钢结构课程设计18米跨度.docx

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钢结构课程设计18米跨度

1、屋架尺寸　

屋架计算跨度：

l0=18-2×0.15=17.7m

屋架的中间高度：

h=2.89m

在17.7m的两端的高度：

h0=2.005m

在18m轴线处端部高度：

h0=1.990m

屋架跨中起拱35mm

2、荷载计算

荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的活荷载计算。

屋架沿水平投影面积分布的自重按经验公式计算，跨度的单位为m。

荷载

永久荷载：

预应力砼屋面板1.45×1.005=1.457kN/m2三毡四油（上铺绿豆砂）防水层0.4×1.005=0.402kN/m2

水泥砂浆找平层1.005×0.4=0.402kN/m2

保温层0.4×1.005=0.402kN/m2

屋架和支撑自重0.12+0.011×21=0.351kN/m2

管道荷载0.182kN/m2

一毡二油隔气层0.05×1.005=0.050kN/m2

水泥砂浆找平层1.005×0.0.3=0.302kN/m2

________________________________________________

总计3.541kN/m2

可变荷载：

屋面活荷载0.8kN/m2

积灰荷载1.1kN/m2

设计屋架时，应考虑以下3种荷载组合：

（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载为主控制的组合）

全跨节点荷载设计值

F=（1.35×3.541+1.4×0.7×0.8+1.4×0.9×1.1）×1.5×6=62.553kN

（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载

全跨节点永久荷载F1=3.2299×1.5×6=29.0691kN

半跨节点可变荷载F2=2.1×1.5×6=18.9kN

组合三全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面活荷载

全跨节点屋架自重F3=0.54×1.5×6=4.86kN

半跨节点屋面自重及活荷载F4=（1.68+2.1）×1.5×6=34.02kN

组合一、二为使用阶段荷载情况，组合三为施工阶段荷载情况。

3、结构形式与布置

屋架形式与几何尺寸如图1

屋架支撑布置如图2

4、内力计算

屋架在上诉三种荷载组合作用下的计算简图见图3

由电算先解得F=1的屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨），然后求出鸽子荷载情况下的内力组合，计算结果见表1

屋架构件内力组合表表1

杆件名称

内力系数（F=1）

第一种组合F×①

第二种组合

第三种组合

计算杆件内力（KN）

全跨①

左半跨②

右半跨③

F1×①+F2×②

F1×①+F2×③

F3×①+F4×②

F3×①+F4×③

上

弦

0.000

BC,CD

-6.221

-4.371

-1.850

-298.416

-263.451

-215.804

-178.935

-93.171

-298.416

DE,EF

-8.993

-5.636

-3.357

-431.386

-367.939

-324.866

-235.443

-157.911

-431.386

-9.102

-4.551

-436.615

-350.601

-349.826

-199.061

-436.615

下

弦

3.470

2.537

0.933

166.453

148.819

118.503

103.173

48.605

166.453

7.962

5.325

2.637

381.930

332.091

281.287

219.852

128.406

381.930

9.279

5.312

3.967

445.105

370.129

344.708

225.810

180.053

445.105

斜

腹

杆

-6.502

-4.754

-1.748

-311.895

-278.858

-222.044

-193.331

-91.067

-311.895

4.739

3.158

1.581

227.326

197.445

167.639

197.002

76.817

227.326

-3.382

-1.862

-1.520

-162.231

-133.503

-127.040

-79.782

-68.147

-162.231

1.884

0.540

1.344

90.374

64.972

80.168

27.527

54.879

90.374

-0.690

0.615

-1.305

-33.099

-8.434

-44.722

17.569

-47.750

17.569

-44.722

-0.462

-1.632

1.170

-22.162

-44.275

8.683

-57.766

37.558

-57.766

竖

杆

-0.5

-23.985

-14.535

-19.440

-2.430

-23.985

Cc,Ee

-1.0

-47.969

-29.069

-38.880

-4.86

-47.969

0.812

0.406

38.951

31.278

17.758

38.951

5、杆件设计

（1）上弦杆

整个上弦采用等截面，按FG杆件之最大设计内力设计。

N=-436.615KN=-436615N

上弦杆计算长度

在屋架平面内；为节间轴线长度l0x=150.75cm

在屋架平面外；根据支撑布置和内力变化情况，取

l0y=150.75×3=452.25cm

因为3l0x=l0y，故截面宜选用两个不等肢角钢短肢相并。

腹杆最大内力N=-311.895KN，查表，节点板厚度选用10mm,支座节点板厚度用12mm.设λ=60，查附表得

。

需要截面积

=2774.3mm2

需要的回转半径：

ix=l0x/λ=150.75/60=2.51cmiy=l0y/λ=452.25/60=7.54cm

根据需要的A,ix,iy查附表，选用2∟160×100×10,A=50.63cm2,ix=2.85,iy=7.71,按所选角钢进行验算：

λx=l0x/ix=150.75/2.85=52.89<[λ]=150

λy=l0y/iy=452.25/7.71=58.67<[λ]=150

满足长细比要求。

由于λy>λx,只需求

y。

查表得

y=0.813

yA=311895/（0.813×5063）=75.77N/mm2<215N/mm2所需截面合适。

（2）下弦杆件

整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的eg杆计算。

N=445.105KN

l0x=300cm,l0y=885cm

需要截面积

=445105/215=2070.26mm2

选用2∟100×63×10A=3093.4mm2>2070.26mm2ix=1.74cm,iy=5.01cm

λx=l0x/ix=300/1.74=172.41<350λy=l0y/iy=885/5.01=176.65<350

（3）端弦杆aB

杆件轴力N=-311895N

计算长度l0x=l0y=253cm，因为l0x=l0y，故采用不等肢角钢长肢相并，选用2∟100×63×10

ix=3.15cmiy=2.71cmA=3093.4mm2

λx=l0x/ix=253/3.15=80.32λy=l0y/iy=253/2.71=93.36

因为λx<λy，只求

y=0.475

=N/

yA=311895/（0.475×3093.4）=212.37N/mm2<215N/mm2

所选截面合适

（4）竖杆Ee

N=-47969N

l0x=259×0.8=207.2cm,l0y=259cm

设λ=150

ix=l0x/λ=207.2/150=1.38cmiy=l0y/λ=259/150=1.73cm

选用2∟63×5

ix=1.53cm，iy=2.46cm，A=960.6mm2

λx=l0x/ix=207.2/1.53=135.4﹤150λy=l0y/iy=259/2.46=105.3﹤150

λx﹥λy，只求

x=0.265

=N/

xA=47969/（0.265×960.6）=188.44N/mm2<215N/mm2

屋架杆件截面选择表

杆件

计算内力

（KN）

截面规格

截面面积（cm2）

长细比

容许长细比[

]

名称

编号

λx

λy

上弦

-436.615

160×100×10

50.63

52.89

58.67

150

下弦

445.105

100×63×10

30.934

172.41

176.65

350

腹

杆

-311.895

100×63×10

30.934

80.32

93.36

150

227.326

56×5

10.83

121.53

97.14

350

-162.231

75×10

28.252

101.38

80.9

150

90.374

56×5

10.83

133.21

106.47

350

-44.722

17.569

70×5

13.75

115.7

96.42

150

-57.766

37.558

70×4

11.14

114.64

97.32

150

-23.985

45×5

8.584

145.26

88.05

150

-47.969

50×5

12.286

94.43

77.36

150

-47.969

50×5

12.286

106.8

87.5

150

38.951

30×3

3.498

317.58

177.30

350

杆件

计算长度（cm）

回转半径（cm）

稳定系数

应力（N/mm2）

名称

编号

l0x

l0y

上弦

150.75

452.25

2.85

7.71

0.732

75.77

下弦

300

885

1.74

5.01

192.6

腹杆

253

3.15

2.71

0.475

212.37

209.04

261.3

1.72

2.69

280.97

229.12

286.4

2.26

3.54

0.403

190.73

229.12

286.4

1.72

2.69

111.7

249.92

312.4

2.16

3.24

0.457

92.7

249.92

312.4

2.18

3.21

0.462

112.47

199

1.37

2.26

0.256

154.39

183.2

229

1.53

2.46

0.668

93.45

207.2

259

1.53

2.46

0.265

188.44

289

0.91

1.63

149.05

6、节点设计

（1）下弦节点“c”

用焊条为E50型的抗拉，抗压，抗剪强度为fwf=200N/mm2。

设“Bc”杆的肢背和肢尖焊缝hf=8mm和6mm，则所需的焊缝长度为：

肢背:

lw’=0.7N/2hefwf=0.7×227326/（2×0.7×8×200）=71.04mm取8cm

肢尖:

lw〞=0.3N/2hefwf=0.3×227326/（2×0.7×6×200）=50.70mm取6cm

设“cD”杆的肢背和肢尖焊缝hf=8mm和6mm，则所需的焊缝长度为：

肢背:

lw’=0.7N/2hefwf=0.7×162231/（2×0.7×8×200）=51.95mm取6cm

肢尖:

lw〞=0.3N/2hefwf=0.3×162231/（2×0.7×6×200）=28.97mm取3cm

“cC”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf=5mm.。

根据上面的计算结果及相应的构件之间应有的制作和装配误差，确定节点板的尺寸为270mm×440mm.

下弦与节点板的焊缝长度为440mm，hf=6mm。

焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差

N=510.52-222.50=288.02KN，受力较大的肢背处的焊缝应力为

f=0.75×288020/（2×0.7×6×（440-12））=60.08N/mm2<200N/mm2

（2）上弦节点“B”

“Bc”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“c”相同。

“aB”杆的肢背和肢尖焊缝hf=10mm和8mm，则所需的焊缝长度为：

肢背:

lw’=0.7N/2hefwf=0.7×311895/（2×0.7×10×200）=77.97mm取8cm

肢尖:

lw〞=0.3N/2hefwf=0.3×311895/（2×0.7×8×200）=41.77mm取5cm

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8mm.用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。

曹焊缝作为两条角焊缝计算，焊缝强度设计值剩以0.8的折减系数。

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。

上弦肢背槽焊缝的内应力为

hf′=1/2×节点板厚度=1/2×10=5mm,hf〝〞=10mm

上弦与节点板间焊缝长度为470mm.

=78.15N/mm2<0.8fwf=0.8×200=160N/mm2

上弦肢尖角焊缝的剪应力为

=16.39<200N/mm2

（3）屋脊节点“G”

弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直直肢的一部分宽度。

拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。

街头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。

设焊缝hf=10mm，则所需焊缝计算长度为

lw=436615/（4×0.7×10×200）=77.97mm

拼接角钢的长度取340mm>2×77.97mm=155.94mm.

上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载，上弦肢尖与节点板的连接焊缝，按上弦内力的15%计算。

设肢尖焊缝hf=10，节点板长度为32cm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw=32/2-1-2=13cm，焊缝应力为：

35.98N/mm2

=128.22N/mm2

=111.09N/mm2<200N/mm2

因屋架的跨度较大，需将屋架分成两个单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦，斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊接，而右半边的上弦，斜杆与节点板的连接用工地焊接。

腹板与节点板连接焊接计算方法与以上几个节点相同

（4）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地板的净距离取160mm。

在节点中心线设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度为12mm。

1支座底板的计算

支座反力：

R=479691N

支座底板的平面尺寸采用280mm×400mm，如考虑有加劲肋部分的底板来承受支座反力，则承压面积为280×232=64960mm2。

验算柱顶混泥土的抗压强度

=479691/64960=7.38N/mm2

其中对于C25混泥土的强度设计值fc=12.5N/mm2>7.38N/mm2

两支撑边之间的对角线长度，

=173.37mm

为系数，其中查表得

=0.058

底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成4块，每块板为两相邻边支撑而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为

=0.058×7.38×173.372=12865.67N.mm

底板厚度：

=15.78mm,取18mm.

2加劲肋与节点板的连接焊缝计算

加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似。

偏于安全的假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的1/4，即

则焊缝内力为：

V=479691/4=119923N

M=119923×65=7794995N.mm

设焊缝hf=6mm,焊缝计算长度lw=505-12-20=473cm,

则焊缝应力为：

=36.43N/mm2<200N/mm2

3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R=479691N,其中每块加劲肋的传力为479691/4=119923N，节点板传力479691/2=239846N.

节点板与底板的连接焊缝长度

＝2（280－12）＝536mm，所需焊脚尺寸为

，故取

＝6mm。

每块加劲肋于底板的连接焊缝长度为:

＝2（110－20－12）＝156mm

所需焊缝尺寸为:

≥

，故取

＝6mm。

⑸下弦中央节点“g”

gF和gF’杆与节点板的连接焊缝长度计算：

设gF杆的肢尖和肢背焊缝

，则所需焊缝长度为：

肢背：

lw’=0.7N/2hefwf=0.7×57766/（2×0.7×8×160）=22.56mm，取lw=30mm。

肢尖：

lw〞=0.3N/2hefwf=0.3×57766/（2×0.7×8×160）=9.67mm，取lw=15mm。

小于构造要求长度

，取lw=70mm。

下弦杆与节点板的连接焊缝计算：

由于

，所以此焊缝按构造配置：

取

。

竖杆“Gg”与节点板的连接焊缝计算：

“Gg”的内力为V=38.951kN，设肢背和肢尖焊缝

，则所需焊缝长度:

肢背：

lw’=0.7N/2hefwf=0.7×57766/（2×0.7×8×160）=15.22mm，取lw=30mm。

求拼接角钢的总长度：

ls=2（N2/4×0.7hfffw+2hf）+10=2（389510/4×0.7×8×160+2×6）+10=468.72mm

取ls=470mm。

⑹节点板计算

①节点板在受压腹杆的压力作用下的计算

所有无竖杆相连的节点板，受压腹杆杆端中点至弦杆的净距离c与节点板厚度t之比，均小于或等于10

。

所有与竖杆相连的节点板，c/t均小于或等于15

，因而节点板的稳定均能保证。

②所有节点板在拉杆的拉力作用下，也都满足要求，因而节点板的强度均能保证。

此外，节点板边缘与腹杆轴线间的夹角均大于15°，斜腹杆与弦的夹角均在30°～60°之间，节点板的自由边长度与厚度之比均小于60

，都满足构造要求，节点板均安全可靠。

另详见图纸！

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