钢结构计算书.docx
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钢结构计算书
1、设计题目：
梯形钢屋架
2、设计资料
（1）某工业厂房（上海市）：
梯形钢屋架跨度为21m，长度90m，柱距7.5m，屋盖拟采用钢结构有檩体系，屋面板采用100mm厚彩钢复合板（外侧基板厚度0.5mm，内侧基板厚度0.4mm，夹芯材料选用玻璃丝棉，屋面板自重标准值按0.20kN/m2计算），檩条采用冷弯薄壁C型钢。
屋面排水坡度i=1:
20,有组织排水。
屋架支承在钢筋混凝土柱上，柱顶标高9.0m，柱截面尺寸为400×400mm。
不考虑灰荷载。
屋架、檩条、拉条及支撑自重标准值按0.40计算。
基本雪压取0.4，基本风压取0.45。
（2）屋架计算跨度：
（3）跨中及端部高度：
采用缓坡梯形屋架，取屋架在21m轴线处的端部高度
，屋架中间的高度h=2.515m则屋架在20.7m处，两端的高度为。
三、结构形式与布置
屋架形式及几何尺寸如图所示
根据厂房长度90m、跨度及荷载情况，设置四道道上、下弦横向水平支撑。
因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间，该水平支撑的规格和中间柱间支撑的规格有所不同。
在所有柱间的上弦平面设置了刚性与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载，在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端各设置一道×垂直支撑。
梯形钢屋架支撑布置如图2所示。
桁架上弦支撑布置图
桁架下弦支撑布置图
垂直支撑2—2
梯形钢屋架支撑布置图
SC—上弦支撑；XC—下弦支撑：
CC—垂直支撑；GG—刚性系杆；LG—柔性系杆
四、荷载计算及内力组合
1.荷载计算
屋面活荷载为0.6，雪荷载为0.4,计算时取两者最大值。
故取屋面活荷载0.6进行计算。
风荷载：
基本风压为0.45，查表可知，风压高度变化系数为1.0，当屋面夹角α（2.86°）小于15°时，迎风坡面体形系数为-0.6，背风坡面体形系数为-0.5，风载为吸力，起卸载作用，所以负风的设计值（垂直屋面）为
迎风面：
=1.4×0.6×1.00×0.45＝0.378
背风面：
=1.4×.0.5×1.00×0.45＝0.315
对于轻型钢屋架，当风荷载较大时，风吸力可能大于屋面永久荷载，腹杆中的内力可能变号，必须考虑风荷载组合，但此处风荷载小于永久荷载，可不考虑风荷载的组合。
（因为均小于屋面永久荷载0.65（荷载分项系数取1.0），由此可见，风吸力较小）而且在截面选择时，对内力可能变号的腹杆，不论在荷载作用下是拉杆还是压杆，均控制其长细比不大于150。
设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合。
荷载计算表
1.全跨永久荷载＋全跨可变荷载
全跨永久荷载及可变荷载：
kN
2.全跨永久荷载＋半跨可变荷载：
全跨节点永久荷载：
kN
半跨节点可变荷载
kN
3.全跨屋架（包括支撑）自重＋半跨屋面板自重＋半跨屋面活荷载
全跨节点屋架自重
kN
半跨节点屋面板自重及屋面活荷载
kN
左跨内力图和右跨内力图
全跨内力图
内力表
五、杆件设计
1.上弦杆
整个上弦采用等截面，按EF杆件的最大设计内力设计，即
上弦杆计算长度
在屋架平面内：
为节间轴线长度，即
在屋架平面外，本屋架为有檩体系，且认为檩条与支撑的交叉点不连接，根据布置和内力情况，取为支撑之间的距离，即
根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢短肢相拼，腹杆最大内力，查表2.8，节点板，支座节点板厚度
假定，查Q235钢的稳定系数表，可得（由双角钢组成的T形和十字形截面属于b类），则需要的截面积为：
需要的回转半径：
根据需要A,，查角钢规格表，选用2∟，肢背距离6mm，则：
，，
按所选角钢进行验算：
满足长细比的要求。
因为，
所以
由于，只需要求。
查表，则
故所选截面合适。
2.下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的杆件计算。
，（因跨中有通长系杆），所需截面积为
选用2∟，因为，故用不等肢角钢，短肢相并，肢背间距6mm，
，，
因为，
所以，满足要求。
端斜杆aB
杆件轴力：
计算长度：
假设假定，查Q235钢的稳定系数表，可得（由双角钢组成的T形和十字形截面属于b类），则需要的截面积为：
需要的回转半径：
根据需要A,，查角钢规格表，选用2∟，肢背间距6mm，则
，，
因为，所以
因为，只需求，查表得，则
，截面合适。
4.斜腹杆Fd
最大拉力
最大压力
计算长度
在屋架平面内
在屋架平面外
选用2∟，肢背间距6mm，查角钢规格表得
，，
b/t=70/4=17.5≤0.58/b=0.58×2996/70=24.8
因为，只需求，查表得，则
压应力：
拉应力：
5.竖杆cE
计算长度：
，
由于杆件内力较小，按选择，需要的回转半径为
查型钢表，选用2∟，肢背间距8mm，其几何尺寸为
，，
因为＜，所以
又因为，只需求，查表得，则
6.斜腹杆Bb
最大拉力
计算长度
在屋架平面内
在屋架平面外
选用2∟，肢背间距6mm，查角钢规格表得
，，
b/t=80/5=16≤0.58/b=0.58×2719/80=19.7
因为，只需求，查表得，则
六、节点设计
1.下弦节点b
各杆件的内力由表查得。
设计步骤：
由腹杆内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，即和，然后根据的大小按比例绘出节点板的形状的尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。
用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。
设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为（按等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）
肢背：
，取。
肢尖：
，取。
设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为
肢背：
，取。
肢尖：
，取。
“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取。
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为
下弦与节点板连接的焊缝长度为，。
焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，受力较大的肢背处的焊缝应力为
焊缝强度满足要求。
2.上弦节点“B”
“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。
“aB”杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算得
设“aB”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为（按等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）
肢背：
，取。
肢尖：
，取。
为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背。
用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。
槽焊缝作为两条角焊缝计算，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直。
上弦槽焊缝所需长度可由下面计算得
节点板厚度
上弦与节点板间焊缝长度为，则
角钢肢背与节点板角焊缝所受应力为
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为
3.屋脊节点“G”
（1）弦杆和拼接角钢连接焊缝计算:
弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与弦杆之间能够紧密结合，并便于施工，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分宽度（一般为）。
拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿，接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。
设拼接角钢与弦杆之间的角焊缝，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）
拼接角钢总长度b（b为弦杆杆端空隙）
=，所以拼接角钢长度取
（2）弦杆和节点板的连接焊缝计算：
上弦肢背与节点板之间的的槽焊缝，假定承受节点荷载，验算与节点“B”处槽焊缝验算方法类似，此处验算过程略。
上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的计算，，并考虑此力产生的弯矩。
设肢尖焊缝，取节点板长度，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为，焊缝应力为
中竖杆与节点板的连接焊缝计算：
，内力较小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸为，焊缝长度
下弦跨中节点d
弦杆与拼接角钢连接焊缝计算
拼接角钢和下弦杆截面相同，传递弦杆内力，设肢尖肢背焊脚尺寸均为6mm，则需焊缝长度，则拼接角钢长度b=,取250mm
弦杆和节点板的连接焊缝计算:
按下弦杆内力的计算，，设肢背，肢尖焊缝，则节点一侧所需焊缝长度为：
肢背：
肢尖：
（3）腹杆和节点板的连接焊缝计算，由于腹杆受力较小，其连接焊缝可按构造确定。
5.支座节点“A”
为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底面的净距取。
在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度取。
（1）支座底板的计算。
支座反力为
设支座底板的平面尺寸采用，取加劲肋宽度为90mm,如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为。
验算柱顶混凝土的抗压强度；
式中—混凝土强度设计值，对C25混凝土，
支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋把底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度最大弯矩为
式中—底板下的平均应力，即；
—两边支承之间的对角线长度，即
—系数，由查表确定
为两边支承的相交点到对角线的垂直距离。
由此得
，
查表得，则单位宽度的最大弯矩为
底板厚度为
，取
加劲肋与节点板的连接焊缝计算。
偏于安全的假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的，即，则焊缝内力为
设焊缝，焊缝计算长度，则焊缝应力为
节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。
设焊缝传递全部支座反力,初设，实际的焊缝总长度为：
，取660mm
所需焊缝尺寸：
，采用。
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