钢结构设计课程设计

1、钢结构课程设计2012年 1 月 2 日目录一、设计资料 . 1二、结构形式及支撑布置 . 2 1三、荷载计算 . 4四、内力计算 . 5五、杆件设计 . 6六、节点设计 . 10七、参考资料 . 17八、附表一 . 18九、附表二 . 19一、设计资料某车间跨度为24m，厂房总长度72m，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-20，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1.5×6 m预应力钢筋混凝土大型屋面板，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400&

2、#215;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。屋架形式荷载（标准值）永久荷载： 改性沥青防水层0.35kN/m220厚1:2.5水泥砂浆找平层 100厚泡沫混凝土保温层 屋架和支撑自重为 可变荷载 基本风压： 积灰荷载0.35kN/m2 0.30kN/m2 0.75kN/m2 0.7kN/m2基本雪压：（不与活荷载同时考虑） 不上人屋面活荷载0.4kN/m2 0.6kN/m21.4kN/m2预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）（0.120+0.011L）kN/m2二、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150715071508150

3、7150715071507150727983302516132233281965249195028501501350300030300030005012000图2.1 桁架形式及几何尺寸桁架支撑布置如图2.2所示308132539556图2.2 桁架支撑布置桁架及桁架上弦支撑布置桁架及桁架下弦支撑布置垂直支撑 1-1垂直支撑2-2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

4、屋面分布的永久荷载乘以cos=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=0.12+0.011跨度）计算，跨度单位为m。标准永久荷载：改性沥青防水层1.004x0.35=0.351kN/m2 1.004x 0.4=0.402kN/m2 1.004x 0.6=0.602kN/m2 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） 1.004x 1.4=1.406kN/m2屋架和支撑自重为 0.120+0.011x24=0.384kN/m2 _共 3.145kN/m2标准可变荷载：屋面活荷载积灰荷载 0

5、.7kN/m2 0.75kN/m2_共 1.45kN/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=(1.353.145kNm+1.40.70.7kNm+1.40.90.75kNm222)1.5m6m=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=1.353.145kNm1.5m6m=38.21kN（按永久荷载效应控制的组合）F1,2=1.23.145kNm1.5m6m=33

6、.97kN22（按可变荷载效应控制的组合） 2=1.03.145kNm1.5m6m=28.31kN 对结构有利时：F1，3半跨可变荷载设计值：F2,1=1.4(0.70.7kNm+0.90.75kNm22)1.5m6m=14.68kN（按永久荷载效应控制的组合） F2,2=1.4(0.7+0.90.75)kNm1.5m6m2=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=1.20.384kNm21.5m6m=4.15kN 对结构有利时：F3,2=1.00.384k

7、Nm21.5m6m=3.46kN半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：F4=(1.21.4kNm+1.40.7kNm22)1.5m6m=23.94kN四、内力计算荷载组合（1）计算简图如图4.1，荷载组合（2）计算简图如图4.2，荷载组合（3）计算简图如图4.3.图 4.1 荷载组合（1）图 4.2 荷载组合（2）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杆件的最大设计内力设计。N=788.27kN=788270N上弦杆计算

8、长度：在桁架平面内，为节间轴线长度：lox=150.7cm在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取：loy=150.73=452.1cm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：A=Nf=778270N0.807215kNmm2=4485.6mm2需要的回转半径：ix=lox=150.7cm60=2.51cm ， iy=loy=452.1cm60 =7.54cm根据需要的A、ix、iy查角钢规格表，选用2140×90

9、15;10，A=5063mm2，ix=2.85cm，iy=7.70cm，b1t=160cm=16，按所选角钢进行验算：x=loxix=150.7cm2.86cm=52.88 b1t=160.56loxb1=5.27 yz22loytb1=3.71+ 4 t52.7b122160452110 =3.7 1+41052.7160=60.26 =150截面x和界面y都为b类截面，由于xyz，只需要求y。查表的y=0.806。N=778270N0.8065063mm2yA=190.72215Nmm2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

10、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=Nf=779070N215Nmm2=3623.6mm2选用21409010，A=4452mm2，ix=2.56cm，iy=6.77cm，由于loy lox，故用不等肢角钢短肢相并oy=loyiy=1185cm6.77cm=175=350考虑到下弦有221.5mm的栓孔削弱，下弦净截面面积：An=4452mm-221.510mm=4022mm222 =所选截面合适。NAn=779070N4022mm2=176.3Nmm2215Nmm2 9（3）端斜杆aB杆件轴力： N=470.35kN=470350N计算长

11、度lox=loy=249.4cm，因为lox=loy，故采用不等值角钢长肢相并。使ixiy设=60，查表得=0.807。A=N=470350N0.807215kNmm2f=2710.9mm2ix=lox=249.4cm60=4.16cmix=3.98cm选用21258010，A=3942mm2，iy=3.31cm，按所选角钢进行验算：x=loxix=249.4cm3.98cm=62.67 b2t=80.48loyb2=14.96 yz41.09b2=y 1+22 ltoy4249.41.0980 = 1+223.31249410=80.76 =150截面x和界面y都为b类截面，由于xyz，只需

12、要求y。查表的y=0.683。N=470350N0.6833942mm2yA=174.70Nmm215Nmm2 2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用，桁架平面内的计算长度取0.8lox=0.8329.5cm=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=329.5cm。设=60，查表得=0.807A=N=97750N0.807215kNmm2f=563.4mm2，选用等肢角钢，10 ix=0.8lox=0.8329.5cm60=4

13、.39cm，ix=lox=329.5cm=5.49cm2704，A=1114mm2，ix=1.96cm，iy=2.94cm，按所选角钢进行验算：x=loxix=263.6cm2.18cm=120.9 =150bt=15.750.58loyb=0.58329563=30.3 yz440.475b329.50.47570=y 1+= 1+2222 lt2.9432954oy=119.4 =150截面x和界面y都为b类截面，由于yzx，只需要求x。查表的x=0.433。=N=977500.4331114=202.6215Nmm2xA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

14、杆Bb腹杆拉力设计值为 N=357.85kNA=Nf=357850N215Nmm2=1664.4mm2选用2806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0.8lox=205.5cm，loy=256.9cm，x=loxix=205.5cm2.47cm2=83.2 =350，x=loxix=256.9cm3.65cm=70.4 =350A=1879mm1664.4mm2故所选截面合适。 (6)竖杆Ie竖杆拉力设计值： N=144.39kNA=Nf=144390N215Nmm2=671.6mm2选用250

15、4组成十字形截面，A=779mm2，ix=1.54cm，iy=2.43cm，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0.8lox=246.5cm，loy=308.1cm，x=loxix=246.5cm1.54cm2=160.1 =350，x=loxix=308.1cm2.43cm=126.8 =350A=779mm671.6mm2故所选截面合适。其他腹杆：竖杆Aa、Cb、Ec、Gd选用2504组成的十字形截面，腹杆Db选用21409010短肢相并，腹杆Dc、Fd、Hd选用2704组成的梯形截面，腹杆Fc选用2806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

16、的选择见附表2六、节点设计（1）下弦节点“b”52.89235.31605.59有E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压、和抗剪强度设计值ffw=160Nmm2。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：lw=0.7N2heffw=0.7357850N20.78mm160Nmm0.3357850N20.76mm160Nmm2=139.8mm，加2hf后取16cm''肢尖： lw=0.3N2hefwf=2=79.9mm，加2hf后取10cm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.

17、75N2hefwf=0.75280260N20.78mm160Nmm0.25280260N20.76mm160Nmm2=117.2mm，加2hf后取14cm''= 肢尖： lw0.25N2hefwf=2=52.1mm，加2hf后取7cm“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

18、力最大，取肢背进行计算，则肢背处的焊缝应力为：f=85.2Nmm20.76mm（400-12）0.75370080N2160Nmm2焊缝强度满足要求。（2）上弦节点B“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： lw='0.65N2hefwf=0.65470350N20.710mm160Nmm0.35470350N20.78mm160Nmm22=136.5mm，加2hf后取16cm肢尖： lw=''0.3N2heffw=91.9mm，加2hf后取11cm考虑焊缝长度，同时为了在上弦

19、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295mm480mm。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h'f=12节点板厚度=1210=5mm，h''f=8mm由节点板的长度确定槽焊缝的长度为480mm，=220.7hflw2w20.75480-102=105.6Nmm<0.8ff=0.8160Nmm=128Nmm上弦肢尖角焊缝的剪应力为：=220.7hflw2w20.78480-16=22.6Nmm&l

20、t;0.8ff=160Nmm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：'= 肢背：lw0.7N2hefwf=0.7186230N20.76mm160Nmm0.3186230N20.76mm160Nmm2=97.0mm，加2hf后取11cm''= 肢尖： lw0.3N2heffw=2=41.6mm，加2hf后取6cm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：lw0.7N2hefwf=0.7120380N20.76mm160Nmm0.3120380N

21、20.76mm160Nmm22=62.7mm，加2hf后取8cm''肢尖： lw=0.3N2heffw=26.9mm，由于焊缝计算长度不得小于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hf=6mm。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应力为：f=45.4Nmm20.76mm（315-12）0.75153910N2160Nmm2焊缝强度满足要求。（4）下弦节点“d”设“Fd”杆的肢背和肢尖焊

22、缝hf=6mm和6mm，则所需的焊缝长度为：'= 肢背：lw0.7N2heffw=0.758020N20.76mm160Nmm2=30.2mm<8hf=48mm，计算长度取48mm，加2hf后取7cm''= 肢尖： lw0.3N2hefwf=0.358020N20.76mm160Nmm2=13.0mm <8hf=48mm，计算长度取48mm，加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： lw0.7N2hefwf=0.739310N20.76mm160Nmm2=20.5mm<8hf=

23、48mm，计算长度取48mm，加2hf后取7cm''= 肢尖： lw0.3N2hefwf=0.339310N20.76mm160Nmm2=8.8mm<8hf=48mm，计算长度取48mm，加2hf后取6cm。“Cb”杆的内力为52890N，hf=6mm。'=肢背：lw0.7N2hefwf=0.752890N20.76mm160Nmm2=39.3mm<8hf=48mm，焊缝长度取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“e

24、H”计算内力为97.75kN，hf=6mm，肢背的焊缝长度为：lw='0.7N2heffw=0.797750N20.76mm160Nmm2=50.9mm，加2hf后取7cm'=肢尖：lw0.3N2hefwf=0.397750N20.76mm160Nmm2=21.8mm<48mm，取焊缝长度为6cm。节点板取325mm270mm。验算下弦节点板的焊缝。计算内力为0.15779.07kN=116.86kN，hf=6mm，焊缝长度为270，焊缝肢背的剪应力为：f=40.44Nmm20.76mm（270-12）0.75116860N2160Nmm2，肢尖受力较小，不必验算。故焊缝

25、合适。竖杆“eI”焊缝计算：mm拉力为144.39kN，取hf=8''lw=，0.3N2heffw=0.714439N20.78mm160Nmm2=56.4mm考虑起弧和灭弧，焊缝长度取7cm，肢尖受力较小，按构造确定焊缝长度为6cm。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+5mm=(10+6+5)mm=21mm l=2A2fwf40.7hff+2hf+(10 20)mm14452215=2 +26+(10 20)mm=368+(10 20)mm40.76160拼接角钢的总长度取40cm。（6）上弦节点“C”、“E”、“G”。由于节点处

26、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6.5.1 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：hf=8mm，lw=14cm肢尖：hf=6mm，lw=7cm 杆“Dc” 肢背：hf=6mm，lw=11cm肢尖：hf=6mm，lw=6cm 节点“F”：杆“Fc” 肢背：hf=6mm，lw=8cm肢尖：hf=6mm，lw=6cm 杆“Fd” 肢背：hf=6mm，lw=7cm肢尖：hf=6mm，lw=6cm 节点“H”：杆“Hd” 肢背：hf=6mm，lw=7cm肢尖：hf=

27、6mm，lw=6cm 杆“He” 肢背：hf=6mm，lw=7cm肢尖：hf=6mm，lw=6cm 节点“D”、“F”、“H”所选择的连接板尺寸分别为：230mm335mm，220mm255mm，235mm245mm。 （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=23mm，其中hf取8mm，接头一边的焊缝长度按弦杆的内力计算。751040N40.78mm160mm2一条焊缝所需的焊缝长度为：lw=209.6mm，拼接角钢的长度取500mm>2209.6mm+48mm+152=481.2mm，合适。根据腹杆的内力，取节点板尺寸为200m

28、m450mm，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52.89kN，焊缝承受的剪应力：f=F20.7hflw=52890N20.75mm380mm=19.9Nmm160Nmm2，满足。2上弦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，节点板的长度为200mm，则节点一侧弦杆的计算长度为：lw=450mm2-15mm-28mm=194mm，焊缝应力为：=51.8Nmm2Nf=0.15751040N20.78mm194mm22= Mf0.15751040N75mm6

29、20.78mm194mm2=120.3Nmm=2=112.8Nmm160Nmm2（8）支座节点“a”6.8.1 支座节点6.8.2 支座底板hf=10mm lw=16cm，hf=8mm 腹杆“aB”的焊缝尺寸同节点“B”肢背：肢尖：lw=11cm。节点板的厚度为12cm，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=8mmlw=14cm，肢尖：hf=6mmlw=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=852.89kN=423.12kN 支座所需的净截面为：An=Rfc=423120N12.5Nmm2=33849.6mm2选择的支座底板的尺寸如图6.8.2。仅考虑有加劲肋的部分承受支座反力，由于290mmx232mm=67280mm²>33849.6mm²，故底板的