钢结构专业课程设计.doc

土 建 专 业钢 结 构课 程 设 计钢构造课程设计一、课程设计性质和任务钢构造是土木工程专业重要专业课，为了加强学生对基本理论理解和钢构造设计规范条文应用，培养学生独立分析问题和解决问题能力，必要在讲完关于课程内容后，安排2周课程设计，以提高学生综合运用能力。课程设计又是知识深化、拓宽重要过程，也是对学生综合素质与工程实践能力全面锻炼，是实现本科培养目的重要阶段。通过课程设计，着重培养学生综合分析和解决问题能力以及严谨、夯实工作作风。为学生将来走上工作岗位，顺利完毕设计任务奠定基本。课程设计任务是，通过进一步设计训练，使学生熟悉钢构造基本构件设计和构造设计基本原理和办法，具备普通钢构造设计基本技能；可以依照不同状况，合理地选取构造、构造方案，纯熟地进行构造设计计算，并学会运用各种设计资料。二、课程设计基本规定课程设计是综合性很强专业训练过程，对学生综合素质提高起着重要作用。基本规定如下：1、时间规定。普通不少于2周；2、任务规定。在教师指引下，独立完毕一项给定设计任务，编写出符合规定设计阐明（计算）书，并绘制必要施工图。3、知识和能力规定。在课程设计工作中，能综合应用各学科理论知识与技能，去分析和解决工程实际问题，使理论深化，知识拓宽，专业技能得到进一步延伸。通过毕业设计，使学生学会根据设计任务进行资料收集、和整顿，能对的运用工具书，掌握钢构造设计程序、办法和技术规范，提高工程设计计算、理论分析、技术文献编写能力，提高计算机应用能力。三、课程设计内容钢构造课程设计选题要符合教学基本规定，设计内容要有足够深度，使学生达到本专业基本能力训练。对学习好、能力强学生，可恰当加深加宽。题目：钢屋架设计采用平面钢屋架作为设计题目。设计内容涉及：屋架内力计算、屋架杆件设计；节点设计；施工图绘制以及材料用量计算等。完毕设计成果涉及：构造设计计算书一份，施工图13张（2号）。普通钢屋架设计案例及设计指引参照题目：一、题目：普通梯形钢屋架设计 （一）设计资料 郑州某工业厂房，长度102m，屋架间距6m，车间内设有两台20/5t中级工作工作制桥式吊车，屋面采用1.56m预应力钢筋混凝土大型屋面板。水混珍珠岩制品保温层10cm，20mm厚水混砂浆找平层，三毡四油防水层，屋面坡度1/10。屋架两端铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400400，混凝土C30，屋架跨度和屋面积灰荷载按指定数据进行计算。 1、屋架跨度 （1）24m （2）27m 2、屋面积灰荷载原则值 （1）0.3kN/m2 （2）1.0kN/m2 3、屋面活荷载原则值 0.5kN/m2 4、屋面雪荷载原则值 0.4kN/m2 已知各类屋架几何尺寸及半跨单位荷载作用下内力图，按下列规定进行屋架设计，并绘制屋架施工图。 （二）设计规定 1、由构造重要性，荷载特性（静荷），连接办法（焊接）及工作温度选用钢材及焊条。 2、合理布置支撑体系，重要考虑 （1）上弦横向水平支撑 （2）下弦横向水平支撑 （3）垂直支撑 （4）系杆（刚性或柔性） 并在计算书上画出屋盖支撑布置图，并对各榀屋架进行编号 3、荷载及内力计算 （1）屋面恒载计算可参照教科书P285表7.6，其中水泥珍珠岩预制块自重为4kN/m2。 （2）屋面活荷载与屋面雪荷载不同步考虑。 （3）屋面积灰荷载按指定值计算，积灰荷载属于可变荷载。 （4）运用构造对称性，仅计算屋架左半跨杆件内力。 （5）计算屋架杆力时，应考虑三种荷载组合。 （6）将屋面分布荷载转化为屋架节点荷载，运用左半跨单位节点荷载内力图计算杆力。 （7）拟定各杆最不利内力（最大拉力或最大压力） 4、杆件截面选取 （1）屋架杆件常采用双角钢组合构成T形截面或十字形截面，要依照x=y等稳条件选取合理截面形式。 （2）对的拟定杆件长细比，由轴心受力杆拟定杆件截面及垫板数量。 （3）上弦杆，下弦杆，主斜杆截面选取过程要在计算书内详细阐明，别的杆件截面选取可列表进行（参见教科书P291，表7.8）。 （4）杆件截面规格不适当过多，与垂直支撑相连竖杆截面则不适当不大于2L635。 5、节点设计 （1）熟知节点设计基本规定及普通环节。 （2）节点设计与施工图绘制往往是同步进行。 （3）要在计算书内写出普通上下弦节点，下弦跨中节点，下弦支座节点及屋脊节点设计过程。 6、屋架施工图 （1）用铅笔绘制1#施工图 （2）施工图应涉及 屋架简图（比例1100），左半跨标明杆件长度，右半跨注明杆件最不利内力，以及超拱度。 屋架正面图，上、下弦平面图（有二个比例）。 侧面图，剖面图及零件详图。 注明所有零件编号，规格及尺寸（涉及加工尺寸和定位尺寸）孔洞位置，孔洞及螺栓直径，焊缝尺寸以及对工厂加工和工地施工规定。 材料表。 阐明。 （三）准时完毕设计任务，设计成果涉及计算书和施工图二某些。二、题目：普通轻型钢屋架设计 （一）设计资料某厂房跨度为21m或24m，总长90m，柱距6m，采用梯形钢屋架、1.56.0m预应力混凝土大型屋面板，20mm厚水泥砂浆找平，上铺泡沫混凝土保温层，三毡四油（上铺绿豆砂）防水层，一毡二油隔气层；屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400400，混凝土强度级别为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。其中保温层荷载、积灰荷载、屋架跨度和钢材种类可以有各种不同组合。（二）计算书编写1、拟定屋架型式与尺寸；选取钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目规定；2、进行屋盖支撑布置，按比例绘出屋架构造及支撑布置图；3、进行荷载汇集、杆件内力计算、内力组合，选取各杆件截面；4、设计下弦节点、上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点等。规定计算书内容要有系统地编排，字体要端正，表达要清晰，计算环节明确，计算公式和数据来源应有根据，并应附有与设计关于插图和阐明。（三）施工图绘制绘制钢屋架施工图，其中涉及屋架简图、屋架构造图、上下弦平面图、必要剖面图和零件大样图、材料表和设计阐明等。规定图面清晰整洁，线条粗细分明，尺寸及标注齐全，符号及比例对的，构造合理，能表达设计意图，符合国家制图原则并与计算书一致。参照实例：钢构造课程设计例题、设计资料某一单层单跨工业长房。厂房总长度为120m，柱距6m，跨度为27m。车间内设有两台中级工作制桥式吊车。该地区冬季最低温度为20。屋面采用1.5m6.0m预应力大型屋面板，屋面坡度为i=1:10。上铺120mm厚泡沫混凝土保温层和三毡四油防水层等。屋面活荷载原则值为0.6kN/，雪荷载原则值为0.75kN/，积灰荷载原则值为0.5kN/。屋架采用梯形钢屋架，其两端铰支于钢劲混凝土柱上。柱头截面为400mm400mm，所用混凝土强度级别为C20。依照该地区温度及荷载性质，钢材采用Q235AF，其设计强度f=215kN/,焊条采用E43型，手工焊接。构件采用钢板及热轧钢劲，构件与支撑连接用M20普通螺栓。屋架计算跨度：Lo=270002150=26700mm，端部高度：h=mm（轴线处），h=mm（计算跨度处）。二、构造形式与布置屋架形式及几何尺寸见图1所示。 图1 屋架形式及几何尺寸屋架支撑布置见图2所示。符号阐明：GWJ-（钢屋架）；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） 图2 屋架支撑布置图三、荷载与内力计算1.荷载计算荷载与雪荷载不会同步浮现，故取两者较大活荷载计算。永久荷载原则值放水层（三毡四油上铺小石子） 0.35kN/找平层（20mm厚水泥砂浆） 0.0220=0.40kN/保温层（120mm厚泡沫混凝土） 0.12*6=0.70kN/预应力混凝土大型屋面板 1.40kN/钢屋架和支撑自重 0.12+0.01127=0.417kN/管道设备自重 0.10 kN/总计 3.387kN/可变荷载原则值雪荷载 0.75kN/积灰荷载 0.50kN/总计 1.25kN/永久荷载设计值 1.23.387=4.0644 kN/（由可变荷载控制）可变荷载设计值 1.41.25=1.75kN/2.荷载组合设计屋架时，应考虑如下三种组合：组合一 全跨永久荷载+全跨可变荷载 屋架上弦节点荷载 P=(4.0644+1.75) 1.56=52.3296 kN组合二 全跨永久荷载+半跨可变荷载 屋架上弦节点荷载 =4.06441.56=36.59 kN =1.751.56=15.75 kN组合三 全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面活荷载 屋架上弦节点荷载 =0.4171.21.56=4.5 kN =(1.41.2+0.751.4) 1.56=24.57 kN3.内力计算本设计采用程序计算杆件在单位节点力作用下各杆件内力系数，见表1。由表内三种组合可见：组合一，对杆件计算重要起控制作用；组合三，也许引起中间几根斜腹杆发生内力变号。如果施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设面板，则可避免内力变号而不用组合三。注：表内负责表达压力；正值表达拉力图3 屋架接点图四、杆件截面设计腹杆最大内力，N=-619.16KN，由屋架节点板厚度参照可知：支座节点板刚度取14mm；别的节点板与垫板厚度取12mm。1.上弦杆整个上弦杆采用相似一截面，按最大内力计算，N=-1117.37KN计算长度： 屋架平面内取节间轴线长度=150.8cm 屋架平面外依照支撑，考虑到大型屋面板能起一定支撑作用，取上弦横向水平支撑节间长度：=3000cm由于2，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并，见图4 图 4 上弦截面 设=60，查轴心受力稳定系数表，=0.807需要截面积 =6440需要回转半径=2.51 cm=5.00 cm依照需要、 查角钢型钢表，初选 2 L 16010014，A=6940， =2.80cm ， =7.86m。按所选角钢进行验算=52.9=150=38=150由于则：=150 由于 ，只需求出，查轴心受力稳定系数表，0.8384 =192N/215 N/ 所选截面适当。2 .下弦杆整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=1169.52kN计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度=4500mm 屋架平面外依照支撑布置取=13350mm计算需要净截面面积=5439.6选用 2 L1409014（短肢相并），见图5。 图 5 下弦截面A=6940， =2.51cm，=6.93cm。按所选角钢进行截面验算，取（若螺栓孔中心至节点板边沿距离不不大于100mm，则可不计截面削弱影响） =191.7 N/215 N/ =179.3 =250 =192.6=350 所选截面满足规定。3. 端斜杆Ba已知N-619.16kN，253.9cm由于，故采用等肢角钢，使选用角钢2 L 10012,见图6 图 6 端斜杆BaA4560，3.03cm，4.64cm截面刚度和稳定验算= =83.8 =150= =54.7 =150由于=14.730.6624205N/215 N/ 所选截面满足规定。填板放两块，=84.6 cm40=403.03=121.2 cm4. 斜杆Bb已知N=497.1kN计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度=0.8l=0.82622=2097.6mm 屋架平面外依照支撑布置取=2622mm选用 2 L1006，见图7。 图 7 斜杆BbA=2386， =3.10cm，=4.44cm。 =208.34 N/215 N/ =67.7 =350 =59.1=350 所选截面满足规定。填板放两块，=87.4cm80=803.10=248cm5.再分腹杆c1G=-252.991kN， =-208.6kN，=4174 mm计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度=0.8l=0.82087=1669.6mm 屋架平面外依照支撑布置取=（0.75+0.25）=4174（0.75+0.25）=4396mm选用 2 L1006，见图8。 图 8 再分腹杆c1G 图 9 中竖杆Je A=2386， =3.10cm，=4.44cm。 =53.9 =350 =99=350 由于=25.50.5182204.6N/215 N/所选截面满足规定填板放两块，=109.9cm40=403.10=124cm6.中竖杆Je已知N0，0.9 335301.5cm中间竖杆选用2 L756角钢，并采用十字形截面，见图9A=17.6，cm,=103.6 =150 所选截面满足规定填板放五块，=60.3cm40=402.45=98cm别的各杆件截面选取过程不一一列出，计算成果见表2杆件名称内力设计值N（KN）计算长度（cm）选用截面截面积A（）回转半径（cm）计算应力（N/）填板(块)上弦杆-1117.37150.8300短肢相并2L160*100*1469.42.807.8653.91500.8384-1922（3）下弦杆1169.54501335短肢相并2L140*90*14612.516.93179.3350/191.71（2）Aa-27.74201.5201.5T型截面2L50*517.61.532.53131.71500.3795-41.52Ba-619.16253.9253.9 T型截面2L100*1245.63.034.6483.81500.6624-2052Bb497.1209.76262.2T型截面2L100*623.863.104.4467.7350/208.32Cb-55.48184230T型截面2L50*59.61.532.53120.31500.6624-136.12Db-412.77229.84287.3T型截面2L100*1245.63.034.4675.91500.7146-125.72Dc304.03229.84287.3T型截面2L75*617.62.313.5399.5350/172.72Ec-83.22208260T型截面2L75*617.62.313.5397.71500.5701-82.92E140.50151.2189T型截面2L50*59.61.532.5398.8350/42.211F1-55.48104130T型截面2L50*59.61.532.53681500.763-75.71c1-252.99166.96439.6T型截面2L100*623.863.104.44105.81500.5182-204.62G1-208.6Gd2.36261.2326.5T型截面2L75*617.62.313.53113150/1.342-138.052500.475-165.72Hd0.00244305T型截面2L75*617.62.313.531051500.5230.002H20.00162.8203.5T型截面2L50*59.61.532.53106.41500.5140.002I20.00137.25152.5T型截面2L50*59.61.532.5379.71500.6880.001J2-d2164.55179.92449.8T型截面2L75*617.62.313.53129.6350/93.52-2.881500.688-4.22Je0.00301.5301.5十字型截面2L75*617.6=2.91=2.91103.6150/0.002五、节点设计用E43焊条时，角焊缝抗拉、抗压和抗剪强度设计值 各杆件内力由表2查得，最小焊缝长度不应不大于1. 下弦节点b见图10 图 10 下弦节点b（1） 斜杆Bb与节点连接焊缝计算：N=497.1kN设肢背与肢尖焊角尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为：肢背： +12=285.6mm，取270mm肢尖： +10=158mm，取170mm（2） 斜杆Db与节点连接焊缝计算：N=412.77kN设肢背与肢尖焊角尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为肢背： +12=216.7，取250mm肢尖： +10=132.8，取150mm（3）竖杆Cb与节点板连接焊缝计算：N = 55.48kN因其内力很小，焊缝尺寸可按构造拟定，取焊脚尺寸=5mm焊缝长度40mm，取=60mm（4）下弦杆与节点板连接焊缝计算：焊缝受力为左右下弦杆内力差 N=1828.87-329499.87KN，设肢尖与肢背焊脚尺寸为6mm，所需焊缝长度为：肢背： +12=260，取300mm肢尖： +12=136，取150mm（5）节点板尺寸：依照以上求得焊缝长度，并考虑杆件之间应有间隙和制作装配等误差，按比列作出构造详图，从而定出节点尺寸。如图11所示 图 11 节点板b尺寸2 .上弦节点B 图12 上弦节点B（1）斜杆Bb与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b中Bb杆计算相似。（2）斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，N=619.16kN。设肢背与与肢尖焊脚尺寸分别为10mm和6mm。所需焊缝长度为肢背： +20=184.27，取200mm肢尖： +12=165.6，取180mm（3）上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板上边沿可缩进上弦肢背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，计算时可略去屋架上弦坡度影响，而假定集中荷载P与上弦垂直。假定集中荷载P由槽焊缝承受，P=55.3296kN，焊脚尺寸为5mm所需槽焊缝长度为:+10=+10=59.51mm ,取=65mm上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆内力差 N=619.38-0.0619.38kN偏心距 e =100-24.375.7mm设肢尖焊脚尺寸8mm，设需焊缝长度为480mm，则 （4）节点板尺寸：办法同前，如图13所示图 13 节点板B尺寸3 .屋脊节点J见图14图14 屋脊节点J（1） 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：弦杆普通用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间可以密合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。拼接角钢这某些削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧焊缝长度可按弦杆内力计算。N=1117.37KN，设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为，取=375mm拼接角钢长度取2375+50800mm（2）弦杆与节点板连接焊缝计算：上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力15%计算。N=1117.3715%1167.6kN，设焊脚尺寸为8mm，弦杆一侧焊缝长度为250 mm， （3）中竖杆与节点板连接焊缝计算：N=0kN此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造拟定，取焊脚尺寸=5mm焊缝长度40mm，取=60mm（4）斜杆J2与节点板连接焊缝计算N=164.55KN，设肢背与肢尖焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为：肢背：，取=100 mm肢尖：，取焊缝长度=60mm（4）节点板尺寸：办法同前，如图15所示图 15 节点板J尺寸4 .下弦跨中节点e见图16图 16 下弦跨中节点e（1）弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：拼接角钢与下弦杆截面相似，传递内力N=1012.51kN设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为，取=300mm拼接角钢长度不不大于2300+12=612mm（2）弦杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力15%计算。设肢背、肢尖焊脚尺寸为6mm，弦杆一侧需焊缝长度为肢背：，取=90mm肢尖：，按构造规定，取焊缝长度 48mm，取 =60mm（4）节点板尺寸：办法同前，如图17所示图 17 节点板e尺寸5 .端部支座节点a图18 支座节点a（1）为便于施焊，下弦角钢水平肢底面与支座底板距离普通不不大于下弦伸出肢宽度，故可取为160mm。在节点中心线上设立加劲肋，加劲肋高度与节点板高度相似，厚度同端部节点板为14mm。支座底板计算：支座反力取加劲肋宽度为80mm，考虑底板上开孔，按构造规定取底板尺寸为280mm 400mm，偏安全地取有加劲肋部份底板承受支座反力，则承压面积为验算柱顶混凝土抗压强度： (满足)底板厚度按支座反力作用下弯矩计算,节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两边支承而另两块相邻边自由板，每块板单位宽度最大弯矩为 式中-底板下平均应力， =9.2N/-两边支承对角线长， =-系数，由决定。为两边支承焦点到对角线垂直距离。由相似三角形关系，得 =84.1mm=0.46，查表得0.0576M=0.05769.2166.414672.9底板厚度=20.2mm， 取t=25mm（2） 加劲肋与节点板连接焊缝计算：偏安全地假定一种加劲肋受力为支座反力1/4，则焊缝受力 设焊缝尺寸为6mm，焊缝长度210mm， 加劲肋高度不不大于210mm即可（3）节点板加劲肋与底板连接焊缝计算：设底板连接焊缝传递所有支座反力R=552.01kN节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度:设焊缝尺寸8mm，验算焊缝应力，满足规定（4）下弦杆、腹杆与节点板连接焊缝计算：竖杆与节点板连接焊缝计算： N=26.33KN，焊缝尺寸可按构造拟定，焊脚尺寸，焊缝长度40mm。 斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，同上肢背：=170mm，肢尖：140mm 下弦杆与节点板连接焊缝计算：N=244.3KN，设焊缝尺寸8mm，需要焊缝长度为肢背：，取=140mm肢尖：，80mm六、施工图（见图纸，略）