钢结构课程设计 (36).doc

钢结构课程设计 学生姓名： * 学院： *班级： * 学号： * 指导教师： * 设计时间： * 年 * 月 20 日至 2*年 2 月 8 西南交通大学 目 录 一、设计资料 -4 二、屋架的几何尺寸 -4三、屋架支撑 -4-5 四、杆力系数 -5-6五、荷载汇集 - -6-8六、杆力组合七、杆件截面选择 -8（1）上弦 -8（2）下弦 -8-9（3）斜腹杆 -9-12八、节点设计 -121、下弦节点 -12-142、上弦节点 -14-163、屋脊节点 -16-174、支座节点 -17-19九、施工图一、设计资料某北方地区一金工车间。长102m，跨度27m，柱距6m。采用无檁屋盖结构体系，梯型钢屋架，1.5m×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板，膨胀珍珠岩制品保温层（容重4kN/m3，所需保温层厚度由当地计算温度确定），卷材屋面，屋面坡度i=1/10。二、钢材和焊条选择根据北方以往冬季的计算温度（-22）和荷载性质（静荷载）及连接方法（焊接），按设计规范要求，钢材选用Q235B。焊条选用E43型，手工焊屋架形式及尺寸 由于屋面采用预应力混凝土大型屋面板和卷材防水层（i=1/10),故采用缓坡梯形屋架。屋架的计算跨度为：屋架端部高度取：。跨中高度：屋架的高跨比：在屋架的常用高度范围内。为了使屋架节点受荷,配合屋面板1.5m宽，腹杆体系大部分采用下弦节间水平尺寸为3.0m的人字形式，仅在跨中考虑到腹杆的适宜倾角，采用在分式。屋架跨中起拱54mm,几何尺寸如图1所示。 图（1）四屋盖支撑布置 根据车间长度（102m>60m)、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，为统一支撑规格，厂房两边的横向水平支撑设在第二柱间。在第一柱间的上弦平面设置刚性系杆保证安装是上弦的稳定，第一柱间下弦平面也设置刚性系杆以传递山墙风荷载。在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端各设一道垂直支撑。在屋脊节点及支座节点处沿厂房纵向设置通长的刚性系杆，下弦跨中节点处设置一道纵向通长的柔性系杆，支撑布置见图2。图中与横向水平支撑连接的屋架编号为GWJ-2，山墙的端屋架编号为GMJ-3，其他屋架编号均为GWJ-1表 2 荷载计算表荷载名称标准值（kN/）设计值（kN/） 备注预应力混凝土大型屋面板1.41.4×1.21.68延屋面坡向分布三毡四油上铺小石子防水层0.40.4×1.20.48延屋面坡向分布水泥砂浆找平层0.40.4×1.20.48延屋面坡向分布厚泡沫混凝土保温层0.10.1×1.20.12延屋面坡向分布找平层0.50.5×1.20.6延屋面坡向分布屋架和支撑自重0.12+0.011×27=0.4170.417×1.20.50延屋面坡向分布永久荷载总和3.2173.86延水平分布取二者中的较大值屋面活荷载0.40.4×1.40.56取屋面均布活荷载积灰荷载0.40.4×1.40.56可变荷载总和0.81.12计算屋架杆力是应考虑如下三种荷载组合：使用阶段“全跨恒荷载+全跨屋面均布荷载”和“全跨恒荷载+半跨屋面均布荷载”。应注意半跨屋面活荷载可能作用于左半跨，也可能作用于右半跨，恒活载和活荷载引起的节点荷载设计值，P恒及P活分别为 P恒=3.86x1.5x6=34.74（KN）P活=1.12x1.5x6=10.08（KN）施工阶段“屋架及支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载”。这是只有屋架及支撑自重是分布于全跨的恒活载，而屋面板自重及施工荷载（取屋面活荷载数值）即可能出现在左半跨，也可能出现在右半跨，取决于屋面板的安装顺序。当从屋面两端对称安装屋面板时，则不必考虑此种荷载组合。施工阶段恒荷载和活荷载引起的节点荷载设计值P'恒和P'活分别为P'恒=0.5x1.5x6=4.5（KN）P'活=1.68+0.56x1.5x6=10.5（KN）（2） 内力计算本设计采用图解法计算了屋架在左半跨单位集中荷载作用下的杆力系数。根据算得的节点荷载和杆力系数，求得各杆的最不利内力。计算结果如表3所示杆件名称内力系数（F=1）内力组合值计算杆内力(kN)全跨左半跨右半跨第一种组合（p恒+P活）×第二种组合第三种组合P恒×+ P活×P恒×+ P活×P'恒×+ P'活×P'恒×+ ×P'活上弦AB000000000.0 BC-9.97-7.19-2.79-446.9 -418.8 -374.5 -120.4 -74.2 -446.9 CD-9.97-7.19-2.79-446.9 -418.8 -374.5 -120.4 -74.2 -446.9 DE-15.8-10.75-5.06-708.2 -657.3 -599.9 -184.0 -124.2 -708.2 EF-16.38-11.33-5.06-734.2 -683.2 -620.0 -192.7 -126.8 -734.2 FG-16.38-11.33-5.06-734.2 -683.2 -620.0 -192.7 -126.8 -734.2 GH-18.67-11.05-7.62-836.8 -760.0 -725.4 -200.0 -164.0 -836.8 HI-19.17-11.05-7.62-859.2 -777.3 -742.8 -202.3 -166.3 -859.2 IJ-19.17-11.54-7.62-859.2 -782.3 -742.8 -207.4 -166.3 -859.2 下弦ab5.363.961.41240.2 226.1 200.4 65.7 38.9 240.2 bc13.319.343.97596.6 556.5 502.4 158.0 101.6 596.6 cd18.2411.426.82817.5 748.8 702.4 202.0 153.7 817.5de17.818.98.9798.2 708.4 708.4 173.6 173.6 798.2斜腹杆aB-10.05-7.42-2.63-450.4 -423.9 -375.6 -123.1 -72.8 -450.4Bb7.955.572.38356.3 332.3 300.2 94.3 60.8 356.3bD-6.47-4.18-2.29-290.0 -266.9 -247.9 -73.0 -53.2 -290Dc4.612.592.02206.6 186.3 180.5 47.9 42.0 206.6cf-3.5-1.01-2.49-156.9 -131.8 -146.7 -26.4 -41.9 -156.9fG-2.69-0.21-2.49-120.6 -95.6 -118.5 -14.3 -38.3 -120.6Ef0.730.73032.7 32.7 25.4 11.0 3.3 32.7Gd0.72-0.931.6632.3 15.6 41.7 -6.5 20.7 -6.541.7dg1.153.13-1.9751.5 71.5 20.1 38.0 -15.5 -15.571.5gJ1.893.87-1.9784.7 104.7 45.8 49.1 -12.2 -12.2104.7Hg0.670.67030.0 30.0 23.3 10.1 3.0 30竖杆Aa-0.5-0.50-22.4 -22.4 -17.4 -7.5 -2.3 -22.4Cb-1-10-44.8 -44.8 -34.7 -15.0 -4.5 -44.8Ec-1.5-1.50-67.2 -67.2 -52.1 -22.5 -6.8 -67.2Ff-1-10-44.8 -44.8 -34.7 -15.0 -4.5 -44.8Hd-1.5-1.50-67.2 -67.2 -52.1 -22.5 -6.8 -67.2Ig-1-10-44.8 -44.8 -34.7 -15.0 -4.5 -44.8Je000000000 屋 架 杆 件 内 力 组 合 表五 杆件截面选择（1） 上弦杆整个上弦不改变截面，取上弦最大设计杆力（IK杆）计算。N=-859.2kN，l0=l0x=150.8cm，l0y=150.7*2+150.8=452.2cm（按大型屋面板与屋架保证三点焊接考虑，取l1为两块屋面板宽）。根据腹杆最大设计杆力NaB=-450.4kn查表得中间节点板厚t=12mm，支座节点板厚t=14mm。 先由非对称轴选择截面，假设=60，由附表2.2查Q235钢的稳定系数表，可得（由双角钢组成的T形和十字形截面均属于b类）需要的截面面积AS=N/f=859.2*103/（0.807*215）=4952.0mm=49.52cm一般角钢厚度t=15mm，属第一组，故取f=215N/2。需要的回转半径为 ix=L0X/=150.8/60=2.51（cm）iy=L0y/=452.2/60=7.54（cm）上弦应采用两不等边角钢以短边相连组成的T形截面，根据需要的As、ix及iy查附表3.5，选用2L160´100´10:肢背间距a12mm，则As=50.6（cm2），ix=2.85，iy=7.78（节点板厚为14），=150。验算角钢 ， 满足长细比的要求。由于，只需求，查表0.818，则 满足要求。所选截面合适，上弦截面如图所示：图6：上弦截面（2） 下弦杆下弦亦不改变截面,整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的cd杆计算。N=817.5kN，所需截面积为（因跨中有通长系杆）:选用2L160×100×10，因故用不等肢角钢，短肢相并。A50.6， ，所以满足要求。下弦截面如图：图7.下弦截面（3) 端斜杆按端斜杆aB最大设计内力设计。杆件轴力： 计算长度： 因为，故采用等肢角钢，使。选用2L100×10。则:， 由于，只需求。查表0.668，则:，故所选截面合适。端斜杆截面如图：图8.端斜杆截面（4) 斜腹杆腹杆cf-fG在f节点处不断开，采用通长杆件。,再分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距，在桁架平面外的计算长度：选用2L110×10，查角钢规格表得A45.52， 由于，只需求。查表0.458，则:再分腹杆截面如图：图9：再分腹杆截面(5) 竖杆Hd，由于杆件内力较小，按选择，需要的回转半径为，查型钢表，选截面的和较上述计算的和略大些。选用2L63×5，其几何特性为：A12.29， 由于，只需求。查表0.406，则:竖杆截面如图：图10：竖杆截面其余各杆件的截面选择结果见表4。需注意连接垂直的支撑的中央竖杆采用十字形截面，其斜平面计算长度为io=0.9l，其他腹杆除Aa和Ba外，lox=0.8l名称杆件编号内力/kN计算长度/cm截面规格截面面积/回转半径/cm长细比容许长细比稳定系数计算应力上弦HI、IJ-859.2150.8452.2160×100×1050.62.857.7852.958.11500.818207.6下弦cd817.54501335160×100×1050.62.857.78157.9171.63500.246161.6腹杆aB-450.4253253100×1038.523.054.6083.055.01500.668175.0Bb356.3262.2262.2100×1038.523.054.6085.957.01500.648142.7bD-290287.3287.3100×1038.523.054.6094.262.51500.594126.7Dc206.6287.3287.3100×1038.523.054.6094.262.51500.59490.3cf-156.9208.7393.3110×1045.523.385.00115.978.651500.45872.3fG-120.6208.7393.3110×1045.523.385.00115.978.651500.45857.85Ef32.718918963×512.291.943.0497.462.21500.57546.3Gd-6.541.7326.5326.563×512.291.943.04168.3107.41500.254133.6dg-15.571.5224.9425.963×512.291.943.04115.9140.11500.34185.2gJ-12.2104.7224.9425.963×512.291.943.04115.9140.11500.34185.2Hg30203.5203.563×512.291.943.04104.966.91500.52346.67竖杆Aa-22.4161.2201.563×512.291.943.0483.166.31500.66827.3Cb-44.818423063×512.291.943.0494.875.71500.58862.0Ec-67.220826063×512.291.943.04107.285.51500.511107.0Ff-44.810413063×512.291.943.0453.642.81500.83843.5Hd-67.224430563×512.291.943.04125.8100.31500.406134.7Ig-44.8122152.563×512.291.943.0462.950.21500.79146.1表4 屋 架 杆 件 截 面 选 择 表（六） 节点设计 由前述施工图绘制可见，在确定节点板得外形和尺寸时，需要斜腹杆与节点板间连接焊缝的长度。为简洁起见，下面先算出个斜腹杆杆端需要的焊缝尺寸。其计算公式为：角钢肢背所需焊缝长度l1 角钢肢尖所需焊缝长度l2 6.1：下选节点采用E43 焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值设 bB 杆的肢背和肢尖焊缝 ，所需焊缝长度为：肢背：肢尖：取，。设 bD杆的肢背和肢尖焊缝 ，所需焊缝长度为：肢背：肢尖：取，。bC杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取。根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间的间隙以及制作、装配等误差，按比例作出节点详图（见图11），从而确定节点板的尺寸为280×340mm。下弦与节点板连接到焊缝长度为340mm，焊缝承受节点左、右弦杆的内力差NNbc-Nab596.6-240.2356.4kN。验算肢背焊缝的强度：图11：下弦节点“b”6.2上弦节点“B” 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。斜杆Ba与节点板连接焊缝计算：N=-450.4kN。设 “aB”杆的肢背与肢尖的焊脚尺寸分别为10mm和6mm。所需焊缝长度为肢背：肢尖：取，。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。槽焊缝作为两条角焊缝计算，槽焊缝强度设计值乘以0.8的折减系数。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到：肢尖焊缝承担弦杆内力，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载。上弦与节点板间焊缝长度为460mm，则节点如图: 图12：上弦节点“B”6.3屋脊节点“J”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。N=-859.2kN。设肢尖、肢背焊脚尺寸为 10mm。则需焊缝长度为,取拼接角钢长度取 600>2×260=520mm上弦与节点板间的槽焊，假定承受节点荷载，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500mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为。焊缝应力为：节点形式如图:图13：屋脊节点“J”6.4 下弦跨中节点“e”跨中起拱 50mm，下弦接头设于跨中节点处，连接角钢取与下弦杆相同截面2L160×100×10，焊缝长度：，取=300mm。拼接角钢长度。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8mm，弦杆一侧需焊缝长度为肢背：，取=90mm肢尖，按构造要求，取焊缝长度50mm，取=60mm节点板宽度是由连接竖杆的构造要求所决定的，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸。焊缝强度满足要求。节点形式如图:图14：下弦跨中节点“e”6.5端部支座节点“a”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离取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14mm。（1）支座底板的计算 支座反力： 设支座底板的平面尺寸采用，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。验算柱顶混凝土的抗压强度：式中：混凝土强度设计值，对C20混凝土，。支座底板的厚度按屋架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：底板下的平均应力，即=8.49。 两边支承之间的对角线长度，即 系数，由查表确定。为两边支承的相交点到对角线的垂直距离。由此得：查表得0.0546。则单位宽度的最大弯矩为：底板厚度：，取t22mm所以底板尺寸为mm。（2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算焊缝长度等于加劲肋高度，也等于节点板高度。由节点图得焊缝长度为440mm，计算长度lw440-12-15413（mm）（设焊脚尺寸hf8mm），每块加劲肋近似的按承受R/4计算，R/4作用点到焊缝的距离为e（140-8）/266 mm。则焊缝所受剪力V及弯矩M为：焊缝强度验算 7.99N/mm2满足要求。（3）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，其中每块加劲肋各传，节点板传递。 节点板与底板的连接焊缝长度，所需焊脚尺寸为，取。 每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为所需焊缝尺寸所以取。节点形式如图:图15：端部支座节点“a”6.6节点板计算（1）节点板在受压腹杆的压力作用下的计算 所有无竖杆相连的节点板，受压腹杆杆端中点至弦杆的净距离c与节点板厚度t之比，均小于或等于10。所有与竖杆相连的节点板，c/t均小于或等于15，因而节点板的稳定均能保证。（2） 所有节点板在拉杆的拉力作用下，也都满足要求，因而节点板的强度均能保证。此外，节点板边缘与腹杆轴线间的夹角均大于15°，斜腹杆与弦的夹角均在30°60°之间，节点板的自由边长度与厚度之比均小于60，都满足构造要求，节点板均安全可靠。（七） .本设计的施工详图材料表构建编码零件号截面长度（mm）数量重量（kg）正反每个共计合计GWJ-21L180×110×101507022335.6134239862L160×100×101481022294.311773L50×51830046.9284L140×90×82195431.11245L90×62310419.3776L50×5209047.9327L100×62565424968L70×52590414569L50×53790414.35710L90×62825423.69411L50×52870410.84312L50×52690410.24113L70×53095416.76714L70×53135415.16015L63×52990414.45816L50×5189047.12917L50×5139545.32118L70×54240222.94619L70×542401122.94620L63×53285215.83221L180×110×10700215.63122L160×100×10660213.12623"-180×1025023.5724"-385×12490217.83625"-280×20280212.32526"-134×1249046.22527"-134×1213341.7728"-100×20100415.7629"-340×10425211.32330"-345×10415211.22231"-180×1023583.32732"-315×1035528.81833"-295×1031527.31534"-250×1026025.11035"-265×1028025.81236"-240×1027025.11037"-250×1042528.31738"-215×1023123.9839"-180×1025023.5740"-271×10500110.61141"-235×1034016.3642"-60×10140420.72843"-60×1017040.8344"-60×1080280.41145"-60×10106340.51746"-140×822542847"-135×819541.7748"-140×821541.9849"-140×821081.81550"-150×821542851"-130×820521.7352"-130×820021.63GWJ-153L180×110×101507022335.61342395554L160×100×101481022294.311773-47,51,52与GWJ-2相同GWJ-33-52与DWJ-2相同398653，54与DWJ-1相同