天意梯形钢屋架课程设计.docx
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天意梯形钢屋架课程设计
课程设计(论文)
题目名称钢结构课程设计——梯形钢屋架设计
课程名称钢结构基本原理
学生姓名天意
学号007
系、专业城市建设系土木工程(房建方向)
指导教师
2011年7月7日
邵阳学院课程设计(论文)任务书
年级专业
2008级土木房建方向
学生姓名
学号
题目名称
钢结构课程设计——梯形钢屋架设计
设计时间
第19-20周
课程名称
钢结构基本原理
课程编号
101000149
设计地点
1C201
一、课程设计(论文)目的
通过钢结构课程设计,使学生进一步了解钢结构的结构型式、结构布置和受力特点,掌握钢结构的计算简图、荷载组合和内力分析,掌握钢结构的构造要求等。
要求在老师的指导下,参考已学过的课本及有关资料,综合应用钢结构的材料、连接和基本构件的基本理论、基本知识,进行整体钢结构设计计算,并绘制钢结构施工图。
二、已知技术参数和条件
根据附录中的资料设计某单跨厂房的钢屋架,其内容包括支撑布置、檩条设计(有檩屋盖)、屋架设计,并绘制屋架施工图1张。
梯形屋架:
跨度有21m、24m、27m等,屋架间距为6m,其余资料参见附录;
三、任务和要求
任务:
使学生熟悉钢结构基本构件的设计和构造设计的基本原理和方法,具备一般钢结构设计的基本技能;能够根据不同情况,合理地选择结构、构造方案,熟练地进行结构设计计算,并学会利用各种设计资料。
基本要求:
1、时间要求:
2周;
2、任务要求:
在教师指导下,独立完成一项给定的设计任务,编写出符合要求的设计说明(计算)书,并绘制必要的施工图。
3、计算书编写的要求:
要求计算书内容要有系统地编排,字体要端正,表示要清楚,计算步骤明确,计算公式和数据来源应有依据,并应附有与设计有关的插图和说明。
4、施工图绘制的要求
绘制钢屋架施工图,其中包括屋架简图、屋架结构图、上下弦平面图、必要的剖面图和零件大样图、材料表和设计说明等。
要求图面清楚整洁,线条粗细分明,尺寸及标注齐全,符号及比例正确,构造合理,能表达设计意图,符合国家制图标准并与计算书一致。
注:
1.此表由指导教师填写,经系、教研室审批,指导教师、学生签字后生效;
2.此表1式3份,学生、指导教师、教研室各1份。
四、参考资料和现有基础条件(包括实验室、主要仪器设备等)
1.戴国欣主编.《钢结构》武汉理工大学出版社.第3版.2002.
2.陈绍藩主编.《钢结构设计原理》.北京:
科学出版社.第二版.1998.
3.陈绍藩主编.《房屋建筑钢结构设计》.北京:
中国建筑工业出版社.2003.
4.中国建筑科学研究院.《钢结构设计规范》(GB50017-2003).中国计划出版社.2003.
5.龙驭球、包世华主编.《结构力学》高等教育出版社.2000
五、进度安排
教学程序
时间(天)
教学内容
1.任务布置
2011.6.26上午共0.5天
课程设计指导教师给学生讲解设计题目及设计要求
2.收集资料
6月26日-6月28日共2天
学生根据设计题目及设计大纲要求收集相关设计参考资料
3.具体设计
6月28日-7月2日共6天
学生按设计题目及设计内容要求完成具体设计、计算
4.绘制施工图
7月3日-7月7日共5天
按计算及设计结果绘制施工图
六、教研室审批意见
教研室主任(签字):
年月日
七|、主管教学主任意见
主管主任(签字):
年月日
八、备注
指导教师(签字):
学生(签字):
附录
1、题目
钢结构课程设计——梯形钢屋架设计
2、设计资料
(1)某厂房内设有200/50KN中级工作制吊车。
计算温度高于-200C,地震设计烈度为7度,采用1.5×6m预应力混凝土大型屋面板,卷材屋面(不上人屋面)。
屋架铰支于钢筋混凝土柱柱顶,上柱截面为400mm×400mm,混凝土标号为C25,钢材采用Q235-B,焊条采用E43型,手工焊。
(2)屋架形式为梯形屋架,屋架上弦节间尺寸1.5m。
(3)保温层情况:
按有保温层或无保温层。
(8cm厚泡沫混凝土保护层0.5kN/m2。
)
(4)计算统一荷载:
防水屋面为二毡三油上铺小石子0.35kN/m2,2cm厚水泥砂浆找平层0.35kN/m2,预应力混凝土大型屋面板(包括灌缝)1.5kN/m2,悬挂管道0.15kN/m2,。
(5)梯形屋架建议形式:
上承式或下承式,必要时可加再分式腹杆。
3、设计内容
(1)屋架选型:
确定各杆件计算长度和截面形式、节点板;
(2)屋盖支撑布置;
(3)荷载计算及内力分析;
(4)各杆件截面设计;
(5)节点设计;
(6)绘制钢屋架施工图,并列出材料表。
4、设计要求
(1)做屋架几何尺寸及内力图;
(2)布置屋盖支撑系统(在设计计算书上作出简图);
(3)选择各杆截面;
(4)节点及焊缝设计计算,画出屋脊节点、支座节点、下弦节点,一般上、下弦节点的构造图;
(5)绘制钢屋架施工图一张(A1)
施工图的主要图面用以绘制屋架的正面图,上、下弦的平面图,必要的侧面图和剖面图,以及某些安装节点或特殊零件的大样图。
屋架施工图通常采用两种比例尺:
杆件轴线一般为1:
20~1:
30,以免图幅太大;节点(包括杆件截面、节点板和小零件)一般为1:
10~1:
15,可清楚地表达节点的细部构造要求。
(6)完成计算书一套(应有封面和目录),计算书书写工整,图纸布局均匀、图面整洁,线型正确,比例适当。
(7)设计题号分配见下表:
坡度
1:
10
基本雪压(kN/m2)
基本风压(kN/m2)
长度
60
72
96
102
跨度(m)
学号顺序
地点
21
24
27
21
24
27
21
24
27
21
24
27
北京
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0.30
0.35
乌鲁木齐
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
0.75
0.60
成都
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
0.10
0.25
上海
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
0.20
0.55
哈尔滨
49
50
21
52
53
54
55
56
57
58
59
60
0.45
0.45
南京
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
0.50
0.45
5、指导教师分配
学号顺序
08土木房建1班
08土木房建2班
1-20
孙义刚
蒋胜晖
21-40
王勇
王勇
41-60
宋娟
林彰银
61-75
王泽楠
贺海斌
注:
各位同学在自己的设计成果资料中(任务书、评阅表、计算书、施工图等)指导教师的署名都应按照上表中分组对应,否则不予评定成绩。
6、评阅表(见下页)
邵阳学院课程设计(论文)评阅表
学生姓名天意学号007
系城市建设系专业班级2008级土木工程房建方向
题目名称钢结构课程设计—梯形钢屋架设计课程名称钢结构基本原理
一、学生自我总结
学生签名:
年月日
二、指导教师评定
评分项目
出勤考核
基本概念
计算书
施工图
综合成绩
权重
0.1
0.2
0.3
0.4
单项成绩
指导教师评语:
指导教师(签名):
年月日
注:
1、本表是学生课程设计(论文)成绩评定的依据,装订在设计说明书(或论文)的“任务书”页后面;
2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。
梯形钢屋架设计计算书
1.设计资料
某厂房跨度21m,长度102m,柱距6m,车间内设有200/50KN中级工作制吊车,计算温度高于-200C,地震设计烈度为7度,采用1.5×6m预应力混凝土大型屋面板,卷材屋面(不上人屋面)。
屋架形式为梯形屋架,屋架上弦节间尺寸1.5m,8cm厚泡沫混凝土保护层0.5kN/m2,防水屋面为二毡三油上铺小石子0.35kN/m2,2cm厚水泥砂浆找平层0.35kN/m2,预应力混凝土大型屋面板(包括灌缝)1.5kN/m2,悬挂管道0.15kN/m2。
屋架铰支于钢筋混凝土柱柱顶,上柱截面为400mm×400mm,混凝土标号为C25,钢材采用Q235-B,焊条采用E43型,手工焊。
2.屋架形式、尺寸及支撑布置
该屋架为无檩屋架方案,i=1/10,采用平坡梯形屋架,屋架计算跨度L0=L-300mm=20700mm,由于L<24m,不考虑起拱,端部高度取H0=1900mm,中部高度取H=2950mm(L0/7),屋架杆件几何尺寸见下图:
根据车间长度、屋架跨度和荷载情况,设置上、下弦横向水平支撑、垂直支撑和系杆,详见屋架附图中的屋面支撑布置图。
3.荷载和内力计算
(1)荷载计算
二毡三油小石子0.35kN/m2
2cm厚水泥砂浆0.35kN/m2
预应力混凝土大型屋面板(含灌缝)1.5kN/m2
悬挂管道0.15kN/m2
8cm厚泡沫混凝土保护层0.5kN/m2
屋架和支撑自重0.12+0.011L=0.12+0.011×21=0.35kN/m2
恒载总和3.20kN/m2
活荷载(雪荷载)0.5kN/m2
由于屋面坡度不大,风压力对荷载的影响较小,未予考虑。
风荷载为吸力时,重屋架可不考虑。
(2)荷载组合一般考虑全跨荷载,对跨中部分斜杆(一般为跨中每侧各两根斜腹杆)可考虑半跨组合,现在将这些腹杆均按压杆控制长细比,不必考虑半跨荷载作用情况,只计算全跨满载时的杆件内力。
节点荷载:
Fd1=1.2×3.2×6×1.5+1.4×0.5×6×1.5=1.2×28.8+1.4×4.5=40.86kN
Fd2=1.35×3.2×6×1.5+1.4×0.7×0.5×6×1.5
=1.35×28.8+0.98×4.5=43.29kN
节点荷载取43.29kN,支座反力Rd=7×Fd2=303.03kN
内力计算,采用图解法,得各杆内力(单位:
kN)如图所示:
4.截面选择
腹杆最大轴力为367.97kN,查表2-3,选用中间节点板厚度10mm,支座节点板厚度12mm。
(1)上弦,整个上弦不改变截面,按最大内力计算,即
Nmax=-619.05kN,lox=150.7cm,loy=300cm,
选用2L100mm×63mm×8mm短肢相并,A=25.6cm2,ix=1.77cm,iy=5.05cm,
λx=150.7/1.77=85.2<[λ]=150,λy=150.7/5.05=59.4<[λ]=150,
b1/t=100/8=12.5<0.56
ly/b1=0.56×300/10=16.8,故λyz=λy=59.4<[λ]=150,φ=0.811,
σ=N/(φA)=367.97×103/(0.811×25.6×102)=177.32N/mm2 填板每节间放一块(满足loy范围内不少于两块),则 lox=150.7/2=75.4<40i=40×3.18=127.2cm (2)下弦,整个下弦也不改变截面,按最大内力计算,即 Nmax=623.38kN,lox=300cm,loy=1050cm, 选用2L125mm×80mm×8mm短肢相并,A=32.0cm2,ix=2.28cm,iy=6.15cm, λx=300/2.28=131.6<[λ]=250,λy=1050/6.15=170.7<[λ]=250, σ=N/A=623.38×103/32.0×102=194.81N/mm2 填板每节间放一块(满足loy范围内不少于两块),则 lox=300/2=150<80i=80×4.01=320.8cm (3)腹板,为便于施工,除中竖杆外的腹杆选用同一截面 初选2L80mm×8mmT形组合,A=24.4cm2,ix=2.44cm,iy=3.77cm, Aa杆,N=-21.65kN,lox=loy=190cm, λx=190/2.44=77.9<[λ]=150,λy=190/3.77=50.4<[λ]=150, b/t=80/8=10<0.58ly/b=0.58×190/8=13.78, 故λyz=λy[1+0.475b4/(loy2t2)]=54.6<[λ]=150,φ=0.835 σ=N/(φA)=21.65×103/(0.835×24.4×102)=10.63N/mm2 各腹杆验算过程见下表: 杆件 内力设计值 长度 λx λy 允许长细比[λ] 0.58ly/b λyz φ σ(N/mm2) Aa -21.65 1900 77.87 50.40 150 137.75 54.6 0.835 10.6263 Ba -367.97 2448 100.33 64.93 150 177.48 68.2 0.762 197.91 Bb 281.39 2534 103.85 67.21 150 183.72 70.4 0.749 153.9703 Cb -43.29 2185 89.55 57.96 150 158.41 61.6 0.799 22.205 Db -220.78 2775 113.73 73.61 150 201.19 76.5 0.711 127.262 Dc 140.69 2775 113.73 73.61 150 201.19 76.5 0.711 81.09682 Ec -43.29 2485 101.84 65.92 150 180.16 69.2 0.756 23.468 Fc -103.9 3032 124.26 80.42 150 219.82 83.1 0.667 63.841 Fd 54.11 3032 124.26 80.42 150 219.82 83.1 0.667 33.24772 Gd -43.29 2785 114.14 73.87 150 201.91 76.8 0.708 25.059 Hd -10.82 3296 135.08 87.43 150 238.96 89.9 0.622 7.1293 He 0 2950 120.90 78.25 150 213.88 81.0 0.681 0 对于除He杆外的其余腹杆,填板放两块,只要Hd杆满足要求,则其他腹杆均满足要求(验算长细比时长度不折减) lox=329.6/3=109.9<40i=40×3.77=150.8cm 对He杆,初选2L80mm×8mm十字形组合截面,A=24.4cm2,i0=1.74cm, 由于没有荷载作用,计算长度lo取0.9l=0.9*295=265.5cm,仍按压杆控制长细比,填板放三块, lox=265.5/4=66.4<40i=40×1.74=69.6cm 5.节点设计 (1)下弦节点“b” 先计算腹板与节点板的连接焊缝: Bb杆肢背及肢尖焊脚尺寸分别取hf1=10mm,hf1=6mm,则所需焊缝长度: 肢背: lw1=2/3×281.39×103/(2×0.7×10×160)+20=104mm,用140mm。 肢尖: lw2=1/3×281.39×103/(2×0.7×6×160)+12=82mm,用100mm。 腹杆Cb和Db的杆端焊缝同理计算,其中Cb杆件内力较小,焊缝按构造采用。 其次验算下弦杆与节点板的连接焊缝,内力差 △N=Nbc-Nab=493.51-203.46=290.05kN。 由斜腹杆焊缝决定的节点板尺寸,实际节点板长度为41cm,肢背及肢尖焊脚尺寸均取为6mm,则计算长度为lw=41-1.2=39.8cm,肢背焊缝应力为 τ=2/3×290.05×103/(2×0.7×6×398)=57.8N/mm2 (2)上弦“B”节点 同样先计算腹杆Bb,Ba的杆端焊缝,方法同上。 由腹杆焊缝决定的节点板尺寸,节点板实际长度为35.9cm,现验算上弦与节点板的连接焊缝: 节点板缩进6mm,肢背采用塞焊缝,承受节点荷载F=43.29kN,hf=12/2=6mm,lw1=35.9-1.2=34.7cm, σf=43.29×103/(2×0.7×6×347)=14.8N/mm2<βfffw 肢尖焊缝承担弦杆内力差=△N=NBC-NAB=374.46-0=374.46kN, 偏心距e=6.3-1.5=4.8cm, 偏心力矩M=△Ne=374.46×4.8×102=17.97kN.m,采用hf2=6mm, lw2=35.9-1.2=34.7cm 对△N,τf=374.46×103/(2×0.7×6×347)=128.5N/mm2 对M,σf=6×17.97×106/(2×0.7×6×3472)=106.6N/mm2 [(σf/βf)2+τf2]0.5=155.4N/mm2 (3)屋脊节点“H” 腹杆端焊缝计算从略。 弦杆和节点板的连接计算方法同上,应该注意的是,公式中的△N应取弦杆最大内力的15%,竖向集中荷载应取F/2。 一般而言,弦杆与节点板的连接焊缝受力不大,可按构造要求决定焊缝尺寸,可不计算。 拼接计算: 拼接角钢采用与弦杆截面相同的2L100mm×63mm×8mm短肢相并,焊脚尺寸hf取5mm,则拼接角钢除到角外,竖肢需切去△=t+hf+5=8+5+5=18mm,,取△=20mm,并按上弦坡度热弯。 拼接角钢与上弦连接焊缝在接头一侧的总长度 Σlw=N/(0.7hfffw)=619.05×103/(0.7×5×160)=1105mm, 共四条焊缝,认为平均受力,每条焊缝的实际长度为: lw=1105/4+2×5=286mm 拼接角钢总长度为: l=2lw+5=2×286+5=577mm,取拼接角钢长度为700mm。 (4)支座节点“a” 腹杆和弦杆杆端焊缝计算从略。 仅给出底板等的计算: 1)底板计算。 支座反力Rd=303.03kN,fc=11.9N/mm2,所需底板净面积为 An=303.03×103/11.9=25465mm2=254.7cm2 取螺栓直径d=26mm,螺栓孔直径为50mm,则所需底板面积为 A=An+A0=254.7+2×5×5+3.14×52/4=324.3cm2 按构造要求采用底板面积为a×b=28×30=840cm2>324.3cm2,底板净面积为 An=840-(2×5×5+3.14×52/4)=770.4cm2 垫板采用-100×100×18,孔径26mm,底板实际应力为 q=303.03×103/770.4×102=3.93N/mm2 a1=[(14-0.8/2)2+(15-1.2/2)2]0.5=19.8cm b1=13.6×14.4/19.8=9.89cm, b1/a1=0.5,查相关表格得β=0.058,则 M=βqa12=0.058×3.93×1982=8936N 所需底板厚度: t>=(6M/f)0.5=(6×8936/215)0.5=15.79mm,选用t=18mm,底板尺寸为-280mm×300mm×18mm。 2)加劲肋与底板连接焊缝计算。 一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力为 V=R/4=75.76kN,M=Ve=75.76×6.6=500.02kN.cm 加劲肋高度与支座节点板高度相同,厚度取8mm,即-174×353×8, 采用hf=6mm,验算焊缝应力 对Vτf=75.76×103/[2×0.7×6×(353-12)]=26.45N/mm2 对Mσf=6×500.02×104/[2×0.7×6×(353-12)2)]=30.72N/mm2 3)节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算 取hf=6mm,实际焊缝总长度 Σlw=2×(28+14.4×2)-12×0.6=106.4cm, 焊缝设计应力 σf=303.03×103/(0.7×6×1064)=67.8N/mm2 其余节点见施工图。 附: 1.屋面支撑布置图2.屋架施工图 3.材料表与订货表
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