1、钢结构课程设计班 级： * 姓 名： * 学 号： * 指导老师： * 2011 年 * 月 *日2目录一 设计资料 8（3）二 结构形式与布置（3）三 荷载计算（4）四 内力计算（5）五 杆件设计.（6）.六 节点设计.（14）3一、设计资料1、题号*的已知条件：梯形钢屋架跨度 27m，长度 96m，柱距 6m。该车间内设有两台 200/50 kN 中级工作制吊车，轨顶标高为 8.000 m。冬季最低温度为20，地震设计烈度为 7 度，设计基本地震加速度为 0.1g。采用 1.5m6m 预应力混凝土大型屋面板，80mm 厚泡沫混凝土保温层，卷材屋面，屋面坡度 i1/16。屋面活荷载标准值为0
2、.7 kN/m2，雪荷载标准值为 0.3 kN/m2，积灰荷载标准值为 0.6 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 Q235B 级，焊条采用 E43 型。2、屋架计算跨度：l o=27-20.15=26.7m。3、跨中及端部高度：本次设计为无檩体系屋盖，采用缓坡梯形屋架，取屋架在27m 轴线处的端部高度 ho=2000mm，屋架的中间高度 h=2844mm，屋架在 26.7m 处，两端高度为 ho= 2005m。屋架跨中起拱按 lo/500 考虑，取 53mm。 二、结构形式与布置屋架型式及几何尺寸如图 1-1 所示。图
3、1-1 梯形屋架的形状和几何尺寸根据厂房长度（96m60m） 、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，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间，该水平支撑的规格与中间柱间支撑的规格有所不同。在上弦平面设置了刚性系杆与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，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。梯形钢屋架支撑布置如图 1-2 所示。垂直支撑 1-1垂直支撑 2-24桁架上弦支撑布置图桁架下弦支撑布置图图 1-2 梯形屋架支撑布置三、荷载计算屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准
4、值进行计算。因此，取屋面活荷载 0.7 kN/m2 进行计算。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式 gk=(0.12+0.011l)kN/m2计算。荷载计算见表 1-3：设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合，在组合时，偏于安全不考虑屋面活荷载的组合值系数。5表 1-3 荷载计算荷载名称 标准值（kN/m 2） 设计值（kN/m 2）预应力混泥土大型屋面板 1.4 1.41.35=1.89三毡四油防水层 0.4 0.41.35=0.54找平层（厚 20mm） 0.0220=0.4 0.41.35=0.54100mm 厚泡沫混凝土保温层 0.16=0.6 0.61.35=0.81屋架和
5、支撑自重 0.12+0.01127=0.417 0.4171.35=0.563管道荷载 0.1 0. 11.35=0.135永久荷载永久荷载总和 3.197 4.316屋面活荷载 0.7 0.71.4=0.98可变荷载 可变荷载总和 0.7 0.98全跨节点永久荷载+全跨可变荷载。全跨节点永久荷载及全跨可变荷载为F=(4.316+0.98) 1.56=47.664 kN（1） 全跨节点永久荷载+半跨节点可变荷载。全跨节点永久荷载为F1=4.3161.56=39.844 kN半跨节点可变荷载为F2=0.981.56=8.82kN（2） 全跨节点屋架（包括支撑）自重+半跨节点屋面板自重+半跨屋面活
6、荷载。全跨节点屋架自重为F3=0.5631.56=5.067 kN半跨节点屋面板自重及活荷载为F4=（1.89+0.7）1.56= 23.31kN上面的计算中， （1） 、 （2）为使用阶段荷载情况， （3）为施工阶段荷载情况。四、内力计算屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图 1-4 所示。（a）6（b）（c） 图 1-4 屋架计算简图由图解法或数解法得 F=1 的屋架各杆件的内力系数（F=1 作用于全跨、左半跨） ，然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果如表 1-5 所示。五、杆件设计1.上弦杆。整个上弦杆采用等截面，按（21） 、 （22）杆件的最大设计内力设计，即 N=-1
7、019.066KN。上弦杆计算长度计算如下。在屋架平面内：为节间轴线长度，即 l ox=l0=1.503cm在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据支撑布置和内力变化情况，取 loy为支撑点间的距离，即 l oy=31.503=4.509m根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并，如 1-6 图所示。 （注：腹杆最大内力 N=-482.369KN，中间板厚度选用 10mm，支座节点板选用 12mm。 ）设 = 60，钢材采用 Q235，查附表 12-2 稳定系数表，可得 =0.807（由双角钢组72L160x100 x12图 1-6
8、 上弦杆截面表 1-58成的 T 形和十字形截面均属于 b 类） ，则需要的截面积为mm4.58732180.96fNA2需要的回转半径为cmloxi.635y17094根据需要的 A、i x、i y查附录 14、附录 15，选用 2L160x100 x12 ，肢背间距a=10mm 则由附录 14 查的 ix =28.2mm；由附录 15 查的 A=6011mm2，i y=77.5mm。按所选角钢进行验算：3.582.1ilox .7.940iyl9由于 ，由 查附表 12-2 得 ，则yxy 817.0Mpa4693.93mm2,ix=2.846cm,iy=7.7cm。2L16010010图
9、 1-7 下弦杆截面按所选的角钢进行验算：=350 4.105.6283ixlo=350.7iyl因此，所选截面合适。3.端斜杆（31） 。杆件轴力为 N=482.369KN，计算长度 l0x=l0y=2496mm。因为 l0x=l0y，故采用不等边角钢，长肢相并，使 ixi y。选用 2L1258010，如图 1-8 所示。则查附录 14、附录 15 可得 A=3942mm2，i x=3.98cm，i y=3.31cm。102L1258010图 1-8 端斜杆截面按所选角钢进行验算：7.6298.34ixlo.51.iyl因 ，则由 查附表 12-2 得 ，则yxy716.0Mpa215Mp
10、a5.3942716.08AN因此，所选截面合适。4.腹杆（40） 。最大拉力：N=9.101KN最大压力：N=-61.715KN计算长度 l0x=0.8l=0.83056=2444.8mm，l 0y=3056mm选用 2L634，如图 1-9 所示，查附录 13 可得A=996mm2，i x=1.96cm，i y=2.94cm。 按所选角钢进行验算：7.124.968ixlo03.5iyl因 ，则由 查附表 12-2 得 ，则yxx4125.Mpa215Mpa.0964125.07AN因此，所选截面合适。112L634图 1-9 腹杆截面5.竖杆（42） 。杆件轴力为：N=-47.664KN
11、计算长度 l0x=0.8l=0.82750=2200mm，l 0y=2750mm选用 2L564，如图 1-10 所示，查附录 13 可得A=878mm2，i x=1.73cm，i y=2.67cm。按所选角钢进行验算：2.17.30ixlo6.5iyl因 ，则由 查附表 12-2 得 ，则yxx401.Mpa215Mpa.1358740.AN因此，所选截面合适。2L56412图 1-10 竖杆截面在此，其他各杆件的截面选择计算过程不再一一列出，现将计算结果列于表 1-11。表 1-11表 1-11表 1-11六、节点设计（1）下弦节点“4” （见图 1-12） 。各杆件的内力由表 1-5 查
12、的。设计步骤：由腹杆内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，即 hf和 lw，然后根据 l=lw+2hf的大小按比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。采用 E43 型焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值 ffw=160Mpa。设“(38)”杆的肢背焊缝 hf1= 10 mm，肢尖焊缝 hf2= 6 mm， （最好根据构造要求选定焊角尺寸） ，肢背的焊缝长度为 114mm，肢尖的焊缝长度为 100mm（均为满焊） 。则验算如下：肢背：=0.7N/2h elw=0.7126310/20.710（114-20）=67.186MPa160MPa 故满足要求。肢尖：=0.3N/2
13、h elw=0.3126310/20.76（100-12）=11.6MPa160MPa 故满足要求。由于（39） （40）杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取 hf= 4 mm。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，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为 325mm265mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为 325mm（满焊） ，h f= 6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差 N= 1009.195 913.314= 96.6kN，受力较大的肢背处的焊缝应力为=0.75N/2h elw=0.7596600/20.76（325-12）=28.28MPa160
14、MPa 故满足要求。因此，焊缝强度满足要求。该节点如图 1-12 所示。13图 1-12 下弦节点“4”（2）上弦节点“22” （见图 1-13） 。 “（38） ”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“4”相同。“（37） ”杆与节点板的焊缝尺寸计算同上。设“(37)”杆的肢背焊缝 hf1= 14mm，肢尖焊缝 hf2= 6 mm， （最好根据构造要求选定焊角尺寸） ，肢背的焊缝长度为 155mm，肢尖的焊缝长度为 156mm（均为满焊） 。则验算如下：肢背：=0.7N/2h elw=0.7193740/20.714（155-28）=54.48MPa160MPa 故满足要求。肢尖：=0.3N/2h e
15、lw=0.3193740/20.76（1156-12）=48MPa160MPa 故满足要求。设计节点板的尺寸为 310mm295mm为了便于在上弦杆上搁置屋面板，节点板的上边缘可以缩进上肢背 8 mm。采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，槽焊缝的强度设计值乘以 0.8 的折减系数。计算时可以略去屋架上弦坡度的影响，并考虑到 P 对槽焊缝长度中点的偏心距较小，所以略去由此偏心引起的弯矩。上弦肢背槽焊缝内的应力不用验算。肢尖焊缝承受弦杆内力差 N=982.789816.36= 166.43 kN，偏心距 e= 100-25=75mm，偏心力矩 M=Ne=166.430.
16、075= 12.78kNm，按构造要求取肢尖 hf2= 6mm，则上弦杆肢尖角焊缝的剪应力为 f=166430/（0.726298）=66.5Mpa由偏心力矩引起的正应力为 f=6M/2helw2=612780000/（20.76298 2）=102.8Mpa则焊缝强度为160MpaMPaff 4.107)./8102(5.6).1/() 222 所以满足强度要求。该节点如图 1-13 所示。14图 1-13 上弦节点“22”（3）屋脊节点“30” （见图 1-14 ） 。弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与弦杆之间能够密合，病便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去直肢的一部分宽
17、度（一般为 t+hf+5mm） 。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板开补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝 hf= 10mm。焊缝计算长度为（一条焊缝）lw=1019066/（40.710160）=227.5mm拼接角钢的长度 ls=2（l w+2he）+ 弦杆杆端空隙，拼接角钢长度取 520mm 上弦与节点板之间的槽焊缝，假定承受节点荷载，焊缝验算方法与节点“22”处槽焊缝验算方法类似，此处验算过程略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的 15%计算，并考虑此内力产生的弯矩。设肢尖焊缝 hf= 10mm ，取节点长度为 400mm，则节点一侧弦杆焊缝
18、的计算长度为lw=400/2-10-20=170mm焊缝应力为 f=0.151019066/（0.7210170）=64.2Mpa f=6M/2helw2=60.15101906675/（20.710170 2）=170Mpa160MpaMPaff 4.153)2./170(.64).1/()22 因此，焊缝强度满足要求。该节点如图 1-14 所示。因屋架的跨度很大，需将屋架分为两个运输单元，在屋脊 节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦杆、斜杆和竖杆与节点板的连接用工厂焊缝，而右半边的上弦杆、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。腹杆与节点板连接焊缝的计算方法与以上几个节点相同，在此不再赘述。
19、15图 1-14 屋脊节点“30”(4)支座节点“1”见图 1- 15 。下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距取100mm。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，厚度去 14 mm。1）支座底板的计算。支座反力为 R=428899N。支座底板的平面尺寸采用280mm400mm，如果仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为280mm360mm=100800mm2。验算柱顶混凝土的抗压强度为=R/A n=428899/100800=4.25Mpac=12.5Mpa式中 c混凝土抗压强度的设计值，对 C25 混凝土， c=12.5Mpa。支座底板的厚度按屋架反力作用下
20、的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为Mmax= 2qa22 式中 q底板下的平均应力，即 q= 4.25Mpaa2两边支承之间的对角线长度，即 a2= m2.183172 2系数，有 b2/a2查表确定，b 2为两边支承的相交点到对角线 a2的垂直距离。由此得b2=133173/218.2=105.4mmb2/a2=0.483查表得 2=0.0532，则单位宽度的最大弯矩为Mmax= 2qa22=0.05324.25218.22=10764.9N.mm 底板厚度为mft4.17/6故取 t=20mm162）加劲肋与节点板的连接焊缝计算
21、。加劲肋与节点板的连接计算与牛腿焊缝相似，见图 1-16。图 1-16 加劲肋计算简图偏于安全地假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的 1/4，即 428899/4=107224.75N，则焊缝内力为V=107224.75 M=107244.7565=6969610N.mm设焊缝焊脚 hf= 6mm ，焊缝计算长度 l w=640-20-12=608mm，则焊缝应力为160MPaMPa5.292.16087.96087.25142 3）节点板、加劲肋、底板的焊缝计算。设焊缝传递全部支座反力 R=428899N，其中每块加劲肋各传 R/4=107224.75N，节点板传递 R/2=214449.5N。节点板与底板的连接焊缝长度l w=2（280-12）=536mm，焊脚尺寸 hf= 6mm。214449.5/（0.753661.22）=71.3Mpa160MPa故满足要求。每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为l w=2（173-20-12）=282mm，焊脚尺寸 hf= 6mm。428899/（0.728261.22）=74.2Mpa160MPa故满足要求。17图 1-15 支座节点“1”其他节点的计算不再一一列出，详见施工构造。
