钢结构设计课程设计m跨厂房普通钢屋架设计

1、一、设计资料某车间跨度为24ml厂房总长度90ml柱距6ml车间内设有两台300/50kN中级工 作制吊车（参见平面图、剖面图），工作温度高于-20C,无侵蚀性介质，地震设防烈 度为6度，屋架下弦标高为12.5m；采用1.5X6 m预应力钢筋混凝土大型屋面板，H 级防水，卷材屋面，屋架采用梯形钢桁架，两端钱支在钢筋混凝土柱上，混凝土柱上 柱截面尺寸为400X4 00mm混凝土强度等级为 C25,屋架采用的钢材为 Q235B钢，焊 条为E43型。FJDJ免口口&3JD靠IOC6ra)QO 口5 海QGQSOOT珈 ac® ® $ ® ®®

2、 3 S ¥千亘图一.屋架形式荷载（标准值）永久荷载:改性沥青防水层20厚1:2.5水泥砂浆找平层100厚泡沫混凝土保温层预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）屋架和支撑自重为0.35kN/m20.4kN/m 20.6kN/m 21.4kN/m2(0.120+0.011L ) kN/m可变荷载基本风压：基本雪压：（不与活荷载同时考虑）积灰荷载不上人屋面活荷载0.35kN/m0.45kN/m0.75kN/m0.7kN/m二、结构形式及支撑布置桁架的形式及几何尺寸如下图2.1所示075150 J 1350 |12000图2.1桁架形式及几何尺寸桁架支撑布置如图2.2所示图2.2 桁架支撑布置

3、符号说明：SC: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、荷载计算屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。由于风荷载为 0.35kN/m2小于0.49kN/m2,故不考虑风荷载的影响。沿屋面分布的永久荷载乘以1/cosJ112 “11 1.004换算为沿水平投影面分布的荷载。桁跨度）计算,架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（PW =0.12+0.011跨度单位为mi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100厚泡沫混凝土保温层预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）屋架和支撑自重为1.004x

4、0.35=0.351kN/m1.004x 0.4=0.402kN/m1.004x 0.6=0.602kN/m1.004x 1.4=1.406kN/m0.120+0.011x24=0.384kN/m2共 3.145kN/m0.7kN/m0.75kN/m标准可变荷载: 屋面活荷载 积灰荷载共 1.45kN/m 2考虑以下三种荷载组合全跨永久荷载+全跨可变荷载全跨永久荷载+半跨可变荷载 全跨桁架、天窗架和支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载（1）全跨永久荷载拄跨可变荷载（按永久荷载效应控制的组合）全跨节点荷载设计值：（2）全跨永久荷载+ 半跨可变荷载全跨永久荷载设计值：对结构不利时：F1,2 1

5、.35 3.145kN/m2 1.5m 6m 38.21kN （按永久荷载效应控制的组合）心 1.2 3.145kN/m2 1.5m 6m 33.97kN （按可变荷载效应控制的组合）/2 m 1.5m 6m 28.31kN半跨可变荷载设计值：（3）全跨桁架包括支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载（按可变荷载效应控制 的组合）全跨节点桁架自重设计值：对结构不利时：F3,1 1.2 0.384kN/m2 1.5m 6m=4.15kN对结构有禾I时：F32 1.0 0.384kN m2 1.5m 6m=3.46kN 3,2半跨节点屋面板自重及活荷载设计值:四、内力计算荷载组合（1）计算简图如图

6、 计算简图如图4.3.eF2*l£=InmTI2 ' 2 / - 1/ _ 2 1 F FF2 1F .F JI4 3F liFF4f31-1 4s荷载组合（1）F2/2荷载组合（2）F4F3f4*r-/2F34.1 ,荷载组合（2）计算简图如图4.2 ,荷载组合（3）2S5032003003 30CC 330C30002502370J图4.3荷载组合4.3由电算先解得F=1的桁架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、走半跨和右半跨）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见附表1五、杆件设计(1)上弦杆整个上弦杆采用等截面，按 FG GH干件的最大设计内力设计N=78

7、8.27kN=788270N上弦杆计算长度：在桁架平面内，为节间轴线长度：在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取：因为l°X=3loy,故宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。腹杆最大内力N=470.35kN节点板厚度选用10mm支座节点板厚度用12mm设=60,选用角钢，为b类截面，查表得 0.807。需要截面积：2L 160 100 10 , A 5063mm2 ,需要的回转半径：根据需要的 A、ix、iy查角钢规格表，选用ix=2.85cm, iy=7.70cm, a/t160cm； 10cm16,按所选角钢进行验算:V b1/t 16 > 0.56lox/b1 5.27

8、yz 3.7 , 12 2l 2t2 oy i52.7b143.7唾1045212 10252.7 160460.26 <150截面x和界面y都为b类截面，由于x > yz ,只需要求 y。查表的y =0.806。778270N22 190.72 < 215 N/mm 0.806 5063mm按最大内力设计值设计。N yA 故所选截面合适。 (2)下弦杆 整个下弦杆采用同一截面，N=779070N 平面内的计算程度和平面外的计算长度分别为：lox 300cm , loy 1185cm所需截面面积：选用 2L 140 90 10, A 4452mm2 , ix=2.56cm,

9、iy=6.77cm,由于 l°y ? lox ,故用不 等肢角钢短肢相并oy loy/iy 1185cm/6.77cm 175 <350考虑到下弦有2 21.5mm的栓孔削弱，下弦净截面面积:N 779070N24022mm2176.3 N/mm2 < 215N/mm2所选截面合适。(3)端余«干aB杆件轴力：N=470.35kN=470350N计算长度lox loy 249.4cm ,因为以 配 故采用不等值角钢长肢相并。使ix iy设二60,查表得0.807。ix lox/249.4cm/60 4.16cm 选用 2125280 10, A 3942mm ,

10、ix 3.98cm ,iy 3.31cm,按所选角钢进行验算:V b2/t 8<0.48l°y/b2 14.96-41.09b2yz y 12/21 oy t一 一一 一 4249.4 /1.09 801o73.3124942 10280.76 <150y =0.683。截面x和界面y都为b类截面，由于x> yz,只需要求y0查表的470350N20.683 3942mm2174.70 N/mm2 < 215N/mm2故所选截面合适。(4)腹杆He最大拉力：21.46kN最大压力：97.75kN按最大压力进行计算，设计计算值为97.75kN。由于节点板的嵌固作

11、用，桁架平面内的计算长度取0.8ox 0.8 329.5cm 263.6cm，节点板在桁架平面外的刚度很小，故桁架平面外的计算长度仍取节间距离，即 1oy 1 329.5cm。设 二60,查表得0.807ix 0.8 lox,0.8 329.5cm60 4.39cm, ix lox329.5cn60 5.49cm 选用等肢角钢,2L 70 4, A 1114mm2, ix 1.96cm, iy 2.94cm ,按所选角钢进行验算:l oxx7ix263.6cm2.18cm120.9 <150 b/t 15.75 < 0.58loy/b 0.583295 6330.3yz y 1_4

12、0.475bl oy329.52.9440.475 70_223295 4119.4<150截面X和界面y都为b类截面,yz >只需要求 x。查表的x =0.433。NXA977500.433 1114202.6 < 215N/mm2由于腹杆压力大于拉力, 故所选截面合适。(5)腹杆Bb腹杆拉力设计值为故可不比验算拉应力。N =357.85kN选用280 6组成梯形截面，A 1879mm2,ix 2.47cm , iy 3.65cm ,按所选截面进行验算:平面内的计算长度和平面外的计算长度分别为0.8lox205.5cm , loy 256.9cm ,lox 205.5cmx

13、ix 2.47cm83.2 <lox 256.9cm_350, x 70.4 <350ix 3.65cm22A 1879mm > 1664.4mm故所选截面合适。(6)竖杆Ie竖杆拉力设计值：N=144.39kN选用250 4组成十字形截面，A 779mm2, ix 1.54cm , iy2.43cm ,按所选截面进行验算：平面内的计算长度和平面外的计算长度分别为0.8卷246.5cm, loy 308.1cm,ox 246.5cmix 1.54cm160.1 <lox 308.1cm,350, x q 126.8 <350ix 2.43cm22A 779mm &

14、gt; 671.6mm故所选截面合适。其他腹杆：竖杆A& Ch Ec、Gd选用250 4组成的十字形截面，腹杆 Db选用252.89235.31140 90 10短肢相并，腹杆Dc、Fd、Hd选用270 4组成的梯形截面，腹杆Fc选用 280 6组成的梯形截面。经验算，所选截面都能满足要求。各杆件的截面的选择见附表2六、节点设计(1)下弦节点“ b”E43 型焊 条角 焊缝 的抗 拉、 抗 压、 和抗 剪强 度设 计值605.59ffw 160N,mm 0.7 8mm 160 N mm2。设“Bb”杆 的肢 背和肢尖焊缝hf 8mm和6mm ,则所需的焊缝长度为:肢背:lw0.7N2h

15、effw0.7_357850N2 0.7 8mm 160 N mm2139.8mm ,力口 2hf 后取 16cm-0.3N0.3 357850N肢夫： lw w 2 79.9mm ,力口 2hf 后取 10cm2heff2 0.7 6mm 160 N mm设“Db杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为 hf 8mm和6mm ,所需的焊缝长度为:肢背：lw0.75Nw2heff0.75 280260N117.2mm ,力口 2hf 后取 14cm肢尖:0.25Nw2heff0.25 280260N2 0.7 6mm 160 N mm252.1mm ,加 2hf 后取 7cm"Cb杆的内力很小，

16、只需要按构造确定焊缝，取 hf 6mm根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作和装备等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为310mm400mm下弦与节点板的连接的焊缝长度为 400mm hf 6mm 。焊缝所受的左右两下弦杆的 内力差为 N 605.39kN 235.31kN 370.08kN ,肢背的力最大，取肢背进行计算，则 肢背处的焊缝应力为：85.2N/mm2< 160N/mm20.75 370080N f 2 0.7 6mm (400-12 ) 焊缝强度满足要求。(2)上弦节点BBb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点Ba”杆的肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为 h

17、f 10mm和8mm ,所需的焊缝长度为:0.65N0.65 470350N肢目：lw 2 136.5mm ,力口 2hf 后取 16cm2he ffw 2 0.7 10mm 160 N mm2肢尖:J'l w0.3N2heffw0.35_470350N2 0.7 8mm 160N mm291.9mm ,加 2hf 后取 11cm考虑焊缝长度，同时为了在上弦搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背 8mm选 择节点板尺寸为295mm 480mm用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。验算上弦杆 的焊缝：忽略桁架上弦坡度的影响，假定集中荷载F与上弦杆垂直。上弦肢背承受集中荷载， 肢尖承受左右

18、弦杆的内力差。槽焊缝的计算焊角尺寸为h；11一下点板厚度一 10 5mm22hf =8mm由节点板的长度确定槽焊缝的长度为 480mm上弦肢尖角焊缝的剪应力为：故焊缝强度满足要求。(3)下弦节点“ c”设“DC杆的肢背和肢尖焊缝hf 6mm和6mm ,则所需的焊缝长度为：0.7N0.7 186230N肢目：lw w 2 97.0mm ,力口2hf后取 11cm2heff 2 0.7 6mm 160 N mm0.3N0.3 186230N肢大： lw w :2 41.6mm ,力口 2hf 后取 6cm2heff2 0.7 6mm 160 N mm设“Fc”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf 6m

19、m和6mm ,所需的焊缝长度为:0.7N0.7 120380N肢目：lw w ；2 62.7mm ,力口 2hf 后取 8cm2heff2 0.7 6mm 160 N mm0.3N0.3 120380N肢尖：lw w 2 26.9mm ,由于焊缝计算长度不得2heff2 0.7 6mm 160 N mm小于8hf和40mm肢尖焊缝长度取6cm,"Cb杆的内力很小，只需要按构造确定焊缝，取 hf 6mm 0节点板取265mm315mm取hf 6mm,下弦杆与节点板的焊缝长度为 315mm焊缝受左右弦杆的内力差为N 759.5kN 605.59kN 153.91kN,受力较大的肢背处的剪

20、应力为：45.4 N/mm2 < 160 n/mm20.75 153910Nf 2 0.7 6mm (315-12) 焊缝强度满足要求。(4)下弦节点“ d”设“Fd”杆的肢背和肢尖焊缝hf6mm和6mm ,则所需的焊缝长度为:肢背：lw -0 0.7 58020N2 30.2mm <8hf 48mm ,计算长度取2heff2 0.7 6mm 160 N mm48mm 加 2hf 后取 7cm-0.3N0.3 58020N肢尖：lw w 2 13.0mm < 8hf 48mm ,计算长度2heff2 0.7 6mm 160 N mm取48mm力口 2hf后取6cm设“Hd杆的

21、肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf6mm和6mm ,所需的焊缝长度为:0.7N0.7 39310N肢电：lw w 2 20.5mm <8hf 48mm ,计算长度2heff2 0.7 6mm 160 N mm取48mm力口 2hf后取7cm0.3N0.3 39310N肢人： lw w ；2 8.8mm <8hf 48mm ) 计算长度取2heff2 0.7 6mm 160 N mm48mm 加 2hf 后取 6cm=“C6 杆的内力为 52890N, hf 6mm 0肢背：lw "Nw 0.7 2 39.3mm <8hf 48mm ,焊缝长度取2heff 2 0.7 6m

22、m 160 N mm6cmi肢尖的力比肢背的小，肢尖焊缝长度取6cm节点板取255mm285mm由于d点左右两端的拉力值相差不大，可只按构造确定其焊角尺寸为hf 6mm。(5)下弦节点“ e”腹杆"eH计算内力为97.75kN, hf 6mm，肢背的焊缝长度为：,'0.7N0.7 97750Nlw w 2 50.9mm ,力口 2hf 后取 7cm2he ff2 0.7 6mm 160 N mm肢尖：lw。吗 0.3 97750N_ 21.8mm <48mm 取焊缝长度为 6cm 节点2heff2 0.7 6mm 160N mm板取325mm 270mm验算下弦节点板的

23、焊缝。计算内力为0.15 779.07kN=116.86kN, hf 6mm,焊缝长度为270,焊缝肢背的剪应40.44 N/mm2 < 160 n/mm2 ,肢尖受力较小，不力为.0.75 116860N. f 2 0.7 6mm (270-12 ) 必验算。故焊缝合适。竖杆“el”焊缝计算:0.3N0.7 14439N拉力为 144.39kN,取 hf 8mm 、 w 2 56.4mm考虑2heff 2 0.7 8mm 160N mm起弧和灭弧，焊缝长度取7cm,肢尖受力较小，按构造确定焊缝长度为6cni下弦拼接角钢的总长度为采用与上弦统一钢号的角钢进行拼接，垂直肢截取宽度为t hf

24、 5mm 10 6 5 mm 21mm拼接角钢的总长度取40cmi(6)上弦节点" C'、"E'、"G'。图由于节点处左右弦杆的内力值相等，且竖杆的内力设计值相同，故采用相同的节点 板。焊脚尺寸取6mrm焊缝长度取6cmt连接板的尺寸如上图6.5.1上弦点“D”，午"、"H'焊缝尺寸根据下弦节点已经确定。节点“D”：杆"Db股背:杆“DC 肢背:节点“F”：杆“Fc”股背:杆“Fd”股背:节点"H':杆"Hd'股背:杆“HS 肢背:hf 8mm,' 14cm

25、肢尖:hf 6mm,幻 11cm 肢尖:hf 6mm, ' 8cm 肢尖：hf 6mm,八 7cm 肢尖：hf 6mm, lw 7cm 肢尖：hf 6mm, lw 7cm 肢尖：hf 6mm, lw 7cmhf 6mm, lw 6cmhf 6mm, lw 6cmhf 6mm, lw 6cmhf 6mm, lw 6cmhf 6mm, lw 6cm节点“D”、"F”、"H所选择的连接板尺寸分别为：230mm 335mm 220mm 255mm 235mm 245mm(7)屋脊节点“I ”采用与上弦角钢相同钢号的角钢进行拼接，截取的垂直肢的宽度为:t hf 5mm 23m

26、m,其中hf取8mm接头一边的焊缝长度按弦杆的内力计算。一条焊缝所需的焊缝长度为：lw751040N4 0.7 8mm 160 mm2209.6mm ,拼接角钢的长度取500mm>2209.6mm+4 8mm+152=481.2mm 合适。根据腹杆的内力，取节点板尺寸为 200mm 450mm上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载，计算长度为450mm-2x15mm-4f , hf=5mm故计算长度为3800mm节点荷载为52.89kN,焊缝承受的剪应力:Ff 2 0.7 hflw52890N2 0.7 5mm 380mm19.9 n/mm2 < 160 N/mm2 ,满足。上弦

27、肢尖与节点板的连接焊缝的内力计算值为上弦内力的15%设肢尖的焊缝hf =8mm节点板白长度为200mm则节点一侧弦杆的计算长度为:450mm2M 2 f1.2215mm 2 8mm 194mm ,焊缝应力为:2 251.8N/mm2122.3N： mm112.8N/mm2 < 160 n/mm 21.22(8)6.8.1支座节点6.8.2支座底板杆“aB”的焊缝尺寸同节占八、“B”肢 .目：hf 10mm lw，肢尖：16chf 8mm lw 11cm 0节点板的厚度为12cm1所确定的节点板尺寸如图 6.8.1 ,下弦杆焊脚尺寸为肢背：hf 8mm lw 14cm，肢尖：hf 6mm

28、& 14cm ,竖杆焊脚尺寸肢背和肢尖均为hf 6mm lw 6cm ,经验算焊缝满足要求。为了便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋与节点板的高度 相等，厚度为12mm支座底板的计算支座反力：R=8F=8 52.89kN=423.12kN支座所需的净截面为：An -423120N 2 33849.6mm2fc 12.5 N mmc选择的支座底板的尺寸如图6.8.2 0仅考虑有加劲肋的部分承受支座反力，由于290mmx232mm=6728Qm33849.6mr2,故底板的面积合适。底板的厚度按桁架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋

29、将底板分成四块，每块 为两相邻边支撑而另两边自由的板。根据底板尺寸确定 4171.2mmb1 81.2mm , b1 / a1 二0.474 查表得 的值为0.054。底板下的平均应力为：每块板的单位宽度的最大弯矩为：底板厚度：取 t=18mm加劲肋与节点板的焊接焊缝计算。计算简图如图6.8.3假定一个加劲肋承受的力为支座反力的则焊缝的内力为计算内力为 R/4 423120N/4 105780NV 105780NM=105780N 35mm=3702300N mm2设焊缝hf 6mm ,焊缝的计算长度为: lw 495mm 12mm 15mm 468mm,则焊缝的应力： 图6.8.1 加劲肋计

30、卜 yf26.9N/mm2 212.1N/mm2 2 29.5N/mm2 < 160 N/mm2 ,满足。节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。设焊缝传递全部的支座反力，每块加劲肋各传力为R/4=105780N节点板传递的力为 R/2=211560N设节点板与焊缝的焊脚尺寸hf 6mm ,则焊缝的计算长度我为：节点板的应力：强度满足。加劲肋焊脚尺寸hf 8mm每块加劲肋与地板的连接焊缝长度为：加劲肋焊缝的应力为: 强度满足。七、参考资料1、张耀春.钢结构设计原理.高等教育出版社，2004版。2、王国凡.钢结构连接方法及工艺.化学工业出版社,2005版。3、钢结构设计规范(GB50017-2

31、003 .北京计划出版社，2003版。4、房屋建筑制图统一标准(GB/T50001-2001).北京计划出版社，2002版附表1桁架杆件内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/kN全跨左半跨 右半跨 上弦AB0.000.00 n0.000.000.00 0.000.00P 0.0010.000.000.00BG CD-8.74-6.26-2.48-462.42-426.03-405.55-370.48-339.98-186.24-95.65-462.42DE EF-13.37-8.93 1-4.44-707.14-642.02-609.01-575.99-5

32、31.05-269.37-161.68-707.14FG GH-14.90-8.96 1-5.50-788.27-700.99 :-661.53-650.16-601.53-276.31P-193.43-788.27HI-14.20-7.10-7.10-751.04-646.81-605.42-646.81-605.42-228.90-228.90-751.04下弦ab4.453.521.26235.31221.66212.12188.49172.97102.7148.63235.31bc11.457.95 13.50P 605.59554.18 ；526.70488.93P 449.66 1

33、237.79131.38605.59cd14.369.165.20759.50683.15646.53625.08577.98278.86184.15759.50de14.738.196.54779.07683.11642.36658.81613.68257.27217.65779.07斜腹 杆aB-8.89-6.55-2.35-470.35-435.93-415.57-374.23-342.73-193.67-93.05-470.35Bb6.774.682.08357.85327.28311.00289.12265.96140.1977.97357.85bD-5.30-3.31-1.99-2

34、80.26-251.02-237.32-231.73-214.55-101.16-69.70-280.26Dc3.521.79 d1.74:186.23160.74 1150.54160.02P 149.69 157.35P 56.17186.23cF-2.28-0.59-1.68-120.38-95.69-87.61-111.66-106.46-23.67-49.71-120.38Fd0.95-0.541.4950.0328.1622.7158.0257.96-9.1039.6058.02, -9.10dH0.181.61 1-1.469.7330.67134.15-14.34P-18.98139.31P -34.0939.31 ,-34.09He-1.51-2.671.16-80.08-97.09-97.75-40.84-31.35-70.2721.4621.46 ,-97.75竖杆Aa-0.50-0.500.00-26.45-26.45-25.65-19.11-16.99-14.05-2.08-26.45Cb-1.00-1.00 n0.00P -52.89-52.89 :-51.30-38.21P-33.971-28.09P -4.15