钢结构课程设计-计算书.doc

钢结构课程设计

姓 名
张 彬
学 号
14219117140
班　　级
14土木工程专升本
学 院
瓯江学院
指导教师
周亚刚
时 间
2015年6月20日

班级： 14土木工程专升本 学号： 14219117140 姓名： 张 彬
一、设计资料　
1、结构形式
某厂房跨度为24m，总长90m，柱距6m，采用梯形钢屋架、1.5×6.0m预应力混凝土大型屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400×400，混凝土强度等级为C30，屋面坡度为。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为7度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台150/30t（中级工作制），锻锤为2台5t。
2、 屋架形式及选材
屋架形式、几何尺寸及内力系数如附图所示。屋架采用的钢材及焊条为： 钢，焊条为型。
3、荷载标准值（水平投影面计）
① 永久荷载：
　三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.5 KN/m2
　 水泥砂浆找平层 0.5 KN/m2
　 保温层 0.45 KN/m2(按附表取)
　 一毡二油隔气层 0.05 KN/m2
　水泥砂浆找平层 0.4 KN/m2
预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2
屋架及支撑自重：按经验公式L为屋架跨度计算： 0.384 KN/m2
悬挂管道： 0.15 KN/m2
② 可变荷载：
屋面活荷载标准值：
雪荷载标准值： 0.35KN/m2
积灰荷载标准值： 1.1 KN/m2

图1.1 24米跨屋架几何尺寸

图1.2 24米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值
4、支撑布置

二、荷载计算（水平投影面计）
①永久荷载：
　三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.5 KN/m2
　 水泥砂浆找平层 0.5 KN/m2
　 保温层 0.45 KN/m2(按附表取)
　 一毡二油隔气层 0.05 KN/m2
　水泥砂浆找平层 0.4 KN/m2
预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2
屋架及支撑自重：按经验公式L为屋架跨度计算： 0.384 KN/m2
悬挂管道： 0.15 KN/m2

小计 ∑3.834KN/ m2
② 可变荷载：
屋面活荷载标准值：
雪荷载标准值： 0.35KN/m2
积灰荷载标准值： 1.1 KN/m2
1、积灰荷载应与雪荷载或屋面活荷载两者中的较大者同时考虑，所以这里的可变荷载只考虑积灰荷载和屋面活荷载。
可变荷载效应控制的组合设计值：1.2×3.834+1.4×1.1+1.4×0.7×0.7=6.8268KN/m2
永久荷载效应控制的组合设计值：1.35×3.834+1.4×（1.1×0.9+0.7×0.7）=7.2479KN/m2
所以荷载组合设计值取7.2479 KN/m2
2、荷载组合
设计屋架时仅考虑以下一种荷载组合：
（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载
屋架上弦节点荷载：P=7.2479×1.5×6=65.2311kN

四、内力计算
屋架在上述1种荷载组合作用下的计算简图1.2
全跨满载情况下的内力计算结果见表1
内力计算表 表1
杆件
名称
全跨
全跨永久荷载+全跨可变荷载
P=65.2311 kN
内力组合N=P*系数
系数

上
弦
杆
A-B
0
0
B-D
-8.72
-568.8152
D-F
-13.53
-882.5768
F-H
-15.26
-995.4266
H-I
-14.71
-959.5495
下
弦
杆
a-c
+4.73
308.5431
c-e
+11.53
752.1146
e-g
+14.56
949.7648
g-i
+15.17
989.5558

斜
腹
杆
a-B
-8.87
-578.5999
B-c
+6.88
448.7900
c-D
-5.44
-354.8572
D-e
+3.70
241.3551
e-F
-2.46
-160.4685
F-g
+1.11
72.4065
g-H
+0.02
1.3046
H-i
-1.08
-70.4496

竖
杆
a-A
-0.5
-32.6156
c-C
-1.0
-65.2311
e-E
-1.0
-65.2311
g-G
-1.0
-65.2311
I-i
1.94
126.5483

五、杆件截面设计
1、上弦杆截面计算
腹杆最大内力，N=-578.5999KN由屋架节点板厚度参考表可知：支座节点板厚度取14mm；其余节点板与垫板厚度取12mm。
计算长度：屋架平面内取节间轴线长度=150.8cm
屋架平面外根据支撑和内力变化取=2×150.8=301.6cm
y
因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并,截面类型为b类。如图1示。
y
x
x
12

图1 上弦截面

设，查轴心受压构件的稳定系数表
需要截面积
需要回转半径 ，
根据需要的A 、 ix 、iy ，查教科书P341附表2-5b角钢型钢表，
选用2∟160×100×14，A =69.418c㎡ , ix = 2.80cm , iy =7.86cm
,
对于短肢相并的不等肢角钢，，所以

满足长细比：小于的要求。
由于，只需求出，查课本P356附表4-1b轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
2、下弦杆截面计算
整个杆件采用同一截面，按最大内力计算，N =989.5558KN（拉力）
计算长度 屋架平面内取节间轴线长度
屋架平面外根据支撑布置取
计算需要净截面面积
选用2∟160×100×10（短肢相并），见图2所示，A =50.630c㎡ , ix =2.85cm , iy =7.78cm
按所选角钢进行截面验算，取。
12
x
x
y
y

图2 下弦截面

，

所选截面满足要求。
3、斜杆截面计算
① 斜杆a-B
N =-589.5999KN（压力）
因为，故采用等肢角钢。
计算需要净截面面积
选用2∟125×10，见图3所示，截面类型为b类，A = 48.746 c㎡ , ix = 3.85cm , iy = 5.59cm
x
x
y
y
12

图3 斜杆a-B截面

,
对于等肢角钢，，所以

满足长细比：小于的要求。
由于，只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
② 斜杆B-c
N = 448.7900KN（拉力）
因为中间腹杆，所以，
计算需要净截面面积
选用2∟100×6，见图4所示，A = 23.864 c㎡ , ix = 3.1 cm , iy = 4.51 cm
x
x
y
y
12

图 4斜杆B-c截面

验算：
，

所选截面满足要求。
斜杆c-D
N =-354.8572（压力）
因为中间腹杆，所以，
计算需要净截面面积
选用2∟100×8，见图5所示，截面类型为b类，A =31.278mm2 , ix =3.08cm , iy = 4.56cm
x
x
y
y
12

图5斜杆c-D截面

,
对于等肢角钢，，所以

满足长细比：小于的要求。
由于，只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，=0.724

所选截面合适。
④斜杆D-e
N =241.3551KN（拉力）
因为中间腹杆，所以，
计算需要净截面面积
选用2∟80×6，见图6所示，A =18.794 c㎡ , ix =2.47 cm , iy =3.73 cm
x
x
y
y
12

图 6 斜杆D-e截面
验算：
，

所选截面满足要求。
⑤斜杆e-F
N =-160.4685KN（压力），
因为中间腹杆，所以，
计算需要净截面面积
选用2∟90×8，见图7所示，截面类型为b类，A =27.888c㎡ , ix = 2.76cm , iy = 4.17cm
x
x
y
y
12

图7 斜杆e-F截面
,
对于等肢角钢，，所以

满足长细比：小于的要求。
由于，只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表， =0.616

所选截面合适。
⑥斜杆F-g
N = 72.4065 kN（拉力）
因为中间腹杆，所以，
计算需要净截面面积
选用2∟75×6，见图8所示，A = 17.594c㎡ , ix = 2.31 cm , iy = 3.53 cm
x
x
y
y
12

图 8 斜杆F-g截面
验算：
，

所选截面满足要求。
⑦斜杆g-H
N =1.3046 kN （拉力）
因为中间腹杆，所以，
计算需要净截面面积
选用2∟63×5，见图9所示，A = 12.286c㎡ , ix = 1.94 cm , iy = 3.04 cm

x
x
y
y
12

图9 斜杆g-H截面
验算：
，

所选截面满足要求。
⑧斜杆H-i
N =-70.4496KN（压力）
因为中间腹杆，所以，
计算需要净截面面积
选用2∟90×8，见图10所示，截面类型为b类，A =27.888c㎡ , ix = 2.76cm , iy = 4.17cm
x
x
y
y
12

图10 斜杆H-i截面

,
对于等肢角钢，，所以

满足长细比：小于的要求。
由于，只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表， =0.571

所选截面合适。
4、竖杆截面计算
边竖杆a-A
N =-32.6156kN (压力)，
计算需要净截面面积
选用2∟63×10,见图11所示，截面类型为b类，A =23.314c㎡ , ix = 1.88cm , iy = 3.15cm
x
x
y
y
12

图11:竖杆截面图

，
对于等肢角钢，，所以

满足长细比：小于的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
②竖杆c-C
N =-65.2311kN (压力)，l0x = 0.8l = 183.2cm , l0y =l=229.0cm
计算需要净截面面积
选用2∟63×10，见图11所示，截面类型为b类，A =23.314c㎡ , ix = 1.88cm , iy = 3.15cm
，
对于等肢角钢，，所以

满足长细比：小于的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
③竖杆e-E
N =-65.2311kN (压力)，l0x=0.8l=207.2cm , l0y =l=259.0cm
计算需要净截面面积
选用2∟63×10，见图11所示，截面类型为b类，A =23.314c㎡ , ix = 1.88cm , iy = 3.15cm
，
对于等肢角钢，，所以

满足长细比：小于的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
④竖杆g-G
N =-65.2311kN (压力)，l0x=0.8l=231.2cm,l0y =l=289.0cm
计算需要净截面面积
选用2∟63×10，见图11所示，截面类型为b类，A =23.314c㎡ , ix = 1.88cm , iy = 3.15cm
，
对于等肢角钢，，所以

满足长细比：小于的要求。
由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，

所选截面合适。
⑤中竖杆i-I
N =126.5483kN (拉力)，l0x = 0.8l = 255.2cm , l0y =l=319.0cm
计算需要净截面面积
选用2∟63×10见图12所示A =23.314c㎡ ,ix =iy =0.21h=0.21×(6.3×2+1.2）=2.898cm

图12:竖杆截面图
验算：
，

所选截面合适。

屋架杆件一览表

杆件
杆内力
kN
计算长度
截面形式及
角钢规格
截面积
（m㎡）
回转半径
长细比
容许长细比

系数

σ
(N/m㎡)
lox
loy
ix(mm)
iy(mm)
λmax

上弦
-995.4266
1509
3018
┛┗短肢相并
2L160×100×14
6941.8
28
78.6
53.9
150
0.838
-171.61
下弦
989.5558
3000
6000
┛┗短肢相并
2L160×100×10
5063
28.5
77.8
150.3
350
—
195.45
斜腹杆
a-B
-579.5999
2535
2535
┛┗
2L125×10
4874.6
38.5
55.9
65.8
150
0.775
-153.16
B-c
448.7900
2086.4
2608
┛┗
2L100×6
2386.4
31
45.1
67.3
250
—
188.06
c-D
-354.8572
2287.2
2859
┛┗
2L100×8
3127.8
30.8
45.6
74.3
150
0.724
-156.70
D-e
241.3551
2287.2
2859
┛┗
2L80×6
1879.4
24.7
37.3
92.6
250
—
128.42
e-F
-160.4685
2503.2
3129
┛┗
2L90×8
2788.8
27.6
41.7
90.7
150
0.616
-93.41
F-g
72.4065
2495.2
3119
┛┗
2L75×5
1759.4
23.1
35.3
108.0
250
—
41.15
g-H
1.3046
2716.8
3390
┛┗
2L63×5
1228.6
19.4
30.4
140
250
—
1.06
H-i
-70.4496
2696
3370
┛┗
2L90×8
2788.8
27.6
41.7
97.7
150
0.571
-44.24
竖杆
a-A
-32.6156
1990
1990
┛┗
2L63×10
2331.4
18.8
31.5
105.9
150
0.517
-27.06
c-C
-65.2311
1832
2290
┛┗
2L63×10
2331.4
18.8
31.5
97.5
150
0.572
-48.91
e-E
-65.2311
2072
2590
┛┗
2L63×10
2331.4
18.8
31.5
110.2
150
0.492
-56.87
g-G
-65.2311
2312
2890
┛┗
2L63×10
2331.4
18.8
31.5
123.0
150
0.421
-66.46
i-I
126.5483
2552
3190
┛┗
2L63×10
2331.4
28.98
28.98
88.1
150
—
54.28

六、节点设计
重点设计“a”、“B”、“c”、“i”、“I”五个典型节点，其余节点设计类同。
1、 一般节点（下弦节点c）：
这类节点的设计步骤是：先根据腹杆的内力计算腹杆与节点连接焊缝的尺寸，即hf和lw 。然后根据lw的大小比例绘出节点板的形状和大小，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。
选用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值＝160N/m㎡，实际所需的焊脚尺寸可由构造确定。
本结构采用手工焊：
满足和
（1）B-c杆的内力N= 448.7900 kN，肢背和肢尖焊缝和，所需要的焊缝长度为：
肢背，取240mm
肢尖，取120mm
均满足，满足和
（2）c-D杆的内力N= -354.8572kN，肢背与肢尖的焊缝和，所需要的焊缝长度为：
肢背，取170mm
肢尖，取100mm
均满足，满足和
（3）竖杆C-c杆的内力N= -65.2311 kN，肢背与肢尖的焊缝和，按两面侧焊缝计算：
肢背，
，取70mm
肢尖，
，取50mm
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间的间距以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点尺寸为420×380。
（4）下弦杆焊缝验算
下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦内力之差。

肢背焊缝验算，，

焊缝强度满足要求。
节点图如下图所示：
下弦节点c各杆肢尖、肢背尺寸

2．上弦B节点：
(1) a-B杆内力肢背： ，肢尖：
肢背，取220mm
肢尖，取120mm
均满足，满足和
(2) c-B杆的内力N= 448.7900kN，肢背和肢尖焊缝和，所需要的焊缝长度为：
肢背，取240mm
肢尖，取120mm
均满足，满足和
(3) 考虑搁置檩条，节点板缩进上弦肢背8mm，用槽焊缝连接，槽焊缝按两条角焊缝计算，P＝65.2311kN，节点板尺寸为575×420。
肢背焊缝验算：

设肢尖焊缝=8mm，假定集中荷载P与上弦垂直，忽略屋架上弦坡度影响,
,
肢尖焊缝验算：

肢尖焊缝强度满足要求。
节点图如下图所示：
上弦节点B各杆肢尖、肢背尺寸

3、下弦跨中i节点设计
弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，且便于施焊，需要将拼接角钢的尖角削除，并截去垂直肢的一部分宽度（一般为Δ=t+hf+5mm）。拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。
（1） 设焊缝高度，连接角钢取与下弦杆相同截面2∟160×100×10,
;则Δ=12+9+5=26mm；
焊缝长度为：

连接角钢长度取l=2×263.43+15=541.85mm（b取15mm）取l=570mm;

（2）H-i杆和的内力N= -70.4496kN，肢背和肢尖焊缝和，所需要的焊缝长度为：
肢背，取60mm
肢尖，
满足和,取40mm

(3)I-i杆的内力N= 126.5483kN，肢背和肢尖焊缝和，所需要的焊缝长度为：
肢背，
和,取70mm
肢尖，
和,取70mm
由以上所求焊缝数据，结合实际情况，节点板大小为250×250mm

(4)验算下弦杆与节点板的肢间，肢背的焊缝强度：肢背和肢尖焊缝
由于ΔN=0;所以采用进行验算：
肢背：
肢尖：
强度符合要求。
节点图如下图所示：
下弦跨中拼接节点i

4、上弦跨中I节点设计
（1）连接角钢的计算
弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，且便于施焊，需要将拼接角钢的尖角削除，并截去垂直肢的一部分宽度（一般为Δ=t+hf+5mm）。拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。
设焊缝高度，连接角钢取与下弦杆相同截面2∟160×100×14,
N=-959.5495KN；Δ=12+12+5=29mm
焊缝长度为：
连接角钢长度取l=202.492+50=454.98mm（b取50mm）
（2）I-i杆的内力N= 126.5483kN，肢背和肢尖焊缝和，所需要的焊缝长度为：
肢背，
和取50mm
肢尖，
和取50mm
（3）上弦杆与节点板连接焊计算：
考虑搁置檩条，节点板缩进上弦肢背8mm，用槽焊缝连接，槽焊缝按两条角焊缝计算，,上弦杆受力N=959.5495KN；
弦杆与节点板间的焊缝所承受的竖向力：

上弦杆肢背需焊缝长度为：

由I-i杆和上弦杆集中力所求得的焊缝长度，设定节点板大小，节点板取250×180mm
设肢尖焊缝=8mm，假定集中荷载P与上弦垂直，P＝65.2311kN，忽略屋架上弦坡度影响。
因为ΔN=0；所以采用进行肢尖焊缝验算：

肢尖焊缝强度满足要求。

节点图如下图所示：

上弦跨中拼接节点I

5、下弦支座a节点设计
（1） 底板计算
底板承受屋架的支座反力R=8×65.2311=521.8488KN,柱采用C30混凝土的轴心抗压强度设计值=14.3N/mm，
底板需要的净截面积：

螺栓直径采用d=20mm,螺栓孔布置见图。

底板尺寸取250×250mm
板底实际承受的均布反力：

节点板与加筋肋将底板分成四块相同的两相邻边支承板，取节点板与加劲肋的厚度相同，则它们的对角线长度及内角顶点到对角线的距离的比值：
/=0.5, 查表得=0.058。底板抗压强度,两相邻边支承板单位宽的最大弯矩为：

所需的板底厚度
，取t=23mm
(2)节点板与弦杆之间的焊缝计算
1) a-B杆内力肢背:，肢尖：
肢背，取220mm
肢尖，取130mm
均满足，满足和
2) a-c杆的内力N=308.5431kN，肢背和肢尖焊缝和，所需要的焊缝长度为：
肢背，取160mm
肢尖，取90mm
3)a-A杆的内力N= -32.6156kN，肢背和肢尖焊缝和，所需要的焊缝长度为：
肢背，
和,取50mm
肢尖，
和,取50mm
(3)加筋肋与节点板的焊缝计算
焊缝长度等于加筋肋的高度，也等于节点板高度。通过节点板与弦杆之间的焊缝计算和节点图量的焊缝的近似计算长度为500mm,t=23mm.
设焊角尺寸为8mm,每块加筋肋近似按承受R/4=8P/4计算，R/4作用点到焊缝的距离为。则焊缝所受的剪力和弯矩分别为：
、

强度满足要求

（4）加筋肋和节点板与底板的焊缝计算
上述零件与底板连接焊缝的总计算长度近似取

所需的焊脚尺寸：，
根据构造要求：

取，构造符合要求。

节点图如下图所示。

支座节点a