钢结构屋盖课程设计 计算书.doc

钢结构屋盖课程设计计算书 姓 名： 班 级： 学 号： 指导老师： 日期：2011年7月15日一、 设计说明1、 设计某一检修厂房屋盖，跨度为30m，长度为60m，柱距为7.5m，三角形屋架，钢材为Q235B，焊条采用E43型，屋面为压型钢板，屋面坡度i=1：2.5，屋架铰接于钢筋混凝土柱顶，无吊车，外檐口采用自由排水，采用槽钢檩条，檩条间距为2665.63mm。2、 北京地区基本风压为0.45KN/m²,屋面离地面高度为20 m，不上人屋面。雪荷载0.4KN/m²。二、 檩条设计1、 檩条采用轻型槽钢檩条2、 屋面材料为压型钢板，屋面坡度为1：2.5（=21.80°）檩条跨度为7.5m，于跨中设置一道拉条，水平檩距2665.6×cos21.80°=2665.6×0.93=2475.0mm，坡向斜距2665.3mm。3、 荷载标准值（对水平投影面）永久荷载：压型钢板（不保温）自重为0.12 KN/m²，檩条（包括拉条和支撑）自重设为0.11 KN/m²可变荷载：屋面雪荷载=0.4KN/m²,基本风压o=0.45 KN/m²4、 内力计算永久荷载于屋面活荷载组合 檩条线荷载pK=（0.23+0.4）×2.475=1.559 KN/m p=（1.2×0.23+1.4×0.4）×2.475=2.069 KN/mpX=psin21.80=2.069×0.37=0.766 KN/mpY=pcos21.80=2.069×0.93=1.924 KN/m弯矩设计值： MX= pY l2/8=1.924×7.52/8=13.528KN·m My= pX l2/32=0.766×7.52/32=1.346KN·m永久荷载和风荷载的吸力组合按建筑结构荷载规范GB500092001房屋高度为20m 取z=1.25按门式钢架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002附录A，风荷载体型系数为：S= 1.5A-2.9=-0.997 A=2.475m×7.5m=18.5625m2垂直于屋面的风荷载标准值k=Sz0=-0.997×1.25×（1.05×0.45）=-0.589 KN/m²檩条线荷载 pXY=（0.589-0.23×cos21.80）×2.475=0.375×2.475=0.929KN/m pX =0.23×2.475×sin21.8o=0.211 KN/m pY =1.4×0.997×2.475-0.23×2.475×cos21.80=2.926KN/m弯矩设计值 MX= pYl2/8=2.926×7.52/8=20.573KN/m My= pXl2/8=0.211×7.52/8=1.484KN/m截面选择选用 选用轻型槽钢 20 W=152.2 cm3 Wynmax=54.9 cm3 Wynmin=20.5 cm3IX=152.20 cm4 ix=8.07 cm iy=2.20 cm计算截面有孔洞削弱，考虑0.9的折减系数，则净截面模量为：WNX=0.9×152.2=136.98cm3Wynmax=0.9×54.9=49.41 cm3Wynmin=0.9×20.5=18.45 cm3屋面能阻止檩条失稳和扭转，截面的塑性发展系数x=1.05 y=1.20,按公式计算截面a、b点的强度为（见图） x = Mx/(x WNX)+My/(y Wynmin)=20.573×106/（1.05×136.98×103）+1.484×106/（1.2×18.45×103）=210.06<215N/mm2y = Mx/(x WNX)+My/(y Wynmax)=20.573×106/（1.05×136.98×103）+1.484×106/（1.2×49.41×103）=168.07<215N/mm2挠度计算 因为支撑压型钢板金属板，有积灰的瓦楞铁和石棉等金属面者，容许挠度为L/200 当设置拉条时，只须计算垂直于屋面方向的最大挠度 vy=(5/384)×（1.484×cos21.80×75004）/（206×103×1522×104）=18.11mm<L/200=37.5mm 构造要求 x=750/8.07=92.94<200y=375/2.20=170.45<200故此檩条在平面内外均满足要求三、 屋架设计屋架结构的几何尺寸如图檩条支撑于屋架上弦节点。屋架坡角（上弦与下弦之间的夹角）为 =21.80°檩距=2.229m 改改改改改改改改改改改改改改改改改改改改图要改支撑布置 建筑抗震设计规范（GB50011-2001）支撑布置见图，上弦横向水平支撑设置在房屋两端和伸缩缝处第一开内，并在相应开间屋架跨中设置垂直支撑，其余在开间，屋架下弦跨中设置一通长水平柔性系杆，上弦横向水平支撑在交叉点处与檩条相连，故上弦杆在 屋架平面外的计算长度等于其节间几何长度，下弦杆在屋架平面外的计算长度为屋架跨度的一半。改改改改改改改改改改改改改改改改改改改改图要改荷载标准值 永久荷载（恒荷载）（对水平投影面）压型钢板（不保温） 0.12 KN/m²檩条自重（不包括拉条支撑） 0.11 KN/m²屋架及支撑自重 0.15 KN/m²管道条 0.05 KN/m² 合计 0.43 KN/m² 可变荷载（活荷载）（对水平投影面）雪荷载基本雪压SO=0.4 KN/m²，按建筑结构荷载规范（GB50009-2001）表6.2.1考虑积雪全跨均匀分布情况，由于=21.80°<25°所以r=1.0 雪荷载标准值SK=rSO=0.4 KN/m²风荷载基本风压0=0.45 KN/m²荷载组合 恒荷载+活（或雪）荷载 恒荷载+半跨活（或雪）荷载 恒荷载+风荷载 屋架、檩条自重+半跨（屋面板+0.3 KN/m²安装荷载）上弦的集中恒荷载及节点荷载 由檩条传给屋架上限的集中恒荷载和上弦节点恒荷载见图 由檩条传给屋架上限的集中活荷载和上弦节点活荷载见图 具体计算过程如下； 全跨屋面恒荷载作用下，上弦集中恒荷载标准值P1、=0.43×7.5×2.475×3/101/2=7.57KN上弦节点恒荷载P1=P1、=7.57 KN 全跨雪荷载作用下P2、=0.40×7.5×2.475×3/101/2=7.044 KN上弦节点雪荷载：P2= P2、=7.044 KN 假定基本组合由可变荷载效应控制，则上弦节点荷载设计值为1.2×7.57 +1.4×7.044 KN=18.95 KN 若基本荷载组合由永久荷载效应控制，则上弦节点荷载设计值为1.35×7.57+1.4×7.044=20.08KN 综上可知，本工程屋面荷载组合效应由可变荷载效应控制。 风荷载标准值风荷载体型系数：背风面s=-0.5迎风面s=-0.47-0.5风压高度变化系数z(本设计地面粗糙度为B类)屋架下弦标高20.0m H=20+7.57/2=23.785m 坡度i=1/2.5 =21.80°风压高度 变化系数z=1.021.0 ßz=1.0计算主要承重结构：k= ßzsz0 背风面： k=1.0×（-0.5）×1.0×0.45=0.225 KN/m²（垂直于屋面）迎风面： k=1.0×（-0.5）×1.0×0.45=0.225 KN/m²（垂直于屋面）由檩条传给屋架上弦的集中风荷载标准值P3、=1、=-0.225×2.475×7.5=-4.177 KN 上弦节点风荷载标准值P3=1=P3、=-4.177 KN 内力计算内力组合见表杆件名称杆件编号全跨荷载半跨荷载风荷载内力组合最 不 利 内 力内力系数恒载标准值1 P1K=7.57（计支撑自重）恒载标 准值2 P1K=4.93（不计支撑自重）活载标准值 P2K =7.044内力系数半跨活（或雪）荷载内力标准值SK=7.044内力系数风荷载内力标准值P3K=4.1771.2恒2+1.4活1.2恒2+1.4半跨活1.0恒2+1.4风上 弦1-2-14.81-121.1-73.01-104.32-10.8-76.08-9.4-39.26-233.66-194.12-142.58-233.662-3-13.66-103.4-67.34-96.22-9.6-67.62-8.57-35.80-215.52-175.48-130.93-215.523-4-14.07-106.5-69.37-99.11-10.0-70.44-9.4-39.26-222.0-181.86-138.2-222.04-5-13.70-98.94-64.44-96.50-9.63-67.83-9.4-39.26-212.43-172.29-132.29-212.435-6-12.55-95.0-61.87-88.4-8.49-59.8-8.57-35.80-198.0-157.96-124.36-198.06-7-12.95-98.03-63.84-91.22-8.89-62.62-9.4-39.26-204.32-164.28-131.57-204.32 下 弦 1-813.75104.167.7996.8610.0070.4410.845.11216.95179.96144.5216.958-911.2585.1655.4679.257.552.838.133.83177.5140.51113.91177.59-107.5056.7836.9852.833.7526.424.0516.92118.34 81.3668.06118.34腹 杆2-8-1.21-9.16-5.97-8.52-1.2-8.45-1.3-5.43-19.09-18.99-14.77-19.093-8-1.21-9.16-5.97-8.52-1.2-8.45-1.3-5.43-19.09-18.99-14.77-19.094-82.5018.9312.3317.612.517.612.711.2839.4539.4530.5939.454-9-2.79-21.12-13.75-19.65-2.78-19.58-3-12.53-44.01-43.91-32.64-44.014-112.5018.9312.3317.612.517.612.711.2839.4539.4530.5939.455-11-1.21-9.16-5.97-8.52-1.2-8.45-1.3-5.43-19.09-18.99-14.77-19.096-11-1.21-9.16-5.97-8.52-1.2-8.45-1.3-5.43-19.09-18.99-14.77-19.099-113.7528.418.4926.4153.7526.424.0516.9259.1759.1845.8859.187-116.2547.330.844.036.2544.0256.7528.1998.6 98.60 76.4398.607-10000000000000屋 架 杆 件 内 力 组 合 表 截面选择 上弦杆截面选择 上弦杆采用相同截面，以节间1-2的最大轴力N1-2来选择,下弦以节间1-8的最大轴力N1-8来选择，腹杆以节间7-11的最大轴力N7-11来选择。 各杆件的截面尺寸选择如下表构件名称杆件号内力（KN）规 格面 积（²）长细比稳定系数应力f=215N/²lx/ix=xly/iy=y上 弦N1-2-233.6690×621.27266.6/2.79=95.6533.2/3.91=136.37=0.523233.66×10³/0.523×21.27×10²=210.05下 弦N1-8216.9570×718.85430.6/2.14=201.22861.2/3.17=271.67 216.95×10³/18.85×10²=115.09腹 杆N7-1198.6070×411.14430.6/2.18=197.52861.2/3.07=280.52 98.60×10³/11.14×10²=88.51杆件名称杆件编号截面规格（）杆件内力（）肢背焊脚尺寸hf1（）肢背焊缝长度lw()肢尖焊脚尺寸hf2 ()肢尖焊缝长度lw()下弦杆1-870×7216.954160475斜 腹 杆2-870×4-19.094454453-870×4-19.094454454-870×439.454454454-970×4-44.014454454-1170×439.454454455-1170×4-19.094454456-1170×4-19.094454457-1170×498.64804459-1170×459.18455445竖腹杆7-1070×40445445注：表中焊缝计算长度lw,lw=lw+2hf 上弦接点连接计算 支座节点“1”为了便于施焊下弦杆肢背与支座板顶面的距离取125mm，锚栓用2M20，栓孔位置见图在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋高度和节点板高度相同。A、 支座底板计算 支座反力：R=76.8 KN 设a=b=120mm a1=21/2×120=169.7mm b1×a1/2=84.4mm 支座底板承压面积为： An=240×200-×202-2×40×50=52300mm2 由公式验算柱顶混凝土的抗压强度 R/An=76.8×103/52300=1.47n/mm2<cfc=(Ab/ Ac)1/2fc=(240×240/52300)1/2×9.6=10 n/mm2 （C20混凝土fc=9.6 N/mm2） 支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，有公式得： M=q a12式中 q=R/ An= R/ A0- An=76800/52300=1.47 N/mm2 b1/ a1=84.8/169.7=0.5 查表得 =0.06 M=q a12=0.06×1.47×169.72=2539.99 N/mm2 支座底板厚度由公式得 t=( 6M/f)1/2=( 6×2539.99/215)1/2=8.42取12mmB、 加劲肋与节点板的连接焊缝假定一块加劲肋承受的屋架支座反力的四分之一，即： 1/4×76.8=19.2 KN焊缝受剪力 V=19.2 KN 弯矩M=19.2×（120-20）/2=960 KN·mm 设焊缝hf=6 lw =160-40-2×6=108mm焊缝应力由公式得：V/(2×0.7hflw)2+6M /(2×0.7fhflw2)21/2 =19.2×103/(2×0.7×6×108)2+6×960×103/(2×0.7×1.22×6×1082)21/2=（447.9+2322.05）1/2=52.63<160 n/mm2C、 支座底板的连接焊缝假定焊缝传递全部支座反力 R=76.8 kn设焊缝的hf=8mm，支座底板的连接焊缝长度为lw=2（240-2hf）+4×（120-4-10-2hf）=2（240-2×8）+4×（120-4-10-2×8）=808mm由公式得：f=R/0.7fhflw= 76.8×103/(0.7×1.22×8×808)=13.91< fwf =0.95×160=152 n/mm2 满足要求。D、 上弦杆于节点板的焊缝计算节点板和焊缝的连接计算，节点板于上弦角钢肢背采用槽焊缝连接，假定槽焊缝只承重屋面集中荷载P，P=14.614kn。节点板于上弦角钢肢尖采用双面角焊缝连接，承受上弦的内力差N 节点“1”槽焊缝hf1=0.5t1=4mm 其中t1为节点板厚度。lw=500-2hf=520-2×4=512mm 由公式得： f=P/（2×0.7hflw）=14.614×103/(2×0.7×4×512)=5.097n/mm2<fwf=0.95×160=152 n/mm2 可见塞焊缝一般不控制，仅需验算肢尖焊缝。上弦采用不等边角钢，短肢相拼，肢尖角焊缝的焊脚尺寸hf2=5mm。则角钢肢尖焊缝的计算长度lw=520-2×5=510mm上弦内力差N= -233.66 kn 偏心弯矩M=N·e ，e=55mm由公式得：f=6M/（2×0.7 hf2lw2）=（6×233.66×103）×55/（2×0.7×5×5102）=42.35 n/mm2f=N/（2×0.7 hf2lw）=233.66×103/（2×0.7×5×510）=65.45 n/mm2 （f/f）2+f21/2=（42.35/1.22）2+65.4521/2=74.09n/mm2<fwf=0.95×160=152 n/mm2 可见肢尖焊缝安全 上弦节点“2”（见图） 节点板与上弦的连接计算，节点板于上弦角钢肢背采用槽焊缝连接，假定槽焊缝只承重屋面集中荷载P，P= P1+ P2= 14.614kn。节点板于上弦角钢肢尖采用双面角贴角焊缝连接，承受上弦的内力差N 节点“2”塞不控制只需验算肢尖焊缝。上弦采用等边角钢，肢角焊缝的焊脚对hf2=0.5mm 则角钢肢尖角焊缝的计算长度lw=130-2hf=130-2hf=130-2×5=120mm ：弦杆相邻节间内力差N=-233.66-(-215.52)=-18.14 kn 偏心弯矩M=Ne e=55mm由公式得：f=6M/（2×0.7 hf2lw2）=（6×18.14×103）×55/（2×0.7×5×1202）=59.39 n/mm2f=N/（2×0.7 hf2lw）=18.14×103/（2×0.7×5×120）=21.59 n/mm2 （f/f）2+f21/2=（59.39/1.22）2+21.5921/2=53.25n/mm2<fwf=0.95×160=152 n/mm2 可见肢尖焊缝安全 上弦节点“4”（见图）因上弦杆间内力差小，节点板尺寸大，故不需要再验算。 屋脊节点“7”（见图） 上弦杆节点荷载P假定角钢肢背的塞焊缝承受同上，按构造要求考虑，都可满足。 根据公式，上弦杆件与拼接角钢之间在接头一侧的焊缝长度为LW=N/(4×0.7hffwf)+2hf=204.32×103/（4×0.7×4×0.95×160）+2×4=128.02mm,取128mm采用拼接角钢长l=2×128+10=266,实际拼接角钢总长可取为280mm。拼接角钢竖肢需切肢，实际切肢=t+hf+5=12+8+5=25mm,切肢后剩余高度h-=110-25=85mm，水平肢上需要设置安装螺栓。上弦杆与节点板的连接焊缝按肢尖焊缝承受上弦杆内力的15%计算，角钢肢尖角焊缝的焊脚尺寸hf2=4mm,则角钢肢尖角焊缝的计算长度lw=240×3.16/3-2×4-10=235mm, N=15%×228.44=34.27kn 偏心弯矩M=N.e e=55mm 则由公式得 f=6M/（2×0.7 hf2lw2）=（6×34.27×103）×55/（2×0.7×5×2352）=29.25n/mm2f=N/（2×0.7 hf2lw）=34.27×103/（2×0.7×4×235）=26.04 n/mm2（f/f）2+f21/2=（29.25/1.22）2+12.9621/2=27.25 n/mm2<fwf=0.95×160=152 n/mm2 可见肢尖焊缝安全下弦拼接节点“10”拼接角钢与下弦杆用相同规格，选用70×7，下弦杆与拼接角钢之间角焊缝的焊脚尺寸采用hf=4mm。根据公式得下弦杆件与拼接角钢之间在接头一侧得焊缝长度为:Lw=N/(4×0.7hffwf)+2hf=Af/(4×0.7hffwf) +2hf =10.83×102×0.95×215/（4×0.7×4×0.95×160）+2×4=137.9mm,取140mm拼接角钢得长度取2Lw+10=290mm，接头的位置视材料得长度而定，最好设在跨中节点处，当接头不在节点视由公式得焊缝长度为：Lw1=0.7×0.15×118.34×103/(2×0.7×4×0.95×160)+2×4=22.6取100 mm.设肢尖焊缝得焊脚尺寸hf=4mm.由公式得焊缝长度为Lw1=0.3×0.15×118.34×103/(2×0.7×4×0.95×160)+2×4=14.26mm由以上计算可知，下弦角钢与节点板的连接焊缝长度是按构造要求确定的，取100mm。本设计檩条为 20, 拉条为12，撑杆为D32×2圆钢管，上弦为90×6，下弦为70×7，腹杆为70×4。