钢结构课程设计-焊接梯形钢屋架设计.doc

提供全套毕业设计，欢迎咨询淮北广播电视大学钢结构课程设计专业：2013土木工程春 学号：1334001205422 姓名：唐旭 一、设计题目：焊接梯形钢屋架设计二、目的：通过课程设计掌握屋盖系统结构布置方法。运用有关力学和本课程所学的知识，对钢屋架进行内力分析、杆件截面设计和节点设计。培养学生解决实际问题的能力。三、设计资料：1. 某单层单跨工业厂房，跨度L(18 m，21 m，24 m)，长度102 m。2. 厂房柱距6 m，钢筋混凝土柱，混凝土强度等级C20，上柱截面尺寸400400，钢屋架支承在柱顶。3. 吊车一台150 T，一台30 T，吊车平台标高+12.000 m。4. 荷载标准值（水平投影面计）5. 屋架计算跨度，几何尺寸及屋面坡度见附图1。6. 钢材3号钢、角钢、钢板各种规格齐全；有各种类型的焊条荷C级螺栓可供选用。7. 钢屋架的制造、运输荷安装条件：在金属结构厂制造，运往工地安装，最大运输长度16 m，运输高度3.85 m，工地有足够的起重安装条件。结构形式与布置屋架几何尺寸及屋架全跨上弦节点单位荷载作用下构件内力系数见图1图1(a) 18米跨屋架几何尺寸图1(b) 18米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值图1(c) 18米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值屋盖支撑布置根据支撑布置原则，有桥式吊车且吊车平台较高时应布置上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑以及垂直支撑。具体支撑位置如下页图2所示。支撑代号：屋架上弦横向水平支撑 sc 屋架下弦横向水平支撑 xc屋架下弦纵向水平支撑 zc 垂直支撑 cc刚性系杆 LG1 柔性系杆 LG2四、荷载和内力计算1、荷载计算按屋面做法，以知各荷载标准值算出永久荷载设计值：对于永久性荷载，按公式 设计值=1.2X荷载标准值；对于可变荷载，按公式 设计值=1.4X荷载标准值。同时按屋面活载及雪荷载两者中取大值的原则，算出可变荷载的设计值。计算可列表1进行。 序号荷载名称标准值（KN/）设计值（KN/）备 注1防水层（三毡四油，上铺绿豆沙）0.50.62找平层（2厚水泥砂浆）0.80.963预应力钢筋砼大型屋面板（1.56.0 m）1.31.564屋架自重（包括支撑重）0.3180.3816q=0.12+0.011L（L=21m）5保温层0.40.486一毡二油隔气层0.050.06永久荷载总重g3.4184.10167屋面活载0.70.988雪荷载0.350.499积灰荷载1.31.82可变荷载总重p2.352.80取7、8中大值+9值表1 荷载汇集表2、荷载组合设计屋架时应考虑三种组合： (1) 全跨永久荷载+全跨可变荷载； P=(4.1016+2.8)1.56=62.29KN(2) 全跨永久荷载+半跨可变荷载；P =4.10161.56=36.9144KNP=2.81.56=25.2KN(3) 全跨屋架支撑自重+半跨屋面板重+半跨可变荷载重；P=0.38161.56=3.4344KNP=（1.56+2.8）1.56=39.24KN3、内力计算 本实际采用程序计算杆件在单位节点作用下各杆件的内力系数，见表2。由表内三种组合可见：组合一，对杆件计算主要起控制作用；组合二和组合三，可能引起跨中几根斜腹杆发生内力变号。如果施工过程中，在屋架两侧对称均与铺设面板，则可避免内力变号而不用组合三。22杆件名称编号内力系数（F=1）第一种组合第二种组合第三种组合选定内力(KN)左半跨（1）右半跨（2）全跨（3）P（3）P（3）+ P（2）P（3）+ P（1）P（3）+ P(1)P（3）+ P（2）上弦杆AB0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00BD-4.371-1.850-6.221-386.414-386.414DF-5.636-3.357-8.993-558.595-558.595FG-6.861-5.319-12.180-758.692-565.365下弦杆ac2.5370.9333.470215.537215.537ce5.3252.6377.962495.555495.555eg5.3123.9679.279576.360576.360斜腹杆aB-4.757-1.748-6.502-403.868-403.868Bc3.1581.5814.739294.360294.360cD-1.862-1.520-3.382-210.071-210.071De0.5401.3441.884117.02483.155103.416117.024eF0.615-1.305-0.690-42.859-9.973-32.88621.763-53.578-53.578Fg-1.6321.170-0.462-28.697-58.18112.430-65.62644.324-65.626竖杆Aa-0.5000.000-0.500-31.057-31.057Cc-1.0000.000-1.000-62.114-62.114Ee-1.0000.000-1.000-62.114-62.114Gg0.4060.4060.81250.43750.437表2 屋架杆件内力组合表五、杆件截面设计节点板厚：支座斜杆的最大内力设计值，N=-403.868KN，由屋架节点板厚度参考可知：支座节点板厚t=12mm;中间节点板厚t=10mm.1、上弦杆 整个上弦杆采用相同截面，按最大内力计算。杆FG内力最大：N=-565.365KN计算长度：屋架平面内取节间轴线长度=150.75.屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面能起到一定的支撑作用，取上弦横向水平支撑的节间长度=301.5 。由于2=，故选用两个不等肢角钢，且短肢并联。设=80，查轴心受力稳定系数表，=0.688需要截面面积A=需要回转半径 根据需要的A、 查角型钢表，初选2100807（短肢相并），见图3图3上弦杆截面A=49.204 按所选角钢进行验算 由于b/t=140/10=140.56=0.563015/140=12.06则：由于,只需求出，查轴心受力稳定系数表，=0.791所选截面合适2、下弦杆整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算.杆eg内力最大，N=576.360 KN计算长度：屋架平面内取节间轴线长度=300 屋架平面外根据支撑布置取=885计算需要净截面面积选用2100807(短肢相并），见上图3A=49.024 按所选角钢进行截面验算，取=A（若螺栓孔中心至节点板边缘距离大于100mm，则可不计截面削弱影响） 所选截面满足要求。3、端斜杆aB 已知N=-403.868KN计算长度=253cm由于=，故选用两个不等肢角钢，且长肢并联。设=80，查轴心受力稳定系数表，=0.688需要截面面积A=需要回转半径 根据需要的A、 查角型钢表，初选21008070（长肢相并），见上图3A=34.334 按所选角钢进行验算 由于b/t=80/10=8,只需求出，查轴心受力稳定系数表，=0.517所选截面合适4、斜腹杆Bc已知N=294.360KN计算长度：屋架平面内取节间轴线长度=0.8l=0.8261.3=209.04cm 屋架平面外根据支撑布置取=l=261.3计算需要净截面面积选用2757 见图4图4 斜腹杆Bc截面A=20.32 截面验算 5、竖杆Gg 已知N=50.437KN计算长度：屋架平面内取节间轴线长度=0.9l=0.9289=260.1cm 屋架平面外根据支撑布置取=l=289选用2638 见图5图5 竖杆Gg截面A=19.03 所选截面合适其余各杆截面选择过程不一一列出，计算结果见下表2杆件计算内力（KN）截面规格截面面积（cm）计算长度（cm）回转半径（cm）长细比容许长细比确定系数应力（N/mm）填板（块）名称编号llii上弦杆FG-565.365短肢相并210080749.204150.75301.52.394.7962.90.791145.26下弦杆eg576.360短肢相并210080749.2043008852.394.79184.8117.14斜腹杆aB-478.636长肢相并210080734.3342532532.394.79105.90.517158.76Bc294.360T型275720.32209.04261.32.303.4890.9144.86cD-210.071T型275720.32229.12286.42.303.4899.60.558185.27De117.024T型256816.73229.12286.41.682.75104.269.93eF-53.578T型290827.888249.92312.42.764.0983.00.66862.82Fg-65.626T型263819.03249.92312.41.903.02131.50.38090.75竖杆Aa-31.057T型263819.031991991.903.02104.70.52637.02Cc-62.114T型263819.03183.22291.903.02196.40.57956.37Ee-62.114T型263819.03207.22591.903.02109.10.49965.41Gg50.437T型2638119.03260.1260.11.903.02136.826.50 表3 屋架杆件截面选择表六、杆件节点设计重点设计“a”、“c ”、“E”、“H”四个典型节点，其余节点设计类同。采用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和剪切强度设计值=160N/mm,最小焊缝长度不应小于8和40mm.1、下弦节点“c”（图6） 图6 下弦节点c（1）斜杆Bc与节点板的连接焊缝计算N=294.360KN设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：肢背： 取实际焊缝长度200mm肢尖： 取实际焊缝长度100mm （2）斜杆cD与节点板的连接焊缝计算N=-210.071KN设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：肢背： 取实际焊缝长度150mm肢尖： 取实际焊缝长度80mm （3）竖杆Cc与节点板的连接焊缝计算N=-62.114KN设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：肢背： 取实际焊缝长度60mm肢尖： 取实际焊缝长度60mm(4)节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作配装等误差，按比例作出构造详图，从而定出节点尺寸410320 mm。如图6所示(5)下弦杆与节点板连接焊缝验算：焊缝受力为左右下弦杆内力差 N=495.555-215.337=280.218KN设焊缝尺寸为=5mm,肢背焊缝验算：满足要求，故所选节点板符合。2、 上弦节点B 图7 上弦节点B (1)斜杆Bc与节点板的连接焊缝计算与下弦节点c中Bc杆计算相同。焊缝尺寸为5mm,肢背实际焊缝长度150mm,肢尖实际焊缝长度80mm。(2)斜杆Ba与节点板的连接焊缝计算N=-403.868KN设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：肢背： 取实际焊缝长度270mm肢尖： 取实际焊缝长度150mm(3) 节点板尺寸：由腹板焊缝长度及构造要求暂定尺寸360260mm(如图7)(4)上弦杆CDE与节点板的连接焊缝验算为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm,用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，计算时略去屋架上弦坡度的影响，假定集中荷载P=62.1144弦垂直。 肢背焊缝验算：=0.5t=5mm 肢尖焊缝验算：设=8mm l-2=450-12=438mm N=386.414KN 满足要求，故所选节点板符合3、 屋脊节点G（1）中竖杆Gg与节点板的连接焊缝验算 N=50.437KN设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：肢背： 取实际焊缝长度50mm 肢尖： 取实际焊缝长度50mm （2）上弦杆与拼接角钢连接焊缝计算上弦杆一般用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的棱角削圆并切去垂直肢的一部分宽度=t+5=10+6+5=21mm。角钢这部分削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力计算。N=-565.365KN设肢背、肢尖焊缝尺寸=6mm，则所需焊缝长度为 取250mm拼接角钢长度取2250+50=550mm（3）上弦杆与节点板的连接焊缝计算肢背焊缝验算：按槽焊缝计算 =0.5t=5mm P=62.29KN由得 故弦杆一侧角钢背部取实际焊缝长度130mm肢尖焊缝验算：设=6mm N=0.15N=0.15565365=84.80475KN由及 代入 解得，=180mm故弦杆一侧角钢趾部取实际焊缝长度200mm(4) 节点板尺寸：由腹板及上弦板焊缝长度及构造要求定尺寸 (如下图)图8 屋脊节点G 4、端部支座节点(1)下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=-31.057KN，设焊缝=6mm肢背： 取实际焊缝长度50mm肢尖：取实际焊缝长度50mm 斜杆Ba与节点板的连接焊缝计算，N=478.636KN 设焊缝=6mm肢背： 取实际焊缝长度270mm肢尖：取实际焊缝长度120mm下弦杆与节点板的连接焊缝计算，N=255.389KN 设焊缝=8mm肢背： 取实际焊缝长度130mm肢尖： 取实际焊缝长度60mm。（2）节点板尺寸： 由腹板及下弦杆焊缝长度及构造要求定尺寸。(如图9)（3）底板尺寸及厚度 支座反力R=（62.114413+0.562.11442）/2=372.6864KN，设底板上开口锚栓的直径为40mm，底板承压面积为A。构造要求底板的平面尺寸最小约为240mm240mm，故先假定底板尺寸为25mm250mm。底板厚度可按相邻两边支承的矩形板ab由柱顶的均布反力q=R/A=确定。板中单位宽度的弯矩为M=qa=0.0586.08 (由=1/2查表确定)其中=2502=177mm ，=2=89mm 板的厚度为t又t最小厚度为20mm故取t=20mm（如图9） 图9 端部支座节点“a”和底板尺寸(4)底板与节点板、加劲肋板底端的角焊缝连接验算： 底板与节点板、加劲肋板底端的角焊缝总长度,设焊缝尺寸为10mm 满足要求。（5）加劲肋板与节点板的连接焊缝取加劲肋厚度与节点板厚度一样t=12mm，取其高度与节点板高度一样h=500mm加劲肋板与节点板的竖向连接焊缝同时承受剪力V和弯矩M，可近似取V=M=Vb/2=93171.662.5=5823225N.mm设焊缝尺寸为=6mm加劲肋高度满足要求。5、跨中节点g弦杆一般用于下弦杆同号角钢进行拼接，并采取削圆棱角各切去垂直宽度等构造处理，拼接接头一侧的连接焊缝长度按下弦杆等强度计算，设焊缝6mm。取拼接角钢长度L700mm。 （1）斜杆Fg与节点板的连接焊缝计算N=-65.626KN设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：肢背： 取实际焊缝长度60mm肢尖： 取实际焊缝长度60mm （2）斜杆Gf与节点板的连接焊缝计算与斜杆Fg相同，肢背肢尖均取实际焊缝长度60mm。（3）中竖杆Gg与节点板的连接焊缝验算 N=50.437KN设焊缝尺寸为=6mm,所需焊缝长度为：肢背： 取实际焊缝长度50mm 肢尖： 取实际焊缝长度50mm (4)下弦杆与节点板连接焊缝验算：焊缝受力为左右下弦杆内力差 N=576.360KN设焊缝尺寸为=6mm,肢背焊缝验算：(5)节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作配装等误差，按比例作出构造详图，从而定出节点尺寸200200 mm。如图10所示：图10 节点g(单位：cm)