钢结构课程设计例题.docx

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1、钢屋架设计计算一、设计资料屋面采用梯形钢屋架、预应力钢筋混凝土屋面板。钢屋架两端支撑于钢筋混凝土柱上（碎等级C20）。钢屋架材料为 Q235钢，焊条采用 E43型，手工焊接。该厂房横向跨度为 24m,房屋长度为240m,柱距（屋架间距）为 6m,房屋檐口高为 2.0m,屋面坡度为1/12。 二、屋架布置及几何尺寸es5c .3000*3 DOO .300 C屋架几何尺寸图屋架计算跨度=24000-300=23700mmi屋架端部高度 H）=2000mm二、支撑布置22三、荷载计算1、荷载永久荷载预应力钢筋混凝土屋面板(包括嵌缝)1500N/m2 =1.5 KN/m 2屋架自重, 一一一、 _

2、_ _2(120+11 X24) =0.384 KN/m防水层找平层2cm厚380N/m400N/m保温层支撑自重970N/m80N/m2=0.38 KN/m2_=0.40 KN/m2_ _=0.97 KN/m2 =0.08 KN/m 2小计可变荷载 活载以上荷载计算中, 平投影面积计算。 永久荷载设计值: 可变荷载设计值: 2、荷载组合一2汇 3.714 KN/m700N/m2=0.70 KN/m 2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21.2 X 3.714=4.457kN/m21.4 X 0.7=0.98kN/m设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：(1)

3、 全跨永久荷载+全跨可变荷载屋架上弦节点荷载：P= (4.457+0.98 ) X 1.5 X 6=48.93kN(2) 全跨永久荷载+半跨可变荷载屋架上弦节点荷载：Pi=4.457 X 1.5 X 6=40.11kN P 2=0.98 X 1.5 X 6=8.82kN(3) 全跨屋架与支撑+半跨屋面板+半跨屋面活荷载全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载：P3=1.2 X ( 0.384+0.08 ) X 1.5 X6=5.01kN作用于半跨的屋面板及活载产生的节点荷载：取屋面可能出现的活载P4= (1.2 X 1.5+1.4 X 0.7 ) X 1.5 X 6=25.02kN以上1), 2)为使

4、用阶段荷载组合；3)为施工阶段荷载组合。四、内力计算按力学求解器计算杆件内力，然后乘以实际的节点荷载，屋架要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值，在第二和第三种荷载作用下，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，仅需计算近跨中的斜腹杆内力，取其中不利内力(正、负最大值)作为屋架的依 据。具体计算见图屋架各杆内力组合见表。全跨荷载布置图全跨荷载内力图左半跨荷载布置图左半跨荷载内力图右半跨荷载布置图右半跨荷载内力图内力计算表杆件 名称杆内力系数全跨永久 荷载+全跨 可变荷载P=48.

5、93kN N=PX 全跨永久荷载+半跨 可变荷载P1=40.11kNP2=8.82kNN 左=P1MD +P2XDN 右=P1MD +P2XD全跨屋架支撑+半跨 屋面板+半跨可变荷 载P3=5.01kNP4=25.02kNN=P3X(3)+P4XN=P3X(3) +P4X计算内力KNP=1在左 半跨在右 半跨全跨上 弦 杆10-11000000011-13-6.35-2.51-8.86-424.57-393.55-346.13-253.62-132.50-393.5513-15-9.35-4.65-14.00-670.88-613.42-555.38-379.18-230.94-613.421

6、5-17-9.62-6.39-16.01-767.20-688.25-648.36-399.80-297.92-688.2517-18-7.84-7.84-15.68-751.39-654.53-654.53-341.67-341.67-654.53下 弦 杆1-23.511.254.76228.10212.65184.74139.3668.08212.652-38.223.6211.84567.37522.64465.83330.54185.45522.643-49.755.5415.29732.70664.25612.25399.56266.78664.254-58.927.1216.04

7、768.64680.67658.44377.90321.13680.671-11-6.54-2.35-8.89-426.01-396.97-345.22-259.79-127.64-396.9711-24.892.177.06338.32311.50277.91196.73110.94311.502-13-3.54-2.09-5.63-269.79-243.97-226.06-145.54-99.81-243.97斜13-32.061.893.95189.28165.93163.8488.7583.90165.93腹3-15-0.86-1.83-2.69-128.90-106.30-118.2

8、8-43.82-73.91-118.28杆15-4-0.321.671.3564.6944.0668.39-1.9760.8068.39-1.974-171.441.63-0.19-9.1011.0313.3744.2750.2750.2717-5-2.401.50-0.90-43.13-61.65-13.49-81.1141.89-81.111-10-0.500-0.50-23.96-23.96-17.78-21.79-3.01-23.96竖杆2-12-1.000-1.00-47.92-47.92-35.57-37.56-6.02-47.923-14-1.000-1.00-47.92-47.

9、92-35.57-37.56-6.02-47.924-16-1.000-1.00-47.92-47.92-35.57-37.56-6.02-47.925-180.800.801.6076.6747.0347.0334.8634.8547.03五、杆件截面设计1、上弦杆截面计算整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算N = -688.25kN （压力），查钢结构设计手册，节点板厚度选用12mm,支座节点板厚度选用 14mm。计算长度屋架平面内取节间轴线长度l0x= 150.5cm屋架平面外根据支寸t和内力变化取10y = 2? 150.5 301.0cm因为210x 1y,故截面宜选用两个不等肢角

10、钢，且短肢相并。如图 1所示。图1上弦截面设 60,查轴心受压构件的稳定系数表0.807NA= 一 j fix上0 2.51cm l 601 0yiy= 73016 =5.03cm60根据需要的A、ix、iy ,查角钢型钢表,选用 2匚160仓-00 10, A = 50.6 c 疔,ix = 2.85 cm , iy需要截面积688.25 102;=3967 mm 0.807 215需要回转半径=7.78cm。按所选角钢进行验算lx= lox/ix= 150.5/2.85= 53, l y= ly/iy = 301.0/7.78= 39满足长细比：l = 150的要求。由于lx l y只需求

11、出j min=j x,查轴心受压构件的稳定系数表，j x= 0.842N _ nxA688.25 1030.842 5060一2_2=162N /mm ,-X y图2下弦截面l0xix3002.85=105 l = 35010yiy6007.78=77 l = 350680.67 1035060 .2-=135N / mm f-，2215N /mm所选截面满足要求。3、斜杆截面计算斜杆1-11N = -396.97kN （压力），l0x = 10y = l =251.6 cm因为l0x = l0y,故采用不等肢角钢，长肢相并，使 ix = iy选用2140X90X10,见图3所示,A = 44

12、.6 c m2 , ix = 2.56 cm , iy = 6.84cmlxl0x251.6 =98 1 = 1502.5610y鬻=37 112x-x图3斜/f 1-11截面属于b类截面属于b类截面y只需求出j min = j x,查轴心受压构件的稳定系数表，j x= 0.568396.97 10s =二j xA0.56844603 2_2一二 157 N / mm f = 215N / mm所选截面合适。斜杆11-2N = 311.50kN （拉力）计算需要净截面面积,l0x = 0.8l = 208.1cm, l0y = l =260.1 cmA=fN 311.502151032=144

13、9mm选用2J63X8,见图4 所示，A = 19.02 c 疔，ix = 1.90 cm , iy = 3.10 cm12图4斜/f 11-2截面验算:lxl0x208.11.9010y 260.1110 l = 3501 y = = 84 1 = 350iy 3.10311.501902102_一， 2=164N / mm f = 215N / mm所选截面满足要求。斜杆2-13N =-243.97kN （压力），lox =2247mm10y = l =2809mm选用 2L80X7,见图 5 所示，A =21.72mm2, ix =2.46cm , iy = 3.75cm12图5斜/f

14、2-13截面l0x224.7lx = 3= = 91 l = 150 属于 b 类截面ix 2.4610y280.9.l = = = 75 l = 150 属于 b 类截面y iy 3.75满足长细比：l = 150的要求。0.614由于x y只需求出j min二j x,查轴心受压构件的稳定系数表，j x二N 243.97 10322s = ；= 183N / mm f = 215N / mmj xA 0.614 2172所选截面合适。0斜杆13-3.N =165.93kN （拉力）,l0x = 0.8l = 224.7cm, 10y = l =280.9 cm计算需要净截面面积165.93

15、1032152=772mm选用 2L56X5,见图 6 所示，A =10.82 cm2 , ix =1.72 cm , iy =2.77 cm12图6斜/f 13-3截面验算:,10xlx 二i x350224.710y280.9=1311= 3501 y = -= 101 1 1.72yiy2.77N 165.93z 10322s = = 153N/mm f = 215N / mmA 1082所选截面满足要求。斜杆3-15N =-118.28kN （压力）,l0x =241.8cml0y = l =302.3cm选用 2L80X7,见图 7 所示，A =21.72c m2 , ix = 2.

16、46cm , iy = 3.75cmy图7斜/f 3-15截面xl0x241.8xlx =2=98 l = 150属于b类截面ix 2.4610y 302.3ly= 1= -= 81 l y只需求出j min = j x,查轴心受压构件的稳定系数表，j xN 118.28 10322s = ；= 153N / mm f = 215N / mmj xA 0.568 2172所选截面合适。斜杆15-4N = 68.39kN （拉力）,l0x = 0.8l = 2418mm, l0y= l =3023cm计算需要净截面面积NAn=f68.39 1032152=321mm选用 2L56X5,见图 8

17、所示，A = 10.82cm2 , ix = 1.72 cm , iy = 2.77 cm图8y斜/f 15-4截面验算:lxl0x241.8=141 1 = 3501.7210y 302.3=109 l = 350iy 2.7768.39 1032=63N /mm 10822_2f = 215N /mm所选截面满足要求。斜杆4-17N =50.27kN （拉力），l0x =259.5cml0y = l =324.3cmNAn=T50.27 1032152=234mm选用2J56X5,见图9所示,lxl0x259.51.72151 l =350l0yr324.32.77117 l =350A

18、=10.82 c m2 , ix =1.724cm , iy =2.77cm12xx图9斜/f 4-17截面满足长细比：350的要求。N 50.27 10322s = = 47N / mm ,见图 10 所示，A =14.58cnf , ix = 1.93cm , iy= 3.06cmy 12图10斜/f 17-5截面验算lxl0x259.51.93135y只需求出j min = j x,查轴心受压构件的稳定系数表,j x = 0.36581.1 1 10322二152N/mm f=215N/mmj xA 0.365 1458所选截面合适。4、竖杆截面计算边竖杆1-10N =-23.96kN

19、（压力），1ox = 10y =l=201.25cm选用 2L63X10, A =23.32 cm2 , ix = 1.88cm , iy = 3.07cm1ox 201.25x1 x = = = 106 1 = 150 属于 b类截面ix1.8810yT；201.25.=66 1 y只需求出j min = j x,查轴心受压构件的稳定系数表，j x= 0.51723.96 10322s = = ;= 20N/mm f = 215N /mmj xA 0.517 2332所选截面合适。竖杆2-12N =-47.92kN （压力），1ox =1800mm10y =2250mm选用 2L63X10,

20、 A =23.32 cm2 , ix = 1.88cm , iy = 3.07cmlx0x1804=96 1 = 150属于b类截面 1.88l0y ly” ,y225-=73 ly只需求出j min = j x ,查轴心受压构件的稳定系数表,0.58147.92 103S =;j xA0.581=35N 2332,22/mm f = 215N /mm所选截面合适。竖杆3-14l0x =2000mm10y =2500mmN =-47.92kN （压力）,选用 2L63X10, A =23.32 cm2 , ix = 1.88cm , iy = 3.07cmlxl0xil.200=106 l =

21、 150属于b类截面 1.880y250iy3.07=81 l0.517150的要求。y只需求出j min = j x,查轴心受压构件的稳定系数表,47.92 103s =j xA 0.517 2332=40N /mm2 f = 215N / mm2所选截面合适。竖杆4-16|0x =2200mm|0y =2750mmN =-47.92kN （压力）,选用 2L63X10, A =23.32 cm2 , ix = 1.88cm , iy = 3.07cmlxl0x ix l0y iy2201.88=117 l = 150属于b类截面2753.07=90 l0.453l = 150的要求。y只需

22、求出j min = j x,查轴心受压构件的稳定系数表,47.92 103s =j xA0.453所选截面合适。竖杆5-18N =47.03kN （拉力），2332=45N /mm2 f = 215N /mm2l0x =2400mm10y =3000mmN 47.03 1032An = = 219mm选用f 2152L63X10, A =23.32 cm2 , ix = 1.88cm , iy = 3.07cml0x 240lx必=128 l = 350ix 1.8810y3001 = -y=98 1 = 350 y iy 3.07满足长细比：350的要求。N 47.03 10322s = =

23、 21N /mm f = 215N / mmA 2332所选截面合适。中竖杆截面图屋架杆件一览表杆件杆内力kN计算长度截面形式及角钢规格截面积(m nf)回转半径长细比容许长细比系数(|)min(T(N/m nf)loxloyix(mm)iy(mm)入 max上弦-688.2515053010匚短肢相并2L160X 100X10506028.577.8531500.842162下弦680.6730006000匚短肢相并2L160X 100X10506028.577.8105350一135斜腹杆1-11-396.9725162516,40支相并2L140X90X 10446025.668.498

24、1500.568-15711-2311.5020812601L2L63X8190219.031.0110350一1642-13-243.9722472809L2L80X7217224.637.5911500.614-18313-3165.9322472809L2L56X5108217.227.7131350一1533-15-118.2824183023L2L80X7217224.637.5981500.568-15315-468.3924183023L2L56X5108217.227.7141350一634-1750.2725953243L2L56X5108217.227.7151350一47

25、17-5-81.1125953243L2L63X6145819.330.61351500.365-152竖杆1-10-23.962012.52012.5十字形2L63X 10233218.830.71061500.517-202-12-47.9218002250十字形2L63X 10233218.830.7961500.581-353-14-47.9220002500十字形2L63X 10233218.830.71061500.517-404-16-47.9222002750十字形2L63X 10233218.830.71171500.453-455-1847.0324003000十字形2L6

26、3X 10233218.830.7128350一-51六、节点设计重点设计“ 1”、“2”、“11”、“18”“5”五个典型节点，其余节点设计类同。1 .下弦2节点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连接焊缝的尺寸，即hf和lw。然后根据lw的大小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。选用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值f：=160N/m m2,实际所需的焊脚尺寸可由构造确定。(1) 11-2杆的内力N=311.5KN ,采用三面围焊，肢背和肢尖焊缝hf=6mm ,所需要的焊缝长度为：lw3 = 63mm冲=0.7hf ? lw3bf f：

27、 0.7创6 63创2 1.22? 160 103299.84N肢背lw1 二0.7N-冲/2_2创0.7hf ffw -。7创311.5 103- 51649.922 0.7 仓/ 160+ 12= 147mm,取 150mm肢尖lw =0.3N- N3/22创0.7hf ffw -0.3创311.5 103- 51649.922 0.7 仓哈 160+ 12= 70mm,取 80mm(2) 2-13杆的内力N=243.97KN ,采用三面围焊，肢背与肢尖的焊缝hf=6mm ,所需要的焊缝长度为：lw3= 80mmN3= 0.7hf ? lw3bf ffw 0.7创6 80创2 1.22?

28、160 131174.4N肢背lw =0.7N- N3/22创0.7hf ffw -0.7创243.97 103- 65587.22 0.7 仓g 160+ 12= 90mm,取 100mm肢尖lw =0.3N- N3/22创0.7hf ffw30.3创243.97 10 - 65587.22 0.7 仓g 160+ 12= 18mm,取 60mm(4)竖卞f 2-12杆的内力N=-47.92KN ,采用三面围焊，焊缝尺寸可按构造确定取hf=8mm。所需要的焊缝长度为：八3=63mmN3= 0.7hf ? lw3bf ffw 0.7创8 63创2 1.22? 160 137733.12N3因为

29、 2k2N = 2创0.3 47.92? 1028752N N3,所以按两面侧焊缝计算。肢背lw =0.7N 二to.7hf ffw 0.7 创47.92 1032 0.7 仓归 160+ 16= 35mm,取 40mm肢尖lw =0.3 创47.92 10仃+ 16= 24mm ,取 40mm2 创 0.7 8? 160(4)下弦杆焊缝验算下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦内力之差。A N = 522.64-212.65= 309.99kN肢背焊缝验算，hf=8mm,=13N/mm 2 160N/mm 2焊缝强度满足要求。0.75 创309.995 103 f = -r-;r-;2仓S.7

30、 8仓立0 160根据节点放样，得节点板尺寸为310X360,节点图如下图所示。杆件hf (mm)肢背(mm)hf (mm)肢尖(mm)11-26147mm 取 150mm670mm 取 80 mm2-13690mm 取 100mm618mm 取 60 mm13-35114mm 取 120mm555mm 取 70mm3-15674mm 取 80mm638mm 取 60mm15-4553mm 取 60mm528mm 取 60mm4-17638mm 取 60mm623mm 取 60mm17-5654mm 取 60mm630mm 取 60mm2.上弦11节点：11-2杆节点板连接的焊缝计算与下弦节点

31、2中11-2杆计算相同。1-11杆N =-396.97 kN ,采用三面围焊，设肢背和肢尖hf = 8mm,下弦节点各杆肢尖、肢背尺寸N3= 0.7hf ? lw3bf ffw 0.7创8 14兆ij2 1.22? 160 306073.62N因为2k2N = 2仓i0.353396.97? 10277879N N3 ,所以按两面侧焊缝计算。0.65 创396.97 1032 创0.7 8? 160+ 16=144,取 lw1 = 150mm0.35仓 1396.97 103“ 皿，lw2 = - +16 = 78,取 lw2 = 80m2 创0.7 8? 160上弦节点各杆肢尖、肢背尺寸杆件

32、hf (mm)肢背(mm)hf (mm)肢尖(mm)1-118144mm 取 150mm878mm 取 80mm11-26174mm 取 180mm682mm 取 90 mm2-136139mm 取 150mm666mm 取 70 mm13-35114mm 取 120mm555mm 取 70mm3-15674mm 取 80mm638mm 取 60mm15-4553mm 取 60mm528mm 取 60mm4-17638mm 取 60mm623mm 取 60mm17-5654mm 取 60mm630mm 取 60mm考虑搁置楝条，节点板缩进上弦肢背7mm,用槽焊缝连接，槽焊缝按两条角焊缝计算hf

33、 = t/2= 10/2= 5mm , p=47.92kN。节点板尺寸为285 417设肢尖焊缝hf=5mm,假定集中荷载 P与上弦垂直,忽略屋架上弦坡度影响。肢背焊缝验算：_ ；(K1DN)2+ (P/2? 1.22)2 _ ；(0.75? 393.5)2 (47.92/2? 1.22)2 f =2 创 0.7hflw=2 0.7 创5 407=115N /mm2 0.8ffw= 0.8? 160 128N/mm2肢尖焊缝验算：_ ：(K2DN)2+ (P/2? 1.22)2 _ ；(0.25? 393.5)2 (47.92/2? 1.22)2f =2 创 0.7hflw=2 0.7 创5

34、407=40N / mm2 8X160) +16=25mm。取 lw2=40mm。设焊缝高度hf=8mm,则所需要焊缝计算长度为：lw= (654.53 103) / (4X0.7)8X160) +16=199mm。取 lw =210mm。拼接角钢长度 600mm 2 8X220) =40N/mm 2, orM =(0.15 654.53 X103X55 6)/( 2 0.7 8X2202) =60N/mm 2, Jj_ 2+t2 = ,402+ (60/1.22)2 =63.4kN/mm 250 mm ,节点图如下图所示。4、下弦跨中5节点设计(1)下弦接头设于跨中节点处，连接角钢取与下弦杆

35、相同截面2L 160X100X10,焊缝高度hf=8mm,焊缝长度为：lw= (680.67 和3) / (4X0.7 8X160) +16=206mm ,取 lw=210mm连接角钢长度 lw=2X210+10=430mm ,取 lw=430mm下弦杆与节点板，斜杆与节点板之间的连接焊缝按构造设计。(2)弦杆与节点板连接焊计算：按下弦杆内力的15%计算。N=680.67X 15%=102KN设肢背、肢尖焊肢尺寸为8 mm,弦杆一侧需焊缝长度为肢背 lw= (0.75 02X103) / (2X0.7 )8X160) +16=59mm ,取 80mm ,肢尖 lw= (0.25 X02X103

36、) / (2X0.7 )8X160) +16=30mm。取 40mm腹杆与节点板连接焊缝的计算方法与以上几个节点相同，节点图如下图所示。5、支座1节点为了便于施焊，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。加劲肋取 460X80X12mm,节点取 460X380X14mm的钢板。(1)支座底板的计算支座反力 Ra=Rb=479.2KN按构造要求采用底板面积为a=280X360mm2如仅考虑加劲肋部分底板承受支座反力R,则承压面只为 280X (2X80+12) =48160mm2佥算柱顶混凝土的抗压强度：(t=R/A=479.2 103/48160=10N/mm 2fc=12.5N/mm 2满足。茁板的厚度按屋架反力作用下的弯距计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两相邻边支年夕而怯胸以邻边尚由的板，每块板单位宽度的最大弯距为：1711一4二0式中二.b-Bi板下的