淮阴工学院钢结构设计原理课程设计.docx
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淮阴工学院钢结构设计原理课程设计
淮阴工学院
课程设计计算说明书
课程名称:
钢结构设计原理
设计题目:
某梯形钢屋架设计
专业层次:
土木工程(本科)
班级:
姓名:
学号:
112140
指导老师:
2014年12月
1、设计资料
1)某厂房跨度为21m,总长90m,柱距6m,屋架下弦标高为18m。
2)屋架铰支于钢筋混凝土柱顶,上柱截面400×400,混凝土强度等级为C30。
3)屋面采用1.5×6m的预应力钢筋混凝土大型屋面板(屋面板不考虑作为支撑用)。
4)该车间所属地区辽宁省阜新市。
5)采用梯形钢屋架。
考虑静载:
①预应力钢筋混凝土屋面板(包括嵌缝)②二毡三油防水层③20mm厚水泥砂浆找
支撑重量;
考虑活载:
①活载
6)地震设防烈度为7
7)钢材选用Q235钢,焊条为E43型。
2、屋架形式和几何尺寸
屋面材料为大型屋面板,故采用无檩体系平破梯形屋架。
屋面坡度i=1/10;
屋架计算跨度L0=21000-300=20700mm;
端部高度取H=1990mm,中部高度取H=3190mm(为L0/7.4)。
屋架几何尺寸如图1所示:
图1:
21米跨屋架几何尺寸
三、支撑布置
由于房屋长度有6米,故在房屋两端及中间设置上、下横向水平支撑和屋架两端及跨中三处设置垂直支撑。
其他屋架则在垂直支撑处分别于上、下弦设置三道系杆,其中屋脊和两支座处为刚性系杆,其余三道为柔性系杆。
4、设计屋架荷载
屋面活荷载与雪荷载不会同时出现,从资料可知屋面活荷载大于雪荷载,故取屋面活荷载计算。
由于风荷载为0.35kN/m2小于0.49kN/m2,故不考虑风荷载的影响。
沿屋面分布的永久荷载乘以
换算为沿水平投影面分布的荷载。
桁架沿水平投影面积分布的自重(包括支撑)按经验公式(
=0.12+0.011
跨度)计算,跨度单位为m。
标准永久荷载:
二毡三油防水层1.004x0.40=0.4016kN/m2
20mm厚水泥砂浆找平层1.004x0.4=0.402kN/m2
预应力混凝土大型屋面板(包括灌缝)1.004x1.4=1.406kN/m2
屋架和支撑自重为0.07+0.011x21=0.301kN/m2
_____________________________
共2.5106kN/m2
标准可变荷载:
屋面活荷载0.7kN/m2
_____________________________
共0.7kN/m2
考虑以下三种荷载组合
1全跨永久荷载+全跨可变荷载
2全跨永久荷载+半跨可变荷载
3全跨桁架、天窗架和支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载
(1)全跨永久荷载+全跨可变荷载(按永久荷载效应控制的组合)
全跨节点荷载设计值:
F=(1.35x2.5106kN/m2+1.4x0.7x0.7kN/m2)x1.5mX6m=36.6778kN
(2)全跨永久荷载+半跨可变荷载
全跨永久荷载设计值:
对结构不利时:
F1,1=1.35x2.5106x1.5x6=30.5038KN(按永久荷载效应控制的组合)
F1,2=1.2x2.5106x1.5x6=27.1145KN(按可变荷载效应控制的组合)
对结构有利时:
F1,3=1.0x2.5106x1.5x6=22.5954KN
半跨可变荷载设计值:
F2,1=1.4x(0.7x0.7)x1.5x6=6.174KN(按永久荷载为主的组合)
F2,2=1.4x0.7x1.5x6=8.82KN(按可变荷载为主的组合)
(3)全跨桁架包括支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载(按可变荷载效应控制的组合)
全跨节点桁架自重设计值:
对结构不利时:
F3,1=1.2x0.301x1.5x6=3.2508KN
对结构有利时:
F3,2=1.0x0.301x1.5x6=2.709KN
半跨节点屋面板自重及活荷载设计值:
5、屋架杆件内力计算
用图解法先求出全垮和半跨单位节点荷载作用下的杆件内力系数,然后乘以实际的节点荷载,屋架在上述第一种荷载组合作用下,屋架的弦杆、竖杆和靠近两端的斜腹杆,内力均达到最大,在第二种和第三种荷载作用下,靠跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生变号。
因此,在全垮荷载作用下所有杆件的内力均应计算,而在半跨荷载作用下仅需计算靠近跨中的斜腹杆内力。
计算结果列于下表:
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
最大压力
最大拉力
上弦
AB
0
0
0
0
0
0
0
0
0
BD
-7.472
-5.31
-2.16
-274.058
-274.760
-246.977
-147.363
-71.952
-274.760
DF
-11.26
-7.34
-3.92
-412.992
-408.214
-378.049
-206.223
-124.345
-412.992
FH
-12.18
-6.86
-5.32
-446.738
-432.043
-324.617
-197.224
-150.360
-446.738
下弦
ac
4.100
3.01
1.09
150.379
151.615
134.680
83.166
37.201
151.615
ce
9.744
6.66
3.08
357.390
355.972
324.397
185.837
100.132
357.390
eg
11.96
7.32
4.64
438.668
429.390
405.753
207.640
143.481
438.668
斜腹杆
aB
-7.684
-5.64
-2.04
-281.833
-284.138
-252.386
-155.838
-69.654
-284.138
Bc
5.808
3.96
1.85
213.025
212.094
193.484
110.536
60.023
213.025
Dc
-4.409
-2.63
-1.78
-161.713
-157.689
-150.192
-74.906
-54.557
-161.713
De
2.792
1.22
1.57
102.404
95.928
99.014
36.770
45.637
102.404
Fe
-1.572
-0.05
-1.53
-57.6578
-43.393
-61.447
-5.441
-40.428
-61.447
Fg
0.328
-1.04
1.37
12.0303
0.832
22.083
-24.009
33.686
-24.009
33.686
Hg
0.713
1.91
-1.2
26.1514
38.596
11.166
47.656
-26.796
-26.796
47.656
竖杆
Aa
-0.5
-0.5
0
-18.339
-18.339
-18.614
-13.325
-1.355
-18.614
Cc
-1
-1
0
-36.6778
-36.6778
-37.228
-26.649
-2.709
-36.6778
Ee
-1
-1
0
-36.6778
-36.6778
-37.228
-26.649
-2.709
-36.6778
Gg
-1
-1
0
-36.6778
-36.6778
-37.228
-26.649
-2.709
-36.6778
6、杆件截面选择
⑴上弦杆
整个上弦杆采用等截面,按FH杆件的最大内力计算,即NFH=446.738kN,
上弦杆计算长度:
在屋架平面内:
为节间轴线长度,即l0x=l0=1.5075m,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,根据支持布置和内力变化情况,取l0y为支撑点间的距离,即l0y=3×1.5075=4.5225m
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。
如图所示。
腹杆最大内力N=213.025KN,查表,中间节点板厚度选用8mm,支座节点板厚度选用10mm。
设λ=60,查Q235钢的稳定系数表,可得ψ=0.807,则需要的截面积为A=N/ψf=446.738×1000/0.807×215=2574.785mm2
需要的回转半径:
ixreq=l0x/λ=1.5075/60m=25.1mm
iyreq=l0y/λ=3.255/60m=75.4mm
根据需要的A、ix、iy查角钢规格表,选用2L160×100×12,肢背间距a=10mm,则
A=60.11cm2,ix=2.82cm,iy=7.67cm
截面验算:
λx=l0x/ix=150.75/2.82=38.48<[λ]=150(满足)
λy=l0y/iy=452.25/7.67=58.75﹤[λ]=150(满足)
由于λy>λx,只需求ψy。
查表ψy=0.814,则
N/ψA=446.738×103/(0.814×50.64×102)﹤f=215N/mm2(满足)
⑵下弦杆
整个下弦杆采用等截面,按最大内力所在的杆计算,Neg=438.668kN计算。
l0x=300cm,l0y=1485cm。
所需截面积Areq=N/f=438.668×103/215=2040.3mm2
查角钢规格表,选用2L160×100×10,因l0y》l0x,故用不等肢角钢,短肢相并。
肢背间距a=10mm,则
A=50.63cm2,ix=2.846cm,iy=7.62cm
λx=l0x/ix=300/2.846<λ=350(满足)
λy=l0y/iy=1485/7.62<λ=350(满足)
⑶端斜杆
1aB杆
杆件轴力:
N=-284.138kN,
计算长度:
l0x=l0y=2535mm,因为l0x=l0y,故用不等肢角钢,长肢相并,使ix≈iy。
选用2140×90×10,则A=44.52cm2,ix=4.47cm,iy=3.74cm
λx=l0x/ix=2535/44.7=56.7<[λ]=150(满足)
λy=l0y/iy=2535/37.4=67.8<[λ]=150(满足)
因为λy>λx,只需求ψy,查表得ψy=0.764。
N/ψA=284138/(0.764×44.52×102)﹤f=215N/mm2(满足)
(5)竖杆
1Gg杆
NGg=-36.6778kN,l0x=0.8×289=231.2cm,l0y=289cm.
宜按压杆的容许长细比进行控制。
现选用2∟63×5,查附表,A=2×6.14=12.28cm2,ix=1.94cm,iy=2.89cm
λx=l0x/ix=231.2/1.94=119.2<[λ]=150(满足)
λy=l0y/iy=289/2.89=100<[λ]=150(满足)
ψx=0.441﹤ψy=0.555
N/ψA=43402/(0.441×12.28×102)=80.1N/mm2 设三块垫板,ld=231.2/4=57.8<40i=40×2.89=115.6cm(i为2.89cm) ②Aa杆 NAa=-21.701KN,l0x=l0y=199cm, 选用2∟63×5,查附表,A=2×6.14=12.28cm2,ix=1.94cm,iy=2.89cm λx=l0x/ix=199/1.94=102.6<[λ]=150(满足) λy=l0y/iy=199/2.89=68.9<[λ]=150(满足) ψx=0.54﹤ψy=0.757 N/ψA=21701/(0.54×12.28×102)=32.7N/mm2 设两块垫板,ld=199/3=66.3<40i=40×2.89=115.6cm(i为2.89cm) 其他杆截面见下表,选用时一般腹杆按2∟70×8,竖杆选2∟63×5 不等肢角钢长肢相并的T型截面,腹杆采用两个等肢角钢组成的T型截面。 杆件名称 内力(kN) 计算长度(cm) 截面形式和规格 截面面积(cm2) 回转半径(cm) 长细比 容许长细比[λ] 稳定系数Ψmin 计算应力(N/mm2) l0x l0y ix iy λx λyλyz 上弦杆 FH -446.738 150.75 452.25 2L160×100×10 50.64 2.85 7.7 52.9 58.75 150 0.814 160.67 下弦 eg 438.668 300 1485 2L125×80×8 31.98 2.28 6.07 65.8 195.2 350 斜杆 aB -384.972 253.5 253.5 2L140×90×10 44.52 4.47 3.74 56.7 67.8 150 0.764 113.2 Bc 298.603 208.64 260.8 2L70×8 21.4 2.12 3.23 98.415 80.743 350 0.565 13.95341 Dc -236.105 228.72 285.9 2L70×8 21.4 2.12 3.23 107.887 88.514 150 0.506 21.8042 De 160.586 228.72 285.9 2L70×8 21.4 2.12 3.23 107.887 88.514 350 0.506 7.504019 eF -106.768 (6.795) 250.32 312.9 2L63×5 12.28 1.94 2.89 129.031 108.270 150 0.392 22.1798/ Fg -6.17 (50.954) 249.52 311.9 2L63×5 12.28 1.94 2.89 128.619 107.924 150 0.394 gH -36.545(37.19) 271.68 339.6 2L63×5 12.28 1.94 2.89 140.041 117.509 150 0.345 竖杆 Aa -21.701 199 199 2L63×5 12.28 1.94 2.89 102.577 68.858 150 0.538 Cc -43.402 183.2 229 2L63×5 12.28 1.94 2.89 94.433 79.239 150 0.592 Ee -43.402 207.2 259 2L63×5 12.28 1.94 2.89 106.804 89.619 150 0.512 Gg -43.402 231.2 289 2L63×5 12.28 1.94 2.89 119.175 100.000 150 0.441 屋架杆件截面选择表 注: 上弦杆和下弦杆采用的是不等肢角钢短肢相并的T型截面形式,支座斜杆杆采用的是 7、节点设计 在确定节点板的形状和尺寸时,需要斜腹杆与节点板间连接焊缝的长度。 先算出各腹杆杆端需要的焊缝尺寸。 其计算公式为: 角钢肢背所需焊缝长度 : 角钢肢尖所需焊缝长度 : 如腹杆aB,设计杆力N=-384.972kN,设肢背与肢尖的焊脚尺寸各为hf1=8mm,hf2=6mm。 因aB杆系不等边,角钢与长肢相连,故K1=2/3,K2=1/3。 则: l1=(0.667×384.972×103)/(2×0.7×8×160)+2×8=159mm取l1=130mm l2=(0.333×384.972×103)/(2×0.7×6×160)+12=107mm取l2=90mm 其它腹杆所需焊缝长度的计算结果见下表。 未列入表中的腹杆均因杆力很小,可按构造取肢尖: hf≥ mm,l1=8hf+10=8×5+10=50mm 肢背: hf=6mm,l2=60mm 腹杆焊缝尺寸: 杆件名称 设计内力(kN) 肢背焊缝 肢尖焊缝 l1(mm) ht(mm) l2(mm) ht(mm) aB -384.972 130 8 90 6 Bc 298.603 140 6 60 5 cD -236.105 100 6 50 5 De 160.586 70 6 60 5 表中1l、12为取整后数值 1、下弦节点“c” 按表3所列Bc、cD杆所需焊缝长度,按比例绘制节点详图,从而确定节点板的形状和尺寸。 由图中量出下弦与节点板的焊缝长度为325mm,焊脚尺寸hf=6mm,焊缝承受节点左、右弦杆的内力差△N=Nac-Nce=205.29-500.42=-295.13kN。 验算肢背焊缝的强度: τf=K1ΔN/(2×0.7×helw)=(0.667×295.13)×103/[2×0.7×6×(325-12)]=74.87N/mm2 2下弦结点“e” 按表3所列De、Fe杆所需焊缝长度,按比例绘制节点详图,从而确定节点板的形状和尺寸。 由图中量出下弦与节点板的焊缝长度为300mm,焊脚尺寸hf=6mm,焊缝承受节点左、右弦杆的内力差△N=Nce-Neg=500.42-635.833=-135.413kN。 验算肢背焊缝的强度: τf=K1ΔN/(2×0.7×helw)=(0.667×135.413×103)/(2×0.7×6×300)=35.8 3.下弦结点“g” 按表3所列Hg、Fg杆所需焊缝长度,按比例绘制节点详图,从而确定节点板的形状和尺寸。 由图中量出下弦与节点板的焊缝长度为300mm,焊脚尺寸hf=6mm,焊缝承受节点左、右弦杆的内力差△N=Neg-Ngi=635.833-658.402=22.569N。 验算肢背焊缝的强度: τf=K1ΔN/(2×0.7×helw)=(0.667×22.569×103)/(2×0.7×6×300)=6.0 4上弦结点“B” 按表3所列腹杆Ba、cB所需焊缝长度,确定节点板形状和尺寸。 采用塞焊,结点板伸出上弦肢背8mm,量得上弦与节点板的焊缝长度为330mm,hf=5mm,塞焊强度 15.9N/mm2 由弦杆与节点板的四条焊缝共同承受节点集中荷载P=43.4kN,hf=8mm 弦杆内力差△N=NBC-NAB=378.462-0=378.462kN和由其产生的偏心弯矩M=(N1-N2)e的共同作用,则焊缝强度为: τ△N=△N/2×0.7hf×lw==378.462×103/(2×0.7×8×320)=105.6N/mm2 σf=M/WW=6M/(2×0.7×hf×lw=2)=6×378.462×103×55/(2×0.7×8×3202)=95.3N/mm2 (τf2+(σM/1.22)2)0.5=131.35N/mm2 5上弦结点“D” 按表3所列腹杆Dc、De所需焊缝长度,确定节点板形状和尺寸。 量得上弦与节点板的焊缝长度为270mm,设hf=5mm,因节点板伸出上弦肢背8mm,塞焊强度 19.5N/mm2 故由弦杆与节点板共同承受弦杆内力差△N=Ncd-Nde=-378.462-(-587.224)=208.762kN和由其产生的偏心弯矩M=(N1-N2)e的共同作用hf=8mm,则焊缝应力为: τ△N=△N/2×0.7hf×lw==208.762×10 /(2×0.7×8×260)=71.7N/mm2 σf=M/WW=6M/(2×0.7×hf×lw=2)=6×208.762×103×55/(2×0.7×8×2602)=91.0N/mm2 (τf2+(σM/1.22)2)0.5=103.5N/mm2 6上弦结点“F” 按表3所列腹杆Fe、Fg所需焊缝长度,确定节点板形状和尺寸。 量得上弦与节点板的焊缝长度为220mm,设hf=5mm, 24.2N/mm2 节点板伸出上弦肢背8mm,故由弦杆与节点板共同承受弦杆内力差△N=Nef-Nfg=-587.224-(-662.308)=75.084kN和由其产生的偏心弯矩M=(N1-N2)e的共同作用的共同作用,hf=8mm,。 则焊缝应力为: τ△N=△N/2×0.7hf×lw==75.084×103/(2×0.7×8×210)=27.9N/mm2 σf=M/WW=6M/(2×0.7×hf×lw=2)=6×75.084×103×55/(2×0.7×8×2102)=50.2N/mm2 (τf2+(σM/1.22)2)0.5=49.7N/mm2 7屋脊结点“H” 设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝hf=8mm,则所需焊缝计算长度为(一条焊缝) 接角钢总长度为 mm 取l=470mm 上弦与节点板之间的槽焊缝,假定承受节点荷载 0.15N=0.15×452.73=67.91KN M=Ne=67.91×55=3735.05×103N/mm2 τ△N=△N/2×0.7hf×lw==67.91×103/(2×0.7×6×268)=30.17N/mm2 f=M/WW=6M/(2×0.7×hf×lw=2)=6×67.98×103×55/(2×0.7×6×2682)=37.14N/mm2 (τf2+(σM/1.22)2)0.5=42.86N/mm2 x 8、支座结点“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130mm。 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10mm。 (1)支座底板的计算。 支座反力R=
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