钢结构课程设计18米.docx
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钢结构课程设计18米.docx
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钢结构课程设计18米
1设计资料
梯形屋架,建筑跨度为18m,端部高度为1.99m,跨中高度为2.89m,屋架坡度i=1/10,屋架间距为6m,屋架两端支撑在钢筋混凝土柱上,上柱截面400mm<400mm,混凝土采用C20。
屋架上、下弦布置有水平支撑和竖向支撑(如图1-1所示)。
屋面采用1.5>6m预应力钢筋混凝土大型屋面板,120mm厚珍珠岩(r=350kg/m3)的保温层,三毡四油铺绿豆沙防水层,20mm厚水泥砂浆找平层,屋面雪荷载为0.30kN/m2,钢材采用3号钢。
a«ra
JUUv
innn
J'JuL1
3000
£
2荷载计算
2.1永久荷载
预应力钢筋混凝土大型屋面板:
1.21.4=1.68kN/m2
三毡四油防水层及及找平层(20mm):
1.2x0.76=0.912kN/m2
120mn厚泡沫混凝土保温层:
1.20.42=0.504kN/m2
屋架自重和支撑自重按经验公式(跨度l=18m)
22
Pw=1.2+1.11=1.2+1.1x18痒32kg/m1.2x0.32=0.384kN/m
2.2可变荷载
屋面雪荷载:
1.40.55=0.77kN/m2
2.3荷载组合
永久荷载可变荷载为主要荷载组合,屋架上弦节点荷载为:
F二(1.680.9120.5040.384)0.77丨1.56=38.25kN
3内力计算
桁架杆件的内力,在单位力作用下用图解法(图2-1)求得表3-1。
表3-1
杆
件
轴线
单位荷载内力
F何载内力(kN)
上
B-①
1357
0
0
C-③
1508
-6.223
-238.030
弦
D-④
1507
-6.223
-238.030
杆
E-⑥
1508
-8.996
-344.097
F-⑦
1507
-8.996
-344.097
G-⑨
1508
-9.105
-348.266
下
②-O
2850
+3.479
+133.072
弦
⑤-0
3000
+7.961
+304.508
杆
⑧-O
3000
+9.270
+354.578
①-②
2530
-6.502
-248.702
斜
②-③
2613
+4.586
+175.415
④-⑤
2864
+3.381
-129.323
杆
⑤-⑥
3124
+1.884
+72.063
⑦-⑧
3124
-0.690
-26.393
⑧-⑨
3124
-0.463
-17.710
A-①
1990
-0.500
-19.125
竖
③-④
2290
-1.000
-38.250
杆
⑥-⑦
2590
-1.000
-38.250
⑨-⑩
2890
+0.812
+31.059
4截面选择
4.1上弦杆截面选择
上弦杆采用相同截面,以最大轴力G-⑨杆来选择:
Nmax348.266kN
在屋架平面内的计算长度lox=150.8cm,屋架平面外的计算长度1巧=301.5cmc选用两个不等肢角钢2L100806,长肢水平。
截面几何特性(长肢水平双角钢组成T形截面,节点板根据腹杆最大内力选用板厚8mm):
2
A=21.274cmix=2.40cm,iy=4.61cm
ox
150.8
2.40
二62.8:
:
150
x=0.7922
loy
150.8
4.61
二65.4:
:
150
y=0.778
截面验算:
N二348266=210.4N/mm2""15N/mm2
minA0.7782127.4
i
y
大型屋面板与上弦焊牢,起纵横向水平支撑作用,上弦杆其他节间的长细比和稳定验算均未超过上述值。
4.2下弦杆截面选择
下弦杆也采用相同截面,以最大轴力⑧-0杆来选择:
Nmax=〔354.578kN
在屋架平面内的计算长度:
lox=300cm,屋架平面外的计算长度:
%=300cm
所需截面面积为:
A*=N=3545781649.4mm2
f215
选择两个不等肢角钢290566,长肢水平。
截面几何特点:
A=17.114cm216.494cm2
ix=1.58cmiy=4.42cm■x
另两个节点的下弦杆内力较小,
300300
189.9:
:
:
350■■■■■y67.9:
:
:
350
1.584.42
600
y135.7:
:
:
350
4.42
4.3支座竖杆截面选择
杆轴力:
N19.125kN
计算长度:
lox-loy=199cm,
采用两个等肢角钢2635
,组成T型截面
截面几何特性:
A=12.286cm2ix=1.94cmiy=2.89cm
‘X二199=102:
:
:
150,:
x=0.542y二^99=68.9:
:
150,
1.942.89
y=0.758
截面验算:
—1912528.720N/mm2:
:
f=215N/mm2
;minA0.5421228.6
4.4支座斜杆截面选择
杆轴力:
N=「248.702kN计算长度:
匚=口二253cm
采用两个不等肢角钢2100637,长肢相拼。
截面几何特性:
A=22.222cmi3.20cmi^2.58cm
253253
x79.1:
:
150x-0.693y98.1:
:
150y=0.567
x3.2y2.58y
截面验算:
—248702197.4:
:
215N/mm2
minA0.5672222.2
4.5斜杆②③截面选择
杆轴力:
N=175.415kN计算长度:
lox=0.8^0.8261.3=209cm
loy=261.3cm
二嗨=815.88卅
215
选用两个等肢角钢
2505,组成T形截面
但l°y=:
600cm,故须验算其屋架平面外的长细比:
1.53论6疗50y
截面特性:
An=9.606cm28.1071cm2ix=1.53cmiy=2.38cm.209.261.3
x136.6<350y109.8:
:
350
2.38
4.6竖杆③④截面选择
杆轴力:
N--38.250kN
计算长度:
lox=0.81=0.8229=183.2cml°y=229cm
采用两个等肢角钢2505,组成T形截面。
截面几何特性:
A=9.606cm2ix^1.53cmiy=2.38cm
1832229
■x119.7<150-0.438、y96.2cm<150y=0.580
1.53y2.38y
截面验算:
N3825090.91:
:
215N/mm2
®minA0.438x960.6
4.7斜杆④⑤截面选择
杆轴力:
N=-129.323kN
计算长度:
lox=0.8l=0.8286.4-229.1cmlo^286.4cm
采用两个等肢角钢2755,组成T形型截面
截面几何特性:
A=9.606cm23.352cm2i^1.53cmi^2.38cm
22912864
x98.3:
:
150-0.566y85.2<150-0.652
2.33y3.36y
截面验算:
N二129323=154.1N/mm2:
f215N/mm2
minA0.5661482.4
4.8斜杆⑤⑥截面选择
杆轴力:
Nn〔72.063kN
计算长度:
lox=0.8l=0.8286.4=229.1cmloy=286.4cm
所需截面:
八N72063…c2
An335.2mm
f215
采用两个等肢角钢2505,组成T形型截面
截面几何特性:
9.606cm23.352cm2ix=1.53cmi^2.38cm
.229.1、286.4
x149.7<350y120.3:
:
350
1.532.38
4.9竖杆⑥⑦截面选择
杆轴力:
N二-38.250kN
计算长度:
lox=0.8l=0.8259=207.2cml°y=259cm
采用两个等肢角钢2505,组成T形截面
截面几何特性:
A=9.606cm2.3.352cm2
207.2
1.53
=135.4:
:
:
150*=0.364
ix=1.53cmiy=2.38cm259
=108.8c150半y=0.501
2.38
截面验算:
38250—=109.4N/mm2 minA0.364960.6 4.10斜杆⑦⑧截面选择 杆轴力: N=-26.393kN 计算长度: ©=0.8l=0.8312.^249.9cml°y=312.4cm 采用两个等肢角钢2635,组成T形截面 截面几何特性: A=12.286cm2 、249.9 /■・x 1.94 ix=1.94cmiy=2.89cm3124 =128.8: : : 1501=0.393■y y2.89 =108.1: : 150 y=0.504 截面验算: N二26393=54.7N/mm2 minA0.3931228.6 : : f=215N/ 2mm 4.11斜杆⑧⑨截面选择 杆轴力: N=-17.710kN 计算长度: ©=0.8l=0.8312.^249.9cml°y=312.4cm 采用两个等肢角钢2635,组成T形截面 截面几何特性: 2 A=12.286cmix=1.94cmiy=2.89cm 24993124 荷厂12込: 150mw50…504 截面验算: 17710 0.3931228.6 2 =36.7N/mm 2 =215N/mm 4.12竖杆⑨⑩截面选择 杆轴力: Nh〔31.059kN 计算长度: lox=0.8l=0.8289=231.2cmg=289cm 采用两个等肢角钢2.635,组成T形截面 截面几何特性: A=12.286cm2ix=1.94cmiy=2.89cm 231.2 289 'x 1.94 =119.2: : : 350-y100: : : 350 2.89 截面验算: N3105922 25.3N/mm: : : f=215N/mm2 A1228.6 各杆件截面选择结果列表如下表4-1 杆件 计算内力(kN) 截面规格 截面面积 (cm2) 计算长 度(cm) 迴转半径(cm) 长细比 容许长细比 稳定系数 应力 N/mrn 名称 编号 5节点设计 各节点的节点板厚一律取8mm各杆内力如图5-1所示。 5.1下弦节点i设计(如图6-2所示) 首先,计算腹杆与节点板连接焊缝尺寸,然后按比例绘出节点板形状和尺寸,最后验算下弦与节点板的连接焊缝。 已知焊缝的抗拉、抗压和抗剪的强度设计值: fwf=160N/mm2 设杆②③的肢背和肢尖焊缝分别是hf=6mm和hf=5mm,则所需焊缝长度为: 肢背: 1/ w 0.7N 2hef「 0.7175415 20.76160 =91.4mm 取110mm 肢尖: l// w 0.7N 2hef; 0.7175415 20.75160 =50.0mm 取80mm 设杆④⑤的肢背和肢尖焊缝分别是hf=6mm和hf=5mm,贝U所需焊缝长度为 肢背: iw 0.7N 0.7129323 2heffw 20.76160 =67.4mm取100mm 肢尖: iw 0.7N 0.7129323 2heffw 20.75160 =34.6mm取80mm 设杆③④的肢背和肢尖焊缝均为hf =5mm,贝U所需焊缝长度为 肢背: Iw 0.7N 0.738250 2hef「20.75160 二23.9mm取165mm 肢尖: iw 0.7N 0.738250 2heff"20.75160 =10.2mm取165mm 根据上述腹杆焊缝长度,并考虑杆件之间应留有间隙,按比例绘出节点大祥图 5-1,从而确定节点板尺寸为3852758mm。 下弦与节点板连接的焊缝长度为385mmhf=5mm,焊缝所受的力为左右两下弦 杆内力差-N=304.508-133.07^171.436kN所受较大的肢背处焊缝应力为: 0.75N 0.7171436 2helw 45.7N/mm2: : ffw=160N/mm2 20.75(385-10) 5.2下弦节点j的设计(图5-2) 设节点所有焊缝为hf=5mm,所需焊缝长度如下: 杆⑤-⑥N=〔72.063kN 肢背: lw 0.7N 0.772063 2heffw 20.75160 =45.0mm 肢尖: lw 0.3N 0.372063 2heffw 20.75160 =19.3mm 杆⑥-⑦N 一38.250kN 肢背: iw 0.7N 0.738250 2heffw 20.75160 =23.9mm 肢尖: lw 0.3N 0.338250 2hef「20.75160 =10.2mm 杆⑦-⑧N 二—26.393kN 肢背: iw 0.7N 0.726393 2hef; w20.75160 =16.5mm 肢尖: 1〃 w 吐二°326393二“mm 2hef;20.75160 所有焊缝均按构造(节点板尺寸)确定,焊缝长度均需大于60mm 下弦与节点板连接的焊缝长度为320mmhf=5mm,焊缝所受的力为左右两下弦 0.75.N 2helw 杆内力差N=354.578—304.508=50.07kN所受较大的肢背处焊缝应力为: ——17.3N/mm2: : : ff〃=160N/mm2 20.75(320-10) 焊缝强度满足要求。 5.3下弦节点k的设计 下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,且截去垂直肢的一部分宽度(一般hf二thf5mm),拼接角钢这部分削弱,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(如图5-3) 设焊缝hf-6mm,则所需一条焊缝计算长度为 354578 =131.9mm lw二 4X0.7汉6汇160拼接角钢的长度取400mm>13192=263.8mm 屋架分成两个运输单元,设置工地焊缝长度拼接,左半边的弦杆和腹杆与节点板连接用工厂焊缝,而右半边的弦杆与腹杆与节点板连接用工地焊缝。 中间竖杆跟 左半边在工厂焊牢再出厂,为便于工地拼接,在拼接的角钢与右半边斜杆上,设置螺栓孔: •: -21.5。 作为安装施焊前的定位之用。 下弦杆与节点板之间用hf=5mm 焊缝满焊。 斜杆⑧-⑨和竖杆⑨-⑩的内力均很小,肢背与肢尖焊缝hf=5mm,施焊长度均可按构造采用,至少60mm采用390X290x8mm所有焊缝均满焊,焊缝长度均大于所需长度。 5.4支座节点h设计 为了便于施焊,下弦焊与支座底板的距离取130mm在节点中心设置加劲肋,加 劲肋高度与节点板高度相等。 5.4.1支座底板计算 支座反力: R=6F=638.25=229.5kN 支座底板的平面尺寸取401280=112280mm2,如仅考虑有加劲肋部分的底板承 受支座反力,则实承面积为: 28011^30800mm2 验算柱顶混凝土的抗压强度: —二229500=7.45N/mm2: : f^10N/mm2 An30800 式中fc——钢筋混凝土轴心抗压强度的设计值。 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。 每块板是两相邻为固定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: M=qa1 式中q——底板所受的均布反力,q=卫=229500=7/5n/mm2 An30800 冷一一两支承之间的对角线长度,宀=..(146-5)2•802=162mm ■-――系数,由bi/ai查课本表5-6确定,bi为两支承边的相交点到对角线: i的 垂线距离,由相似三角形的关系得: 4=80141=69.6mm 162 bi/ai=69.6/162=0.43查表5-5得]=0.047 M=1;qa: =0.0477.451622=9189N/mm 底板厚度: t』6M/^<69189/215=16mm取20mm 5.4.2加劲肋与节点板的连接焊缝计算 加劲肋与节点板的链接焊缝计算与牛腿焊缝相似,假定一个加劲肋的受力为屋架 支座反力的四分之一,即: 1229.500=57.375kN 4 焊缝受剪力V=57.375kN,弯矩: M=57.37540=2295kNm,设焊缝 hf=5mm,焊缝计算长度lw=391-10=381mm 焊缝应力为: V 2helw 6M 2l: he —1.22 57375 20.75381 =21.5 M 62295000 20.753812 =13.6 f136 (——)221.52二124.3462.3=24.22N/mm2: : f「=160N/mm2 ■1.22 5.4.3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=229.5kN,其中每块加 1111 劲肋各传1R二1229.5二57.375kN,节点板传1R二丄229.5二114.75kN 4422 hf R/2 0.7dwffw 114750 0.7540160 二1.90mm 采用hf=5mm 节点板与底板的连接焊缝lw=2(280-10)=540mm,所需焊脚尺寸为 每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为: 口w=(80-20一10)2=100mm,所需焊 脚尺寸为hfR^4-573755.12mm取hf=6mm 0.7龙lwffw0.7x100x160 5.4.4下弦杆与支座斜杆和竖杆焊缝计算 下弦杆N=433.072kN肢背和肢尖焊缝均为hf=6mm,则所需焊缝长度为: 肢背: 0.75N — 2heff 0.75133072 20.75160 二74.3mm 肢尖: 1〃 — 0.25N 2heff— 0.25133072 20.75160 =24.8mm 支座斜杆N=—248.702kN肢背焊缝长度为hf=6mm,肢尖焊缝长度为 hf=5mm,则所需焊缝长度为: 肢背: ,/0.75N0.75133072“门 l——74.3mm 2hef720.76160 肢尖: ,//0.25N0.25133072 l——24.8mm 2hefr20.75160 支座竖杆N19.125kN肢背和肢尖焊缝均为hf=5mm,则所需焊缝长度为: 肢背: ,/0.7N0.719125一" l——11.95mm 2hefr20.75160 肢尖: ,//0.3N0.319125 l——5.12mm 2hefr20.75160 根据节点板尺寸所确定的焊缝长度均大于所需焊缝长度,全部焊缝满焊。 5.4.5上弦节点b设计 为了便于在上弦搁置屋面板,节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm用塞焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。 槽钢作为两条焊缝计算,这时,强度设计值应乘以0.8的折减系数。 计算时可略去屋架上弦坡度的影响,且假定集中荷载F与上弦垂直(图) 上弦肢背槽钢焊缝的hf=4mm,节点板的长度为435mm其应力为: k1(N^N2)2(0.5F)2 0.75238036f(0.538250)2 20.74(435-10) 上弦肢间角焊缝的应力为: =75.44: : : 0.8f,=128N/mm k2(N,—N2)2(0.5F)2 2helvW/ 0.25238036I2(0.538250)2 26.26: : : 160N/mm 20.74(435-10) 腹杆与节点板连接焊缝已在下弦节点中计算,可不必再计算,节点板尺寸就是根据腹杆焊缝长度按比例绘制确定。 上弦为了便于搁置屋面板,在角钢再肢间设置肋板。 5.4.6上弦节点d、f的设计 两个节点的弦杆内力差值较小,腹杆与节点板的焊缝连接已在下弦节点计算中解决,根据腹杆焊缝长度决定节点板尺寸(图),假定节点荷载由槽钢焊缝承受,可不必计算,仅验算肢尖焊缝。 d节点: N,-N2二344.097-238.030二106.067kN 106067 出吐竺06748.10N/mm2 20.7hflw20.75(325-10) M-f /M\2/N
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