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1、 钢结构课程设计计算书一、 设计题目：焊接梯形钢屋架设计二、 设计概况：屋架计算跨度：l0=21-2*0.15=20.7m跨中端部高度：本设计为无檩屋盖方案，采用平坡梯形屋架，取屋架在21m轴线处的端部高度h0=1.99M，屋架的中部高度：h=3.04M。则 屋架在20.7M处两端高度为2.005M，屋架跨中起拱按l0/500考虑，取40mm。屋架尺寸及几何形状如下图：21米跨屋架几何尺寸三、荷载计算：屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，计算时，取较大的荷载标准值计算，故取屋面活荷载0.7KN/M进行计算。屋架沿水平投影面积分布的自重，按经验公式gk=0.12+0.011l KN/M2计算，跨度单位
2、为M。荷载计算如下表荷载名称标准值（KN/m2）设计值（KN/m2）预应力混凝土面板1.41.89三毡四油0.40.54找平层0.40.54保温层0.650.450.87750.6075屋架和支撑自重0.3510.474永久荷载总和3.2013.0014.321354.0515屋面活荷载0.70.98可变荷载0.80.61.120.84可变荷载总和1.51.32.11.82设计屋面荷载时，考虑以下三种荷载组合：（1） 全跨永久荷载+全跨可变荷载：F=（4.32135+2.1）*1.5*6=57.7952.84KN（2） 全跨永久荷载+半跨可变荷载：F1=4.32135*1.5*6=38.893
3、6.46 KN F2=2.1*1.5*6=18.916.38 KN（3） 全跨屋架自重+半跨屋面自重+半跨屋面活载：F3=0.474*1.5*6=4.266 KN F4=(1.89+0.98)*1.5*6=25.83 KN 其中，（1）（2）为使用节点荷载，（3）为施工阶段荷载。四、 内力计算： 上述三种荷载组合作用下的计算简图如下。由单位荷载作用下各杆的内力值计算其内力组合：五、 杆件设计：（1） 上弦杆：整个上弦杆采用等截面角钢，按最大设计内力的FG杆设计。N=-643.6KN，计算跨度l0x=l0=1.5M，l0y=3*l0=3*1.5M=4.5M。 选择两不等肢角钢，断肢相并。 腹杆最
4、大内力aB，N=-406.02KN，中间节点板厚度选用12mm，支座节点板厚选用14mm。由于双角钢组成的T形和十字形截面均属于b类截面。取=60。查表得，稳定系数=0.807，则所需的截面面积为：A=N/(f)=643.6*100/(0.807*215)=3709查表选取 2L140*90*10角钢。回转半径ix=25.6mm，iy=68.4mm。A=4460mm。按所选角钢验算如下：x=l0x/ix=1500/25.6=58.660 满足。因为此截面为单轴对称截面构件，绕对称轴应取换算长细比y。b1/t=140/10=140.56* l0y/b1=0.56*4500/140=32.14,故
5、可近似取yz=y= l0y/ iy=4500/68.4=65.8x,故只需求yz，查表得：yz=0.776，N/(yz*A)=643.6*1000/（0.776*4460）=185.96 N/f=215 N/满足要求。（2） 下弦杆： 整个上弦杆采用等截面角钢，按最大设计内力的FG杆设计。N=632.07KN，计算跨度l0x=l0=3M，l0y=20700/2=10350mm。 所需截面面积：A=N/ f=632.07*1000/215=2939.9 选用2L100*80*10，采用断肢相并，如图：截面特征：ix=23.5mm，iy=48.5mm，A=3440mm。长细比计算：x=l0x/ix
6、=3000/23.5=127.66=350y= l0y/iy=10350/48.5=213.4=350由于 b1/t=100/10=100.56* l0y/b1=0.56*10350/100=57.96,故可近似取yz=y= l0y/ iy=10350/48.5=213.4=350。 满足要求。（3） 端斜杆：杆件轴力N=-406.02KN，计算长度l0x =l0y=2530mm。因为l0x =l0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，尽量保证l0x =l0y。A=N/ f=406.02*1000/215=1888.47选用2L100*80*10，截面特征如下：ix=23.5mm，iy=48.5mm
7、，A=3440mm。x=l0x/ix=2530/23.5=107.66=150y= l0y/iy=2530/48.5=70.28=150由于b1/t=100/10=100.56* l0y/b1=0.56*2530/100=14.17,故可近似取yz=y= l0y/ iy=2530/48.5=70.28=150。 查表得，换算长细比yz=0.749，则 N/(yz*A)=406.02*1000/（0.749*3440）=157.6 N/f=215 N/满足要求。（4） 腹杆设计：腹杆设计选材与斜杆类似。杆件最大压应力取N=-406.02KN，最大拉应力N=306.9KN。计算长度l0x =l0y
8、=2530mm。因为l0x =l0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，尽量保证l0x =l0y。A=N/ f=406.02*1000/215=1888.47选用2L100*80*10，截面特征如下：ix=23.5mm，iy=48.5mm，A=3440mm。x=l0x/ix=2530/23.5=107.66=150y= l0y/iy=2530/48.5=70.28=150由于b1/t=100/10=100.56* l0y/b1=0.56*2530/100=14.17,故可近似取yz=y= l0y/ iy=2530/48.5=70.28=150。 查表得，换算长细比yz=0.749，则N/(yz*A)
9、=406.02*1000/（0.749*3440）=157.6 N/f=215 N/拉应力： =N/A=306.9*1000/3440=89.2 N/f=215 N/满足要求。（5） 竖杆设计：杆件轴力为N=-52.84KN，计算长度l0x=0.8*l=0.8*2802.25=2241.8mm。l0y=l=2802.25mm。由于杆件内力较小，按=150来选择截面，则需要的回转半径为：ix= l0x/=2241.8/150=14.95mmiy= l0y/=2802.25/150=18.68mm 查表选择2L62*5，所选截面特征如下：ix=19.4mm，iy=30.4mm，A=1228.6mm
10、。截面验算：x=l0x/ix=2241.8/19.4=115.56=150y=l0y/iy=2802.25/30.4=92.2=150因为，b1/t=63/5=100.56* l0y/b1=0.56*2802.25/63=25.8,故可近似取yz=y= l0y/ iy=2802.25/30.4=92.2=150。 查表得，换算长细比yz=0.607，则N/(yz*A)=52.84*1000/（0.607*1228.6）=70.85 N/f=215 N/满足要求。 其它各杆件截面的选择可参考上述设计计算。六、 节点设计：节点设计步骤：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
11、据lw的大小比例绘制出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦节点与节点板的连接焊缝。E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压、抗剪强度设计值为：=160 N/。（1） 下弦节点“c”设计： 设 “cB”杆肢背和肢尖焊缝hf分别为8mm和6mm，则所需的焊缝长度为：肢背：lw=0.7*N/（2*he*）=0.7*306.9*1000/（2*0.7*8*160）=119.88mm，取120mm。肢尖：lw=0.3*N/（2*he*）=0.3*306.9*1000/（2*0.7*3*160）=68.5mm，取70mm。设 “cD”杆肢背和肢尖焊缝hf分别为8mm和6mm，则所需的焊缝长度为：肢背：lw=0.7*N/
12、（2*he*）=0.7*232.97*1000/（2*0.7*8*160）=91mm，取100mm。肢尖：lw=0.3*N/（2*he*）=0.3*232.97*1000/（2*0.7*3*160）=52mm，取60mm。 设 “cb”杆焊缝尺寸为5mm。根据上面求的的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及支座和装配等误差，按比例绘制详图。从而确定节点板尺寸为：400mm*300mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为400mm，焊缝长度为6mm。焊缝所受的内力分左右两个弦杆的内力差： N=514.87-216.64=298.23 KN 受力较大的肢背处的焊缝应力为：=0.75*298.23*1000
13、/【2*0.7*6*（400-12）】=68.6 N/=160 N/焊缝强度满足要求。（2） 下弦节点“B”设计：对“Bb”杆和节点的焊缝尺寸与节点“b”相同。计算及验算方法如上。肢背和肢尖焊缝hf分别为8mm和6mm。肢背：lw=0.7*N/（2*he*）=0.7*306.9*1000/（2*0.7*8*160）=119.88mm，取120mm。肢尖：lw=0.3*N/（2*he*）=0.3*306.9*1000/（2*0.7*3*160）=68.5mm，取70mm。对“aB”杆肢背和肢尖焊缝hf分别为8mm和6mm，内力N=-406.02KN。则所需的焊缝长度为：肢背：lw=0.65*N/
14、（2*he*）=0.65*406.02*1000/（2*0.7*8*160）=147.3mm，取100mm。肢尖：lw=0.35*N/（2*he*）=0.35*406.02*1000/（2*0.7*6*160）=105.7mm，取60mm。根据上面求的的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及支座和装配等误差，按比例绘制详图。从而确定节点板尺寸为：400mm*300mm。上弦肢尖焊脚尺寸hf=8mm。上弦肢背焊脚尺寸为hf=6mm.承受的集中荷载P=52.84KN。上弦肢背焊缝处的的应力为：=P/（2*0.7*hf* lw ）=52.84*1000/【2*0.7*8*（400-12）】=16.2
15、N/0.8*1.22*160=156 N/肢尖焊缝承担的内力差： N=99.12 KN ，则=99.12*1000/【2*0.7*8*（400-16）】=23.05 N/=160 N/（3） 屋脊节点“H”设计：弦杆一般都采用同号角钢，为了使拼接板角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角消除，可以靠节点板来补偿。拼接角钢与受压上弦杆之间的角焊缝hf=10mm，则一条焊缝所需的焊缝长度为：lw=634.6/（4*0.7*8*160）=177mm。取180mm。拼接角钢长度：ls=2*（lw+2*hf）=2*（180+2*8）=392mm。肢尖焊缝：hf=8mm，取节点板长度为400
16、mm。lw =300/2-2*8-2*8=118mm，取150mm。焊缝应力：=0.15*634.6*1000/（2*0.7*8*150）=56.67 N/=6*0.15*634.6*1000*（90-21.2）/（2*0.7*8*150*150）=155.93 N/=139.81 N/=160 N/满足要求。（4） 下弦拼接节点算法与下弦节点“c”算法相同。根据上面求的的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及支座和装配等误差，按比例绘制详图。从而确定节点板尺寸为：400mm*300mm。上弦肢尖焊脚尺寸hf=8mm。上弦肢背焊脚尺寸为hf=6mm.承受的集中荷载P=52.84KN。上弦肢背焊缝
17、处的的应力为：=P/（2*0.7*hf* lw ）=52.84*1000/【2*0.7*8*（400-12）】=16.2 N/0.8*1.22*160=156 N/肢尖焊缝承担的内力差： N=99.12 KN ，则=99.12*1000/【2*0.7*8*（400-16）】=23.05 N/=160 N/（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12mm。1、 支座底板的计算：支座反力R=369.88 KN 。设支座底板采用200mm*300mm。混凝土强度等级为C30，fc=14
18、.3 N/。支座底板下混凝土受压强度验算： q=R/A=369.88*1000/（200*300）=6.16 N/ fc=14.3 N/每块板单位长度跨度：M=q*a*b： a=152.4 mm，b=120*94/152.4=74mm M= q*a*b=6.16*152.4*74=69470 N/底板厚度为： t=44 mm取t=45mm。2、 加劲肋与节点板的连接焊缝计算：加劲肋与节点的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似，如图：偏于安全假定一个加劲肋的受力大小为屋架支座反力的1/4，即N=369.88/4=92.47KN。M=92.47*120/2=5.55 KN*M设焊缝焊脚尺寸为hf=6mm，焊缝计算长度lw=570-20-12=538 mm。=5.55*1000000/（2*0.7*6*5382）=13.7 N/=160 N/。3、 节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算：设焊缝传递全部支座反力R=369.88 KN,焊脚尺寸为hf=6mm，实际的焊缝长度为lw=N/(2*0.7*hf*)=369.88*100/（2*0.7*6*160）=275.2 mm。取lw=300mm。=N/(0.7*hf*lw)=369.88*1000/2*0.7*6*(300-12)=152.9 N/=160 N/。满足要求。七、屋架施工图：