鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程設(shè)計

1、 鋼 屋 架 設(shè) 計 計 算一、設(shè)計資料 屋面采用梯形鋼屋架、預應力鋼筋混凝土屋面板。鋼屋架兩端支撐于鋼筋混凝土柱上（砼等級C20）。鋼屋架材料為Q235鋼，焊條采用E43型，手工焊接。 該廠房橫向跨度為24m，房屋長度為240m，柱距（屋架間距）為6m，房屋檐口高為2.0m，屋面坡度為1/12。二、屋架布置及幾何尺寸屋架幾何尺寸圖屋架計算跨度=24000-300=23700mm。屋架端部高度H0=2000mm。二、支撐布置三、荷載計算1、 荷載永久荷載預應力鋼筋混凝土屋面板（包括嵌縫） 1500N/m2 =1.5 KN/m2 屋架自重 （120+1124）=0.384 KN/m2 防水層 3

2、80N/m2 =0.38 KN/m2 找平層2cm厚 400N/m2 =0.40 KN/m2 保溫層 970N/m2 =0.97 KN/m2 支撐自重 80N/m2 =0.08 KN/m2 小計 3.714 KN/m2可變荷載 活載 700N/m2=0.70 KN/m2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(shè)計值：1.23.714=4.457kN/m2可變荷載設(shè)計值：1.40.7=0.98kN/m22、荷載組合設(shè)計屋架時，應考慮以下三種荷載組合：（1） 全跨永久荷載+全跨可變荷載屋架上弦節(jié)點荷載：P=（4.457+0.98

3、）1.56=48.93kN（2） 全跨永久荷載+半跨可變荷載屋架上弦節(jié)點荷載：P1=4.4571.56=40.11kN P2=0.981.56=8.82kN（3） 全跨屋架與支撐+半跨屋面板+半跨屋面活荷載全跨屋架和支撐自重產(chǎn)生的節(jié)點荷載：P3=1.2（0.384+0.08）1.56=5.01kN作用于半跨的屋面板及活載產(chǎn)生的節(jié)點荷載：取屋面可能出現(xiàn)的活載P4=（1.21.5+1.40.7）1.56=25.02kN以上1），2）為使用階段荷載組合;3）為施工階段荷載組合。四、內(nèi)力計算按力學求解器計算桿件內(nèi)力，然后乘以實際的節(jié)點荷載，屋架要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

4、腹桿內(nèi)力均達到最大值，在第二和第三種荷載作用下，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，僅需計算近跨中的斜腹桿內(nèi)力，取其中不利內(nèi)力（正、負最大值）作為屋架的依據(jù)。具體計算見圖屋架各桿內(nèi)力組合見表。 全跨荷載布置圖全跨荷載內(nèi)力圖左半跨荷載布置圖左半跨荷載內(nèi)力圖右半跨荷載布置圖右半跨荷載內(nèi)力圖 內(nèi)力計算表 表1桿 件名 稱桿內(nèi)力系數(shù)全跨永久荷載+全跨可變荷載P=48.93kNN=P全跨永久荷載+半跨可變荷載P1=40.11kNP2=8.82kNN左=P1+P2N右=P1+P2全跨屋架支撐+半跨屋面板+半跨可變荷載P3=5.01k

5、NP4=25.02kNN左=P3+P4N右=P3+P4計算內(nèi)力KNP=1在左半跨在右半跨全跨上弦桿10-11000000011-13-6.35-2.51-8.86-424.57-393.55-346.13-253.62-132.50-393.5513-15-9.35-4.65-14.00-670.88-613.42-555.38-379.18-230.94-613.4215-17-9.62-6.39-16.01-767.20-688.25-648.36-399.80-297.92-688.2517-18-7.84-7.84-15.68-751.39-654.53-654.53-341.67-3

6、41.67-654.53下弦桿1-23.511.254.76228.10212.65184.74139.3668.08212.652-38.223.6211.84567.37522.64465.83330.54185.45522.643-49.755.5415.29732.70664.25612.25399.56266.78664.254-58.927.1216.04768.64680.67658.44377.90321.13680.67斜腹桿1-11-6.54-2.35-8.89-426.01-396.97-345.22-259.79-127.64-396.9711-24.892.177.0

7、6338.32311.50277.91196.73110.94311.502-13-3.54-2.09-5.63-269.79-243.97-226.06-145.54-99.81-243.9713-32.061.893.95189.28165.93163.8488.7583.90165.933-15-0.86-1.83-2.69-128.90-106.30-118.28-43.82-73.91-118.2815-4-0.321.671.3564.6944.0668.39-1.9760.8068.39-1.974-171.441.63-0.19-9.1011.0313.3744.2750.27

8、50.2717-5-2.401.50-0.90-43.13-61.65-13.49-81.1141.89-81.11豎桿1-10-0.500-0.50-23.96-23.96-17.78-21.79-3.01-23.962-12-1.000-1.00-47.92-47.92-35.57-37.56-6.02-47.923-14-1.000-1.00-47.92-47.92-35.57-37.56-6.02-47.924-16-1.000-1.00-47.92-47.92-35.57-37.56-6.02-47.925-180.800.801.6076.6747.0347.0334.8634.8

9、547.03五、桿件截面設(shè)計1、上弦桿截面計算整個上弦桿采用同一截面，按最大內(nèi)力計算N = -688.25kN（壓力），查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊，節(jié)點板厚度選用12mm，支座節(jié)點板厚度選用14mm。計算長度 屋架平面內(nèi)取節(jié)間軸線長度屋架平面外根據(jù)支撐和內(nèi)力變化取因為，故截面宜選用兩個不等肢角鋼，且短肢相并。如圖1所示。yyxx12圖1上弦截面設(shè)，查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表需要截面積需要回轉(zhuǎn)半徑 根據(jù)需要的A 、 ix 、iy ，查角鋼型鋼表，選用2，A = 50.6 c , ix = 2.85 cm , iy = 7.78cm。按所選角鋼進行驗算，滿足長細比：的要求。由于只需求出，查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定

10、系數(shù)表，所選截面合適。2、下弦桿截面計算整個桿件采用同一截面，按最大內(nèi)力計算，N=680.67kN （拉力）計算長度 屋架平面內(nèi)取節(jié)間軸線長度屋架平面外根據(jù)支撐布置取計算需要凈截面面積選用216010010（短肢相并），見圖2所示，A =50.60 c , ix = 2.85 cm , iy =7.78cm 按所選角鋼進行截面驗算，取。12xxyy圖2 下弦截面 所選截面滿足要求。3、斜桿截面計算 斜桿1-11N = -396.97kN (壓力)，l0x = l0y = l =251.6 cm因為l0x = l0y，故采用不等肢角鋼，長肢相并，使ix = iy 選用21409010，見圖3所示

11、，A = 44.6 c , ix = 2.56 cm , iy = 6.84cmxxyy12圖3 斜桿1-11截面 屬于b類截面 屬于b類截面滿足長細比：的要求。由于只需求出，查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表，所選截面合適。 斜桿11-2N = 311.50kN（拉力），l0x = 0.8l = 208.1cm, l0y = l =260.1 cm計算需要凈截面面積選用2638，見圖4所示，A = 19.02 c , ix = 1.90 cm , iy = 3.10 cmxxyy12圖 4斜桿11-2截面驗算： 所選截面滿足要求。 斜桿2-13N =-243.97kN (壓力)，l0x =2247m

12、m l0y = l =2809mm選用2807，見圖5所示，A =21.72mm2 , ix =2.46cm , iy = 3.75cmxxyy12圖5斜桿2-13截面 屬于b類截面 屬于b類截面滿足長細比：的要求。由于只需求出，查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表，所選截面合適。斜桿13-3.N =165.93kN（拉力），l0x = 0.8l = 224.7cm, l0y = l =280.9 cm計算需要凈截面面積選用2565，見圖6所示，A =10.82 c , ix =1.72 cm , iy =2.77 cmxxyy12圖 6 斜桿13-3截面驗算： 所選截面滿足要求。 斜桿3-15N =-

13、118.28kN (壓力)，l0x =241.8cm l0y = l =302.3cm選用2807，見圖7所示，A =21.72c , ix = 2.46cm , iy = 3.75cmxxyy12圖7 斜桿3-15截面 屬于b類截面 屬于b類截面滿足長細比：的要求。由于只需求出，查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表，所選截面合適。 斜桿15-4N = 68.39kN（拉力），l0x = 0.8l = 2418mm, l0y = l =3023cm計算需要凈截面面積選用2565，見圖8所示，A = 10.82c , ix = 1.72 cm , iy = 2.77 cmxxyy12圖 8 斜桿15-4截

14、面驗算： 所選截面滿足要求。 斜桿4-17N =50.27kN （拉力）， l0x =259.5cm l0y = l =324.3cm選用2565，見圖9所示，A =10.82 c , ix =1.724cm , iy =2.77cmxxyy12圖9 斜桿4-17截面 滿足長細比：的要求。所選截面合適。 斜桿17-5N =-81.11kN (壓力)，l0x =259.5cm l0y = l =324.3cm 選用2636，見圖10所示，A =14.58c , ix = 1.93cm , iy = 3.06cmxxyy12圖10 斜桿17-5截面驗算 由于只需求出，查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表，所

15、選截面合適。4、豎桿截面計算邊豎桿1-10N =-23.96kN (壓力)，,l0x = l0y =l=201.25cm 選用26310，A =23.32 c , ix = 1.88cm , iy = 3.07cm 屬于b類截面 屬于b類截面滿足長細比：的要求。由于只需求出，查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表，所選截面合適。豎桿2-12 N =-47.92kN (壓力)，,l0x =1800mm l0y =2250mm 選用26310， A =23.32 c , ix = 1.88cm , iy = 3.07cm 屬于b類截面 屬于b類截面滿足長細比：的要求。由于只需求出，查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表，

16、所選截面合適。豎桿3-14N =-47.92kN (壓力)， l0x =2000mm l0y =2500mm 選用26310， A =23.32 c , ix = 1.88cm , iy = 3.07cm 屬于b類截面 屬于b類截面滿足長細比：的要求。由于只需求出，查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表，所選截面合適。豎桿4-16N =-47.92kN (壓力), l0x =2200mm l0y =2750mm 選用26310， A =23.32 c , ix = 1.88cm , iy = 3.07cm 屬于b類截面 屬于b類截面滿足長細比：的要求。由于只需求出，查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表，所選截面合適

17、。 豎桿5-18N =47.03kN (拉力)， l0x =2400mm l0y =3000mm 選用26310， A =23.32 c , ix = 1.88cm , iy = 3.07cm 滿足長細比：的要求。所選截面合適。中豎桿截面圖屋架桿件一覽表桿件桿內(nèi)力kN計算長度截面形式及角鋼規(guī)格截面積（m）回轉(zhuǎn)半徑長細比容許長細比系數(shù)min(N/m)loxloyix(mm) iy(mm)max上弦-688.2515053010短肢相并2L16010010506028.577.8531500.842162下弦680.6730006000短肢相并2L16010010506028.577.810535

18、0135斜腹桿1-11-396.9725162516長肢相并2L1409010446025.668.4981500.568-15711-2311.50208126012L638190219.031.01103501642-13-243.97224728092L807217224.637.5911500.614-18313-3165.93224728092L565108217.227.71313501533-15-118.28241830232L807217224.637.5981500.568-15315-468.39241830232L565108217.227.7141350634-175

19、0.27259532432L565108217.227.71513504717-5-81.11259532432L636145819.330.61351500.365-152豎桿1-10-23.962012.52012.5十字形2L6310233218.830.71061500.517-202-12-47.9218002250十字形2L6310233218.830.7961500.581-353-14-47.9220002500十字形2L6310233218.830.71061500.517-404-16-47.9222002750十字形2L6310233218.830.71171500.45

20、3-455-1847.0324003000十字形2L6310233218.830.7128350-51六、節(jié)點設(shè)計重點設(shè)計“1”、“2”、“11”、“18” “5”五個典型節(jié)點，其余節(jié)點設(shè)計類同。1下弦2節(jié)點這類節(jié)點的設(shè)計步驟是：先根據(jù)腹桿的內(nèi)力計算腹桿與節(jié)點連接焊縫的尺寸，即hf和lw 。然后根據(jù)lw的大小比例繪出節(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。選用E43焊條，角焊縫的抗拉、抗壓和抗剪強度設(shè)計值160N/m，實際所需的焊腳尺寸可由構(gòu)造確定。 （1）11-2桿的內(nèi)力N=311.5KN，采用三面圍焊，肢背和肢尖焊縫hf=6mm，所需要的焊縫長度為：肢背，取150mm肢尖，取

21、80mm（2）2-13桿的內(nèi)力N=243.97KN，采用三面圍焊，肢背與肢尖的焊縫hf=6mm，所需要的焊縫長度為：肢背，取100mm肢尖，取60mm（4） 豎桿2-12桿的內(nèi)力N=-47.92KN，采用三面圍焊，焊縫尺寸可按構(gòu)造確定取hf=8mm。所需要的焊縫長度為：因為，所以按兩面?zhèn)群缚p計算。肢背，取40mm肢尖，取40mm（4）下弦桿焊縫驗算下弦桿與節(jié)點板連接焊縫承受兩相鄰下弦內(nèi)力之差。N522.64212.65309.99kN肢背焊縫驗算，hf8mm， f13N/mm2160N/mm2焊縫強度滿足要求。根據(jù)節(jié)點放樣，得節(jié)點板尺寸為310360，節(jié)點圖如下圖所示。下弦節(jié)點各桿肢尖、肢背尺

22、寸 桿件hf（mm） 肢背(mm)hf（mm）肢尖(mm)11-26147mm取150mm670mm取80 mm 2-13690mm取100mm618mm取60 mm 13-35114mm取120mm 555mm取70mm3-15674mm取80mm638mm取60mm 15-4553mm取60mm 528mm取60mm4-17638mm取60mm623mm取60mm 17-5654mm取60mm 630mm取60mm2上弦11節(jié)點：11-2桿節(jié)點板連接的焊縫計算與下弦節(jié)點2中11-2桿計算相同。1-11桿N-396.97 kN，采用三面圍焊，設(shè)肢背和肢尖 hf = 8mm，因為，所以按兩面?zhèn)?/p>

23、焊縫計算。 lw116144，取lw1150mm lw21678，取lw280m上弦節(jié)點各桿肢尖、肢背尺寸桿件hf（mm）肢背 (mm)hf（mm）肢尖 (mm)1-118144mm取150mm878mm取80mm 11-26174mm取180mm682mm取90 mm 2-136139mm取150mm666mm取70 mm 13-35114mm取120mm 555mm取70mm3-15674mm取80mm638mm取60mm 15-4553mm取60mm 528mm取60mm4-17638mm取60mm623mm取60mm 17-5654mm取60mm 630mm取60mm考慮擱置檁條，節(jié)點

24、板縮進上弦肢背7mm，用槽焊縫連接，槽焊縫按兩條角焊縫計算，P47.92kN。節(jié)點板尺寸為設(shè)肢尖焊縫=5mm，假定集中荷載P與上弦垂直，忽略屋架上弦坡度影響。肢背焊縫驗算：肢尖焊縫驗算：節(jié)點圖如下圖所示。3、屋脊18節(jié)點（1）弦桿一般都采用同號角鋼進行拼接，為使拼接角鋼與弦桿之間能夠密合，且便于施焊，需要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t+hf+5mm）。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(shè)5-18桿與節(jié)點板的焊縫尺寸為：肢背hf=8mm，lw1=(0.6547.03103)/（20.78160）+16=33mm，取lw1=40m

25、m，肢尖hf=8mm，lw2=（0.3547.03103）/（20.78160）+16=25mm。取lw2=40mm。設(shè)焊縫高度hf=8mm，則所需要焊縫計算長度為：lw=（654.53103）/（40.78160）+16=199mm。取lw =210mm。拼接角鋼長度600mm2210=420mm。（2）上弦與節(jié)點板間的焊槽，假定承受節(jié)點荷載，驗算略。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(shè)肢尖焊縫hf=8mm，節(jié)點板長度為470mm，節(jié)點一側(cè)弦桿焊縫的計算長度為lw=470/2-5-10=220mm，焊縫應力為：fN=（0.15654.53103）/（20.78220）=4

26、0N/mm2，fM=（0.15654.53103556）/（20.782202）=60N/mm2， =63.4kN/mm2160kN/mm2中豎桿與節(jié)點板的連接焊縫計算：N=47.03KN此桿內(nèi)力較小，焊縫尺寸可按構(gòu)造確定，取焊縫尺寸hf=8 mm，焊縫長度lw50 mm，節(jié)點圖如下圖所示。4、下弦跨中5節(jié)點設(shè)計（1）下弦接頭設(shè)于跨中節(jié)點處，連接角鋼取與下弦桿相同截面216010010，焊縫高度hf=8mm，焊縫長度為：lw=（680.67103）/（40.78160）+16=206mm，取lw=210mm連接角鋼長度lw=2210+10=430mm，取lw=430mm下弦桿與節(jié)點板，斜桿與節(jié)

27、點板之間的連接焊縫按構(gòu)造設(shè)計。（2）弦桿與節(jié)點板連接焊計算：按下弦桿內(nèi)力的15%計算。N=680.6715%=102KN設(shè)肢背、肢尖焊肢尺寸為8 mm，弦桿一側(cè)需焊縫長度為肢背lw=（0.75102103）/（20.78160）+16=59mm，取80mm，肢尖lw=（0.25102103）/（20.78160）+16=30mm。取40mm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，節(jié)點圖如下圖所示。5、 支座1節(jié)點為了便于施焊，下弦桿角鋼水平肢的底面與支座底板的凈距離取160mm。在節(jié)點中心線上設(shè)置加勁肋。加勁肋取4608012mm，節(jié)點取46038014mm的鋼板。（1）支座底板的計