钢结构单层工业厂房课程设计Word格式.docx
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冷底子油一道、热沥青二道(0.05kN/m2);
二、屋架形式的选定和结构平面布置
1、屋架形势和几何尺寸
由于采用1.5x6m2大型屋面板加卷材防水屋面,i=1/10,故采用缓坡梯形屋架
屋架计算跨度:
l0=l-300=24000-300=23700
屋架端部高度取h0=2000mm
跨中高度:
h=h0+i
=2000+0.1x
=3185mm
屋架高跨比h/l0=3.185/23.7=0.134,在屋架常用的高度范围内
屋架起拱度f=l/500=24000/500=48mm,取50mm
为使屋架上弦节点受荷,腹杆采用人字式,上弦节点水平间距取1500mm,屋架各杆件尺寸见下图
2、根据车间长度、跨度及荷载情况,设置三道上、下弦横向水平支撑,屋脊处与檐口位置上、下弦处分别各设一道竖向系杆。
在屋盖两端开间内的屋脊处与两端支座处设屋架间的垂直支撑。
由于有吊车,所以设置下弦纵向水平支撑。
如下图:
三、屋架荷载和内力计算
1、荷载计算
屋架和支撑重按经验公式计算(0.12+0.011l0)x1.2=0.381x1.2kN/m2,取0.4x1.2kN/m2,且因屋架下弦无其他荷载,可假定屋架和支撑重量全都作用在上弦节点。
根据《建筑结构荷载规范》可知,屋面活荷载和雪荷载不同时考虑,屋面活荷载为kN/m2(不上人),大于雪荷载kN/m2,取屋面活荷载kN/m2。
由于是重屋面,不考虑风荷载作用。
屋面做法和屋面板荷载按屋面倾斜面积计算,但因屋面坡度较小,故近似地将全部荷载均按水平投影面积计算,屋架全部荷载的设计值为:
标准永久荷载:
预应力混凝土大型屋面板(含灌缝)1.4+0.1=1.5kN/m2
二毡三油防水层上铺小豆石0.35kN/m2
20mm厚水泥砂浆找平层0.4kN/m2
100mm厚加气混凝土保温层0.6kN/m2
冷底子油一道、热沥青二道0.05kN/m2
屋架和支撑重0.48kN/m2
共3.38kN/m2
标准可变荷载:
屋面活荷载0.5kN/m2
积灰荷载0.5kN/m2
共1.0kN/m2
设计桁架时,应考虑以下四种组合:
(1)全跨永久荷载+全跨可变荷载(按永久荷载为主的组合)
全跨节点荷载设计值:
F=(1.35x3.38+1.4x0.7x0.5+1.4x0.9x0.5)x1.5x0.6=51.147kN
(2)全跨永久荷载+半跨可变荷载
F1=1.35x3.38x1.5x6=41.067kNF2=1.4x(0.7x0.5+0.9x0.5)x1.5x6=10.08kN
(3)全跨屋架包括支撑+半跨屋面板重和半跨活荷载:
F3=1.2x0.4x1.5x6=4.32kNF4=(1.2x1.4+1.4x0.5)x1.5x6=21.42kN
(4)竖向地震作用效应和其他荷载效应组合
G=3.38x1.5x6=30.42kN
GE=30.42+0.5x0.4x1.5x6+0.5x0.5x1.5x6=34.47kN
FEvk=25.31x0.10=2.532kN
F5=1.2x30.42+1.3x2.531=40kN
(1)、
(2)为使用阶段荷载情况,(3)为施工阶段荷载情况
2、内力计算
先计算桁架各杆件的内力系数和支座反力(F=1作用于全跨、左半跨、
右半跨)。
然后求出各种荷载情况下的内力进行组合。
四、杆件设计
1、上弦杆截面设计
整个上弦采用等截面,按最大内力设计。
上弦杆的最大内力在FG、GH节间,最大内力为N=-800.60kN,上弦杆计算长度:
在桁架平面内,节间轴线长度lox=1507mm;
在桁架平面外,根据支撑布置和内力变化,取loy=3x1507=4521mm
因为loy=3lox,故界面宜选两个不等肢角钢,短肢相拼,如上图所示,腹杆最大内力N=-467.84kN,查表可知,节点板厚度选用10mm,支座节点板厚度选用12mm。
设λ=60,查得φ=0.807,需要截面面积:
A=
=
=4614.3mm2
需要的回转半径:
ix=1507/60=25.12mmiy=4521/60=75.35mm
根据需要的A,ix、iy,查角钢规格表,选用2└160X100X10,A=5062mm2,ix=28.4mm,iy=77mm,按所选角钢进行验算:
λx=lox/ix=1507/28.4=52.98<
[λ]=150λy=loy/iy=4521/77=58.71<
[λ]=150
由于λx<
λy,需求φy=0.814
=195.26N/mm2<
215N/mm2
所选截面合适
2、下弦杆截面设计
整个下弦采用等截面,按最大内力设计,下弦杆的最大内力为N=795.75kN
在桁架平面内,节间轴线长度lox=3000mm;
在桁架平面外loy=2x3000=6000mm需要截面面积:
=3701.16mm2
选用2└125X80X12,界面宜选两个不等肢角钢,短肢相拼,如下图所示A=4670mm2>
3701.16mm2,ix=22.4mm,iy=60mm,
λx=lox/ix=3000/22.4=134<
[λ]=250λy=loy/iy=6000/60=100<
[λ]=250
考虑下弦有2φ21.5mm的栓孔削弱,下弦净截面面积:
An=4670-2x21.5x10=3512mm2
=187.68N/mm2<
3、斜杆截面设计
(1)“aB”截面设计
杆件轴力N=-467.84kN计算长度lox=loy=2538mm。
因为lox=loy,故采用不等肢角钢,长肢相拼,使ix=iy,如下图
选用2└125X80X10,A=3942,ix=40mm,iy=32mm,验算如下:
λx=lox/ix=2538/40=63.45<
[λ]=150λy=loy/iy=2538/32=79.32<
λy,需求φy=0.702
=169.06N/mm2<
(2)腹杆“cD”
杆件内力N=-275.84kN
在桁架平面内,节间轴线长度lox=0.8x2872=2297.6mm;
在桁架平面外,根据支撑布置和内力变化,取loy=2872mm
因为loy=1.25lox,故截面宜选两个等肢角钢,使iy/ix=1.3-1.5,如图所示
设λ=80,查得φ=0.688,需要截面面积:
A
=1864.79mm2
ix=2297.6/80=28.72mmiy=2872/80=35.9mm
根据需要的A,ix、iy,查角钢规格表,选用2┖80X7,A=2172mm2,ix=24mm,iy=35.6mm,按所选角钢进行验算:
λx=lox/ix=2297.6/24=95.7<
[λ]=150λy=loy/iy=2872/35.6=80.67<
由于λx>
λy,需求φy=0.671
=189.26N/mm2<
4、竖杆“Kk”截面设计
杆件内力N=101.07kN
为了不使支撑与屋架节点连接不产生偏心,连接垂直支撑的竖直腹杆常采用两个等肢角钢组成的十字形截面,Kk杆的几何长度为3185mm,lox=loy=0.9x3185=2866.5mm,如图
由于杆件内力较小,选用十字形等肢角钢2└63X5,A=1229mm2,imin=24.5mm,按所选角钢进行验算:
λmax=l/i=2866.5/24.5=117<
N/A=101070/1229=82.24N/mm2<
所选截面合适,其余杆件的截面选择过程同理,杆件截面选择如下:
杆件
截面形式及规格(mm)
弦杆
AK
2└160X100X10
(短肢相并)
ak
2└125X80X12
斜杆
aB
2└125X80X10
(长肢相并)
Bc
2└63X8
cD
2└80X7
De
2└50X6
eF
2└75X6
Fg
gH
2└70X6
Hk
竖杆
Aa
2└63X5
Cc
Ee
Gg
Kk
5、垫板的截面选择
为了保证两个角钢组成的杆件共同作用,应在两角钢相并肢之间,每隔一定距离设置垫板,并与角钢焊住。
垫板厚度与节点板相同,为10mm;
宽度一般取40~60mm,本设计取50mm;
长度应比角钢肢宽大10~15mm,以便于角钢焊接。
垫板间距在受压杆件中不大于40i,在受拉杆件中不大于80i(i为一个角钢最小回转半径)。
在杆件的计算长度范围内至少设置两块垫板,各杆件的垫板数量如下表
五、节点设计
1、下弦节点设计
(1)支座节点“a”
底板计算:
底板承受支座支反力R=8x51.15=409.2kN,柱采用C25混凝土的轴心抗压强度设计值fc=11.9N/mm2。
底板需要净截面面积为:
An=R/fc=
=34387mm2
锚栓直径采用d=25mm,孔直径取2d=50mm,则孔栓面积为:
△A=50x30x2+252xπ=4963mm2
底板需要总面积为As=An+△A=39350mm2
支座底板平面尺寸采用A=280x400=11200mm2>
As满足要求,仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力,则承压面积为:
A’=280x200=56000mm2
验算柱顶混凝土的挤压强度:
σ=
=7.31N/mm2
节点板和加劲肋将底板分成四块相同的两边支撑板,它们的对角线长度a1,及内角顶点到对角线的距离b1分别为:
a1=
=163.7mmb1=
=76.9mm
b1/a1=0.5,查表的β=0.058,则二相邻边支承板单位板宽的最大弯矩为:
M=βqa12=0.058x7.31x163.72=11361.68N·
mm
所需的底板厚度:
t=
=17.8mm,取t=20mm
实际底板尺寸为400mmx280mmx20mm
加劲肋与节点板的焊缝计算
焊缝长度等于加劲肋高度,也等于节点板高度。
设焊脚尺寸为6mm,焊缝长度为410mm,计算长度lw=410-10-20=380mm,而lw'
=60hf=360mm<
380mm则每块加劲肋近似地按受R/4计算。
R/4作用点到焊缝的距离为e=(140-6-15)/2+15=74.5mm,则焊缝所受剪力和弯矩分别为:
V=409.2/4=102.3kN
M=V*e=102.3x0.0745=7.6214kN·
m
焊缝强度计算:
=
=48.3N/mm2<
加劲肋和节点板与底板的焊缝计算
根据构造要求:
hfmin=1.5
=1.5
=6.7mm
hfmax=1.2t=1.2x12=14.4mm
实际取hf=8mm
则
=2x280+2x(200-12-2x15)-6x2x8=780mm
所需的焊脚尺寸:
=76.79N/mm2<
(2)下弦一般节点“c”
设计步骤:
先根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸,然后再根据lw大小按比例绘出节点板的形状和尺寸,最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝
“Bc”杆角钢的肢背和肢尖:
hf1lw1=
=1091mm2,则取hf1=6mm,lw1=190mm
hf2lw2=
=468mm2,则取hf2=5mm,lw2=100mm
“cD”杆角钢的肢背和肢尖
=862mm2,则取hf1=6mm,lw1=150mm
=369mm2,则取hf2=5mm,lw2=80mm
“cC”杆的内力很小,焊缝尺寸可按构造确定,取焊缝焊脚尺寸hf=5mm,lw=60mm
验算下弦杆与节点板连接焊缝强度:
2<
ffw=160
2
焊缝强度满足要求
根据以上的已知条件,并考虑杆件之间应有间隙以及制作等装配误差,按比例绘出节点详图,从而确定节点板尺寸为340mmx370mm。
(3)下弦节点“e”:
同理,De杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm,焊缝长度lw=110mm,肢尖的焊脚尺寸hf=5mm,焊缝长度lw=60mm;
eF杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm,焊缝长度lw=80mm;
Ee杆肢背和肢尖均按构造设计,焊脚尺寸hf=5mm,焊缝长度lw=60mm。
根据以上的已知条件,并考虑杆件之间应有间隙以及制作等装配误差,按比例绘出节点详图,从而确定节点板尺寸为290mmx260mm。
(4)下弦节点“g”:
由表可知“Fg”“gH”“Gg”杆肢背和肢尖均按构造设计,焊脚尺寸hf=5mm,焊缝长度lw=60mm。
根据以上的已知条件,并考虑杆件之间应有间隙以及制作等装配误差,按比例绘出节点详图,从而确定节点板尺寸为280mmx260mm。
(5)下弦中央拼接节点“k”:
1)拼接角钢计算
因节点两侧下弦杆力相等,故用一侧杆力N=+795.75kN计算。
拼接角钢采用与下弦相同的截面2└125x80x12,故下弦的焊缝的焊脚尺寸hf=5mm,竖直肢应切去△=t+hf+5=10+5+5=20mm,节点一侧与下弦的每条焊缝所需要的计算长度为:
lw=
=355mm
拼接角钢需要的长度为:
L=
=2x(355+10)+10=740mm
2)下弦与节点板的连接焊缝计算
下弦与节点板的连接焊缝按0.15N计算,取hf=5mm,节点一侧下弦肢背与肢尖每条焊缝所需的长度l1,l2分别为:
l1=
=90mm2,则取l1=90mm
l2=
=36.6mm2,则取l2=40mm
满足要求
2、上弦节点设计
(1)屋脊节点“K”
拼接角钢采用与上弦相同的截面2∟160X100X10。
设hf=5mm,竖直肢应切去△=t+hf+5=10+5+5=20mm,按上弦杆力N=774.57kN计算。
lw=
=346mm
=2x(346+10)+10=722mm,取L=740mm
2)上弦与节点杆的连接焊缝计算
对于上弦杆与节点板之间的连接焊缝,假定节点荷载P由上弦角钢肢背处的槽焊缝承受:
160x0.8
上弦角钢肢尖与节点板的连接焊缝按上弦内力的15%计算,并考虑此力产生的弯矩M=0.15Ne,设肢尖焊缝hf=5mm,节点板长度为21.5cm,,则节点一侧焊缝的计算长度>
21.5cm,焊缝应力为:
49.55
11.4
ffw=160
=50.43
(2)上弦支座节点与竖杆节点
这两类节点的弦杆内力或节点两边内力差值均等于零,因此弦杆肢背焊缝节点力可不必验算,肢尖焊缝也不受力,采用构造焊缝
(3)上弦节点“B”
“aB”杆肢背的焊脚尺寸hf=8mm,焊缝长度lw=170mm,肢尖的焊脚尺寸hf=6mm,焊缝长度lw=120mm;
“Bc”杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm,焊缝长度lw=190mm;
肢尖的焊脚尺寸hf=5mm,焊缝长度lw=100mm。
由表可知上弦肢背槽焊缝及角钢肢尖焊缝的应力均满足强度要求。
(4)上弦节点“D”
“cD”杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm,焊缝长度lw=150mm,肢尖的焊脚尺寸hf=5mm,焊缝长度lw=80mm;
“De“杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm,焊缝长度lw=110mm;
肢尖按构造设计,焊脚尺寸hf=5mm,焊缝长度lw=60mm。
同理,由表可知上弦肢背槽焊缝及角钢肢尖焊缝的应力均满足强度要求。
(5)上弦节点“F”
“eF”杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm,焊缝长度lw=80mm,肢尖按构造设计,焊脚尺寸hf=5mm,焊缝长度lw=60mm;
“Fg”杆肢背和肢尖均按构造设计,焊脚尺寸hf=5mm,焊缝长度lw=60mm。
同理,由表可知上弦肢背槽焊缝及角钢肢尖焊缝的应力均满足强度要求。
(6)上弦节点“H”
“gH”、“Hk”杆肢背和肢尖均按构造设计,焊脚尺寸hf=5mm,焊缝长度lw=60mm。
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