钢结构课程设计.docx
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钢结构课程设计
钢结构课程设计计算书
专业:
土木工程
班级:
土木094
******
学号:
*********
*******
安徽工业大学
建筑工程学院
土木工程系
《钢结构设计》课程设计计算书
1.设计资料
某车间厂房总长度约为108m。
车间设有两台30吨中级工作制吊车。
车间无腐蚀性介质。
该车间为单跨双坡封闭式厂房,屋架采用三角形桁架式钢屋架即芬克式屋架,屋架下弦标高为9m,其两端铰支于钢筋混凝土柱上,上柱截面尺寸为400㎜×400㎜,混凝土强度等级为C20。
屋面采用彩色压型钢板加保温层屋面,C型檩条,檩距为1.5m~2.2m。
屋面恒荷载(包括屋面板、保温层、檩条、屋架及支撑等)水平投影标准值为0.50kN/㎡。
屋面活荷载标准值为0.30kN/㎡。
不考虑积灰荷载、风荷载。
雪荷载0.4kN/㎡,不考虑全垮积雪不均匀分布情况。
结构重要性系数为γ0=1.0。
屋架采用Q235B钢,焊条采用E43型。
2.屋架形式和几何尺寸
屋架形式采用芬克式屋架屋面坡度1/3
屋架几何尺寸如下图:
屋架形式和几何尺寸
3.支撑布置
上、下弦横向水平支撑设置在厂房两端和中部,并在相应开间的屋架跨中设置垂直支撑,在其余开间的屋架上弦跨中设置一道通长的刚性细杆,下弦跨中设置一道通长的柔性细杆,上弦横向水平支撑在交叉点处与檩条相连;下弦横向水平支撑与上弦横向水平支撑设置在同一柱间内。
支撑的布置见下图。
上弦支撑布置图
下弦支撑布置图
纵向支撑布置图
檩条布置图
4.荷载计算
(1)永久荷载标准值:
屋面恒荷载标准值Gk=0.50kN/m2
屋面活荷载标准值Qk=0.30kN/m2。
屋面雪荷载标准值Sk=0.4kN/m2。
(2)上弦的集中荷载和节点荷载永久值。
檩条支承于上弦节点,屋架坡度为a=arctg1/3=18.4º´,檩距为1.975m。
上弦节点恒荷载水平投影标准值:
P1=0.5×7.2×1.975=7.11KN;
上弦节点雪荷载水平投影标准值:
P2=0.4×7.2×1.975=5.69KN。
由檩条传给屋架上弦节点的恒荷载如图
由檩条传给屋架上弦节点的雪荷载如图
(1)5.内力计算:
内力组合:
杆件以受拉为正,受压为负(表1)。
屋架杆件内力组合表
杆件名称
杆件编号
全跨荷载
半跨荷载
内力组合
内力系数
恒载标准值P1=7.11kN
活载标准值P2=5.69kN
内力系数
半跨雪荷载内力标准值Sk=5.69KN
1.2恒+1.4活
1.2恒+1.4半跨活
最不利内力
上弦
1-2
-17.39
-123.64
-98.95
-12.65
-71.98
-286.90
-249.14
-286.90
2-3
-16.13
-114.68
-101.94
-11.38
-64.75
-280.34
-228.27
-280.34
3-4
-16.76
-119.16
-105.92
-12.02
-68.39
-291.29
-238.75
-291.29
4-5
-16.44
-116.89
-103.90
-11.70
-66.57
-285.73
-233.47
-285.73
5-6
-15.18
-107.93
-95.94
-10.44
-59.40
-263.83
-212.68
-263.83
6-7
-15.81
-112.41
-99.92
-10.44
-59.40
-274.78
-218.06
-274.78
下弦
1-8
16.50
117.32
104.28
12.00
68.28
286.77
236.37
286.77
8-9
13.50
95.99
85.32
9.00
51.21
234.63
186.88
234.63
9-10
9.00
63.99
56.88
4.50
25.61
156.42
112.64
156.42
腹杆
2-8
-1.34
-9.53
-8.47
-1.34
-7.62
-23.29
-22.11
-23.29
3-8
-1.34
-9.53
-8.47
-1.34
-7.62
-23.29
-22.11
-23.29
4-9
-2.85
-20.26
-18.01
-2.85
-16.22
-49.53
-47.02
-49.53
5-11
-1.34
-9.53
-8.47
-1.34
-7.62
-23.29
-22.11
-23.29
6-11
-1.34
-9.53
-8.47
-1.34
-7.62
-23.29
-22.11
-23.29
4-8
3.00
21.33
18.96
3.00
17.07
52.14
49.49
52.14
4-11
3.00
21.33
18.96
3.00
17.07
52.14
49.49
52.14
9-11
4.50
32.00
28.44
4.50
25.61
78.21
74.24
78.21
7-11
7.50
53.33
47.40
7.50
42.68
130.35
123.74
130.35
7-10
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
6.屋架杆件截面的选择
1)上弦杆截面选择:
整个上弦杆采用等截面通长杆,以避免采用不同截面时的杆件拼接。
取等肢双角钢L90x8。
上弦杆各杆内力中属3-4杆压应力最大,故上弦杆只要对3-4进行验算即可,包括强度验算,刚度验算,稳定性验算。
2)下弦杆截面选择:
整个下弦不改变截面,采用等截面通长杆。
取等肢双角钢L80×7。
下弦杆等截面,取最大应力杆验算,取1-8杆。
下弦杆取杆段1-8的强度条件选择截面,拉杆,故不做稳定性验算。
3)腹杆截面选择:
拉杆进行强度和刚度验算,压杆进行稳定性和刚度验算。
由于压杆种类较多,力也较多,所以对腹杆做截面选择时应根据内力情况分类,2—8,3—8,5—11,6—11杆内力相等,选取单肢等边角钢L45×4同一截面,对于杆4—9选等肢双角钢L50×5,此类杆件受压,需进行稳定性验算。
而杆件4—8,和4—11受拉,不需作稳定性验算,选等肢双角钢L34×4。
9—11杆取等肢双角钢L50×5。
杆件7—11受拉,故不需进行稳定性验算,选等肢双角钢L50×5中间零杆取等肢双角钢L63×5.此类杆属于拉杆也不用进行稳定性验算。
7.节点设计
7.1运输单元划分
屋架节点构造复杂,采用手工焊接,材料为Q235B钢,E43型焊条,规范查得:
角焊缝强度设计值为
。
焊缝长度满足构造要求,最小计算长度不应小于40mm和8
7.2形心距离确定
屋架各杆件轴线至各杆件角钢背面的距离Z0'如表3,表中Z0为杆件重心线至角钢背面的距离。
屋架各杆件轴线至角钢背面的距离Z0'
杆件名称
杆件截面
重心距离Z0(mm)
轴线距离Z0'(mm)
备注
上弦杆
2∟90×8
25.2
25
单面连接
下弦杆
2∟80×7
22.3
20
腹杆
4—9
2∟50×5
14.2
15
4—8、4—11
2∟45×4
12.6
15
7—11
2∟50×5
14.2
15
9—11
2∟63×5
17.4
15
2—8、3—8、
5—11、6—11
∟45×4
12.6
15
中央吊杆7—10
2∟63×5
17.4
15
7.3杆件焊缝尺寸确定
屋架杆件焊缝尺寸如表4所示。
屋架杆件连接焊缝表
杆件名称
杆件编号
截面规格(mm)
杆件内力(kN)
肢背焊脚尺寸hf1(mm)
肢背焊缝长度lw1(mm)
肢尖焊脚尺寸hf2(mm)
肢尖焊缝长度lw2(mm)
上弦杆
3-4
2L90x8
-291.3
6
200
6
100
下弦杆
1-8
2L80x7
286.77
5
200
5
100
2-8
L45x4
-23.29
5
40
4
40
3-8
L45x4
-23.29
5
40
4
40
4-8
2L45x4
52.14
5
40
4
40
4-9
2L50x5
-49.53
5
40
5
40
斜腹杆
4-11
2L45x4
52.14
5
40
4
40
5-11
L45x4
-23.29
5
40
4
40
6-11
L45x4
-23.29
5
40
4
40
7-11
2L63x5
130.35
5
100
5
40
9-11
2L50x5
78.21
5
60
5
40
竖腹杆
7-10
2L63x5
0
5
50
5
50
7.4节点设计
7.4.1支座节点1
(1)下弦杆节点
内力N=286.77kN。
支座节点板厚度取10mm,Q235B钢,E43型焊条,焊缝抗拉强度设计值为ft=160N/mm²。
根据构造要求取肢背焊脚尺寸
,肢尖焊脚尺寸
,其中K1=0.7,K2=0.3。
肢背:
179mm
肢尖:
77mm
背部实际焊缝长度采用lw1+2hf=179+10=189
肢部实际焊缝长度采用lw2+2hf=77+10=87
满足要求
(2)上弦杆与节点板间连接焊缝计算
N=-286.90kN,集中荷载P=8.25KN。
节点板与角钢背部采用塞焊缝连接,焊脚尺寸取节点板厚度的一半,即hf=5mm,计算时忽略屋架上弦的坡度影响,假定集中荷载P垂直作用于上弦。
假定集中荷载P=16.50KN全部由塞焊缝承受,则所需塞焊缝长度为:
则取
=30mm。
上弦肢尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差
N=286.90-0.0=286.90KN,偏心距е=90-25=65mm,取肢尖焊脚尺寸
=6mm,假设所需焊缝长度为350mm,则
满足要求
(3)底板计算
支座反力R=16.50×6=99kN,用C20混凝土,
=9.6N/mm²,按构造要求锚栓直径采用
20,底板开U形孔,底板上锚栓孔径为50mm,取底板尺寸为250mm×250mm,取加劲肋的宽度为120mm,偏安全的取有加劲肋部分的底板承受支座反力,则承压面积:
A=250×(2×120+10)=62500
验算接触面压应力:
σ=R/A=1.584N/mm²<
=9.6N/mm²。
满足混凝土轴心抗压强度。
底板尺寸定为250mm×250mm。
底板被节点板和加劲肋划分成四块相邻边支承的小板,支座节点板厚度为10mm,加劲肋厚度为10mm。
由规范查得
=0.06,求得
=0.06×1.584×
=2736.97
。
底板厚度:
按规范要求
16mm,所以取t=16mm,所以底板选用250×250×16
(5)支座底板的连接焊缝计算
假定焊缝传递全部支座反力R=99KN,设焊缝
,支座底部的连接焊缝长度为
=
=888mm
验算,即:
26.54
≤
满足要求
(6)加劲肋与节点板竖向连接焊缝计算
加劲肋厚度选用8mm,与中间节点板同厚。
设焊缝为6mm,每块加劲肋与节点板间竖向连接焊缝受力:
V=0.25R=24.75KN
M=0.25Vb=0.25×24.75×0.25=1.55
焊缝计算长度:
lw=240-2×20-2×6=188mm
焊缝应力:
=30.1
满足要求。
7.4.2上弦杆一般节点2,3,4,5,6
上弦节点4
(1)焊缝设计
由于腹杆2—8,3—8,5—11,6—11内力皆为压力且相等。
并且都是采用单角钢L45×5,故所有连接节点板同意采用同意型号。
以杆4—9为例,节点板与上弦角钢肢背采用槽焊缝连接,假定槽焊缝只承受屋面集中荷载P。
P=16.65KN。
节点板与上弦角钢肢尖采用双面贴角焊缝连接,承担上弦内力差ΔN。
节点的塞焊缝不控制,仅需验算肢尖焊缝。
上弦采用等边角钢,肢尖角焊缝的焊脚尺寸
=6mm,则角钢肢尖角焊缝计算长度为
弦杆相邻节间内力差⊿
=-5.56kN;偏心弯矩M=⊿N(90-Z0')=0.3614
验算:
满足要求。
(3)验算节点板稳定(4-9):
取受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离c=50mm。
根据规范构造要求节点板厚度t=8,c/t=5。
因为
,节点板的稳定承载力可取为0.8
=220.8KN>49.53kN,故满足要求。
(4)验算有竖腹杆节点板稳定:
取受压斜腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离c=40mm。
节点板厚度t=8,c/t=5。
因为
,故满足要求。
7.4.3屋脊拼接节点7
(1)焊缝尺寸验算
拼接角钢采用与上弦杆截面相同的2∟90×8。
拼接角钢与上弦杆间连接焊缝的焊脚尺寸取
=6mm。
拼接接头每侧的连接焊缝共有四条,按连接强度条件需要每条焊缝的长度
,取120mm。
采用拼接角钢长
2×120+10=250mm,实际拼接角钢的长度可取为300mm。
拼接角钢竖肢需切肢,实际切肢
8+6+5=19mm。
按照规范要求,⊿
取弦杆相邻节间内力差和弦杆最大内力的15﹪中的较大值。
角钢肢尖角焊缝焊脚尺寸
6mm,则角钢肢尖角焊缝的计算长度
400×3.16/3-2×6-10=399mm,⊿
=15﹪×291.29=43.70KN,偏心弯矩M=⊿N(90-Z0')=2.84
验算:
满足要求。
(2)验算有竖腹杆节点板稳定:
取受压斜腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离c=100mm。
节点板厚度t=8,c/t=12.5。
因为
,故满足要求。
7.4.4下弦拼接节点9
(1)拼接角钢
采用与下弦杆截面相同的2∟80×7。
拼接角钢与下弦杆间连接焊缝的焊脚尺寸取
。
拼接头每侧的连接焊缝共有四条,按连接强度条件需要每条焊缝的计算长度
拼接处弦杆端部空隙取为10mm,需要拼接角钢长度
为保证拼接处的刚度,实际采用拼接角钢长度
=250
(2)拼接接头一侧下弦杆与节点板间连接焊缝计算
取接头两侧弦杆的内力差△N和0.15Nmax两者中的较大值进行计算。
ΔN=78.21kN计算,偏心弯矩M=⊿N(90-Z0')=4.69
。
实际焊缝长度l1=l2=200
。
其计算长度:
lw1=lw2=200-10=190
(取
)
验算:
满足要求。
(3)验算无竖腹杆节点板稳定:
取受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离c=40mm。
节点板厚度t=8,c/t=5。
因此,
节点板的稳定承载力取为0.8
=172.87KN,故满足要求。
7.4.6下弦中央节点10
下弦中央节点
拼接角钢与下弦杆用相同规格,选用2L80x7,下弦杆与拼接角钢之间的角焊缝的焊脚尺寸采用
。
则下弦杆与拼接角钢之间在接头一侧的焊缝长度为:
,
取190mm,拼接角钢的长度为2×190+10=390mm。
下弦杆与节点板的连接焊缝按杆件内力的15%计算。
设肢背肢尖焊缝的焊脚尺寸
,则得焊缝长度为:
肢背:
肢尖:
由上计算可知,下弦角钢与节点板的连接焊缝长度是按构造要求确定的,取100mm。
8.双角钢杆件的填板数量计算:
杆件长度l(mm)
杆件的回转半径i(mm)
填板最大间距
节点间
填板
杆件名称
杆件编号
拉杆
压杆
填板数量
间距
80i(mm)
40i(mm)
1-2
2082
27.6
1104
2
600
2-3
2082
27.6
1104
2
600
上弦杆
3-4
2082
27.6
1104
2
600
4-5
2082
27.6
1104
2
600
5-6
2082
27.6
1104
2
600
6-7
2082
27.6
1104
2
600
1-8
3290
24.6
1968
2
900
下弦杆
8-9
3290
24.6
1968
2
900
9-10
5270
24.6
1968
2
1500
2-8
3-8
5-11
6-11
斜腹杆
4-8
3290
13.8
1104
2
900
4-11
3290
13.8
1104
2
900
9-11
3290
15.3
1224
2
900
7-11
3290
19.4
1552
2
900
4-9
2082
15.3
612
2
500
竖腹杆
7-10
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