 式中 q底板下的平均应力，即q= 4.25mpaa2两边支承之间的对角线长度，即a2=2系数，有b2/a2查表确定，b2为两边支承的相交点到对角线a2的垂直距离。由此得 b2=133173/218.2=105.4mm b2/a2=0.483查表得2=0.0532，则单位宽度的最大弯矩为mmax=2qa22=0.05324.25218.22=10764.9n.mm 底板厚度为 故取t=20mm2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算。加劲肋与节点板的连接计算与牛腿焊缝相似，见图1-16。 图1-16 加劲肋计算简图偏于安全地假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的1/4，即 428899/4=107224.75n，则焊缝内力为 v=107224.75 m=107244.7565=6969610n.mm设焊缝焊脚hf= 6mm ，焊缝计算长度 lw=640-20-12=608mm，则焊缝应力为160