钢结构设计课程设计-24m跨厂房普通钢屋架设计

一、设计资料某车间跨度为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-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1.5×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板，Ⅱ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400×400mm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 0.4kN/m2100厚泡沫混凝土保温层 0.6kN/m2预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝） 1.4kN/m2屋架和支撑自重为 （0.120+0.011L）kN/m2可变荷载基本风压： 0.35kN/m2基本雪压：（不与活荷载同时考虑） 0.45kN/m2积灰荷载 0.75kN/m2不上人屋面活荷载 0.7kN/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所示图2.1桁架形式及几何尺寸桁架支撑布置如图2.2所示图2.2桁架支撑布置符号说明：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。沿屋面分布的永久荷载乘以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（=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/m220厚1:2.5水泥砂浆找平层 1.004x0.4=0.402kN/m2100厚泡沫混凝土保温层 1.004x0.6=0.602kN/m2预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝） 1.004x1.4=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 0.7kN/m2积灰荷载 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：（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：（按永久荷载效应控制的组合）（按可变荷载效应控制的组合）对结构有利时：半跨可变荷载设计值：（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：对结构有利时：半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：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上弦杆计算长度：在桁架平面内，为节间轴线长度：在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取：因为=3，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。需要截面积：需要的回转半径：根据需要的A、、查角钢规格表，选用2∟，，=2.85cm，=7.70cm，，按所选角钢进行验算：∵＞∴＜截面和界面都为b类截面，由于＞，只需要求。查表的=0.806。＜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：，所需截面面积：选用2∟，，=2.56cm，=6.77cm，由于，故用不等肢角钢短肢相并＜考虑到下弦有的栓孔削弱，下弦净截面面积：＜所选截面合适。（3）端斜杆aB杆件轴力：N=470.35kN=470350N计算长度，因为，故采用不等值角钢长肢相并。使设=60，查表得。选用2∟，，，，按所选角钢进行验算：∵＜∴＜截面和界面都为b类截面，由于＞，只需要求。查表的=0.683。＜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，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。设=60，查表得，，选用等肢角钢，2∟，，，，按所选角钢进行验算：＜∵＜∴＜截面和界面都为b类截面，由于＞，只需要求。查表的=0.433。＜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Bb腹杆拉力设计值为N=357.85kN选用2∟组成梯形截面，，，，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，，＜，＜＞故所选截面合适。(6)竖杆Ie竖杆拉力设计值：N=144.39kN选用2∟组成十字形截面，，，，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，，＜，＜＞故所选截面合适。其他腹杆：竖杆Aa、Cb、Ec、Gd选用2∟组成的十字形截面，腹杆Db选用2∟短肢相并，腹杆Dc、Fd、Hd选用2∟组成的梯形截面，腹杆Fc选用2∟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”有E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压、和抗剪强度设计值。设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：肢背：，加后取16cm肢尖：，加后取10cm设“Db”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为，所需的焊缝长度为：肢背：，加后取14cm肢尖：，加后取7cm“Cb”杆的内力很小，只需要按构造确定焊缝，取。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，。焊缝所受的左右两下弦杆的内力差为，肢背的力最大，取肢背进行计算，则肢背处的焊缝应力为：＜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，所需的焊缝长度为：肢背：，加后取16cm肢尖：，加后取11cm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，=8mm由节点板的长度确定槽焊缝的长度为480mm，上弦肢尖角焊缝的剪应力为：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，则所需的焊缝长度为：肢背：，加后取11cm肢尖：，加后取6cm设“Fc”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为，所需的焊缝长度为：肢背：，加后取8cm肢尖：，由于焊缝计算长度不得小于和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。节点板取265mm315mm，取，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，受力较大的肢背处的剪应力为：＜焊缝强度满足要求。（4）下弦节点“d”设“Fd”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：肢背：<，计算长度取48mm，加后取7cm肢尖：<，计算长度取48mm，加后取6cm设“Hd”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为，所需的焊缝长度为：肢背：<，计算长度取48mm，加后取7cm肢尖：<，计算长度取48mm，加后取6cm。“Cb”杆的内力为52890N，。肢背：<，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。（5）下弦节点“e”腹杆“eH”计算内力为97.75kN，，肢背的焊缝长度为：，加后取7cm肢尖：<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，，焊缝长度为270，焊缝肢背的剪应力为：＜，肢尖受力较小，不必验算。故焊缝合适。竖杆“eI”焊缝计算：拉力为144.39kN，取，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，垂直肢截取宽度为图6.5.1拼接角钢的总长度取40cm图6.5.1（6）上弦节点“C”、“E”、“G”。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”杆“Dc”节点“F”：杆“Fc”杆“Fd”节点“H”：杆“Hd”杆“He”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：，其中取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：，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200mm450mm，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-4，=5mm，故计算长度为3800mm，节点荷载为52.89kN，焊缝承受的剪应力：＜，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力的15%，设肢尖的焊缝=8mm，节点板的长度为200mm，则节点一侧弦杆的计算长度为：，焊缝应力为：＜（8）支座节点“a”腹杆“aB”的焊缝尺寸同节点“B”肢背：，肢尖：。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：，肢尖：，竖杆焊脚尺寸肢背和肢尖均为，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：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，/=0.474查表得的值为0.054。底板下的平均应力为：每块板的单位宽度的最大弯矩为：底板厚度：取t=18mm。②加劲肋与节点板的焊接焊缝计算。计算简图如图6.8.3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，则焊缝的内力为设焊缝，焊缝的计算长度为：图6.8.1加劲肋计算简图图6.8.1加劲肋计算简图＜，满足。节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。设焊缝传递全部的支座反力，每块加劲肋各传力为R/4=105780N，节点板传递的力为R/2=211560N。设节点板与焊缝的焊脚尺寸，则焊缝的计算长度我为：节点板的应力：强度满足。加劲肋焊脚尺寸每块加劲肋与地板的连接焊缝长度为：加劲肋焊缝的应力为：强度满足。七、参考资料1、张耀春.钢结构设计原理.高等教育出版社，2004版。2、王国凡.钢结构连接方法及工艺.化学工业出版社,2005版。3、钢结构设计规范（GB50017-2003）.北京计划出版社，2003版。4、房屋建筑制图统一标准（GB/T50001-2001）.北京计划出版社，2002版杆件名称内力系数附表1桁架杆件内内力组合表附表1桁架杆件内内力组合表第一种组合F①第二种组合第三种组合计算杆件内力/kN全跨①左半跨②右半跨③上弦AB0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00BC、CD-8.74-6.26-2.48-462.42-426.03-405.55-370.48-339.98-186.24-95.65-462.42DE、EF-13.37-8.93-4.44-707.14-642.02-609.01-575.99-531.05-269.37-161.68-707.14FG、GH-14.90-8.96-5.50-788.27-700.99-661.53-650.16-601.53-276.31-193.43-788.27HI-14.20-7.10-7.10-751.04-646.81-605.42-646.81-605.42-228.90-228.90-751.04下弦ab4.453.521.26235.31221.66212.12188.49172.97102.7148.63235.31bc11.457.953.50605.59554.18526.70488.93449.66237.79131.38605.59cd14.369.165.20759.50683.15646.53625.08577.98278.86184.15759.50de14.738.196.54779.07683.11642.36658.81613.68257.27217.65779.07斜腹杆aB-8.89-6.55-2.35-470.35-435.93-415.57-374.23-342.73-193.67-93.05-470.35Bb6.774.682.08357.85327.28311.00289.12265.96140.1977.97357.85bD-5.30-3.31-1.99-280.26-251.02-237.32-231.73-214.55-101.16-69.70-280.26Dc3.521.791.74186.23160.74150.54160.02149.6957.3556.17186.23cF-2.28-0.59-1.68-120.38-95.69-87.61-111.66-106.46-23.67-49.71-120.38Fd0.95-0.541.4950.0328.1622.7158.0257.96-9.1039.6058.02，-9.10dH0.181.61-1.469.7330.6734.15-14.34-18.9839.31-34.0939.31，-34.09He-1.51-2.671.16-80.08-97.09-97.75-40.84-31.35-70.2721.4621.46，-97.75竖杆Aa-0.50-0.500.00-26.45-26.45-25.65-19.11-16.99-14.05-2.08-26.45Cb-1.00-1.000.00-52.89-52.89-51.30-38.21-33.97-28.09-4.15-52.89Ec-1.00-1.000.00-52.89-52.89-51.30-38.21-33.97-28.09-4.15-52.89Gd-1.00-1.000.00-52.89-52.89-51.30-38.21-33.97-28.09-4.15-52.89Ie2.731.371.37144.39124.35116.39124.35116.3944.0144.01144.39附表2桁架杆件截面选择表附表2桁架杆件截面选择表杆件计算内力/kN截面规格截面面积/cm2计算长度/cm回转半径/cm长细比容许长细比[λ]稳定系数应力σ/(N/mm2)名称编号上弦FG、GH-788.27160x100x105063150.7452.12.857.752.8860.261500.81190.72下弦de779.07140x90x10445230011852.566.77117.