钢结构设计课程设计

1、某车间跨度为24m,厂房总长度90m,柱距6m，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；采用x6m预应力钢筋混凝土大型屋面 板, U级防水，卷材屋面，屋架采用梯形钢桁架，两端铰支在钢筋混凝土柱上， 混凝土柱上柱截面尺寸为 400X 400mm混凝土强度等级为 C25,屋架采用的钢 材为Q235B钢，焊条为E43型。厂wrHfl23JLDC3620一一L屋架形式荷载（标准值）永久荷载：改性沥青防水层m220厚1:水泥砂浆找平层m2100厚泡沫混凝土保温层m2预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）m2

2、屋架和支撑自重为（+）kN/m2可变荷载基本风压：m2基本雪压：（不与活荷载同时考虑）m2积灰荷载m2不上人屋面活荷载m2二、结构形式及支撑布置桁架的形式及几何尺寸如下图所示150 |1350|0707550850o5100O3075di50di0030000O85012000图桁架形式及几何尺寸桁架支撑布置如图所示:川二JL 1XLCilsccen_L.ill :6kLC31-LG：L31>LU1LG1-i><I1GGP2L01詁/电詔、LG1L(.XXL 一LH：n><LG：桁架及桁架上弦支撑布置L4口-GG?LuiLjILui严丸匚匚'亘桁架及桁架下

3、弦支撑布置CC3LHL： 1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:柔性系杆图桁架支撑布置三、荷载计算屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，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 m2小于m2,故不考虑风荷载的影响。沿屋 面分布的永久荷载乘以1'cos,112_1 11 1.004换算为沿水平投影面分布的荷载。桁架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（Pw=+跨度）计算，跨度单位为m。标准永久荷载：改性沥青防水层厚1:水泥砂浆找平层=m100厚泡沫混凝土保温层=讦预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）=mF屋架和支撑自

4、重为+=m2共m2标准可变荷载：屋面活荷载m2积灰荷载m2共m2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+全跨可变荷载（按永久荷载效应控制的组合）全跨节点荷载设计值：F 1.35 3.145kN m2 1.4 0.7 0.7kN, m2 1.4 0.9 0.75kN m21.5m 6m 52.89kN（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 1.35 3.145kN/m2 1.5m 6m 38.21kN （按永久荷载效应控制的组合）F,21.2 3

5、.145kN/m2 1.5m 6m 33.97kN （按可变荷载效应控制的组合）对结构有利时：F131.0 3.145kN. m2 1.5m 6m 28.31kN半跨可变荷载设计值：F2,11.40.7 0.7kN/m 0.9 0.75kN/m 1.5m 6m=14.68kN （按永久荷载效应控制的组合）F2,21.40.7 0.9 0.75 kN/m2 1.5m 6m=17.33kN （按可变荷载效应控制的组合）（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=

6、4.15kN对结构有利时：F3,2 1.0 0.384kN/m2 1.5m 6m=3.46kN半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：F4 1.2 1.4kN m2 1.4 0.7kN m2 1.5m 6m=23.94kN四、内力计算荷载组合（1）计算简图如图，荷载组合（2）计算简图如图，荷载组合（3） 计算简图如图.伍/22 1 F FR YF23503300w*W390C30 CC3000Ir700图荷载组合（2）R iR ITR ftF3;4 3F VF rr.Rn3F h.r-二 j “|3033330.03C03.3003(33：01j""<iH 1 bl>

7、ra3j700图荷载组合由电算先解得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) 上弦杆整个上弦杆米用等截面，按FG、GH杆件的最大设计内力设计。N=788270N上弦杆计算长度:ox在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取:loy 150.7 3452.1cm在桁架平面内，为节间轴线长度：1“ 150.7cm因为lox=3loy，故宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。腹杆最大内力”=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。778270N需要截

8、面积:224485.6mm0.807 215kN mm需要的回转半径:ix15°.7cm2.51cm，iyoy60452.1cm“ l ,=7.54cm6025063mm ，=,iy=, bb t 160cm 10cm 16，按所选角钢进行验算:1 oxix150.7cm2.86cm52.88T bjt 16 > 0.561叭 65.27yz2 2 loy t152.7b,1603.711045212 102452.7 16060.26 V 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NyAOZ UNf22190.72 V 215 N mm根据需

9、要的A、ix、iy查角钢规格表，选用2L 160 100 10，A0.806 5063mm故所选截面合适。(2) 下弦杆 整个下弦杆采用同一截面，按最大内力设计值设计。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：An N 779070N 23623.6mm2f 215 N mm2选用 2L 140 90 10, A 4452mm2 , ix = , iy=,由于 loy ? lox，故用不等肢角钢短肢相并，oy loy . iy 1185cm 6.77cm175 V 350考虑到下弦有2 21.5mm的栓孔削弱，下弦净截

10、面面积：2 2 2NAnAn 4452mm2 21.5 10mm 4022mm779070N2176.3N. mm2 V 215N mm24022mm所选截面合适。(3) 端斜杆aB杆件轴力：N=470350N计算长度lox loy 249.4cm，因为©，故采用不等值角钢长肢相并。使ix iy设=60,查表得 0.807470350N0.807一215kNmm22710.9mmix I。.249.4cm 60 4.16cm 选用 2 L 125 80 10 , A 3942mm2 ,ix 3.98cm , iy 3.31cm，按所选角钢进行验算:1 oxix249.4cm3.98c

11、m62.67 b2 . t 8 V 0.48l°y 414.96yz1.09b24 l 2t2 loy I249.41.09 8043.31124942 10280.76 V150NyA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 =0.68； ；9；2mm2174.7。52 < 杯曲故所选截面合适。(4) 腹杆He 最大拉力： 最大压力： 按最大压力进行计算，设计计算值为由于节点板的嵌固作用，桁架平面内的计算长度取0Qx 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loy l 329.

12、5cm。设=60,查表得 0.80797750N0.807 215kN mm22563.4mmix 0.8 lox-0.8 329.5cm60 4.39cm, ix loJ 329.5ch50 5.49cm 选用等肢角钢,22L 70 4， A 1114mm ， ix1.96cm， iy2.94cm，按所选角钢进行验算:l ox263.6cm2.18cm120.9 V1504,0.475b329.5 ,yz y 121loy2t22.9440.475 702 牙 119.4 < 32952 42截面x和界面y都为b类截面，由于yz > x，只需要求x。查表的X _097750357

13、850N215N mm221664.4mm选用2L 80 6组成梯形截面,A 1879mmix 2.47cm， iy 3.65cm，按所选202.6 < 215N mm 2A 1879mm > 1664.4mm故所选截面合适。竖杆Ie竖杆拉力设计值:xA0.433 1114由于腹杆压力大于拉力，故可不比验算拉应力。 故所选截面合适。(5) 腹杆BbN=腹杆拉力设计值为截面进行验算:平面内的计算长度和平面外的计算长度分别为0.8lox 205.5cm，loy 256.9cm，x 也 20逊 83.2 <ix 2.47cm350， xoxix空型70.43.65cm350N=14

14、4390N215N mm22671.6mm2.43cm，按所选用2L 50 4组成十字形截面,2A 779mm ， ix 1.54cm， iy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|°x 246.5cm ,loy 308.1cm，x也竺型160.1 <ix 1.54cm350， x1 oxix308.1cm126.8 <2.43cm3502 2A 779mm > 671.6mm故所选截面合适。其他腹杆：竖杆Aa、Cb、Eg Gd选用2L 50 4组成的十字形截面，腹杆 Db选用2L 140 90 10短肢相并，腹杆De、Fd、Hd选用2L 7

15、0 4组成的梯形截面，腹杆Fc选用2L 80 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”52.89235.31-605.59有E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压、和抗剪强度设计值160N 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：0.7N0.7 357850N肢冃：lww 2 139.8mm，力口 2hf 后取 16cm2 he ff2 0.7 8mm 160 N mm0.3N0.3 357850N肢尖: lww 2 79.9mm，力廿 2hf 后取 10cm2heff2 0.7 6mm 16

16、0N/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：0.75N0.75 280260Nhw2117.2mm，加 2hf后取 14cm2he ff2 0.7 8mm 160 N mm肢尖：，”0.25N0.25 280260Nlww252.1mm，加 2hf 后取 7cm2heffw 2 0.7 6mm 160 N mm2“Cb”杆的内力很小，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310mm 400mm。下弦与节点板的连接的焊缝长度为 400

17、mm, 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：6mm (400-12)85期曲 < 160叫®20.75 370080Nf2 0.7焊缝强度满足要求。(2) 上弦节点BC-r-一二二二 二一;_“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“ b”相同。“Ba”杆的肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为hf 10mm和8mm，所需的焊缝长度为:肢背：0.65N0.65 470350Nlww2136.5mm，加 2hf 后取 16cm2hef2 0.7 10mm 160 N mm2肢尖：

18、，”0.3N0.35 470350Nlww291.9mm，加 2hf 后取 11cm2heff2 0.7 8mm 160 N mm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，肢尖承受左右弦杆的内力差。槽焊缝的计算焊角尺寸为hf -节点板厚度 1 10 5mm ， h'； =8mm2 2由节点板的长度确定槽焊缝的长度为 480mm，2K1 N1 N22 1.220.75 462420N

19、 2528902 1.222 0.7 hflw2 0.7 5480 10105.6 N mm2 <0.8ffw 0.8 160 N mm2 128N mm2上弦肢尖角焊缝的剪应力为:2K2 N1N22 1.2220.25 462420N 2528902 1.222 0.7 hflw2 0.7 8480 1622.6 N mm2 <0.8ffw160 N mm2故焊缝强度满足要求。设“ DC'杆的肢背和肢尖焊缝（3）下弦节点“ c”肢背：0.7N0.7 186230Nlww297.0mm，加 2hf 后取 11cm2heff2 0.7 6mm 160 N mm肢尖：，”0.3

20、N0.3 186230Nlww241.6mm，加 2hf 后取 6cm2hef2 0.7 6mm 160 N mm2hf 6mm和6mm，则所需的焊缝长度为:设“FC'杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf 6mm和6mm，所需的焊缝长度为:肢背：|'0.7 N0.7 120380N62.7mm，加2hf后取8cmlww2heff2 0.7 6mm 160 N mm2肢尖：0.3N10.3 120380N26.9mm，由于焊缝计算长lww2he ff2 0.7 6mm 160 N mm2度不得小于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

21、 hf 6mm节点板取265mm 315mm，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应力为：45.4N. mm2 v 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“Fc”杆的肢背和肢尖焊缝hf 6mm和6mm，贝U所需的焊缝长度为:肢背：0.7 N0.7 58020Nlww 230.2mm <8hf 48mm，计算2he ff2 0.7 6mm 160 N mm长度取48mm，加2hf后

22、取7cm肢尖：0.3N0.3 58020Nlww213.0mm <8hf 48mm，计2hef2 0.7 6mm 160 N mm2 0.7 6mm 160 N mm算长度取48mm，力卩2hf后取6cm设“Hd”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf 6mm和6mm，所需的焊缝长度为:肢背:0.7N0.7 39310Nlww 220.5mm <8hf 48mm，计算2heff2 0.7 6mm 160 N mm长度取48mm，加2hf后取7cm肢尖:,'0.3N0.3 39310Nlww28.8mm <8hf 48mm，计算2he ff2 0.7 6mm 160 N mm

23、长度取48mm，加2hf后取6cm。“Cb” 杆的内力为 52890N, hf 6mm肢背:lw0.7Nw0.7 52890N2 39.3mm <8hf 48mm，焊缝2he ff2 0.7 6mm 160 N mm长度取6cm，肢尖的力比肢背的小，肢尖焊缝长度取 6cm。节点板取255mm 285mm，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，hf 6mm，肢背的焊缝长度为：0.7N2hef0.7 97750N50.9mm，加 2hf 后取 7cm肢尖：lw 0.3Nw 0.3 97750N 21.8mm

24、<48mm,取焊缝长度为 6cm2he ff2 0.7 6mm 160 N/mm节点板取325mm 270mm。验算下弦节点板的焊缝。计算内力为，hf 6mm，焊缝长度为270，焊缝肢背的剪应力为：0.75 116860N2 0.7 6mm （270-12） 验算。故焊缝合适。竖杆“el”焊缝计算：40.44N：'mm2 V 160 N mm2 ,肢尖受力较小，不必拉力为，取hf8mm，1W 吐°7 14439N22heffw 2 0.7 8mm 160 N mm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 6cm。 下弦拼接角钢的总长度为采用与上弦统

25、一钢号的角钢进行拼接，垂直肢截取宽度为 t hf 5mm10 6 5 mm 21mmA2f4 0.7hf ffw2hf10 : 20 mm4452 2154 0.7 6 16010 ： 20 mm=36810 ： 20 mm拼接角钢的总长度取40cm。（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6mm，焊缝长度取6cm。连接板的尺寸如上图上弦点“ D”，“F”、“ H”焊缝尺寸根据下弦节点已经确定。节点“ D” :杆 “Db”肢背：h f8mm，lw14cm 肢尖：hf6mm，lw 7 cm杆“ De”肢背：

26、hf6mm，lw11cm 肢尖：hf6mm，lw 6cm节点“F”：杆“ FC肢背：hf6mm， 11 w8cm肢尖：h f6mm， 1w 6cm杆 “Fd”肢背：hf6mm，1 w7cm肢尖：hf6mm，lw 6cm节点“ H” :杆“ Hd”肢背：hf6mm，1w7cm肢尖：hf6mm，lw 6cm杆“ He”肢背：hf6mm，1 w7cm肢尖：hf6mm，lw 6cm节点“ D ”、“ F”、“H”所选择的连接板尺寸分别为：230mm335mm，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 5

27、mm 23mm，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：lw2209.6mm，拼接角钢4 0.7 8mm 160 mm的长度取500mm> +4 8mm+15 2=，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-4hf , hf=5mm,故计算长度为3800mm，节点荷载为，焊缝承受的剪应力:F52890N2 0.7 hf lw 2 0.7 5mm 380mm19.9 N mm2 V 160 N mm2，满足。上弦肢尖与节点板的连接焊缝的内力计算值为上弦内

28、力的15%,设肢尖的焊缝hf =8mm,节点板的长度为200mm,贝U节点一侧弦杆的计算长度为：450mm215mm 2 8mm 194mm，焊缝应力为:N fM f0.15 751040N2 0.7 8mm 194mm51.8N mm20.15 751040N 75mm 62 22 0.7 8mm 194 mm120.3N mm2N(8)1.22支座节点,51.8N mm22122.3N mm21.22112.8N. mm2 V 160 N, mm2a-厂 XCr 1-1匚* J l" J "6.8.1支座节点6.8.2支座底板腹杆“aB”的焊缝尺寸同节点“B”肢背：hf

29、10mm lw 16cm,肢尖：hf8mmlw 11cm。节点板的厚度为12cm，所确定的节点板尺寸如图，下弦杆焊脚尺寸为肢背：hf 8mm lw 14cm，肢尖：hf 6mm lw 14cm，竖杆焊脚尺寸肢背和肢尖均为hf 6mm匚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=支座所需的净截面为：An 卫423120N 233849.6mm2fc12.5 N mm选择的支座底板的尺寸如图。仅考虑有加劲肋的部分承受支座反力，由于 290mmx2

30、32mm=67280mm2>2，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a1 171.2mm g 81.2mm， bja1=查表得 的值为。底 板下的平均应力为:念询忡2每块板的单位宽度的最大弯矩为：9955.2N mm., mma：0.054 6.29 N. mm2 171.22mm底板厚度:6 9955.2N mm mmt215N mm216.7mm取 t=18mm。加劲肋与节点板的焊接焊缝计算。计算简图如图假定一个加劲肋承受的力为支座反力的1/4，即加劲肋的计算内力为R 4423120N 4105780N ，则 焊缝的 内力为V 105780NM=105780N 35mm=3702300N. mm2设焊缝hf 6mm，焊缝的计算长度为:图加劲肋计算简图MDVR/4 1 u prnlw 495mm 12mm 15mm 468mm，则焊缝的应力:2ff 1.222 0.7 hf I：2 0.7 6mm468mm6M6 3702300NmmV105780Nf2 0.7hf I：2 22 0.7 6mm 468 mm26.9N mm2 彳 12.1N mm2 "26.9 N； mm212.1N ； mm229.5N. mm2 v 1