钢结构课程设计单层工业厂房

1、钢结构单层工业厂房课程设计指导教师：曹 现 雷班 级：土133班姓 名：杨 骏学 号：139044535日 期：目 录一、设计资料.1二、屋架形式及几何尺寸.1三、支撑的布置.2四、檩条的布置.3五、材料自重及荷载.4六、荷载计算.4七、杆件截面选择.5八、各腹杆的焊缝尺寸计算10九、节点板的设计11一、设计资料：某厂房车间设有两台10吨中级工作制吊车。车间无腐蚀性介质。该车间为单跨双坡封闭式厂房，屋架采用梯形桁架式钢屋架，屋架下弦标高9m，其两端铰支于钢筋混凝土柱上，柱截面尺寸为400×400，混凝土强度等级为C30。屋面采用压型钢板屋面，C型檩条，檩距为1.2m2.6m。屋面恒荷

2、载（包括屋面板、保温层、檩条、屋架及支撑等）取值参考教材中规定。活荷载标准值取0.5kN/mm2；雪荷载标准值取0.2，不考虑积灰荷载和积雪不均匀分布情况。结构重要性系数为0=1.0。屋架采用Q235B钢，焊条采用E43型。设计时，荷载按以下情况组合：a. 恒载+全跨活荷载（或雪荷载）b. 恒载+半跨活荷载（或雪荷载）二、屋架形式及几何尺寸屋架及几何尺寸如图1所示，檩条支承于屋架上弦节点。檩距为2267.5mm，水平投影距离为2250mm。屋架坡度为 = arctan 18 = 7.13°。图1 屋架形式和几何尺寸三、支撑的布置依据建筑抗震设计规范GB50011-2001，支撑布置图

3、如图2所示，上、下弦横向水平支撑设置在厂房两端和中部的同一柱间，并在相应开间的屋架跨中设置竖直支撑，在其余开间的屋架下弦跨中设置一道通长的刚性细杆，上弦通过水平支撑在节点处设置通长的刚性细杆。下弦两端设纵向水平支撑。故上弦杆在屋架平面外的计算长度等于横向支撑的节距。支撑的布置见图2。上弦水平支撑布置图下弦水平支撑布置图1-1 中部垂直支撑布置图2-2 端部垂直支撑布置图图2 支撑的布置图四、檩条布置檩条设置在屋架上弦的每个节点上，间距2267.5mm。水平投影距离为2250mm。屋架间距为7.2m，所以在檩条跨中三分点处设两道直拉条。在屋脊和屋檐分别设置斜拉条和撑杆。檩条布置见图3。图3 檩条

4、布置图五、材料自重及荷载已知：彩色压型钢屋面板： 0.15KN/m2 保温层及灯具： 0.15KN/m2 C型檩条自重： 0.10KN/m2 屋架及支撑自重： q=0.318KN/m2 雪荷载（水平投影面）： 0.2KN/m2 活荷载（水平投影面）： 0.5KN/m2六、荷载计算1：永久荷载（恒载）计算： 彩色压型钢屋面板： 0.15/cos7.13° = 0.151 KN/m2 保温层及灯具 0.15/cos7.13° = 0.151 KN/m2 檩条自重： 0.1KN/m2 屋架及支撑自重： q = 0.318KN/m2 合计： 0.720KN/m2恒载设计值按分项系数

5、 1.2取 为：q1=0.720*1.2=0.864 KN/m2 按分项系数1.35取 为：q2=0.720*135=0.972 KN/m2 2：活载计算： q3= 0.5*1.4 = 0.7 KN/m2 > 雪荷载，所以，不考虑雪荷载。由于 q1 + q3 = 0.864 + 0.7 = 1.564 > q2 + 0.7 *q3= 1.462，故永久荷载不起控制作用。所以，恒载按分项系数 1.2 设计。故有上弦节点恒荷载为P1=7.20*2.25*q1=7.2*2.25*0.864=13.977 KN 活荷载为 P2=7.20*2.25*q3=7.2*2.25*0.7=11.34

6、0 KN 故可得各杆件的内力大小，见图4。 图4 屋架各杆件内力组合表七、杆件截面选择（假定轴力 拉为正，压为负） 1、上弦杆中内力最大的为4-5，N4-5= -156.864 KN， lox= 226.8cm, loy= 453.6cm。选用2L 90 x 6 角钢，A = 2 * 10.6 = 21.2cm2, ix=2.79cm, iy=3.91cm长细比：x = loxix = 226.82.79 = 81.3 < = 150 y = loyiy = 453.63.91 = 116 < = 150 z = bt = 3.9 x 906 = 58.5y>z , yz =

7、 y1+0.16 (zy)2 = 116*1+0.16 (58.5116)2 =120.7查表得 x = 0.683 yz = 0.434 = NminA = 156.864 * 103 0.434 * 21.2 * 102 =170.5 N/mm2 < f =215 N/mm2 满足要求。2、下弦杆中内力最大的为7-8，N7-8= 161.497 KN， lox=225cm, loy= 225 cm。选用2L 90 x 6 角钢，A = 2 * 10.6 = 21.2cm2, ix=2.79cm, iy=3.91cm = NA = 161.497 * 103 21.2 * 102 =7

8、6.2 N/mm2 < f =215 N/mm2 受拉杆件的容许长细比 = 350长细比：x = loxix = 2252.79 = 80.6 < = 350 y = loyiy = 2253.91 = 57.5 < = 350 满足要求。3、斜腹杆2-6，N2-6 = -130.433 KN ， lox = 306.5 cm, loy= 306.5 cm。选用2L 80 x 6 角钢，A = 2 * 9.4 = 18.8cm2, ix=2.47cm, iy=3.51cm长细比：x = loxix = 306.52.47 = 124.1 < = 150 y = loyi

9、y = 306.53.51 = 87.3 < = 150 z = bt = 3.9 x 806 = 52y>z , yz = y1+0.16 (zy)2 = 87.3*1+0.16 (5287.3)2 =92.3查表得 x = 0.416 yz = 0.606 = NminA = 130.433 * 103 0.416 * 18.8 * 102 =166.8 N/mm2 < f =215 N/mm2 满足要求。4、斜腹杆2-7，N2-7 = 66.558 KN，lox= 245.2cm, loy= 306.5 cm。选用2L 70 x 5角钢，A = 2 * 6.87 = 1

10、3.74cm2, ix=2.16cm, iy=3.09cm = NA = 66.558 * 103 13.74 * 102 = 48.44 N/mm2 < f =215 N/mm2受拉杆件的容许长细比 = 350长细比：x = loxix = 245.22.16 = 113.5 < = 350 y = loyiy = 306.53.09 = 99.2 < = 350 满足要求。5、斜腹杆4-7，N4-7= -26.127 KN， lox= 277.8 cm, loy= 347.2 cm。选用2L 70 x 5角钢，A = 2 * 6.87 = 13.74cm2, ix=2.1

11、6cm, iy=3.09cm长细比：x = loxix = 277.82.16 = 128.6 < = 150 y = loyiy = 347.23.09 = 112.4 < = 150 z = bt = 3.9 x 705 = 54.6y>z，yz = y1+0.16 (zy)2 =112.4*1+0.16 (54.6112.4)2 =116.6查表得 x = 0.394 yz = 0.455 = NminA = 26.127 * 103 0.394 * 13.74 * 102 = 48.3 N/mm2 < f =215 N/mm2 满足要求。6、斜腹杆4-8，N4-

12、8= -14.936 KN， lox= 277.8 cm, loy= 347.2 cm。选用2L 70 x 5 角钢，A = 2 * 6.87=13.74cm2, ix=2.16cm, iy=3.09cm长细比：x = loxix = 277.82.16 = 128.6 < = 150 y = loyiy = 347.23.09 = 113.1 < = 150 z = bt = 3.9 x 705 = 54.6y>z，yz = y1+0.16 (zy)2 =113.1*1+0.16 (54.6113.1)2 =117.3查表得 x = 0.394 yz = 0.432 = N

13、minA = 14.936 * 103 0.394 * 13.74 * 102 = 27.6 N/mm2 < f =215 N/mm2 满足要求。7、竖腹杆1-6，N1-6= -12.659 KN，lox= 180 cm, loy= 180 cm。选用2L 50 x 5 角钢，A = 2 * 4.8 = 9.6cm2, ix=1.53cm, iy=2.30cm长细比：x = loxix = 1801.53 = 117.6 < = 150 y = loyiy = 1802.30 = 78.3 < = 150 z = bt = 3.9 x 505 = 39y>z，yz =

14、y1+0.16 (zy)2 =78.3*1+0.16 (3978.3)2 =81.4查表得 x = 0.450 yz = 0.646 = NminA = 12.659 * 103 0.450 * 9.6 * 102 = 29.3 N/mm2 < f =215 N/mm2 满足要求。8、竖腹杆3-7，N3-7= -25.137 KN，lox= 189 cm, loy= 236.3 cm。选用2L 50 x 5 角钢，A = 2 * 4.8 = 9.6cm2, ix=1.53cm, iy=2.30cm长细比：x = loxix = 1891.53 = 123.5 < = 150 y =

15、 loyiy = 236.32.30 = 102.7 < = 150 z = bt = 3.9 x 505 = 39y>z，yz = y1+0.16 (zy)2 =102.7*1+0.16 (39102.7)2 =105查表得 x = 0.419 yz = 0.523= NminA = 25.137 * 103 0.419 * 9.6 * 102 = 62.5 N/mm2 < f =215 N/mm2 满足要求。9、竖腹杆5-8，N5-8 = 13.621 KN， lox= 234cm, loy= 292.5 cm。选用2L50 x 5角钢，A = 2 * 4.8 = 9.6

16、cm2, ix=1.53cm, iy=2.30cm = NA = 13.621 * 103 9.6 * 102 = 14.2 N/mm2 < f =215 N/mm2 受拉杆件的容许长细比 = 350长细比：x = loxix = 2341.53 = 152.9 < = 350 y = loyiy = 292.52.30 = 127.2 < = 350 满足要求。各杆件截面选择汇总见下表八、各腹杆的焊缝尺寸计算（除支座处节点板厚度为t = 8mm外，其余节点板厚度节点板厚度均为 t=6mm。）1、先计算内力最大的腹杆2-6，N2-6=-130.433 KN。所需最小焊缝宽度

17、hf ：hf 1.5t = 1.5*6 = 3.7mm，角钢肢尖处最大焊缝宽度: hf 6 (12) = 4 5mm,角钢肢背出最大焊缝宽度 : hf 1.2 t = 7.2mm。所以 角钢肢尖和肢背处都取 hf = 5 mm。 所需焊缝长度： lw1 K1N2-62 * 0.7 hfffw + 2 hf = 91.5mm 取 100mm lw2 K2N2-62 * 0.7 hfffw + 2 hf = 44mm 取 80mm2、腹杆2-7，N2-7 = 66.558 KN，取 hf = 4 mm 所需焊缝长度： lw1 K1N2-72 * 0.7 hfffw + 2 hf = 60.0mm

18、取 80mm lw2 K2N2-72 * 0.7 hfffw + 2 hf = 30.3mm 取 80mm其余腹杆内力均小于杆2-7，所以可取其余各腹杆的焊缝尺寸，如下表所示：九、节点板的设计(节点板的尺寸根据所汇交腹杆端部的焊缝设计长度确定)附：节点编号如下图1、节点板“3”验算：1 : 槽焊缝验算节点板与上弦角钢肢背采用槽焊缝（满焊）连接，并由此槽焊缝支撑上弦集中荷载P（ P = 13.977 KN）。取槽焊缝宽度hf= 0.5t = 3mm，得 Lw = 130 2*3 = 124 mm。 f = P2 * 0.7 hf Lw = 13.977 * 1032 * 0.7 * 3 * 12

19、4= 26.8KN/mm2< 1.22 ff w = 1.22 * 160=195.2 KN/mm2。由此可见因为上弦集中荷载很小，所以后面的节点板可不需验算槽焊缝。2 ： 因节点板“2”左右两端杆件内力相等，所以节点板传递的内力差 N = 0，所以不需验算上弦杆与节点板的肢尖焊缝，按照构造要求满焊即可。2 : 节点板强度及稳定性验算 N 3-7 力作用下强度验算：由图量出 be = 186 mm， = 25.317 * 103186 * 6 = 22.9 N/mm2 < f = 215 N/mm2 满足要求。因节点板“1”同样不传递上弦杆内力，且杆件内力很小（N = -12.65

20、9 KN ）所以可不验算节点板“1”。2、节点板“2”验算：1 : 上弦肢尖角焊缝验算节点板与上弦杆的焊缝连接只传递节点板两端杆件的内力差N(N = -145.649 KN)。采用双面贴角焊缝（满焊）连接承担内力差 N。取角焊缝宽度为hf=5mm，所以得 Lw= 400 2*5 = 390mm，内力差N = -145.649 KN，偏心距 e = 65mm，偏心弯矩M = N*e。 f=6M2 * 0.7 hf Lw2 = 6 * 145.649 *103*652 * 0.7 * 5 * 3902 = 53.4 N/mm2f = N2 * 0.7 hf Lw = 145.649 * 1032

21、* 0.7 * 5 * 390 = 53.4 N/mm2。( ff)2+f2=(53.41.22)2+53.42 = 69.0 N/mm2<ff w=160 N/mm2。1 - 2杆与节点板间理论上不传力，但按照节点构造要求，采用与杆2 3相同的焊缝。2 : 节点板强度及稳定性验算 N 2 - 6力作用下强度验算：由图量出 be = 213 mm， = 130.433 * 103213 * 6 = 102.1 N/mm2 < f = 215 N/mm2N 2 - 7力作用下节点板拉剪验算： 1 = 49.9° 2 = 90° 3 = 40.1° l1

22、= 57.3mm l2 = 70mm l3 = 88.4mm 1 = 0.739 2 = 1 3 = 0.79466.558 * 1030.739 * 57.3 + 70 + 0.794 * 88.1* 6 =60.85N/mm2<f = 215N/mm2对于无竖腹杆的节点板，c/t = 54/6 = 9 10235/fy 时，节点板的稳定承载力为：0.8 bet f = 0.8 * 213 * 6 * 215 * 103 = 219.8 KN>N2-6 =130.433KN节点板的自由端长度 lft = 3206 = 53.3 < 60 节点板“2”满足要求。 3、节点板“

23、4”验算由节点板“2”可知，槽焊缝可不需再验算，只需满焊即可。 1 : 上弦肢尖角焊缝验算节点板只传递杆3-4 和 杆4-5 的内力差 N = 11.215 KN。取角焊缝宽度为hf=5mm，且焊缝长度为满焊，所以得Lw= 340 2*5 = 330 mm，内力差N = -11.215 KN，偏心距e=65mm，偏心弯矩M =N*e。 f=6M2 * 0.7 hf Lw2 = 6 * 11.215 *103*652 * 0.7 * 5 * 3302 = 5.7 N/mm2f = N2 * 0.7 hf Lw = 11.215 * 1032 * 0.7 * 5 * 330 = 4.9 N/mm2

24、 ff2+f2=5.71.222+4.92= 6.8 N/mm2<ff w=160N/mm22 : 节点板强度及稳定性验算 N 4 - 7 力作用下强度验算：由图量出 be = 184 mm = 26.127 * 103184 * 6 = 23.7 N/mm2 < f = 215 N/mm2 N 4 - 8力作用下强度验算：由图量出 be = 186 mm = 14.936 * 103186 * 6 = 13.4 N/mm2 < f = 215 N/mm2对于无竖腹杆的节点板，c/t = 51/6 = 8.5 10235/fy 时，节点板的稳定承载力为：0.8 bet f =

25、 0.8 * 184 * 6 * 215 *103= 190.0 KN>N4 - 7 = 26.317KN节点板的自由端长度 lft = 2156 = 35.8 < 60节点板“4”设计满足要求。 4、节点板“7”验算1 : 节点板与下弦杆连接焊缝：节点板“7”只传递杆6-7 和 杆 7-8 的内力差N = -65.799 KN取下弦杆与节点板的连接焊缝宽为 hf = 5 mm肢背焊缝长度Lw1 为 : Lw1 K1 N2 * 0.7 hf ffw + 2 hf = 0.7 * 65.799 * 1032 * 0.7 * 5 * 160 + 2 *5 = 51.1 mm 肢尖焊缝则

26、更小，所以无需再计算，肢尖、肢背均满焊即可。 2 : 节点板强度及稳定性验算 N 4 - 7 力作用下强度验算：由图量出 be = 178 mm = 26.127 * 103178 * 6 = 24.5 N/mm2 < f = 215 N/mm2N 3 - 7 力作用下强度验算：由图量出 be = 182 mm = 25.317 * 103182 * 6 = 23.2 N/mm2 < f = 215 N/mm2 N 2 - 7力作用下节点板拉剪验算： 1 = 42.8° 2 = 90° 3 = 47.2° l1 = 75mm l2 = 70mm l3

27、= 63mm 1 = 0.694 2 = 1 3 = 0.72166.558 * 1030.694 * 75 + 70 + 0.721 * 63*6 = 66.3N/mm2<f = 215N/mm2节点板“7”设计满足要求。5、下弦跨中拼接节点“8”1 : 下弦杆拼角钢计算拼接角钢与下弦角钢使用相同的2L90 x 6角钢，设焊缝宽度宽度为 hf = 5m，为了便于施焊，切去拼接角钢肢尖部分竖肢，切去 = t + hf + 5 = 6 +5+5=16。再切去拼接角钢的直角棱边，所以下弦杆与拼接角钢在接头一侧的角钢在接头一侧的焊缝长度为：Lw'= N4 * 0.7 hf ffw +

28、2hf = 161.497 * 1034 * 0.7 * 5 * 160 + 2 * 5 = 82.1mm取 Lw'为140mm，下弦角钢间隙取20，则拼接角钢的长度为 2Lw' + 20 = 300mm。2 : 下弦杆与节点板焊缝计算因节点板两端杆件内力差0，所以取一侧内力(161.497KN)的15进行计算。取角焊缝宽度 hf 5，节点板满焊，则：角焊缝长度为Lw'= 400 2*5 = 390 mm。肢背焊缝： 0.15 1 N2 * 0.7 hf Lw' =0.15 * 0.7 * 161.497 * 1032 * 0.7 * 5 * 390 = 6.2

29、 N/mm2<ff w=160N/mm2肢尖焊缝：0.15 2 N2 * 0.7 hf Lw' =0.15 * 0.3 * 161.497 * 1032 * 0.7 * 5 * 390 = 2.7 N/mm2<ff w=160N/mm23 : 强度及稳定性验算 N 4 - 8力作用下强度验算：由图量出 be = 178 mm = 14.936 * 103178 * 6 = 14.0 N/mm2 < f = 215 N/mm2节点板“8”设计满足要求。为了便于拼接节点现场施焊，需进行提前定位，在拼接角钢的两侧翼橼板和下弦杆底部布置安装螺栓。安装螺栓孔径及位置见结构施工详

30、图。6、上弦跨中节点“5”1 : 槽焊缝计算槽焊缝所受的力大小为：2P2N4-5* sin =2 * 13.977 2 * 156.864 * sin7.13°=-11.0KN因槽焊缝所受的力很小，所以可以不需验算槽焊缝，槽焊缝满焊即可满足受力要求。2：上弦拼接角钢的计算拼接角钢与上弦角钢使用相同规格的2L90 x 6角钢，设焊缝宽度为 hf = 5m，上弦杆与拼接角钢在接头一侧的角钢在接头一侧的焊缝长度为：Lw= N4 * 0.7 hf ffw + 2hf = 156.864 * 1034 * 0.7 * 5 * 160 +2*5 = 80mm取Lw 为240mm，取 b=20，则

31、拼接角钢的长度为2Lw+ 20 = 500mm。 3、上弦肢尖与节点板“5”的连接焊缝验算 节点板只传力为 N = 0.15 N4-5 = 23.5 KN。取角焊缝长度为hf=5mm，焊缝为满焊，所以Lw=145 2 * 5 =135 mm偏心距e=65mm，偏心弯矩M =N*e。 f=6M2 * 0.7 hf Lw2 = 6 * 23.5 *103*652 * 0.7 * 5 * 1352 = 71.8 N/mm2f = N2 * 0.7 hf Lw = 23.5 * 1032 * 0.7 * 5 * 135 = 24.9 N/mm2 ff2+f2=71.81.222+24.92=63.9N/mm2<ff w=160N/mm2 节点板“5”设计满足要求。7、支座节点“6”设计图4 ：支座节点设计锚栓采用2M20，栓孔取40mm，栓孔位见图。在节点板中心线上设置加劲肋，加劲肋高度与节点板高度一致。根据竖腹杆和斜腹杆焊缝尺寸，支座处节点板采用不规则多边形，尺寸见图4，厚度 t = 8mm，为了方便施焊，取底板上表面至下弦杆肢背的距离为140mm，且在支座中线处设