钢结构设计计算书

PAGEPAGE28钢屋架设计计算一、设计资料屋面采用梯形钢屋架、预应力钢筋混凝土屋面板。钢屋架两端支撑于钢筋混凝土柱上（砼等级C20）。钢屋架材料为Q235钢，焊条采用E43型，手工焊接。该厂房横向跨度为24m，房屋长度为240m，柱距（屋架间距）为6m，房屋檐口高为2.0m，屋面坡度为1/12。二、屋架布置及几何尺寸屋架几何尺寸图屋架计算跨度=24000-300=23700mm。屋架端部高度H0=2000mm。二、支撑布置三、荷载计算荷载永久荷载预应力钢筋混凝土屋面板（包括嵌缝）1500N/m2=1.5KN/m2屋架自重（120+11×24）=0.384KN/m2防水层380N/m2=0.38KN/m2找平层2cm厚400N/m2=0.40KN/m2保温层970N/m2=0.97KN/m2支撑自重80N/m2=0.08KN/m2小计∑3.714KN/m2可变荷载活载700N/m2=0.70KN/m2以上荷载计算中，因屋面坡度较小，风荷载对屋面为吸力，对重屋盖可不考虑，所以各荷载均按水平投影面积计算。永久荷载设计值：1.2×3.714=4.457kN/m2可变荷载设计值：1.4×0.7=0.98kN/m22、荷载组合设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：全跨永久荷载+全跨可变荷载屋架上弦节点荷载：P=（4.457+0.98）×1.5×6=48.93kN全跨永久荷载+半跨可变荷载屋架上弦节点荷载：P1=4.457×1.5×6=40.11kNP2=0.98×1.5×6=8.82kN全跨屋架与支撑+半跨屋面板+半跨屋面活荷载全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载：P3=1.2×（0.384+0.08）×1.5×6=5.01kN作用于半跨的屋面板及活载产生的节点荷载：取屋面可能出现的活载P4=（1.2×1.5+1.4×0.7）×1.5×6=25.02kN以上1），2）为使用阶段荷载组合;3）为施工阶段荷载组合。四、内力计算按力学求解器计算杆件内力，然后乘以实际的节点荷载，屋架要上述第一种荷载组合作用下，屋架的弦杆、竖杆和靠近两端的斜腹杆内力均达到最大值，在第二和第三种荷载作用下，靠跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生变号，因此，在全跨荷载作用下所有杆件的内力均应计算，而在半跨荷载作用下，仅需计算近跨中的斜腹杆内力，取其中不利内力（正、负最大值）作为屋架的依据。具体计算见图屋架各杆内力组合见表。全跨荷载布置图全跨荷载内力图左半跨荷载布置图左半跨荷载内力图右半跨荷载布置图右半跨荷载内力图内力计算表表1杆件名称杆内力系数全跨永久荷载+全全跨可变荷载载P=48.93kkNN=P×③全跨永久荷载+半半跨可变荷载载P1=40.11kNP2=8.82kNN左=P1×③+P22×①N右=P1×③+P22×②全跨屋架支撑+半半跨屋面板+半跨可变荷荷载P3=5.01kNP4=25.02kNN左=P3×③+P44×①N右=P3×③+P44×②计算内力KNP=1在左半跨在右半跨全跨①②③上弦杆10-11000000011-13-6.35-2.51-8.86-424.57-393.55-346.13-253.62-132.50-393.5513-15-9.35-4.65-14.00-670.88-613.42-555.38-379.18-230.94-613.4215-17-9.62-6.39-16.01-767.20-688.25-648.36-399.80-297.92-688.2517-18-7.84-7.84-15.68-751.39-654.53-654.53-341.67-341.67-654.53下弦杆1-23.511.254.76228.10212.65184.74139.3668.08212.652-38.223.6211.84567.37522.64465.83330.54185.45522.643-49.755.5415.29732.70664.25612.25399.56266.78664.254-58.927.1216.04768.64680.67658.44377.90321.13680.67斜腹杆1-11-6.54-2.35-8.89-426.01-396.97-345.22-259.79-127.64-396.9711-24.892.177.06338.32311.50277.91196.73110.94311.502-13-3.54-2.09-5.63-269.79-243.97-226.06-145.54-99.81-243.9713-32.061.893.95189.28165.93163.8488.7583.90165.933-15-0.86-1.83-2.69-128.90-106.30-118.28-43.82-73.91-118.2815-4-0.321.671.3564.6944.0668.39-1.9760.8068.39-1.974-171.441.63-0.19-9.1011.0313.3744.2750.2750.2717-5-2.401.50-0.90-43.13-61.65-13.49-81.1141.89-81.11竖杆1-10-0.500-0.50-23.96-23.96-17.78-21.79-3.01-23.962-12-1.000-1.00-47.92-47.92-35.57-37.56-6.02-47.923-14-1.000-1.00-47.92-47.92-35.57-37.56-6.02-47.924-16-1.000-1.00-47.92-47.92-35.57-37.56-6.02-47.925-180.800.801.6076.6747.0347.0334.8634.8547.03五、杆件截面设计1、上弦杆截面计算整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算N=-688.25kN（压力），查《钢结构设计手册》，节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。计算长度屋架平面内取节间轴线长度屋架平面外根据支撑和内力变化取因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并。如图1所示。yyyxx12图1上弦截面设，查轴心受压构件的稳定系数表需要截面积需要回转半径根据需要的A、ix、iy，查角钢型钢表，选用2∟，A=50.6c㎡,ix=2.85cm,iy=7.78cm。按所选角钢进行验算，满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。2、下弦杆截面计算整个杆件采用同一截面，按最大内力计算，N=680.67kN（拉力）计算长度屋架平面内取节间轴线长度屋架平面外根据支撑布置取计算需要净截面面积选用2∟160×100×10（短肢相并），见图2所示，A=50.60c㎡,ix=2.85cm,iy=7.78cm按所选角钢进行截面验算，取。1212xxyy图2下弦截面所选截面满足要求。3、斜杆截面计算①斜杆1-11N=-396.97kN(压力)，l0x=l0y=l=251.6cm因为l0x=l0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ix=iy选用2∟140×90×10，见图3所示，A=44.6c㎡,ix=2.56cm,iy=6.84cmxxxyy12图3斜杆1-11截面属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。②斜杆11-2N=311.50kN（拉力），l0x=0.8l=208.1cm,l0y=l=260.1cm计算需要净截面面积选用2∟63×8，见图4所示，A=19.02c㎡,ix=1.90cm,iy=3.10cmxxxyy12图4斜杆11-2截面验算：所选截面满足要求。eq\o\ac(○,3)斜杆2-13N=-243.97kN(压力)，l0x=2247mml0y=l=2809mm选用2∟80×7，见图5所示，A=21.72mm2,ix=2.46cm,iy=3.75cmxxxyy12图5斜杆2-13截面属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。eq\o\ac(○,4)斜杆13-3.N=165.93kN（拉力），l0x=0.8l=224.7cm,l0y=l=280.9cm计算需要净截面面积选用2∟56×5，见图6所示，A=10.82c㎡,ix=1.72cm,iy=2.77cmxxxyy12图6斜杆13-3截面验算：所选截面满足要求。eq\o\ac(○,5)斜杆3-15N=-118.28kN(压力)，l0x=241.8cml0y=l=302.3cm选用2∟80×7，见图7所示，A=21.72c㎡,ix=2.46cm,iy=3.75cmxxxyy12图7斜杆3-15截面属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。eq\o\ac(○,6)斜杆15-4N=68.39kN（拉力），l0x=0.8l=2418mm,l0y=l=3023cm计算需要净截面面积选用2∟56×5，见图8所示，A=10.82c㎡,ix=1.72cm,iy=2.77cmxxxyy12图8斜杆15-4截面验算：所选截面满足要求。eq\o\ac(○,7)斜杆4-17N=50.27kN（拉力），l0x=259.5cml0y=l=324.3cm选用2∟56×5，见图9所示，A=10.82c㎡,ix=1.724cm,iy=2.77cmxxxyy12图9斜杆4-17截面满足长细比：的要求。所选截面合适。eq\o\ac(○,8)斜杆17-5N=-81.11kN(压力)，l0x=259.5cml0y=l=324.3cm选用2∟63×6，见图10所示，A=14.58c㎡,ix=1.93cm,iy=3.06cmxxxyy12图10斜杆17-5截面验算由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。4、竖杆截面计算eq\o\ac(○,1)边竖杆1-10N=-23.96kN(压力)，,l0x=l0y=l=201.25cm选用2∟63×10，，A=23.32c㎡,ix=1.88cm,iy=3.07cm属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。eq\o\ac(○,2)竖杆2-12N=-47.92kN(压力)，,l0x=1800mml0y=2250mm选用2∟63×10，A=23.32c㎡,ix=1.88cm,iy=3.07cm属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。eq\o\ac(○,3)竖杆3-14N=-47.922kN(压力)，l0x=20000mml0y=25000mm选用2∟63×110，A=23.332c㎡,ix=1.888cm,iy=3.007cm属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要要求。由于只需求出，查查轴心受压构构件的稳定系系数表，所选截面合适。eq\o\ac(○,4)竖杆4-16N=-47.922kN(压力),l0x=22000mml0y=27500mm选用2∟63×110，A=23.332c㎡,ix=1.888cm,iy=3.007cm属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要要求。由于只需求出，查查轴心受压构构件的稳定系系数表，所选截面合适。eq\o\ac(○,5)竖杆5-18N=47.03kkN(拉力)，l0x=24000mml0y=30000mm选用2∟63×110，A=23.332c㎡,ix=1.888cm,iy=3.007cm满足长细比：的要要求。所选截面合适。中竖杆截面图屋架杆件一览表杆件杆内力kN计算长度截面形式及角钢规格截面积（m㎡）回转半径长细比容许长细比系数φminσ(N/m㎡)loxloyix(mm)iy(mm)λmax上弦-688.2515053010┛┗短肢相并2L160×1000×10506028.577.8531500.842162下弦680.6730006000┛┗短肢相并2L160×1000×10506028.577.8105350—135斜腹杆1-11-396.9725162516┛┗长肢相并2L140×900×10446025.668.4981500.568-15711-2311.5020812601┛┗2L63×8190219.031.0110350—1642-13-243.9722472809┛┗2L80×7217224.637.5911500.614-18313-3165.9322472809┛┗2L56×5108217.227.7131350—1533-15-118.2824183023┛┗2L80×7217224.637.5981500.568-15315-468.3924183023┛┗2L56×5108217.227.7141350—634-1750.2725953243┛┗2L56×5108217.227.7151350—4717-5-81.1125953243┛┗2L63×6145819.330.61351500.365-152竖杆1-10-23.962012.52012.5十字形2L63×10233218.830.71061500.517-202-12-47.9218002250十字形2L63×10233218.830.7961500.581-353-14-47.9220002500十字形2L63×10233218.830.71061500.517-404-16-47.9222002750十字形2L63×10233218.830.71171500.453-455-1847.0324003000十字形2L63×10233218.830.7128350—-51六、节点设计重点设计“1”、“2”、“11”、“18”“5”五个典型节点点，其余节点点设计类同。1．下弦2节点这类节点的设计步步骤是：先根根据腹杆的内内力计算腹杆杆与节点连接接焊缝的尺寸寸，即hf和lw。然后根据据lw的大小比例例绘出节点板板的形状和大大小，最后验验算下弦杆与与节点板的连连接焊缝。选用E43焊条，角焊焊缝的抗拉、抗抗压和抗剪强强度设计值＝＝160N//m㎡，实际所需需的焊脚尺寸寸可由构造确确定。（1）11-2杆的内力力N=3111.5KN，采用三面围围焊，肢背和和肢尖焊缝hf=6mm，所需要要的焊缝长度度为：肢背，取150mmm肢尖，取80mmm（2）2-13杆的内力力N=2433.97KNN，采用三面围围焊，肢背与与肢尖的焊缝缝hf=6mm，所需要要的焊缝长度度为：肢背，取100mmm肢尖，取60mmm竖杆2-12杆的内力力N=-47..92KN，采用三面围围焊，焊缝尺尺寸可按构造造确定取hf=8mm。所需要的焊缝长度度为：因为，所以按两面面侧焊缝计算算。肢背，取40mmm肢尖，取40mmm（4）下弦杆焊缝验算下弦杆与节点板连连接焊缝承受受两相邻下弦弦内力之差。ΔN＝522.64－2212.655＝309.999kN肢背焊缝验算，hhf＝8mm，τf＝＝13N/mm2＜＜160N//mm2焊缝强度满满足要求。根据节点放样，得得节点板尺寸寸为310×360，节点图如下图所示。下弦节点各杆肢尖尖、肢背尺寸寸杆件hf（mm）肢背(mm)hf（mm）肢尖(mm)11-26147mm取1500mm670mm取80mm2-13690mm取1000mm618mm取60mm13-35114mm取1200mm555mm取70mmm3-15674mm取80mmm638mm取60mm15-4553mm取60mm528mm取60mm4-17638mm取60mm623mm取60mm17--5654mm取60mm630mm取60mm2．上弦11节点：：11-2杆节点板板连接的焊缝缝计算与下弦弦节点2中11-2杆计计算相同。1-11杆N＝--396.997kN，采用用三面围焊，设设肢背和肢尖尖hf=8mm，因为，所以按两面面侧焊缝计算算。lw1＝＋16＝1144，取lw1＝150mmlw2＝＋16＝778，取lw2＝80m上弦节点各杆肢尖尖、肢背尺寸寸杆件hf（mm）肢背(mm)hf（mm）肢尖(mm)1-118144mm取1550mm878mm取80mmm11-26174mm取1880mm682mm取90mm2-136139mm取1550mm666mm取70mm13-35114mm取1220mm555mm取70mmm3-15674mm取80mmm638mm取60mmm15-4553mm取60mmm528mm取60mmm4-17638mm取60mmm623mm取60mmm17-5654mm取60mmm630mm取60mmm考虑搁置檩条，节节点板缩进上上弦肢背7mmm，用槽焊焊缝连接，槽槽焊缝按两条条角焊缝计算算，P＝47.922kN。节点板尺寸为2885417设肢尖尖焊缝=5mm，假定定集中荷载P与上弦垂直直，忽略屋架架上弦坡度影影响。肢背焊缝验算：肢尖焊缝验算：节点图如下图所示示。3、屋脊18节点（1）弦杆一般都采用用同号角钢进进行拼接，为为使拼接角钢钢与弦杆之间间能够密合，且且便于施焊，需需要将拼接角角钢的尖角削削除，并截去去垂直肢的一一部分宽度（一一般为t+hf+5mm）。拼拼接角钢的部部分削弱，可可以借助节点点板来补偿。接接头一边的焊焊缝长度按弦弦杆内力计算算。设5-18杆与节点板的的焊缝尺寸为为：肢背hf=8mm，lw1=(0..65×477.03×1103)/（2×0.77×8×160）+16=33mm，取lw1=40mm，肢尖hf=8mm，lw2==（0.35×47.033×103）/（2×0.7×8×160）+16=25mm。取lw2=40mm。设焊缝高度hf==8mm，则所所需要焊缝计计算长度为：：lw=（654.553×103）/（4×0.7×8×160）+16=199mm。取lw=210mm。拼接角角钢长度6000mm＞2×210=420mm。（2）上弦与节点板间间的焊槽，假假定承受节点点荷载，验算算略。上弦肢肢尖与节点板板的连接焊缝缝，应按上弦弦内力的15%计算，设肢肢尖焊缝hf=8mm，节点点板长度为4470mm，节节点一侧弦杆杆焊缝的计算算长度为lw=470//2-5-110=220mmm，焊缝应力力为：τfN=（0.15××654.553×103）/（2×0.77×8×2220）=40N/mmm2，σfM=（0.15××654.553×103×55×6）/（2×0.77×8×22202）=60N/mmm2，==63.4kNN/mm2＜160kNN/mm2中竖杆与节点板的的连接焊缝计计算：N=47.003KN此杆内力较较小，焊缝尺尺寸可按构造造确定，取焊焊缝尺寸hf=8mm，焊焊缝长度lw>50mm，节点图如下下图所示。4、下弦跨中5节点设设计（1）下弦接头设于跨跨中节点处，连连接角钢取与与下弦杆相同同截面2∟160×1100×100，焊缝高度hf=8mm，焊缝缝长度为：lw=（680.67×1103）/（4×0.7×8×160）+16=206mm，取lw=210mm连接角钢长度lww=2×210+100=430mm，取lw=430mm下弦杆与节点板，斜斜杆与节点板板之间的连接接焊缝按构造造设计。（2）弦杆与节点板连连接焊计算：：按下弦杆内内力的15%计算。N=680..67×155%=1022KN设肢背、肢尖焊肢肢尺寸为8mm，弦杆杆一侧需焊缝缝长度为肢背lw=（0.755×102×103）/（2×0.77×8×160）+16=59mm，取80mm，肢尖lw=（0.255×102×103）/（2×0.7×8×160）+16=30mm。取40mm腹杆与节点板连接接焊缝的计算算方法与以上上几个节点相相同，节点图如下下图所示。支座1节点为了便于施焊，下下弦杆角钢水水平肢的底面面与支座底板板的净距离取取160mmm。在节点中中心线上设置置加劲肋。加加劲肋取460×80×12mm，节节点取460×380×14mm的钢钢板。（1）支座底板的计算算支座反力RA=RRB=479.22KN按构造要求采用底底板面积为a×b=2800×360mmm2如仅考虑加加劲肋部分底底板承受支座座反力R，则承压面面积为280×（2×80+12）=48160