土木工程钢结构设计

1、XX 大 学课程设计说明书设计题目： 三角形钢屋架结构设计院 系 土木建筑学院 专 业 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2222年2月31日 目 录1 设计背景11.1 设计资料11.2 屋架形式22 设计方案22.1 檩条布置32.2 支撑布置33 方案实施53.1 屋架节点荷载计算53.2 屋架杆件内力计算53.3 截面设计63.4 节点设计134 施工图181 设计背景1.1 设计资料厂房位于江门市，为单层单跨结构，总长度120m，檐口高度15m，屋面材料采用压型钢板。屋架简支于混泥土柱上，柱的混泥土等级为C30，柱顶截面尺寸为。其中略去檩条设计，不考虑抗震设防。厂房柱距：6m三角

2、形钢屋架，半跨如图（1b），总跨度为24m。弦杆截面形式：（2a）双角钢T形截面（1b）荷载取值: *永久荷载: 水平投影标准值(kN/m2)压型钢板(含保温) 0.35檩条 0.05屋架及支撑 (0.12+0.01124)*可变荷载：屋面活荷载 0.30+（46-43）43/2000根据该地区的温度及荷载性质, 钢材采用Q235-B 其设计强度, 焊条采用E43型, 手工焊接。构件采用钢板及热轧型钢，构件与支撑的连接用M16普通螺栓。 1.2 屋架形式三角形钢屋架：全跨如图图1屋架形式2 设计方案2.1屋架尺寸、檩条间距屋架计算跨度：=300=24000300=23700mm屋面倾角： 屋架

3、跨中的高度为：上弦长度：节间长度： 檩条间距：节间水平投影长度：a=25530.9285=2370mm屋架几何尺寸见图2。图2 屋架几何尺寸（单位：mm）2.2 檩条布置檩条布置：檩条采用槽钢檩条，跨度为6m，直接支承于钢屋架上，除节点上各放一根外，在每节间放两根，檩距为25533=851mm，檩条间跨中设一根拉条10 (檩条跨度大于4m)。2.3 支撑布置根据厂房总长度120m60m，跨度为24m，为了使屋盖结构成为具有足够空间刚度和稳定性的受力体系可在厂房两端的第二开间（因第一开间尺寸为5.5m）和厂房中部（两横向支撑间距超过60m）设置三道上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑及垂直支撑(沿

4、厂房的纵向：屋架的垂直支撑应与上、下弦横向水平支撑设置在同一柱间；沿厂房的横向当跨度18m时，在同一开间两榀相邻屋架的腹杆间宜设置两道（在跨度1/3左右处各一道）)；并在下弦跨中央设置一道通长的柔性系杆。此外，在厂房两端的第一开间下弦各设置三道刚性系杆(上弦因有檩条可不设系杆)。由于该厂房处在非采暖地区，纵向温度区（垂直于屋架或构架跨度方向）120m220m，故可不设温度伸缩缝，（见下图）。 图3 屋架支撑布置（单位;mm）（a） 上弦横向水平支撑；（b）下弦横向水平支撑；（c）垂直支撑3 方案实施3.1屋架节点荷载计算1. 永久荷载计算（对轻屋面，可只考虑可变荷载效应控制的组合）：永久荷载：

5、 水平投影标准值(kN/m2)压型钢板（含保温）： 0. 35檩条和拉条： 0. 05屋架及支撑： 0.12+0.01124=0.384 =0.7842. 可变荷载计算（屋面坡度较小，风荷载为吸力，可不考虑风荷载和积灰荷载影响）：可变荷载： 水平投影标准值(kN/m2)屋面活荷载： 0.30+（46-43）43/2000=0.3645 =0.36453 .屋架上弦在节点处的集中荷载屋架上弦在节点处的集中荷载设计值由可变荷载效应控制的组合为F=（1.20.784+1.40.3645）62.37=20.633.2 屋架杆件内力计算由于屋面坡度较小，风荷载为吸力，且远小于屋面永久荷载，故其与永久荷载

6、组合时不会增大杆件的内力，因此不予考虑。芬克式屋架在半跨活荷载作用下，腹杆内力不会变号，故只需按全跨永久荷载与全跨可变荷载组合计算屋架杆件的内力。根据建筑结构静力计算手册，十节间芬克式屋架，n=Lh=5，N=5.385165，F=11.18034,全跨恒载0.78462.37=11.15，全跨活载0.364562.37=5.18，先查得杆件内力系数，再乘以节点荷载，即可得出杆件内力，分别如下表1和下图所示。表1 注：负为受压，正为受拉。图4 各杆的内力图（单位：KN） 3.3截面设计一、 上弦杆弯矩屋架上弦杆在节间荷载作用下的弯矩，按下列近似公式计算：上弦杆端节的最大正弯矩其他节间的最大正弯矩

7、和最大负弯矩是视上弦节间杆端为简支梁的最大弯矩。计算时屋架及支撑自重仅考虑上弦杆重量，假设沿上弦杆为0.25。上弦杆节间集中荷载=节间简支梁最大弯矩=端节间最大正弯矩 其他节间最大正弯矩和最大负弯矩弯矩图如图所示。图5 弯矩图二、 杆件截面选择 先将各杆件内力设计值、几何长度、计算长度入表2内，分别计算各杆件需要的截面及填板，然后，填入表中。 按弦杆最大内力-282.73kN，由表2选出中间节点板厚度为l0mm，支座节点板厚度为12mm。(1) 上弦杆（压弯构件）上弦杆内力计有：，；故该杆应按压弯杆计算。整个上弦杆不改变截面，按最大内力计算。 图6 上弦截面（单位：mm）=-282.73，=2

8、55.3cm，=2=2255.3=510.6cm。选用210010组成的T形截面，节点板厚为10mm，查型钢表得：A=219.26=38.52，W1x=Wxmax=263.29=126.58cm3 W2x=Wxmin=225.06=50.12cm3 =3.05cm，=4.52cm1)强度验算（截面无削弱），截面强度验算由负弯矩控制：2)弯矩作用平面内的稳定性验算：在节间，正弯矩使角钢水平肢受压，W1x=Wxmax；在节点处，负弯矩使角钢水平肢受拉，W1x=Wxmin，按b类截面查附录（轴心受压稳定系数表），按有端弯矩和横向荷载同时作用使弦杆产生反向曲率，故取等效弯矩系数采用最大正弯矩验算：=9

9、6.87+26.833=123.703N/mm2 N/mm2用最大负弯矩验算：=96.87+44.517=141.387N/mm2 N/mm2补充验算：平面内长细比和稳定性均满足要求。3)弯矩作用平面外的稳定性验算。由负弯矩控制：，查附录（轴心受压稳定系数表），（弯矩使翼缘受拉）。在计算长度范围内弯矩和曲率多次改变向号，为偏于安全，取。平面外长细比和稳定性均满足要求。局部稳定验算： 对由2100*10组成的T形截面压弯构件：翼缘：满足局部稳定要求。 腹板：亦满足要求。 所选上弦杆截面完全满足各项要求，截面适用。4)上弦填板的设置。一个角钢对于平行于填板的自身形心轴的回转半径，。上弦为压杆，节间

10、长度为255.3cm，每节间设两块填板，则间距为：填板尺寸为。(2) 下弦杆。下弦杆均为拉杆，整个下弦采用等截面，按最大内力计算。屋架平面内计算长度按最大节间，即；屋架平面外计算长度因跨中有一道系杆，故。下弦杆所需截面积为 选用2L，采用短肢相并，。强度验算：下弦杆强度满足要求。长细比验算：下弦杆长细比满足要求。所选下弦杆截面适用。下弦填板设置：一个角钢对于平行于填板的自身形心轴的回转半径，拉杆按节间设两块填板：填板尺寸为(3)中间竖腹杆。中间竖腹杆，cm。对连接垂直支撑的屋架，采用2L 564组成的十字形截面，cm，单个角钢L 56，。按支撑压杆验算容许长细比。填板设置按压杆考虑：，设置4块

11、，填板尺寸为(4)主斜腹杆、。主斜腹杆、两杆采用相同截面，内力设计值为。所需净截面面积 ，选用2L 454， ，考虑桁架分为两小榀运输时，主斜腹杆需用螺栓在工地拼接，安装螺栓直径取16mm，螺孔直径17.5mm，则实际。强度验算：容许长细比验算： 填板设置按，、各设置两块，343.7/3=114.57cm110.4cm。填板尺寸为。（5）腹杆、。，所需净截面面积 ，选用2L 504，容许长细比验算： 按b类截面查附录（轴心受压稳定系数表）故腹杆、截面选用2L 504。填板按，应设4块垫板，因腹杆受力不大，且两端焊于节点板上，为减小焊缝起见，采用4块腹板，填板尺寸为。（6）腹杆、。2根杆均为压杆

12、、受力及长度均小于杆，故可均按杆选用2L 454，只采用1块填板，填板尺寸为。（7）腹杆、。两者均为拉杆。，仍选用2L 504，验算如下：填板设置：按，设一块，则，满足条件。只采用1块填板，填板尺寸为。桁架杆件计算列表，见表2。杆件名称杆件编号内力设计值（kN）计算长度（mm）选用截面截面面积A（cm2）杆件受力类型长细比容许长细比计算应力(N/mm2)杆件端部的角钢肢背和肢尖焊缝（mm）填板数(每节间)上弦AB、BC、CD、DE、EF、-250.062553510621001038.52压杆83.7112.11500.480117.026905602下弦AH、HJ、JM+232.114976

13、1185027550512.24拉杆3463153505905502腹杆BH、EK-19.1924546.98压杆3505505501CH、DK+25.79184125047.8拉杆=119.5335033.065505501CJ、DJ-32.192283285425047.8压杆148.3117.451500.3111505605304JK、KF+103.163437687424566.98拉杆249306350184.875755452FM042664266256410.84零杆=1962004042664266256410.84零杆=1962004表2 屋架杆件截面3.4节点设计本例只选

14、择几个有代表性的、重要的节点进行计算，其余节点的计算过程从略，可参见屋架施工图。1. 屋脊节点（见图7）腹杆KF与节点板的连接焊缝，查表得=160（以下同），取肢背和肢尖的焊脚尺寸分别为=5mm和=5mm，则杆端所需的焊缝长度分别为肢背：=+10=+10= 10=71.7mm故取=75mm。图7 屋脊节点（单位：mm）故肢尖：=+10=+10=10=40.4mm取=45mm。拼接角钢采用与上弦杆等截面，肢背处削棱，竖肢切去V=t+5=16mm，取V=20mm，并将竖肢切口后经热弯成型用对接焊缝焊接。拼接接头一侧所需的焊缝计算长度为 =126.2mm取=130mm拼接角钢的总长度为 =2（+10

15、）+d=2（130+10）50=330mm上弦杆与节点板的塞焊缝，假定承受节点荷载F2，验算从略。上弦肢尖与节点板的焊缝连接按弦杆内力的15%计算，且考虑由此产生的偏心弯矩作用（偏心距e=72mm）。设肢尖焊缝焊脚尺寸=5mm，节点板总长度为660mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为 =（6602）-20-10（660/2）/0.92852010=325mm焊缝应力为 =18.6=24.8=27.6=160由以上计算结果可知，因弦杆与节点板的连接焊缝受力不大，且连接长度较大，故可按照构造进行满焊，不必计算。2. 下弦拼接节点（见图8） 图8 下弦拼节点（单位：mm） 屋架跨度24m超过运输界限

16、，故将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点F和下弦节点J处设置工地拼接。腹杆杆端与节点板的焊缝连接按JK、JC和JD中最大内力=77.37计算。设肢背和肢尖的焊脚尺寸均取=5mm，则杆端所需的焊缝长度分别为肢背：=+10=+10=56.3mm故取60mm。肢尖：=+10=+10=22.8mm故按构造取30mm。拼接角钢采用与下弦杆相同截面，肢背处削棱，竖肢切去V=t+5=15mm。按拼接焊缝与杆件等强度原则，接头一侧所需的焊缝计算长度为 = =117.5mm故取120mm。节点板长度=2（+10）+10=2（120+10）+10=270mm下弦与节点板连接的焊缝长度为270mm。hf=5mm。焊缝所受的力为下弦与节点板的连接焊缝按弦杆内力与的内力差计算，N=206.32-128.95=77.37kN。受力较大的肢背处所受的焊缝应力为：=26.57N/mm2160 N/mm2焊缝强度满足要求3. 上弦节点D（见图9） 图9 上弦节点D（单位：mm） 各腹杆杆端与节点板的焊缝计算从略，节点板的形状和尺寸如图10所示。设肢背和肢尖的焊脚尺寸均取=5mm，则杆端所需的焊缝长度分别为肢背：=+10=+10=28.68m