1、土木工程专业钢结构课程设计1钢结构课程设计、设计资料1、已知条件：梯形钢屋架跨度 33m，长度 120m，柱距 6m。屋架铰接于混凝土柱上，屋面采用单层彩色钢板波形瓦，屋面坡度 i1/10。屋面活荷载标准值为 0.7 kN/m2，屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为 400 mm400 mm，混凝土标号为 C20。钢材采用 Q345B级，焊条采用 E50型。2、屋架计算跨度：Lo=3320.15=32.7m，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
2、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土木工程专业钢结构课程设计2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。永久荷载标准值钢屋架和支撑自重 0.12+0.01130=0.45kN/单层彩色钢板波形瓦 0.12kN/ 总计 0.57kN/可变荷载标准值屋面活荷载 0.70 kN/总计 0.7kN/永久荷载设计值 1.20.57=0.684kN/可变荷载
3、设计值 1.40.7=0.98kN/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=(0.684+0.98) 1.56=14.97kN 全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载： F1=0.6841.56=6.156kN半跨节点可变荷载： F2=0.981.56=8.82 kN土木工程专业钢结构课程设计3 全跨屋架及支撑自重+屋面板重+ 半跨屋面活荷载全跨节点屋架及支撑自重： F3 =0.451.21.56=4.86kN半跨大型屋面板重及活荷载： F4=(1.40.12+0.71.4) 1.56= 10.33kN3.内力计算本设计采
4、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 第三种组合杆件名称 全跨 左半跨右半跨第一种组合 F* F1*+F2*F1* +F2*F3* +F4*F3* +F4*计算杆件内力（KN)AB 0 0 -0.01 0.00 0.00 -0.16 0.00 -0.26 -0.26 BC CD -11.35 -8.49 -3.45 -631.39 -584.54 -501.99 -281.38 -151.20 -631.39 DE EF -18.19 -13.08 -6.25 -1011.89 -928.19 -816.31 -437.36 -260.94
5、 -1011.89 FG GH -21.53 -14.62 -8.46 -1197.69 -1084.51 -983.61 -495.40 -336.29 -1197.69 HJ -22.36 -13.98 -10.25 -1243.86 -1106.60 -1045.50 -483.41 -387.07 -1243.86 上弦IJ JK -22.73 -14.39 10.2 -1264.45 -1127.84 -725.05 -496.03 139.13 -1264.45 ab 6.33 4.94 1.83 352.13 329.36 278.42 162.23 81.89 352.63 b
6、c 15.36 11.3 4.98 854.46 787.96 684.44 375.90 212.65 854.46 cd 20.21 14.14 7.43 1124.26 1024.84 914.93 475.78 302.47 1124.26 de 22.12 14.44 9.39 1230.51 1104.72 1022.00 493.98 363.54 1230.51 下弦ef 21.23 11.68 11.68 1181.00 1024.57 1024.57 417.82 417.82 1181.00 aB -11.34 -8.66 -3.27 -630.83 -586.93 -4
7、98.65 -285.72 -146.49 -630.83 Bb 8.81 6.47 2.87 490.09 451.76 392.79 215.31 122.32 490.09 bD -7.55 -5.23 -2.84 -420.00 -382.00 -342.85 -176.39 -114.66 -420.00 Dc 5.39 3.39 2.44 299.84 267.08 251.52 117.05 92.51 299.84 cF -4.23 -2.25 -2.43 -235.31 -202.88 -205.83 -81.26 -85.91 -235.31 Fd 2.62 0.88 2.
8、13 145.75 117.25 137.72 37.06 69.35 145.75 dH -1.51 0.22 -2.12 -84.00 -55.66 -93.99 -2.58 -63.02 -93.99 50.41 He 0.29 -1.25 1.89 16.13 -9.09 42.34 -30.70 50.41 -27.55 115.74 eg 1.53 3.4 -2.28 85.11 115.74 22.70 96.19 -50.25 -50.52 151.44 gK 2.16 4.07 -2.32 120.16 151.44 46.78 116.94 -48.11 -48.11 斜腹
9、杆gI 0.49 0.54 -0.06 27.26 28.08 18.25 16.63 1.13 28.08 Aa -0.55 -0.54 0 -30.60 -30.43 -21.59 -16.96 -3.01 -30.60 Cb Ec -1 -0.99 0 -55.63 -55.47 -39.25 -31.04 -5.47 -55.63 竖杆Gd -0.98 -0.98 0 -54.52 -54.52 -38.46 -30.67 -5.36 -54.52 土木工程专业钢结构课程设计4Jg -0.85 -0.9 0 -47.28 -48.10 -33.36 -27.90 -4.65 -48.1
10、0 Ie -1.42 -1.43 0 -78.99 -79.16 -55.73 -44.70 -7.77 -79.16 Kf 0.02 0 0 1.11 0.78 0.78 0.11 0.11 1.12 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 Oxl=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： yl=4521mm根据屋架平面外
11、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 =60，查轴心受力稳定系数表， =0.807需要截面积 *A = = =7287.7 2mfN.10*45.26需要回转半径 *xi= *yi=lo.7 mlox4.75602.根据需要的 *A、 xi、*y查角钢型钢表，初选 2 L 180110 14，A=7793 2m， =308mm ， =88mm。xiyi按所选角钢进行验算： x= = =150oil96.4830157y= = =150oil.2土木工程专业钢结构课程设计5由于 ，只需求出 ，查轴心受力稳定系数表， 0.847xyyyMPa x ,
12、故用不等肢角钢，短肢相并，见图 4。图 4 下弦截面A=6742 2m， =31mm， =87.4mm。xiyix= =350oil7.96310y= =350 所选截面满足要求。.4.85oil3. 端斜杆 Ba已知 N-630.83kN， Oxl y2456mm。因为 Oxl y，故采用不等肢角钢，长肢相并，使 xi y，选用角钢 2 L 14090 10 A4452.2 2m， xi44.7mm， yi87.4mm截面刚度和稳定验算： x= =150 94.57.6oil土木工程专业钢结构课程设计6y= =1506.54.372oil因为 只需求 ，查表得 =0.764xyyyMPa21
13、5 MPa 所选截面满足要求。46.1852.476.03ANy4.再分腹杆 eg-gK此杆在 g 节点处不断开，采用通长杆件。拉力： KN， kN.15k 74.15egN压力： kN， KN2.0eg 1.8gk计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度 Oxl=0.82250=0.82250=1800mm屋架平面外根据支撑布置取： Oyl= （0.75+0.25 ）=450 （0.75+0.25 ）=4446.3mm121N52.0148选用 2 L 635，见图 5。图5 再分腹杆egK 图 6 中竖杆 KfA=1228.6 2m， =19.4mm， =30.4mm。xiyix= =53.9
14、 =150oil78.94.10y= =150 25.6.3oil因为 只需求 ，查表得 =0.32，则xyyy土木工程专业钢结构课程设计7MPa215 MPa5.1286.32.053ANy拉应力： 所选截面满足要求MPa1845.竖杆 IeN-79.16KN， 0.8 30522442mm， llx.0 mly30520由于杆件内力较小，按 = =150 选择，需要的回转半 cmliox63.15024 clioy.1523查型钢表，选用 2 L 635,其几何特性为A=1228.6 ix4.9miy4.0158.2.1cmilxo039.04.5ilyo因为 只需求 ，查表得 =0.40
15、6，则 yxxxMPaANx 2157.1586.240.793其余各杆件截面选择过程不一一列出，计算结果见表 2土木工程专业钢结构课程设计8屋架杆件截面选择表计算长度（cm) 回转半径（cm) 长细比 稳定系数 名称 杆件编 号 内力（KN） xl0yl0截面规格截面面积（cm2） xiyixy容许长细比 xy计算应力 Mpa上弦 IJ JK -1264.45 150.8 452.4 2L18011014 77.93 3.08 8.8 48.96 51.41 150 0.847 191.59下弦 de 1230.51 300 1485 2L18011012 67.42 3.1 8.74 96
16、.77 169.91 350 182.51Aa -30.6 199 199 2L635 12.286 1.94 3.04 102.6 65.5 150 0.538 46.29aB -630.83 253.4 253.4 2L1409010 44.522 4.47 3.74 56.71 67.78 150 0.764 185.46Bb 490.09 208.6 260.8 2L1006 23.864 3.1 4.51 67.29 57.83 350 205.37Cb -55.63 183.2 229 2L505 9.606 1.53 2.53 119.7 90.5 150 0.493 131.9
17、2bD -420 229.5 287 2L1007 27.592 3.09 4.53 74.3 63.3 150 0.724 210.25Dc 299.84 228.7 285.8 2L706 16.32 2.15 3.33 106.37 85.83 350 183.73Ec -55.63 207.2 259 2L505 9.606 1.53 2.53 135.4 102.4 150 0.363 159.54cF -235.31 250.8 312.6 2L906 21.274 2.79 4.13 89.89 75.69 350 0.621 178.12Fd 145.75 249.5 311.
18、8 2L505 9.606 1.53 2.53 167 123.3 350 151.73Gd -54.52 231.2 289 2L505 9.606 1.53 2.53 151.1 114.2 150 0.304 186.67dH -93.99 271.6 339.5 2L706 16.32 2.15 3.33 151.1 101.95 150 0.304 189.45He 50.41 -27.55 270.8 338.4 2L635 12.286 1.94 3.04 139.59 111.32 150 0.347 64.62Ie -79.16 255.2 319.1 2L635 12.28
19、6 1.94 3.04 131.5 104.9 150 0.381 169.11eg 115.74 -44.78 230.1 453.73 2L635 12.286 1.94 3.04 118.6 149.25 150 0.31 117.54gk 151.44 -42.26 230.1 453.73 2L635 12.286 1.94 3.04 118.6 149.25 150 0.31 110.96Kf 1.12 314.1 314.1 2L635 12.286 2.45 2.45 128.2 128.2 200 0gI 28.08 165.9 207.4 2L505 9.606 1.53
20、2.53 108.7 82.2 350 29.23腹杆Jg -48.1 127.6 158.9 2L505 9.606 1.53 2.53 83.4 63 150 0.665 75.3土木工程专业钢结构课程设计9五、节点设计用 E50 焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值 MPa160wf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：肢背： mm，取 200mm3.19863.182607.249.0wfehNl wl肢尖： ，取 120mmmfle 4.3. l（2） 斜杆 Db 与
21、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： ，取 180mmlw 06.1806.1487.042 wl肢尖： =93.75+12=105.75mm，取 110mm63 （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 =5mm。fh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 457mm340mm。（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
22、，所需焊缝长度为 457mm,受力较大的肢背处的焊缝应力为： 160MPaMPaf 79.10)245(67.023.（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 所示土木工程专业钢结构课程设计10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： ，取 210mmmfhNlwe 20318607.230. wl肢尖： ，取 18
23、0mmflew 48.176.4.3. l（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， mhf 61221节 点 板 厚 度 mhf10上弦与节点板间焊缝长度为 470mm，则MPa0.8 MPa17.0wflP470.5956wf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 470
24、mm，则 MPalhNwef 18.0)247(10.263lMff 3.2)(7.062 Paff 160.1408.).13()(.1( 2222 （4）节点板尺寸：方法同前，如图 8 所示土木工程专业钢结构课程设计11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，取 =300mmwffwhNl7.04 m24.3024.81
25、607.425wl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： ，取 =100 mmmlw8.901267.054 wl肢尖： ，取焊缝长度 =60mm523 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 500mm240mm。( 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220 mm。上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载 201/50wflhP7. M
26、PafMPaw16.58.06.18207.569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。 PalhNwef 58.6120716452. MlMef 24.22Paff 1603.158.6).14()(.1( 2222 （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 =5mmfh（5）节点板尺寸：方法同前，如图 9 所示土木工程专业钢结构课程设计12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，则需焊缝长度为
27、，取mfhlww 401687.042567.04A=404+16=420mmwl拼接角钢长度 2420+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： ，取 =110mmmlw 27.10467.025.18 wl肢尖 ，取 =60mm3. l（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土木工程专业钢结构课程设计13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，
28、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 NR562901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：按构造要求取底22.4739/601.35.269mfRc A锚 栓 孔 缺 口 面 积板尺寸为 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： 260)140(28c验算柱顶混凝土的抗压强度： 满足MPafPaARcn 5.1249.85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
29、，每块板的单位宽度的最大弯矩为2M式中 -底板下的平均应力， =8.49MPa2-两边支承对角线长， 2= m6.1720)/140(2-系数，由 2/b决定。 b为两边支承的焦点到对角线 的垂直距离。由相似三角形的关系，得 m8.6.1723土木工程专业钢结构课程设计142/b=0.49，查表得 0.0586，则单位宽度的最大弯矩为M=0.0586 mN32.1486.7249.8底板厚度 =20.34mm, 取 t=22mm5/fM（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NV5.139072456.mNe 5.903712/设焊缝尺寸
30、为 6mm，焊缝长度 ， lw4968MPaff 1605.40)7.023()67.02.1()(2.1( 22 （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： ，所需焊角尺寸为mlw56028，故取flRhwf .3.15607.42.17.0 mhf6每块加劲肋与底板的连接焊缝总长度为 lw15)20(2所需焊缝尺寸为Rhf .6.1567.39.16057.4故取焊缝 mf8（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 。mhf5斜杆 Ba 与节点板连接焊缝计算，同上。肢背： =210mm，肢尖： 180mmwl wl下弦杆与节点板连接焊缝计算土木工程专业钢结构课程设计15N=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： ，取 =200mmmlw201687.0235wl肢尖： ， 90mml 87.3 l
