钢结构课程设计.docx

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钢结构课程设计

钢屋架设计计算

土木084何鹏2008011379

设计资料

1．车间基本参数

某公司因生产需要，拟在济南郊区建设一座单层单跨机加工车间（设计使用寿命50年），车间建筑平面、剖面见下图。

车间采用排架结构，下部为现浇钢筋混凝土柱及独立基础，上部采用钢屋架结构，屋架与排架柱铰接。

车间内设有一台A4工作制的软钩梁式吊车，屋架下弦距离牛腿顶面1.8m，轨道高度130mm。

混凝土排架柱采用实腹矩形柱;吊车梁可以采用T形或矩形钢筋混凝土吊车梁，也可以采用H形截面钢吊车梁（二选一），抗风柱为矩形截面钢筋混凝土柱。

车间屋面采用75mm厚彩色夹芯钢板，屋面檩条为卷边C型钢（C180×70×20×2.5），檩条间距约1.5m;车间四周围护墙采用240mm厚砖墙，内外各抹灰20mm厚，表面刷涂料;纵墙塑钢窗洞高为1.8m、宽为2.4m，共上下两层。

2、车间荷载、材料自重、抗震设防等级

①屋面活荷载标准值:

0.5kN/m2（不上人屋面，无积灰荷载）；

②基本风压：

0.45kN/m2；

③基本雪压：

0.30kN/m2；

④屋面75mm厚夹芯钢板及檩条自重标准值:

0.25kN/m2（按投影面积）；

⑤钢屋架及屋面支撑自重标准值（估算）：

0.35kN/m2（按投影面积）；

⑥钢筋混凝土自重25kN/m3；砖及抹灰自重20kN/m3；

回填土自重20kN/m3；

⑦抗震设防等级：

6度。

3、荷载组合

①钢屋架

为简化计算，屋面暂不考虑风荷载作用。

首先计算一榀典型简支屋架的内力系数，然后分别计算下述三种荷载标准值作用下的杆件内力：

全跨永久荷载、全跨屋面活荷载、半跨屋面活荷载。

最后列表进行下述两种荷载组合：

1.2×全跨永久荷载+1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max；

1.2×全跨永久荷载+1.4×（半跨屋面活荷载，半跨雪荷载）max。

②排架柱

为简化计算，不考虑车间的空间作用，将钢屋架简化成刚度无穷大的水平横梁，两端与排架柱铰接连接。

屋面永久荷载及活荷载标准值分别等效作用到横梁上。

首先分别计算下述八种荷载标准值作用下一榀典型排架的内力：

永久荷载、屋面活荷载、左（或右）墙面风荷载、吊车左（或右）刹车力、吊车靠近左（或右）时的竖向荷载；然后列表进行排架柱的内力组合。

组合情况考虑以下六种：

1.2×永久荷载+1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max；

1.2×永久荷载+1.4×墙面风荷载；

1.2×永久荷载+1.4×吊车竖向荷载；

1.2×永久荷载+0.9×1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max+0.9×1.4×墙面风荷载；

1.2×永久荷载+0.9×1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max+0.9×1.4×吊车竖向荷载；

1.2×永久荷载+0.9×1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max+0.9×1.4×墙面风荷载+0.9×1.4×吊车竖向荷载+0.9×1.4×吊车水平荷载。

4、地质情况

经勘测，地表土为人工填土，1.2m厚，不宜作为天然地基土，建议全部挖除；其下为粘土，地基承载力特征值

，压缩模量

，适宜作为地基持力层。

场地地下水静止水位埋深为10.5米，可不考虑水质对基础混凝土的侵蚀。

最大冻土深度可按0.5m考虑。

5、主要构件材料

①钢筋：

纵向受力钢筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋；

②混凝土：

C20~C30；

③钢材：

Q235-B或Q345-B。

6、钢屋架形式为梯形钢屋架，吊车吨位为10t，牛腿柱顶标高为5.7m

结构布置

一、设计资料

取屋檐口高为2.115m，屋面坡度为1/10。

二、屋架布置及几何尺寸

屋架几何尺寸图

屋架计算跨度24000-300=23700mm。

屋架端部高度H0=2000mm。

三、荷载

1、荷载计算

（1）恒荷载

屋面恒荷载0.25kN/m2屋架及支撑自重0.35kN/m20.25+0.35=0.6kN/m2

（2）活荷载

因屋面活荷载0.5kN/m2>雪荷载kN/m2，且无积灰荷载，

故活荷载取0.5kN/m2

永久荷载设计值：

1.3×0.6+1.4×0.7×0.5=1.3kN/m2

可变荷载设计值：

1.2×0.6+1.4×0.5=1.42kN/m2

2、荷载组合

设计屋架时，考虑以下两种荷载组合：

全跨永久荷载+全跨可变荷载F=1.42×1.5×0.6=12.78kN/m2

全跨永久荷载+半跨可变荷载F1=0.6×1.2×1.5×6=6.48kN

F2=0.5×1.4×1.5×6=6.3kN

四、内力计算

按力学求解器计算杆件内力，然后乘以实际的节点荷载，屋架要上述第一种荷载组合作用下，屋架的弦杆、竖杆和靠近两端的斜腹杆内力均达到最大值，在第二和第三种荷载作用下，靠跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生变号，因此，在全跨荷载作用下所有杆件的内力均应计算，而在半跨荷载作用下，仅需计算近跨中的斜腹杆内力，取其中不利内力（正、负最大值）作为屋架的依据。

具体计算见图屋架各杆内力组合见表。

全跨荷载布置图

全跨荷载内力图

左半跨荷载内力图

左半跨荷载布置图

内力计算表表1

杆件

杆内力系数

全跨永久荷载+全跨可变荷载

全跨永久荷载+半跨可变荷载

计算内力

名称

F=12.78kN

F1=6.48kN

KN

P=1

N=F×③

F2=6.3kN

在左

在右

全跨

N左=F1×③+F2×①

半跨

半跨

N右=F1×③+F2×②

①

②

③

上

AB

0

0

0

0

0

0

弦

BC

-5.99

-2.36

-8.35

-106.713

-91.845

-68.976

-106.713

杆

CD

-5.99

-2.36

-8.35

-106.713

-91.845

-68.976

-106.713

DE

-6.7

-4.31

-13.01

-166.2678

-126.5148

-111.4578

-166.2678

EF

-6.7

-4.31

-13.01

-166.2678

-126.5148

-111.4578

-166.2678

FG

-8.85

-5.87

-14.72

-188.1216

-151.1406

-132.3666

-188.1216

GH

-8.85

-5.87

-14.72

-188.1216

-151.1406

-132.3666

-188.1216

HI

-7.11

7.11

-14.22

-181.7316

-136.9386

-47.3526

-181.7316

下

ab

3.48

1.25

4.74

60.5772

52.6392

38.5902

60.5772

弦

bc

7.68

3.38

11.06

141.3468

120.0528

92.9628

141.3468

杆

cd

9

5.1

14.11

180.3258

148.1328

123.5628

180.3258

de

8.13

6.49

14.62

186.8436

145.9566

135.6246

186.8436

斜

aB

-6.53

-2.34

-8.89

-113.6142

-98.7462

-72.3492

-113.6142

腹

Bb

4.64

2.06

6.71

85.7538

72.7128

56.4588

85.7538

杆

bD

-3.39

-2.02

-5.42

-69.2676

-56.4786

-47.8476

-69.2676

Dc

1.92

1.8

3.72

47.5416

36.2016

35.4456

47.5416

cF

-0.74

-1.75

-2.49

-31.8222

-20.7972

-27.1602

-31.8222

Fd

0.41

1.58

1.17

14.9526

10.1646

17.5356

17.5356

dH

1.57

-1.5

-0.07

-0.8946

9.4374

-9.9036

-9.9036

He

-2.47

1.35

-1.11

-14.1858

-22.7538

1.3122

-22.7538

竖

aA

-0.5

0

-0.5

-6.39

-6.39

-3.24

-6.39

杆

bC

-1

0

-1

-12.78

-12.78

-6.48

-12.78

cE

-1

0

-1

-12.78

-12.78

-6.48

-12.78

dG

-1

0

-1

-12.78

-12.78

-6.48

-12.78

eI

1

1

2

25.56

19.26

19.26

25.56

五、杆件截面设计

1、上弦杆截面计算

整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算N=-188.12kN（压力），查《钢结构设计手册》（《钢结构》2.3.4.1），节点板厚度选用8mm，支座节点板厚度选用10mm。

计算长度屋架平面内取节间轴线长度,lox=1508mm

屋架平面外,根据支撑和内力变化取,loy=6030mm

截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并,则2∟100×80×8,如图1所示。

图1上弦截面

A=27.8cm2ix=2.37cmiy=4.66cm

λx=lox/ix=150.8/2.37=63.6<

λx=loy/iy=603.0/4.66=129.4<

b1/t=100/8=12.5<0.56loy/b1=（0.56×603.0）/10=33.8

可近似取λxz=λy,b类截面，查表φy=0.392

N/（φyA）=188.12×103/（0.392×2780）=172.40N/mm2<ƒ=215N/mm2

所选截面合适。

2、下弦杆截面计算

整个杆件采用同一截面，按最大内力计算，Nmax=186.84kN（拉力）

计算长度屋架平面内取节间轴线长度

屋架平面外根据支撑布置取loy=23.7/2=11.85m

试选用2∟80×50×8（短肢相并），见图2所示，A=19.7cm2,ix=1.38cm,iy=4.02cm

按所选角钢进行截面验算：

λx=lox/ix=300/1.38=217<[λ]=350

λy=loy/iy=1185/4.02=295<[λ]=350

b1/t=50/8=6.25<0.56loy/b1=（0.56×1185.0）/5=33.8

可近似取λxz=λy,b类截面，查表φy=0.123

N/（φyA）=186.84×103/（0.123×1970）=172.40N/mm2<ƒ=215N/mm2

所选截面合适图2下弦截面

3、斜杆截面计算

①斜杆aB

N=-113.61kN（压力），l0x=l0y=l=262.4cm

因为l0x=l0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ix=iy

选用2∟70×6，见图3所示，A=16.32c㎡,ix=2.15cm,iy=3.19cm

图3斜杆aB截面

λx=lox/ix=262.4/2.15=122<

属于b类截面

λx=loy/iy=262.4/3.19=82.3<

属于b类截面

满足长细比：

的要求。

b2/t=11.7<0.58loy/b2=0.58×262.4/7=21.7λyz=82.3×（1+0.475b3/loy2t2）=86.1

查轴心受压构件的稳定系数表，φ=0.426

N/（φA）=113.61×103/（0.426×1632）=160.9N/mm2<ƒ=215N/mm2

所选截面合适。

②斜杆bD

N=-69.27kN（压力），l0x=0.8l=0.8×295.8=236.64cm,l0y=l=295.8cm

计算需要净截面面积

An=N/ƒ=69.27×103/215=322.2mm2

选用2∟70×6，见图4所示，A=16.32c㎡,ix=2.15cm,iy=3.19cm

图4斜杆bD截面

验算：

λx=lox/ix=236.64/2.15=110<

属于b类截面

λx=loy/iy=295.8/3.19=92.7<

属于b类截面

b/t=11.7<0.58×2958/70=24.5λyz=92.7×（1+0.475b3/loy2t2）=96.1

查表得φ=0.493

N/（φA）=69.27×103/（0.493×1632）=86.1N/mm2<ƒ=215N/mm2

所选截面满足要求。

其余拉杆采用2∟56×5A=10.81cm2,ix=1.72cm,iy=2.62cm

斜杆Bbl0x=0.8l=0.8×270.4=216.32cm,l0y=l=270.4cm

λx=lox/ix=216.32/1.72=126<[λ]=350

λx=loy/iy=270.4/2.62=103<[λ]=350

斜杆Dcl0x=0.8l=0.8×295.9=236.72cm,l0y=l=295.9cm

λx=lox/ix=236.72/1.72=138<[λ]=350

λx=loy/iy=295.9/2.62=113<[λ]=350

斜杆Fd验算略，均满足要求。

压杆cF采用2∟56×5A=10.81cm2,ix=1.72cm,iy=2.62cm

N=-32.82kN（压力）l0x=0.8l=0.8×322.0=257.6cm,l0y=l=322.0cm

λx=lox/ix=257.6/1.72=148<[λ]=150

λx=loy/iy=322.0/2.62=123<[λ]=150

b/t=11.2<0.58×2958/56=30.6λyz=123×（1+0.475b3/loy2t2）=125

查表得φ=0.353

N/（φA）=32.82×103/（0.353×1081）=86N/mm2<ƒ=215N/mm2

压杆dH和He采用2∟63×5A=12.29cm2,ix=1.94cm,iy=2.89cm

压杆dH：

N=—9.90kN（压力）l0x=0.8l=0.8×348.8=279.04cm,l0y=l=348.8cm

λx=lox/ix=279.04/1.94=144<[λ]=150

λx=loy/iy=348.8/2.89=121<[λ]=150

b/t=12.6<0.58×3488/63=32λyz=121×（1+0.475b3/loy2t2）=124

查表得φ=0.329

N/（φA）=9.90×103/（0.329×1229）=24.48N/mm2<ƒ=215N/mm2

同理可得：

压杆He

56N/mm2<ƒ=215N/mm2

竖杆采用2∟63×5A=12.29cm2,ix=1.94cm,iy=2.89cm

可验算受力最大的压杆Gd

（1）压杆Gd

N=—12.78kN（压力）l0x=0.8l=0.8×300=240cm,l0y=l=300cm

λx=lox/ix=240/1.94=124<[λ]=150

λx=loy/iy=300/2.89=104<[λ]=150

b/t=12.6<0.58×3000/63=28λyz=104×（1+0.475b3/loy2t2）=107

查表得φ=0.416

N/（φA）=12.78×103/（0.416×1229）=25N/mm2<ƒ=215N/mm2

（2）压杆Ie采用十字形

N=—12.78kN（压力）l0x=0.8l=0.8×330=264cm,l0y=l=330cm

λx=lox/ix=264/1.94=136<[λ]=150

λx=loy/iy=330/2.89=114<[λ]=150

b/t=12.6<0.58×3300/63=30λyz=114×（1+0.475b3/loy2t2）=117

查表得φ=0.406

N/（φA）=12.78×103/（0.406×1229）=25.6N/mm2<ƒ=215N/mm2

屋架杆件一览表

杆件。

杆内力

kN

计算长度

截面形式及

角钢规格

lox

loy

上弦

-188.12

1508

6030

┛┗短肢相并

2L100×80×8

下弦

186.84

3000

11850

┛┗短肢相并

2L80×50×8

斜腹杆

aB

-113.61

2624

2624

┛┗长肢相并

2L70×6

bD

-69.27

2366

2958

┛┗

2L70×6

Bb

-85.75

2163

2704

┛┗

2L56×5

Dc

47.54

2367

2959

┛┗

2L56×5

Fd

-18.80

2577

3221

┛┗

2L56×5

cF

-31.82

2576

3220

┛┗

2L56×5

dH

-11.10

2790

3488

┛┗

2L63×5

He

-21.68

2607

3259

┛┗

2L63×5

竖杆

Aa

-6.39

1692

2115

┛┗

2L63×5

Cb

-12.78

1920

2400

┛┗

2L63×5

Ec

-12.78

2160

2700

┛┗

2L63×5

Gd

-12.78

2400

3000

┛┗

2L63×5

Ie

25.56

2640

3300

十字形

2L63×5

六、节点设计

1．上弦B节点：

1）Bb杆的内力N=-85.75KN，肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：

肢背lw=0.7N/2heƒtw+2hf=0.7×85.75×103/（2×0.7×5×160）+2×5=64mm，取70mm

肢尖lw=0.3N/2heƒtw+2hf=0.3×85.75×103/（2×0.7×5×160）+2×5=33mm，取50mm

aB杆的内力N＝-113.61kN，设肢背和肢尖hf=5mm，所需要的焊缝长度为：

肢背lw=0.7N/2heƒtw+2hf=0.7×113.61×103/（2×0.7×5×160）+2×5=80mm

肢尖lw=0.3N/2heƒtw+2hf=0.3×113.61×103/（2×0.7×5×160）+2×5=40mm，

考虑搁置檩条，节点板缩进上弦肢背8/2+2=6mm，用槽焊缝连接，槽焊缝按两条角焊缝计算

，P＝12.78kN。

设肢尖焊缝

=5mm，假定集中荷载P与上弦垂直，忽略屋架上弦坡度影响。

lw=12780/2×0.7×5×（0.8×1.22×160）=12mm,因此上弦一边均能满足。

M=106.71×（80-20.5）×10-3=6.25kN·m

设lw=2400mm,hf取6mm

τf=N/2he×（lw-2hf）=106.71×106/2×0.7×6×（240-12）=55N/mm2

σf=6M/2he×（lw-2hf）2=6×6.35×106/2×0.7×6×（240-12）2=87N/mm2

=90N/mm2<160N/mm2

节点图如下图所示。

2、支座节点

（1）支座底板的计算

支座反力RA=RB=102.24KN

按构造要求采用底板面积为a×b=200×210mm如仅考虑加劲肋部分底板承受支座反力R，则承压面积为Au=200×210=42000mm2

验算柱顶混凝土的抗压强度：

σ=R/Au=102.24×103/42000=2.4N/mm2＜fc=12.5N/mm2满足。

底板的厚度按屋架反力作用下的弯距计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两相邻边支承，而另两相邻边自由的板，每块板单位宽度的最大弯距为：

M=βσ

式中σ—底板下的平均应力，σ=2.4N/mm2；

2—两支承边之间的对角线长度，

2=138mm；

β—系数，b1=69，查表得β=0.0602

故M=βσ

=0.0602×2.4×1382=2751N·mm。

底板厚度取t=15mm。

（2）加劲肋与节点的连接焊缝计算

加劲肋高度取与支座节点板相同，厚度取与中节点板相同，一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力为四分之一支座反力。

R/4=102.24×103/4=25.56×103N，M=Ve=25.56×103×60=1.5336×106N·mm

设焊缝hf=6mm，焊缝计算长度取lw=100mm，则焊缝应力为

τf=（25.56×103）/（2×0.7×6×100）=30N/mm2，

σf=M/W=（6×1.5336×106）/（2×0.7×6×1002）=109.3N/mm2，

=94N/mm2＜160N/mm2因此焊缝长度大于100mm即可。

（3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝

设焊缝传递全部支座反力R=102.24kN，其中每块加劲肋各传R/4=25.56kN，节点板传递R/2=51.12kN。

节点板与底板的连接焊缝计算长度

=2×（200—2×6）=376mm，

σf=0.5R/0.7hf

=51120/0.7×6×376=32.4N/mm2<160N/mm2

每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为

=（100-20-12）×2=136mm,

σf=0.25R/0.7hf

=25560/0.7×6×136=44.7N/mm2<160N/mm2

竖杆与节点板连接焊缝按构造要求取用，lw>=40mm

下弦杆与节点板

肢背lw=0.7N/2heƒtw+2hf=0.7×60.57×103/（2×0.7×6×160）+2×6=44mm

肢尖lw=0.3N/2heƒtw+2