钢筋结构课程设计实例

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1、.钢结构设计原理课程设计钢屋架土木工程专业本科临沂师范学院工程学院建筑工程系钢结构设计原理教学组一 由设计任务书可知：厂房总长为96m，柱距 6m，跨度为 24m，屋架端部高度为2m，车间内设有两台中级工作制吊车，该地区冬季最低温度为-22 。暂不考虑地震设防。屋面采用 1.5m6.0m 预应力大型屋面板， 屋面坡度为i=1:15 。卷材防水层面 （上铺 120mm泡沫混凝土保温层和三毡四油防水层）。屋面活荷载标准值为0.35KN/ ，雪荷载标准值为0.3KN/ ，风标准值为0.45KN/ ，积灰荷载标准值为0.5KN/ 。屋架采用梯形钢屋架，钢屋架铰支于钢筋混凝土柱上，混凝土强度等级C25.

2、二 选材：.根据该地区温度及荷载性质，钢材采用Q235-C。其设计强度为215KN/ , 焊条采用E43型，手工焊接，构件采用钢板及热轧钢筋，构件与支撑的连接用M20普通螺栓。屋架的计算跨度 L。 =24000- 2150=23700，端部高度： h=2000mm(轴线处 ) ， h=2150( 计算跨度处 ) 。三 结构形式与布置：屋架形式及几何尺寸见图一所示：屋架支撑布置见图二所示：.四 荷载与内力计算：1，荷载计算：活荷载于雪荷载不会同时出现，故取两者较大的活荷载计算。永久荷载标准值：防水层（三毡四油上铺小石子）0.35KN/ 找平层（ 20mm厚水泥砂浆）0.02 20=0.40 KN

3、/ 保温层（ 120mm厚泡沫混凝土）0.12 6=0.72 KN/ 预应力混凝土大型屋面板1.4 KN/钢屋架和支撑自重0.12+0.011 24=0.384 KN/ .管道自重0.1 KN/总计： 3.354 KN/ 可变荷载标准值：雪荷载屋面活荷载（取两者较大值）0.35KN/ 积灰荷载0.5KN/ 风荷载：查表可知迎风坡面体形系数为-0.6 ，背风坡面为-0.5 ，即当屋面夹角（ 3.8 ）小于 15时，风载为吸力，起卸载作用，一般不予考虑。总计： 0.85 KN/ 永久荷载设计值1.2 3.354 KN/ =4.0248KN/ 可变荷载设计值1.4 0.85 KN/ =1.19KN/

4、 2，荷载组合：设计屋架时应考虑以下三种组合：组合一全跨永久荷载+全跨可变荷载屋架上弦荷载P=(4.0248KN/ +1.19KN/ ) 1.5 6=46.9332KN组合二全跨永久荷载+半跨可变荷载屋架上弦荷载P =4.0248KN/ 1.5 6= 36.22KN1P =1.19KN/ 1.5 6=10.71 KN2组合三全跨屋架及支撑自重 +半跨大型屋面板自重 +半跨屋面活荷载屋架上弦荷载3P =0.384KN/ 1.2 1.5 6= 4.15KNP4=(1.4 1.2+0.35 1.4) 1.5 6= 19.53KN3, 内力计算：首先求出杆件内力系数，即单位荷载作用下的杆件内力，荷载布

5、置如图3 所示。经计算得表一， 表一列出了各个杆件的内力系数和杆件内力值，由表中的三种组合可见： 组合一， 对杆件计算起主要控制作用； 组合三可能引起中间几根斜腹杆发生内力变号，在施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设面板则可避免内力变号。表一屋架杆件内力组合表杆件全跨 1左半跨 2右半跨 3P*1P1*1+ P 2*2P1*1+ P 2*3P3*1+ P 4*2P3*1+ P 4*3计算内力名称（KN）上AB000000000.弦BCD-9.82-7.06-2.76-460.884-431.293-385.24-178.6348-94.6558-460.88.DE-15.89-10.78-5.1

6、1-745.769-690.9896-630.2639-276.4769-165.7418-745.77EFG-16.49-11.37-5.12-773.928-719.0405-652.103-290.4896-168.4271-773.93GHIJ-17.58-9.68-7.91-825.086-740.4204-721.4637-262.0074-227.4393-825.09ab5.433.991.44254.8473239.4075212.097100.459250.6577254.85下bc13.259.283.98621.8649579.3038522.5408236.22591

7、32.7169621.87弦cd18.8111.767.05882.8135807.2478756.8037307.7343215.748882.81de19.299.69.6905.3414801.4998801.4998267.5415267.5415905.34Aa-0.5-0.50-23.4666-23.465-18.11-11.84-2.075-23.47Ba-10.08-7.4-2.67-473.087-444.3516-393.6933-186.354-93.9771-473.09Bb8.145.712.44382.0362355.9849320.9632145.297381.4

8、342382.04Cb-1-10-46.9332-46.93-36.22-23.68-4.15-46.-93Db-6.79-4.38-2.42-318.676-292.8436-271.852-113.7199-75.4411-318.68Dc5.12.912.22239.3593215.8881208.498277.997364.5216239.36Ec-1.57-1.570-73.6851-73.6801-56.8654-37.1776-6.5155-73.69E10.690.69032.3839132.381724.991816.33922.863532.38腹c1-4.1-4.1-2.

9、68-192.426-192.413-177.2048-97.088-69.3554-192.43杆F1-1-10-46.9332-46.93-36.22-23.68-4.15-46.93G1-3.36-3.36-2.69-157.696-157.6848-150.5091-79.5648-66.4797-157.70-137.05Gd-2.92-2.921.8-137.045-137.0356-86.4844-69.145623.03623.04Hd000000000H2000000000I2000000000J2d1.141.14-2.353.5038553.500216.657826.9

10、952-40.188-40.19 53.50Je000000000注：表内负值表示压力，正值表示拉力。五 杆件截面设计：腹杆最大内力 N=-473.09KN ，由屋架节点板后参考可知： 支座节点板厚可取 12mm，其余节点厚和垫板厚度均取 10mm。1， 上弦杆整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=-825.09KN 。计算长度：屋架平面内取节点轴线长度l ox =133.7cm。屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面板能起一定的支撑作用，取上弦横向水平支撑的节点.长度 loy=267cm。因： 2lox=l oy 故截面宜选用两个不等肢的角钢，且短肢相并，见图4：设 =60，查轴心受压稳定

11、系数表=0.807需要截面积 A*=N=825.0910 3=4775 mm2. f0.807215需要回转半径 i x= l ox13372.2360需要回转半径 i y=l oy127604.45 60根据需要的 A*, ix,i y 查角钢型钢表，初选2L140 90 12， A=5280 mm2,i x=2.54cm,i y=6.81cm。按所选角钢进行验算：l ox133.7 =150x52.6i x2.54l oy267 =150y39.2i y6.81.由于 b1 /t=140/12=11.70.56270/140=10.7则 yzb1(1l 02yt 214267 21.2 2

12、3.7) =3.7(1) =45.4 =150t52.7b141.252.714 4由于 x yz y ，只需求出minx 查轴心稳定系数表x =0.844N825.09103185N / mm2215N / mm2X A0.8445280所选截面合适。2, 下弦杆整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=905.34KN。计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度l ox=3990mm。屋架平面外根据支撑布置，取l oy =11850mm。计算需要净截面面积 A* = N=905.34103=4211 mm2. f0215选用 2L125 80 12( 短肢相并 ) ，见图5：A=4680 mm

13、2 , i x =2.24cm, i y =6.15cm。按所选角钢进行验算：取An =A( 若螺栓孔中心至节点板边缘距离大于100mm，则不计截面削弱影响 )N905.34 103193.5N / mm2215N / mm2An4680xl ox399178.1 250i x2.24.l oy1185yi y192.7 3506.153， 端斜杆 Ba已知 N=-473.09KNl oxl oy247.9cm因为l oxl oy 故采用等肢角钢，使i x =i y选用 2L100 10 见图 6A=3860 mm2 , i x =3.05cm, i y =4.52cm。截面刚度和稳定验算：x

14、l ox247.981.3150i x3.05yl oy247.954.8150i y4.52由于 b/t=10/1.0=100.58247.9/ 1014.38y (10.475b40.4751042 ) 59.04yz22)554.8(121.0loy t247.9minx =0.6792.N3473.0910180.5N / mm2215N / mm2所选截面合适。X A 0.67923860填板放两块， l a82.6cm 40i x 403.05cm 122.0cm4， 斜杆 Bb已知： N=382.04KN计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度l ox= 0.8l0.82479198

15、3.2mm屋架平面外根据支撑布置，取l oy =2479mm。选用 2L806 见图 7：A=1880 mm2, i x =2.47cm, i y =3.65cm。N382.04 103203.2N / mm2215 N / mm2A1880xl ox198.3280.3350i x2.47yl oy247.967.9350i y3.65填板放两块， l a82.6cm80i x802.47cm197.6cm5,再分腹杆 c1GN1N c1192.43, N 2NG 1157.7, l1 3680mm计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度l ox=0.8l0.8 1840 1472mm屋架平面外

16、根据支撑布置取.loy l1 (0.75N1)3680(0.75 0.25192.340.25) 3883mm 。N 2157.7选用 2L80 6见图 8：A=1880 mm2, i x =2.47cm, i y =3.65cm。xl ox147.259.6 350i x2.47yl oy388.3106.4 350i y3.65由于 b/t=8/0.6=13.30.58388.3 / 828.2y (10.475b 4106.4(10.475842 )110.2yz22 )20.6l oy t388.3minx =0.4918N192.43103208.1N / mm2215N / mm2

17、所选截面合适。X A0.49181880填板放两块， l a97.1cm40i x402.47cm98.8cm6,斜杆 Dc已知： N=329.36KN计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度 l ox= 0.8l 210.4cm 屋架平面外根据支撑布置，取 l oy =263cm。选用 2L705 见图 9：.A=1374 mm2 , i x =2.16cm, i y =3.24cm。N139.36103174.2N / mm2215N / mm2A1374xl ox210.497.4 350i x2.16yl oy26381.2 350i y3.24填板放两块， l a87.6cm80i x8

18、02.16cm172.8cm7， 中竖杆 Je已知： N=0KNl 0 0.9l0.9280252mm中竖杆选用2L705 的角钢，并采用十字形截面，见图10：A 13.47cm2 ,i x02.16cmx0l 0252116.7150i x 02.16满足要求。填板放五块， l a50.4cm40i x0402.16cm86.4cm其余各杆截面选择过程不一一列出，计算结果见表二：计算长度回转半径计算填板杆件内力设计(cm)选用截面截面积（ cm）应力名称值 N(KN)m ax minloxl oyA（ cm 2 ） ixi yN / mm2块.上弦杆-825.09133.7267.0短肢相并

19、52.82.546.8152.61500.844-18522L1409012下弦杆905.343991185短肢相并46.82.246.15192.7350/193.522L1258012-23.47201.5201.5T 型截面9.61.532.45131.71500.3795-64.42Aa2L50 5-473.09247.9247.9T 型截面38.63.054.5281.31500.6792-180.52Ba2L10010382.04198.3247.9T 型截面18.82.473.6580.3350/203.42Bb2L806-46.93174.2217.8T 型截面9.61.532

20、.45113.91500.4705-103.92Cb2L505-318.68210.4263T 型截面38.63.054.5269.01500.757-109.12Db2L10010239.36210.4263T 型截面13.742.163.2497.4350/174.22Dc2L70 5-73.69188.5235.6T 型截面13.742.163.2487.31500.6392-83.92Ec2L70532.3894.1117.6T 型截面9.61.532.4561.5350/33.71E12L505-46.9394.2117.8T 型截面9.61.532.4561.51500.7995-

21、61.11F12L505c1-192.43147.2388.3T 型截面18.82.473.65110.21500.4918-208.12G1-157.702L806Gd23.04229.1286.4T 型截面18.82.473.65106.1150/12.262-137.052L8062500.6024-121.02Hd0209.8262.2T 型截面13.742.163.2497.11500.5757022L705H20144.8181T 型截面9.61.532.4594.61500.5904022L505I20104.9T 型截面9.61.532.4568.61500.7594012L5

22、05J2-d253.50154.8387T 型截面13.742.163.24126.0350/38.92-40.192L7051500.406-72.42Je0252252十字型截面13.74i minimin116.7150/022L7052.162.16六 节点设计用 E43 焊条时，角焊缝的抗拉，抗压和抗剪强度设计值f fw160N / mm2.各杆件内力由表二查得，最小焊缝长度不应小于8 h f 和 40mm。1， 下弦节点b 见图 11(1) 斜杆 Bb 与节点的连接焊缝计算：N=382.04KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和 5mm，所需焊缝长度为：k1N2382.04103

23、肢背：l w2hf312201.5mm取 l w =200mm20.7hff fw0.7 62160k2 N1382.04103肢尖：l wf fw2hf310133.7mm取 l w =150mm20.7hf20.7 5160（2）斜杆 Db 与节点的连接焊缝计算：N=318.68KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和 5mm，所需焊缝长度为：k1N2318.68103肢背： l w2hf312170.1mm取 l w =180mm20.7hf f fw20.7 6160k2 N1318.68103肢尖： l w2hf310104.8mm取 l w =120mm20.7hf f fw20.

24、7 5160（3）斜杆 Cb 与节点的连接焊缝计算：N=46.93KN因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸h f5mm.焊缝长度 l w 40mm 取l w =60mm。（4）下弦杆与节点板连接焊缝计算：焊缝受力为左右下弦杆的内力差 N=621.27 -254.58=369.29KN;设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm，所需焊缝长度为：k1N2367.29103肢背：l wf fw2hf312194.2mm取 l w =200mm20.7hf20.7 6160k2 N1367.29103肢尖：l wf fw2hf310103.2mm取 l w =120mm20.7hf20.7 616

25、0（5）节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例做出构造详图，从而定出节点尺寸，如图12 所示：2， 上弦节点B 见图 13.（1）斜杆 Bb 与节点板连接焊缝的计算：N=382.04KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和 5mm，所需焊缝长度为：k1N2382.04103肢背： l w2hf312201.5mm取 l w =200mm20.7hf f fw0.7 62160k2 N1382.04103肢尖： l w2hf310133.7mm取 l w =150mm20.7hf f fw20.7 5160（2）斜杆 Ba 与节点板连接焊缝的计算：N

26、=473.09KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为10mm和 6mm，所需焊缝长度为：k1N2473.09103肢背： l w2hf320160.8mm取 l w =180mm20.7hf f fw20.7 10160k2 N1473.09103肢尖： l w2hf312129.3mm取 l w =150mm20.7hf f fw20.7 6160（ 3）上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘的上肢背可缩进 8mm，用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，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。假定集中荷载 P 由槽

27、焊缝承受， P=46.9332KN，焊角尺寸为 5mm。所需槽焊缝长度为：l wP2hf46.933210351.9mm 取 l w =60mm0.7hf f fw20.75102160.上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差： N=473.09-0=473.09KN偏心距 e=90-21.9=68.1mm设肢尖焊角尺寸为8mm，设所需焊缝长度为400mm，则：fN473.09103110.0 N / mm22 0.7h fl w20.78(40016)fM26N ? el w )26473.0910368.1117.1N / mm2WF0.7h f (20.78(40016) 2() 2(f

28、) 2(117.1) 2(110.0) 2146.0N / mm2160 N / mm2f1.221.22（4）节点板尺寸：如图14 所示：3， 屋脊节点J 见图 15.（ 1） 弦杆与角钢连接焊缝计算：弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力来计算。N=825.09KN设肢尖、肢背焊角尺寸为8mm，l wN2hf825.0910340.7hf f fw4 0.716 246.2mm 取 l w =300mm8 160拼接角钢长度取2300+50=650mm。

29、（2） 弦杆与节点板的连接焊缝计算：上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载，上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15计算 :N=825.09 15 =123.8KN。设肢尖焊角尺寸为8mm，弦杆一侧焊缝长度为200mm。fNl w2123.810316)60.1N / mm22 0.7h f0.78(200fM26N ? el w )226 123.810368.1133.4N / mm2WF0.7h f (0.78(20016) 2(f ) 2(f ) 2(133.4) 2(60.1) 2124.8N / mm2160 N / mm21.221.22（2）中竖杆与节点板的连接焊缝计算

30、：N=0KN此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸h f 5mm焊缝长度 l w 40mm 取l w =60mm。(3) 斜杆 J2 与节点板的连接焊缝计算：N=53.5KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和 5mm，所需焊缝长度为：.k1N253.5103肢背：l w2hf31243.8mm取 l w =60mm20.7hf f fw20.7 6160k2 N153.5103肢尖：l w2hf31025.9mm取 l w =60mm20.7hf f fw20.75160（5） 节点板尺寸如图 16所示：4， 下弦跨中节点e 见图 17（1） 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：拼接角钢与下

31、弦杆截面相同，传递内力N=905.34KN设肢尖、肢背焊角尺寸为8mm，则需焊缝长度为：.l wN2hf905.341030.7hf f fw4 0.716 268.6mm 取 l w =300mm48 160拼接角钢长度取2300+20=620mm。（ 2）弦杆与节点板连接焊缝计算 , 其内力按下弦杆内力的 15计算 : N=905.3415 =135.8KN设肢背与肢尖的焊角尺寸为6mm，弦杆一侧所需焊缝长度为：k1N2135.8103肢背：l w2h312mm取 l w =90mm0.7hf f fwf20.7 679.42160k2 N1135.8103肢尖： l w2hf31245.

32、6mm取 l w =60mm0.7hf f fw0.7 622160（3）节点板尺寸，如图18 所示：5，端部支座节点a 见图 19：.(1) 为了便于施焊，下弦角钢水平肢的地面与支座地板的距离一般不小于下弦伸出肢的长度，故可取 160mm，在节点板中心线左侧设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相同，厚度同端部节点板为 12mm。支座底板计算：支座反力： R=473.09sin57.4+23.4=422.03KN 。取加劲肋的宽度为80mm，考虑底板上开孔，按构造需求取地板尺寸为240mm360mm,偏安全地取有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为：An 240(2 180 12)41

33、280mm2验算柱顶混凝土的抗压强度：R422.0310310.2N / mm2f c 11.9 N / mm2满足要求。An41280地板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算、 节点板和加劲肋将底板分为四块， 每块板为两边支撑而另两边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：M22式中- 地板下的平均应力，10.2 N / mm22 -两边支撑对角长度，(120 12/ 2) 2802139.3mm- 系数 由 b2 /2 决定， b2 为两边支撑的焦点到对角线2 的垂直距离， 由三角形12080面积关系得 b2 =68.9mm139.3.b2 /2 =0.50查表得=0.0602M0.06021

34、0.6139.3212382.4N ?mm地板厚度6M / f612382.4 / 21518.5取 t=20mm（ 1）加劲肋与节点板的连接焊缝计算：偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座反力的1/4 ，则焊缝受力：V422.03103105.5103 N4M V ?e 105.510 347.55.01 106 N ? mm设肢焊缝尺寸为6mm，设所需焊缝长度为170mm，则：fNl w2105.510312)79.5N / mm22 0.7h f0.76(170M6N ? e65.011062fWF20.7h f (l w ) 22 0.76(170 12)2143.4N / mm(f)2(

35、f ) 2(143.4) 2( 79.5) 2141.9N / mm2160 N / mm21.221.22所以加劲肋高度不小于170mm即可。（ 2）节点板加劲肋与底板的连接焊缝计算:设底板连接焊缝传递全部支座反力R=422.03KN设焊缝尺寸为 8mm节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度：l w2(240 2h f)4(802h f20)624mmfRl w422.0310399.0N / mm2160N / mm2满足要求1.22he1.220.78624（ 3）下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算:竖杆与节点板的连接焊缝计算: N=26.33KN1此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸h f5mm