鋼結構課程設計實例

1、.鋼結構設計原理課程設計鋼屋架土木工程專業(yè)本科 臨沂師范學院工程學院建筑工程系鋼結構設計原理教學組一 由設計任務書可知：廠房總長為96m，柱距6m，跨度為24m，屋架端部高度為2m，車間內設有兩臺中級工作制吊車，該地區(qū)冬季最低溫度為-22。暫不考慮地震設防。屋面采用1.5m×6.0m預應力大型屋面板，屋面坡度為i=1:15。卷材防水層面（上鋪120mm泡沫混凝土保溫層和三氈四油防水層）。屋面活荷載標準值為0.35KN/，雪荷載標準值為0.3KN/，風標準值為0.45KN/，積灰荷載標準值為0.5KN/。屋架采用梯形鋼屋架，鋼屋架鉸支于鋼筋混凝土柱上，混凝土強度等級C25.二 選材：根

2、據(jù)該地區(qū)溫度及荷載性質，鋼材采用Q235-C。其設計強度為215KN/,焊條采用E43型，手工焊接，構件采用鋼板及熱軋鋼筋，構件與支撐的連接用M20普通螺栓。屋架的計算跨度L。=24000-2×150=23700，端部高度：h=2000mm(軸線處)，h=2150(計算跨度處)。三 結構形式與布置：屋架形式及幾何尺寸見圖一所示：屋架支撐布置見圖二所示：四 荷載與內力計算：1，荷載計算：活荷載于雪荷載不會同時出現(xiàn)，故取兩者較大的活荷載計算。永久荷載標準值：防水層（三氈四油上鋪小石子） 0.35KN/找平層（20mm厚水泥砂漿） 0.02×20=0.40 KN/保溫層（120m

3、m厚泡沫混凝土） 0.12×6=0.72 KN/預應力混凝土大型屋面板 1.4 KN/鋼屋架和支撐自重 0.12+0.011×24=0.384 KN/管道自重 0.1 KN/總計：3.354 KN/可變荷載標準值：雪荷載屋面活荷載（取兩者較大值）0.35KN/積灰荷載0.5KN/風荷載：查表可知迎風坡面體形系數(shù)為-0.6，背風坡面為-0.5，即當屋面夾角（3.8°）小于15°時，風載為吸力，起卸載作用，一般不予考慮。總計：0.85 KN/永久荷載設計值 1.2×3.354 KN/=4.0248KN/可變荷載設計值 1.4×0.85 K

4、N/=1.19KN/2，荷載組合：設計屋架時應考慮以下三種組合：組合一 全跨永久荷載+全跨可變荷載 屋架上弦荷載P=(4.0248KN/+1.19KN/) ×1.5×6=46.9332KN組合二 全跨永久荷載+半跨可變荷載 屋架上弦荷載P1=4.0248KN/×1.5×6=36.22KNP2=1.19KN/×1.5×6=10.71KN組合三 全跨屋架及支撐自重+半跨大型屋面板自重+半跨屋面活荷載屋架上弦荷載P3=0.384KN/×1.2×1.5×6=4.15KNP4=(1.4×1.2+0.35&

5、#215;1.4)×1.5×6=19.53KN3,內力計算：首先求出桿件內力系數(shù)，即單位荷載作用下的桿件內力，荷載布置如圖3所示。經(jīng)計算得表一，表一列出了各個桿件的內力系數(shù)和桿件內力值，由表中的三種組合可見：組 合一，對桿件計算起主要控制作用；組合三可能引起中間幾根斜腹桿發(fā)生內力變號，在施工過程中，在屋架兩側對稱均勻鋪設面板則可避免內力變號。表一屋架桿件內力組合表桿件名稱全跨1左半跨2右半跨3P*1P1*1+ P2*2P1*1+ P2*3P3*1+ P4*2P3*1+ P4*3計算內力（KN）上弦AB000000000.BCD-9.82-7.06-2.76-460.884-

6、431.293-385.24-178.6348-94.6558-460.88DE-15.89-10.78-5.11-745.769-690.9896-630.2639-276.4769-165.7418-745.77EFG-16.49-11.37-5.12-773.928-719.0405-652.103-290.4896-168.4271-773.93GHIJ-17.58-9.68-7.91-825.086-740.4204-721.4637-262.0074-227.4393-825.09下弦ab5.433.991.44254.8473239.4075212.097100.459250.6

7、577254.85bc13.259.283.98621.8649579.3038522.5408236.2259132.7169621.87cd18.8111.767.05882.8135807.2478756.8037307.7343215.748882.81de19.299.69.6905.3414801.4998801.4998267.5415267.5415905.34腹桿Aa-0.5-0.50-23.4666-23.465-18.11-11.84-2.075-23.47Ba-10.08-7.4-2.67-473.087-444.3516-393.6933-186.354-93.977

8、1-473.09Bb8.145.712.44382.0362355.9849320.9632145.297381.4342382.04Cb-1-10-46.9332-46.93-36.22-23.68-4.15-46.-93Db-6.79-4.38-2.42-318.676-292.8436-271.852-113.7199-75.4411-318.68Dc5.12.912.22239.3593215.8881208.498277.997364.5216239.36Ec-1.57-1.570-73.6851-73.6801-56.8654-37.1776-6.5155-73.69E10.690

9、.69032.3839132.381724.991816.33922.863532.38c1-4.1-4.1-2.68-192.426-192.413-177.2048-97.088-69.3554-192.43F1-1-10-46.9332-46.93-36.22-23.68-4.15-46.93G1-3.36-3.36-2.69-157.696-157.6848-150.5091-79.5648-66.4797-157.70Gd-2.92-2.921.8-137.045-137.0356-86.4844-69.145623.036-137.05 23.04Hd000000000H20000

10、00000I2000000000J2d1.141.14-2.353.5038553.500216.657826.9952-40.188-40.19 53.50Je000000000注：表內負值表示壓力，正值表示拉力。五 桿件截面設計：腹桿最大內力N=-473.09KN，由屋架節(jié)點板后參考可知：支座節(jié)點板厚可取12mm，其余節(jié)點厚和墊板厚度均取10mm。1， 上弦桿整個上弦桿采用同一截面，按最大內力計算，N=-825.09KN。計算長度：屋架平面內取節(jié)點軸線長度 lox=133.7cm。屋架平面外根據(jù)支撐，考慮到大型屋面板能起一定的支撐作用，取上弦橫向水平支撐的節(jié)點長度loy=267cm。因：2

11、lox=loy 故截面宜選用兩個不等肢的角鋼，且短肢相并，見圖4：設=60，查軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)表 =0.807需要截面積=4775需要回轉半徑ix=需要回轉半徑iy=根據(jù)需要的, ix, iy 查角鋼型鋼表，初選2L140×90×12，A=5280,ix=2.54cm,iy=6.81cm。按所選角鋼進行驗算：=150=150由于/t=140/12=11.7>0.56×270/140=10.7則=45.4=150由于xyzy，只需求出 查軸心穩(wěn)定系數(shù)表=0.844所選截面合適。2,下弦桿整個下弦桿采用同一截面，按最大內力計算，N=905.34KN。計算長度：屋

12、架平面內取節(jié)點間軸線長度 lox=3990mm。屋架平面外根據(jù)支撐布置，取 loy=11850mm。計算需要凈截面面積=4211 選用2L125×80×12(短肢相并)，見圖5：A=4680,=2.24cm,=6.15cm。按所選角鋼進行驗算：取=A(若螺栓孔中心至節(jié)點板邊緣距離大于100mm，則不計截面削弱影響)3， 端斜桿Ba已知N=-473.09KN 因為 故采用等肢角鋼，使=選用2L100×10 見圖6A=3860,=3.05cm,=4.52cm。截面剛度和穩(wěn)定驗算：由于 b/t=10/1.0=10=0.6792 所選截面合適。填板放兩塊，4， 斜桿Bb已

13、知：N=382.04KN計算長度：屋架平面內取節(jié)點間軸線長度 lox=屋架平面外根據(jù)支撐布置，取 loy=2479mm。選用2L806 見圖7：A=1880,=2.47cm,=3.65cm。填板放兩塊，5, 再分腹桿c1G計算長度：屋架平面內取節(jié)點間軸線長度lox=屋架平面外根據(jù)支撐布置取 。選用2L806 見圖8：A=1880,=2.47cm,=3.65cm。由于 b/t=8/0.6=13.3=0.4918 所選截面合適。填板放兩塊，6, 斜桿Dc已知：N=329.36KN計算長度：屋架平面內取節(jié)點間軸線長度 lox=屋架平面外根據(jù)支撐布置，取 loy=263cm。選用2L705 見圖9：A

14、=1374,=2.16cm,=3.24cm。填板放兩塊，7， 中豎桿Je已知：N=0KN中豎桿選用2L70×5的角鋼，并采用十字形截面，見圖10： 滿足要求。填板放五塊，其余各桿截面選擇過程不一一列出，計算結果見表二：桿件名稱內力設計值N(KN)計算長度(cm)選用截面截面積A（）回轉半徑（cm）計算應力填 板塊上弦桿-825.09133.7267.0短肢相并2L140×90×1252.82.546.8152.61500.844-1852下弦桿905.343991185短肢相并2L125×80×1246.82.246.15192.7350/19

15、3.52Aa-23.47201.5201.5T型截面2L50×59.61.532.45131.71500.3795-64.42Ba-473.09247.9247.9T型截面2L100×1038.63.054.5281.31500.6792-180.52Bb382.04198.3247.9T型截面2L80×618.82.473.6580.3350/203.42Cb-46.93174.2217.8T型截面2L50×59.61.532.45113.91500.4705-103.92Db-318.68210.4263T型截面2L100×1038.63.

16、054.5269.01500.757-109.12Dc239.36210.4263T型截面2L70×513.742.163.2497.4350/174.22Ec-73.69188.5235.6T型截面2L70×513.742.163.2487.31500.6392-83.92E132.3894.1117.6T型截面2L50×59.61.532.4561.5350/33.71F1-46.9394.2117.8T型截面2L50×59.61.532.4561.51500.7995-61.11c1-192.43147.2388.3T型截面2L80×61

17、8.82.473.65110.21500.4918-208.12G1-157.70 Gd 23.04229.1286.4T型截面2L80×618.82.473.65106.1150/12.262-137.052500.6024-121.02Hd0209.8262.2T型截面2L70×513.742.163.2497.11500.575702H20144.8181T型截面2L50×59.61.532.4594.61500.590402I20104.9T型截面2L50×59.61.532.4568.61500.759401J2-d253.50154.8387

18、T型截面2L70×513.742.163.24126.0350/38.92-40.191500.406-72.42Je0252252十字型截面2L70×513.742.162.16116.7150/02六 節(jié)點設計用E43焊條時，角焊縫的抗拉，抗壓和抗剪強度設計值各桿件內力由表二查得，最小焊縫長度不應小于8和40mm。1， 下弦節(jié)點b 見圖11(1)斜桿Bb與節(jié)點的連接焊縫計算：N=382.04KN設肢背與肢尖的焊角尺寸分別為6mm和5mm，所需焊縫長度為：肢背： 取=200mm肢尖： 取=150mm（2）斜桿Db與節(jié)點的連接焊縫計算：N=318.68KN設肢背與肢尖的焊角

19、尺寸分別為6mm和5mm，所需焊縫長度為：肢背： 取=180mm肢尖： 取=120mm（3）斜桿Cb與節(jié)點的連接焊縫計算：N=46.93KN因其內力很小，焊縫尺寸可按構造確定，取焊角尺寸焊縫長度40mm 取=60mm。（4）下弦桿與節(jié)點板連接焊縫計算：焊縫受力為左右下弦桿的內力差N=621.27-254.58=369.29KN;設肢背與肢尖的焊角尺寸分別為6mm，所需焊縫長度為：肢背： 取=200mm肢尖： 取=120mm（5）節(jié)點板尺寸：根據(jù)以上求得的焊縫長度，并考慮桿件之間應有的間隙和制作裝配等誤差，按比例做出構造詳圖，從而定出節(jié)點尺寸，如圖12所示：2， 上弦節(jié)點B 見圖13（1）斜桿B

20、b與節(jié)點板連接焊縫的計算：N=382.04KN設肢背與肢尖的焊角尺寸分別為6mm和5mm，所需焊縫長度為：肢背： 取=200mm肢尖： 取=150mm（2）斜桿Ba與節(jié)點板連接焊縫的計算：N=473.09KN設肢背與肢尖的焊角尺寸分別為10mm和6mm，所需焊縫長度為：肢背： 取=180mm肢尖： 取=150mm（3）上弦桿與節(jié)點板連接焊縫計算：為了便于在上弦上擱置大型屋面板，上弦節(jié)點板的上邊緣的上肢背可縮進8mm，用槽焊縫將上弦角鋼和節(jié)點板連接起來。槽焊縫可按兩條焊縫計算，計算時可略去屋架上弦坡度的影響，而假定集中荷載P與上弦垂直。假定集中荷載P由槽焊縫承受，P=46.9332KN，焊角尺寸

21、為5mm。所需槽焊縫長度為： 取=60mm上弦桿尖焊縫受力為左右上弦桿的內力差： N=473.09-0=473.09KN偏心距 e=90-21.9=68.1mm設肢尖焊角尺寸為8mm，設所需焊縫長度為400mm，則：（4）節(jié)點板尺寸：如圖14所示：3， 屋脊節(jié)點J見圖15（1） 弦桿與角鋼連接焊縫計算：弦桿一般用與上弦桿同號角鋼進行拼接，為使拼接角鋼與弦桿之間能夠密合，便于施焊，需將拼接角鋼進行切肢、切棱。拼接角鋼的這部分削弱可以靠節(jié)點板來補償。拼接一側的焊縫長度可按弦桿內力來計算。N=825.09KN設肢尖、肢背焊角尺寸為8mm， 取=300mm拼接角鋼長度取 2×300+50=6

22、50mm。（2） 弦桿與節(jié)點板的連接焊縫計算：上弦肢背與節(jié)點板用槽焊縫，假定承受節(jié)點荷載，上弦肢尖與節(jié)點板用角焊縫，按上弦桿內力的15計算:N=825.09×15=123.8KN。設肢尖焊角尺寸為8mm，弦桿一側焊縫長度為200mm。（2） 中豎桿與節(jié)點板的連接焊縫計算：N=0KN此桿內力很小，焊縫尺寸可按構造確定，取焊角尺寸焊縫長度40mm 取=60mm。(3) 斜桿J2與節(jié)點板的連接焊縫計算： N=53.5KN設肢背與肢尖的焊角尺寸分別為6mm和5mm，所需焊縫長度為：肢背： 取=60mm肢尖： 取=60mm（5） 節(jié)點板尺寸如圖16所示：4， 下弦跨中節(jié)點e 見圖17（1） 弦桿與拼接角鋼連接焊縫計算：拼接角鋼與下弦桿截面相同，傳遞內力N=905.34KN設肢尖、肢背焊角尺寸為8mm，則需焊縫長度為： 取=300mm拼接角鋼長度取 2×300+20=620mm。（2）弦桿與節(jié)點板連接焊縫計算,其內力按下弦桿內力的15計算:N=905.34×15=135.8KN設肢背與肢尖的焊角尺寸為6mm，弦桿一側所需焊縫長度為：肢背： 取=90mm肢尖： 取=60mm（3）節(jié)點板尺寸，如圖18所示：5， 端部支座節(jié)點a 見圖19：(1) 為了便于施焊，下弦角鋼水平肢的地面與支座地板的距離一般不小于下弦伸出肢的長度，故可取160m