华科钢结构课程设计(90分)

1、钢结构设计原理课程设计 30m厂房钢屋架设计 目 录1、 设计资料12、 结构形式和布置13、 荷载计算34、 内力计算55、 杆件设计65.1.上弦杆65.2.下弦杆75.3 端斜杆aB85.4 腹杆eg-gk85.5 腹杆Bb、bD、Dc、cF、Fd、dH、He、gI95.6竖杆Ie136、 节点设计14 （1）下弦节点“b”14 （2）下弦节点“c”15 （3）下弦节点“d”16 （4）下弦节点“e”17 （5）上弦节点“B”18 （6）节点“g”20 （7）屋脊节点“K”21 （8）支座节点“a”227、 填板设计241、 设计资料某车间跨度为30m，厂房总长度102m，柱距6m，车间

2、内设有两台50/10t中级工作制软钩桥式吊车，地区计算温度高于-20，无侵蚀性介质，地震设防烈度为6度，屋架下弦标高为18m；采用1.5×6 m预应力钢筋混凝土大型屋面板，级防水，卷材屋面，桁架采用梯形钢桁架，两端铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面尺寸为450×450mm，混凝土强度等级为C25。屋架采用的钢材及焊条为：Q235B钢，焊条为E43型。屋面坡度，端部高度为1.98米。荷载（标准值）：永久荷载：改性沥青防水层 0.4kN/m220厚1:2.5水泥砂浆找平层 0.4kN/m2150厚加气混凝土保温层 0.9kN/m2预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝） 1.4kN/m2

3、悬挂管道 0.10N/m2屋架和支撑自重为（0.120+0.011L）kN/m2可变荷载基本风压： 0.40 kN/m2基本雪压：（不与活荷载同时考虑） 0.5kN/m2积灰荷载 0.7kN/m2不上人屋面活荷载 0.7kN/m2（可变荷载可按水平投影面积计算）桁架的计算跨度为：在30m轴线处端部高度： 桁架的中间高度： 在29.7m处的端部高度： 桁架的跨中起拱60mm（=L/500）。查表得：拉杆容许长细比，压杆容许长细比。2、 结构形式和布置桁架形式及几何尺寸如图所示。0 图1 桁架形式及几何尺寸桁架支撑布置如图2所示。 图2 桁架支撑布置 符号说明：SC-上弦支撑；XC-下弦支撑；CC

4、-垂直支撑； GG-刚性系杆；LG-柔性系杆3、 荷载计算沿屋面斜面分布的永久荷载应乘以换算成沿水平投影的分布荷载。屋架和支撑的自重按经验公式计算（L为跨度，单位为m）。标准永久荷载：改性沥青防水层 20厚1:2.5水泥砂浆找平层 150厚加气混凝土保温层 预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝） 悬挂管道 屋架和支撑自重 共 3.6609kN/m2 标准可变荷载基本雪压不与屋面活荷载同时考虑，由数据知，屋面活荷载大于基本雪压，故取屋面活荷载计算。基本风压： 0.4kN/m2积灰荷载： 0.7kN/m2不上人屋面活荷载： 0.7kN/m2设计桁架时，应考虑以下三种荷载组合：3.1.全跨永久荷载+全跨

5、可变荷载（按永久荷载为主控制的组合）全跨节点荷载设计值：3.2.全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载设计值：对结构不利时：对结构有利时：半跨节点可变荷载设计值：3.3.全跨屋架与支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载全跨节点桁架自重设计值：半跨节点屋面板自重及活载设计值： 图3 桁架计算简图4、 内力计算 由结构力学求解器计算出的桁架各杆件的内力系数，内力系数计算简图如图所示：然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表1。表1.桁架杆件内力组合表杆件名称内力系数第一种组合F×第二种组合第三种组合计算杆件内力全跨左半跨右半跨F1.i×+F1.i×+F

6、3.i×+F3.i×+F2.i×F2.i×F4×F4×上弦AB0000.00 00000BC、CD-11.6-8.41-3.2-720.59 -720.59 DE、EF-18.95-13.06-5.89-1177.17 -1177.17 FG、GH-22.71-14.63-8.09-1410.75 -1410.75 HI-23.82-13.91-9.91-1479.70 -1479.70 IJ、JK-24.32-14.42-9.91-1510.76 -1510.76 下弦ab6.434.751.68399.43 399.43 bc15

7、.7411.144.6977.77 977.77 cd21.1314.127.021312.60 1312.60 de23.4714.4791457.96 1457.96 ef22.811.411.41416.34 1416.34 斜腹杆aB-11.47-8.48-2.99-712.52 -712.52 Bb9.166.472.69569.02 569.02 bD-7.75-5.12-2.62-481.43 -481.43 Dc5.833.472.36362.16 362.16 cF-4.51-2.22-2.29-280.16 -280.16 Fd2.990.912.08185.74 185.

8、74 dH-1.80.24-2.03-111.82 -75.83-115.8732-1.54-57.3462-115.87 -1.54 He0.56-1.31.8634.79 -9.88857.7192-28.8647.25-28.86 57.72eg1.373.62-2.2585.10 133.0921.2593.32-48.32-48.32 133.09gK2.114.36-2.25131.07 170.7654.16114.63-45.32-45.32 170.76gI0.680.68042.24 42.2445.03竖杆Aa-0.5-0.50-31.06-31.06Cb、Ec-1.06

9、-1.040-65.85-65.85Gd、Jg-1-10-62.12-62.12Ie-1.5-1.50-93.18-93.18Kf000005、 杆件设计5.1.上弦杆整个上弦杆采用等截面，按上弦杆中内力最大值设计。 N=1510.76kN=1510760N(压力)上弦杆的计算长度：在桁架平面内为节间轴线长度，lox=1505mm在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取 loy=3×1505=4515mm截面选用两个不等肢的角钢，短肢相并。腹杆最大内力为N=712.52kN,查表（课本P336，表9.6.4）得，中间节点板厚度选用14mm，支座节点板厚度用16mm。设，查表（课本

10、P407,附录4）得。需要截面面积： 需要的回转半径：根据计算所得的查角钢规格表（课本附录8），选用2200×125×14，A=8773mm2，ix=35.44mm，iy=97.3mm，宽厚比为14.29，按所选角钢进行验算：截面在x和y平面皆属于b类，由于55.36>42.47，只求y即可。查表得y=0.840。所选截面符合要求。5.2.下弦杆整个下弦杆采用等截面，按下弦杆中内力最大值设计。N=1457.96kN=1457960N(拉力)下弦杆的计算长度： 在桁架平面内为节间轴线长度， lox=3000mm在桁架平面外， loy=14850mm需要截面面积：查角钢规

11、格表（课本附录8），选用2200×125×14，A=8773mm2，ix=35.44mm，iy=97.3mm，按所选角钢进行验算：考虑下弦有栓孔削弱，下弦净截面面积取7000mm2计算所选截面符合要求。5.3 端斜杆aB杆件轴力： 计算长度。因为，故采用不等肢角钢，长肢相并，使。选用2140×90×14，A=60.91cm2，ix=4.42cm,iy=3.89cm,b2/t=90/14=6.43。 因为 b2/t=6.43<0.48loy/b2=0.48×2547mm/90mm=13.58所以 因，只求， 所需界面合适。5.4 腹杆eg-

12、gk此杆在g节点处不断开，采用通长杆件。最大拉力：，另一段最大压力：，另一段再分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距： 在桁架平面外的计算长度按书上公式（9.6.3）计算： 选用270×5，由附录8得： ， 因为 所以 查表得 拉应力： 所需截面合适。5.5 腹杆Bb、bD、Dc、cF、Fd、dH、He、gIBb杆：拉力，,，选择二等边角钢相并。，选用275×10，截面几何特性： >2646.6mm2 ix=2.26cm , iy=3.69cm 所需截面合适。bD杆：压力,选用290×10，由附录8得： 因为 所以 所需截面合适。Dc杆：拉

13、力，,，选择二等边角钢相并。，选用275×10，截面几何特性： >1684.47mm2 ix=2.26cm , iy=3.69cm 所需截面合适。cF杆：压力,选用290×10，由附录8得： 因为 所以 因 ，只求， 所需截面合适。Fd杆：拉力，,，选择二等边角钢相并。，选用250×5，截面几何特性： >863.9mm2 ix=1.53cm , iy=2.61cm 所需截面合适。dH杆：压力,选用290×6，由附录8得： 因为 所以 因 ，只求， 所需截面合适。He杆： 压力，,，节点板厚度选用14mm.设，查附录4得需要截面面积： 需要的回

14、转半径： 根据计算所得的查角钢规格表（课本附录8），选用290×6，A=2127mm2，ix=27.9mm，iy=42.0mm，宽厚比b/t=15，按所选角钢进行验算： 因为 所以 因 ，只求， 拉应力： 所需截面合适。gI杆：拉力，,，选择二等边角钢相并。，选用250×5，截面几何特性： >209.44mm2 ix=1.53cm , iy=2.61cm 所需截面合适。5.6竖杆Ie 所有竖杆采用等截面，按竖杆中内力最大值设计。N=93.18kN=93180N(压力)上弦杆的计算长度：lox=0.8l=0.8×3000mm=2400mm,loy=l=3000

15、mm由于杆件内力较小，按=150计算，所需的回转半径为：根据计算所得的查角钢规格表（课本附录8），选用263×5，A=1229mm2，ix=19.4mm，iy=31.2mm，宽厚比b/t=12.6，按所选角钢进行验算：截面在x和y平面皆属于b类，由于123.7>99.4，只求x即可。查表得x=0.418。所选截面符合要求。所有杆件计算结果列于下表中：表2.杆件截面选择表杆件名称计算杆件内力截面规格连接方式上弦AB02200×125×14短肢相并BC、CD-720.59DE、EF-1177.17FG、GH-1410.75HI-1479.7IJ、JK-1510.

16、76下弦ab399.432200×125×14短肢相并bc977.77cd1312.6de1457.96ef1416.34斜腹杆aB-712.522140×90×14长肢相并bB569.02275×10bD-481.43290×10Dc362.16275×10cF-280.16290×10Fd185.74250×5dH-115.87290×6He57.72290×6-28.86eg133.09270×5-48.32gK170.76270×5-45.32gI45.03

17、250×5竖杆Aa-31.06263×5Cb、Ec-65.85Gd、Jg-62.12Ie-93.18Kf0十字形6、 节点设计（1）下弦节点“b” 图17 下弦节点“b” 用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝分别为8mm和6mm，则所需的焊缝长度为：“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按照构造确定，取。 根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有建徐以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413mm498mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为49.8cm, hf=6m

18、m。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差,受力较大的肢背处的焊缝应力为：焊缝强度满足要求。（2）下弦节点“c” 图18 下弦节点c 用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。设“Dc”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：设“cF”杆的肢背和肢尖焊缝分别为8mm和6mm，则所需的焊缝长度为：“Ec”杆的内力很小，焊缝尺寸可按照构造确定，取。根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有建徐以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345mm412mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为41.2cm, hf=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差,受力较大的肢背处的焊缝应力

19、为：焊缝强度满足要求。（3）下弦节点“d” 图19 下弦节点d 用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。设“Fd”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：设“Hd”杆的肢背和肢尖焊缝分别为8mm和6mm，则所需的焊缝长度为：“Gd”杆的内力很小，焊缝尺寸可按照构造确定，取。根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有建徐以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290mm330mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为33cm, hf=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差,受力较大的肢背处的焊缝应力为：焊缝强度满足要求。（4）下弦节点“e” 图20 下弦节点e 用E4

20、3型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。设“He”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：设“eg”杆的肢背和肢尖焊缝分别为6mm和6mm，则所需的焊缝长度为：“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按照构造确定，取。根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有建徐以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282mm393mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为33cm, hf=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差,受力较大的肢背处的焊缝应力为：焊缝强度满足要求。（5）上弦节点“B” 图21 上弦节点B设aB杆的肢尖和肢背焊缝分别为8mm和10mm，则所需的焊缝长度为：bB杆与节

21、点板的焊缝尺寸与节点“b”相同。 根据求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为：372mm×535mm。由于上弦板上需搁置屋面板，故节点板上边缘缩进上弦肢背8mm。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，但强度设计值要乘以0.8的折减系数。上弦肢背槽焊缝长度为535mm。上肢肢背槽焊缝和肢尖焊缝取： 上肢肢尖角焊缝剪应力：满足要求。（6）节点“g” 图22 节点g 用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。设“gI”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：设“eg”杆的肢背和肢尖焊缝分别为6

22、mm和6mm，则所需的焊缝长度为：“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按照构造确定，取。根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有建徐以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183mm193mm。对于eg-gK杆，焊缝所受的力为左右两杆的内力差,受力较大的肢背处的焊缝应力为：，该内力很小，焊缝尺寸可按照构造确定，取。（7）屋脊节点“K” 图22 节点K弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，将角钢的尖角削除，截去垂直肢的宽度为（t+hf+5mm）。设焊缝hf=10mm，则所需焊缝计算长度为：拼接角钢的长度取700mm>2×337mm=674mm。上弦肢尖与节点板的连接

23、焊缝，取上弦内力的15%计算。设肢尖焊缝为10mm，节点板长度取600mm，焊缝应力： 假设上弦与节点板之间的槽焊缝承受节点荷载，取焊缝长度为节点板长度的一般，即300mm。上弦肢背槽焊缝长度为300mm。上肢肢尖焊缝取6mm。设gK杆的肢尖和肢背焊缝分别为6mm和8mm，则所需的焊缝长度为：由焊缝确定节点板的宽度为260mm，节点板尺寸为260mm×600mm。由于桁架的跨度较大，需将桁架分成两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置螺栓孔方便工地拼接，屋脊节点左半边的上弦、斜腹杆和竖杆有节点板连接用工厂焊接，而右边的上弦、斜腹杆与节点板连接在工地焊接。（8）支座节点“a” 图23

24、 节点a为了方便施焊，下弦杆角钢水平肢的地面与支座底板的净距离取160mm。在节点的中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相同，厚度为16mm。1）支座底板的计算支座反力：支座底板的平面尺寸采用280mm×400mm，如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为280mm×234mm=65520mm2。柱顶混凝土的抗压强度：（C25混凝土）底板的厚度按桁架反力作用下的弯矩计算，节点板的加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：其中，为系数，可以由b1/a1查表得出。查表得=0.058。底板厚度：f=205N/mm2，t应增大倍，t取22mm。2