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1、钢结构设计课程设计设计名称钢屋架设计学院水土保持学院专业土木工程班级土木O-班学号004姓名指导教师2011年6月18日目录第一节钢结构课程设计题目2第二节钢屋架设计计算3一、屋架类型3二、钢材及焊条3三、屋架形式及几何尺寸3四、支撑布置4五、荷载和内力计算1 .荷载计算52 .荷载组合53 .内力计算7六、杆件截面设计1 .上弦杆102 .下弦杆113 .端斜杆124 .斜腹杆135 .竖杆14七、节点设计1 .下弦节点b172 .上弦节点B183 .屋脊节点K194 .下弦跨中节点f205 .支座节点a21第一节钢结构课程设计题目一、设计题目某30m跨度热加工车间钢屋架设计。二、设计任务与
2、要求1 .选择钢屋架的材料。2 .屋架选型；确定各杆件截面形式、计算长度和节点形式。3 .屋架及屋盖支撑的布置及布置图；4 .荷载计算及内力分析；5 .各杆件截面设计（包括计算过程和非拷贝的计算简图）。6 .节点设计（包括支座设计。包括计算过程和非拷贝的计算简图）。7 .设计要求（1）完成计算书一套（应有封面和目录）。（2）按制图规范绘制钢屋架施工图（电子拷贝图不能计分）及材料表。（3）计算书书写工整，图纸布局均匀、图面整洁，线型正确，比例适当。8.最晚放假前2周，提交纸质文本和手绘图件（A2）或提交电子文本与CAD图件）。e-mail：三、设计资料某一热加工车间，跨度30m,车间长度90m,
3、柱距6m。车间设有二台20/5t桥式吊车，中级工作制（JC25%）,一端设有5t和3t的锻锤各一台。当地计算温度高于一20。地震设防烈度8度。屋面采用1.5X6m预应力大型屋面板（为无楝体系）。上铺80mm厚泡沫混凝土保温层；三毡四油防水层；屋面坡度为1/10；当地雪荷载0.3kN/m20屋架被接在钢筋混凝土柱上，上柱截面bXh=400X600mm,混凝土强度等级为C20。大型屋面板自重按1.5kN/m2（含灌缝）。第二节钢屋架设计计算一、屋架类型选择由于车间内部设有5t和3t锻锤各一台，又具有加热设备炉，跨度较大(30m),屋面坡度较小(i=l10),故拟采用梯形钢屋架，受力均匀、腹杆较短、
4、且与柱子连接可为较接，钢筋混凝土柱，混凝土采用C20(fc=9.6Nmm2)o二、钢材及焊条根据该地区的冬季计算温度和荷载性质，以及设计规范要求，钢材采用AY3F(甲类顶吹氧气转炉3号沸腾钢)，要求保证抗拉强度，伸长率。屈服强度，冷弯试验及碳、硫、磷含量合格。屋架连接方法采用焊接，焊条选用E43型，手工焊，根据结构的重要性，焊缝质量要求达到一级标准。三、屋架形式及几何尺寸因屋面采用预应力混凝土大型屋面板，屋面坡度i=l10,故采用平坡梯形屋架。屋架计算跨度取支柱轴线间的距离减去300mm00=/-215()=30000-300=29700mm0取屋架在30m轴线处的端部高度为二199Omm(与
5、屋架中部高度及屋面坡度相关,我国常将从取为L82.1m等较整齐的数值，以利多跨屋架时的屋面构造。当屋架与柱刚结时.，鼠有足够的大小，亦能较好地传递支座弯矩而不使端部弦杆产生过大内力)。屋架中部高度：h=h+lj2i=2000+29700/20.1=34853490mm屋架的高跨比：o=3490/29700=1/8.5,在经济范围(1/6-1/10)内。屋架在29.7m处，两端的高度为=2.005根。屋架跨中起拱按/0500考虑，取60mm。屋架形式及几何尺寸如图一所示。10架形式和几缺邻四、支撑布置根据车间长度90m60m,屋架跨度/二30m,荷载情况，以及吊车、锻锤设置情况，布置三道上、下弦
6、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。在所有柱间的上弦平面设置了刚性与柔性系杆，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所示。60006000*15500CM留1 -LG2LG2LG2LG2gCJGG2亚cijT,GG2BLG2斌LG2SbDJ2S(OSbGGlgS26000IOoooc6000*1560005001.G4LG3LG4LG4LGlZ6000500LI1.GlLG4Zlg一Z
7、L3OOoOG09-09olco8loq089-809林下放支梯布置图XXLG5/X、LG5XXCC2GG2CC4GG2CC2垂直支撑ITPCIOGlLG4CC3Kl垂直支撵2-2GGlCCI1.G47匍居柒支樽布置Se-上弦支撑；XC-下弦支撑；CC-垂直支撑；GG-刚性系杆；LG-柔性系杆五、荷载和内力计算1.荷载计算屋面活荷载与雪载一般不会同时出现，从前面可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载进行计算。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式PW=（0.12+0.0IlX跨度）计算，跨度单位为m。a、永久荷载标准值：三毡四油绿豆砂（防水层）0.35kN/m220厚1：3水泥砂
8、浆找平层泡沫混凝土保温层80厚大型屋面板（含灌缝）屋架和支撑自重管道自重0.0220=0.40kN/m20.086=0.48kN/m21.50kNm20.12+0.01130=0.45kN/m2O.lkNm23.28kNm2b、可变荷载标准值屋面活载0.7kN/m20.7kN/m2以上荷载计算中，因屋面坡度较小，风荷载对屋面为吸力，对重屋盖可不考虑,所以各荷载均按水平投影面积计算。永久荷载设计值：1.2X3.28=3.936kNm2可变荷载设计值：1.4X0.7=0.98kNm22、荷载组合计算屋架是应考虑下列三种荷载组合情况：（1）全跨永久荷载十全跨可变荷载节点荷载：P=（3.936+0.9
9、8）1.56=44.244kN（2）全跨永久荷载十半跨可变荷载全跨节点永久荷载：P=3.9361.56=35.424kN半跨节点可变荷载：P2=0.981.56=8.82kN（3）全跨屋架（包括支撑）十半跨屋面板自重十半跨屋面活荷教全跨节点屋架自重：P3=1.20.451.56=4.86kN半跨节点屋面板自重及活载：P4=(1.21.5+1.40.7)1.56=25.02kN以上(1),(2)为节点荷载情况，(3)为施工阶段荷载情况。3、内力计算按图解法，解析法或电算法均可计算屋架各杆件内力。本设计采用图解法计算内力。应用图解法求得单位荷载作用于全跨及半跨各节点的各杆内力，即内力系数，然后可求
10、出当荷载作用于全跨及半跨各节点时的杆件内力，并求出三种荷载组合下的杆件内力，上述第一种荷载组合作用下，屋架的弦杆、竖杆和靠近两端的斜腹杆，内力均达到最大，在第2种和第3种荷载作用下，靠跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生变号。因此，在全跨荷载作用下所有杆件的内力均应计算，而在半跨荷载作用下仅需计算靠近跨中的斜腹杆内力。具体计算见图3。屋架各杆件内力组合见下表。杆件名称杆件内力系数(P=I)第一种组合第二种组合第三种组合计算内力(kN)全跨左半跨右半跨PXPIX+P2XPlX+P2XP3X+P4XP3X+P4X上弦ABO00-0.000.000.000.000.000.00BD-11.35-8.
11、49-3.45-502.17-476.94-432.49-267.58-141.48-502.17DF-18.19-13.08-6.25-804.80-759.73-699.49-415.67-244.78-804.80FH-21.53-14.62-8.46-952.57-891.63-837.30-470.43-316.31-952.57HI-22.36-13.98-10.25-989.30-915.38-882.49-458.45-365.12-989.30IK-22.73-14.39-10.20-1005.67-932.11-895.15-470.51-365.67-1005.67下弦a
12、b6.334.841.83280.06266.92240.37151.8676.55280.06be15.3611.304.98679.59643.78588.04357.38199.25679.59cd20.2114.147.43894.17840.63781.45452.00284.12894.17de22.1214.449.39978.68910.94866.40468.79342.44978.68ef21.2311.6811.68939.30855.07855.07395.41395.41939.30斜腹杆aB-11.34-8.66-3.27-501.73-478.09-430.55-
13、271.79-136.93-501.73Bb8.816.472.87389.79369.15337.40204.70114.62389.79bD-7.55-5.23-2.84-334.04-313.58-292.50-167.55-107.75-334.04Dc5.393.392.44238.48220.84212.46111.0187.24238.48cF-4.23-2.25-2.43-187.15-169.69-171.28-76.85-81.36-187.15Fd2.62O.882.13115.92100.57111.6034.7566.03115.92dH-1.51O.22-2.12-
14、66.81-51.55-72.19-1.83-60.38-72.19HeO.29-1.251.8912.83-O.7526.94-29.8748.7048.70;-29.87g1.533.40-2.2867.6984.1934.0992.50-49.6192.50;-49.61gK2.164.07-2.3295.57112.4156.05112.33-47.55112.41;-47.55giO.49O.54-O.0621.6822.1216.8315.89O.8822.12竖杆Aa-O.55-O.54O-24.33-24.25-19.48-16.18-2.67-24.33Cb-1.00-O.9
15、9O-44.24-44.16-35.42-29.63-4.86-44.24Ec-1.00-O.99O-44.24-44.16-35.42-29.63-4.86-44.24Gd-O.98-O.98O-43.36-43.36-34.72-29.28-4.76-43.36Jg-O.85-O.90O-37.61-38.05-30.11-26.65-4.13-38.05Ie-1.42-1.43O-62.83-62.91-50.30-42.68-6.90-62.91KfO.02OOO.88O.71O.71O.10O.10O.71六、杆件截面选择1 .上弦杆整个上弦采用等截面，按杆件最大内力设计，即NlK=
16、TOO5.67kNO上弦杆计算长度：在屋架平面内，为节间轴线长度LOX=LO=I508mm；在屋架平面外，本屋架为无楝体系，并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=31508=4524mio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。腹杆最大内力N=-501.73kN（压力需稳定计算），查桁架节点板用度选用表，支座节点板厚度选用12mm,节点板厚度选用IOmmo设入=60,按3号钢（Q235）,轴心受压构件属b类载面。查附表，得稳定系数O=0.807,则需要截面积为=5796.2mm2_N1005.67IO3f0.807215需要的回
17、转半径: 60 = 25.1mm,工装= 75.4mm 60根据A、ix、iy查附表，选用2L160X100X肢背间距a=10mm,A=6010.8mm2,ix=28.2mm,iy=77.5mm010上弦械欹寸按所选角钢进行验算:2t=-=53.48l=150Xi28.2lj%=&=58.372=150（满足要求）1OO5.671O30.8136010.8由于入X入y,只需求Ov,查附表得，v=0.813=205.79N/mm2215N/tnnr故所选截面合适。2 .下弦杆整个下弦也采用同一截面，按最大内力NDE=978.68kN设计（拉力不需稳定计算）。按下弦支撑布置情况：Iqx=3000m
18、m,0v=14850mm（因跨中有通长系杆），计算所需下弦截面净面积:N978.68103因为/,几，故采用不等肢角钢，短肢相并，查附表得，选用2L140X90X12,肢背距离a=10mm,A=5280mm2,ix=25.4mm,iy=68.1mm,截面如图所示。uw下弦杆栽献寸验算：如果连接支撑的螺栓孔中心至节点板边缘距离不小于100mm,螺栓孔对下弦截面的削弱可不考虑，所以An=A0&=3000=I11三?Ul=350X25.4lj=i485o=21806ww11=350（满足要求）每个节间设一块垫板。yzv68.1lj3 .端斜杆aB杆件轴力Nag=-501.73kN,计算长度M=G=2
19、534mm因为L=oy，故采用不等肢角钢，长肢相并，令iy。查附表,肢背距离a=10mm,选用2L125X80X10,长肢相并，则A=3942.4mm2,ix=39.8mm,iy=33.1mn验算，=-=63.6721=150Xix39.8LJ=34-76.56入X,只需求外，查表有外二0.707=50173x10=180.0IN/加/215N/mm20.7073942.4满足要求，截面如图所示。4.(1)斜腹杆BbNgb=389.79kN,拉杆，几何长度为=2608mm,心=0.8/=0.82608=2086.4mm,Z0v=2608mmo所需截面面积：.N389.79IO3ICSCC2A1
20、=1812.98/阳7？215采用等肢角钢，肢背距离a=10mm,查附表，选用2L80X7,则A=2172mm2,ix=24.7mm,iy=36.7mmN389.79103八一2Cy2验算：=179.46N/mm“215N/A21721.=84.47制=350Xix24.7ljx=了=71.06A=35()iy36.7满足要求，其他腹杆截面选择过程和Bb杆相同。(2)腹杆eg-gK此杆在g节点处不断开，采用通长杆件。最大拉力：Ng=l12.41KN,Ncg=92.50KN最大压力：Neg=-49.61KN,Ng=-47.55KN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=230
21、Imm,在桁架平面外的计算长度：/=1f().75+0.259=460.2(0.75+0.25=455.42mmIN1)I49.61J选用2L80X7,则A=2172mm2,ix=24.7mm,iy=36.7mm2l三=93.16U=150Xix24.7lj与=*三=23.63X=150iy36.7L由于入xy,只需求令,查表有OV=O.416=:=54.91/V/nm2215N/mnr0.4162172拉应力：=-=5.75Nmm225Nmm2A21725.竖杆IeNk=-62.9IkN,0=0.8=0.83191=2552mm,心=3190mm。由于内力较小，按允许长细比而入=150选择角
22、钢，所需回转半径为：根据ix、iy查附表，节点板厚度选用Iomm,选截面时略大，选用2L63X5,则A=1229mm2,ix=19.4mm,iy=29.6mm。=131.55i.29.6lj由于入y,只需求外,查表有9=0378=135.46N/?/215NlnImI62.91IO30.378x1228.6其他各杆件的截而选择计算过程不再一一列出，现将计算结果列于下表。屋乡g各杆件截面选择表名称杆件编号内力(kN)计算长度(cm)截面的规格截面面积(Cm2)回转半径(Cin)长自址匕容许长细比稳定系数IP计算应力NA(Nmm2)loxIoyixiyXyxy上弦IK-1005.67150.845
23、2.42L16010012短肢相并60.1082.827.7553.4858.37150.000.813205.79下弦de978.68300.01485.02L1409012短肢相并52.82.546.81118.11218.06350.00185.36斜腹杆aB-501.73253.4253.42L1258010长肢相并39.4243.983.3163.6776.56150.000.707180.01Bb389.79208.6260.82L80721.722.473.6784.4771.06350.00179.46bD-334.04229.5286.92L1258010长肢相并39.424
24、3.983.3157.6786.68150.000.641132.18Dc238.48228.7285.92L56510.831.722.69132.98106.28350.00220.20cF-187.15250.8312.62L80618.7942.473.65101.5485.64150.000.542183.73Fd115.92249.5311.92L80X618.7942.473.65101.0285.45350.0061.68dH-72.19271.6339.52L80X618.7942.473.65109.9693.01150.000.49377.91He48.70,-29.87
25、270.8338.52L80X618.7942.473.65109.6492.74150.000.49325.91;-32.24eg92.50:-49.61230.1455.42L63512.2861.942.96118.61153.86150.000.295136.88gK112.41;-47.55230.1455.42L63512.2861.942.96118.61153.86150.000.29591.49gl22.12165.9207.42L56510.831.722.6996.4577.10350.0020.42竖杆Aa-24.33199.0199.02L6349.9561.963.
26、0281.6365.89150.000.67536.20Cb-44.24183.2229.02L6349.9561.722.69106.5185.13150.000.51186.96Ec-44.24207.2259.02L6349.9561.722.69120.4796.28150.000.432102.86Gd-43.36231.2289.02L6349.9561.722.69134.42107.43150.000.365119.32Jg-38.05127.6158.92L63X49.9561.722.6974.1959.07150.000.72053.08Ie-62.91255.2319.
27、12L63512.2861.942.96131.55107.80150.000.387132.31Kf0.71314.1314.12L63412.2861.942.96161.91106.11200.000.58七、节点设计1 .下弦节点b各杆的内力由计算表1查得。这类节点的设计步骤是：先根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，即hf和/然后根据4的大小按比例绘出节点板的形状和大小，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。用E43焊条时，角焊缝的抗拉、拉压和抗剪强度设计值7=160Nm设Bb杆的肢背和肢尖焊缝hf=7mm和6mm,所需焊缝长度为（按等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）肢背I：
28、H89.79xJ?+（）=174.01+1（）=184.（）,取lw=200mm20.77160/0.3389.79103SiaCr八1“/肢尖为际而+l=8701+10=97.0取/UOmm设bD杆的肢背与肢尖的焊缝hf分别为6mm和5mm,长肢相并O7x33404IO3肢背L=:二二+1O=173.98+10=183.98mm,取心二200mm20.76160/0.3334.04103S。八S八。_.肢尖Iw=+1=89+10=99.48）制n,取lw=IlOmm20.75160Cb杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定取h1=5mm根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作、装
29、配等误差，按比例作出节点详图，从而确定节点板尺寸为320X4Iomm。下弦与节点板连接的焊缝长度为41Omm,h尸5mm,焊缝所受的力为左右下弦杆的内力差N=679.59（be杆力）-280.06（ba杆力）=399.53kN（焊缝受轴力），受力较大的肢背处焊缝应力为107.02?/W60Nfnm20.75399.53XIO320.75(410-10)焊缝强度满足要求。该节点如下图所示下弦节点七”2 .上弦节点BBb杆与节点板的焊缝尺寸和节点b相同，aB杆与节点板的焊缝尺寸按上述方法计算，设肢背焊缝hf=10mm,肢尖焊缝hr=6mm,则NaB=-5O1.73kN10.65501.73103S
30、rUuC八八ALL14+10=145.59+10=155.59削,实际取lw=170mm20.71016070.35501.73103.1八乙,Iw=-+10=130.66+10=14().66w?,实际取lw=150mm20.76160为了便于搁置屋面板，上弦节点板的上边缘缩进上弦肢背8mm,上弦角钢与节点板间用槽焊连接，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，认为集中力P与上弦垂直。t10P=44.244kN,hf=T=-=5mmo根据斜杆焊缝长度确定节点板尺寸，得节点板长度460mm,焊缝计算长度：4，二46010=45Omm,设上侧焊缝负担垂直焊缝的全部力，则肢背焊缝应力为：Pf=-=44.2
31、44x1()3/(2x0.7x5x450)=14.05N/mnr1.22歹=1.22160=195.2Nmm2肢尖焊缝承受弦杆内力差N及偏心力弯距M。N=Nab-Nbc=502.17kN偏心距e=100-22.2=67.3mm(查附表得L140X90X12的xo=21.9mm)偏心力距M=Ne=502.17IO3X67.3=3.38IO7Nmm,采用ht=8mm则f=N2heu,=502.1710320.78450=99.6N/mm26MCCOf=-=63.381072x0.784502=89.42/2研J(Cr/pj+r=(89.42/1.22)2+99.62=123.66N/mm22210
32、=420mm上弦与节点板间的槽焊，假定承受节点荷载，因为荷载较小，故不再验算。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hf=12mm,节点板长度为500mm,节点一侧弦杆焊缝的计算长度为/卬=?也一510=235mm,焊缝应力为:215%V20.7Lm= 38.21NWO.151OO5.671O3；=6M2x0.7% 左6x0.15l005.67l()367.320.7122352=65.66N / mm2&；丫 + 3； /%)2 =538.212+(65.661.22)2 =66.00 W 16022x0.7x12x2354 .下弦跨中节点设计f跨中起拱60mm,下
33、弦接头设于跨中节点处，连接角钢取与下弦杆相同截面2L1409012,焊缝高度hf=12mm,焊缝长度：N4 X 0.7 X % 于；+ 10 =978.68 XIO340.712160+ 10 = 182.05 + 10 = 192.05mm取/w=270mm,连接角钢长度/=2X270+10=55Omm,取/=57Omm。肢尖切去A=t+hf+5=14+10+5=29mm,截面削弱AA=29X10=29Omm华=3=12.4%原截面的15%(满足要求)A2335.1下弦杆与节点板，斜杆与节点板之间的连接焊缝均按构造设计。因屋架的跨中高度较大，需将屋架分成两个运输单元，在屋脊和下弦跨中设置工地
34、拼接节点，左半边的上弦、斜杆和竖杆与节点连接采用工厂焊，而右半边的上弦，斜杆与节点板的连接采用工地焊。腹杆与节点板连接焊缝的计算方法与以上几个节点相同。5 .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，厚度为14mm.o（1）支座底板的计算。支座反力R=44.244X9+44.2442+44.2442=442.44kN按构造要求采用底板面积为ab=280400mm2,若仅考虑加劲助部分底板承受支座反力R,则承压面积为280X（2110+14）=65520mm2验算柱顶混凝土的抗压强度。R44244103
35、=-=:-=6.75N/mm27259一=bi/a=84.8/172.59=0.49,查得=0.0586B值表ba0.30.40.50.60.70.80.90.101.221.40.0260.0420.0580.0720.0850.0920.1040.1110.1200.125故M=B。a12=0.05866.75172.592=11782.37Nmm底板厚t=J6x11782.37/215=18.13w?,取t=20mm(2)加劲肋与节点板的连接焊缝计算加劲肋高度取与支座节点板相同，厚度取与中间节点板相同(即14mm)一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力为四分之一的支反力：=442.44芷-Ix
36、lOW44M=Ve=110.6110365=7.19IO6Nmm设焊缝hf=6mm,焊缝计算长度，“，=5282016=496mm,则焊缝应力为：f=V2he.=110.61IO3/20.76496=26.55N/mm2(rj2+(y)2=26.552+(7.191O662O.7649621.22)2=31.59V三2160W(3)节点板，加劲肋与底板的连接焊缝。设焊缝传递全部支座反力R=442.44kN,其中每块加劲助各传LR=Il0.6IkN,节4点板传递,R=221.22kN2节点板与底板的连接焊缝长度=2(280-12)=536mm所需焊脚尺寸为当 R/2221.22 1030.7Z . C - 0.7 X 536 X160 X1.22=3.02tnm ,取hr=6mm0每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为=(IlO202=156mm所需焊缝尺寸为为 R/407U 于；R11O.611O30.71561601.22= 5mm,取 hf=8mm其它节点设计方法与上述方法类似，所以从略。
