18米跨度钢结构课程设计示例.docx
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18米跨度钢结构课程设计示例
钢结构课程设计示例
附录A
梯形钢屋架设计示例
―、设计资料
某一单层单跨工业长房。
厂房总长度为120m,柱距6m,跨度为18m。
车间内设有两台中级工作制桥
式吊车。
该地区冬季最低温度为—20C。
屋面采用1.5mx6.0m预应力大型屋面板,屋面坡度为i=1:
10。
上铺120mm厚泡沫混凝土保温层和三
毡四油防水层等。
屋面活荷载标准值为0.7kN/怦,雪荷载标准值为0.5kN/怦,积灰荷载标准值为0.75kN/
itf。
屋架采用梯形钢屋架,其两端铰支于钢劲混凝土柱上。
柱头截面为400mmx400mm,所用混凝土强度
等级为C20。
根据该地区的温度及荷载性质,钢材采用Q235B,其设计强度f=215kN/m2,焊条采用E43型,手工焊
接。
构件采用钢板及热轧钢劲,构件与支撑的连接用M20普通螺栓。
屋架的计算跨度:
Lo=18000-2x150=17700mm,端部高度:
h=2000mm(轴线处),h=2015mm(计算跨度
处),中部高度2900mm。
二、结构形式与布置
屋架形式及几何尺寸见图A-1所示。
图A-1屋架形式及几何尺寸
屋架支撑布置见图B-2所示。
G1
G
GG
GG
OOO
6
00
6
2G
G
z—i
2
Ln
/GG3\
1£2
><
1L2
GG2
£
GG2
IJ52
1JG2
GG1
GG1
LG2
茫
y^GG3X
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1?
GG2
g
LG2
1g
J冒i
GG1
M
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X
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©屋架上弦支撑布置图
2
LG
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CC1
GG1
w
GG1
GG
L—言
0133
G
G
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2
6o
Ao
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g
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o
舄■
»*
g
¥
I-11、
oos
GG1
CC3
GG1
r
vv
GG1GG1
GG1
CCL
\A/
GG1
0
垂直支撑A2
符号说明:
GWJ-(钢屋架);SC-(上弦支撑):
XC-(下弦支撑);
CC-(垂直支撑);GG-(刚性系杆);LG-(柔性系杆)
图A-2屋架支撑布置图
、荷载与内力计算
1.荷载计算
荷载与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
0.35kN/m2
0.02X20=0.40kN/m
0.12X6=0.70kN/m
1.40kN/m
防水层(三毡四油上铺小石子)
0.50kN/m
1.25kN/m
找平层(20mm厚水泥砂浆)保温层(120mm厚泡沫混凝土)预应力混凝土大型屋面板
钢屋架和支撑自重管道设备自重
0.12+0.011X18=0.318kN/m
0.10kN/m
可变荷载标准值
雪荷载
总计3.068kN/m
0.75kN/m
积灰荷载
总计
永久荷载设计值1.2X3.387=4.0644kN/m(由可变荷载控制)
可变荷载设计值1.4X1.25=1.75kN/m
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
屋架上弦节点荷载P=(4.0644+1.75)X1.5X6=52.3296kN
组合二全跨永久荷载+半跨可变荷载
屋架上弦节点荷载R=4.0644X1.5X6=36.59kN
P2=1.75X1.5X6=15.75kN
组合三全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面活荷载
屋架上弦节点荷载P3=0.417X1.2X1.5X6=4.5kN
P4=(1.4X1.2+0.75X1.4)X1.5X6=24.57kN
3.内力计算
本设计采用程序计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数,见表A-1。
由表内三种组合可见:
组合一,对杆件计算主要起控制作用;组合三,可能引起中间几根斜腹杆发生内力
变号。
如果施工过程中,在屋架两侧对称均匀铺设面板,则可避免内力变号而不用组合三。
屋架杆件内力组合表表A-1
杆件名称
全跨⑴
左半跨⑵
右半跨⑶
PX⑴
P1X⑴+P2X
(2)
P1X
(1)+P2X⑶
P3X⑴+P4X⑵
P3XW+P4X(3)
计算内力(KN)
AB
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
BCD
-11.11
-8.01
-3.74
-616.38
-557.79
-477.09
-246.80
-141.89
-616.38
DE
-17.89
-12.26
-6.79
-992.54
-886.13
-782.75
-381.73
-247.34
-992.54
EFG
-18.47
-12.84
-6.79
-1024.72
-918.31
-803.96
-398.59
-249.95
-1024.72
GHIJ
-20.14
-12.19
-9.44
-1117.37
-967.11
-915.14
-390.14
-322.57
-1117.37
a-b
5.93
4.37
1.89
329.00
299.51
252.64
134.06
73.12
329.00
b-c
14.94
10.52
5.33
828.87
745.33
647.24
325.71
198.19
828.87
c-d
21.08
13.48
9.16
1169.52
1025.88
944.23
426.06
319.92
1169.52
d-e
18.25
9.80
9.80
1012.51
852.81
852.81
322.91
322.91
1012.51
Aa
-0.50
-0.50
0.00
-27.74
-27.74
-18.29
-14.54
-2.25
-27.74
Ba
-11.16
-8.22
-3.54
-619.16
-563.59
-475.14
-252.19
-137.20
-619.16
Bb
8.96
6.29
3.21
497.10
446.64
388.43
194.87
119.19
497.10
Cb
-1.00
-1.00
0.00
-55.48
-55.48
-36.58
-29.07
-4.50
-55.48
Db
-7.44
-4.88
-3.08
-412.77
-364.39
-330.37
-153.38
-109.16
-412.77
Dc
5.48
3.21
2.73
304.03
261.13
252.06
103.53
91.74
304.03
Ec
-1.50
-1.50
0.00
-83.22
-83.22
-54.87
-43.61
-6.75
-83.22
E1
0.73
0.73
0.00
40.50
40.50
26.70
21.22
3.29
40.50
c1
-4.56
-1.78
-3.35
-252.99
-200.45
-230.12
-64.25
-102.83
-252.99
F1
-1.00
-1.00
0.00
-55.48
-55.48
-36.58
-29.07
-4.50
-55.48
G1
-3.76
-0.98
-3.35
-208.60
-156.06
-200.86
-41.00
-99.23
-208.60
Gd
-2.26
-2.93
0.51
-125.38
-138.05
-73.03
-82.16
2.36
2.36-138.05
Hd
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
H2
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
-156.06
I2
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
J2d
2.69
3.50
-0.61
149.24
164.55
86.87
98.10
-2.88
164.55-2.88
Je
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
注:
表内负责表示压力;正值表示拉力
腹杆最大内力,N=-619.16KN,由屋架节点板厚度参考可知:
支座节点板刚度取14mm;其余节点板
与垫板厚度取12mm。
1.上弦杆
整个上弦杆采用相同一截面,按最大内力计算,N=-1117.37KN
计算长度:
屋架平面内取节间轴线长度l0x=15O.8cm
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间
长度:
因为2|ox疋loy,故
且短肢相并,见图
l0y=3000cm
截面宜选用两个不等肢角钢,
图A-4上弦截面
r.O
设’=60,查轴心受力稳定系数表,=0.807
需要回转半径ix=Ll=I508=2.51cm人60
*.*x
*・i2
ix=2.80cm,iy
根据需要的A、ix、y查角钢型钢表,初选2L16010014,A=6940mm,
=7.86m。
按所选角钢进行验算
由于b1/1=160/14=11.4>0.56|oy/b1=0.56X3000/160=10.5
b11訂3.71630021.42
则:
’yz=3.7丄(1丄4)(1石)=44.4v[入]=150
t52.7b1.452.7D6
计算长度:
屋架平面内取节点间轴线长度"°x=4500mm
屋架平面外根据支撑布置取1Oy=13350mm
2
=5439.6mm
计算需要净截面面积
3
A*=N1169.52^10
f_215
选用2L14090
图A-5下弦截面
2
A=6940mm,ix=2・51cm,iy=6・93cm。
按所选角钢进行截面验算,取An=A
(若螺栓孔中心至节点板边缘距离大于100mm,则可不计截面削弱影响)
22
=191.7N/mm<215N/mm
3.端斜杆Ba
已知N=-619.16kN,1ox=lOy=253.9cm
因为lox=lOy,故采用等肢角钢,使ix=iy
选用角钢2L10012,见图A-6
图A-6端斜杆Ba
A=4560mm2*,ix=3.03cm,iy=4.64cm
截面刚度和稳定验算
由于b/1=10/1.2=83.3<0.584/b=0.58X253.9/10=14.73
0.475b40475X104
D1甘宀存皿
min=x=0.6624
填板放两块,a=84.6cmv40ix=40X3.03=121.2cm
4.斜杆Bb
已知N=497.1kN
屋架平面外根据支撑布置取lOy=2622mm
选用2L1006,见图A-7。
3
N497.110
22
=208.34N/mm<215N/mm
A2368
x
209.76
3.10
=67.7<[
]=350
25299
0.75+0.25)=4396mm
208.6
上海理工大学
y=loy=262.2=59.1<[']=350iy4.44
所选截面满足要求。
填板放两块,a=87.4cmv80ix=80X3.10=248cm
5.再分腹杆c1G
Ni二Nci=-252.991kN,N2二Ngi=-208.6kN,1=4174mm
计算长度:
屋架平面内取节点间轴线长度1Ox=0.8X1=0.8X2087=1669.6mm
屋架平面外根据支撑布置取
lOy=1(0.75+0.25也)=4174(
N2
选用2L1006,见图A-8。
12
166.96
3.10
=53.9<[
]=350
y*=^=99<[Z
由于b/1=10/0.6=16.7£0.58l°y/b=0.58汇439.6/10=25.5
0.475b4
loyt2*
)=99(1-
0.475104
22
439.620.62
)=105.8
3
N252.9910yzA0.51282386
min二yz=0.5182
22
=204.6N/mm<215n/mm所选截面满足要求
填板放两块,a=109.9cmv40ix=40X3.10=124cm
6.中竖杆Je
已知N=0,丨0=0.91=0.9335=301.5cm
中间竖杆选用2L756的角钢,并采用十字形截面,见图A-9
2
A=17.6cm,ix0二2.45cm,
■ox=竺£=103.6<[']=150所选截面满足要求
ix02.91
填板放五块,a=60.3cmv40ix0=40X2.45=98cm
其余各杆件截面选择过程不一一列出,计算结果见表A-2
杆件名称
内力设计值N
(KN)
计算长度(cm)
选用截面
截面积
2A(cm)
回转半径(cm)
max
[入]
申i
min
计算应力
2(N/mm)
填板
(块)
l0x
l0y
ix
iy
上弦杆:
-1117.37
150.8
300
短肢相并2L160*100*14
69.4
2.80
7.86
53.9
150
0.8384
-192
2(3)
下弦杆
1169.5
450
1335
短肢相并2L140*90*14
61
2.51
6.93
179.3
350
/
191.7
1
(2)
Aa
-27.74
201.5
201.5
T型截面2L50*5
17.6
1.53
2.53
131.7
150
0.3795
-41.5
2
Ba
-619.16
253.9
253.9
T型截面2L100*12
45.6
3.03
4.64
83.8
150
0.6624
-205
2
Bb
497.1
209.76
262.2
T型截面2L100*6
23.86
3.10
4.44
67.7
350
/
208.3
2
Cb
-55.48
184
230
T型截面2L50*5
9.6
1.53
2.53
120.3
150
0.6624
-136.1
2
Db
-412.77
229.84
287.3
T型截面2L100*12
45.6
3.03
4.46
75.9
150
0.7146
-125.7
2
De
304.03
229.84
287.3
T型截面2L75*6
17.6
2.31
3.53
99.5
350
/
172.7
2
Ec
-83.22
208
260
T型截面2L75*6
17.6
2.31
3.53
97.7
150
0.5701
-82.9
2
E1
40.50
151.2
189
T型截面2L50*5
9.6
1.53
2.53
98.8
350
/
42.21
1
F1
-55.48
104
130
T型截面2L50*5
9.6
1.53
2.53
68
150
0.763
-75.7
1
el
-252.99
166.96
439.6
T型截面2L100*6
23.86
3.10
4.44
105.8
150
0.5182
-204.6
2
G1
-208.6
Gd
2.36
261.2
326.5
T型截面2L75*6
17.6
2.31
3.53
113
150
/
1.34
2
-138.05
250
0.475
-165.7
2
Hd
0.00
244
305
T型截面2L75*6
17.6
2.31
3.53
105
150
0.523
0.00
2
H2
0.00
162.8
203.5
T型截面2L50*5
9.6
1.53
2.53
106.4
r150
「0.514
0.00:
2
12
0.00
137.25
152.5
T型截面2L50*5
9.6
1.53
2.53
79.7
150
0.688
0.00
1
J2-d2
164.55
179.92
449.8
17.6
2.31
3.53
129.6
350
/
93.5
2
-2.88
T型截面2L75*6
150
0.688
-4.2
2
Je
0.00
301.5
301.5
十字型截面2L75*6
17.6
imin
=2.91
imin
=2.91
103.6
150
/
0.00
2
五、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=160N/mm2
各杆件内力由表2查得,最小焊缝长度不应小于8hf
1.下弦节点b见图A-10
3ESKN
丈GG
324KN
Io
图A-10下弦节点b
(1)斜杆Bb与节点的连接焊缝计算:
N=497.1kN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。
所需焊缝长度为:
-X497.V<103
肢背:
lw3+12=285.6mm,取lw=270mm
2X0.7X6X160
肢尖:
13
497.1103l'_
lw一
20.75160
+10=158mm,取lw=170mm
(2)斜杆Db与节点的连接焊缝计算:
N=412.77kN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。
所需焊缝长度为
23421.7710肢背:
lw=3
2汉0.7汉6汉160
+12=216.7,取lw=250mm
肢尖:
lw
-412.77103
20.75160
+10=132.8,取lw=150mm
(3)竖杆Cb与节点板连接焊缝计算:
N=55.48kN
因其内力很小,焊缝尺寸可按构造确定,取焊脚尺寸hf=5mm
焊缝长度lw-40mm,取lw=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=1828.87-329=499.87KN,设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm,所需焊缝长度为:
-499.87103
肢背:
10.76160+12=260,取lw=300mm
13
499.8710
肢尖:
lw+12=136,取lw=150mm
2
沃0.7x6x160
造详图,从而定出节点尺寸。
如图A-11所示
图A-11节点板b尺寸
图A-12上弦节点B
2.上弦节点B
(1)斜杆Bb与节点板连接焊缝计算,与下弦节点b中Bb杆计算相同。
(2)斜杆Ba与节点板连接焊缝计算,N=619.16kN。
设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为10mm和6mm。
所需焊缝长度为
-X619.16X103
肢背:
心0.710160+20=184.27,取lw=200mm
13
619.196103
肢尖:
lw+12=165.6,取lw=180mm
2x0.7沃6沃160
(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可缩进上弦肢背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由槽焊缝承受,P=55.3296kN,焊脚尺寸为5mm所需槽焊缝长度为:
上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差△N=619.38-0.0=619.38kN
偏心距e=100-24.3=75.7mm
设肢尖焊脚尺寸8mm,设需焊缝长度为480mm,则
3
M6汉619.38X10汉68.82
二f2=116.1N/mm
Wf2X0.7X8X(480—16)
!
'()2+(商)2-
'1.22
%()2+116.12—150.1N/mm2V160N/mm2
■-1.22
(4)节点板尺寸:
方法同前,如图A-13所示
图A-13节点板B尺寸
3.屋脊节点J见图A-14
图A-14脊节点J
(1)弦杆与拼接角钢连接焊缝计算:
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,并便于施焊,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计算。
N=1117.37KN,设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm,则需焊缝长度为
拼接角钢长度取2375+50=800mm
(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=1117.3715%=1167.6kN,设焊脚尺寸为8mm,
弦杆一侧焊缝长度为250mm,
N167.61032
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