鋼結構設計原理課程設計

1、.淮 陰 工 學 院課程實訓 課程名稱： 鋼結構設計原理 專業(yè)層次： 土木工程（卓越）班 級： 土木1134班 姓 名： 馬惠冬 學 號： 1131401223 指導老師： 顧文虎、劉慧 2 0 1 5 年 1 1 月1、設計資料1）某廠房跨度為24m，總長90m，柱距6m，屋架下弦標高為18m。2）屋架鉸支于鋼筋混凝土柱頂，上柱截面400×400，混凝土強度等級為C30。3）屋面采用1.5×6m的預應力鋼筋混凝土大型屋面板（屋面板不考慮作為支撐用）。4）該車間所屬地區(qū)西安。5）采用梯形鋼屋架?？紤]靜載：預應力鋼筋混凝土屋面板（包括嵌縫）1400N/m2 二氈三油防水層 4

2、00N/m2 20mm厚水泥砂漿找平 400N/m2 支撐重量70N/m2考慮活載：活載 700N/m2 6）鋼材選用Q345鋼，焊條為E50型。2、屋架形式和幾何尺寸屋面材料為大型屋面板，故采用無檁體系平破梯形屋架。屋面坡度 i=1/10；屋架計算跨度L02400030023700mm；端部高度取H=1990mm，中部高度取H=3190mm（為L0/7.4）。屋架幾何尺寸如圖1所示：圖1：24米跨屋架幾何尺寸三、支撐布置由于房屋長度有6米，故在房屋兩端及中間設置上、下橫向水平支撐和屋架兩端及跨中三處設置垂直支撐。其他屋架則在垂直支撐處分別于上、下弦設置三道系桿，其中屋脊和兩支座處為剛性系桿，

3、其余三道為柔性系桿。4、設計屋架荷載屋面活荷載與雪荷載不會同時出現，從資料可知屋面活荷載大于雪荷載，故取屋面活荷載計算。由于風荷載為0.35kN/m2 小于0.49kN/m2，故不考慮風荷載的影響。沿屋面分布的永久荷載乘以1/cos=1+102/10=1.005換算為沿水平投影面分布的荷載。桁架沿水平投影面積分布的自重（包括支撐）按經驗公式（=0.12+0.011跨度）計算，跨度單位為m。標準永久荷載： 二氈三油防水層 1.005x0.40=0.402kN/m220mm厚水泥砂漿找平層 1.005x0.4=0.402kN/m2預應力混凝土大型屋面板（包括灌縫） 1.005x 1.4=1.407

4、kN/m2屋架和支撐自重為 0.07+0.12+0.011x24=0.454kN/m2保溫層 1.005x1=1.005N/m2 _共 3.67 kN/m2標準可變荷載：屋面活荷載 0.7kN/m2 _共 0.7 kN/m2考慮以下三種荷載組合 全跨永久荷載+全跨可變荷載 全跨永久荷載+半跨可變荷載 全跨桁架、天窗架和支撐自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載（1）全跨永久荷載+全跨可變荷載（按永久荷載效應控制的組合）全跨節(jié)點荷載設計值：F=(1.35x 3.67kN/m2+1.4x 0.7x0.7kN/m2 )x 1.5m X 6m=50.7645kN（2）全跨永久荷載+半跨可變荷載全跨永久荷

5、載設計值：對結構不利時：F1,1=1.35x3.67x1.5x6=44.5905KN（按永久荷載效應控制的組合）F1,2=1.2x3.67x1.5x6=39.636KN（按可變荷載效應控制的組合）對結構有利時：F1,3=1.0x3.67x1.5x6=33.03KN半跨可變荷載設計值：F2,1=1.4x(0.7x0.7)x1.5x6=6.174KN(按永久荷載為主的組合) F2,2=1.4x0.7x1.5x6=8.82KN(按可變荷載為主的組合)（3）全跨桁架包括支撐自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載（按可變荷載效應控制的組合） 全跨節(jié)點桁架自重設計值：對結構不利時：F3,1=1.2x0.45

6、4x1.5x6=4.9032KN對結構有利時：F3,2=1.0x0.454x1.5x6=4.086KN半跨節(jié)點屋面板自重及活荷載設計值：5、屋架桿件內力計算用圖解法先求出全垮和半跨單位節(jié)點荷載作用下的桿件內力系數，然后乘以實際的節(jié)點荷載，屋架在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，內力均達到最大，在第二種和第三種荷載作用下，靠跨中的斜腹桿的內力可能達到最大或發(fā)生變號。因此，在全垮荷載作用下所有桿件的內力均應計算，而在半跨荷載作用下僅需計算靠近跨中的斜腹桿內力。圖1：24米跨屋架全跨單位荷載作用下各桿件的內力值 圖2：24米跨屋架半跨單位荷載作用下各桿件的內力值計算結果列

7、于下表：桿件名稱內力系數（F=1）第一種組合F×第二種組合第三種組合計算桿件內力/KN全跨左半跨右半跨F1×+F2×F1×+F2×F3×+F4×F3×+F4×最大壓力最大拉力上弦AB000000000BD-8.72-6.25-2.47-442.666 -443.954 -410.615 -185.255 -94.762 -443.954 DF-13.53-9.04-4.49-686.844 -683.042 -642.911 -271.701 -162.774 -686.844 FH-15.26-9.17

8、-6.09-774.666 -761.330 -734.165 -281.882 -208.147 -774.666 下弦ac4.733.481.25240.116 241.607 221.938 102.638 49.252 241.607 ce11.538.03.53585.315 584.688 545.263 238.632 131.620 585.315 eg14.659.345.31743.700 735.630 700.085 283.460 186.981 743.700 斜腹桿aB-8.87-6.53-2.34-450.281 -453.112 -416.157 -192.5

9、71 -92.262 -453.112 Bc6.884.762.12349.260 348.766 325.481 142.066 78.864 349.260 Dc-5.44-3.14-2.03-276.159 -270.267 -260.477 -97.399 -70.826 -276.159 De3.701.91.8187.829 181.743 180.861 60.604 58.210 187.829 Fe-2.460.71-1.75-124.881 -103.430 -125.128 6.946 -51.947 -125.128 6.946 Fg1.11-0.451.5656.34

10、9 45.526 63.255 -6.238 41.882 -6.238 63.255 Hg0.021.55-1.531.015 14.563 -12.603 37.189 -36.546 -36.546 37.189 豎桿Aa-0.5-0.50-25.382 -26.705 -22.295 -14.013 -2.043 -26.705 Cc-1-10-50.765 -53.411 -44.591 -28.026 -4.086 -53.411 Ee-1-10-50.765 -53.411 -44.591 -28.026 -4.086 -53.411 Gg-1-10-50.765 -53.411

11、 -44.591 -28.026 -4.086 -53.411 6、桿件截面選擇上弦桿整個上弦桿采用等截面，按FH桿件的最大內力計算，即NFH=-774.666kN，上弦桿計算長度：在屋架平面內：為節(jié)間軸線長度，即l0x = l0=1.508m，在屋架平面外：本屋架為無檁體系，并且認為大型屋面板只起到剛性系桿作用，根據支持布置和內力變化情況，取l0y 為支撐點間的距離，即l0y =3×1.508=4.524m根據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。如圖所示。腹桿最大內力N= 349.260KN，查表9.6.4(書336頁），中間節(jié)點板厚度選用10mm，支

12、座節(jié)點板厚度選用12mm。設60，查Q235鋼的穩(wěn)定系數表，可得0.807，則需要的截面積為A=N/f=774.666×1000/0.807×215=4464.80505 mm2需要的回轉半徑：ixreq=l0x /1.508/ 60m=25.1mmiyreq=l0y /4.524/ 60m=75.4mm根據需要的A、ix 、iy 查角鋼規(guī)格表，選用2 L 160×100×12，肢背間距a10mm，則A = 60.11cm2，ix = 2.82cm，iy = 7.75cm，b1/t=160cm/12cm=13.33,按所選角鋼進行驗算：截面驗算： x=l

13、0x / ix=150.8/2.82=53.475150 （滿足）因為截面為單軸對稱，所以要換算長細比，用yz代替y yz=3.7=3.7× =53.543<=150 截面在x和y平面皆屬b類，由于x <yz ，只需求y。查附表4.2（書上407頁）,由于yzfy/235=53.543,y=0.840，則N /A=-774.666×103 /( 0.840×60.11×102）=-153.422N/mm2f=215 N/mm2（滿足）下弦桿整個下弦桿采用等截面，按最大內力所在的桿計算，Neg=743.700kN計算。l0x=300cm，l0y

14、= 1485cm。所需截面積Areq=N / f =743.700×103 /215 =3459.1mm2 查角鋼規(guī)格表，選用2 L160×100×10，因l0y l0x，故用不等肢角鋼，短肢相并。 肢背間距a10mm，則A = 50.63cm2，ix = 2.846cm，iy = 7.70cmx=l0x / ix=300 / 2.846=105.411350 (滿足)y=l0y / iy=1485 /7.70=192.857=350 (滿足)端斜桿 aB桿桿件軸力：N= -453.112kN，計算長度：l0x l0y2535mm，因為l0x l0y ，故用不等肢

15、角鋼，長肢相并，使ixiy 。 選用2L 140×90×10，則A=44.52cm2，ix=4.47cm，iy=3.74cm,b2/t=90/10=9x=l0x / ix=2535 /44.7 =56.711因為b2/t=9<0.48loy/b2=13.52所以 yz=y（1+）=75.324<=150因為y>x，只需求y ，查表得y = 0.764。N /A = -453.112 /（0.764×44.52×102 ）=-133.216N/mm2f=215 N/mm2（滿足）(4) 腹桿Bc桿件軸力：N= 349.260kN，計算長度

16、：l0x 208.64cm,l0y260.8cm， 選用2L 70×8，則A=21.4cm2，ix=2.12cm，iy=3.23cm,b/t=70/8=8.75x=l0x / ix=208.64 /2.12=98.415因為b/t=8.75<0.58loy/b=0.58×2608/70mm=21.609所以 yz=y（1+）=82.858<=350因為x>yz，只需求x ，查表得x= 0.565。N /A = 34926/（0.565×21.4×102 ）=28.886N/mm2f=215 N/mm2（滿足）Bc桿截面（2L 70

17、15;8）Dc桿件軸力：N= -276.159kN，計算長度：l0x 228.72cm,l0y285.9cm， 選用2L 70×8，則A=21.4cm2，ix=2.12cm，iy=3.23cm,b/t=70/8=8.75x=l0x / ix=228.72 /2.12=107.887因為b/t=8.75<0.58loy/b=0.58×2859/70mm=23.689所以 yz=y（1+）=90.444<=150因為x>yz，只需求x ，查表得x= 0.506。N /A =- 27615.9/（0.506×21.4×102 ）=25.503

18、N/mm2f=215 N/mm2（滿足）Dc桿截面（2L 70×8）De桿件軸力：N= 187.829kN，計算長度：l0x 228.72cm,l0y285.9cm， 選用2L 70×8，則A=21.4cm2，ix=2.12cm，iy=3.23cm,b/t=70/8=8.75x=l0x / ix=228.72 /2.12=107.887因為b/t=8.75<0.58loy/b=0.58×2859/70mm=23.689所以 yz=y（1+）=90.444<=350因為x>yz，只需求x ，查表得x= 0.506。N /A =18782.9/（0.

19、506×21.4×102 ）=17.350N/mm2f=215 N/mm2（滿足）De桿截面（2L 70×8）eF桿件軸力：N=-126.128kN，計算長度：l0x 250.32cm,l0y312.9cm， 選用2L 63×5，則A=12.28cm2，ix=1.94cm，iy=2.89cm,b/t=63/5=12.6x=l0x / ix=250.32 /1.94=129.031因為b/t=12.6<0.58loy/b=0.58×3129/63mm=28.81所以 yz=y（1+）=111.580<=150因為x>yz，只需求

20、x ，查表得x= 0.392。N /A =-12612.8/（0.392×12.28×102 ）=-26.202N/mm2f=215 N/mm2（滿足）eF桿截面Fg桿件軸力：N=-6.238kN，計算長度：l0x 249.52cm,l0y311.9cm， 選用2L 63×5，則A=12.28cm2，ix=1.94cm，iy=2.89cm,b/t=63/5=12.6x=l0x / ix=249.52 /1.94=128.619因為b/t=8.75<0.58loy/b=0.58×3119/63mm=28.714所以 yz=y（1+）=111.244&

21、lt;=150因為x>yz，只需求x ，查表得x= 0.394。N /A =-623.8/（0.394×12.28×102 ）=-1.289N/mm2f=215 N/mm2（滿足）Fg桿截面gH桿件軸力：N=-36.546kN，計算長度：l0x 271.68cm,l0y339.6cm， 選用2L 70×8，則A=12.28cm2，ix=1.94cm，iy=2.89cm,b/t=63/5=12.6x=l0x / ix=271.68 /1.94=140.041因為b/t=8.75<0.58loy/b=0.58×3396/63mm=31.265所以

22、 yz=y（1+）=120.558<=150因為x>yz，只需求x ，查表得x= 0.394。N /A =-3654.6/（0.394×12.28×102 ）=-7.553N/mm2f=215 N/mm2（滿足）gH桿截面(5)豎桿 Cc桿NCc= -53.411kN， l0x 0.8×229183.2cm，l0yl=229cm.宜按壓桿的容許長細比進行控制。內力較小，按150選擇，需要的回轉半徑為： ix=1.22cm; iy=1.53cm 查型鋼表，選ix,iy較上述計算的ix,iy略大些現選用2 63×5，查附表8，A2×6.

23、14=12.28cm2，ix1.94cm，iy=2.89cm，a=8mm,b/t=63mm/5mm=12.6x=l0x / ix=183.2 /1.94=94.433 150 (滿足)因為 b/t=12.6<0.58loy/b=0.58×2890mm/63mm=26.61所以 yz=y=83.761< 150 由于x>yz,，查表的x=0.592N /A=-53411/(0.592×12.28×102)=-73.470N/mm2<f=215 N/mm2（滿足）Cc桿截面設三塊墊板，ld183.2/4=45.840i40×2.299

24、1.6cm（i為2.29cm） Ee桿NEe= -53.411kN， l0x 0.8×259207.2cm，l0yl=259cm.宜按壓桿的容許長細比進行控制。內力較小，按150選擇，需要的回轉半徑為： ix=1.38cm; iy=1.73cm 查型鋼表，選ix,iy較上述計算的ix,iy略大些現選用2 63×5，查附表8，A2×6.14=12.28cm2，ix1.94cm，iy=2.89cm，a=8mm,b/t=63mm/5mm=12.6x=l0x / ix=207.2 /1.94=106.804 150 (滿足)因為 b/t=12.6<0.58loy/b

25、=0.58×2890mm/63mm=26.61所以 yz=y=93.618< 150 由于x>yz,，查表的x=0.510N /A=-53411/(0.510×12.28×102)=-85.283N/mm2<f=215 N/mm2（滿足） Ee桿截面設三塊墊板，ld207.2/4=51.840i40×2.59103.6cm（i為2.59cm） Gg桿NGg= -53.411kN， l0x 0.8×289231.2cm，l0yl=289cm.宜按壓桿的容許長細比進行控制。內力較小，按150選擇，需要的回轉半徑為： ix=1.54

26、cm; iy=1.93cm 查型鋼表，選ix,iy較上述計算的ix,iy略大些現選用2 63×5，查附表8，A2×6.14=12.28cm2，ix1.94cm，iy=2.89cm，a=8mm,b/t=63mm/5mm=12.6x=l0x / ix=231.2 /1.94=119.175 150 (滿足)因為 b/t=12.6<0.58loy/b=0.58×2890mm/63mm=26.61所以 yz=y=103.583< 150 由于x>yz,，查表的x=0.443N /A=-53411/(0.443×12.28×102)=-

27、98.181N/mm2<f=215 N/mm2（滿足）Gg桿截面設三塊墊板，ld231.2/4=57.840i40×2.89115.6cm（i為2.89cm）Aa桿NAa= -26.705KN, l0x l0y=199cm, 選用2 63×5，查附表，A2×6.14=12.28cm2，ix1.94cm，iy=2.89cm，a=8mm,b/t=63mm/5mm=12.6x=l0x / ix=199 /1.94=102.577 150 (滿足)因為 b/t=12.6<0.58loy/b=0.58×2890mm/63mm=26.61所以 yz=y=

28、74.062< 150 由于x>yz,，查表的x=0.538N /A=-26705/(0.538×12.28×102)=-40.421N/mm2<f=215 N/mm2（滿足）Aa桿截面設兩塊墊板，ld199/3=66.340i40×2.89115.6cm（i為2.89cm）其他桿截面見下表，選用時一般腹桿按2 70×8，豎桿選2 63×5 不等肢角鋼長肢相并的T型截面，腹桿采用兩個等肢角鋼組成的T型截面。:21桿件 名稱內力（kN）計算長度（cm）截面形式和規(guī)格截面面積（cm2）回轉半徑（cm）長細比容許長細比穩(wěn)定系數min

29、計算應力（N/mm2）l0xl0yixiyxy yz上弦桿FH-774.666150.8452.42L160×100×1260.112.827.7553.47553.5431500.840-153.422下弦eg743.700 30014852L160×100×1050.632.8467.70105.411192.857350斜桿aB-453.112 253.5253.52L140×90×1044.524.473.7456.71175.3241500.764-133.216Bc349.260208.64260.82L70×8

30、21.42.123.2398.415 82.858 3500.56528.886Dc-276.159 228.72285.92L70×821.42.123.23107.887 90.444 1500.506-25.503De187.829 228.72285.92L70×821.42.123.23107.887 90.4443500.50617.350eF-126.128250.32312.92L63×512.281.942.89129.031 111.580 1500.392-26.202Fg-6.238249.52311.92L63×512.281.

31、942.89128.619 111.244 1500.394-1.289gH-36.546 271.68339.62L63×512.281.942.89140.041 120.558 1500.345-7.533豎桿Aa-26.7051991992L63×512.281.942.89102.57774.0621500.538-40.421Cc-53.411183.22292L63×512.281.942.8994.43383.761 1500.592-73.470Ee-53.411207.22592L63×512.281.942.89106.804 93

32、.618 1500.510-85.283Gg-53.441231.22892L63×512.281.942.89119.175 103.583 1500.443-98.181屋架桿件截面選擇表注：上弦桿和下弦桿采用的是不等肢角鋼短肢相并的T型截面形式，支座斜桿桿采用的是不等肢角鋼短肢相并的T型截面形式7、節(jié)點設計在確定節(jié)點板的形狀和尺寸時，需要斜腹桿與節(jié)點板間連接焊縫的長度。先算出各腹桿桿端需要的焊縫尺寸。其計算公式為：角鋼肢背所需焊縫長度：角鋼肢尖所需焊縫長度：如腹桿aB，設計桿力N-453.112kN，設肢背與肢尖的焊腳尺寸各為hf18mm，hf26mm。因aB桿系不等邊，角鋼與

33、長肢相連，故K12/3，K21/3。則：l1(0.667×453.112×103)/(2×0.7×8×160)+2×8=185mm 取l1180mml2(0.333×453.112×103)/(2×0.7×6×160)+12=124mm 取l2120mm如腹桿BC，設計桿力N-276.159kN， hf=4.24,hf1.2t=1.2×8=9.6,所以選肢背與肢尖的焊腳尺寸各為hf16mm，hf25mm。因aB桿系不等邊，角鋼與長肢相連，故K12/3，K21/3。則：l1(0

34、.667×276.159×103)/(2×0.7×6×160)+2×6=137mm 取l1140mml2(0.333×276.159×103)/(2×0.7×5×160)+10=92mm 取l290mm如腹桿CD,設計桿力N187.829kN，hf=4.24,hf1.2t=1.2×8=9.6,所以選肢背與肢尖的焊腳尺寸各為hf16mm，hf25mm。因CD桿系不等邊，角鋼與長肢相連，故K12/3，K21/3。則：l1(0.667×187.829×103)/

35、(2×0.7×6×160)+2×6=105mm 取l1110mml2(0.333×187.829×103)/(2×0.7×5×160)+10=66mm 取l270mm如腹桿De，設計桿力N-126.128kN，hf=4.24,hf1.2t=1.2×8=9.6,所以選肢背與肢尖的焊腳尺寸各為hf16mm，hf25mm。因De桿系不等邊，角鋼與長肢相連，故K12/3，K21/3。則：l1(0.667×126.128×103)/(2×0.7×6×160

36、)+2×6=75mm 取l180mml2(0.333×126.128×103)/(2×0.7×5×160)+10=48mm 取l250mm其它腹桿所需焊縫長度的計算結果見下表。未列入表中的腹桿均因桿力很小，可按構造取肢尖: hfmm，l18hf+108×5+1050 mm 肢背：hf6mm, l28hf+108×6+10=58mm,取l260 mm 腹桿焊縫尺寸：桿件 名稱設計內力（kN）肢背焊縫肢尖焊縫l1（mm）hf（mm）l2（mm）hf（mm）aB-453.1121808120 6Bc349.2601406

37、905cD-276.159 1106705De187.829806505表中1l、12為取整后數值1、下弦節(jié)點“c”按表3所列Bc、cD桿所需焊縫長度，按比例繪制節(jié)點詳圖，從而確定節(jié)點板的形狀和尺寸。由圖中量出下弦與節(jié)點板的焊縫長度為325mm，焊腳尺寸hf6mm，焊縫承受節(jié)點左、右弦桿的內力差NNac-Nce205.29-500.42-295.13kN。驗算肢背焊縫的強度：fK1N/(2×0.7×helw)=(0.667×295.13)×103/2×0.7×6×(325-12)=74.87 N/mm2<fwf=160N/mm2（滿足）2上弦結點“B” 按表3所列腹桿Ba、cB所需焊縫長度，確定節(jié)點板形狀和尺寸。采用塞焊，結點板伸出上弦肢背8mm，量得上弦與節(jié)點板的焊