钢结构课程设计(米跨范例一).doc

钢结构课程设计

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指导老师：

2012年 1 月 2 日

目录

一、设计资料 1
二、结构形式及支撑布置 2
三、荷载计算 4
四、内力计算 5
五、杆件设计 6
六、节点设计 10
七、参考资料 17
八、附表一 18
九、附表二 19

一、设计资料

某车间跨度为24m，厂房总长度72m，柱距6m，车间内设有两台300/50kN中级工作制吊车（参见平面图、剖面图），工作温度高于-20℃，无侵蚀性介质，地震设防烈度为6度，屋架下弦标高为12.5m；采用1.5×6 m预应力钢筋混凝土大型屋面板，Ⅱ级防水，卷材屋面，屋架采用梯形钢桁架，两端铰支在钢筋混凝土柱上，混凝土柱上柱截面尺寸为400×400mm，混凝土强度等级为C25，屋架采用的钢材为Q235B钢，焊条为E43型。

屋架形式
荷载（标准值）
永久荷载：
改性沥青防水层 0.35kN/m2
20厚1:2.5水泥砂浆找平层 0.4kN/m2
100厚泡沫混凝土保温层 0.6kN/m2
预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝） 1.4kN/m2
屋架和支撑自重为 （0.120+0.011L）kN/m2
可变荷载
基本风压： 0.35kN/m2
基本雪压：（不与活荷载同时考虑） 0.30kN/m2
积灰荷载 0.75kN/m2
不上人屋面活荷载 0.7kN/m2

二、结构形式及支撑布置

桁架的形式及几何尺寸如下图2.1所示
图2.1 桁架形式及几何尺寸

桁架支撑布置如图2.2所示

图2.2 桁架支撑布置

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、荷载计算

屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。由于风荷载为0.35kN/m2 小于0.49kN/m2，故不考虑风荷载的影响。沿屋面分布的永久荷载乘以换算为沿水平投影面分布的荷载。桁架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（=0.12+0.011跨度）计算，跨度单位为m。
标准永久荷载：
改性沥青防水层 1.004x0.35=0.351kN/m2
20厚1:2.5水泥砂浆找平层 1.004x 0.4=0.402kN/m2
100厚泡沫混凝土保温层 1.004x 0.6=0.602kN/m2
预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝） 1.004x 1.4=1.406kN/m2
屋架和支撑自重为 0.120+0.011x24=0.384kN/m2
_____________________________
共 3.145kN/m2
标准可变荷载：
屋面活荷载 0.7kN/m2
积灰荷载 0.75kN/m2
_____________________________
共 1.45kN/m2

考虑以下三种荷载组合
① 全跨永久荷载+全跨可变荷载
② 全跨永久荷载+半跨可变荷载
③ 全跨桁架、天窗架和支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载
（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：

（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载
全跨永久荷载设计值：
对结构不利时：
（按永久荷载效应控制的组合）
（按可变荷载效应控制的组合）
对结构有利时：
半跨可变荷载设计值：

（3）全跨桁架包括支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载（按可变荷载效应控制的组合）
全跨节点桁架自重设计值：
对结构不利时：
对结构有利时：
半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：

四、内力计算
荷载组合（1）计算简图如图4.1，荷载组合（2）计算简图如图4.2，荷载组合（3）计算简图如图4.3.
图 4.1 荷载组合（1）
图 4.2 荷载组合（2）

图 4.3 荷载组合4.3

由电算先解得F=1的桁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

五、杆件设计

（1）上弦杆
整个上弦杆采用等截面，按FG、GH杆件的最大设计内力设计。
N=788.27kN=788270N
上弦杆计算长度：
在桁架平面内，为节间轴线长度：

在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取：

因为=3，故宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。
腹杆最大内力N=470.35kN节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度用12mm
设=60，选用角钢，为b类截面，查表得。
需要截面积：

需要的回转半径：

根据需要的A、、查角钢规格表，选用2∟140×90×10，，=2.85cm，=7.70cm，，按所选角钢进行验算：

∵＞
∴
＜
截面和界面都为b类截面，由于＞，只需要求。查表的=0.806。
＜
故所选截面合适。
（2）下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力设计值设计。
N=779070N
平面内的计算程度和平面外的计算长度分别为：
，
所需截面面积：

选用2∟，，=2.56cm，=6.77cm，由于，故用不等肢角钢短肢相并
＜
考虑到下弦有的栓孔削弱，下弦净截面面积：

＜
所选截面合适。

（3）端斜杆aB
杆件轴力： N=470.35kN=470350N
计算长度，因为，故采用不等值角钢长肢相并。使设=60，查表得。

选用2∟，，，，按所选角钢进行验算：

∵＜
∴
＜
截面和界面都为b类截面，由于＞，只需要求。查表的=0.683。
＜
故所选截面合适。
（4）腹杆He
最大拉力： 21.46kN
最大压力： 97.75kN
按最大压力进行计算，设计计算值为97.75kN。
由于节点板的嵌固作用，桁架平面内的计算长度取，节点板在桁架平面外的刚度很小，故桁架平面外的计算长度仍取节间距离，即。
设=60查表得

，，选用等肢角钢，
2∟，，，，按所选角钢进行验算：
＜
∵＜
∴
＜
截面和界面都为b类截面，由于＞，只需要求。查表的=0.433。
＜
由于腹杆压力大于拉力，故可不比验算拉应力。
故所选截面合适。
（5）腹杆Bb
腹杆拉力设计值为 N=357.85kN

选用2∟组成梯形截面，，，，按所选截面进行验算：
平面内的计算长度和平面外的计算长度分别为，，
＜ ，＜
＞
故所选截面合适。
(6)竖杆Ie
竖杆拉力设计值： N=144.39kN

选用2∟组成十字形截面，，，，按所选截面进行验算：
平面内的计算长度和平面外的计算长度分别为，，
＜ ，＜
＞
故所选截面合适。
其他腹杆：竖杆Aa、Cb、Ec、Gd选用2∟组成的十字形截面，腹杆Db选用2∟短肢相并，腹杆Dc、Fd、Hd选用2∟组成的梯形截面，腹杆Fc选用2∟组成的梯形截面。经验算，所选截面都能满足要求。
各杆件的截面的选择见附表2

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：
肢背：，加后取16cm
肢尖： ，加后取10cm
设“Db”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14cm
肢尖： ，加后取7cm
“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。
“Ba”杆的肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为，所需的焊缝长度为：
肢背： ，加后取16cm
肢尖： ，加后取11cm
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：
忽略桁架上弦坡度的影响，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，

上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

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11cm
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8cm
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“Fd”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52890N，。
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97.75kN，，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。
计算内力为0.15779.07kN=116.86kN，，焊缝长度为270，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144.39kN，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

图6.5.1
拼接角钢的总长度取40cm。
（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”
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：，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500mm>2209.6mm+48mm+152=481.2mm，合适。
根据腹杆的内力，取节点板尺寸为200mm450mm，上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载，计算长度为450mm-2x15mm-4，=5mm，故计算长度为3800mm，节点荷载为52.89kN，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，节点板的长度为200mm，则节点一侧弦杆的计算长度为：
，焊缝应力为：

＜
（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=852.89kN=423.12kN
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，由于290mmx232mm=67280mm²>33849.6mm²，故底板的面积合适。
底板的厚度按桁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。

七、参考资料
1、张耀春.钢结构设计原理.高等教育出版社，2004版。
2、王国凡.钢结构连接方法及工艺.化学工业出版社,2005版。
3、钢结构设计规范（GB50017-2003）.北京计划出版社，2003版。
4、房屋建筑制图统一标准（GB/T50001-2001）.北京计划出版社，2002版

杆件名称
内力系数
附表1 桁架杆件内内力组合表

第一种组合F①
第二种组合
第三种组合
计算杆件内力 /kN
全跨①
左半跨②
右半跨③

上弦
AB
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
BC、CD
-8.74
-6.26
-2.48
-462.42
-426.03
-405.55
-370.48
-339.98
-186.24
-95.65
-462.42
DE、EF
-13.37
-8.93
-4.44
-707.14
-642.02
-609.01
-575.99
-531.05
-269.37
-161.68
707.14
FG、GH
-14.90
-8.96
-5.50
-788.27
-700.99
-661.53
-650.16
-601.53
-276.31
-193.43
-788.27
HI
-14.20
-7.10
-7.10
-751.04
-646.81
-605.42
-646.81
-605.42
-228.90
-228.90
-751.04
下弦
ab
4.45
3.52
1.26
235.31
221.66
212.12
188.49
172.97
102.71
48.63
235.31
bc

11.45
7.95
3.50
605.59
554.18
526.70
488.93
449.66
237.79
131.38
605.59
cd
14.36
9.16
5.20
759.50
683.15
646.53
625.08
577.98
278.86
184.15
759.50
de
14.73
8.19
6.54
779.07
683.11
642.36
658.81
613.68
257.27
217.65
779.07
斜腹杆
aB
-8.89
-6.55
-2.35
-470.35
-435.93
-415.57
-374.23
-342.73
-193.67
-93.05
-470.35
Bb
6.77
4.68
2.08
357.85
327.28
311.00
289.12
265.96
140.19
77.97
357.85
bD
-5.30
-3.31
-1.99
-280.26
-251.02
-237.32
-231.73
-214.55
-101.16
-69.70
-280.26
Dc
3.52
1.79
1.74
186.23
160.74
150.54
160.02
149.69
57.35
56.17
186.23
cF
-2.28
-0.59
-1.68
-120.38
-95.69
-87.61
-111.66
-106.46
-23.67
-49.71
-120.38
Fd
0.95
-0.54
1.49
50.03
28.16
22.71
58.02
57.96
-9.10
39.60
58.02，-9.10
dH
0.18
1.61
-1.46
9.73
30.67
34.15
-14.34
-18.98
39.31
-34.09
39.31，-34.09
He
-1.51

-2.67
1.16
-80.08
-97.09
-97.75
-40.84
-31.35
-70.27
21.46
21.46，-97.75
竖杆
Aa
-0.50
-0.50
0.00
-26.45
-26.45
-25.65
-19.11
-16.99
-14.05
-2.08
-26.45
Cb
-1.00
-1.00
0.00
-52.89
-52.89
-51.30
-38.21
-33.97
-28.09
-4.15
-52.89
Ec
-1.00
-1.00
0.00
-52.89
-52.89

-51.30
-38.21
-33.97
-28.09
-4.15
-52.89
Gd
-1.00
-1.00
0.00
-52.89
-52.89
-51.30
-38.21
-33.97
-28.09
-4.15
-52.89
Ie
2.73
1.37
1.37
144.39
124.35
116.39
124.35
116.39
44.01
44.01
144.39
附表2 桁架杆件截面选择表

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
容许长细比[λ]

稳定系数
应力σ/(N/mm²)
名称
编号

上弦
FG、GH
-788.27
160x100x10
5063
150.7
452.1
2.85
7.7
52.88
60.26
150

0.81
190.72
下弦
de
779.07
140x90x10
4452
300
1185
2.56
6.77
117.20
175
350

176.3
腹杆
Aa
-26.45
50x4
779
196.5
196.5
1.54
2.43
127.60
80.86
150
0.40

85.09
aB
-470.35
125x80x10
3942
249.4
249.4
3.98
3.31
62.67
80.76
150

0.68
174.7
bB
357.85
80x6
1879
205.5
256.9
2.47
3.65
83.2
70.4
350

190.4
bC
-52.89
50x4
779
178.6
223.3
1.54
2.43
115.97
91.89
150
0.46

148.2
bD
-280.26
140x90x10
4452
225
281.3
2.56
6.77
87.89
41.55
150
0.63

99.3
cD
186.23
70x4
1114
224.2
280.3
1.96
2.94
114.39
95.34
350

167.2
cE
-52.89
50x4
779
201.3
251.6
1.54
2.43
130.71
103.54
150
0.38

176.8
cF
-120.38
80x6
1879
2445
305.6
2.47
3.65
98.99
83.73
150
0.56

114.2
dF
58.02，-9.10
70x4
1114
243.6
304.5
1.96
2.94
124.29
103.57
150
0.41

52.08
dG
-52.89
50x4
779
223.8
279.8
1.54
2.43
145.32
115.14
150
0.33

208.9
dH
39.31，-34.09
70x4
1114
264.4
330.5
1.96
2.94
134.90
112.41
150
0.37

83.6
eH
21.46，-97.75
70x4
1114
263.6
329.5
1.96
2.94
120.9
119.4
150
0.43

202.6
eI
144.39
50x4
779
246.5
308.1
1.54
2.43
160.1
126.8
350

185.4

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