30米梯形钢屋架钢课程设计计算书.docx

土木工程专业钢结构课程设计钢结构课程设计、设计资料1、题号 4 的已知条件：梯形钢屋架跨度 30m，长度 72m，柱距 6m。该车间内设有两台 200/50 kN 中级工作制吊车，轨顶标高为 8.000 m。冬季最低温度为20，地震设计烈度为 7 度，设计基本地震加速度为 0.1g。采用 1.5m×6m 预应力混凝土大型屋面板，80mm 厚泡沫混凝土保温层，卷材屋面，屋面坡度 i 1/10。屋面活荷载标准值为 0.7 kN/m2，雪荷载标准值为 0.3 kN/m2，积灰荷载标准值为 0.35 kN/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为 400 mm×400 mm， 混凝土标号为 C25。钢材采用 Q235B 级，焊条采用 E43 型。2、屋架计算跨度：Lo=302×0.15=29.7m，3、跨中及端部高度：端部高度：h=1900mm（轴线处），h=1915mm（计算跨度处）。屋架的中间高度 h=3400mm，屋架跨中起拱按 Lo/500 考虑，取 60mm。二、结构形式与布置屋架形式及几何尺寸见图 1 所示，支撑布置见图 2 所示。图 1屋架形式及几何尺寸3符号说明：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时出现，故取两者较大的活荷载计算。永久荷载标准值三毡四油放水层0.40kN/找平层（20mm 厚水泥砂浆）0.02×20=0.40kN/保温层（80mm 厚泡沫混凝土）0.08×6=0.48kN/预应力混凝土大型屋面板1.40kN/钢屋架和支撑自重0.12+0.011×30=0.45kN/管道设备自重0.10 kN/总计3.23kN/可变荷载标准值屋面活荷载0.70 kN/积灰荷载0.60kN/总计1.3kN/永久荷载设计值1.35×3.23=4.36kN/可变荷载设计值1.4×1.3=1.82kN/2.荷载组合设计屋架时，应考虑以下三种组合： 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=(4.36+1.82) ×1.5×6=55.62kN 全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载：F1=4.36×1.5×6=39.24 kN半跨节点可变荷载：F2=1.82×1.5×6=16.38 kN 全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面活荷载全跨节点屋架及支撑自重：F3 =0.45×1.35×1.5×6=5.47kN半跨大型屋面板重及活荷载：F4=(1.4×1.35+0.7×1.4) ×1.5×6= 25.83kN3.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的内力系数，见表 1。内力系数（F=1）第二种组合第三种组合第一种组计算杆+F2*+F4*+F4*AB00-0.010.000.00-0.160.00-0.26-0杆件名称全跨左半跨右半跨合F*F1*+F2*F1*F3*F3*内力（-11.35-8.49-3.45-631.39-584.54-501.99-281.38-151.20-631-18.19-13.08-6.25-1011.89-928.19-816.31-437.36-260.94-1011-21.53-14.62-8.46-1197.69-1084.51-983.61-495.40-336.29-1197BC CD DEEF上弦FGGHHJ-22.36-13.98-10.25-1243.86-1106.60-1045.50-483.41-387.07-1243IJ-22.73-14.3910.2-1264.45-1127.84-725.05-496.03139.13-1264JKab6.334.941.83352.13329.36278.42162.2381.89352bc15.3611.34.98854.46787.96684.44375.90212.65854下弦cd20.2114.147.431124.261024.84914.93475.78302.471124de22.1214.449.391230.511104.721022.00493.98363.541230ef21.2311.6811.681181.001024.571024.57417.82417.821181aB-11.34-8.66-3.27-630.83-586.93-498.65-285.72-146.49-630Bb8.816.472.87490.09451.76392.79215.31122.32490bD-7.55-5.23-2.84-420.00-382.00-342.85-176.39-114.66-420Dc5.393.392.44299.84267.08251.52117.0592.51299cF-4.23-2.25-2.43-235.31-202.88-205.83-81.26-85.91-235Fd2.620.882.13145.75117.25137.7237.0669.35145斜腹dH-1.510.22-2.12-84.00-55.66-93.99-2.58-63.02-93He0.29-1.251.8916.13-9.0942.34-30.7050.41eg1.533.4-2.2885.11115.7422.7096.19-50.25gK2.164.07-2.32120.16151.4446.78116.94-48.11杆50-27115-50151-48gI0.490.54-0.0627.2628.0818.2516.631.1328土木工程专业钢结构课程设计-0.55-0.540-30.60-30.43-21.59-16.96-3.01-30-1-0.990-55.63-55.47-39.25-31.04-5.47-55-0.98-0.980-54.52-54.52-38.46-30.67-5.36-54-0.85-0.90-47.28-48.10-33.36-27.90-4.65-48-1.42-1.430-78.99-79.16-55.73-44.70-7.77-790.02001.110.780.780.110.111竖杆AaCb Ec Gd Jg IeKf笔下文学 四、杆件截面设计腹杆最大内力，N=-630.83KN，由屋架节点板厚度参考可知：支座节点板刚度取 14mm；其余节点板与垫板厚度取 12mm。1.上弦杆整个上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算，N=-1264.45KN计算长度： 屋架平面内取节间轴线长度l Ox =1507mm屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面板能起一定的支撑作用，取上弦横向水平支撑的节间长度： l Oy=4521mm根据屋架平面外上弦杆的计算长度，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并，见图 3图 3上弦截面设l =60，查轴心受力稳定系数表， j =0.8077需要截面积 A*= Nj . f=1246.45*10 =7287.7 mm2i*l1.507i*l4.524需要回转半径 x = ox= = 25.1mmy = ox = = 75.4mml60l60根据需要的A* 、i*i*´x 、 y查角钢型钢表，初选 2 L 180110´14，A=7793 mm2 ， ix =308mm ， iy =88mm。按所选角钢进行验算：ll1507x = ox = = 48.96 =150i308xlly = oy= 4524 = 51.41 =150i88y由于l > l ，只需求出j ，查轴心受力稳定系数表，j0.847yxyyN= 1264.65 ´103= 191.59 MPa<215MPa 所选截面合适。j2 .下弦杆A0.847 ´ 7793y整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=1230.51KN 计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度lOx =3000mm屋架平面外根据支撑布置取lOy =29700/2=14850mm计算需要净截面面积 A* = N = 1230510 =5723.30 mm2 ，选用 2 L180 ´ 110 ´ 12，l因为Oyf215> lOx ,故用不等肢角钢，短肢相并，见图 4。图 4下弦截面iA=6742 mm2 ，=31mm， i =87.4mm。xyllx = ox =ix300031= 96.77 < l=350lly = oy= 14850 = 169.91 < l =350所选截面满足要求。3. 端斜杆 Bai87.4y已知 N-630.83kN，lOx lOy 2456mm。因为 lOx lOy ，故采用不等肢角钢，长肢相并，使i x i y ，选用角钢 2 L 140´ 90 ´ 10xA4452.2 mm 2， i 44.7mm， i y 87.4mm 截面刚度和稳定验算：lx =lox =2456= 54.94 < l=150i44.7xlly =oy= 2456 = 65.66 < l =150i37.4y因为l > lyx只需求jy，查表得jy=0.764N= 630.83 ´103= 185.46 MPa<215 MPa所选截面满足要求。j A0.764 ´ 4452.2y4. 再分腹杆 eg-gK此杆在 g 节点处不断开，采用通长杆件。拉力： Ngk= 151.44 KN， Neg= 115.74 kN压力：Neg= -50.52 kN，Ngk= -48.11KN计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度屋架平面外根据支撑布置取：l Ox =0.8×2250=0.8×2250=1800mm1Oyl= i 1 （0.75+0.25 NN2）=450×（0.75+0.25 48.11 ）=4446.3mm50.52选用 2 L 63´ 5，见图 5。图 5 再分腹杆 egK图 6 中竖杆 Kf A=1228.6 mm 2 ，=19.4mm， i =30.4mm。ixyx l = lox = 1800 = 92.78 =53.9< l =150i19.4xlly = oy= 4446.3 = 146.25 < l =150i30.4y因为l > lyx只需求jy，查表得jy=0.32，则N= 50.52 ´103= 128.5 MPa<215 MPaj A0.32 ´1228.6y拉应力： N = 151.44 ´103 = 123.26MPa < 215MPa 所选截面满足要求A1228.65. 竖杆 IeN-79.16KN， l0 x= 0.8l 0.8 ´ 30522442mm， l0 y= l = 3052mm由 于 杆 件 内 力 较 小 ， 按 l = l=150选 择 ， 需 要 的 回 转 半li = ox = 1.63cmli = oy = 2.03cm= 244.2= 305.2xl 150yl 150查型钢表，选用 2 L 63×5,其几何特性为A=1228.6 mm 2i = 19.4mmixy= 30.4mmll = oxxixll= oyyiy = 125.88cm < 1 5 0 1.94= 244.2= 305.2 = 100.39cm < 1 5 0 3.04因为l > lxy只需求jx，查表得jx=0.406，则N=79.16 ´103= 158.7MPa < 215MPaj A0.406 ´1228.6x其余各杆件截面选择过程不一一列出，计算结果见表 2名称杆件编号内力（KN）计算长度（cm)ll截面规格截面面积（cm2）回转半径（cm)iil长细比0 x0 yxyx上弦IJJK-1264.45150.8452.42L180×110×1477.933.088.848.96下弦de1230.5130014852L180×110×1267.423.18.7496.771Aa-30.61991992L63×512.2861.943.04102.6aB-630.83253.4253.42L140×90×1044.5224.473.7456.71Bb490.09208.6260.82L100×623.8643.14.5167.29Cb-55.63183.22292L50×59.6061.532.53119.7bD-420229.52872L100×727.5923.094.5374.3Dc299.84228.7285.82L70×616.322.153.33106.37Ec-55.63207.22592L50×59.6061.532.53135.4cF-235.31250.8312.62L90×621.2742.794.1389.89Fd145.75249.5311.82L50×59.6061.532.53167Gd-54.52231.22892L50×59.6061.532.53151.1腹杆dH-93.99271.6339.52L70×616.322.153.33151.11He50.41270.8338.42L63×512.2861.943.04139.591-27.55Ie-79.16255.2319.12L63×512.2861.943.04131.5115.74eg230.1453.732L63×512.2861.943.04118.61-44.78151.44gk230.1453.732L63×512.2861.943.04118.61-42.26Kf1.12314.1314.12L63×512.2862.452.45128.2gI28.08165.9207.42L50×59.6061.532.53108.7Jg-48.1127.6158.92L50×59.6061.532.5383.4土木工程专业钢结构课程设计屋架杆件截面选择表8土木工程专业钢结构课程设计五、节点设计用 E43 焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值f w = 160 MPaf各杆件内力由表 1 查得1. 下弦节点 b（1） 斜杆 Bb 与节点的连接焊缝计算：设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm。所需焊缝长度为：11肢背： l¢ =0.7N =0.7 ´ 490090= 182.33 + 16 = 198.33 mm，取 l ¢ 200mmw2hef w2 ´ 0.7 ´ 8 ´160wf肢尖： l ¢ =0.3N0.3 ´ 490090¢= 109.4 + 12 = 121.4mm ，取l 120mmw2hef w2 ´ 0.7 ´ 6 ´160wf（2） 斜杆 Db 与节点的连接焊缝计算：设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm。所需焊缝长度为：肢背： l¢ =w0.7 ´ 4200002 ´ 0.7 ´ 8 ´1600.3 ´ 420000= 164.06 + 16 = 180.06mm ，取lw180mm肢尖： l ¢ = =93.75+12=105.75mm，取 l 110mmw2 ´ 0.7 ´ 6 ´160w（3） 竖杆 Cb 与节点板连接焊缝计算：因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸hf=5mm。根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出接点详图，从而确定节点板尺寸为 457mm×340mm。（4） 下弦杆与节点板连接焊缝验算：焊缝受力为左右下弦杆的内力差 N=854.16-352.13=502.33KN，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为 6mm，所需焊缝长度为 457mm,受力较大的肢背处的焊缝应力为：tf= 0.75 ´ 502.33 ´103100.79M P a <160MPa2 ´ 0.7 ´ 6 ´ (457 - 12)（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装配等误差，按比列作出构造详图，从而定出节点尺寸。如图 7 所示图 7 节点板 b 尺寸2 .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 杆计算相同。（2） 斜杆 Ba 与节点板连接焊缝计算设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为 10mm 和 6mm。所需焊缝长度为肢背： l ¢ =0.7N =0.7 ´ 630830183 + 20 = 203mm ，取l ¢ 210mmw2hef w2 ´ 0.7 ´10 ´160wf¢¢0.3N0.3 ´ 630830肢尖： l = = = 164.28 + 12 = 176.48mm ，取l 180mmw2h f w2 ´ 0.7 ´ 6 ´160we f（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 时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载 P 与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得h¢ = 1 ´ 节点板厚度 = 1 ´12 = 6mm ，h ¢ = 10mmf22f上弦与节点板间焊缝长度为 470mm，则P=55629b = 14 MPa<0.8f w = 156 MPa2 ´ 0.7 ´ h¢ ´ lfw12 ´ 0.7 ´ 6 ´ 470ff上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差 N=631.39-0.26=631.13KN 偏心距e =110-25.984.1mm设需焊缝长度为 470mm，则t=DNf2h å lew=631130= 100.18MPa2 ´ 0.7 ´10 ´ (470 - 20)o=6DMf2 ´ 0.7h ¢l 2=6 ´ 631130 ´ 84.1 2 ´ 0.7 ´10 ´ (470 - 20) 2= 112.33MPaf w2(f ) 2 + (ts1.22) 2f(112.33) 2 + 100.1821.22= 140.62MPa < 160MPa（4） 节点板尺寸：方法同前，如图 8 所示图 8节点板 B 尺寸3 .屋脊节点 K（1） 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密 合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。拼接角钢的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。设肢尖、肢背焊脚尺寸为 10mm，则需焊缝长度为l =N=1264450= 282.24 + 20 = 302.24mm ，取l=300mmw4 ´ 0.7 ´ hf´ f w4 ´ 0.7 ´10 ´160wf拼接角钢长度取 2 ´ (300+20)+24664mm ( 2 ) 斜杆与节点板连接焊缝的计算：设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 6mm 和 5mm，所需焊缝长度为：肢背： l¢ =w0.7 ´1514402 ´ 0.7 ´ 6 ´1600.3 ´151440+ 12 = 90.88mm ，取lw=100 mm肢尖： l ¢ = + 10 = 50mm ，取焊缝长度l =60mmw2 ´ 0.7 ´ 5 ´160w根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出接点详图，从而确定节点板尺寸为 500mm×240mm。( 3 ) 弦杆与节点板的连接焊缝计算：取节点 板的长 度为 500mm ， 则 节点一 侧弦 杆焊缝 的计 算长度为500 / 2 -10 - 20 = 220 mm。上弦 肢背与节点板用槽 焊缝，假定承受节点 荷载P556292 ´ 0.7 ´ h ´ lfw= = 18.06M P a< 0.8b 2 ´ 0.7 ´10 ´ 220ff w = 156.16M P af上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的 15%计算，并考虑此力产生的弯矩设焊脚尺寸为 10mm。t= 0.15Nf2h le w= 1264450 ´ 0.15 2 ´ 0.7 ´10 ´ 220= 61.58MPao= 6DMf2h l 2e w= 6 ´ 0.15 ´1264450 ´ 84.1 = 141.24MPa2 ´ 0.7 ´10 ´ 2202(f ) 2 + (ts1.22) 2f(141.24 ) 2 + 61.5821.22= 131.13M P a< 1 6 0M P a（4） 中竖杆与节点板的连接焊缝计算此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸hf（5） 节点板尺寸：方法同前，如图 9 所示=5mm土木工程专业钢结构课程设计图 9节点板 K 尺寸4 .下弦跨中节点 f（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同，设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长15度为lw=Af4 ´ 0.7 ´ hf= 67.42 ´100 ´ 215 = 404mm ，取l´ f w4 ´ 0.7 ´ 8 ´160w f=404+16=420mm拼接角钢长度 2 ´ 420+20=860mm（2） 弦杆与节点板连接焊缝计算按下弦杆内力的 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： lw= 0.7 ´1181000 ´ 0.15 + 12 = 104.27mm ，取l2 ´ 0.7 ´ 6 ´160w0.3 ´1181000 ´ 0.15=110mm肢尖l =w2 ´ 0.7 ´ 6 ´160+ 12 = 51.54mm ，取lw=60mm（3） 节点板尺寸：方法同前，如图 10 所示图 10节点板 f 尺寸5 .端部支座节点 a图 11 支座节点 a为便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的距离一般不小于下弦伸出肢的宽度，故可取为 180mm。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相同，厚度同端部节点板为 14mm。（1） 支座底板计算支座反力 R = 55629´10 = 556290N取加劲肋的宽度为 110mm，考虑底板上开孔，锚栓直径取 d=25mm，锚栓孔直径为60mm，则所需底板面积：R556290A ³ + 锚栓孔缺口面积 = + 3.14 ´ 602 / 4 = 47329.2mm 2 按构造要求取底f12.5c板尺寸为 280mm ´ 400mm，偏安全地取有加劲肋部份的底板承受支座反力，则承压面积： Ac= 280 ´ (2 ´110 + 14) = 65520mm 2验算柱顶混凝土的抗压强度： s = RAn= 55629065520= 8.49MPa < fc= 12.5MPa 满足底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算,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的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为M = b s a22式中s - 底板下的平均应力， s =8.49MPa(140 - 14 / 2) 2 + 110222a - 两边支承对角线长， a = 172.6mm222b - 系数，由b /a 决定。b2 为两边支承的焦点到对角线a 的垂直距离。由133 ´110相似三角形的关系，得 b2= = 84.8mm172.622b /a =0.49，查表得b 0.0586，则单位宽度的最大弯矩为M=0.0586 ´ 8.49 ´172.62 = 14821.32 N × mm6M / f底板厚度=6 ´14821.32 / 215 =20.34mm,取 t=22mm（2） 加劲肋与节点板的连接焊缝计算：偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座反力的 1/4，则焊缝受力=556290V 139072.5N4M = Ve = 139072.5 ´110 / 2 = 9039712.5N × mm .设焊缝尺寸为 6mm，焊缝长度 lw= 528 - 20 - 12 = 496mm ，(f ) 2 + (ts1.22) 2f(9039712.5 ´ 61.22 ´ 2 ´ 0.7 ´ 6 ´ 4962) 2 + (139072.52 ´ 0.7 ´ 6 ´ 496) 2= 40.56MPa < 160MPa（3） 节点板，加劲肋与底板的连接焊缝计算：设底板连接焊缝传递全部支座反力R=556290N，其中每块加劲肋各传R/4=139072.5N，节点板传递 R/2=278145N。节点板与底板连接焊缝总长度： ålwR2278145= 2 ´ 280 = 560mm ， 所需焊角尺寸为h f = 0.7å lw= 3.6mm ，故取h´ f w ´1.220.7 ´ 560 ´160 ´1.22ff= 6mm每块加劲肋与底板的连接焊缝总长度为ålw= 2(110 - 20 - 12) = 156mmR4139072.5所需焊缝尺寸为 hf³= = 6.52mm 0.7 ´156 ´160 ´1.220.7 ´156 ´160 ´1.22故取焊缝hf= 8mm（4） 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，焊缝尺寸可按构造确定，焊脚尺寸 hf斜杆 Ba 与节点板连接焊缝计算，同上。= 5mm 。肢背： lw=210mm，肢尖： l 180mmw下弦杆与节点板连接焊缝计算N=352.13KN，设肢背焊缝尺寸 8mm，肢尖焊缝尺寸 6mm 需要焊缝长度为肢背： lw= 0.7 ´ 352.13 ´103 + 16 = 200mm ，取l 2 ´ 0.7 ´ 8 ´160=200mmw肢尖： l 0.3 ´ 352.13 ´103= + 12 = 87mm ， l 90mmw2 ´ 0.7 ´ 6 ´160w六、施工图（见施工图纸）