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钢结构课程设计计算书书 第一学期钢结构课程设计 专业班级： 土木xxx 姓 名： xxxxxx 学 号： 指导老师： xxxxxxx 日 期： 1月 目 录一、设计资料.3二、屋架布置及几何尺寸.3 1.几何尺寸.3 2.支撑布置.3三、荷载计算.4 1.荷载.42.荷载组合.4四、内力计算.4五、杆件截面设计.61.上弦杆截面计算.62.下弦杆截面计算.73.斜杆截面计算.84.竖敢截面计算.13六、节点设计.171.下弦节点设计.174.支座节点设计.18一：设计资料24000550060006000600060006000600060006000500500134567891011122AB 某单跨单层厂房，跨度L=24m，长度54m，柱距6m，厂房内无吊车、无振动设备，屋架铰接于混凝土柱上，屋面采用1.56.0m太空轻质大型屋面板。钢材采用Q235-BF，焊条采用E43型，手工焊。柱网布置如图1所示， 杆件容许长细比：屋架压杆=150，屋架拉杆=350。图1 柱网布置图二屋架形式及几何尺寸由于采用大型屋面板和油毡防水屋面，故选用平坡梯形钢屋架，未考虑起拱时的上弦坡度i1/10。屋架跨度l24m，每端支座缩进0.15m，计算跨度l0l20.15m23.7m；端部高度取H02m，中部高度H3.2m；起拱按fl0/500，取50mm，起拱后的上弦坡度为1/9.6。配合大型屋面板尺寸（1.5*6m），采用钢屋架间距B6m，上弦节间尺寸1.5m。选用屋架的杆件布置和尺寸如施工图所示。 （屋架计算跨度=24000-300=23700mm。屋架端部高度H0= mm。）图2 屋架的杆件尺寸由于房屋较短，仅在房屋两端5.5m开间内布置上、下弦横向水平支撑以及两端和中央垂直支撑，不设纵向水平支撑。中间各屋架用系杆联系，上下弦各在两端和中央设3道系杆，其中上弦屋脊处与下弦支座共三道为刚性系杆。所有屋架采用统一规格，但因支撑孔和支撑连接板的不同分为三个编号：中部6榀为WJ1a ,设6道系杆的连接板，端部第2榀为WJ1b，需另加横向水平支撑的的连接螺栓孔和支撑横杆连接板；端部榀（共两榀）为WJ1c。图3 上弦平面图4下弦平面与剖面三、荷载计算1、 荷载永久荷载大型屋面板 0.50+0.00138=0.535 KN/m2 防水层 0.10 KN/m2 屋架及支撑自重 0.15 KN/m2 悬挂管道 0.05 KN/m2 小计 0.835 KN/m22、 可变荷载（标准值） 屋面活荷载与雪载一般不会同时出现，可取其中较大者进行计算屋面活载 0.58 kN/m2以上荷载计算中，因屋面坡度较小，风荷载对屋面为吸力，对重屋盖可不考虑，因此各荷载均按水平投影面积计算。由永久荷载控制的荷载组合值为：1.350.835+0.71.40.58 =1.696 kN/m2由可变荷载控制的荷载组合值为：1.20.835+1.40.58 =1.814 kN/m2故可变荷载效应起控制作用。永久荷载设计值：1.20.835 = 1.002 kN/m2可变荷载设计值：1.40.58=0.812 kN/m23、荷载组合设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：(1)全跨永久荷载+全跨可变荷载全跨节点永久荷载及可变荷载F=（1.002+0.812）1.56 = 16.33 kN(2)全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载F1=1.0021.56 = 9.02 kN 半跨节点可变荷载F2=0.8121.56=7.31 kN(3)全跨屋架与支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载：F3=1.20.151.56= 1.62 kN半跨屋面板自重及活载产生的节点荷载：F4=（1.20.535+1.40.58）1.56=13.09 kN以上1），2）为使用阶段荷载组合;3）为施工阶段荷载组合。四、内力计算按屋架内力系数图计算杆件内力，然后乘以实际的节点荷载，屋架要上述第一种荷载组合作用下，屋架的弦杆、竖杆和靠近两端的斜腹杆内力均达到最大值，在第二和第三种荷载作用下，靠跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生变号，因此，在全跨荷载作用下所有杆件的内力均应计算，而在半跨荷载作用下，仅需计算近跨中的斜腹杆内力，取其中不利内力（正、负最大值）作为屋架的依据。具体计算见图屋架各杆内力组合见表。 内力计算表 表1内力计算杆件名称杆内力系数全跨永久荷载+全跨可变荷载P=16.33kNN=P全跨永久荷载+半跨可变荷载P1=9.02kNP2=7.31kNN左=P1+P2N右=P1+P2全跨屋架支撑+半跨屋面板+半跨可变荷载P3=1.62kNP4=13.09kNN左=P3+P4N右=P3+P4计算内力KNP=1在左半跨在右半跨全跨上弦杆A-B0000000B-D-6.253-2.476-8.729-142.54-124.45 96.84 -95.99 -46.55 -142.54 D-F-9.036-4.486-13.522-220.81 -188.02 -154.76 -140.19 -80.63 -220.81 F-K-9.152-6.075-15.227-248.66 -204.25 -181.76 -144.47 -104.19 -248.66 K-H-7.362-7.362-14.724-240.44 -186.63 -186.63 -120.22 -120.22-240.44 下弦杆a-c3.4891.2504.73977.3968.2551.88 53.35 24.04 77.39 c-e7.9993.52611.525188.20 162.43129.73123.38 64.83 188.20 e-g9.3245.29714.621238.76200.04 170.60 145.7493.02 238.76 g-h8.4168.71617.132279.77 216.05 218.24 137.92 141.85 279.77 斜杆a-B-6.532-2.340-8.872-144.88 -127.77 -97.13 -99.88 -45.00-144.88 B-c4.6872.1126.799111.03 95.5976.7772.37 38.66 111.03 c-D-3.395-2.029-5.424-88.57 -73.74-63.76 -53.23 -35.35 -88.57D-e1.8821.7913.67359.98 46.89 46.2230.59 29.39 59.98 e-F-0.697-1.799-2.496-40.76-27.61 -35.66 -13.17 -27.59 -40.76 F-g-0.4561.5571.10117.98 6.60 21.31 -4.19 22.16 22.16 g-K1.550-1.5220.0280.46 11.58-10.87 20.33 -19.88 20.33 K-h-2.474 1.378-1.096-17.90 -27.97 0.19 -34.16 16.26-34.16 竖杆a-A-0.500 0-0.500-8.17 -8.17 -4.51 -7.36-0.81 -8.17 c-C-1.000 0-1.000-16.33 -16.33 -9.02 -14.71 -1.62 -16.33 e-E-1.0000-1.000-16.33 -16.33 -9.02-14.71 -1.62 -16.33 g-G-1.000 0-1.000-16.33 -16.33 -9.02-14.71 -1.62 -16.33 h-H0.9830.9831.96632.10 24.92 24.92 16.05 16.05 32.10五、杆件截面设计1、上弦杆截面计算整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算N = -248.66 kN（压力），查单节点板桁架和桁架节点板厚度39表 可知节点板厚度选用8mm，支座节点板厚度选用10mm。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和内力变化取因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并。如图1所示。yyxx8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 ，查钢结构P328角钢型钢表，选用2，A = 21.27 c , ix = 2.01cm , iy = 5.29cm。按所选角钢进行验算 满足长细比：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、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=293.13 kN （拉力），查单节点板桁架和桁架节点板厚度39表 可知中间节点板厚度选用8mm，支座节点板厚度选用10mm。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280506（短肢相并），见图2所示，A =15.12c , ix =1.41 cm , iy =3.98cm 按所选角钢进行截面验算，取。 8xxyy 图2 下弦截面 所选截面满足要求。3、斜杆截面计算 斜杆a-BN = -144.88kN (压力)，l0x = l0y = l =254.3 cm因为l0x = l0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ix = iy 选用2100806，见图3所示，A = 21.27c , ix = 3.17cm , iy = 3.38cmxxyy8图3 斜杆a-B截面 属于b类截面 属于b类截面 满足长细比：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。 斜杆B-c N = 111.03kN（拉力），l0x = 0.8l = 0.8261.6=209.3cm, l0y = l =261.6 cm计算需要净截面面积 选用2454，见图4所示，A = 6.97 c , ix = 1.38 cm , iy = 2.16 cmxxyy8图 4斜杆B-c截面按所选角钢进行截面验算： 所选截面满足要求。 斜杆c-DN = -88.57kN (压力)，l0x =0.8 l =0.8287.8=230.2cm l0y = l =287.8cm计算需要净截面面积 选用2636，见图5所示，A =14.57mm2 , ix =1.93cm , iy = 2.91cmxxyy8图5斜杆c-D截面按所选角钢进行截面验算 属于b类截面 属于b类截面满足长细比：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。斜杆D-e.N =59.98kN （拉力），l0x = 0.8l =0.8286.7= 229.4cm, l0y = l =286.7 cm计算需要净截面面积选用2454，见图6所示，A = 6.97 c , ix = 1.38 cm , iy = 2.16 cmxxyy8图 6 斜杆D-e截面按所选角钢进行截面验算： 所选截面满足要求。 斜杆e-FN = -40.76kN (压力)，l0x =0.8 l =0.8313.8=251.0cm l0y = l =313.8cm计算需要净截面面积 选用2636，见图7所示，A =14.57c , ix = 1.93cm , iy =2.91cmxxyy8图7 斜杆e-F截面按所选角钢进行截面验算： 属于b类截面 属于b类截面满足长细比：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。 斜杆F-gN = 22.16kN（拉力）， l0x = 0.8l =0.8312.7= 250.2cm, l0y = l =312.7cm计算需要净截面面积 选用2454，见图8所示，A = 6.97c , ix = 1.38 cm , iy = 2.16 cmxxyy8图 8 斜杆F-g截面按所选角钢进行截面验算： 所选截面满足要求。 斜杆g-KN = 20.33kN（拉力），N = -19.88kN（压力） l0x =0.8 l =0.8340.5=272.4cm l0y = l =340.5cm计算需要净截面面积 选用2705，见图9所示，A =13.75 c , ix = 2.16cm , iy = 3.16 cmxxyy8图9 斜杆g-K截面按所选角钢进行验算： 属于b类截面 属于b类截面 满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，综合考虑选用2705均满足压力和拉力的要求。 斜杆K-h最大压力N=-34.16kN（压力），l0x =0.8 l =0.8339.3=271.4cm l0y = l =339.3cm 计算需要净截面面积 选用2705，见图10所示，A =13.75c , ix = 2.16cm , iy =3.16cmxxyy8图10 斜杆K-h截面按所选角钢进行验算 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、竖杆截面计算边竖杆a-AN = -8.17N (压力)，,l0x = l0y = l =200.0cm 计算需要净截面面积 选用2565，A =10.83c , ix =1.72cm , iy =2.61cm按所选角钢进行运算： 属于b类截面 属于b类截面满足长细比：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。竖杆b-B N = -16.33kN (压力)，,l0x =0.8 l =0.8230=184cm l0y =230cm 选用2565，A =10.83c , ix =1.72cm , iy =2.61cm按所选角钢进行运算： 属于b类截面 属于b类截面 满足长细比：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。竖杆e-EN = -16.33kN (压力)， l0x =0.8 l =0.8260=208cm l0y = l =260cm 选用2565，A =10.83c , ix =1.72cm , iy =2.61cm按所选角钢进行运算： 属于b类截面 属于b类截面满足长细比：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。竖杆g-GN = -16.33 kN (压力), l0x =0.8 l =0.8290=232cm l0y =290cm 选用2565，A =10.83 c , ix =1.72cm , iy =2.61cm按所选角钢进行运算：属于b类截面 属于b类截面满足长细比：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。 竖杆h-HN =32.10kN (拉力)， l0x =0.8 l =0.8320=256cm l0y =320cm 选用2565，A =10.83 c , ix =1.72cm , iy =2.61cm按所选角钢进行运算： 满足长细比：的要求。所选截面合适。中竖杆截面图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min(N/m)loxloyix(mm) iy(mm)max上弦-248.6615083016短肢相并2L110706212720.152.9751500.720162下弦279.7730006000短肢相并2L80506151214.139.8213350185斜腹杆a-B-144.8825432543长肢相并2L100806212731.733.8801500.68899B-c111.03209326162L45469713.821.6152350159c-D-88.57230228782L636145719.329.11191500.442138D-e59.98229428672L45469713.821.616635086e-F-40.76251031382L636145719.329.11301500.38772F-g22.16250231272L45469713.821.618135032g-K20.33272434052L705137521.631.61261500.40636K-h-34.16271433932L705137521.631.61261500.40661竖杆a-A-8.17 十字形2L565108317.226.11161500.45816c-C-16.3318402300十字形2L565108317.226.11071500.51130e-E-16.3320802600十字形2L565108317.226.11211500.43235g-G-16.3323202900十字形2L565108317.226.11351500.36549h-H32.1025603200十字形2L565108317.226.114935030六、节点设计重点设计“a”、“c”、“e”、“g” “h”五个典型节点，其余节点设计类同。11下弦杆c节点 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，手工焊。角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值160N/m。（1）B-c杆的内力N=111.03KN，角钢为L454，采用两边围焊 。肢背和肢尖焊缝hf=4mm，所需要的焊缝长度为：肢背：，取100mm肢尖：，取80mm（2）c-D杆的内力N=88.57KN，角钢为L636，采用两边侧焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：肢背，取80mm肢尖，取60mm（3） 竖杆c-C杆的内力N=16.33KN，角钢为L565，采用两边侧焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：。肢背，取50mm肢尖，取50mm（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。N188.2077.39110.81kN 肢背焊缝验算，hf5mm， f=7N/mm2160N/mm2焊缝强度满足要求。 1.2下弦杆e节点（1）D-e杆的内力N=59.98KN，角钢为L454，采用两边围焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：肢背，取60mm肢尖，取50mm（2）e-F杆的内力N=40.76KN，角钢为L636，采用两边侧焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：肢背，取50mm肢尖，取50mm（3）竖杆c-e杆的内力N=16.33KN，角钢为L565，采用两边侧焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：。内力很小，只需按构造要求取肢尖和肢背的焊缝长度取50mm。（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。N238.76188.2050.56kN肢背焊缝验算，hf5mm， fN/mm2160N/mm2焊缝强度满足要求。1.3下弦杆g节点与下弦杆g相连的腹杆和弦杆，内力都很小，按构造要求，肢背和肢尖焊缝hf=5mm，焊缝长度取50mm。1.4下弦杆h节点与下弦杆h相连的腹杆和弦杆，内力都很小，按构造要求，肢背和肢尖焊缝hf=5mm，焊缝长度取50mm。 1.5.支座a节点a-B杆的内力N=141.88KN，角钢为L100806，采用两边围焊 。肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为： 肢背，取100mm肢尖 取60mm 下弦节点各杆肢尖、肢背尺寸 杆件hf（mm） 肢背(mm)hf（mm）肢尖(mm)a-B594mm取100mm555mm取60 mm B-c579mm取100 mm540mm取80 mm c-D565mm取80mm 534mm取60mmD-e547mm取60mm526mm取50mme-F535mm取50mm521mm取50mmF-g5按构造取50mm5按构造取50mmg-K5按构造取50mm5按构造取50mmK-h5按构造取50mm5按构造取50mm2、底板计算2.1支座a节点为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋。加劲肋取460808mm，节点取4603808mm的钢板。支座反力RA=Ra=144.88sin58+8.17=131KN（1）支座底板的计算支座反力RA=Ra=131KN 按构造要求采用底板面积为ab=280360mm2如仅考虑加劲肋部分底板承受支座反力R，则承压面积为280（280+8）=47040mm2验算柱顶混凝土的抗压强度：=R/Au=131103/47040=2.78N/mm2fc=12.5N/mm2满足。 底板的厚度按屋架反力作用下的弯距计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两相邻边支承，而另两相邻边自由的板，每块板单位宽度的最大弯距为：M=式中 底板下的平均应力，=2.78N/mm2； 2两支承边之间的对角线长度，2=228mm； 系数，由b2/a2决定。b2=80150/228=110.5，b2/a2=110.5/228=0.485，查表得=0.056故M=0.0562.782282=8092.9Nmm。底板厚度t=15mm，取t=20mm。（2）加劲肋与节点的连接焊缝计算加劲肋高度取与支座节点板相同，厚度取与中节点板相同（即38014460），一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力为四分之一支座反力。R/4=131103/4=32.8103N，M=Ve=32.810350=1.64106Nmm设焊缝hf=8mm，焊缝计算长度lw=460-10-15=435mm，则焊缝应力为f=32.8103)/(20.78435)=7N/mm2，f=(61.72106)/(20.784352)=5N/mm2， =90N/mm2160N/mm2（3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝设焊缝传递全部支座反力R=131kN，其中每块加劲肋各传R/4=32.8kN，节点板传递R/2=65.5kN。节点板与底板的连接焊缝计算长度=2（300-10）=580mm，所需要的焊脚尺寸为h(65.5103)/(0.75801601.22)=0.8mm，取h=5mm。每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为=（100-20-10）2=140mm。所需要的焊缝尺寸为h(65.5103)/(0.71401601.22)=3mm，取h=6mm，节点图如下图所示。其它节点设计方法与上述方法类似。具体见屋架施工图。