钢结构课程设计计算书.doc

钢结构设计
一 由设计任务书可知：
厂房总长为120m，柱距6m，跨度为24m，屋架端部高度为2m，车间内设有两台中级工作制吊车，该地区冬季最低温度为-22℃。暂不考虑地震设防。
屋面采用1.5m×6.0m预应力大型屋面板，屋面坡度为i=1:10。卷材防水层面（上铺120mm泡沫混凝土保温层和三毡四油防水层）。屋面活荷载标准值为0.7KN/㎡，雪荷载标准值为0.4KN/㎡，积灰荷载标准值为0.5KN/㎡。
屋架采用梯形钢屋架，钢屋架简支于钢筋混凝土柱上，混凝土强度等级C20.
二 选材：
根据该地区温度及荷载性质，钢材采用Q235-C。其设计强度为215KN/㎡,焊条采用E43型，手工焊接，构件采用钢板及热轧钢筋，构件与支撑的连接用M20普通螺栓。
屋架的计算跨度L。=24000-2×150=23700，端部高度：h=2000mm(轴线处)，h=2150(计算跨度处)。
三 结构形式与布置：
屋架形式及几何尺寸见图1所示：

图1
屋架支撑布置见图2所示：

图2
四 荷载与内力计算：
1．荷载计算：
活荷载于雪荷载不会同时出现，故取两者较大的活荷载计算。
永久荷载标准值：
防水层（三毡四油上铺小石子） 0.35KN/㎡
找平层（20mm厚水泥砂浆） 0.02×20=0.40 KN/㎡
保温层（40mm厚泡沫混凝土 0.25 KN/㎡
预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/㎡
钢屋架和支撑自重 0.12+0.011×24=0.384 KN/㎡
总计：2.784 KN/㎡
可变荷载标准值：
雪荷载＜屋面活荷载（取两者较大值） 0.7KN/㎡
积灰荷载 0.5KN/㎡
风载为吸力，起卸载作用，一般不予考虑。
总计：1.2 KN/㎡
永久荷载设计值 1.2×2.784 KN/㎡=3.3408KN/㎡
可变荷载设计值 1.4×1.2KN/㎡=1.68KN/㎡
2．荷载组合：
设计屋架时应考虑以下三种组合：
组合一 全跨永久荷载+全跨可变荷载
屋架上弦荷载P=(3.3408KN/㎡+1.68KN/㎡) ×1.5×6=45.1872KN
组合二 全跨永久荷载+半跨可变荷载
屋架上弦荷载P1=3.3408KN/㎡×1.5×6=30.07KN
P2=1.68KN/㎡×1.5×6=15.12KN
组合三 全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板自重+半跨屋面活荷载
屋架上弦荷载 P3=0.384KN/㎡×1.2×1.5×6=4.15KN
P4=(1.4×1.2+0.7×1.4)×1.5×6=23.94KN

3,内力计算：
首先求出杆件内力系数，即单位荷载作用下的杆件内力，荷载布置如图3所示。

计算内力系数的全跨荷载

计算内力系数的半跨荷载
图3
经计算得表一，表一列出了各个杆件的内力系数和杆件内力值，由表中的三种组合可见：组
合一，对杆件计算起主要控制作用；组合三可能引起中间几根斜腹杆发生内力变号，在施工
过程中，在屋架两侧对称均匀铺设面板则可避免内力变号。
表一

杆件
全跨1
左半跨2
P*1
P1*1+ P2*2
P3*1+ P4*2
计算内力（KN）
名称
上弦
ABC
-0.669
-0.671
-30.2302
-30.2773
-18.8293
-30.27
CDEF
-14.905
-9.588
-673.5152
-593.1639
-291.3925
-673.51
GHI
-16.582
-7.832
-749.2942
-617.0406
-256.3134
-749.29
下弦
ab
9.104
6.19
411.3843
367.35
185.97
411.38
bc
16.269
9.093
735.1506
626.695
285.2028
735.15
腹杆
Aa
-1.023
-1.024
-45.2265
-46
-28.7642
-23.47
da
-11.791
-7.956
-532.8022
-474.85
-239.3993
-532.8
eb
6.489
3.494
292.95
247.9535
110.5757
292.95
Eb
-2
-2
-90.3744
-90.38
-56.18
-90.38
fb
-2.803
-0.181
-126.66
-87.0229
-15.9656
-126.66
gc
-0.331
-2.461
-14.957
-47.09
-60.29
-60.29
Ic
1.206
0.465
54.4958
43.2952
16.137
54.49
Ad
0.807
0.809
36.4661
36.4986
22.7165
36.5
Bd
-1
-1
-45.1872
-45.19
-28.09
-45.19
Cd
-10.841
-7.096
-489.8746
-433.2804
-214.8684
-489.87
Ce
7.216
4.221
326.0708
280.8066
130.9971
326.07
De
-1
-1
-45.1872
-45.19
-28.09
-45.19
Ee
0.802
0.802
36.2401
36.2424
22.5282
36.24
Ef
0.727
0.727
32.8511
32.8531
20.4214
32.85
Ff
-1
-1
-45.1872
-45.19
-28.09
-45.19
Gf
-2
0.621
-90.3744
1.0895
-54.6628
-90.37
Gg
0.321
-1.809
14.5051
-17.7996
-41.9753
-41.98
Hg
-1
-1
-45.1872
-45.19
-28.09
-45.19
Ig
0.72
0.72
32.5349
32.5368
20.2248
32.54

注：表内负值表示压力，正值表示拉力
五 杆件截面设计：
腹杆最大内力N=-489.87KN，由屋架节点板后参考可知：支座节点板厚可取12mm，其余节点厚和垫板厚度均取10mm。
1.上弦杆
整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算N=-749.29KN。
计算长度：屋架平面内取节点轴线长度 lox=150.8cm。
屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面板能起一定的支撑作用，取上弦横向水平支撑的节点长度loy=2lox =267cm,故截面宜选用两个不等肢的角钢，且短肢相并，见图4：

图4 上弦截面
设λ=60，查轴心受压稳定系数表 =0.807
需要截面积==
需要回转半径ix=
需要回转半径=
根据需要的,,查角钢型钢表，初选2L140×90×10，A=4460,=2.54cm,
=6.81cm。
按所选角钢进行验算：
<=150
<=150
由于/t=140/10=14>0.56×270/140=10.7
则==54.1＜「λ」=150
由于λx＞λyz＞λy，只需求出 查轴心稳定系数表=0.813

所选截面合适。
2.下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算N=735.15KN。
计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度 lox=6000mm。
屋架平面外根据支撑布置，取 loy=11850mm。
计算需要净截面面积==
选用2L140×90×8(短肢相并)，见图5：

A=3660,=2.59cm,=6.73cm。
按所选角钢进行验算：取=
(若螺栓孔中心至节点板边缘距离大于100mm，则不计截面削弱影响)

3. 再分腹杆beC
,
计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度lox=
屋架平面外根据支撑布置取

选用2L908 见图6：

图6 再分腹beC
A=2788,=2.76cm,=4.09cm

由于 b/t=9/0.8=11.25

=0.614
所选截面合适。
填板放两块，
4.中竖杆Ic
已知：N=5449KN

中竖杆选用2L70×5的角钢，并采用十字形截面，见图7：

图7 中竖杆Ic

满足要求。填板放五块，
其余各杆截面选择过程不一一列出，计算结果见表二:

计算长度

截面积
回转半径

计算
填 板
杆件
名称
内力设计值N(KN)

(cm)

选用截面

A

（cm）

应力

块
上弦杆AI
-749.29
150.8
301.6
短肢相并
44.6
2.56
6.77
58.9
150
0.813
174.6
2
2L140×90×10
下弦杆ac
735.15
600
1185
短肢相并
36
2.59
6.73
231.7
350
/
204.2
6
2L140×90×8
Aa
-23.47
201.5
201.5
T型截面
9.6
1.53
2.45
131.7
150
0.38
-64.4
2
2L50×5
da
-532.8
154.6
367
T型截面
38.52
3.05
4.52
81.2
150
0.68
-203.5
2
Dc
-489.87

2L100×10

be
292.95
150.88
388.3
T型截面
27.88
2.76
4.09
90.9
150
0.614
190.5
2
Ce
326.07
2L90×8
bf
-126.66
166.9
313.7
T型截面
18.8
2.47
3.65
90.6
150
0.584
-115.4
2
Gf
-90.37
2L80×6
cg
-60.29
166.9
416.4
T型截面
9.6
2.47
3.65
117.7
150
0.451
-71.1
2
Gg
-41.98
2L80×6
Ad
36.5
163.7
163.7
T型截面
9.6
1.53
2.45
107
150
0.511
74.4
1
2L50×5
Bd
-45.19
95.4
95.4
T型截面
9.6
1.53
2.45
62.4
150
0.794
-59.3
1
2L50×5
De
-45.19
117
117
T型截面
9.6
1.53
2.45
76.5
150
0.711
-66.3
2
2L50×5
Ee
36.24
208.6
208.6
T型截面
9.6
1.53
2.45
136
150
0.361
104.6
2
2L50×5
Ef
32.85
189
189
T型截面
9.6
1.53
2.45
123.5
150
0.419
81.8
1

2L50×5
Ff
-45.19
117
117
T型截面
9.6
1.53
2.45
76.5
150
0.711
-66.3
2

2L50×5

Hg
-45.19
144
144
T型截面
9.6
1.53
2.45
94.1
150
0.594
-79.2
2
2L50×5
Ig
32.54
230.5
230.5
T型截面
13.74
2.16
3.24
106.7
150
0.513
46.2
2
2L70×5
Ic
54.49
288
288
T型截面
13.74
2.16
3.24
133.3
150
0.373
106.3
2

2L70×5

表2

六 节点设计
用E43焊条时，角焊缝的抗拉，抗压和抗剪强度设计值
各杆件内力由表二查得，最小焊缝长度不应小于8和40mm。
1.下弦节点b 见图8

图8 下弦节点b
(1)斜杆eb与节点的连接焊缝计算：
N=292.95KN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为：
肢背： 取=160mm
肢尖： 取=100mm
（2）斜杆fb与节点的连接焊缝计算：
N=126.66KN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为：
肢背： 取=80mm
肢尖： 取=60mm
（3）斜杆Eb与节点的连接焊缝计算：
N=90.38KN
因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸
焊缝长度≥40mm 取=60mm。
（4）下弦杆与节点板连接焊缝计算：焊缝受力为左右下弦杆的内力差
△N=735.15-411.38=323.77KN;
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm，所需焊缝长度为：
肢背： 取=180mm
肢尖： 取=100mm
（5）节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例做出构造详图，从而定出节点尺寸，如图9所示：

图9 节点板b尺寸
2.上弦节点C 见图10

图10 上弦节点C
（1）斜杆Cd与节点板连接焊缝的计算：
N=4878.87KN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为：
肢背： 取=180mm
肢尖： 取=150mm
（2）斜杆Ce与节点板连接焊缝的计算：
N=3236.07KN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为10mm和6mm，所需焊缝长度为：
肢背： 取=180mm
肢尖： 取=120mm
（3）上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘的上肢背可缩进8mm，用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直。
假定集中荷载P由槽焊缝承受，P=45.1872KN，焊角尺寸为5mm。
所需槽焊缝长度为：
取=60mm
上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差：
N=673.51-30.27=643.24KN
设肢尖焊角尺寸为8mm，设所需焊缝长度为400mm，则：
<
（4）节点板尺寸：如图11所示：

图11 节点板C尺寸
3.屋脊节点I见图12

图12 屋脊节点I
(1)弦杆与角钢连接焊缝计算：弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力来计算。
N=749.29KN
设肢尖、肢背焊角尺寸为8mm，
取=300mm
拼接角钢长度取 2×300+50=650mm。
(2)弦杆与节点板的连接焊缝计算：上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载，上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15％计算:N=749.29×15％=112.4KN。
设肢尖焊角尺寸为8mm，弦杆一侧焊缝长度为200mm。

<
(3)中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=54.40KN
此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸
焊缝长度≥40mm 取=60mm。
(4) 斜杆gc与节点板的连接焊缝计算：N=32.54KN
此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，
焊缝长度≥40mm 取=60mm。
(5)节点板尺寸如图13所示：

图13 节点板I尺寸
4. 下弦跨中节点c 见图14

图14 下弦跨中节点c
（1） 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：拼接角钢与下弦杆截面相同，传递内力N=735.15KN
设肢尖、肢背焊角尺寸为8mm，则需焊缝长度为：
取=300mm
拼接角钢长度取 2×300+20=620mm。
（2）弦杆与节点板连接焊缝计算,其内力按下弦杆内力的15％计算:
N=735.15×15％=110.3KN
设肢背与肢尖的焊角尺寸为6mm，弦杆一侧所需焊缝长度为：
肢背： 取=80mm
肢尖： 取=60mm
（3）节点板尺寸，如图15所示：

图15 节点板c尺寸
5. 端部支座节点a 见图16：

加筋肋

加筋肋

节点板

底板

图16 节点A
(1) 为了便于施焊，下弦角钢水平肢的地面与支座地板的距离一般不小于下弦伸出肢的长度，故可取160mm，在节点板中心线左侧设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相同，厚度同端部节点板为12mm。
支座底板计算：
支座反力：R=532.8×sin38.9+23.47=358.05KN。
取加劲肋的宽度为80mm，考虑底板上开孔，按构造需求取地板尺寸为240mm×360偏安全地取有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为：

验算柱顶混凝土的抗压强度：
满足要求。
地板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算、节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两边支撑而另两边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：

式中----地板下的平均应力，
-----两边支撑对角长度，
-----系数 由决定，为两边支撑的焦点到对角线的垂直距离，由三角形面积关系得=
=0.50 查表得=0.0602

地板厚度 取t=20mm
(1)加劲肋与节点板的连接焊缝计算：
偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座反力的1/4，则焊缝受力：

设肢焊缝尺寸为6mm，设所需焊缝长度为170mm，则：

所以加劲肋高度不小于170mm即可。
(2)节点板加劲肋与底板的连接焊缝计算:
设底板连接焊缝传递全部支座反力 R=358.05KN , 设焊缝尺寸为8mm
节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度：

满足要求
(3)下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算:
1)竖杆与节点板的连接焊缝计算: N=23.47KN
此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸
焊缝长度≥40mm 取=60mm。
2)下弦杆与节点板连接焊缝计算：N=411.38KN
设焊缝尺寸为6mm，侧所需焊缝长度为：
肢背： 取=250mm
肢尖： 取=150mm
3) 斜杆Ba与节点板连接焊缝的计算：
N=532.8KN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为10mm和6mm，所需焊缝长度为：
肢背： 取=200mm
肢尖: 取=150mm
七 施工图（详见施工图纸）

20
九江学院