钢结构专业课程设计实例之.doc

钢构造设计任务书
一、设计资料
工业厂房跨度为L=24m，柱距为6m，厂房总长度为90m，采用1.5×6.0m预应力钢筋混凝土大型屋面板，屋面坡度i=1/12，屋架两端简支于钢筋混凝土柱上，柱采用封闭结合，上柱截面450mm×450mm,混凝土标号为C20。

二、钢材和焊条选用
钢材选用Q235-B，焊条选用E43型，手工焊

三、屋架形式、尺寸及支撑布置
屋架计算跨度：L0=L-300=23700(mm)
屋架端部高度取：H0=（mm）
跨中高度：H=3000（mm）
屋架高跨比： 屋面几何尺寸

屋架支撑布置

四、荷载和内力计算
1）荷载计算。
屋面永久荷载： KN/m2
预应力混凝土大型屋面板（含灌缝） 1.50
防水卷材 0.40
找平层 0.40
保温层 0.50
屋架和支撑自重 0.30
共计 3.10
2）屋面活荷载：
雪荷载或活荷载 0.40
（由于i=1/12i=1/8，故不需考虑风荷载影响）
共计 0.40

3）节点荷载：
普通考虑全跨荷载，对跨中某些斜杆（普通为跨中每侧各两根斜腹杆）可考虑半跨组合，本设计在计算杆件截面时，将这些腹杆均按压杆控制长细比，不必考虑半跨荷载作用状况，只计算全跨满载时杆件内力。
全跨荷载组合1：
P=(1.2×3.1+1.4×0.4)×6×3.0=77.040KN
全跨荷载组合2：
P=(1.35×3.1+1.4×0.7×0.4)×6×3.0=82.386KN
故，节点荷载P=82.386KN
支座反力R=4P=4×82.386=329.544KN

4）内力计算
用图解法先求出节点荷载作用下杆件内力系数，然后乘以实际节点荷载。计算成果列于下表
表1 屋架杆件计算内力（KN）
名称
杆件编号
P=1
内力组合
全跨
最大计算拉力
最大计算压力
上弦
AB
0
0

BC
-7.013

-577.773
CD
-7.013

-577.773
DE
-7.851

-646.812
下弦
FG
+4.433
+365.217

GH
+7.991
+658.347

斜腹杆
FB
-5.648

-465.316
BG
+3.195
+263.223

GD
-1.358

-111.88
DH
-0.225

-18.537
竖腹杆
AF
-0.500

-41.193
CG
-1.000

-82.286
EH
+0.304
+25.045

五、杆件截面选取
1）上弦杆。整个上弦不变化截面，按最大内力计算，Nmax=-646.812KN，=301.0cm，=600.0cm，由于，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并。依照腹杆最大内力465.316KN，查表2-8，选用支座节点板厚t=12mm,中间节点板厚可为t=10mm，但是为了施工以便所有节点板选用相似厚度，一律取用t=12mm。
假定，。
需要截面积
需要回转半径

选用2 L 18011010，A=5680， =3.13cm ， =8.71m。
验算：

由于

因此
由于 查轴心受力稳定系数表，＝0.579
=196.68N/<215 N/

2）下弦杆。整个下弦杆采用等截面，按下弦杆最大内力Nmax=-658.347KN计算，=600.0cm，=600.0cm。所需要面积==3062，采用等肢角钢2 L10010，A=3860， =3.05cm，=4.60cm。
验算：

填板每节间放两块

3）竖杆AF、CG。
NAF=-41.193KN，lox=200.0cm，loy=200.0cm ；
NCG =-82.386KN，lox =250×0.8=200cm，loy =250cm。
内力较小，可按长细比选取截面，按内力较大者计算。选2L63×6，A=14.58cm2，=1.93cm，=3.06cm
验算：

由于

因此

由查b类截面

AF填板放两块

CG填板放三块

4）竖杆EH。N=25.045KN ，该杆件内力较小，按长细比控制截面。为了便于连接垂直支撑，截面采用十字形截面。lo =0.9300=270cm，选用2L10010 ，A=38.52 cm2，＝3.84。
验算：

填板放三块
=90cm＜40=40×3.84=153.6cm
斜腹杆BF。N=-465.316KN，lox=363.1cm，loy=363.1cm。选用2L18011010（长肢相并），A=56.8cm2，=3.13cm，=4.36cm。
验算：

由于

故

查，

填板放两块
。

5）斜腹杆BG。N=263.223KN，lox=0.8×375=300cm，loy=375cm。选用2L636，A=14.58cm2，=1.93cm，=3.06cm。
验算：

填板放两块
。

6）斜腹杆DG、DH。cm，cm。
cm，cm。由于DH杆内力较小，可按长细比选取截面，按内力较大者计算。选用2L806，A=18.8cm2，=2.47cm，=3.72cm。
验算：

由于
，
故

查（b类截面）

填板放四块

表2 屋架杆件截面选用表（节点板厚t=12mm）

名称
杆件 编号
内力/KN
计算长度
截面形式和规格
截面
回转半径/cm

容许
稳定系数
计算 应力
面积
长细

比
N/
上弦

-646.812
301.0
600.0
2L180×110×10
56.8
3.13
8.71
96.2
150
0.597
-196.68
下弦

658.347
600.0
600.0
2L100×10
38.6
3.05
4.6
196.7
350

170.56
斜腹杆
BF
-41.193
200.0
200.0
2L63×6
14.58
1.93
3.06
103.6
150
0.532
-53.10
BG
-82.386
270.0
250.0
2L63×6
14.58
1.93
3.06
103.6
150
0.532
-106.21
DG
25.045
363.1
270.0
2L100×10
38.52
3.84
4.60
70.3
350

6.502
DH
-465.316
300.0
363.1
2L180×110×10
56.80
3.13
4.36
116.0
150
0.458
-178.90
竖腹杆
AF
263.223
325.6
375.0
2L63×6
14.58
1.93
3.06
155.4
350

180.54
CG
-111.88
325.6
407.0
2L80×6
18.80
2.47
3.72
131.8
150
0.377
-157.90
EH
-18.537

407
2L80×6
18.8
2.47
3.72
131.8
150
0.377
-26.20
六、节点设计
用E43焊条时，角焊缝抗拉、抗压和抗剪强度设计值 ，各杆件内力由表1查得，最小焊缝长度不应不大于
1、下弦节点“G”

（1） 斜杆BG与节点连接焊缝计算：
N=263.223kN
设肢背与肢尖焊角尺寸分别为和。所需焊缝长度为：
肢背： +16=113.93mm，取＝120mm
肢尖： +12=77.3mm，取＝100mm
（2） 斜杆DG与节点连接焊缝计算：
N=111.880kN
设肢背与肢尖焊角尺寸分别为和。所需焊缝长度为
肢背： +16=57.6mm，取＝80mm
肢尖： +12=40mm，取＝80mm
（3）竖杆CG与节点板连接焊缝计算：N = 82.386kN
因其内力很小，焊缝尺寸可按构造拟定，取焊脚尺寸=6mm
焊缝长度6×8=48mm，取=80mm
（4）下弦杆与节点板连接焊缝计算：焊缝受力为左右下弦杆内力差
，由斜腹杆焊缝决定节点板尺寸，量得实际节点板长度为63cm，肢背及肢尖焊脚尺寸均取为6mm，则计算长度lw=63-1.2=61.8cm。肢背焊缝应力为：
肢背： +12=157.4mm，取＝160mm
肢尖： +12=78.7mm，取＝80mm

下弦“G”节点
下弦节点G
2、上弦“B”节点

（1）斜杆BG与节点板连接焊缝计算，与下弦节点G中BG杆计算相似。
（2）斜杆BF与节点板连接焊缝计算，N=465.316kN。
设肢背与与肢尖焊脚尺寸分别为和。所需焊缝长度为
肢背： +20=158.5，取＝160mm
肢尖： +16=102.6，取＝110mm
（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，上弦节点板上边沿可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。由腹杆焊缝决定节点板尺寸，实际测节点板长度为81cm.槽焊缝可按两条焊缝计算，计算时可略去屋架上弦坡度影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。
假定集中荷载F由槽焊缝承受，F=82.386kN，焊脚尺寸为mm
cm

上弦杆肢尖焊缝受力为左右上弦杆内力差
偏心距 e =110-25＝85mm
偏心力矩M=ΔN·e=577.773×8.5=4911.071KN·cm，采用hf2=10mm，lw2=81-2=79cm，则
对ΔN：
对M：

此方案满足条件，不需要采用节点板伸出方案。

上弦节点B
3、屋脊“E”节点

（1）弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：
弦杆普通用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间可以密合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。拼接角钢这某些削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧焊缝长度可按弦杆内力计算。则，拼接角钢切肢、切棱尺寸为mm，取25mm。N=646.812KN，设肢尖、肢背焊脚尺寸为6mm，则需焊缝长度为
mm，取mm
拼接角钢长度取2255+50＝560mm 拼接角钢长度计算中b取值较大，普通取为50mm。
（2）弦杆与节点板连接焊缝计算：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15%计算。N=646.81215%＝97.02kN，设焊脚尺寸为6mm，弦杆一侧焊缝长度为200 mm，

（3）中竖杆与节点板连接焊缝计算：N=25.045kN
此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造拟定，取焊脚尺寸mm
焊缝长度mm，取mm
屋脊“E”节点

4 .下弦跨中节点H

（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似，传递内力N=658.347kN
设肢尖、肢背焊脚尺寸为6mm，竖肢需切去mm,取25mm。则需焊缝长度为
mm,取mm
拼接角钢长度不不大于2260+15=535mm 取值为550mm (b=15mm)
（2）弦杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力15%计算。
设肢背、肢尖焊脚尺寸为6mm，弦杆一侧需焊缝长度为
肢背：，取mm
肢尖：，按构造规定，取焊缝长度 48mm，
取 =60mm
(3) 其她腹杆由于内力很小，因而只用采用构造规定进行焊缝设计。[详细数值见图所示]

下弦跨中节点“H”

5 .端部支座节点F

（1）为便于施焊，下弦角钢水平肢底面与支座底板距离普通不不大于下弦伸出肢宽度，故可取为120mm。在节点中心线上设立加劲肋，加劲肋高度与节点板高度相似，厚度同中间节点板为12mm。
支座底板计算：支座反力

①、腹杆杆端焊缝计算：
BF杆由前面计算成果取肢背及肢尖角焊缝尺寸分别为：mm，mm，mm，mm。
AF杆件内力较小，按构造设立焊缝，即肢背及肢尖角焊缝尺寸均为6mm，焊缝长度为lw=80mm。
②验算弦杆焊缝：由腹杆焊缝决定节点板尺寸，实际量得节点板长度为42 cm。肢背及肢尖焊角尺寸均取为8mm，则取计算长度lw1 = 40cm。肢背焊缝应力为：

③、底板计算
支反力Rd=329.544KN，fc=9.6N/mm2，所需底板净面积：

取锚栓直径d=24mm，锚栓孔直径为50mm，则所需底板面积为：

按构造规定采用底板面积为a×b=26×26=676>412.905cm2，底板净面积为：

垫板采用100×20×100，孔径26mm。底板实际应力为：

，查表5.8，，则

所需底板厚度

用t=20mm，底板尺寸为260×20×260。
④、加劲肋与节点板连接焊缝计算
一种加劲肋连接焊缝所承受内力为，，加劲肋高度与节点板同高，厚度取与中间节点板相似为12mm。采用hf=6mm，验算焊缝应力
对V：
对M：

⑤、节点板、加劲肋与底板连接焊缝计算
设底板连接焊缝传递所有支座反力R=329.544KN
取hf=8mm，实际焊缝总长度：

焊缝设计应力：

端部支座节点“F”

附钢屋架施工图