1、钢结构课程设计 专 业： 土 建 系 班 级： 08 级建工（2）班 姓 名： 邵文凡 2 目录 一 设计资料（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、根据任务书的已知条件：梯形钢屋架跨度 27m，长度 90m，柱距 6m。该车间内 设有两台 20/5 t 中级工作制吊车 ，两端铰支于钢筋混凝土阶梯柱上，上柱采用截面 为 400 mm400 mm，混凝土标号为 C30。屋面采用 1.5m6m 预应力混凝土大型屋面板， 板面以上依次为：三毡四油防水层、20mm 厚水泥砂浆找平层、80mm 厚泡
2、沫混凝土保温 层，卷材屋面，屋面坡度 i1/10。屋面活荷载标准值为 0.5 kN/m2，雪荷载标准值为 0.4 kN/m2，积灰荷载标准值为 0.3 kN/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱钢材采 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
3、尺寸如图 1-1 所示。205 1508150819 1508135029259030434015268362782991370830 04511503A KJHGFEgedcfDCBba 图 1-1 梯形屋架的形状和几何尺寸 根据厂房长度（90m60m） 、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。
4、梯形钢屋架 支撑布置如图 1-2 所示。 垂直支撑 1-1 4 垂直支撑 2-2 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 5 屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准值进行计算。因 此，取屋面活荷载 0.3kN/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。 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
5、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=0.54 100mm 厚泡沫混凝土保温层 0.18=0.8 0.81.35=1.08 屋架和支撑自重 0.12+0.01127=0.417 0.4171.35=0.563 永久 荷载 永久荷载总和 3.417 4.613 屋面活荷载 0.5 0.51.4=0.7可变 荷载 可变荷载总和 0.5 0.7 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=(4.613+0.7) 1.56=47.817kN （1） 全跨节点永久荷
6、载+半跨节点可变荷载。 全跨节点永久荷载为 F1=4.6131.56=41.517kN 半跨节点可变荷载为 F2=0.71.56=6.3kN （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。 6 （a） （b） （c） 图 1-4 屋架计算简图 由图解法或数解法得 F
7、=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=-1019.066KN。 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
8、 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 7 2L160x100 x12 图 1-6 上弦杆截面 表 1-5 8 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.635 y17094 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
9、.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 .7.940iyl 9 由于 ，由 查附表 12-2 得 ，则yxy 817.0 Mpa4693.93mm2,ix=2.846cm,iy=7.7cm。 2L16010010 图 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 2L
10、1258010，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。 10 2L1258010 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yxy716.0 Mpa215Mpa5.3942716.08AN 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
11、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。 11 2L634 图 1-9 腹杆截面 5.竖杆（42） 。杆件轴力为：N=-47.664KN 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： 2.17.30ix
12、lo6.5iyl 因 ，则由 查附表 12-2 得 ，则yxx401. Mpa215Mpa.1358740.AN 因此，所选截面合适。 2L564 12 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、
13、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/2h 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
14、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） =28.28MPa160MPa 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
15、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 elw=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
16、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=166.430.075= 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.
17、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
18、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的计算长度为 lw=400/2-10-20=170mm 焊缝应力为 f=0.151019066/（0.7210
19、170）=64.2Mpa f=6M/2helw2=60.15101906675/（20.710170 2）=170Mpa 160MpaMPaff 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。 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
20、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
21、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= 4.25Mpa a2两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=105.4mm b2/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=20mm 16 2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算。加劲肋与节点板的连接计算与牛腿焊缝相似， 见图 1-
22、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。
