27钢结构课程设计例题DOC

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1、1课程设计名称梯形钢屋架设计课程设计资料北京地区某金工车间，采用无檩屋盖体系，梯形钢屋架。跨度为27m 柱距6m厂房高度为15.7m,长度为156m车间内设有两台200/50kN中级工作 制吊车，计算温度高于-20C。采用三毡四油，上铺小石子防水屋面，水泥砂 浆找平层，厚泡沫混凝土保温层， 1.5mx6m预应力混凝土大型屋面板。 屋面 积灰荷载为0.4kN/ ，屋面活荷载为 o.4kN/ ，雪荷载为 o.4kN/ ，风荷载 为 0.45 kN/ 。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，柱截面为400mrX400mm 混凝土标号为 C20设计荷载标准值见表 1 （单位：kN/m2）o表 1防水层找平层保温层

2、找平层混凝土屋面板0.40.40.10.51.4三、 钢材和焊条的选用根据北京地区的计算温度、荷载性质和连接方法，屋架刚材采用Q235 沸腾钢，要求保证屈服强度 fy、抗拉强度 fu、伸长率3和冷弯实验四项机械性 能及硫（S）、磷（P）、碳（C）三项化学成分的合格含量。焊条采用 E43 型， 手工焊。2四、屋架形式和几何尺寸屋面材料为预应力混凝土大型屋面板，采用无檩屋盖体系，平坡梯形钢屋架。屋面坡度i = 1/10。屋架计算跨度10= I - 2 150二27000- 2 150二26700mm。屋架端部高度取：H0二2000mm。跨中高度：H二H。丄i = 2000 26700/2 0.1二

3、33353350mm2屋架跨中起拱f = I / 500 = 54mm,取 50 mm为了使屋架节点受荷，配合屋面板 1.5m 宽， 腹杆体系大部分采用下弦节间 水平尺寸为 3.0m 的人字形式，上弦节间水平尺寸为 1.5m，屋架几何尺寸如图 1 所示。mJ:图 1 27 米跨屋架几何尺寸屋架高跨比:3350126700 - 8.0:IC30333C03RI5I2触3根据车间长度、跨度及荷载情况，在车间两端 5.5m 开间内布置上下弦横五、屋盖支撑布置4向水平支撑，在设置横向水平支撑的同一开间的屋架两端及跨中布置三道竖向 支撑，中间各个屋架用系杆联系，在屋架两端和中央的上、下弦设三道通长系 杆

4、，其中：上弦屋脊节点处及屋架支座出的系杆为刚性系杆（图2），安装螺栓采用 C 级，螺杆直径：d=20mm 螺孔直径：d0=21.5mm一-IIf卜vJ1 cALEJJ /11C.l1nL1cu丄7 3o 111,JCUjLG?/GG3SI-IoIShJ*a-a口、Ur-*ii*_i* _1xC1 ,11二7G一5L19W习Inrr_GG_11UGXX1IG26F二（3.86 1.12） 1.56 =44.82kN62 全跨永久荷载+半跨可变荷载 全跨节点永久荷载：3.86 2.5 6 = 34.74kN半跨节点可变荷载：F2-1.12 1.5 6= 10.08kN6.3.全跨屋架（包括支撑）自

5、重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载：全跨节点屋架自重：F0.50 1.5 6 = 4.5kN半跨节点屋面板自重及活荷载：F4-1.68 0.56 1.5 6 = 10.5kN6.1、6.2 为使用节点荷载情况，6.3 为施工阶段荷载情况。七、内力计算由图解法或数解法解得 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）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表2。表 2屋架杆件内力组合表杆件名 称内力系数（F=1）内力组合值计算杆内力（kN）全跨左半跨右半跨第一种组合 FX第二种组合第三种组合F1X+ F2XRX+ F2XF3X+ F4XF3X+ F4X上弦A

6、B000000000.0BC-9.97-7.19-2.79-446.9-418.8-374.5-120.4-74.2-446.9CD-9.97-7.19-2.79-446.9-418.8-374.5-120.4-74.2-446.97DE-15.8-10.75-5.06-708.2-657.3-599.9-184.0-124.2-708.2EF-16.38-11.33-5.06-734.2-683.2-620.0-192.7-126.8-734.2FG-16.38-11.33-5.06-734.2-683.2-620.0-192.7-126.8-734.28GH-18.67-11.05-7.6

7、2-836.8-760.0-725.4-200.0-164.0-836.8HI-19.17-11.05-7.62-859.2-777.3-742.8-202.3-166.3-859.2IJ-19.17-11.54-7.62-859.2-782.3-742.8-207.4-166.3-859.2下弦ab5.363.961.41240.2226.1200.465.738.9240.2be13.319.343.97596.6556.5502.4158.0101.6596.6cd18.2411.426.82817.5748.8702.4202.0153.7817.5de17.818.98.9798.2

8、708.4708.4173.6173.6798.2斜腹杆aB-10.05-7.42-2.63-450.4-423.9-375.6-123.1-72.8-450.4Bb7.955.572.38356.3332.3300.294.360.8356.3bD-6.47-4.18-2.29-290.0-266.9-247.9-73.0-53.2-290De4.612.592.02206.6186.3180.547.942.0206.6ef-3.5-1.01-2.49-156.9-131.8-146.7-26.4-41.9-156.9fG-2.69-0.21-2.49-120.6-95.6-118.5-1

9、4.3-38.3-120.6Ef0.730.73032.732.725.411.03.332.7Gd0.72-0.931.6632.315.641.7-6.520.7-6.541.7dg1.153.13-1.9751.571.520.138.0-15.5-15.571.5gJ1.893.87-1.9784.7104.745.849.1-12.2-12.2104.7Hg0.670.67030.030.023.310.13.030竖杆Aa-0.5-0.50-22.4-22.4-17.4-7.5-2.3-22.4Cb-1-10-44.8-44.8-34.7-15.0-4.5-44.8Ec-1.5-1

10、.50-67.2-67.2-52.1-22.5-6.8-67.2Ff-1-10-44.8-44.8-34.7-15.0-4.5-44.8Hd-1.5-1.50-67.2-67.2-52.1-22.5-6.8-67.2Ig-1-10-44.8-44.8-34.7-15.0-4.5-44.8Je000000000八、杆件设计8.18.1 上弦杆整个上弦采用等截面，按 HIHI、IJIJ 杆件的最大设计内力设计。N=N= -859.2kN-859.2kN上弦杆计算长度：在屋架平面内：为节间轴线长度lx= I。= 1508mm在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据9

11、支撑布置和内力变化情况，取 l loy为支撑点间的距离，即loy二1507 2 1508二4522mm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，短肢相并。腹杆最大内力 N=N= -450.4kN-450.4kN，查表得，中间节点板厚度选用 12mm12mm 支座节点板厚度选 用 14mm14mm设=60，查 Q235Q235 钢的稳定系数表，可得二0.807（由双角钢组成的 T T 型和十字形 截面均属于 b b 类），则需要的截面积:A N 859.2 103A =0.807汉215yA 0.818阴呎207.6215MPa所选截面合适，上弦截面如图所示:图 7:上弦截面2

12、4952.0mml 1508需要的回转半径：厂25.1mm,iyoxl4522=75.4mm根据需要Ai ix、i iy查角钢规格表，选用 2L1602L160X 100100X1010,肢背间距 a a= 12mm12mm 则 A A=250.650.6cmcm，ix= 2.85cm，iy= 7.78cm按所选角钢进行验算:壘=52.9，ix28.5oxloyly吗58.177.8满足长细比150的要求。由于y -只需求；：y，查表；：y= 0.8180.818，859.2 103108.28.2 下弦杆整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的cdcd 杆计算。N=817.5kNN=817.

13、5kNlx= 4500mm,ly= l= 2670012 =13350mm所需截面积为（因跨中有通长系杆）=3802.3mm2= 38.02cm2215选用 2L1602L160X100100X 1010,因loylx,故用不等肢角钢，短肢相并。2A A= 50.650.6cm,ix= 2.85cm,iy= 7.78cm817.5 1031lx450二157.9 350,2.85oyiy1335=171.6 3507.788175005060二161.6MPa 215MPa，所以满足要求。下弦截面如图:图 8.下弦截面8.38.3 斜杆杆件轴力：N = -450.4 kN计算长度:匚二 J 厂

14、2530mm因为 l lox =loy，故采用等肢角钢，使ixiy。选用 2L1002L100X 1010。则: :2A A= 38.5238.52cm,ix二3.05cm,iy二4.60cmJp_J* 1末11端斜杆截面如图:8.48.4 腹杆腹杆 cf-fGcf-fG 在 f f 节点处不断开，采用通长杆件。Ncf二-156.9kN, ,NfG二-120.6kN再分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距lox= 2087mm，在桁架平面外的计算长度:人厂血.75g4174切。25156.9)=3932.6mm选用 2L1102L110X 1010，查角钢规格表得2A A=

15、45.5245.52cm，ix二3.38cm，Iy15690072.3MPa 215MPa0.458 4552再分腹杆截面如图:xA1oxlx2530=830,只需求X。查表，x= 0.6680.668，则: :1iy2530二55.0450400175.0MPa 215MPa，故所选截面合适。N1二5.00cmlox20ix19.4115.9 150,loy3932.6二只需求x。查表x= 0.4580.458，Iy50.0图 9.端斜杆截面128.58.5 竖杆 HdHdN = -67.2kN,lx= 0.81二0.8 3050二2440mm,Iy= 3050mm由于杆件内力较小，按二订=

16、150选择，需要的回转半径为查型钢表，选截面的 i ix和 i iy较上述计算的 i ix和 i iy略大些。选用 2L632L63X 5 5,其几何特性为:2A A= 12.2912.29cm，ix= 1.94cm，iy= 3.04cm由于 x，只需求 。查表，x= 0.4060.406，则: :竖杆截面如图:L2440=16.3mm，i1501oyn3050150二20.3mm也二2440=125.8 150，ix19.4loy二3050=100.3150672000.406 1229二134.7MPa 215MPa13图 10:竖杆截面其余各杆件的截面选择结果见表3 3。表 3屋架杆件截

17、面选择表14名称杆件编号内力/kN计算长度/cm截面规格截面面积/ 2 /cm回转半径/cm长细比容许长细比 k稳定系数计算应力笄A(N mm2)l0 xl lyi ixi iy/-yxy上弦HI、IJ-859.2150.8452.21|160X100X1050.62.857.7852.958.11500.818207.6下弦cd817.5450133511160X100X1050.62.857.78157.9171.63500.246161.6腹杆aB-450.4253253ir100X1038.523.054.6083.055.01500.668175.0Bb356.3262.2262.2

18、1厂100X1038.523.054.6085.957.01500.648142.7bD-290287.3287.3r00X1038.523.054.6094.262.51500.594126.7De206.6287.3287.311 100X1038.523.054.6094.262.51500.59490.3cf-156.9208.7393.311 110X1045.523.385.00115.978.651500.45872.3fG-120.6208.7393.3I厂110X1045.523.385.00115.978.651500.45857.85Ef32.7189189-ir63X

19、512.291.943.0497.462.21500.57546.3Gd-6.541.7326.5326.5-IT63X512.291.943.04168.3107.41500.254133.6dg-15.571.5224.9425.9-ir63X 512.291.943.04115.9140.11500.34185.2gJ-12.2104.7224.9425.9ir 63 X 512.291.943.04115.9140.11500.34185.2Hg30203.5203.5lr63X 512.291.943.04104.966.91500.52346.67竖杆Aa-22.4161.2201

20、.5II 63X512.291.943.0483.166.31500.66827.3Cb-44.8184230nr63x512.291.943.0494.875.71500.58862.0Ee-67.220826063X512.291.943.04107.285.51500.511107.0Ff-44.8104130H 63X512.291.943.0453.642.81500.83843.5Hd-67.224430511 63X512.291.943.04125.8100.31500.406134.7表 3屋架杆件截面选择表15Ig-44.8122152.51厂63X512.291.943.

21、0462.950.21500.79146.116九、节点设计采用 E43E43 焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值f ffw= = 160Mpa160Mpa9.19.1 下弦节点“ b b”设 bBbB 杆的肢背和肢尖焊缝 h hf= = 8mm8mm 和 6mm6mm，所需焊缝长度为:肢背l1:3,K1N“0.6 356.10门 c 八l1-w2hf2 8二145.23mm2 0.7hf1ff2 0.7 8 160肢尖l2:.QN丄“0.35沃356.3X03丄 c 厂l2- 2hf2 6二104.79mm2 0.7hf2ff-2 0.7 6 160取h = 160mm l120mm

22、，0 0设 bDbD 杆的肢背和肢尖焊缝 h hf=8mm=8mm 和 6mm6mm，所需焊缝长度为:肢背l1:3,ON丄“0.65汉29010丄 c ccl1-w2hf2 8 = 121.19mm2 0.7hf1ff2 0.7 8 160肢尖l2:K2N0.35汉290X03l222hf26 =87.52mm2 0.7hf2ff-2 0.7 6 160取h =13mm90叫bCbC 杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取 h hf= = 5mm5mm根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间的间隙以及制作、装配等误差，按比例作出节点详图（见图 1111），从而确定节点板的尺寸为 280280X

23、340mm340mm 下弦与节点板连接到焊缝长度为 340mm340mm h hf=5mm=5mm，焊缝承受节点左、右弦杆的内力差N= NUNNUNab= 596.6-240.2596.6-240.2=356.4kN356.4kNo 验算肢背焊缝的强度:& N2 0.7hflw30.65356.4 102 2二100.3N / mm 160mm17图 11 ：下弦节点“ b”9.29.2 上弦节点“ B B”斜杆 BbBb 与节点板连接焊缝计算，与下弦节点 b b 中 BbBb 杆计算相同。斜杆 BaBa 与节点板连接焊缝计算：N=-450.4kNN=-450.4kN。设“aBaB杆的肢背与肢

24、尖的焊脚尺寸分别为 10mn10mn 6mm6mm 所需焊缝长度为肢背l1:3,QN丄“0.65汉450.4X0丄“11w2hf2 10二150.70mm2 0.7hf1ff2 0.7 10 160,K2N亠0.35汉450.4S03c c .肢尖12:12w2hf2 6 - 129.29mm2 0.7hf2ffw2 0.7 6 160取h =180mrn,l2=150rnrno为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背 8mm8mm 用槽 焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，槽焊缝强度设计值乘以0.80.8 的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影

25、响，而假定集中荷载P P 与上弦垂直。 上 弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得到：11hf1节点板厚实度12 =6mm,hf2=6mm。2218肢尖焊缝承担弦杆内力N =446.9kN，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载F =44.8kN。上弦与节点板间焊缝长度为 460mm460mm 则0.65 44690020.7 6 (460-12)冷2=（黑厂2 77.8沁 26002 X 260=520mm260=520mm上弦与节点板间的槽焊，假定承受节点荷载，验算略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝应按上弦内力的 15%+15%+算。设肢尖焊缝hf=10mm, ,节点板长度为 500mm500mm 节点一侧弦

26、杆焊缝的计算长度为lw= (500/2 -10 - 20) = 220mm焊缝应力为:（寸）2冷需）2+41.82=84.1MPa160MPa节点形式如图：图 12:屋脊节点“ J”9.49.4 下弦跨中节点“ e e”0.15 8592002 0.7 10 220二41.8MPa6 0.15 859200 78.12 0.7 10 2202二89.1MPa 160MPaJ J21跨中起拱 50mm50mm 下弦接头设于跨中节点处，连接角钢取与下弦杆相同截面 2L1602L160X100100 x 1010， h hf=8mm=8mm，焊缝长度:拼接角钢长度1= 2 300 10二610mm弦

27、杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力的 15%15%计算。N = 798.2 15%=119.7kN设肢背、肢尖焊脚尺寸为 8mm8mm,弦杆一侧需焊缝长度为0.65 119.7 1032 0.7 6 160lw2-50mm-50mm，取lw2=60mm=60mm节点板宽度是由连接竖杆的构造要求所决定的，按比例绘出节点详图，从而确定节点 板尺寸。0.65 7982002 0.7 6(60012)焊缝强度满足要求。节点形式如图：N4 0.7 hffwf79820016 4汉0.7汉8汽160222.7mm，取 l lw=300mm=300mm。肢背：1W112二69.9mm,取Iw1=90mm=

28、90mm肢尖1w20.35 119.7 1032 0.7 6 16012 = 43.2mm按构造要求，取焊缝长度= 105.0MPa ffw=160MPa22图 13:下弦跨中节点“ e”9.59.5 端部支座节点“ a a”为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm 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14mm(1(1)支座底板的计算支座反力:R二44820N设支座底板的平面尺寸采用280mm 400mm,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280 234 = 65520mm2。验算柱顶混凝土的抗压强度:R 477810CF

29、=n7.29MPa：fc=9.6MPaAn65520式中：f fc混凝土强度设计值，对 C20C20 混凝土，f fc=9.6MPa9.6MPa支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：M M = = ：2 2二 a a；式中：二一底板下的平均应力，即- -=8.49=8.49MPa。Ia2两边支承之间的对角线长度，即 a a2(140-(140-；) )2 1101102= = 172.6mm172.6mm2系数，由S/a2查表确定。2324b2为两边支承的相交点到对角线a2的垂直距离。由此

30、得:b b2133=8 8 仙肚=84. .8 8“4949172.6172.6a a2172.6172.6查表得：2= 0.05460.0546。则单位宽度的最大弯矩为：M M 二cafcaf =0.0546=0.0546 8.498.49 172.6172.62=13809.63N=13809.63N mmmm底板厚度：丄 6M6M6 6 13809.6313809.63“t t19.63mm19.63mm丫f、215，取 t t = 22mm22mm所以底板尺寸为280 234 22mmmm(2 2)加劲肋与节点板的连接焊缝计算焊缝长度等于加劲肋高度，也等于节点板高度。由节点图得焊缝长度

31、为440mm440mm 计算长度|戶 440-12-15440-12-15 = 413(413( mr)i(mr)i(设焊脚尺寸 h hf= 8mr8mr)每块加劲肋近似的按承受 R/4R/4 计算, R/R/4 4作用点到焊缝的距离为 e e=( 140-8140-8) /2/2 = 6666 mmmm 则焊缝所受剪力 V V 及弯矩 M M 为：R 44820V11.21kN,M =Ve = 44.82 66 = 2958.1kN mm44焊缝强度验算=7.99N/mm7.99N/mm f ff：满足要求。(3 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 =44820N

32、，其中每块加劲肋各传R/4 = 11210N，节11.21X03亠.2汉0.7汇8汇413丿：6汉29581 103J.22汉20.7汉8汉4132VX0.7hflw6M_j.22X2X0.7hfl：25点板传递R/2 =22410N节点板与底板的连接焊缝长度TwTw =2=2 (280(280 -12)-12) = = 536mm536mm，所需焊脚尺寸为hfR/20.7lwffw1.220.7 536 160 1.22 -0.31mm，取h= =6mm6mm。每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为5八2 (11020-12156mm所需焊缝尺寸hfR/40.7lw1.22112100.7 156

33、 160 1.22二0.53mm所以取h hf节点形式如图：26图 14：端部支座节点a”9.69.6 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 c 与节点板厚度 t t 之比, 均小于或等于 1O.1O.235/fy。所有与竖杆相连的节点板，c/tc/t 均小于或等于 15.15.235/fy， 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1515,斜腹杆与弦的夹角均在 30306060之间，节点板的自由边长度与厚度之比均小于 60.60.235/fy，都满足构造要求，节点板均安全 可靠。十、附图屋架施工图绘制Ju二- HiHir iBii iLnH-Hr r二.1T4?JiLULULJLLL1IIIMI6BURKIIIMn