土木工程专业钢结构课程设计

1.1基本质料某工程为单层单跨钢结构厂房，跨度为21m，总长度为80m，纵向柱距8m，采用角钢梯形屋架，屋架坡度i=1:10,檩条间距1.5m,屋面板为带保温层的压型钢板夹芯板，屋架构件钢材选用Q235，焊条采用E43型，手工焊。屋架形式及几何尺寸如下图1.1所示，屋架与钢筋混凝土柱铰接，钢筋混凝土柱上柱截面400mm×400mm，混凝土强度等级C25。基本风压0.45KN/㎡，檐口标高12m，其他荷载标准值为：屋面均布活荷载0.5KN/㎡，雪荷载0.35KN/㎡，积灰荷载0.55KN/㎡，屋面板自重0.35KN/㎡，檩条自重0.15KN/㎡，管道荷载0.15KN/㎡。图1.1屋架形式及几何尺寸要求：根据所给设计质料，进行屋架支撑布置和屋架杆件、节点设计，并绘制屋架施工图。1.2支撑布置车间总长80M,大于60m，共设置三道上、下弦横向水平支撑；在设置横向水平支撑的同一柱间，分别在屋架的两端和跨中共设置垂直支撑三道；在垂直支撑平面内的屋架上下弦节点处设置通长的刚性系杆。支撑布置如图1.2所示。(a)屋架上弦平面支撑布置图（b）屋架下弦平面支撑布置图（c）1-1屋架端部垂直支撑布置图（d）2-2屋架跨中垂直支撑布置图1.3荷载标准值计算（1）永久荷载标准值：（水平投影）保温层的压型钢板屋面板自重：0.35×1.507/1.5=0.351KN/㎡檩条自重:0.15KN/㎡屋架和支撑自重：（0.12+0.011×21）=0.351KN/㎡管道荷载自重：0.15KN/㎡永久荷载标准值合计：1.002KN/㎡（2）可变荷载标准值：（水平投影）因屋面坡度小于30°，此时屋面上的风荷载为风吸力，且风荷载值不是很大，故风荷载不参与组合。屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，从设计质料可知屋面活荷载大于雪荷载，故可变荷载仅考虑屋面活荷载和积灰荷载；屋面活荷载标准值0.5KN/㎡，组合值系数取0.7KN/㎡；积灰荷载标准值0.55KN/㎡，组合值系数取0.9。（3）荷载设计值由分析可知由可变荷载效应控制，且屋面活荷载为主导可变荷载，则：永久荷载设计值为：1.2×1.002=1.2024KN/㎡可变荷载设计值为：1.4×0.5+1.4×0.55×0.9=1.393KN/㎡（4）荷载组合屋面采用压型钢板屋面，因此屋架考虑以下2种荷载组合：①跨永久荷载+全跨可变荷载屋架在全跨永久荷载+全跨可变荷载P作用下的计算简图如下：全跨永久荷载和全跨可变荷载作用全跨节点荷载设计值P=（1.2024+1.393）×1.5×8=31.1448KN②全跨永久荷载+半跨可变荷载屋架在全跨永久荷载+半跨可变荷载作用下的计算简图如下：全跨永久荷载荷载和半跨可变荷载作用全跨节点永久荷载：半跨节点可变荷载：1.4内力计算由力学方法计算得屋架在全跨和半跨单位节点荷载作用下的杆件内力系数如图。(a)全跨节点单位荷载作用下杆件内力系数（b）半跨节点单位荷载作用下杆件内力系数屋架各杆件内力可列表计算:表屋架杆件内力计算杆件名称内力系数（P=1)第1种组合P×①第2种组合计算杆件内力（kN)全跨①左半跨②右半跨③P1×①+P2×②P1×①+P2×③上弦AB0.000.000.000.000.000.000.00BC,CD-7.472-5.310-2.162-232.71-196.57-143.95-232.71DE，EF-11.262-7.339-3.923-350.75-285.17-228.07-350.75FG-12.18-6.86-5.319-379.34-290.41-264.65-379.34下弦ac4.1003.0101.090127.69109.4777.37127.69ce9.7446.6633.081303.47251.97192.10303.47eg11.9627.3264.636372.55295.05250.10372.55gg11.7685.8845.884366.51268.15268.15366.51斜腹杆aB-7.684-5.641-2.043-239.31-205.16-145.02-239.31Bc5.8083.9601.848180.89150.00114.69180.89cD-4.409-2.633-1.776-137.32-107.63-93.30-137.32De2.7921.2221.57086.9660.7166.5386.96eF-1.572-0.047-1.525-48.95-23.46-48.17-48.95Fg0.328-1.0391.36710.22-12.6327.5827.58gH0.7131.913-1.20022.2142.26-9.7742.26竖腹杆Aa-0.5-0.50.0-15.57-7.790-15.57Cc-1.0-1.00.0-31.15-15.570-31.15Ee-1.0-1.00.0-31.15-15.570-31.15Gg-1.0-1.00.0-31.15-15.570-31.15注:*考虑两种荷载组合情况：(全跨永久荷载＋全跨可变荷载)P:全跨永久荷载P1＋半跨可变荷载P2*各杆内力系数见课程任务书。1.5屋架杆件设计屋架杆件轴线尺寸及计算内力根据腹杆最大内力N=-239.31KN,选择中间节点板厚度t=8mm，支座节点板厚度t=10mm。上弦杆整个上弦采用等截面，选用两个不等肢角钢短肢相并，按弦杆最大内力进行杆件设计。根据上弦平面屋架支撑布置情况,FG或HG杆在屋架平面外计算长度取，屋架平面内计算长度为节点长度，即。假定，则查表得轴心受压构件稳定系数=0.688，则所需截面面积：所需截面回转半径：根据需要A,，查角钢规格表，选用2L100×80×10（短肢相并），见下列图。对初选截面进行刚度和整体稳定性验算。刚度验算刚度验算满足要求。整体稳定性验算对单轴对称截面进行整体稳定性验算时，对对称轴y轴的长细比应采用换算长细比。对不等边角钢短肢相并组成的T形截面：时，可近似取，因为，则由查表得轴心受压构件稳定系数0.406。整体稳定性验算满足要求。即所选截面满足要求。（2）下弦杆整个下弦采用等截面杆件，按下弦最大内力进行设计，根据下弦平面屋架支撑布置情况，gg杆平面内计算长度,平面外计算长度。初选截面2L125×80×7（短肢相并），见下图，对初选截面进行强度和刚度验算。强度验算强度验算满足要求。刚度验算刚度验算满足要求。即所选截面满足要求。（3）支座斜杠Ba杆杆件轴力，计算长度。假定，则则查表得轴心受压构件稳定系数=0.688，则所需截面面积：所需回转半径：根据需要A,，查角钢规格表，选用2L90×6，见下图。对初选截面进行刚度和整体稳定性验算刚度验算刚度验算满足要求。整体稳定性验算对等边角钢短肢相并组成的T形截面：时，因为，则由查表得轴心受压构件稳定系数0.617。整体稳定性验算满足要求。即所选截面满足要求。（4）斜腹杆Bc杆杆件内力，计算长度假定，则则查表得轴心受压构件稳定系数=0.688，则所需截面面积：所需回转半径：根据需要A,，查角钢规格表，选用2L90×6，见下列图。对初选截面进行刚度和整体稳定性验算。刚度验算刚度验算满足要求。整体稳定性验算对等边角钢短肢相并组成的T形截面：时，因为，则由查表得轴心受压构件稳定系数0.597。整体稳定性验算满足要求。即所选截面满足要求。（5）竖腹杆Cc杆轴力，平面内计算长度平面外计算长度。初选截面2L50×5，下图所示，对初选截面进行刚度和整体稳定性验算。刚度验算刚度验算满足要求。整体稳定性验算对等边角钢短肢相并组成的T形截面：时，因为，则由查表得轴心受压构件稳定系数0.439。整体稳定性验算满足要求。即所选截面满足要求。1.6节点设计(1)下弦“c”节点①腹杆与节点板间连接焊缝长度计算：Bc杆：按构造要求确定肢背焊缝焊脚尺寸，肢尖焊缝焊脚尺寸，则所需焊缝长度为：肢背焊缝计算长度：肢背焊缝计算长度：肢背焊缝实际长度：，取110mm。肢尖焊缝实际长度：，取60mm。Dc杆：按构造要求确定肢背焊缝焊脚尺寸，肢尖焊缝焊脚尺寸，则所需焊缝长度为：肢背焊缝计算长度：肢背焊缝计算长度：肢背焊缝实际长度：，取90mm。肢尖焊缝实际长度：，取50mm。Cc杆：由于内力很小，焊缝尺寸按构造要求确定。②确定节点板尺寸根据上面求得的焊缝长度，按构造要求留出杆件间应有的间隙并考虑制作和装配误差，按比例绘出节点大样，从而确定节点板尺寸为260mm×330mm。下弦杆与节点板间连接焊缝的强度验算下弦杆与节点板间连接焊缝长度为330mm，按构造要求取，焊缝所受的力为左右两侧下弦的内力差，对受力较大的肢背焊缝进行强度验算：焊缝强度满足要求。(2)上弦“B”节点①腹杆与节点板间连接焊缝长度计算：Ba杆：按构造要求确定肢背焊缝焊脚尺寸，肢尖焊缝焊脚尺寸，则所需焊缝长度为：肢背焊缝计算长度：肢背焊缝计算长度：肢背焊缝实际长度：，取140mm。肢尖焊缝实际长度：，取80mm。Dc杆：按构造要求确定肢背焊缝焊脚尺寸，肢尖焊缝焊脚尺寸，则所需焊缝长度为：肢背焊缝计算长度：肢背焊缝计算长度：肢背焊缝实际长度：，取110mm。肢尖焊缝实际长度：，取60mm。②确定节点板尺寸根据上面求得的焊缝长度，按构造要求留出杆件间应有的间隙并考虑制作和装配误差，按比例绘出节点大样，从而确定节点板尺寸为240mm×310mm。③上弦杆与节点板间连接焊缝的强度验算考虑节点荷载P和上弦B节点左右两侧相邻节间内力差的共同作用，并假定角钢肢背槽焊缝承受节点荷载P的作用，肢尖角焊缝承受B节点左右相邻节间内力差及其产生的力矩作用。上弦肢背槽焊缝强度验算：（t为节点板厚度），，节点荷载P=31.15KN，则：上弦肢尖角焊缝强度验算：弦杆内力差，轴力作用线至肢尖焊缝的偏心距为，偏心力矩，，，则：上弦肢尖焊缝强度满足要求。(3)屋脊拼节点“H”节点①斜腹杆Hg与节点连接焊缝计算肢背和肢尖焊缝脚尺寸均取，则所需焊缝计算长度为：肢背焊缝计算长度：肢背焊缝计算长度：肢背焊缝实际长度：，取60mm。肢尖焊缝实际长度：，取40mm。②确定节点板尺寸为410mm×200mm。③计算拼接角钢长度：拼接角钢规格与上弦相同，拼接角钢长度取决与其上弦连接焊缝长度，焊缝长度按上弦的最大内力计算，取，则需一条焊缝计算长度为：则一条焊缝所需实际长度为，取160mm。拼接角钢总长度L=2×160+10=330mm。考虑到拼接节点的刚度，拼接角钢长度不小于600mm，取L=600。拼接角钢竖肢需切去，取20mm，并按上弦坡度热弯。④上弦杆与节点板连接焊缝强度验算上弦角钢肢背与节点板之间的塞焊缝承受节点荷载P，验算起焊缝强度：（t为节点板厚度），，节点荷载P=31.15KN，则：上弦角钢肢尖与节点板的连接焊缝所受内力按上弦最大内力的15%计算，且考虑该力所产生的弯矩。取，节点一侧焊缝的计算长度为，则：上弦肢尖焊缝强度满足要求。(4)支座节点“a为了便于施焊，下弦轴线至支座底板的距离取185mm，在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板高度相等，厚度为10mm。①支座底板的设计支座反力R=7×31.15=218.05KN，支承柱混凝土强度等级C25，其抗压强度设计值，锚栓采用2M24，采用U形缺口，取支座底板尺寸为，在验算支承柱混凝土抗风压强度时垂直于屋架方向的底板长度偏安全考虑扣除锚栓孔径，取210mm，则：底板被节点和加劲肋分成4块，每块均为相邻边支承的板，计算所需底板厚度：如图，则，查表得，则板单位宽度的最大弯矩为：则底板所需厚度取支座底板厚度t=20。②加劲肋与节点板的连接焊缝强度验算取