钢结构课程设计梯形桁架跨度24米.doc

精选资料
一、基本资料
1.课程设计题目
某车间梯形钢屋架结构设计
2.设计资料
1、车间柱网布置图（L×240m），柱距6m。
2、屋架支承于钢筋混凝土柱顶（砼等级为C20），采用梯形钢屋架。
3、屋面采用1.5×6m的预应力钢筋混凝土大型屋面板（屋面板不考虑作为支撑用）。
3.设计要求
1)屋架自重＝（120+11L）N/m2；
2)屋面基本荷载表：
荷载类型
序号
荷载名称
重量
永久
荷载
1
预应力钢筋混凝土屋面板（包括嵌缝）
1.50kN/m2
2
防水层
0.38 kN/m2
3
找平层20mm厚
0.40 kN/m2
5
支撑重量
0.80k N/m2
可变
荷载
1
活载
0.70kN/m2
2
积灰荷载
0.80k N/m2
2. 依檐口高度：III：H0=2.0m
3. 屋架坡度i：1/11
4. 厂房跨度L=24m
二、屋架形式、尺寸、材料选择及支撑布置
本题为无檩屋盖方案，i=1/11，采用梯形屋架。屋架计算跨度为L0=L-300=23700mm，端部高度取H0=2000mm，中部高度取H=3100mm,屋架杆件几何长度见附图1（跨中起拱按L/500考虑）。根据计算温度和荷载性质，钢材选用Q235-B。焊条采用E43型，手工焊。根据车间长度、屋架跨度和荷载情况，设置上、下、弦横向水平支撑、垂直支撑和系杆。
屋架支撑布置如图：

符号说明：SC：上弦支撑； XC：下弦支撑； CC：垂直支撑
GG：刚性系杆； LG：柔性系杆

三、荷载和内力计算
1、荷载计算：
恒荷载
预应力混凝土大型屋面板（含灌缝） 1.4KN/m2
防水层 0.35 KN/m2
找平层（20mm厚） 0.4KN/m2
支撑重量 0.38 KN/m2
管道自重 0.1KN/m2
保温层（8cm厚） 0.5KN/m2

恒载总和 3.13KN/m2
活荷载
活荷载 0.5KN/m2
积灰荷载 0.6KN/m2

荷载总和 1.1KN/m2
2、荷载组合：
永久荷载荷载分项系数：=1.2:；屋面荷载荷载分项系数=1.4；组合系数：=0.7；积灰荷载分项系数：=1.4，=0.9
1）节点荷载设计值
=（3.13×1.2+1.4×0.5+1.4×0.9×0.6）×1.5×6=46.9KN
2）考虑以下三种荷载组合
（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载效应控制的组合）
全跨节点荷载设计值：
=（3.13×1.2+1.10×1.4）×1.5×6=47.66KN
（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载
全跨节点永久荷载
=3.13×1.5×6×1.2=33.80KN
半跨可变荷载：
=1.10×1.5×6×1.4=13.86KN
（3）全跨屋架包括支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载
全跨节点屋架自重设计值：
=0.38×1.2×1.5×6==4.10KN
半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：
=（1.4×1.35+0.5×1.4）×1.5×6=23.31KN
四、内力计算
荷载组合（1）计算简图如图3.1，荷载组合（2）计算简图如图3.2，荷载组合（3）计算简图如图3.3.
图 3.1 荷载组合（1）
图 3.2 荷载组合（2）

图 3.3 荷载组合4.3

由结构力学求解器先解得F=1的屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、走半跨和右半跨）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见附表1

可修改编辑
F =47.66 F1=33.80 F2=13.86 F3=4.1 F4=23.31
杆件名称
内力系数（F=1）
第一种组合
第二种组合
第二种组合
杆件计算内力
全跨
左半跨
右半跨
F×①
F1×①+ F2×②
F1×①+ F2×③
F3×①+ F4×②
F3×①+ F4×③
（kN）
①
②
③

上弦杆
AB
0
0
0
0
0
0
0
0
0
BC
-9.662
-7.135
-2.528
-460.49
-425.47
-361.61
-205.93
-98.54
-460.49
CD
-9.712
-7.184
-2.528
-462.87
-427.84
-363.30
-207.28
-98.75
-462.87
DE
-15.35
-10.72
-4.621
-731.58
-667.41
-582.88
-312.82
-170.65
-731.58
EF
-7.69
-5.38
-2.31
-366.51
-334.49
-291.94
-156.94
-85.38
-366.51
FG
-17.753
-11.452
-6.3
-846.11
-758.78
-687.37
-339.73
-219.64
-846.11
GH
-17.779
-11.479
-6.3
-847.35
-760.03
-688.25
-340.47
-219.75
-847.35
HI
-16.796
-9.118
-7.678
-800.50
-694.08
-674.12
-281.40
-247.84
-800.50
下弦杆
ab
5.63
4.245
3.684
268.33
249.13
241.35
122.03
108.96
268.33
bc
13.124
9.44
5.512
625.49
574.43
519.99
273.85
182.29
625.49
cd
16.879
11.368
7
804.45
728.07
667.53
334.19
232.37
804.45
de
17.437
10.438
8.75
831.05
734.04
710.65
314.80
275.45
831.05
斜腹杆
aB
-9.885
-7.452
-2.433
-471.12
-437.40
-367.83
-214.23
-97.24
-471.12
Bb
7.4
5.303
2.097
352.68
323.62
279.18
153.95
79.22
352.68
bD
-6.265
-4.148
-2.117
-298.59
-269.25
-241.10
-122.38
-75.03
-298.59
Dc
4.29
2.469
1.821
204.46
179.22
170.24
75.14
60.04
204.46
cF
-3.124
-1.306
-1.818
-148.89
-123.69
-130.79
-43.25
-55.19
-148.89
Fd
1.685
0.075
1.609
80.31
57.99
79.25
8.66
44.41
80.31
dH
0.582
2.176
-1.593
27.74
49.83
-2.41
53.11
-34.75
-34.75
He
-1.596
-3.038
1.442
-76.07
-96.05
-33.96
-77.36
27.07
-96.05
竖杆
Aa
-0.5
-0.5
0
-23.83
-23.83
-16.90
-13.71
-2.05
-23.83
Cb
-1.006
-1.006
0
-47.95
-47.95
-34.00
-27.57
-4.12
-47.95
Ec
-1.003
-1.003
0
-47.80
-47.80
-33.90
-27.49
-4.11
-47.80
Gd
-2.003
-2.003
0
-95.46
-95.46
-67.70
-54.90
-8.21
-95.46
Ie
2.105
1.185
0.919
100.32
87.57
83.89
36.25
30.05
100.32

五、截面选择
腹杆最大轴力为471.12KN，查表7.4，选用中间节点板厚t=10mm，支座节点板厚t=12mm。
1.上弦
整个上弦不改变截面，按最大内力计算。
Nmax=-847.35KN，lox=150.6cm，loy=300.0cm (l1取两块屋面板宽度)。
选用2L140×10，A=54.7cm2，=4.34cm，=6.05cm

双角钢T型截面绕对称轴（y）轴应按弯扭屈曲计算长细比
由于
所以
由查b类截面的

填板每节间放一块（满足范围内不少于两块）

2.下弦
整个下弦也不改变截面，按最大内力计算。
Nmax=831.05KN， ，连接支撑的螺栓孔中心至节点板边缘的距离约为100mm（de节间），可不考虑螺栓孔的削弱。
选用2L180×110×10，因，故用不等肢角钢，短肢相并，A=56.8cm2，=3.13cm，=8.56cm

填板每节间放一块

3.腹杆
① 杆件a-B：
NaB=-471.12KN，lox= loy=2528mm；NBb=348.69KN，lox= loy=2528mm
选2L140×90×10,（长支相接） A=44.6cm2，=4.47cm，=3.73m

由于
所以
由查b类截面的

填板放两块

② 杆件B-b：
N=352.68KN ，lox=0.8 l=0.8×2601=2081,loy=2601mm
选用2L806 , A=18.8 cm2，＝3.84, ＝3.65。

③ 杆件D-b：
N=298.59KN ，lox=0.8 l=0.8×2601=2081,loy=2601mm
选用2L806 , A=21.2 cm2，＝3.84, ＝3.65。

④ 杆件F-d：
N=-574.56KN，lox=366.3cm，loy=366.3cm。
选用2L18011010（长肢相并），A=56.8cm2，=5.81cm，=4.23cm

由于 ， 故

由查表得，

填板放两块
。

⑤ 杆件B-G：
N=301.06KN，lox=302.4cm，loy=378cm。
选用2L636，A=14.58cm2，=1.93cm，=2.91cm

填板放两块
。

⑥ 杆件d-G、d-H：
N=-119.36KN，lox=333.6cm，loy=417.3cm。
选用2L806，A=18.8cm2，=2.47cm，=3.58cm

由于 ， 故

由查表得（b类截面）

填板四块

屋架杆件截面选择表
杆 件名 称
杆件号
内力设计值N(KN)
计算长度(cm)
选用截面
截面积A(cm2)
计算应力（N/mm2）
容许长细比[]
稳定系数
杆件端部的角钢肢背和肢尖焊缝（mm）
填板数
l0x
l0y
上弦杆
G-H
H-I
-847.35
150.6
300.0
2∟140×10
54.7
188.9
150
0.810

2
下弦杆
d-e
821.63
300.0
11850
2∟180×110×10
56.8
133.7
350

1
腹
杆
Aa
-23.56
200.0
200.0
2∟63×5
12.3
27.8
150
0.691

2
aB
-465.78
252.8
252.8
2∟140×90×10
44.6
174.6
150
0.598

2
bB
348.69
208.1
2601
2∟80×6
18.8
185.5
350

4
bC
-47.40
1772
2215
2∟50×5
9.6
84.4
150
0.585

2
bD
-29.5
1985
2481
2∟80×6
18.8
231.6
150
0.678

2
cD
202.14
2831
2265
2∟90×6
21.2
95.3
350

4
cE
-47.26
2040
2550
2∟50×5
9.6
98.3
150
0.501

cF
-147.20
2454
3068
2∟70×5
13.7
201.8
150
0.532

4
dF
79.4
2454
3068
2∟170×5
13.7
57.8
350

dG
-94.38
2260
2825
2∟70×5
13.7
121.5
150
0.565

dH
-69.19
2657
3321
2∟63×5
12.3
119.2
150
0.436

eH
-105.
2648
3310
2∟70×5
13.7
159.8
150
0.481

eI
99.19
3100
3100
2∟70×5
13.7
72.2
350

六、节点设计

1.下弦节点“b”
有E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压、和抗剪强度设计值。设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：
B-b为长支相接，取角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数为。
肢背：，取16cm
肢尖： ，取12cm
设“Db”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为，
Db为等肢相接，取角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数为。
所需的焊缝长度为：
肢背：，取14cm
肢尖： ，取8cm
“Cb”杆的内力很小，只需要按构造确定焊缝，取。
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作和装备等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为310mm400mm。
下弦与节点板的连接的焊缝长度为400mm，。焊缝所受的左右两下弦杆的内力差为，肢背的力最大，取肢背进行计算，则肢背处的焊缝应力为：
＜
焊缝强度满足要求。
2.上弦节点B

“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。
“Bb”杆的肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为，B-b为长支相接，取角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数为所需的焊缝长度为：
肢背： ，取16cm
肢尖： ，取10cm
考虑焊缝长度，同时为了在上弦搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm，选择节点板尺寸为295mm480mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。验算上弦杆的焊缝：
忽略屋架上弦坡度的影响，假定集中荷载F与上弦杆垂直。上弦肢背承受集中荷载，肢尖承受左右弦杆的内力差。
槽焊缝的计算焊角尺寸为 ，=8mm
由节点板的长度确定槽焊缝的长度为480mm，承受荷载为Q=Fd=50.6KN

肢尖由焊缝承担弦杆内力差ΔN=455.27-0=455.27KN，偏心距e=14-2.5=11.5cm，偏心力矩M=ΔNe=455.27×11.5=56.15KN·m，采用hf=10mm，则
对ΔN：
对M：

故焊缝强度满足要求。
3.下弦节点“c”
设“Dc”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：
肢背：，加后取12cm
肢尖： ，加后取6cm
设“Fc”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为，所需的焊缝长度为：
肢背：，加后取10cm
肢尖： ，由于焊缝计算长度不得小于和40mm，肢尖焊缝长度取6cm。
“Cb”杆的内力很小，只需要按构造确定焊缝，取。
节点板取265mm315mm，取，下弦杆与节点板的焊缝长度为315mm，焊缝受左右弦杆的内力差为，受力较大的肢背处的剪应力为：
＜
焊缝强度满足要求。
4.下弦节点“d”
设“F-d”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：
肢背：<，计算长度取48mm，加后取7cm
肢尖： <，计算长度取48mm，加后取6cm
设“Hd”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为，所需的焊缝长度为：
肢背： <，计算长度取48mm，加后取7cm
肢尖： <，计算长度取48mm，加后取6cm。
“Cb”杆的内力为-47400N，。
肢背：<，焊缝长度取6cm，肢尖的力比肢背的小，肢尖焊缝长度取6cm。
节点板取255mm285mm，由于d点左右两端的拉力值相差不大，可只按构造确定其焊角尺寸为。
5.下弦节点“e”
腹杆“eH”计算内力为-105640N，，肢背的焊缝长度为：
，加后取7cm
肢尖：<48mm，取焊缝长度为6cm。节点板取325mm270mm。验算下弦节点板的焊缝。
计算内力差为ΔN=795.34-618.40kN=176.94kN，，焊缝长度为=270mm，焊缝肢背的剪应力为：＜，肢尖受力较小，不必验算。故焊缝合适。
竖杆“eI”焊缝计算：
拉力为99.19N，取，考虑起弧和灭弧，焊缝长度取7cm，肢尖受力较小，按构造确定焊缝长度为6cm。
下弦拼接角钢的总长度为采用与上弦统一钢号的角钢进行拼接，垂直肢截取宽度为（参照书上P37）

图6.5.1
拼接角钢的总长度取20cm。
6.上弦节点“C”、“E”、“G”。
由于节点处左右弦杆的内力值相等，且竖杆的内力设计值相同，故采用相同的节点板。焊脚尺寸取6mm，焊缝长度取6cm。连接板的尺寸如上图6.5.1
上弦点“D”，“F”、“H”焊缝尺寸根据下弦节点已经确定。
节点“D”：杆“Db”
杆“Dc”
节点“F”：杆“Fc”
杆“Fd”
节点“H”：杆“Hd”
杆“He”
节点“D”、“F”、“H”所选择的连接板尺寸分别为：230mm335mm，220mm255mm，235mm245mm。
7.屋脊节点“I”
1）弦杆与拼接角钢的连接焊缝计算
采用与上弦角钢相同钢号的角钢进行拼接，截取的垂直肢的宽度为：Δ=，取25mm，其中取8mm，接头一边的焊缝长度按弦杆的内力计算。一条焊缝所需的焊缝长度为：，拼接角钢的长度取520mm>2220.8mm+48mm+152=503.6mm，合适。
2）弦杆与节点板的连接焊缝计算
根据腹杆的内力，取节点板尺寸为300mm550mm，上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载，计算长度为550mm-2x15mm-4，=5mm，故计算长度为500mm，节点荷载为50.6kN，焊缝承受的剪应力：
＜，满足。
上弦肢尖与节点板的连接焊缝的内力计算值为上弦内力的15%，设肢尖的焊缝=8mm，，则节点一侧弦杆的计算长度为：
，焊缝应力为：

（对杆H-I）偏心距为：e=140-25=115mm

＜
8.支座节点“a”

腹杆“aB”的焊缝尺寸同节点“B”肢背：，肢尖：
。节点板的厚度为12cm，所确定的节点板尺寸如图6.8.1，下弦杆焊脚尺寸为肢背：，肢尖：，竖杆焊脚尺寸肢背和肢尖均为 ，经验算焊缝满足要求。为了便于施焊，下弦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，加劲肋与节点板的高度相等，厚度为12mm。
① 支座底板的计算
支座反力： R=8F=850.6kN=404.8kN,混凝土强度为C20，=9.6N/mm2
支座所需的净截面为：
选择的支座底板的尺寸如图6.8.2。仅考虑有加劲肋的部分承受支座反力，按照构造要求，取底板面积为a×b=290mmx232mm由于290mmx232mm=42166.7mm²>42166.7mm²，故底板的面积合适。
底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块为两相邻边支撑而另两边自由的板。
根据底板尺寸确定 ，/=0.474查表得的值为0.054。底板下的平均应力为：

每块板的单位宽度的最大弯矩为：

底板厚度：

取t=18mm。
②加劲肋与节点板的焊接焊缝计算。
计算简图如图6.8.3
假定一个加劲肋承受的力为支座反力的1/4，即加劲肋的计算内力为，则焊缝的内力为
设焊缝，焊缝的计算长度为：
图6.8.1 加劲肋计算简图
，则焊缝的应力：

＜，满足。
② 节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。
设焊缝传递全部的支座反力，每块加劲肋各传力为R/4=105780N，节点板传递的力为R/2=211560N。
设节点板与焊缝的焊脚尺寸，则焊缝的计算长度我为：

节点板的应力：

强度满足。
加劲肋焊脚尺寸每块加劲肋与地板的连接焊缝长度为：

加劲肋焊缝的应力为：

强度满足。

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