钢结构课程设计—.doc

课 程 设 计 说 明 书课程名称： 钢 结 构 设计题目： 钢屋架设计 学生姓名： 韦 镔 扬 学 号： 专业班级： 2014级专升本 2015年8月16日课 程 设 计 任 务 书设计题目三角形钢屋架课程设计学生姓名张浩瀚所在院系土建学院专业、年级、班10土木1班设计要求：1.计算书内容包括：选题（屋架形式）、选择钢材、选择焊接方法及焊条型号、荷载计算及内力组合、杆件截面设计、屋架节点设计。2.施工图（用CAD绘制或手绘）绘制与屋盖支撑相关联的钢屋架施工图，图面内容：屋架索引图（画在图面左上角）比例：1：100-1：150屋架正面图（画对称的半榀）比例：1：20或1：30或自定上、下弦杆俯视图 比例：1：10或1：15必要的剖面图（端竖杆、中竖杆、托架及垂直支撑连接处）屋架支座详图及零件详图、施工图说明、标题栏（写明题目、指导教师、姓名、班级、日期）学生应完成的工作：1.设计计算书一份；2.绘制与屋盖支撑相关联的钢屋架施工图（1号图纸）一张；3.图纸应叠成计算书一般大小，与计算书装订后上交。参考文献阅读：1.戴国欣主编.钢结构（第3版）M.武汉：武汉理工大学出版社，2011.1.2.张耀春主编.钢结构设计原理M.北京：高等教育出版社，2004.8.3.唐岱新，孙伟民主编.高等学校建筑工程专业课程设计指导M. 北京：中国建筑工业出版社，2002.6.4.陈志华编著.建筑钢结构设计M. 天津：天津大学出版社，2004.3.5.周俐俐，姚勇等编著.土木工程专业 钢结构课程设计指南M. 北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社，2007.5. 工作计划：星期一完成檩条设计,荷载及内力计算,星期二完成杆件截面设计,星期三完成节点设计及电子档计算书,其余三天画施工图,最后一天校核施工图及计算书.任务下达日期： 2012年12月7日任务完成日期： 2012年12月15日指导教师（签名）： 学生（签名）： 三角形钢屋架课程设计摘 要：本次课程设计以三角形钢屋架为材料背景,以完成屋架设计为任务，先进行屋架檩条设计和支撑布置,然后通过荷载组合和内力计算,从而完成杆件截面选择,进一步实现节点设计,最后做出施工图。该课程设计是在钢结构厂房屋架的理解的基础上，通过对有檩体系的三角形屋架的设计，系统的明确了结构设计的方法，以及绘制施工图应掌握的技巧和方法，涉及的专业基础知识有：钢结构中的轴心受压和受拉截面的强设计，强度和稳定性验算，焊缝和螺栓的连接，理论力学计算桁架内力，以及AUTOCAD制图。从课程设计中，培养设计从业人员应有的理论和素质。关键词：三角形 屋架 檩条 支撑 内力计算 截面设计 节点 目 录1 设计背景1 1.1 设计资料. 1 1.2 屋架形式. 1 2 设计方案 2 2.1 檩条设计. 22.2 屋架支撑. 3 3 方案实施 43.1 荷载与内力计算.4 3.2 杆件截面设计.63.3 节点设计.104 结果与结论.154.1结果.154.2结论.155 参考文献171 设计背景1.1 设计资料1.建筑物基本条件厂房长度90m，檐口高度15m。厂房为单层单跨结构，内设有两台中级工作制桥式吊车。拟设计钢屋架，简支于钢筋混凝土柱上，柱的混凝土强度等级为C20,钢材用Q235B级,采用E43型焊条。柱顶截面尺寸为400mm。钢屋架设计可不考虑抗震设防。厂房柱距选择：6m三角形钢屋架(b)属有檩体系：檩条采用槽钢，跨度为6m，跨中设有一根拉条10。屋架屋面做法及荷载取值（荷载标准值）：永久荷载：波形石棉瓦自重 0.20 kN/m2 檩条及拉条自重 0.20 kN/m2 保温木丝板重 0.25 kN/m2 钢屋架及支撑重 (0.12+0.011跨度) kN/m2 可变荷载：雪荷载 0.4kN/m2 屋面活荷载 0.40 kN/m2 积灰荷载 0.30 kN/m2 注：1、以上数值均为水平投影值；1.2 屋架形式屋架计算跨度：=300=24000300=23700mm屋面倾角： 屋架跨中的高度为：上弦长度：节间长度：mm 图12 设计方案 2.1 檩条设计根据屋面材料的最大容许檩距，可将檩条布置于上弦节点上（见图1），檩距为节间长度。根据檩条跨度为6m,则在檩条的跨中设置一道拉条。选用18a槽钢截面，由附表8.7查得，WX=141.4cm3,Wy=20cm3,Ix=1272.7cm4。1. 荷载计算永久荷载（水平投影面上）：波形石棉瓦自重 0.2KN/m2檩条及拉条自重 0.2KN/m2保温木丝板自重 0.25KN/m2永久荷载标准值,。可变荷载（水平投影面上）：雪荷载0.4KN/m2,与屋面活荷载相等，不考虑其同时作用，两者取其一，积灰荷载0.3KN/m2,则，。因屋面为轻荷载，考虑以可变荷载效应控制的组合，由此可得,2，强度验算弯矩设计值（见下图）：=檩条的最大应力位于槽钢下翼缘的肢尖处，。3，刚度验算中间位置设有拉条，只需验算垂直屋面方向的挠度。屋面线荷载标准值为，则，因有拉条，不必验算整体稳定性，故选18a槽钢能满足要求。2.2屋架支撑根据厂房总长度90m,跨度为24m,有中级工作制桥式轿车及第一开间尺寸5.5m等因素，可在厂房两端的第二开间设置一道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，并在同一开间两榀相邻屋架的腹杆间设置两道垂直支撑（在跨度1/3左右处各一道，见图（3）。上弦檩条可兼做系杆，故不另设系杆，在下弦跨中央设置一道通长的柔性系杆。此外，在厂房两端的第一开间下弦各设置三道刚性系杆（见图3）。 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 图3 屋架支撑布置（单位;mm）（a）上弦横向水平支撑；（b）下弦横向水平支撑；（c）垂直支撑3 方案实施3.1 荷载与内力计算1，永久荷载（水平投影面）波形石棉瓦自重 0.2KN/m2檩条及拉条自重 0.2KN/m2保温木丝板自重 0.25KN/m2钢屋架及支撑重 2，可变荷载（水平投影面）雪荷载等于屋面活荷载，两者取其一，取值为0.4KN/m2,积灰荷载为0.3KN/m2,即得3，屋架上弦檩条处的集中荷载荷载设计值由可变荷载效应控制的组合为4，屋架杆件内力计算芬克式屋架在半跨活荷载作用下，腹杆内力不会变号，故只需按全跨永久荷载与全跨可变荷载组合计算屋架杆件的内力。屋架内力计算可由结构力学求解器求得杆件内力系数，再乘以节点荷载即得杆件内力，如下表所示 图4杆件名称杆件内力系数内力设计值（KN）上弦AB-12.12 -381.78BC-11.28 -355.32CD-9.52 -299.88DE-10.53 -331.695EF-10.63 -334.845 下弦Ah11.25 354.375hj10.00 315jm6.25 196.875腹杆Bh-1.02 -32.13Ch0.82 25.83Cj-1.57 -49.455Dj-1.55 -48.825Dk0.85 26.775Ek-1.03 -32.445Fk5.00 157.5jk3.75 118.1253.2 杆件截面设计1,上弦杆整个上弦采用等截面,按AB杆件的最大设计内力设计N=-381.8KN,上弦杆计算长度:在桁架平面内, =255.3cm;在平面外，设檩条与支撑的交叉点不相连，则。由，取截面为两个短肢相并的不等肢角钢查表9.6.4，节点板厚度选10mm,支座节点板厚度选用12mm（如下图5所示）图5上弦截面设，查附录4.2，得，需要的截面积：，根据需要的A, ，。由直角钢规格表（附录8.4），选用2140×90×10，A=44.52,=2.561cm, =6.77cm，=14<=0.56×765.9/16=26.8,取=113.13<=150,截面在x和y平面属于b类，>,取=113.13，得=0.475，则整体稳定性：，满足要求，故所选截面满足要求。2，下弦杆 图6下弦截面整个下弦也采用同一截面，按最大设计值计算，,因屋架下弦在跨中央设有一道通长的系杆,因此取。则选用290×56×6短肢相连的T形截面，由型钢表查得，A=17.11,验算强度和刚度：，故所选截面合适。3，腹杆bk，Fk此杆在k节点处不断开，采用通长杆件，由题意可知，=343.7cm，=3437×2=687.4cm。由于NF杆受力较大，取。由附录8，选用256×4的等边角钢组成的T形截面，查得A=An=8.78cm2, ，以下验算强度和长细比:因此所选的256×4的角钢满足要求。4，腹杆Cj,Dj因两杆受力较小，故选用单角钢截面，采用单面连接。按最大设计内力设计.由附表8.1，可选用100×6等角角钢，由此可知满足要求，故所选截面满足要求。4，竖杆Fm对不连接垂直支撑的屋架WJ1，选用56×4单角钢，并按受拉支撑验算其长细比， 故满足要求。其余截面杆件选择见下表杆件名称杆件编号内力设计值（kN）计算长度（mm）选用截面截面面积A（cm2）杆件受力类型长细比容许长细比计算应力(N/mm2)上弦AB、BC、CD、DE、EF、-381.8255376592140×90×1044.52压杆100113.11500.475181下弦Ah、hj、jm354.4497611850290×56×617.11拉杆315263350207腹杆Dk,、Ch26.8一一45×43.49拉杆=235.1350一76.8Fk,、Bk157.534376874256×48.78拉杆1992571350一179Cj、Dj-49.5一一100×611.93压杆=128.91500.393105Bh、Ek-32.4一一56×44.39压杆=113.11500.475156Fm0一一56×44.39零杆=384.34003.3 节点设计本例只选择几个有代表性的、重要的节点进行计算，其余节点的计算过程从略，可参见屋架施工图。1，屋脊节点 图7腹杆Fk与节点板的连接焊缝，查表得（以下同），取肢背和肢尖的焊脚尺寸均为4mm, 则杆端所需的焊缝长度分别为肢背 肢尖 ,取60mm拼接角钢采用与上弦杆等截面，肢背处削棱，取，竖肢切去V=t+hf+5=23mm，并将竖肢切口后经热弯成型用对接焊缝焊接。拼接接头一侧所需的焊缝计算长度为=,拼接角钢的总长度上弦杆与节点板的塞焊缝，假定承受节点荷载F2，验算从略。上弦肢尖与节点板的焊缝连接按弦杆内力的15%计算，且考虑由此产生的偏心弯矩作用（偏心距e=94.2mm）。设肢尖焊缝焊脚尺寸hf=8mm，节点板总长度为660mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为=（6602）-20-16（660/2）/0.92852016=319mm，取320mm,焊缝应力应为=14，=24.8=24.7=160由以上计算结果可知，因弦杆与节点板的连接焊缝受力不大，且连接长度较大，故可按照构造进行满焊，不必计算。2，下弦拼接点 图8屋架跨度24m超过运输界限，故将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点G和下弦节点I处设置工地拼接。腹杆杆端与节点板的焊缝连接按Bh和Ch中最大内力计算。设肢背和肢尖的焊脚尺寸均取，则杆端所需的焊缝长度分别为肢背：故取70mm。肢尖：故按构造取40mm。弦杆与节点板的连接焊缝按弦杆内力与的内力差计算，因为内力差较小，按构造满焊即可满足要求，不必计算。拼接角钢采用与下弦杆相同截面，肢背处削棱，竖肢切去V=t+5=17mm。按拼接焊缝与杆件等强度原则，接头一侧所需的焊缝计算长度为 = 拼接角钢所需总长度为=2（+10）+10=2（140+10）+10=310mm3，上弦节点 图9各腹杆杆端与节点板的焊缝计算从略，节点板的形状和尺寸如图10所示。上弦肢背塞焊缝承受檩条传来的集中荷载（节点荷载）F，取节点板缩进肢背8mm，=t2=5mm，则肢尖与节点板的焊缝承受弦杆的内力差为=-=31.8偏心距e=95mm，且节点板长度较大，故可不作计算，按构造要求布置焊缝进行满焊即可满足条件。4,支座节点屋架支撑与钢筋混凝土柱上，混凝土强度为C20，=10为便于施焊，取下弦轴线至支座底板上表面的距离为160mm，并设置图12所示加劲肋。 图9下弦杆端与节点板的焊缝取肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为=6mm和=4mm，则所需焊缝长度为：肢背：=+12= +12=+12=210mm故取210mm。肢尖：=+8= +8=+8=107mm故按构造取110mm。上弦杆端与节点板的焊缝，由于焊缝长度较大，可不必计算，按构造要求即可。(1)支座底板计算。支座反力为 R=5F=5×31.5=157.5支座底板尺寸取a×b=250mm×250mm,采用M22锚栓，并用图示U形缺口，柱顶混凝土的抗压强度为：=2.5=10底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算。支座节点板和加劲肋将支座底板分成四块，每块板均为两相邻边固定支撑而另两相邻边自由的板。两支撑边之间的对角线长度为：=170mm两支撑边之间的交点到对角线的垂直距离为：=2=85mm =85170=0.5，查表得=0.058，M=0.058×2.5×170×170=4190.5底板所需厚度（按厚度t在16-40范围取值）：t=11.1mm故取t=20mm(2)加劲肋与节点板的连接焊缝加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似，如图12所示。 图10假定一块加劲肋的受力为屋架支座反力的14，即V=R4=39.4M=236.4加劲肋厚度采用10mm，焊脚尺寸取6mm，焊缝计算长度为=180-6×2-15=153mm则焊缝应力为：=66.6=160加劲肋、节点板与支座底板的连接焊缝。图12所示切口宽度为15mm，两条节点板和四条加劲肋焊缝的总长度为:=2（250-12）+4（125-6-15-12）=868mm=35.7=160故满足要求。其余各节点的计算过程从略。4 结果与结论4,1结果该三角形屋架采用不连接垂直支撑的WJ1屋架,上弦下弦采用横向支撑,无水平纵向支撑,跨中1/3处分别设有两道垂直支撑,檩条采用18a号槽钢，檩条之间设有一道拉条，杆件截面选择根据轴心受压和受拉杆件的强度、刚度、整体稳定性，节点连接采用焊缝连接，钢材选用Q235B,E43型焊条，支座节点设计按铰接计算。施工图绘制中屋架索引图比例取1:100，正面图用1:20的比例，上下弦杆俯视图比例采用1:10。 4,2结论 本次课程设计通过一周的时间设计了三角形钢屋架的檩条、支撑、内力计算以及截面设计和节点设计，最终绘制出了施工图，然后进行施工图和计算书校核，从中得出的结论是：工作要按部就班，态度要端正，做事要认真。5 参考文献1戴国欣主编.钢结构（第3版）M.武汉：武汉理工大学出版社，2011.1.2张耀春主编.钢结构设计原理M.北京：高等教育出版社，2004.8.3唐岱新，孙伟民主编.高等学校建筑工程专业课程设计指导M. 北京：中国建筑工业出版社，2002.6.4陈志华编著.建筑钢结构设计M. 天津：天津大学出版社，2004.3.5周俐俐，姚勇等编著.土木工程专业 钢结构课程设计指南M. 北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社，2007.5.6陈绍蕃主编.房屋建筑钢结构设计M. 北京：中国建筑工业出版社，2010.1.