钢结构设计计算书-跨度为21m的设计方案.doc

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1、目 录1、设计资料11.1结构形式11.2屋架形式及选材11.3荷载标准值（水平投影面计）12、支撑布置22.1桁架形式及几何尺寸布置22.2桁架支撑布置如图33、荷载计算44、内力计算55、杆件设计75.1上弦杆75.2下弦杆85.3端斜杆aB95.4腹杆95.5 竖杆145.6其余各杆件的截面166、节点设计176.1下弦节点“c”176.2上弦节点“B”186.3屋脊节点“H”196.4支座节点“a”216.5下弦中央节点“h”23致谢24参考文献24图纸241、设计资料1.1、结构形式某厂房跨度为21m，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，屋架铰

2、支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400400，混凝土强度等级为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。1.2、屋架形式及选材屋架跨度为21m，屋架形式、几何尺寸及内力系数如附图所示。屋架采用的钢材及焊条为：设计方案采用Q345钢，焊条为E50型。1.3、荷载标准值（水平投影面计） 永久荷载： 三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4 KN/m2 水泥砂浆找平层 0.4 KN/m2 保温层 0.65KN/m2(按附表取) 一毡二油隔气层 0.05 KN/m2 水泥砂浆找平层

3、0.3 KN/m2预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2屋架及支撑自重(按经验公式计算) 0.351 KN/m2悬挂管道： 0.15 KN/m2 可变荷载：屋面活荷载标准值： 雪荷载标准值： 0.35KN/m2积灰荷载标准值： 1.3 KN/m2(按附表取)2、支撑布置2.1桁架形式及几何尺寸布置如下图2.1、2.2、2.3所示图2.1 21米跨屋架几何尺寸图2.2 21米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值图2.3 21米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值2.2桁架支撑布置桁架形式及几何尺寸在设计任务书中已经给出，桁架支撑布置如图1.1所示。其中考虑到厂房内有桥式吊车2台150/3

4、0t(中级工作制 )，锻锤为2台5t，布置下弦纵向水平支撑。符号说明：SC上上弦支撑；XC下弦支撑；CC垂直支撑;GG刚性系杆；LG柔性系杆3、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。沿屋面斜面分布的永久荷载应乘以换算为沿水平投影面分布的荷载。标准永久荷载值：三毡四油防水层：1.0050.4=0.402 kN/m2 水泥砂浆找平层：1.0050.4=0.402 kN/m2保温层：1.0050.65=0.653 kN/m2一毡二油隔气层：1.0050.05=0.050 kN/m2水泥砂浆找平层：1.0050.3=0.302 kN/m2预应力混凝

5、土大型屋面板：1.0051.4=1.407 kN/m2屋架及支撑自重： 0.12+0.01121=0.351kN/m2悬挂管道： 0.15 kN/m2共 3.717 kN/m2可变荷载标准值：屋面活荷载标准值（大于雪荷载）：0.7 kN/m2积灰荷载标准值： 1.3 kN/m2共 2.0 kN/m2设计桁架时，应考虑以下三种荷载组合：3.1、全跨永久荷载+全跨可变荷载(按永久荷载为主控制的组合)全跨节点永久荷载设计值：F=（1.353.717 +1.40.70.7+1.40.91.3）1.56=66.08kN3.2、全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载设计值：对结构不利时：F1.1=1.

6、353.7171.56=45.16 kN(按永久荷载为主的组合)F1.2=1.23.7171.56=40.14 kN/(按可变荷载为主的组合)对结构有利时：F1.3=1.03.7171.56=33.45 kN半跨节点可变荷载设计值：F2.1=1.4（0.70.7+0.91.3）1.56=20.92 KN(按永久荷载为主的组合)F2.2=1.4（0.7+0.91.3）1.56=23.56 KN(按可变荷载为主的组合)3.3、全跨桁架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载(按可变荷载为主控制的组合)全跨节点桁架自重设计值：对结构不利时：F3 .1=1.20.3511.56=3.79 kN对结构有

7、利时：F3 .2=1.00.3511.56=3.16 kN半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：F4=（1.21.4+1.40.7）1.56=23.94 kN3.1、3.2为使用阶段荷载情况，3.3为施工阶段荷载情况。4、内力计算F=1的桁架各杆件内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨）已经给出。求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表4.1。表4.1 桁架杆件内内力组合表杆件名称内力系数（F=1）内力组合计算杆件内力/kN全跨左半跨荷载第一种组合F第二种组合第三种组合左半跨右半跨F1.i+F2.iF1.i+F2.iF3.i+F4F3.i+F4上弦杆 AB000000000BC,CD-7

8、.472-5.310-2.162-493.750-493.750DE,EF-11.262-7.339-3.923-744.193-744.193FG，GH-12.180-6.861-5.319-804.854-804.854下弦杆ac4.1003.0101.090270.928270.928ce9.7443.6633.081643.884643.884eg11.9627.3264.636790.449790.449gh11.7685.8845.884777.629777.629斜腹杆aB-7.684-5.641-1.748-507.759-507.759Bc5.8083.9601.581383

9、.793383.793cD-4.409-2.633-1.520-291.347-291.347De2.7921.2221.344184.495184.495eF-1.572-0.047-1.505-102.556-102.556Fg0.328-1.0391.36721.674-7.53（F1.1,F2.1）43.41（F1.1,F2.2）-25.13（F3.2,F4）34.17（F3.1,F4）43.41,-25.13gH0.7131.913-1.20047.11577.269（F1.2,F2.2）3.516（F1.2,F2.1）48.499（F3.1,F4）-26.48（F3.2,F4）77

10、.269,-26.48竖杆Aa-0.500-0.5000.000-33.04-33.04Cc-1.000-1.0000.000-66.08-66.08Ee-1.000-1.0000.000-66.08-66.08Gg-1.000-1.0000.000-66.08-66.08Hh000005、杆件设计5.1上弦杆整个上弦架采用等截面，按FG、GH杆件之最大设计内力设计。 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，根据支承布置及内力变化情况，取：因为，故截面宜采用两个不等肢角钢，短肢相并（图5.1）腹杆最大内力N=553.248kN，查表，节点版厚度选用10mm，支座节点板厚度用

11、12mm。设=60查附录4得。需要截面积： 需要的回转半径：， 根据需要的A，ix，iy查角钢规格表（附录8），选用，按所选角钢进行验算：满足长细比的要求。截面在x和y平面内皆属b类，由于 ，只要求，查表得。所需截面合适5.2下弦杆整个下弦杆采用同一截面，按eg杆最大设计值计算。，根据桁架下弦支撑布置情况，得所需截面积： 根据所需截面积查表选用，不等肢角钢，短肢相并（图5.2）。，考虑下弦有有221.5mm的栓孔削弱，下弦净截面面积：所需截面适合。5.3端斜杆aB杆件轴力：计算长度lox=loy=253cm。因为lox=loy，故采用不等边角钢，长肢相并，使ix=iy。设=70，查附录4得，需

12、要的回转半径：根据需要的A，ix，iy查角钢规格表，选用2L140908A=36.08cm2iy=3.63cmix=4.50cm，满足长细比要求， 截面在x和y平面内皆属b类，由于，只求，查附录4，得，所选截面合适。5.4腹杆 Bc杆（图5.4.1）杆件轴力： 所需截面积： 杆件计算长度： ，选用2L756等边角钢， 满足长细比的要求。 cD杆（图5.4.2）杆件轴力： 计算长度： ，设=100查附录4得,选用2L758，由于，只求，查附录4，得所选截面满足。 De杆（图5.4.3）杆件轴力： 所需截面积： 杆件计算长度： ，选用2L505等边角钢，满足长细比的要求。所选截面满足。 eF杆（见

13、图5.4.4）轴力：设=100查附录4得选用2L705等边角钢，由于，只求，查附录4，得，所选截面满足。 Fg杆（见图5.4.5）设=100查附录4得选用2L705等边角钢（见图4.7，与eF杆一样，为了使角钢型号不要太多，偏于安全选择已有型号相近的角钢，以下有很多这种情况，并非不懂得选择经济截面） ，由于，只求，查附录4，得，拉应力： 所选截面满足。 gH杆，设=100查附录4得选用2L705等边角钢，由于，只求，查附录4，得，拉应力： 所选截面满足。5.5 竖杆（图5.5）各个竖杆采用同类截面，按Gg杆件的最大设计内力设计。，内力较小，按选择，需要的回转半径为：，查型钢表，选截面和较上述计

14、算的和略大些。选用2L635（见图5.5），由于，只求，查附录4，得，所选截面满足。5.6其余各杆件的截面表5.1 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长细比容许长细比稳定系数应力/(N/mm2)名称编号上弦FG，GH-876.96 2L16010010 50.63150.75452.254.977.7030.3362.711500.815179.02下弦eg861.264 2L1258010 39.42300.00750.003.986.1175.38122.75350205.42斜腹杆aB-553.248 2L14090836.080 253

15、.0 253.0 4.50 3.63 56.22 69.70 150 0.753 Bc418.176 2L75617.59209.04261.302.313.4590.4975.74350215.00cD-317.448 2L75823.01229.12286.402.283.50100.4984.171500.552 209.35De201.024 2L5059.61229.12286.401.352.45169.72116.90350115.22eF-111.7442L70513.75249.92312.402.163.24115.70100.931500.460149.89Fg44.28

16、32L70513.75249.92312.402.163.24115.70100.931500.46037.69-23.837 gH 77.324 2L70513.75271.2339.002.163.24125.56108.781500.40847.19-26.475 竖杆Aa-36.000 2L63512.286159.2199.001.943.0481.9765.461500.68136.04Cc-72.000 2L63512.286183.20229.001.943.0494.4375.321500.59183.06Ee-72.000 2L63512.286207.20259.001.

17、943.04106.8085.201500.51295.88Gg-72.000 2L63512.286231.2289.001.943.04119.1898.471500.441119.296、节点设计6.1下弦节点“c”（图6.1）各类杆件的内力由表4.1查得。这类节点的设计步骤是：先根据复杆的内力计算与复杆与节点版连接焊缝的尺寸，即和，然后根据的大小按比例绘出节点版的形状与尺寸，最后验算下弦杆与节点版的连接焊缝。用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。设“Bc”杆的肢背和肢尖焊缝和，则所需的焊缝长度为：设“cD”杆的肢背和肢尖焊缝和，则所需的焊缝长度为：“Cc”杆内力很小，焊缝尺

18、寸可按构造要求取根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为。下弦与节点板连接的焊缝长度为34cm，。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，受力较大的肢背处焊缝应力为：焊缝强度满足要求。6.2上弦节点“B”(图6.2) Bc杆（2L 755）与节点板的焊缝尺寸和节点“c”相同。即肢背，肢尖aB（2L1008010）杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算, 设aB杆的肢背和肢尖的焊缝和，则所需的焊缝长度为：为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来，槽焊缝作为两条角焊缝计算，焊缝

19、强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力为：上弦与节点板间焊缝长度为400mm。节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽肯定是安全，可不必验算。肢尖焊缝验算如下：满足要求。6.3屋脊节点“H”（图6.3）弦杆一般都采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，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分宽度。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设焊缝，则所需焊缝计算长度（一条焊缝）：拼接角钢的长度取。上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点

20、荷载，验算略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算。设肢尖焊缝，节点板长度为40cm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为，焊缝应力为：因桁架的跨度较大，需将桁架分成两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。腹杆Hg与节点板的连接焊缝的计算长度与以上几个节点相同。6.4支座节点“a”（图6.4）为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距取160mm。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等，厚度为12mm。支座底板的计算支座反力： 支座底板的平面支座底板的

21、平面尺寸采用280mm350mm，如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为280180mm2=50400mm2。验算柱顶混凝土的抗压强度：式中，为混凝土强度设计值，对C30混凝土，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，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：式中，为底板下的平均应力：为两支承边之间的对角线长度：为系数，由b1/a1查表而定，b1为两支承边的相交点到对角线a1的垂直距离。由相似三角形的关系，得：，查表得=0.050底板厚度：根据构造要求，桁架跨度，取。加劲肋与节点板的连接焊缝计算加劲肋与节点板的连接焊缝计算

22、与牛腿焊缝相似。偏于安全的假定一个加劲肋的受力为桁架支座反力的1/4，即：则焊缝内力为：， 设焊缝，焊缝计算长度，则焊缝应力为：节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算设焊缝传递全部支座反力，加劲肋、节点板与底板的连接焊缝长度之和6.5下弦中央节点“h”（图6.5）Hh杆的内力为0，焊缝尺寸可按构造要求取，肢背和肢尖的。根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为185mm360mm。弦杆一般都采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，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分宽度。拼接角钢的这部分削弱，可以靠

23、节点板来补偿。接头一边的焊接长度按弦杆内力计算。设焊缝，则所需焊缝计算长度（一条焊缝）：拼接角钢的长度取。下弦与节点板之间的角焊缝，假定承受节点荷载。下弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算。设肢尖焊缝，节点板长度为36cm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为：，焊缝应力为：肢背验算： 满足要求。致谢感谢艾兰老师、林凤兰老师、汪新老师三位老师在课程设计这一个星期的亲切指导，使得我能顺利完成该课程设计，同时对该课程的认识加深了不少。参考文献1 张耀春，周绪红. 钢结构设计原理M 北京：高等教育出版社，2004 2 钢结构设计规范（GB500172003）. 北京：中国计划出版社，20033 房屋建筑制图统一标准（GB/T 500012001）. 北京：中国计划出版社，20024 建筑结构制图标准（GB/T 50105-2001） 北京：中国计划出版社，20025 钢结构设计手册（上册）（第三版） 北京：中国建筑工业出版社，2004图纸