鋼結構課程設計 實例

1、目 錄第一部分 設計資料設計資料1第二部分 設計計算書一、屋架支撐系統的設置2二、桿件內力的計算 3 2.1 荷載的計算 4 2.2 荷載的組合 4 2.3 內力的計算. 6三、桿件截面設計8 3.1 節(jié)點板厚選擇. 8 3.2 上弦桿計算. 8 3.3 下弦桿計算.10 3.4 腹桿（斜腹桿、豎腹桿計算）. 11四、節(jié)點設計 17 4.1 下弦節(jié)點c設計. 17 4.2 上弦節(jié)點f設計. 19 4.3屋脊節(jié)點I設計. 21 4.4跨中下弦拼接點i設計. 22 4.5支座節(jié)點a設計. 23第三部分 附錄（程序計算）一、全跨各節(jié)點受單位力計算 261.1 輸入數據 261.2 輸出數據 28二、

2、左半跨各節(jié)點受單位力計算 302.1 輸入數據 302.2 輸出數據 32三、右半跨各節(jié)點受單位力計算343.1 輸入數據 343.2 輸出數據 36第一部分 設計資料梯形鋼屋架設計資料1. 某單層單跨工業(yè)廠房，跨度24m，長度102m。2. 廠房柱距6m，鋼筋混凝土柱，混凝土強度C20，上柱截面尺寸400x400mm，鋼屋架支承在柱頂。3. 吊車一臺50T，一臺20T，中級工作制橋式吊車（軟鉤），吊車平臺標高12.000m。4. 荷載標準值（1） 永久荷載 三氈四油（上鋪綠豆沙）防水層 0.4KN/m2 水泥砂漿找平層 0.3 KN/m2 保溫層 0.6 KN/m2 一氈二油隔氣層 0.05

3、 KN/m2 預應力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2 屋架（包括支撐）自重 0.12+0.011L=0.384 KN/m2（2） 可變荷載 屋面活載標準值 0.7 KN/m2 雪荷載標準值 0.35 KN/m2 積灰荷載標準值 0.3 KN/m25. 屋架結構形式、計算跨度及幾何尺寸見圖1(屋面坡度為1:10)。圖1 梯形屋架示意圖（單位: mm）6.鋼材選用Q235鋼，角鋼，鋼板各種規(guī)格齊全，有各種類型的焊條和C級螺栓可供選用。7.鋼屋架的制造、運輸和安裝條件：在金屬結構廠制造，運往工地安裝，最大 運輸長度16m，運輸高度3.85m，工地有足夠的起重安裝設備。第二部分 設計計算書1、 屋

4、架支撐系統的設置屋架支撐（為了保持平面屋架的幾何不變性而設置）的種類有橫向支撐、縱向支撐、垂直支撐和系桿。在本設計中，屋架支撐系統設計如下：1.1 廠房柱距6m,屋架間距取為6米。1.2 在房屋兩端第一個柱間各設置一道上弦平面橫向支撐和下弦平面橫向支撐。房屋長度較大，為102m，其兩端橫向支撐間距超過了60m，為增加屋蓋的剛性，在長度方向正中間的柱間加設一道橫向支撐。1.3 房屋是廠房，且廠房內有吊車，高度較高，對房屋整體剛度的要求較高，設置縱向支撐，對梯形屋架，縱向支撐設置在屋架的下弦平面。1.4 在屋架中和兩端各布置一道垂直支撐。垂直支撐的形式根據高度與柱距的比值確定。在此屋架結構中，h/

5、l=3085/6000=0.51，故取如下圖垂直支撐形式：垂直支撐圖樣1.5 在屋架上弦平面，屋架跨中和兩端各布置一道通長的剛性系桿，其他結點設通長的柔性系桿；下弦平面，僅在跨中和兩端布置通長的柔性系桿。屋架支撐系統設置如圖2所示。梯形屋架支撐布置圖1垂直支撐；2系桿；3上弦橫向支撐；4下弦橫向支撐；5下弦縱向支撐二、桿件內力的計算:先定出屋架所有桿件的尺寸，畫出屋架示意圖如圖3：屋架幾何尺寸圖2.1 荷載計算按屋面做法，已知各荷載標準值算出各荷載的設計值：對于永久性荷載，按公式 荷載設計值=1.2荷載標準值；對于可變荷載，按公式 荷載設計值=1.4荷載標準值。同時按屋面活載及雪荷載兩者中取大

6、值的原則，算出可變荷載的設計值。計算可列表1進行：序號荷載名稱標準值（KN/）設計值（KN/）備 注恒載1三氈四油（上鋪綠豆沙）防水層0.40.482水泥砂漿找平層0.30.363保溫層0.60.724一氈二油隔氣層0.050.065預應力混凝土大型屋面板1.41.686屋架（包括支撐）自重0.3840.4608q=0.12+0.011L（L=24m）永久荷載總重g3.1343.7608活載7屋面活載0.70.98屋面均布可變荷載和雪荷載，只取其較大者8雪荷載0.350.499積灰荷載0.30.42可變荷載總重p1.01.4取7、8中較大的值2.2 荷載組合內力組合的目的是求取各種不同荷載組合

7、下屋架桿件的最“不利”內力設計值。對于梯形屋架，滿跨荷載時可使弦桿的內力最大，而跨度中間的部分腹桿卻是半跨受荷載時使其內力最大，因而在梯形屋架的內力組合時通常應考慮三種組合：使用階段a.全跨永久荷載+全跨可變荷載 結點荷載設計值： a種荷載組合屋架受力圖b.全跨永久荷載+半跨可變荷載節(jié)點荷載設計值：全跨永久荷載半跨可變荷載 b種荷載組合屋架受力圖 其中風荷載不參與組合，因為屋架的屋面坡度通常都小于，此時屋面的風荷載一般為吸力。施工階段c.全跨屋架（包括支撐）自重+半跨屋面板+半跨活載 節(jié)點荷載設計值： c種荷載組合屋架受力圖2.3 內力計算本設計采用清華大學力學求解軟件計算桿件在單位節(jié)點力作用

8、下各桿件的內力系數，見下表（全跨和左半跨計算相關數據見附錄）。由表內三種組合可見：組合一，對桿件計算主要起控制作用；組合二和組合三，可能引起跨中幾根斜腹桿發(fā)生內力變號。如果施工過程中，在屋架兩側對稱均與鋪設面板，則可避免內力變號而不用組合三。桿件及節(jié)點編號：節(jié)點編號示意圖屋架節(jié)點編號，如下圖所示：節(jié)點編號圖示根據電算所得各荷載組合下桿件內力系數，即可求得其對應控制內力，結果見下表：屋架桿件內力組合表桿件名稱內力系數（P=1）第一種組合第二種組合第三種組合計算內力全跨左半跨右半跨P=46.4472kNP1=46.4472kNP1=31.8672kNP2=33.8472kNP2=4.1472kNP

9、P1P2P1P2P1P2P1P2KNKNKNKNKNKN上弦桿AB000000000BC-9.141-6.549-2.593-424.574-391.949-342.103-219.452-109.792-424.574CD-9.141-6.549-2.593-424.574-391.949-342.103-219.452-109.792-424.574DE-14.104-9.425-4.679-655.091-596.136-536.336-319.753-188.194-655.091EF-14.104-9.425-4.679-655.091-596.136-536.336-319.753

10、-188.194-655.091FG-15.833-9.516-6.316-735.399-655.77-615.45-329.442-240.738-735.399GH-15.833-9.516-6.316-735.399-655.77-615.45-329.442-240.738-735.399HI-15.27-7.635-7.635-709.249-613.048-613.048-274.97-274.97-709.249下弦桿ac4.9753.6631.312231.0748214.5436184.921122.170757.00096231.0748ce12.0458.363.685

11、559.4565513.0255454.1205281.6922152.1012559.4565eg15.2289.7115.517707.298637.7838584.9394332.3425216.0848707.2981gi15.7168.7416.975729.9642642.0792619.8276307.4779258.5244729.9642斜腹桿aB-9-6.627-2.373-418.025-388.125-334.525-221.025-103.104-418.025Bc6.9454.8082.137322.5758295.6496261.995162.080188.039

12、94322.5758cD-5.456-3.412-2.044-253.416-227.662-210.425-117.208-79.2868-253.416De3.681.8831.797170.9257148.2835147.199967.4584665.07454170.9257eF-2.412-0.672-1.74-112.031-90.1066-103.563-28.6309-58.2358-112.031Fg1.064-0.4891.55349.4198229.8520255.58122-9.1424647.4617855.58122gH0.0851.6-1.5153.9480122

13、3.03701-16.21244.70451-41.643344.70451Hi-1.145-2.5131.368-53.182-70.4188-21.5182-74.408933.17242-74.4089豎腹桿Aa-0.5-0.50-23.2236-23.2236-16.9236-15.9336-2.0736-23.2236Cc-1-10-46.4472-46.4472-33.8472-31.8672-4.1472-46.4472Ee-1-10-46.4472-46.4472-33.8472-31.8672-4.1472-46.4472Gg-1-10-46.4472-46.4472-33.

14、8472-31.8672-4.1472-46.4472Ii2.0391.0191.01994.7058481.8199981.8199936.6986736.6986794.70584三、桿件截面設計根據最新鋼結構規(guī)范GB500172003可知，對于板厚的軸心受壓構件，當為軋制角鋼時為b類截面，從而可以進行下面的查表計算處理。對單系腹桿（即無中間節(jié)點的腹桿），其上端與受壓弦桿相連，對其轉動約束影響不大，而其下端則與剛度較大的受拉弦桿相連，對其轉動約束的影響較大。根據理論分析，對其取。在桁架平面外，弦桿的計算長度取其側向支撐點的距離。側向支承點必須是桁架橫向支撐或垂直支撐的節(jié)點及與其用系桿相連的

15、各個節(jié)點。規(guī)范中還規(guī)定所有腹桿在平面外的計算長度都等于其各自的幾何長度，即。3.1、節(jié)點板厚選擇支座斜桿最大內力設計值N=-418.025KN，查鋼結構原理與設計課本表9.1（P412）：選取中間節(jié)點板厚t=10mm，支座結點板厚t=12mm。3.2、上弦桿（壓彎構件）整榀屋架上弦桿采用同一截面，免去不同截面桿件間的拼接。截面按受力最大的部位F-G-H節(jié)間選用，最大內力為：由屋面坡度1：10得屋面傾角：計算長度： 彎矩作用平面內 彎矩平面外（側向無支撐） 雖當時宜選用長邊外伸的兩不等邊角鋼，但壓彎構件又希望加大角鋼的豎邊尺寸，因而仍選用兩個等邊角鋼。設，查附表1.20（b類截面軸心受壓構件的穩(wěn)

16、定系數）得，則需要截面特性為： 因為F-G-H節(jié)間不是端部，故節(jié)點板厚度為10mm,由此查附表2.1得：選用212510等邊角鋼（見下圖）。截面特性為： 則： 由cm查附表1.20得，故 3.3 下弦桿（軸心受拉構件）整榀屋架下弦桿采用等截面。截面按受力最大的部位g-i節(jié)間選用，最大內力為： 計算長度：，（因下弦有縱向支撐和系桿）截面選擇：根據所需截面特性，查附表2.1選用21008010不等邊角鋼，且短肢相連。（見下圖）截面特性為: 截面驗算： 剛度驗算： 強度驗算： 故下弦桿滿足要求。3.4 腹桿（軸心受力構件）3.4.1 斜腹桿(1) 端斜桿aB計算內力：N=-418.025KN（壓桿）

17、計算長度：設，查附表1.20得，則需要截面積：截面選擇：選取等邊角鋼21107（端部節(jié)點板厚度為12mm）截面特性：截面驗算： 查附表1.20得：故端斜桿aB符合要求。(2) 斜腹桿Bc計算內力：N=322.576KN（拉桿）計算長度： 截面選擇：需要截面積選取2805截面特性：截面驗算： 剛度驗算： 強度驗算： (3) 斜腹桿cD計算內力：N=-253.42KN（壓桿）計算長度： 截面選擇：設，查附表1.20得，.則需要截面積：選取2808截面特性：截面驗算：剛度驗算： 由查附表1.20得： 穩(wěn)定性驗算：(4) 斜腹桿eF計算內力：N=-112.03KN（壓桿）計算長度： 截面選擇：設，查附

18、表1.20得，則需要截面積：選取2568截面特性：截面驗算： 由查附表1.20得： 3.4.2 豎腹桿豎腹桿Ii計算內力：N=94.701KN（拉桿）計算長度： 截面選擇：需要截面積選取2453截面特性：截面驗算： 其它幾根豎向腹桿的截面選擇可根據同樣的方法求算出來。3.5 桿件截面選擇列表上弦桿和下弦桿采用等截面通長桿，腹桿截面形式有多種截面形式。各桿件截面選擇表匯總如下表：桿件計算內力(KN)選取截面規(guī)格截面面積(cm2)計算長度(cm)回轉半徑(cm)長細比容許長細比穩(wěn)定系數應力名稱編號l0xl0yixiyxyN/mm2上弦桿FG/GH-735.3991251048.746150.730

19、1.53.855.5239.254.61500.833181.1下弦桿（拉桿）gi729.964100801034.3343003002.354.78127.762.76350-212.6腹桿豎腹桿Aa-23.2244535.3181901901.402.30135.782.61500.361121.0Cc-46.4474546.972174.8218.51.382.24126.797.51500.402165.7Ee-46.4474546.972198.8248.51.382.24144.1110.91500.329202.5Gg-46.4475648.78222.80278.501.732

20、.67128.79104.311500.391135.30Ii94.7064535.318246.8308.51.402.22176.3139.0350-178.1斜腹桿aB-418.025110730.3922442.12442.13.414.9371.650.01500.741213.6Bc322.57680515.824202.25252.812.483.6381.669.6350-203.9cD-253.41680824.606222.0277.52.443.6991.075.21500.614167.74De170.9264558.584222.0277.51.372.26162.1

21、122.1350-200.1eF-112.03156816.734242.56303.201.682.75144.4110.31500.328204.11Fg55.5814546.972242.56303.201.382.24219.71135.36350-79.72gH44.7054546.972263.69329.611.382.24191.08147.15350-64.119Hi-74.40975617.594263.69329.612.313.46114.1595.261500.47089.98四、節(jié)點設計選取下弦端節(jié)點及其下弦相鄰節(jié)點、跨中上弦與下弦節(jié)點、上弦典型受力位置節(jié)點（屋脊節(jié)

22、點）5個節(jié)點作為主要節(jié)點進行設計，采用E43焊條，角焊縫的抗拉、抗壓和剪切強度設計值=160N/mm,最小焊縫長度不應小于8和40mm，其余節(jié)點類同。其5個節(jié)點位置見下圖：4.1 下弦節(jié)點c圖4.1 下弦節(jié)點c先計算腹桿焊縫長度，然后定出節(jié)點板的形狀和尺寸，最后計算下弦桿與節(jié)點板之間的連接焊縫。(1) 斜桿Bc與節(jié)點板的連接焊縫計算角焊縫強度設計值，設焊縫 ，則焊縫所需長度：角鋼背計算長度： 實際長度：，取角鋼趾計算長度： 可實際長度：，取(2) 豎桿Cc與節(jié)點板的連接焊縫計算角焊縫強度設計值，設焊縫，則焊縫所需長度：角鋼背計算長度： 據構造要求取為48mm實際長度：，取角鋼趾計算長度： 據構

23、造要求取為48mm實際長度：，取(3) 斜桿cD與節(jié)點板的連接焊縫計算cD 桿焊縫計算 角焊縫強度設計值，設焊縫 ，則焊縫所需長度：角鋼背計算長度: 實際長度：，取角鋼趾計算長度： 實際長度：，取(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內力之差： N=559.46-231.07=328.39kN根據節(jié)點放樣，得節(jié)點板尺寸為400300mm。肢背焊縫驗算，設，4.2 上弦節(jié)點F圖4.2 上弦節(jié)點F (1) Fe桿焊縫計算， 角焊縫強度設計值，設焊縫 ，則焊縫所需長度：角鋼背計算長度:實際長度：，取角鋼趾計算長度： 據構造要求取為48mm實際長度：，取（2）Fg 桿焊縫計算， 角焊縫強度設計值，設焊縫 ，則焊縫所需長度：角鋼背計算長度: 據構造要求取為48mm實際長度：482+6=60，取角鋼趾計算長度： 據構造要求取為48mm實際長度：，取(3) 上弦桿焊縫驗算上弦桿與節(jié)點板連接焊縫承受兩相鄰內力之差：N=735.399-655.091=80.308kN根據節(jié)點放樣，得節(jié)點板尺寸為260230mm?？紤]擱置屋面板的需要，節(jié)點板縮進上弦肢背10mm，用槽焊縫連接，槽焊縫按兩條角焊縫計算，取。焊縫設計強度應乘以折減系數0.8,假定集中荷載P與上弦桿垂直，忽略屋架上弦坡度的