钢结构课程设计24米跨范例一doc.docx
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钢结构课程设计24米跨范例一doc
钢结构课程设计
班
级:
姓
名:
学
号:
指导老师:
2012年1月2日
一、设计资料1
二、结构形式及支撑布置2
三、荷载计算4
四、内力计算5
五、杆件设计6
六、节点设计10
七、参考资料17
八、附表一18
九、附表二19
、设计资料
某车间跨度为24m,厂房总长度72m,柱距6m,车间内设有两台300/50kN中级工作制吊车(参见平面图、剖面图),工作温度高于-20T,无侵蚀性介质,地震设防烈度为6度,屋架下弦标高为12.5m;采用1.5>6m预应力钢筋混凝土大型屋面板,U级防水,卷材屋面,屋架采用梯形钢桁架,两端铰支在钢筋混凝土柱上,混凝土柱上柱截面尺寸为400>400mm,混凝土强度等级为C25,屋架采用的钢材为Q235B钢,焊条为E43型。
r
荷载(标准值)
永久荷载:
改性沥青防水层
20厚125水泥砂浆找平层
100厚泡沫混凝土保温层
预应力混凝土大型屋面板(包括灌缝)
屋架和支撑自重为
可变荷载
基本风压:
基本雪压:
(不与活荷载同时考虑)
积灰荷载
不上人屋面活荷载
0.35kN/m2
0.4kN/m2
0.6kN/m2
1.4kN/m2
(0.120+0.011L)kN/m2
0.35kN/m2
0.30kN/m2
0.75kN/m2
0.7kN/m2
二、结构形式及支撑布置
桁架的形式及几何尺寸如下图2.1所示
07
5
7
150一
50
7
150一
50
1-
-
07
5
1OQy
OQ9Z7
615
00
300
00
300
00
O
3
150
8
50
OS?
50
8
2
0150|1350|
12000
图2.1桁架形式及几何尺寸
桁架支撑布置如图2.2所示
图2.2桁架支撑布置
Ltl
xz
LH
―a
"Tl
>
cun>
Lil
bL
x
L\
LZ
L
L:
1
L'-l
■―1
T
LC1
X5C3X
L1
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1--
二二
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1
LU:
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L.1
L匸:
LC1
LG1
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LC1匸二JLEI
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LG1
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ru
>
r
~3
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、,乂
LGl
-7u
”二<
L
LG1
*、
LG:
C:
:
桁架及桁架上弦支撑布置
L叮
匚三4
桁架及桁架下弦支撑布置
SG4(:
■
X
y\
茁4
x
/C3]\
垂直支撑1-1
垂直支撑2-2
符号说明:
SC:
上弦支撑;XC:
下弦支撑;CC:
垂直支撑
GG冈『性系杆;LG:
柔性系杆
三、荷载计算
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1,cos「-J12111=1.004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
(Pw=0.12+0.011跨度)计算,跨度单位为m
3.145kN/m
标准可变荷载:
屋面活荷载积灰荷载
1.45kN/m
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二1.353.145kNm21.40.70.7kNm21.40.90.75kNm2
1.5m6m=52.89kN
(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:
斤2=1.35汇3.145kN/m2".5m汉6m=38.21kN(按永久荷载效应控制的组合)
F1,^1.^<3.145k^m2^1.5^6^33.97kN(按可变荷载效应控制的组合)
对结构有利时:
F13-1.03.145kN,m21.5m6m=28.31kN
半跨可变荷载设计值:
=1.4汉(0.7x0.7kN/m+0.9x0.75kN/m)x1.5mx6m
=14.68kN(按永久荷载效应控制的组合)
F2,2=1.4疋(0.7+0.9x0.75)kN/m2灯.5mx6m
=17.33kN(按可变荷载效应控制的组合)
(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=1.2x0.384kN/m2x1.5mx6m=4.15kN
对结构有利时:
F3,2=1.0汇0.384kN/m2".5m汉6m=3.46kN
半跨节点屋面板自重及活荷载设计值:
F4=1.21.4kNm21.40.7kN.m21.5m6m=23.94kN
四、内力计算
荷载组合
(1)计算简图如图4.1,荷载组合
(2)计算简图如图4.2,荷载组合(3)计算简图如图4.3.
图4.3荷载组合4.3
由电算先解得F=1的桁架各杆件的内力系数(F=1作用于全跨、走半跨和右
半跨)。
然后求出各种荷载情况下的内力进行组合,计算结果见附表1
五、杆件设计
(1)上弦杆
整个上弦杆米用等截面,按FGGH杆件的最大设计内力设计
N=788.27kN=788270N
上弦杆计算长度:
在桁架平面内,为节间轴线长度:
lox=150.7cm
在桁架平面外,根据支撑布置和内力变化情况,取:
loy=150.73=452.1cm
因为lox=3loy,故宜选用两个不等肢角钢,短肢相并。
腹杆最大内力N=470.35kN节点板厚度选用10mm支座节点板厚度用12mm设■=60,选用角钢,为b类截面,查表得,=0.807。
需要截面积:
lox_150.7cm
九60
二2.51cm,
根据需要的Aix、iy查角钢规格表,选用2L140X90X10,A=5063mm,
ix=2.85cm,iy=7.70cm,bi/t=160cm10cm=16,按所选角钢进行验算:
_I。
%150.7cm
x-匸一2.86cm
Tb仁t=16>0.56lox.d=5.27
=60.26v丨1-150
截面x和界面y都为b类截面,由于x>'yz,只需要求;:
y。
查表的y=0.806
778270N2
2=190.72V215Nmm2
0.8065063mm'
故所选截面合适。
(2)下弦杆
整个下弦杆采用同一截面,按最大内力设计值设计。
N=779070N
平面内的计算程度和平面外的计算长度分别为:
lox=300cm,loy=1185cm
所需截面面积:
779070N
2
=3623.6mm
选用2L1409010,A=4452mm2,ix=2.56cm,iy=6.77cm,由于l°yLlox,故
用不等肢角钢短肢相并
'oy=loy;iy-1185cm6.77cm=175V)-350
考虑到下弦有221.5mm的栓孔削弱,下弦净截面面积:
222
N_779070N
—2
An4022mm
An=4452mm-221.510mm=4022mm
=176.3Nmm2V215Nmm2
所选截面合适。
计算长度lox=loy=249.4cm,因为l°x=l°y,故采用不等值角钢长肢相并。
使ixiy
设‘=60,查表得「=0.807
ix=lox..■=249.4cm.60=4.16cm选用2L1258010,A=3942mm2,
ix=3.98cm,iy=3.31cm,按所选角钢进行验算:
Tb2..t=8V0.48l°y.b2=14.96
2L704,A=1114mm2,ix=1.96cm,iy=2.94cm,按所选角钢进行验算:
•••b.t=15.75V0.58loy.b=0.58329563=30.3
=119.4Vh.1-150
截面x和界面y都为b类截面,由于s>'x,只需要求x。
查表的x=0.433
N97750丿2
202.6V215Nmm申xA0.433^1114
由于腹杆压力大于拉力,故可不比验算拉应力。
故所选截面合适。
(5)腹杆Bb
腹杆拉力设计值为N=357.85kN
N__357850N_
f-215Nmm2
选用2L806组成梯形截面,A=1879mm2,i^2.47cm,i^3.65cm,按所选
截面进行验算:
平面内的计算长度和平面外的计算长度分别为0.8lox=205.5cm,G二256.9cm,
选用2L504组成十字形截面,A=779mm2,ix=1.54cm,iy=2.43cm,按所
选截面进行验算:
平面内的计算长度和平面外的计算长度分别为0.8lox=246.5cm,l°y=308.1cm,
22
A=779mm>671.6mm
故所选截面合适。
其他腹杆:
竖杆AaCb、Ec、Gd选用2L504组成的十字形截面,腹杆Db选用2L1409010短肢相并,腹杆De、Fd、Hd选用2L704组成的梯形截面,腹杆Fc选用2L806组成的梯形截面。
经验算,所选截面都能满足要求。
各杆件的截面的选择见附表2
六、节点设计
(1)下弦节点“b”
52.89
280.26
有E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压、和抗剪强度设计值=160N,mm2
设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝hf=8mm和6mm,则所需的焊缝长度为:
肢背:
■0.7N0.7357850N
lww2=139.8mm,加2hf后取16cm
2hef「20.78mm160Nmm2
肢尖:
,”0.3N0.3357850N
lww:
2=79.9mm,加2hf后取10cm
2heffw20.76mm160Nmm2
设“Db'杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf=8mm和6mm,所需的焊缝长度为:
肢背:
lw丿75!
=0.75280260N—2"17.2mm,加2hf后取14cm
2heff20.78mm160Nmm
“Cb‘杆的内力很小,只需要按构造确定焊缝,取hf=6mm
根据上面求得的焊缝长度,并考虑杆件之间应有的间隙以及制作和装备等误差,按比例绘出节点详图,从而确定节点板的尺寸为310mm400mm。
下弦与节点板的连接的焊缝长度为400mm,hf=6mm。
焊缝所受的左右两
下弦杆的内力差为.'N=605.39kN-235.31kN=370.08kN,肢背的力最大,取肢
背进行计算,则肢背处的焊缝应力为:
0.75汉370080N
-f
f2汉0.7汉6mm(400-12)焊缝强度满足要求。
(2)上弦节点B
47035
Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。
Ba”杆的肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为hf=10mm和8mm,所需的焊缝长度为:
肢背:
lw』65仲0.65470350N2=136.5mm,加2hf后取16cm
2heff20.710mm160Nmm
肢尖:
lw-0.3Nw:
——0.35_470350N91.9mm,加2hf后取11cm
2heffw20.78mm160Nmm2
考虑焊缝长度,同时为了在上弦搁置屋面板,节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm选择节点板尺寸为295mm480mm。
用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。
验算上弦杆的焊缝:
忽略桁架上弦坡度的影响,假定集中荷载F与上弦杆垂直。
上弦肢背承受集中荷载,肢尖承受左右弦杆的内力差。
11
槽焊缝的计算焊角尺寸为hf二-节点板厚度二-10=5mm,hf=8mm
22
由节点板的长度确定槽焊缝的长度为480mm,
=105.6N.mm2<0&「=0.8160N;mm2=128N;mm2
上弦肢尖角焊缝的剪应力为:
(0.25汉462420Nf十『52890]
12x1.22丿
20.78480-16
^22.6Nmm2<0.8ff^^160Nmm2
故焊缝强度满足要求。
(3)下弦节点“c”
设“De”杆的肢背和肢尖焊缝hf=6mm和6mm,贝U所需的焊缝长度为:
肢尖:
l:
诜二0.^186230N——41.6mm,加2hf后取6cm
2heffw20.76mm160Nmm2
设“Fc”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf=6mm和6mm,所需的焊缝长度为:
肢背:
lw二0.7120380N—2-62.7mm,加2hf后取8cm
2heff:
20.76mm160Nmm2
肢尖:
lW=竺等0.3120380N2=26.9mm,由于焊缝计算长度
2heff:
20.76mm160Nmm2
不得小于8hf和40mm,肢尖焊缝长度取6cm。
“Cb'杆的内力很小,只需要按构造确定焊缝,取hf=6mm
节点板取265mm315mm,取hf=6mm,下弦杆与节点板的焊缝长度为315mm,
焊缝受左右弦杆的内力差为-N=759.5kN—605.59kN=153.91kN,受力较大的肢
背处的剪应力为:
0.75153910N
-f
2x0.7x6mm(315-12)焊缝强度满足要求。
(4)下弦节点“d”
设“Fd”杆的肢背和肢尖焊缝hf=6mm和6mm,贝U所需的焊缝长度为:
肢背:
'0.7N0.758020N
lww:
2=30.2mm<8hf-48mm,计算
2heff20.76mm160Nmm
长度取48mm,力卩2hf后取7cm
肢尖:
0.3N0.358020N
lww2-13.0mm<8hf=48mm,计
2heffw20.76mm160Nmm2
算长度取48mm,力卩2hf后取6cm
设“He”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf=6mm和6mm,所需的焊缝长度为:
肢背:
■0.7N0.739310N
lww2=20.5mm<8hf〜48mm,计算
2hef「20.76mm160Nmm2
长度取48mm,力卩2hf后取7cm
肢尖:
0.3N0.339310N
lww:
2=8.8mmv8hf「48mm,计算
2hef「20.76mm160Nmm2
长度取48mm,力卩2hf后取6cm。
“Cb‘杆的内力为52890N,hf=6mm
肢背:
lw-w1——-39.3mm<8hf-48mm,焊缝
2heff20.76mm160Nmm
长度取6cm,肢尖的力比肢背的小,肢尖焊缝长度取6cm。
节点板取255mm285mm,由于d点左右两端的拉力值相差不大,可只按构造确定其焊角尺寸为hf=6mm。
(5)下弦节点“e”
腹杆“eH‘计算内力为97.75kN,hf=6mm,肢背的焊缝长度为:
肢尖:
lw=0.3Nw二。
宀97750“=21.8mm<48mm取焊缝长度为6cm。
2heffw2x0.7x6mm"60N/mm2
节点板取325mm270mm验算下弦节点板的焊缝。
计算内力为0.15779.07kN=116.86kN,hf=6mm,焊缝长度为270,焊缝肢背
的剪应力为:
f0.75116860N40.44Nmm2v160Nmm2,肢尖受
2汉0.7汇6mm(270-12)
力较小,不必验算。
故焊缝合适。
竖杆“el”焊缝计算:
考虑起弧和灭弧,焊缝长度取7cm,肢尖受力较小,按构造确定焊缝长度为6cm下弦拼接角钢的总长度为采用与上弦统一钢号的角钢进行拼接,垂直肢截取宽度为thf5mm二1065mm=21mm
111
40.761602610L20mm=3681°」20mm
拼接角钢的总长度取40cm。
(6)上弦节点“C”、“E”、“G'
由于节点处左右弦杆的内力值相等,且竖杆的内力设计值相同,故采用相同
的节点板。
焊脚尺寸取6mm焊缝长度取6cm。
连接板的尺寸如上图6.5.1上弦点“D”,“F”、“H'焊缝尺寸根据下弦节点已经确定。
节点“D”:
杆“Db'
肢背:
hf=8mm,
lw=14cm肢尖:
hf=6mm,
lw二7cm
杆“De”
肢背:
hf=6mm,
lw=11cm肢尖:
hf=6mm,
lw=6cm
节点“F”:
杆“Fc”
肢背:
hf二6mm,
lw=8cm肢尖:
hf=6mm,
lw=6cm
杆“Fd”
肢背:
hf=6mm,
lw=7cm肢尖:
hf=6mm,
lw=6cm
节点“H:
杆“Hd'
肢背:
hf=6mm,
lw=7cm肢尖:
hf-6mm,
lw=6cm
杆“H6'
肢背:
hf=6mm,
lw=7cm肢尖:
hf=6mm,
lw=6cm
节点“D'、“F”、“H'所选择的连接板尺寸分别为:
230mm335mm,220mm汉255mm,235mm245mm。
(7)屋脊节点“I”
采用与上弦角钢相同钢号的角钢进行拼接,截取的垂直肢的宽度为:
腹杆“aB'的焊缝尺寸同节点“B”肢背:
hf=10mml^16cm,肢尖:
hf=8mmlw-11cm。
节点板的厚度为12cm,所确定的节点板尺寸如图6.8.1,下弦杆焊脚
尺寸为肢背:
hf=8mmlw=14cm,肢尖:
hf=6mmlw=14cm,竖杆焊脚尺寸肢
背和肢尖均为hf=6mml^6cm,经验算焊缝满足要求。
为了便于施焊,下弦
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,
加劲肋与节点板的高度相等,厚度为12mm。
①支座底板的计算
支座反力:
R=8F=852.89kN=423.12kN
A.」一423120N厂33849.6mm
fc12.5N.mm
选择的支座底板的尺寸如图6.8.2。
仅考虑有加劲肋的部分承受支座反力,由于290mmx232mm=67280mm2>33849.6mm2,故底板的面积合适。
底板的厚度按桁架反力作用下的弯矩计算,节点板和加劲肋将底板分成四块,
每块为两相邻边支撑而另两边自由的板。
根据底板尺寸确定印=171.2mmd=81.2m,mb]/8^0.474查表得:
的值
为0.054。
底板下的平均应力为:
423120N
67280mm
每块板的单位宽度的最大弯矩为:
=0.0546.29Nmm2171.22mm2=9955.2Nmmmm
底板厚度:
取t=18mm。
②加劲肋与节点板的焊接焊缝计算
计算简图如图6.8.3
假定一个加劲肋承受的力为支座反力的1/4,即加劲
=495mm-12mmT5mm=468mm,则焊缝的应力:
V105780N
20.7hflw20.76mm468mm
63702300Nmm
22
20.76mm468mm
J’'+:
jf=J(26.9N/mm2f+(12.1N'mm2j=29.5N/mm2v160n/mm2,满足。
②节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。
设焊缝传递全部的支座反力,每块加劲肋各传力为R/4=105780N,节点板传
递的力为R/2=211560NO
设节点板与焊缝的焊脚尺寸hf=6mm,则焊缝的计算长度我为:
二lw=2290mm-12mm=556mm
节点板的应力:
R2211560N
O"f==
0.7Hhf送lw0.7汉6mmm556mm
=90.6/Nmm1.22/1602N=mm195222N/mm
强度满足。
加劲肋焊脚尺寸hf=8mm每块加劲肋与地板的连接焊缝长度为:
二:
lw=2100mm-15mm-12mm=126mm
加劲肋焊缝的应力为:
R,4105780N
I.・f
0.7hf二lw0.78mm126mm
-149.9Nmm2<1.22160Nmm2=195.22Nmm2
强度满足。
七、参考资料
1、张耀春.钢结构设计原理.高等教育出版社,2004版。
2、王国凡.钢结构连接方法及工艺.化学工业出版社,2005版。
3、钢结构设计规范(GB50017-2003.北京计划出版社,2003版。
4、房屋建筑制图统一标准(GB/T50001-2001).北京计划出版社,2002版
附表1桁架杆件内内力组合表
内力系数
第二种组合
第三种组合
计算杆件内力
/kN
杆件名称
第一种组合Fx①
全跨①
左半跨
②
右半跨
③
—
F“X①+
F2,1X②
F1,2X①+
F2,2X②
Fv汉①+
F2,1X③
F1,2汉①+
F2,2X③
F3,1汉①+
F4X②
F3,1X①+
F4X③
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