鋼結(jié)構(gòu)最終設(shè)計(jì)

1、一、 題目：27m 90m跨廠房普通鋼屋架設(shè)計(jì)二、課程設(shè)計(jì)目的通過鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步了解鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)布置、受力特點(diǎn)和構(gòu)造要求等；綜合應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的材料、連接和基本構(gòu)件的基本理論、基本知識(shí)，進(jìn)行鋼屋架的設(shè)計(jì)計(jì)算。三、課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)資料某車間跨度為27m，廠房總長度90m，柱距6m，車間內(nèi)設(shè)有兩臺(tái)300/50kN中級(jí)工作制吊車，工作溫度高于-20，無侵蝕性介質(zhì)，地震設(shè)防烈度為6度，屋架下弦標(biāo)高為12.5m；采用1.5×6 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土大型屋面板，級(jí)防水，卷材屋面，屋架采用梯形鋼桁架，兩端鉸支在鋼筋混凝土柱上，混凝土柱上柱截面尺寸為400×400mm；屋面積灰荷載

2、為0.4kN/，屋面活荷載為0.6kN/，雪荷載為0.4kN/，風(fēng)荷載為0.45 kN/?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C25，屋架采用的鋼材為Q235B鋼，焊條為E43型。四、屋架形式和幾何尺寸屋面材料為預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板，采用無檁屋蓋體系，平坡梯形鋼屋 架。屋面坡度 屋架計(jì)算跨度屋架端部高度?。??？缰懈叨龋?。屋架高跨比：。屋架跨中起拱取50 mm。為了使屋架節(jié)點(diǎn)受荷,配合屋面板1.5m寬，腹桿體系大部分采用下弦節(jié)間水平尺寸為3.0m的人字形式，上弦節(jié)間水平尺寸為 1.5m，屋架幾何尺寸如下圖所示。 27米跨屋架幾何尺寸27米跨屋架幾何尺寸五、屋蓋支撐布置 根據(jù)車間長度、跨度及荷載情況，在車間兩端 5

3、.5m 開間內(nèi)布置上下弦橫向水平支撐，在設(shè)置橫向水平支撐的同一開間的屋架兩端及跨中布置三道豎向支撐，中間各個(gè)屋架用系桿聯(lián)系，在屋架兩端和中央的上、下弦設(shè)三道通長系桿，其中：上弦屋脊節(jié)點(diǎn)處及屋架支座出的系桿為剛性系桿。 屋架支撐布置圖 符號(hào)說明：GWJ-（鋼屋架）；SC-（上弦支撐）：XC-（下弦支撐）； CC-（垂直支撐）；GG-（剛性系桿）；LG-（柔性系桿） 六、荷載計(jì)算屋面活荷載與雪荷載不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，計(jì)算時(shí)，取較大的荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，故取屋面活荷載0.7kN/進(jìn)行計(jì)算。屋架沿水平投影面積分布的自重（包括支撐）按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，跨度L單位為m。(1)永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值（荷載一） 改性瀝青防水層

4、 0.4kN/m2 20厚1:2.5水泥砂漿找平層 0.4kN/m2 80厚泡沫混凝土保溫層0.48kN/m2 預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板（包括灌縫）1.4kN/m2 懸掛管道 0.10N/m2 屋架和支撐自重為 （0.120+0.011L）kN/m2 總計(jì) 3.197kN/(2)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值 基本風(fēng)壓： 0.35kN/m2 基本雪壓：（不與活荷載同時(shí)考慮） 0.45kN/m2 積灰荷載 0.6kN/m2 不上人屋面活荷載 0.7kN/m2 （可變荷載可按水平投影面積計(jì)算） 永久荷載設(shè)計(jì)值 1.2×3.197=3.8364 kN/（由可變荷載控制） 可變荷載設(shè)計(jì)值 1.4×(

5、0.6+0.7)=1.82kN/ (3)荷載組合 設(shè)計(jì)屋架時(shí)應(yīng)考慮以下三種荷載組合情況： 組合一 全跨永久荷載 + 全跨可變荷載 全跨節(jié)點(diǎn)永久荷載及可變荷載： 組合二 全跨永久荷載 + 半跨可變荷載 全跨節(jié)點(diǎn)永久荷載： 半跨節(jié)點(diǎn)可變荷載： 組合三 全跨屋架（包括支撐）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載 全跨節(jié)點(diǎn)屋架自重： 半跨節(jié)點(diǎn)屋面板自重及活荷載：組合一，組合二為使用階段荷載情況，組合三為施工階段荷載情況。七、內(nèi)力計(jì)算 由電算法先解得F=1的桁架各桿的內(nèi)力系數(shù)（F=1作用于全跨，左半垮和右半跨），然后求出各種荷載情況下的內(nèi)力進(jìn)行組合，計(jì)算結(jié)果見表一。表內(nèi)三種組合：組合一，對(duì)桿件計(jì)算主要起控

6、制作用；組合三，可能引起中間幾根斜腹桿發(fā)生內(nèi)力變號(hào)。如果施工過程中，在屋架兩側(cè)對(duì)稱均勻鋪設(shè)面板，則可避免內(nèi)力變號(hào)而不用組合三。 表一 屋架桿件內(nèi)力組合表 桿件名稱內(nèi)力系數(shù)（F=1）內(nèi)力組合值計(jì)算桿內(nèi)力(kN)全跨左半跨右半跨第一種組合F×第二種組合第三種組合F1×+ F2×F1×+ F2×F3×+ F4×F3×+ F4×上弦AB000000000.0 BC-9.97-7.19-2.79-507.6 -462.0 -390.0-217.0 -111.7 -507.6 CD-9.97-7.19-2.79-50

7、7.6 -462.0 -390.0 -217.0 -111.7 -507.6 DE-15.8-10.75-5.06-804.4 -721.7 -628.5-324.1 -192.2 -804.4 EF-16.38-11.33-5.06-833.9 -751.2-648.5-345.0 -194.9 -833.9 FG-16.38-11.33-5.06-833.9 -751.2-648.5 -345.0 -194.9-833.9 GH-18.67-11.05-7.62-848.7 -833.0-769.5 -348.6 -266.4 -848.7 HI-19.17-11.05-7.62-975.

8、9 -850.3 -786.8 -350.8 -268.7-975.9 IJ-19.17-11.54-7.62-975.9 -851.0-786.8 -362.5 -268.7-975.9 下弦ab5.363.961.41272.9 249.9 208.2 118.9 57.9 272.9 bc13.319.343.97677.6 612.6 524.6 283.5 154.9 677.6 cd18.2411.426.82928.6 816.9 741.6 355.5 245.4 928.6 de17.818.98.9906.7 760.8 760.8 293.2 293.2 906.7 斜腹

9、桿aB-10.05-7.42-2.63-511.6 -468.6-390.1 -222.9 -108.2 -511.6 Bb7.955.572.38404.7 365.8 313.5 169.1 92.8 404.7 bD-6.47-4.18-2.29-329.4 -291.9-260.9-129.2 -83.9 -329.4 Dc4.612.592.02234.7201.6 192.3 82.7 69.1 234.7cf-3.5-1.01-2.49-178.2 -137.4-161.6 -39.9 -75.4 -178.2 fG-2.69-0.21-2.49-136.9 -96.3 -133

10、.7-17.1 -71.7 -136.9 Ef0.730.73037.237.2 25.2 20.8 3.3 37.2 Gd0.72-0.931.6636.7 9.6 52.1 -19.0 43.0 -19.052.1dg1.153.13-1.9758.591.0 7.4 80.1 -42.0 -42.091.0gJ1.893.87-1.9796.2 128.7 33.0 101.2 -38.7 -38.7128.7Hg0.670.67034.1 34.1 23.1 19.1 3.0 34.1豎桿Aa-0.5-0.50-25.5 -25.5 -17.3 -14.22 -2.3 -25.5Cb-

11、1-10-50.91 -50.91 -34.5 -28.4 -4.5 -50.91Ec-1.5-1.50-76.4 -76.4 -51.8 -42.7 -6.8 -76.4 Ff-1-10-50.91 -50.9-34.5 -28.4 -4.5 -50.91 Hd-1.5-1.50-76.4 -76.4 -51.8 -42.7 -6.8 -76.4 Ig-1-10-50.91 -50.9 -34.5 -28.4 -4.5 -50.91 Je000000000 注：表內(nèi)負(fù)責(zé)表示壓力；正值表示拉力 八、桿件設(shè)計(jì)1.上弦桿 整個(gè)上弦采用等截面，按HI、IJ桿件的最大設(shè)計(jì)內(nèi)力設(shè)計(jì)。 N-975.9kN

12、 上弦桿計(jì)算長度： 在屋架平面內(nèi)：為節(jié)間軸線長度 在屋架平面外：本屋架為無檁體系，并且認(rèn)為大型屋面板只起到剛性系桿作用，根據(jù)支撐布置和內(nèi)力變化情況，取為支撐點(diǎn)間的距離，即 根據(jù)屋架平面外上弦桿的計(jì)算長度，上弦截面選用兩個(gè)不等肢角鋼，短肢相并。 腹桿最大內(nèi)力N-511.6 kN，查表得，中間節(jié)點(diǎn)板厚度選用12mm，支座節(jié)點(diǎn)板厚度選用14mm。設(shè)，查Q235鋼的穩(wěn)定系數(shù)表，可得（由雙角鋼組成的T型和十字形截面均屬于b類），則需要的截面積：需要的回轉(zhuǎn)半徑： 根據(jù)需要A、查角鋼規(guī)格表，選用2L160×100×12，肢背間距a12mm，則A60.1，按所選角鋼進(jìn)行驗(yàn)算： 滿足長細(xì)比的

13、要求。由于，只需求，查表0.819，則所選截面合適，上弦截面如圖所示： 2.下弦桿 整個(gè)下弦桿采用同一截面，按最大內(nèi)力所在的cd桿計(jì)算。N=928.6kN， 所需截面積為（因跨中有通長系桿）: 選用2L160×100×10，因故用不等肢角鋼，短肢相并。 A50.6， ，故所選截面合適。 下弦截面如圖： 3.斜桿按端斜桿aB最大設(shè)計(jì)內(nèi)力設(shè)計(jì)。桿件軸力： 計(jì)算長度： 因?yàn)?，故采用等肢角鋼，使。選用2L100×10。則:A38.52， 由于，只需求。查表0.668，則:，故所選截面合適。 端斜桿截面如圖： 4.腹桿腹桿cf-fG在f節(jié)點(diǎn)處不斷開，采用通長桿件。,再分式桁

14、架中的斜腹桿，在桁架平面內(nèi)的計(jì)算長度取節(jié)點(diǎn)中心間距 ，在桁架平面外的計(jì)算長度：選用2L110×10，查角鋼規(guī)格表得A45.52， 由于，只需求。查表0.697，則: 再分腹桿截面如圖：5.豎桿Hd， 由于桿件內(nèi)力較小，按選擇，需要的回轉(zhuǎn)半徑為，查型鋼表，選截面的和較上述計(jì)算的和略大些。選用2L63×5，其 幾何特性為：A12.29， 由于，只需求。查表0.406，則:豎桿截面如圖：其余各桿件的截面選擇結(jié)果見表二。 九、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 采用E43 焊條時(shí)，角焊縫的抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。 1.下弦節(jié)點(diǎn)“b”設(shè) bB 桿的肢背和肢尖焊縫 ，所需焊縫長度為：肢背：肢尖：取，。 設(shè)

15、bD桿的肢背和肢尖焊縫 ，所需焊縫長度為：肢背：肢尖：取，。bC桿的內(nèi)力很小，焊縫尺寸可按構(gòu)造確定，取。根據(jù)以上求得的焊縫長度，并考慮桿件之間的間隙以及制作、裝配等誤差，按比例作出節(jié)點(diǎn)詳圖（下弦節(jié)點(diǎn)b圖），從而確定節(jié)點(diǎn)板的尺寸為280×340mm。下弦與節(jié)點(diǎn)板連接到焊縫長度為340mm，焊縫承受節(jié)點(diǎn)左、右弦桿的內(nèi)力差NNbc-Nab677.6-272.9404.7kN。驗(yàn)算肢背焊縫的強(qiáng)度：下弦節(jié)點(diǎn)b如圖： 2.上弦節(jié)點(diǎn)“B”斜桿Bb與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫計(jì)算，與下弦節(jié)點(diǎn)b中Bb桿計(jì)算相同。斜桿Ba與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫計(jì)算：N=-511.6kN。 設(shè) “aB”桿的肢背與肢尖的焊腳尺寸分別為10m

16、m和6mm。所需焊縫長度為： 肢背： 肢尖： 取，。為了便于在上弦上擱置大型屋面板，上弦節(jié)點(diǎn)板的上邊緣可縮進(jìn)上弦肢背8mm。用槽焊縫將上弦角鋼和節(jié)點(diǎn)板連接起來。槽焊縫作為兩條角焊縫計(jì)算，槽焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以0.8的折減系數(shù)。計(jì)算時(shí)可略去屋架上弦坡度的影響，而假定集中荷載P與上弦垂直。上弦肢背槽焊縫內(nèi)的應(yīng)力由下面計(jì)算得到：肢尖焊縫承擔(dān)弦桿內(nèi)力，肢背采用塞焊縫，承受節(jié)點(diǎn)荷載。上弦與節(jié)點(diǎn)板間焊縫長度為460mm，則節(jié)點(diǎn)如圖: 3.屋脊節(jié)點(diǎn)“J” 弦桿一般用與上弦桿同號(hào)角鋼進(jìn)行拼接，為使拼接角鋼與弦桿之間能夠密合，并便于施焊，需將拼接角鋼進(jìn)行切肢、切棱。拼接角鋼的這部分削弱可以靠節(jié)點(diǎn)板來補(bǔ)償。拼接一側(cè)

17、的焊縫長度可按弦桿內(nèi)力計(jì)算：N=-975.9kN。 設(shè)肢尖、肢背焊腳尺寸為 10mm。則需焊縫長度為 ,取拼接角鋼長度取 600>2×290=580mm 上弦與節(jié)點(diǎn)板間的槽焊，假定承受節(jié)點(diǎn)荷載，驗(yàn)算略。上弦肢尖與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫,應(yīng)按上弦內(nèi)力的15%計(jì)算。設(shè)肢尖焊縫,節(jié)點(diǎn)板長度為500mm，節(jié)點(diǎn)一側(cè)弦桿焊縫的計(jì)算長度為。焊縫應(yīng)力為：節(jié)點(diǎn)形式如圖:圖12：屋脊節(jié)點(diǎn)“J” 4.下弦跨中節(jié)點(diǎn)“e” 跨中起拱 50mm，下弦接頭設(shè)于跨中節(jié)點(diǎn)處，連接角鋼取與下弦桿相同截面2L160×100×10，焊縫長度：，取=300mm。拼接角鋼長度桿與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫計(jì)算：按下弦桿

18、內(nèi)力的15%計(jì)算, 設(shè)肢背、肢尖焊腳尺寸為8mm，弦桿一側(cè)需焊縫長度為 肢背：，取=90mm 肢尖，按構(gòu)造要求，焊縫長度50mm， 取=60mm焊縫強(qiáng)度滿足要求。節(jié)點(diǎn)板寬度是由連接豎桿的構(gòu)造要求所決定的，按比例繪出節(jié)點(diǎn)詳圖，從而確定節(jié)點(diǎn)板尺寸。節(jié)點(diǎn)形式如圖: 5.端部支座節(jié)點(diǎn)“a” (1)為便于施焊，下弦角鋼水平肢的底面與支座底板的距離一般不小于下弦伸出肢的寬度，故可取為160mm。在節(jié)點(diǎn)中心線上設(shè)置加勁肋，加勁肋的高度與節(jié)點(diǎn)板的高度相同，厚度同端部節(jié)點(diǎn)板為14mm。 支座底板計(jì)算：支座反力 取加勁肋的寬度為100mm，考慮底板上開孔，按構(gòu)造要求取底板尺寸為280mm 400mm，偏安全地取有

19、加勁肋部份的底板承受支座反力，則承壓面積為: 驗(yàn)算柱頂混凝土的抗壓強(qiáng)度： ,滿足要求。式中，為混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)C25混凝土， 支座底板的厚度按屋架反力作用下的彎矩計(jì)算，節(jié)點(diǎn)板和加勁肋將底板分為四塊，每塊板為兩相鄰邊支承而另兩相鄰邊自由的板，每塊板的單位寬度的最大彎矩為： 式中：底板下的平均應(yīng)力，即=7.38。 兩邊支承之間的對(duì)角線長度，即 系數(shù)，由查表確定。為兩邊支承的相交點(diǎn)到對(duì)角線的垂直距離。由相似三角形的關(guān)系，得 查表得0.0615。則單位寬度的最大彎矩為：底板厚度：，取t22mm所以底板尺寸為mm。（2）加勁肋與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫計(jì)算焊縫長度等于加勁肋高度，也等于節(jié)點(diǎn)板高度。每塊加勁肋近似的按承受R/4計(jì)算，R/4作用點(diǎn)到焊縫的距離為e（140-8)/266 mm。則焊縫所受