鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)例題

1、一、 課程設(shè)計(jì)名稱梯形鋼屋架設(shè)計(jì)二、 課程設(shè)計(jì)資料北京地區(qū)某金工車間，采用無檁屋蓋體系，梯形鋼屋架?？缍葹?7m，柱距6m，廠房高度為15.7m，長度為156m。車間內(nèi)設(shè)有兩臺(tái)200/50kN中級(jí)工作制吊車，計(jì)算溫度高于-20。采用三氈四油，上鋪小石子防水屋面，水泥砂漿找平層，厚泡沫混凝土保溫層，1.5m×6m預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板。屋面積灰荷載為0.4kN/，屋面活荷載為0.4kN/，雪荷載為0.4kN/，風(fēng)荷載為0.45 kN/。屋架鉸支在鋼筋混凝土柱上，柱截面為400mm×400mm，混凝土標(biāo)號(hào)為C20。設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值見表1（單位：kN/）。表1防水層找平層保溫層找平

2、層混凝土屋面板0.40.40.10.51.4三、 鋼材和焊條的選用根據(jù)北京地區(qū)的計(jì)算溫度、荷載性質(zhì)和連接方法，屋架剛材采用 Q235沸騰鋼，要求保證屈服強(qiáng)度 fy、抗拉強(qiáng)度 fu、伸長率和冷彎實(shí)驗(yàn)四項(xiàng)機(jī)械性能及硫（S）、磷（P）、碳（C）三項(xiàng)化學(xué)成分的合格含量。焊條采用 E43型，手工焊。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取：。跨中高度：。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，

3、屋架幾何尺寸如圖 1 所示。圖1：27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 5.5m 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（圖2），安裝螺栓采用 C 級(jí)，螺桿直徑：d=20mm，螺孔直徑：d0=21.5mm。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)，

4、取較大的荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算。故取屋面活荷載0.4kN/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,荷載計(jì)算結(jié)果見表1。表 1 荷 載 計(jì) 算 表荷載名稱標(biāo)準(zhǔn)值（kN/）設(shè)計(jì)值（kN/）預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板1.41.4×1.21.68三氈四油上鋪小石子防水層0.40.4×1.20.48水泥砂漿找平層0.40.4×1.20.48厚泡沫混凝土保溫層0.10.1×1.20.12找平層0.50.5×1.20.6屋架和支撐自重0.12+0.011×27=0.4170.417×1.20.50永久荷載

5、總和3.2173.86屋面活荷載0.40.4×1.40.56積灰荷載0.40.4×1.40.56可變荷載總和0.81.12設(shè)計(jì)屋架時(shí)應(yīng)考慮以下三種荷載組合情況：6.1.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：6.2.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：6.3.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：6.1、6.2為使用節(jié)點(diǎn)荷載情況，6.3為施工階段荷載情況。七、 內(nèi)力計(jì)算由圖解法或數(shù)解法解得F1的屋架各桿件的內(nèi)力系數(shù)（F1作用于全跨、左半跨和右半跨）。然后求出各種

6、荷載情況下的內(nèi)力進(jìn)行組合，計(jì)算結(jié)果見表2。表2 屋架桿件內(nèi)力組合表?xiàng)U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-9.97-7.19-2.79-446.9 -418.8 -374.5 -120.4 -74.2 -446.9 CD-9.97-7.19-2.79-446.9 -418.8 -374.5 -120.4 -74.2 -446.9 DE-15.

7、8-10.75-5.06-708.2 -657.3 -599.9 -184.0 -124.2 -708.2 EF-16.38-11.33-5.06-734.2 -683.2 -620.0 -192.7 -126.8 -734.2 FG-16.38-11.33-5.06-734.2 -683.2 -620.0 -192.7 -126.8 -734.2 GH-18.67-11.05-7.62-836.8 -760.0 -725.4 -200.0 -164.0 -836.8 HI-19.17-11.05-7.62-859.2 -777.3 -742.8 -202.3 -166.3 -859.2 IJ

8、-19.17-11.54-7.62-859.2 -782.3 -742.8 -207.4 -166.3 -859.2 下弦ab5.363.961.41240.2 226.1 200.4 65.7 38.9 240.2 bc13.319.343.97596.6 556.5 502.4 158.0 101.6 596.6 cd18.2411.426.82817.5 748.8 702.4 202.0 153.7 817.5de17.818.98.9798.2 708.4 708.4 173.6 173.6 798.2斜腹桿aB-10.05-7.42-2.63-450.4 -423.9 -375.6

9、 -123.1 -72.8 -450.4Bb7.955.572.38356.3 332.3 300.2 94.3 60.8 356.3bD-6.47-4.18-2.29-290.0 -266.9 -247.9 -73.0 -53.2 -290Dc4.612.592.02206.6 186.3 180.5 47.9 42.0 206.6cf-3.5-1.01-2.49-156.9 -131.8 -146.7 -26.4 -41.9 -156.9fG-2.69-0.21-2.49-120.6 -95.6 -118.5 -14.3 -38.3 -120.6Ef0.730.73032.7 32.7 2

10、5.4 11.0 3.3 32.7Gd0.72-0.931.6632.3 15.6 41.7 -6.5 20.7 -6.541.7dg1.153.13-1.9751.5 71.5 20.1 38.0 -15.5 -15.571.5gJ1.893.87-1.9784.7 104.7 45.8 49.1 -12.2 -12.2104.7Hg0.670.67030.0 30.0 23.3 10.1 3.0 30豎桿Aa-0.5-0.50-22.4 -22.4 -17.4 -7.5 -2.3 -22.4Cb-1-10-44.8 -44.8 -34.7 -15.0 -4.5 -44.8Ec-1.5-1.

11、50-67.2 -67.2 -52.1 -22.5 -6.8 -67.2Ff-1-10-44.8 -44.8 -34.7 -15.0 -4.5 -44.8Hd-1.5-1.50-67.2 -67.2 -52.1 -22.5 -6.8 -67.2Ig-1-10-44.8 -44.8 -34.7 -15.0 -4.5 -44.8Je000000000八、 桿件設(shè)計(jì)8.1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-859.2kN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)

12、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-450.4kN，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2L160×100×10，肢背間距a12mm，則A50.6，按所選角鋼進(jìn)行驗(yàn)算： ， 滿足長細(xì)比的要求。由于，只需求，查表0.818，則所選截面合適，上弦截面如圖所示：圖7：上弦截面8.2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=817.

13、5kN，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， ，所以滿足要求。下弦截面如圖：圖8.下弦截面8.3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)椋什捎玫戎卿?，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：圖9.端斜桿截面8.4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.

14、52， 由于，只需求。查表0.458，則:再分腹桿截面如圖：圖9：再分腹桿截面8.5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：圖10：豎桿截面其余各桿件的截面選擇結(jié)果見表3。表3 屋 架 桿 件 截 面 選 擇 表名稱桿件編號(hào)內(nèi)力/kN計(jì)算長度/cm截面規(guī)格截面面積/回轉(zhuǎn)半徑/cm長細(xì)比容許長細(xì)比穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算應(yīng)力上弦HI、IJ-859.2150.8452.2160×100×1050.62.857.7852.958.1

15、1500.818207.6下弦cd817.54501335160×100×1050.62.857.78157.9171.63500.246161.6腹桿aB-450.4253253100×1038.523.054.6083.055.01500.668175.0Bb356.3262.2262.2100×1038.523.054.6085.957.01500.648142.7bD-290287.3287.3100×1038.523.054.6094.262.51500.594126.7Dc206.6287.3287.3100×1038.5

16、23.054.6094.262.51500.59490.3cf-156.9208.7393.3110×1045.523.385.00115.978.651500.45872.3fG-120.6208.7393.3110×1045.523.385.00115.978.651500.45857.85Ef32.718918963×512.291.943.0497.462.21500.57546.3Gd-6.541.7326.5326.563×512.291.943.04168.3107.41500.254133.6dg-15.571.5224.9425.963

17、×512.291.943.04115.9140.11500.34185.2gJ-12.2104.7224.9425.963×512.291.943.04115.9140.11500.34185.2Hg30203.5203.563×512.291.943.04104.966.91500.52346.67豎桿Aa-22.4161.2201.563×512.291.943.0483.166.31500.66827.3Cb-44.818423063×512.291.943.0494.875.71500.58862.0Ec-67.220826063

18、15;512.291.943.04107.285.51500.511107.0Ff-44.810413063×512.291.943.0453.642.81500.83843.5Hd-67.224430563×512.291.943.04125.8100.31500.406134.7Ig-44.8122152.563×512.291.943.0462.950.21500.79146.1九、 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。9.1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) bD桿的肢背和肢尖焊縫

19、 ，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（見圖11），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-Nab596.6-240.2356.4kN。驗(yàn)算肢背焊縫的強(qiáng)度：圖11：下弦節(jié)點(diǎn)“b”9.2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=-450.4kN。設(shè) “aB”桿的肢背與肢尖的焊腳尺寸分別為10mm和6mm。所需焊縫長

20、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:圖12：上弦節(jié)點(diǎn)“B”9.3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)的焊縫長度

21、可按弦桿內(nèi)力計(jì)算。N=-859.2kN。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>2×260=520mm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”9.4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。弦桿與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫計(jì)算：按下弦桿內(nèi)力的15%計(jì)

22、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，取焊縫長度50mm，取=60mm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。焊縫強(qiáng)度滿足要求。節(jié)點(diǎn)形式如圖:圖13：下弦跨中節(jié)點(diǎn)“e”9.5端部支座節(jié)點(diǎn)“a”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(diǎn)中心線上設(shè)置加勁肋，加勁肋的高度與節(jié)點(diǎn)板的高度相等，厚度14mm。（1）支座底板的計(jì)算 支座反力： 設(shè)支座底板的平面尺寸采用，如僅考慮有加勁肋部分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：式中：混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)C20混凝土