《鋼結(jié)構(gòu)設計》課程設計

1、鋼結(jié)構(gòu)課程設計 鋼結(jié)構(gòu)設計課程設計設計名稱 學 院 專 業(yè) 班 級 學 號 姓 名 指導教師 2019年 6月18日目錄第一節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)課程設計題目2第二節(jié) 鋼屋架設計計算3一、屋架類型3二、鋼材及焊條 3三、屋架形式及幾何尺寸3 四、支撐布置4五、荷載和內(nèi)力計算1. 荷載計算52. 荷載組合53. 內(nèi)力計算7六、桿件截面設計1. 上弦桿102. 下弦桿113. 端斜桿124. 斜腹桿135. 豎桿14七、節(jié)點設計1. 下弦節(jié)點b172. 上弦節(jié)點B183. 屋脊節(jié)點K194. 下弦跨中節(jié)點f205. 支座節(jié)點a21第一節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)課程設計題目一、設計題目某30m跨度熱加工車間鋼屋架設計。二、設計

2、任務與要求 1選擇鋼屋架的材料。 2屋架選型；確定各桿件截面形式、計算長度和節(jié)點形式。 3屋架及屋蓋支撐的布置及布置圖；4荷載計算及內(nèi)力分析；5各桿件截面設計（包括計算過程和非拷貝的計算簡圖）。6節(jié)點設計（包括支座設計。包括計算過程和非拷貝的計算簡圖）。7設計要求 （1）完成計算書一套(應有封面和目錄)。 （2）按制圖規(guī)范繪制鋼屋架施工圖（電子拷貝圖不能計分）及材料表。（3）計算書書寫工整，圖紙布局均勻、圖面整潔，線型正確，比例適當。8最晚放假前2周，提交紙質(zhì)文本和手繪圖件（A2）或提交電子文本與CAD圖件）。e-mail：三、設計資料 某一熱加工車間，跨度 30m，車間長度 90m，柱距 6

3、m。車間設有二臺 205t橋式吊車，中級工作制（JC25），一端設有5t和3t的鍛錘各一臺。當?shù)赜嬎銣囟雀哂?0。地震設防烈度8度。屋面采用156m預應力大型屋面板（為無檁體系）。上鋪 80mm厚泡沫混凝土保溫層；三氈四油防水層；屋面坡度為110；當?shù)匮┖奢d為0.3kNm2。屋架鉸接在鋼筋混凝土柱上，上柱截面bh=400600mm，混凝土強度等級為C20。大型屋面板自重按15kNm2（含灌縫）。第二節(jié) 鋼屋架設計計算一、屋架類型選擇由于車間內(nèi)部設有5 t和3 t鍛錘各一臺，又具有加熱設備爐，跨度較大（30m），屋面坡度較?。╥=110），故擬采用梯形鋼屋架，受力均勻、腹桿較短、且與柱子連接可為

4、鉸接，鋼筋混凝土柱，混凝土采用 C20（fc= 9.6Nmm2）。二、鋼材及焊條 根據(jù)該地區(qū)的冬季計算溫度和荷載性質(zhì)，以及設計規(guī)范要求，鋼材采用AY3F(甲類頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐3號沸騰鋼)，要求保證抗拉強度，伸長率。屈服強度，冷彎試驗及碳、硫、磷含量合格。屋架連接方法采用焊接，焊條選用E43型，手工焊，根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性，焊縫質(zhì)量要求達到一級標準。三、屋架形式及幾何尺寸因屋面采用預應力混凝土大型屋面板，屋面坡度i=110，故采用平坡梯形屋架。屋架計算跨度取支柱軸線間的距離減去300mm。=30000300=29700mm。 取屋架在30m軸線處的端部高度=1990mm（與屋架中部高度及屋面坡度相關，我

5、國常將取為1.82.lm等較整齊的數(shù)值，以利多跨屋架時的屋面構(gòu)造。當屋架與柱剛結(jié)時，有足夠的大小，亦能較好地傳遞支座彎矩而不使端部弦桿產(chǎn)生過大內(nèi)力）。 屋架中部高度: 2000+29700/20.1=34853490mm屋架的高跨比: =349029700=l85，在經(jīng)濟范圍（16110）內(nèi)。屋架在29.7m處，兩端的高度為。屋架跨中起拱按考慮，取60mm。屋架形式及幾何尺寸如圖一所示。四、支撐布置根據(jù)車間長度90m60m，屋架跨度=30m，荷載情況，以及吊車、鍛錘設置情況，布置三道上、下弦橫向水平支撐。因柱網(wǎng)采用封閉結(jié)合，廠房兩端的橫向水平支撐設在第一柱間，該水平支撐的規(guī)格與中間柱間支撐的規(guī)

6、格有所不同。在所有柱間的上弦平面設置了剛性與柔性系桿，以保證安裝時上弦桿的穩(wěn)定，在各柱間下弦平面的跨中及端部設置了柔性系桿，以傳遞山墻風荷載。在設置橫向水平支撐的柱間，于屋架跨中和兩端各設一道垂直支撐。梯形鋼屋架支撐布置如圖所示。五、荷載和內(nèi)力計算1荷載計算屋面活荷載與雪載一般不會同時出現(xiàn)，從前面可知屋面活荷載大于雪荷載，故取屋面活荷載進行計算。屋架沿水平投影面積分布的自重（包括支撐）按經(jīng)驗公式pw=（0.120.011跨度）計算，跨度單位為m。a、永久荷載標準值：三氈四油綠豆砂(防水層) 0.35kNm220厚1：3水泥砂漿找平層 0.0220=0.40kNm2泡沫混凝土保溫層80厚 0.0

7、86=0.48kNm2大型屋面板（含灌縫） 1.50kNm2屋架和支撐自重 0.120.01130=0.45kNm2管道自重 0.1kNm2 3.28kNm2b、可變荷載標準值屋面活載 0.7kNm2 0.7kNm2 以上荷載計算中，因屋面坡度較小，風荷載對屋面為吸力，對重屋蓋可不考慮，所以各荷載均按水平投影面積計算。 永久荷載設計值：1.23.28=3.936kNm2 可變荷載設計值：1.40.7=0.98kNm22、荷載組合計算屋架是應考慮下列三種荷載組合情況：（1）全跨永久荷載十全跨可變荷載 節(jié)點荷載：P=（3.936+0.98）1.56=44.244kN（2）全跨永久荷載十半跨可變荷載

8、全跨節(jié)點永久荷載：P1=3.9361.56=35.424kN 半跨節(jié)點可變荷載：P20.981.568.82kN（3）全跨屋架（包括支撐）十半跨屋面板自重十半跨屋面活荷載 全跨節(jié)點屋架自重：P3=1.2 0.451.56=4.86kN半跨節(jié)點屋面板自重及活載： P4=(1.21.5+1.40.7)1.56=25.02kN以上（1），（2）為節(jié)點荷載情況，（3）為施工階段荷載情況。3、內(nèi)力計算 按圖解法，解析法或電算法均可計算屋架各桿件內(nèi)力。 本設計采用圖解法計算內(nèi)力。應用圖解法求得單位荷載作用于全跨及半跨各節(jié)點的各桿內(nèi)力，即內(nèi)力系數(shù)，然后可求出當荷載作用于全跨及半跨各節(jié)點時的桿件內(nèi)力，并求出三

9、種荷載組合下的桿件內(nèi)力，上述第一種荷載組合作用下，屋架的弦桿、豎桿和靠近兩端的斜腹桿，內(nèi)力均達到最大，在第2種和第3種荷載作用下，靠跨中的斜腹桿的內(nèi)力可能達到最大或發(fā)生變號。因此，在全跨荷載作用下所有桿件的內(nèi)力均應計算，而在半跨荷載作用下僅需計算靠近跨中的斜腹桿內(nèi)力。具體計算見圖3。屋架各桿件內(nèi)力組合見下表。- 26 -桿件名稱桿件內(nèi)力系數(shù)（P=1）第一種組合第二種組合第三種組合計算內(nèi)力（kN）全跨左半跨右半跨PP1+P2P1+P2P3+P4P3+P4上弦AB000-0.000.000.000.000.000.00BD-11.35-8.49-3.45-502.17-476.94-432.49-

10、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ab6.334.841.83280.06266.92240.

11、37151.8676.55280.06bc15.3611.304.98679.59643.78588.04357.38199.25679.59cd20.2114.147.43894.17840.63781.45452.00284.12894.17de22.1214.449.39978.68910.94866.40468.79342.44978.68ef21.2311.6811.68939.30855.07855.07395.41395.41939.30斜腹桿aB-11.34-8.66-3.27-501.73-478.09-430.55-271.79-136.93-501.73Bb8.816.4

12、72.87389.79369.15337.40204.70114.62389.79bD-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-4.23-2.25-2.43-187.15-169.69-171.28-76.85-81.36-187.15Fd2.620.882.13115.92100.57111.6034.7566.03115.92dH-1.510.22-2.12-66.81-51.55-72.19-1.83-60.38-

13、72.19He0.29-1.251.8912.83-0.7526.94-29.8748.7048.70;-29.87eg1.533.40-2.2867.6984.1934.0992.50-49.6192.50;-49.61gK2.164.07-2.3295.57112.4156.05112.33-47.55112.41;-47.55gI0.490.54-0.0621.6822.1216.8315.890.8822.12豎桿Aa-0.55-0.540-24.33-24.25-19.48-16.18-2.67-24.33Cb-1.00-0.990-44.24-44.16-35.42-29.63-4

14、.86-44.24Ec-1.00-0.990-44.24-44.16-35.42-29.63-4.86-44.24Gd-0.98-0.980-43.36-43.36-34.72-29.28-4.76-43.36Jg-0.85-0.900-37.61-38.05-30.11-26.65-4.13-38.05Ie-1.42-1.430-62.83-62.91-50.30-42.68-6.90-62.91Kf0.02000.880.710.710.100.100.71六、桿件截面選擇1. 上弦桿 整個上弦采用等截面，按桿件最大內(nèi)力設計，即NIK= -1005.67 kN。上弦桿計算長度：在屋架平面內(nèi)

15、，為節(jié)間軸線長度L0X= L0=1508mm；在屋架平面外，本屋架為無檁體系，并認為大型屋面板只起到剛性系桿作用，根據(jù)支撐布置和內(nèi)力變化情況，取L0Y =31508=4524mm。 根據(jù)屋架平面外上弦桿的計算長度，上弦截面選用兩個不等肢角鋼，短肢相并。腹桿最大內(nèi)力N= -501.73kN（壓力需穩(wěn)定計算），查桁架節(jié)點板用度選用表，支座節(jié)點板厚度選用12mm，節(jié)點板厚度選用10mm。設=60，按3號鋼（Q235），軸心受壓構(gòu)件屬 b類載面。查附表 ，得穩(wěn)定系數(shù)=0.807，則需要截面積為A=5796.2mm2需要的回轉(zhuǎn)半徑： ， 根據(jù)A、ix、iy查附表，選用2L16010012，肢背間距a=1

16、0mm，A=6010.8mm2，ix=28.2mm， iy77.5mm。 按所選角鋼進行驗算： （滿足要求）由于xx，只需求，查表有=0707 滿足要求，截面如圖所示。 4. (1) 斜腹桿Bb NGB= 389.79kN，拉桿，幾何長度為=2608mm，=08=082608=20864mm，=2608mm。所需截面面積：采用等肢角鋼，肢背距離a=10mm，查附表，選用2 L807，則A=2172mm2，ix=24.7mm，iy=36.7mm 驗算： 滿足要求，其他腹桿截面選擇過程和Bb桿相同。(2) 腹桿eg-gK此桿在g節(jié)點處不斷開，采用通長桿件。最大拉力：NgK=112.41KN，Neg

17、=92.50KN最大壓力：Neg=-49.61KN，NgK=-47.55KN再分式桁架中的斜腹桿，在桁架平面內(nèi)的計算長度取節(jié)點中心間距=2301mm，在桁架平面外的計算長度：選用2 L807，則A=2172mm2，ix=24.7mm，iy=36.7mm 由于xy，只需求，查表有=0378 其他各桿件的截面選擇計算過程不再一一列出，現(xiàn)將計算結(jié)果列于下表。屋架各桿件截面選擇表名稱桿件編號內(nèi)力（kN）計算長度（cm）截面的規(guī)格截面面積（cm2）回轉(zhuǎn)半徑（cm）長細比容許長細比穩(wěn)定系數(shù)計算應力N/A(N/mm2)loxloyixiyxyxy上弦IK-1005.67 150.8 452.4 2L1601

18、0012短肢相并60.1082.82 7.75 53.48 58.37 150.00 0.813 205.79 下弦de978.68 300.0 1485.0 2L1409012短肢相并52.82.54 6.81 118.11 218.06 350.00 185.36 斜腹桿aB-501.73 253.4 253.4 2L1258010長肢相并39.4243.98 3.31 63.67 76.56 150.00 0.707 180.01 Bb389.79 208.6 260.8 2L80721.722.47 3.67 84.47 71.06 350.00 179.46 bD-334.04229

19、.5 286.9 2L1258010長肢相并39.4243.98 3.31 57.67 86.68 150.00 0.641 132.18 Dc238.48228.7 285.9 2L56510.831.72 2.69 132.98 106.28 350.00 220.20 cF-187.15250.8 312.6 2L80618.7942.47 3.65 101.54 85.64 150.00 0.542 183.73 Fd115.92249.5 311.9 2L80618.7942.47 3.65 101.02 85.45 350.00 61.68 dH-72.19271.6 339.5

20、2L80618.7942.47 3.65 109.96 93.01 150.00 0.493 77.91 He48.70,-29.87270.8 338.5 2L80618.7942.47 3.65 109.64 92.74 150.00 0.493 25.91;-32.24eg92.50;-49.61230.1 455.4 2L63512.2861.94 2.96 118.61 153.86 150.00 0.295 136.88 gK112.41;-47.55230.1 455.4 2L63512.2861.94 2.96 118.61 153.86 150.00 0.295 91.49

21、gI22.12165.9 207.4 2L56510.831.72 2.69 96.45 77.10 350.00 20.42 豎桿Aa-24.33199.0 199.0 2L6349.9561.96 3.02 81.63 65.89 150.00 0.675 36.20 Cb-44.24183.2 229.0 2L6349.9561.72 2.69 106.51 85.13 150.00 0.511 86.96 Ec-44.24207.2 259.0 2L6349.9561.72 2.69 120.47 96.28 150.00 0.432 102.86 Gd-43.36231.2 289.

22、0 2L6349.9561.72 2.69 134.42 107.43 150.00 0.365 119.32 Jg-38.05127.6 158.9 2L6349.9561.72 2.69 74.19 59.07 150.00 0.720 53.08 Ie-62.91 255.2 319.1 2L63512.2861.94 2.96 131.55 107.80 150.00 0.387 132.31 Kf0.71 314.1 314.1 2L63412.2861.94 2.96 161.91 106.11 200.00 0.58 七、節(jié)點設計1下弦節(jié)點b 各桿的內(nèi)力由計算表1查得。這類節(jié)點的

23、設計步驟是：先根據(jù)腹桿的內(nèi)力計算腹桿與節(jié)點板連接焊縫的尺寸，即hf和，然后根據(jù)的大小按比例繪出節(jié)點板的形狀和大小，最后驗算下弦桿與節(jié)點板的連接焊縫。 用E43焊條時，角焊縫的抗拉、拉壓和抗剪強度設計值=160Nmm2。設Bb桿的肢背和肢尖焊縫hf=7mm和6mm，所需焊縫長度為（按等肢角鋼連接的角焊縫內(nèi)力分配系數(shù)計算） 肢背=，取=200mm 肢尖=，取=110mm 設bD桿的肢背與肢尖的焊縫hf分別為6mm和5mm，長肢相并 肢背=，取=200mm 肢尖=，取=110mm Cb桿的內(nèi)力很小，焊縫尺寸可按構(gòu)造確定取hf=5mm 根據(jù)以上求得的焊縫長度，并考慮桿件之間應有的間隙以及制作、裝配等誤

24、差，按比例作出節(jié)點詳圖，從而確定節(jié)點板尺寸為320410mm。 下弦與節(jié)點板連接的焊縫長度為410mm，hf=5mm，焊縫所受的力為左右下弦桿的內(nèi)力差N=679.59（bc桿力）280.06（ba桿力）=399.53kN（焊縫受軸力），受力較大的肢背處焊縫應力為 f= 焊縫強度滿足要求。該節(jié)點如下圖所示2上弦節(jié)點B Bb桿與節(jié)點板的焊縫尺寸和節(jié)點b相同，aB桿與節(jié)點板的焊縫尺寸按上述方法計算，設肢背焊縫hf=10mm，肢尖焊縫hf=6mm，則NaB501.73kN=,實際取=170mm=,實際取=150mm 為了便于擱置屋面板，上弦節(jié)點板的上邊緣縮進上弦肢背8mm，上弦角鋼與節(jié)點板間用槽焊連接

25、，計算時可略去屋架上弦坡度的影響，認為集中力P與上弦垂直。P=44.244kN，hf=5mm。根據(jù)斜桿焊縫長度確定節(jié)點板尺寸，得節(jié)點板長度460mm，焊縫計算長度：=46010=450mm，設上側(cè)焊縫負擔垂直焊縫的全部力，則肢背焊縫應力為： 肢尖焊縫承受弦桿內(nèi)力差N及偏心力彎距M。N=NABNBC=502.17kN 偏心距e=100222=67.3mm（查附表得L1409012的x0=21.9mm） 偏心力距M=Ne=502.1710367.3=3.38107Nmm，采用hf=8mm則 f=N2he=502.171032078450=99.6Nmm2 ,故合格3屋脊節(jié)點K 弦桿一般都采用同號角

26、鋼進行拼接，為使拼接角鋼與弦桿之間能夠密合，且便于施焊，需將拼接角鋼的尖角削除，并截去垂直肢的一部分寬度（一般為thf5mm）。拼接角鋼的部分削弱，可以借助節(jié)點板來補償。接頭一邊的焊縫長度按弦桿內(nèi)力計算。 設焊縫高度hf=12mm，則所需焊縫計算長度為：取=210mm。 拼接角鋼長度取 600mm2210=420mm上弦與節(jié)點板間的槽焊，假定承受節(jié)點荷載，因為荷載較小，故不再驗算。上弦肢尖與節(jié)點板的連接焊縫，應按上弦內(nèi)力的15計算。設肢尖焊縫hf=12mm，節(jié)點板長度為500mm，節(jié)點一側(cè)弦桿焊縫的計算長度為=510=235mm，焊縫應力為： 4下弦跨中節(jié)點設計f 跨中起拱60mm，下弦接頭設于跨中節(jié)點處，連接角鋼取與下弦桿相同截面2L1409012，焊縫高度hf=12mm，焊縫長度：，取=270mm，連接角鋼長度=227010=550mm，取=570mm。 肢尖切去=thf+5=14105=29mm，截面削弱A=2910=290mm2。 (滿足要求)下弦桿與節(jié)點板，斜桿與節(jié)點板之間的連接焊縫均按構(gòu)造設計。 因屋架的跨中高度較大，需將屋架分成兩個運輸單元，在屋脊和下弦跨中設置工地拼接節(jié)點，左半邊的上弦、斜桿和豎桿與節(jié)點連接采用工廠焊，而右半邊的上弦，斜桿與節(jié)點板的連接采用工地焊。 腹桿與節(jié)點板連接焊縫的計算方法與以上幾個節(jié)點相同。