中南大学钢结构优秀课程设计.doc

第2章 设计计算书
一、 屋架支撑系统设置
一、拟订尺寸………………………………………………………………………4
二、桩在承台底面部署 ………………………………………………………5
三、承台底面形心处位移计算………………………………………………6
四、墩身弹性水平位移δ计算 ……………………………………………10
五、桩基检算………………………………………………………………………12
六、配筋计算………………………………………………………………………14
第3章 电算结果
一、原始输入数据 ………………………………………………………………17
二、电算输出结果 ………………………………………………………………18
三、手算电算结果对照表………………………………………………………21
附录1：设计说明书一份
附录2：桩基础部署及桩身钢筋结构图一张

第一篇 设计资料
1. 某单层单跨工业厂房，跨度24m，长度102m。
2. 厂房柱距6m，钢筋混凝土柱，混凝土强度C20，上柱截面尺寸400×400mm，钢屋架支承在柱顶。
3. 吊车一台50T，一台20T，中级工作制桥式吊车（软钩），吊车平台标高12 .000m。
4. 荷载标准值：
(1)永久荷载
三毡四油（上铺绿豆沙）防水层 0.4 kN/m2
水泥砂浆找平层 0.3 kN/m2
保温层 0.6 kN/m2
一毡二油隔气层 0.05kN/m2
预应力混凝土大型屋面板 1.4 kN/m2
屋架（包含支撑）自重 0.12+0.011L=0.384kN/m2
(2)可变荷载
屋面活载标准值 0.7 kN/m2
雪荷载标准值 0.35 kN/m2
积灰荷载标准值 0.3 kN/m2
5. 屋架结构形式、计算跨度及几何尺寸见图1(屋面坡度1:10)。
图1 梯形屋架示意图(单位：mm)
6.钢材选择Q235钢，角钢、钢板多种规格齐全，有多种类型焊条和C级螺栓可供选择。
7.钢屋架制造、运输和安装条件：在金属结构厂制造，运往工地安装，最大运输长度16m，运输高度3.85m，工地有足够起重安装设备。

第二篇 设计计算
一、 屋架支撑系统设置
屋架支撑种类有横向支撑、纵向支撑、垂直支撑和系杆。在本设计中，屋架支撑系统设计以下：
1.1 厂房柱距6m,屋架间距取为6米。
1.2 在房屋两端第一个柱间各设置一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑。房屋长度较大，为102m，其两端横向支撑间距超出了60m，为增加屋盖刚性，在长度方向正中间柱间加设一道横向支撑。
1.3 房屋是厂房，且厂房内有吊车，高度较高，对房屋整体刚度要求较高，设置纵向支撑，对梯形屋架，纵向支撑设置在屋架下弦平面。
1.4 在屋架中和两端各部署一道垂直支撑。垂直支撑形式依据高度和柱距比值确定。在此屋架结构中，h/l=3085/6000=0.51，故取以下图垂直支撑形式：

垂直支撑图样
1.5 在屋架上弦平面，屋架跨中和两端各部署一道通长刚性系杆，其它结点设通长柔性系杆；下弦平面，仅在跨中和两端部署通长柔性系杆。
屋架支撑系统设置图2所表示。

梯形屋架支撑部署图
1—垂直支撑；2—系杆；3—上弦横向支撑；4—下弦横向支撑；5—下弦纵向支撑
二、杆件内力计算
先定出屋架全部杆件尺寸，画出屋架示意图图3：

屋架几何尺寸图
2.1 荷载计算
恒载设计值=恒载标准值1.2
活载设计值=活载标准值1.4
(1) 永久荷载设计值
三毡四油（上铺绿豆沙）防水层
水泥砂浆找平层
保温层
一毡二油隔气层
预应力混凝土大型屋面板
屋架（包含支撑）自重
累计
(2) 可变荷载设计值
因为积雪时人不大可能大量拥上屋面等原因，对屋面均布可变荷载和雪荷载，只取其较大者。
屋面活载：
雪荷载：
积灰荷载：
累计
2.2 荷载组合
设计屋架时应考虑三种组合：
使用阶段
a.全跨永久荷载+全跨可变荷载

结点荷载设计值：

a种荷载组合屋架受力图
b.全跨永久荷载+半跨可变荷载
节点荷载设计值：

b种荷载组合屋架受力图
施工阶段
c.全跨屋架（包含支撑）自重+半跨屋面板+半跨活载
节点荷载设计值：

c种荷载组合屋架受力图
2.3 内力计算
实际采取pf程序计算杆件在单位节点作用下各杆件内力系数，见下表（全跨和左半跨相关数据见附录）。由表内三种组合可见：组合一，对杆件计算关键起控制作用；组合二和组合三，可能引发跨中几根斜腹杆发生内力变号。假如施工过程中，在屋架两侧对称均和铺设面板，则可避免内力变号而不用组合三。
杆件及节点编号：

节点编号示意图
屋架节点编号，以下图所表示：

节点编号图示
依据电算所得各荷载组合下杆件内力系数，即可求得其对应控制内力，结果见下表：
屋架杆件内力组合表
杆件名称
内力系数（P=1）
第一个组合
第二种组合
第三种组合
计算内力
全跨
左半跨
右半跨
P=46.4472kN
P1=46.4472kN
P1=31.8672kN
P2=33.8472kN
P2=4.1472kN
P×①
P1×②＋P2×③
P1×③＋P2×②
P1×②＋P2×③
P1×③＋P2×②
①
②
③
KN
KN
KN
KN
KN
KN
上弦杆
AB
0
0
0
0
0
0
0
0
0
BC
-9.141
-6.549
-2.593
-424.574
-391.949
-342.103
-219.452
-109.792
-424.574
CD
-9.141
-6.549
-2.593
-424.574
-391.949
-342.103
-219.452
-109.792
-424.574
DE
-14.104
-9.425
-4.679
-655.091
-596.136
-536.336
-319.753
-188.194
-655.091
EF
-14.104
-9.425
-4.679
-655.091
-596.136
-536.336
-319.753
-188.194
-655.091
FG
-15.833
-9.516
-6.316
-735.399
-655.77
-615.45
-329.442
-240.738
-735.399
GH
-15.833
-9.516
-6.316
-735.399
-655.77
-615.45
-329.442
-240.738
-735.399
HI
-15.27
-7.635
-7.635
-709.249
-613.048
-613.048
-274.97
-274.97
-709.249
下弦杆
ac
4.975
3.663
1.312
231.0748
214.5436
184.921
122.1707
57.00096
231.0748
ce
12.045
8.36
3.685
559.4565
513.0255
454.1205
281.6922
152.1012
559.4565
eg
15.228
9.711
5.517
707.298
637.7838
584.9394
332.3425
216.0848
707.2981
gi
15.716
8.741
6.975
729.9642
642.0792
619.8276
307.4779
258.5244
729.9642
斜腹杆
aB
-9
-6.627
-2.373
-418.025
-388.125
-334.525
-221.025
-103.104
-418.025
Bc
6.945
4.808
2.137
322.5758
295.6496
261.995
162.0801
88.03994
322.5758
cD
-5.456
-3.412
-2.044
-253.416
-227.662
-210.425
-117.208
-79.2868
-253.416
De
3.68
1.883
1.797
170.9257
148.2835
147.1999
67.45846
65.07454
170.9257
eF
-2.412
-0.672
-1.74
-112.031
-90.1066
-103.563
-28.6309
-58.2358
-112.031
Fg
1.064
-0.489
1.553
49.41982
29.85202
55.58122
-9.14246
47.46178
55.58122
gH
0.085
1.6
-1.515
3.948012
23.03701
-16.212
44.70451
-41.6433
44.70451
Hi
-1.145
-2.513
1.368
-53.182
-70.4188
-21.5182
-74.4089
33.17242
-74.4089
竖腹杆
Aa
-0.5
-0.5
0
-23.2236
-23.2236
-16.9236
-15.9336
-2.0736
-23.2236
Cc
-1
-1
0
-46.4472
-46.4472
-33.8472
-31.8672
-4.1472
-46.4472
Ee
-1
-1
0
-46.4472
-46.4472
-33.8472
-31.8672
-4.1472
-46.4472
Gg
-1
-1
0
-46.4472
-46.4472
-33.8472
-31.8672
-4.1472
-46.4472
Ii
2.039
1.019
1.019
94.70584
81.81999
81.81999
36.69867
36.69867
94.70584
屋架杆件内力组合表
三、杆件截面设计
3.1、节点板厚选择
支座斜杆最大内力设计值N=-418.025KN，查《钢结构原理和设计》书本表9.1：选择中间节点板厚t=10mm，支座结点板厚t=12mm。
3.2、上弦杆（压弯构件）
整个上弦杆采取同一截面，免去不一样截面杆件间拼接。截面按受力最大部位F-G-H节间选择，最大内力为：
由屋面坡度1：10得屋面倾角：
计算长度：
弯矩作用平面内
弯矩平面外（侧向无支撑）
虽当初宜选择长边外伸两不等边角钢，但压弯构件又期望加大角
钢竖边尺寸，所以仍选择两个等边角钢。设，查附表1.20得，，则需要截面特征为：

因为F-G-H节间不是端部，故节点板厚度为10mm,由此查附表2.1得：选择2∠125×10等边角钢。
截面特征为：

则：

由cm查附表1.20得，
故

3.3 下弦杆（轴心受拉构件）
整榀屋架下弦杆采取等截面。截面按受力最大部位g-i节间
选择，最大内力为：
计算长度：，（因下弦有纵向支撑和系杆）
截面选择：
依据所需截面特征，查附表2.1选择2∠100×80×10不等边角
钢，且短肢相连。
截面特征为:
截面验算：

故下弦杆满足要求。
3.4 腹杆（轴心受力构件）
(1) 端斜杆aB
计算内力：N=-418.04KN
计算长度：
截面选择：选择等边角钢2∠100×8（端部节点板厚度为12mm）
截面特征：
截面验算：

查附表1.20得：，

故端斜杆aB符合要求。
(2) 斜腹杆Bc
计算内力：N=322.576KN
计算长度：

截面选择：
需要截面积
选择2∠80×5，截面特征：
截面验算：

(3) 斜腹杆cD
计算内力：N=-253.42KN
计算长度：

截面选择：设，查附表1.20得，.
则需要截面积：
选择2∠80×8，
截面特征：
截面验算：

由查附表1.20得：，

(4) 斜腹杆eF
计算内力：N=-112.03KN
计算长度：
截面选择：设，查附表1.20得，.
则需要截面积：
选择2∠56×8，
截面特征：
截面验算：

由查附表1.20得：，

（5）竖腹杆Ii
计算内力：N=94.701KN
计算长度：

截面选择：
需要截面积
选择2∠45×3
截面特征：
截面验算：
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
许可长细比
稳定系数
应力
名称
编号
l0x
l0y
ix
iy
λx
λy
λ
φ
σN/mm2
上弦杆
FG/GH
-735.399
125×10
48.746
150.7
301.5
3.85
5.52
39.2
54.6
150
0.833
181.1
下弦杆
gi
729.964
100×80×10
34.334
300
300
2.35
4.78
127.7
62.76
350

212.6
腹杆
竖腹杆
Aa
-23.224
45×3
5.318
190
190
1.40
2.30
135.7
82.6
150
0.361
121.0
Cc
-46.447
45×4
6.972
174.8
218.5
1.38
2.24
126.7
97.5
150
0.402
165.7
Ee
-46.447
45×4
6.972
198.8
248.5
1.38
2.24
144.1
110.9
150
0.329
202.5
Gg
-46.447
56×4
8.78
222.80
278.50
1.73
2.67
128.79
104.31
150
0.391
135.30
Ii
94.706
45×3
5.318
246.8
308.5
1.40
2.22
176.3
139.0
350

178.1
斜
腹
杆
aB
-418.025
110×7
30.392
2442.1
2442.1
3.41
4.93
71.6
50.0
150
0.741
213.6
Bc
322.576
80×5
15.824
202.25
252.81
2.48
3.63
81.6
69.6
350

203.9
cD
-253.416
80×8
24.606
222.0
277.5
2.44
3.69
91.0
75.2
150
0.614
167.74
De
170.926
45×5
8.584
222.0
277.5
1.37
2.26
162.1
122.1
350

200.1
eF
-112.031
56×8
16.734
242.56
303.20
1.68
2.75
144.4
110.3
150
0.328
204.11
Fg
55.581
45×4
6.972
242.56
303.20
1.38
2.24
219.71
135.36
350

79.72
gH
44.705
45×4
6.972
263.69
329.61
1.38
2.24
191.08
147.15
350

64.119
Hi
-74.409
75×6
17.594
263.69
329.61
2.31
3.46
114.15
95.26
150
0.470
89.98

其它几根竖向腹杆截面选择可依据一样方法求算出来。
3.5 杆件截面选择列表
上弦杆和下弦杆采取等截面通长杆，腹杆截面形式有多个截面形式。各杆件截面选择表汇总以下
四、节点设计
选择下弦端节点及其下弦相邻节点、跨中上弦和下弦节点、上弦经典受力位置节点（屋脊节点）5个节点作为关键节点进行设计，其它节点类同。其5个节点位置见下图：

4.1 下弦节点c

先计算腹杆焊缝长度，然后定出节点板形状和尺寸，最终计算下弦杆和节点板之间连接焊缝。
(1) 斜杆Bc和节点板连接焊缝计算
，
角焊缝强度设计值，设焊缝 ，则焊缝所需长度：
角钢背：
计算长度：
实际长度：，取
角钢趾：
计算长度： 可
实际长度：，取
(2) 竖杆Cc和节点板连接焊缝计算
，
角焊缝强度设计值，设焊缝，则焊缝所需长度：
角钢背：
计算长度： 据结构要求取为48mm
实际长度：，取
角钢趾：
计算长度： 据结构要求取为48mm
实际长度：，取
(3) 斜杆cD和节点板连接焊缝计算cD 杆焊缝计算
，
角焊缝强度设计值，设焊缝 ，则焊缝所需长度：
角钢背：
计算长度:
实际长度：，取
角钢趾：
计算长度：
实际长度：，取
(4) 下弦杆焊缝验算
下弦杆和节点板连接焊缝承受两相邻内力之差：
△N=559.46-231.07=328.39kN
依据节点放样，得节点板尺寸为400×300mm。
肢背焊缝验算，设，

4.2 上弦节点F

(1) Fe杆焊缝计算
，
角焊缝强度设计值，设焊缝 ，则焊缝所需长度：
角钢背：
计算长度:
实际长度：，取
角钢趾：
计算长度： 据结构要求取为48mm
实际长度：，取
(2) Fg 杆焊缝计算
，
角焊缝强度设计值，设焊缝 ，则焊缝所需长度：
角钢背：
计算长度: 据结构要求取为48mm
实际长度：48×2+6=60，取
角钢趾：
计算长度： 据结构要求取为48mm
实际长度：，取
(3) 上弦杆焊缝验算
上弦杆和节点板连接焊缝承受两相邻内力之差：
△N=735.399-655.091=80.308kN
依据节点放样，得节点板尺寸为260×230mm。
考虑搁置屋面板需要，节点板缩进上弦肢背10mm，用槽焊缝连接，槽焊缝按两条角焊缝计算，取。焊缝设计强度应乘以折减系数0.8,假定集中荷载P和上弦杆垂直，忽略屋架上弦坡度影响。
肢背焊缝验算：

肢尖焊缝验算：

4.3 屋脊节点I
(1) 拼接角钢和弦杆连接计算及拼接角钢总长度确实定
拼接角钢和受压弦杆连接可按弦杆中实际压力设计值N进行计算，每边共有4条寒风平均承受此力，所以得焊缝长度为

由此可得拼接角钢总长度为：

取
(2) 弦杆和节点板连接焊缝计算
因为屋脊节点节点板宽度相对较大且焊缝连接需抵御力通常不大，故上弦杆和节点板之间槽焊强度足够，不需计算。
考虑焊缝必需有一必需最小承载力，需对此进行补充验算。上弦杆角钢趾部和节点板之间连接焊逢，按上弦杆内力15%计算
设，节点板尺寸取为400×200mm，节点一侧焊缝：

焊缝应力验算：
4.4 跨中下弦拼接点i
(1) 下弦杆拼接及长度计算（设焊缝hf=8mm）
下弦杆双角钢截面选择一样大小角钢作为拼接件，为使拼接角钢和原来角钢相紧贴，对拼接角钢顶部截去棱角，宽度为r（r为角钢内圆弧半径），对其竖直边应割去：
拼接接头一侧连接焊缝长度按下弦杆强度计算，每条焊缝所需长度为：

由连接焊缝强度条件可求出拼接拼接角钢总长度为：

取拼接角钢长度L＝600mm，节点板尺寸为450×350mm。
(2) 下弦节点和节点板连接角焊缝
节点一侧连接焊缝按下弦杆内力15%验算，焊缝长度按结构决定，所以不再计算。
4.5 支座节点a
(1) 支座底板计算
支座反力：
所需底板净面积：
设底板尺寸为250×250mm，底板锚栓孔径为50mm
底板平面净面积：
底板下平均应力：
底板为两相邻边支撑板，单位宽度弯矩为：

所需底板厚度：
(2) 加劲肋和节点板连接焊缝计算

设一个加劲肋承受四分之一屋架支座反力，即

焊缝内力为:

设焊缝hf=6mm，焊缝计算长度：
焊缝应力验算：

(3) 底板和节点板、加劲肋板底端角焊缝连接计算
公式：
其中：，

设底板焊缝传输全部支座反力，底板焊缝总长度为：

设焊缝hf=6mm，底板焊缝验算:
故符合要求。
附录：
1 全跨各节点受单位力1
（1）输入数据
*******************************************************************
* *
* 1 composite beam .7.6 *
* *
*******************************************************************
200E6 49 26 3 1
1 2 1 10E-18
2 3 1 10E-18
3 4 1 10E-18
4 5 1 10E-18
5 6 1 10E-18
6 7 1 10E-18
7 8 1 10E-18
8 9 1 10E-18
9 10 1 10E-18
10 11 1 10E-18
11 12 1 10E-18
12 13 1 10E-18
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16 17 1 10E-18
18 1 1 10E-18
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19 20 1 10E-18
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21 22 1 10E-18
22 23 1 10E-18
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17 0 -0.5 0
0
（2）输出数据
*******************************************************************
* *
* 1 composite beam .7.6 *
* *
*******************************************************************
The Input Data
The General Information
E NM NJ NS NLC
2.000E+08 49 26 3 1
The Information of Members
member start end A I
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3 3 4 1.000000E+00 1.000000E-17
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5 5 6 1.000000E+00 1.000000E-17
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8 8 9 1.000000E+00 1.000000E-17
9 9 10 1.000000E+00 1.000000E-17
10 10 11 1.000000E+00 1.000000E-17
11 11 12 1.000000E+00 1.000000E-17
12 12 13 1.000000E+00 1.000000E-17
13 13 14 1.000000E+00 1.000000E-17
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29 22 9 1.000000E+00 1.000000E-17
30 22 10 1.000000E+00 1.000000E-17
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41 26 17 1.000000E+00 1.000000E-17
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46 22 23 1.000000E+00 1.000000E-17
47 23 24 1.000000E+00 1.000000E-17
48 24 25 1.000000E+00 1.000000E-17
49 25 26 1.000000E+00 1.000000E-17
The Joint Coordinates
joint X Y
1 .000000 1900.000000
2 1350.000000 2035.000000
3 2850.000000 2185.000000