钢结构设计.docx

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钢结构设计

目录

1、设计资料-----------------------2

2、钢屋架计算--------------------------------7

三、内力计算-----------------------------------7

四、杆件截面设计-----------------------------9

五、节点设计-----------------------------------12

六、填板计算-----------------------------------16

七、吊车梁计算--------------------------------16

八、排架柱荷载计算--------------------------18

九、排架柱配筋计算--------------------------20

十、牛腿设计-----------------------------------21

十一、基础设计--------------------------------22

某机加工车间设计

一、设计资料

1．车间基本参数：

某公司因生产需要，拟在济南郊区建设一座单层单跨机加工车间（设计使用寿命50年），车间建筑平面、剖面见下图。

车间采用排架结构，下部为现浇钢筋混凝土柱及独立基础，上部采用钢屋架结构，屋架与排架柱铰接。

车间内设有一台A4工作制的软钩梁式吊车，屋架下弦距离牛腿顶面1.8m，轨道高度130mm。

混凝土排架柱采用实腹矩形柱;吊车梁采用H形截面钢吊车梁，抗风柱为矩形截面钢筋混凝土柱。

车间屋面采用75mm厚彩色夹芯钢板，屋面檩条为卷边C型钢（C180×70×20×2.5），檩条间距约1.5m;车间四周围护墙采用240mm厚砖墙，内外各抹灰20mm厚，表面刷涂料;纵墙塑钢窗洞高为1.8m、宽为2.4m，共上下两层。

2、车间荷载、材料自重、抗震设防等级：

①屋面活荷载标准值:

0.5kN/m2（不上人屋面，无积灰荷载）；

②基本风压：

0.45kN/m2；

③基本雪压：

0.30kN/m2；

④屋面75mm厚夹芯钢板及檩条自重标准值:

0.25kN/m2（按投影面积）；

⑤钢屋架及屋面支撑自重标准值（估算）：

0.35kN/m2（按投影面积）；

⑥钢筋混凝土自重25kN/m3；砖及抹灰自重20kN/m3；

回填土自重20kN/m3；

⑦抗震设防等级：

6度。

3、荷载组合：

①钢屋架

为简化计算，屋面暂不考虑风荷载作用。

首先计算一榀典型简支屋架的内力系数，然后分别计算下述三种荷载标准值作用下的杆件内力：

全跨永久荷载、全跨屋面活荷载、半跨屋面活荷载。

最后列表进行下述两种荷载组合：

1.2×全跨永久荷载+1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max；

1.2×全跨永久荷载+1.4×（半跨屋面活荷载，半跨雪荷载）max。

②排架柱

为简化计算，不考虑车间的空间作用，将钢屋架简化成刚度无穷大的水平横梁，两端与排架柱铰接连接。

屋面永久荷载及活荷载标准值分别等效作用到横梁上。

首先分别计算下述八种荷载标准值作用下一榀典型排架的内力：

永久荷载、屋面活荷载、左（或右）墙面风荷载、吊车左（或右）刹车力、吊车靠近左（或右）时的竖向荷载；然后列表进行排架柱的内力组合。

组合情况考虑以下六种：

1.2×永久荷载+1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max；

1.2×永久荷载+1.4×墙面风荷载；

1.2×永久荷载+1.4×吊车竖向荷载；

1.2×永久荷载+0.9×1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max+0.9×1.4×墙面风荷载；

1.2×永久荷载+0.9×1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max+0.9×1.4×吊车竖向荷载；

1.2×永久荷载+0.9×1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max+0.9×1.4×墙面风荷载+0.9×1.4×吊车竖向荷载+0.9×1.4×吊车水平荷载。

4、地质情况：

经勘测，地表土为人工填土，1.2m厚，不宜作为天然地基土，建议全部挖除；其下为粘土，地基承载力特征值

，压缩模量

，适宜作为地基持力层。

场地地下水静止水位埋深为10.5米，可不考虑水质对基础混凝土的侵蚀。

最大冻土深度可按0.5m考虑。

5、主要构件材料

①钢筋：

纵向受力钢筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋；

②混凝土：

C20~C30；

③钢材：

Q235-B或Q345-B。

6、钢屋架形式为梯形钢屋架，吊车吨位为10t，牛腿柱顶标高为4.5m

结构布置

二、钢屋架计算

1、屋面坡度为1/12。

2、屋架布置及几何尺寸

屋架几何尺寸图

屋架计算跨度2400-300=23700

屋架端部高度H=23125mm

3、荷载计算

（1）恒荷载

屋面恒荷载0.25kN/m2屋架及支撑自重0.35kN/m20.25+0.35=0.6kN/m2

（2）活荷载

因屋面活荷载0.5kN/m2>雪荷载0.3kN/m2，取0.5kN/m2

永久荷载设计值：

1.35×0.6+1.4×0.7×0.5=1.3kN/m2

可变荷载设计值：

1.2×0.6+1.4×0.5=1.42kN/m2

2、荷载组合

设计屋架时，考虑以下两种荷载组合：

全跨永久荷载+半跨可变荷载F1=0.6×1.2×1.5×6=6.48kN

F2=0.5×1.4×1.5×6=6.3kN

三、内力计算

按力学求解器计算杆件内力，然后乘以实际的节点荷载，屋架要上述第一种荷载组合作用下，屋架的弦杆、竖杆和靠近两端的斜腹杆内力均达到最大值，在第二和第三种荷载作用下，靠跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生变号，因此，在全跨荷载作用下所有杆件的内力均应计算，而在半跨荷载作用下，仅需计算近跨中的斜腹杆内力，取其中不利内力（正、负最大值）作为屋架的依据。

具体计算见图屋架各杆内力组合见表。

全跨荷载布置图

全跨荷载内力图

左半跨荷载布置图

左半跨荷载内力图

内力计算表

杆件名称

内力系数

第一种组合

第二种组合

计算杆件内力

全跨

左半跨

右半跨

F×

（KN）

×＋

×

＋

×

上

弦

杆

AB

0

0

0

0

0

0

0

BC

-8.32

-5.96

-2.36

-106.83

-91.89

-69.10

-106.83

CD

-8.32

-5.96

-2,36

-106.83

-91.89

-69.10

-106.83

DE

-12.98

-8.76

-4.31

-166.66

-139.38

-111.78

-166.66

EF

-12.98

-8.76

-4.31

-166.66

-139.38

-111.78

-166.66

下

弦

杆

ab

4.5

3.31

1.18

57.78

50.25

36.76

57.78

bc

11.03

7.66

3.37

141.63

120.29

93.14

141.63

cd

14.08

8.98

5.10

180.78

148.50

123.94

180.78

de

14.64

8.14

6.50

187.98

146.83

136.45

187.98

斜

腹

杆

aB

-8.75

-6.44

-2.31

-112.35

-97.93

-71.58

-112.35

Bb

6.82

4.72

3.09

87.67

74.28

63.96

87.67

bD

-5.42

-3.40

-2.02

-69.59

-56.81

-48.07

-69.59

Dc

3.72

1.92

1.80

47.76

36.37

35.61

47.76

cF

-2.50

-0.74

-1.75

-32.10

-20.96

-27.35

-32.10

Fd

1.17

-0.40

1.58

15.02

5.08

17.62

17.62

dH

-0.04

1.50

-1.54

-0.51

9.23

-10.01

-10.01

He

-1.02

-2.42

1.40

-13.10

-21.96

15.5

-21.96

竖杆

Aa

-0.05

-0.50

0

-6.42

-6.42

-3.26

-6.42

Cd

-1.0

-1.0

0

-12.84

-12.84

-6.51

-12.84

Gd

-1.0

-1.0

0

-12.84

-12.84

-6.51

-12.84

Ie

1.84

0.92

0.92

23.63

17.80

17.80

23.63

四、杆件截面设计

1、上弦杆截面计算

整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算N=-184.54N（压力），查表，节点板厚度选用8mm，支座节点板厚度选用10mm。

计算长度屋架平面内取节间轴线长度,lox=1505mm

屋架平面外,根据支撑和内力变化取,loy=6020mm

截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并,如图

图1上弦截面

A=13.82cm2ix=1.67cmiy=6.69cm

λy=lox/ix=150.5/2.56=59<

λy=loy/iy=602.0/6.69=90<

b1/t=100/8=12.5<0.56loy/b1=（0.56×603.0）/10=33.8

可近似取λxz=λy,b类截面，查表φy=0.621

N/（φyA）=184.54×103/（0.621×4460）=66.63N/mm2<ƒ=215N/mm2

所选截面合适。

2、下弦杆截面计算

整个杆件采用同一截面，按最大内力计算，Nmax=185.69kN（拉力）

计算长度屋架平面内取节间轴线长度

ly=600cm

屋架平面外根据支撑布置取loy=23.7/2=11.85m

试选用2∟80×50×8，见图2所示，

A=19.7cm2,ix=1.38cm,iy=4.02cm

按所选角钢进行截面验算：

λx=lox/ix=300/1.38=217<[λ]=350

λy=loy/iy=1185/4.02=295<[λ]=350

截面合适

下弦截面

3、斜杆截面计算

①斜杆AK和斜杆BM合并

N=-109.65kN（压力），l0x=2775，l0y=3067

计算所需净截面面积

选用2∟70×6，图所示，A=16.32c㎡,ix=2.15cm,iy=3.19cm

斜杆截面

λx=lox/ix=262.4/2.15=129.069<

属于b类截面

λx=loy/iy=262.4/3.19=96,。

14<

属于b类截面

满足长细比：

的要求。

b2/t=11.7<0.58loy/b2=0.58×262.4/7=21.7λyz=82.3×（1+0.475b3/loy2t2）=86.1

查轴心受压构件的稳定系数表，φ=0.392

N/（φA）=109.65×103/（0.392×1632）=171.40N/mm2<ƒ=215N/mm2

所选截面合适。

②斜杆KB和斜杆MC合并

N=87.93kN（压力），

l0x=0.8l=0.8×3067=245.36cm,l0y=l=306.7cm

计算需要净截面面积

An=N/ƒ=87.93×103/215=408.98mm2

选用2∟45×5，见图所示，A=8.58c㎡,ix=1.37cm,iy=2.18cm

验算：

λx=lox/ix=245.36/1.37=179.9<

N/（φA）=87.93×103/（0.493×1632）=102.48N/mm2<ƒ=215N/mm2

所选截面满足要求。

斜杆CD和斜杆QE合并

N=-35.40KN,ix=0.8l=2809,iy=3511采用2∟65×6

斜杆Bbl0x=0.8l=0.8×270.4=216.32cm,l0y=l=270.4cm

λx=lox/ix=216.32/1.72=126<[λ]=350

λx=loy/iy=270.4/2.62=103<[λ]=350

斜杆Dcl0x=0.8l=0.8×295.9=236.72cm,l0y=l=295.9cm

λx=lox/ix=236.72/1.72=138<[λ]=350

=loy/iy=295.9/2.62=113<[λ]=350

斜杆Fd验算略，均满足要求。

压杆cF采用2∟56×5A=10.81cm2,ix=1.72cm,iy=2.62cm

N=-32.82kN（压力）l0x=0.8l=0.8×322.0=257.6cm,l0y=l=322.0cm

λx=lox/ix=257.6/1.72=148<[λ]=150

=loy/iy=322.0/2.62=123<[λ]=150

b/t=11.2<0.58×2958/56=30.6λyz=113×（1+0.475b4/loy2t2）=115

查表得φ=0.353

N/（φA）=31.95×103/（0.353×1081）=83.7N/mm2<ƒ=215N/mm2

压杆dH和He采用2∟63×5A=12.29cm2,ix=1.94cm,iy=2.89cm

压杆dH：

N=—9.96kN（压力）l0x=0.8l=0.8×348.8=279.04cm,l0y=l=348.8cm

λx=lox/ix=279.04/1.94=144<[λ]=150

λx=loy/iy=348.8/2.89=121<[λ]=150

b/t=12.6<0.58×3488/63=32λyz=121×（1+0.475b3/loy2t2）=124

查表得φ=0.329

N/（φA）=9.96×103/（0.329×1229）=24.6N/mm2<ƒ=215N/mm2

同理可得：

压杆He

54N/mm2<ƒ=215N/mm2

竖杆采用2∟63×5A=12.29cm2,ix=1.94cm,iy=2.89cm

（1）压杆Gd

N=—12.78kN（压力）l0x=0.8l=0.8×300=240cm,l0y=l=300cm

λx=lox/ix=240/1.94=124<[λ]=150

λx=loy/iy=300/2.89=104<[λ]=150

b/t=12.6<0.58×3000/63=28λyz=104×（1+0.475b3/loy2t2）=107

查表得φ=0.416

N/（φA）=12.78×103/（0.416×1229）=25N/mm2<ƒ=215N/mm2

（2）Ie采用十字形

N=23.52KNl0x=0.9l=0.9×330=297cm,l0y=l=330cm

λx=lox/ix=264/1.94=136<[λ]=150

λx=loy/iy=330/2.89=114<[λ]=150

b/t=12.6<0.58×3300/63=30λyz=114×（1+0.475b3/loy2t2）=117

查表得φ=0.406

N/（φA）=23.52×103/（0.406×1229）=50.7N/mm2<ƒ=215N/mm2

屋架杆件一览表

杆件。

杆内力

kN

计算长度

截面形式及

角钢规格

lox

loy

上弦

-184.54

3505

6020

┛┗短肢相并

2L140×90×10

下弦

185.69

3000

6000

┛┗短肢相并

2L80×50×8

斜腹杆

aB

-111.83

2624

2624

┛┗长肢相并

2L70×6

Bb

-69.27

2366

2958

┛┗

2L70×6

bD

-87.16

2163

2704

┛┗

2L56×5

Dc

47.54

2367

2959

┛┗

2L56×5

cF

17.54

2577

3221

┛┗

2L56×5

Fd

-31.95

2576

3220

┛┗

2L56×5

dH

-9.96

2790

3488

┛┗

2L63×5

He

-21.86

2791

3259

┛┗

2L63×5

竖杆

Ab

-12.68

1692

2115

┛┗

2L63×5

cb

-12.78

1920

2400

┛┗

2L63×5

Ec

-12.78

2160

2700

┛┗

2L63×5

Gd

-12.78

2400

3000

┛┗

2L63×5

Ie

23.52

2970

3300

十字形

2L63×5

五、节点设计

1．上弦K节点：

1）KB杆的内力N=109.65KN，采用两面侧焊焊缝计算，设肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：

肢背lw=0.7N/（2heƒtw）+2hf=0.7×109.65×103/（2×0.7×5×160）+2×5=68.53mm，取70mm

肢尖lw=0.3N/（2heƒtw）+2hf=0.3×109.65×103/（2×0.7×5×160）+2×5=29mm，取50mm

BM杆的内力N＝71.06kN，设肢背和肢尖hf=5mm，所需要的焊缝长度为：

肢背lw=0.7N/（2heƒtw）+2hf=0.7×71.06×103/（2×0.7×5×160）+2×5=54mm，取60mm

肢尖lw=0.3N/（2heƒtw）+2hf=0.3×71.06×103/（2×0.7×5×160）+2×5=29mm，取50mm

考虑搁置檩条，节点板缩进上弦肢背8/2+2=6mm，用槽焊缝连接，槽焊缝按两条角焊缝计算

，P＝12.78kN。

设肢尖焊缝

=4mm，假定集中荷载P与上弦垂直，忽略屋架上弦坡度影响。

τf=N/[2

hf×（lw-2hf）]=106.71×106/2×0.7×6×（240-12）=27.31N/mm2＜0.8f=128/mm

节点如下图所示。

2、支座节点

（1）支座底板的计算

支座反力RA=RB=102.24KN

按构造要求采用底板面积为a×b=200×210mm如仅考虑加劲肋部分底板承受支座反力R，则承压面积为Au=200×（2×60=8）=25600mm2

验算柱顶混凝土的抗压强度：

σ=R/Au=102.24×103/25600=4N/mm2＜fc=12.5N/mm2满足。

底板的厚度按屋架反力作用下的弯距计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两相邻边支承，而另两相邻边自由的板，每块板单位宽度的最大弯距为：

M=βσ

式中σ—底板下的平均应力，σ=2.4N/mm2；

2—两支承边之间的对角线长度，

2=138mm；

β—系数，b1=69，查表得β=0.0602

故M=βσ

=0.0602×2.4×1382=2751N·mm。

底板厚度取t=12mm。

（2）加劲肋与节点的连接焊缝计算

加劲肋高度取与支座节点板相同，厚度取与中节点板相同，一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力为四分之一支座反力。

R/4=102.24×103/4=25.56×103N，M=Ve=25.56×103×50=1.28×106N·mm

设焊缝hf=5mm，焊缝计算长度取lw=280-10-15=255mm，则焊缝应力为

τf=（25.56×103）/（2×0.7×5×255）=14.32N/mm2，

σf=M/W=（6×1.28×106）/（2×0.7×6×2552）=16.87N/mm2，

=19.91N/mm2＜160N/mm2因此焊缝长度大于100mm即可。

（3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝

设焊缝传递全部支座反力R=102.24kN，其中每块加劲肋各传R/4=25.56kN，节点板传递R/2=51.12kN。

节点板与底板的连接焊缝计算长度

=2（160—2×5）=300mm，所需要的焊缝脚尺寸为h≥（51.12×103）/（0.7×300×160×1.22）=2.0取h=5mm

节点图如下图所示

3、下弦B节点

选用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ƒtw＝160N/m㎡，实际所需的焊脚尺寸可由构造确定。

焊缝hf=5mm

Bb杆与节点板连接焊缝同B节点

Cb杆可按构造取焊缝长度lw=40mm

Db杆肢背lw=0.7N/[2×0.7hfƒtw]+2hf=0.7×69.27×103/（2×0.7×5×160）+2×5=53mm,取60mm

肢尖lw=0.3N/[2×0.7hfƒtw]+2hf=0.3×69.27×103/（2×0.7×5×160）+2×5=28mm,取50mm

下弦杆与节点板连接处焊缝hf=6mm

τf=0.75×（140.96—57.51）×103/（2×0.7×6×160）+2×6=59mm

根据实际情况，焊缝长度远大于59mm，满足要求。

4、屋脊R节点

设焊缝高度hf=5mm，则所需要焊缝计算长度为：

lw1=（0.7×17.51×103）/（2×0.7×5×160）+10=21mm,取lw=50mm

肢尖焊缝hf=6mm，lw2=15mm，取lw2=50mm

N=0.15×182.15=27.2kN

M=27.2×0.059=1.62kN·m

焊缝应力为：

τfN=（27.2×103）/（2×0.7×6×5×125）=31.22N/mm2，

σfM=（1.62×106×6）/（2×0.7×6×1252）=103.10N/mm2，

=90.1N/mm2＜160kN/mm2

（3）中竖杆与节点板的连接焊缝计算：

此杆内力较小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊缝尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=50mm，

节点图如下图所示。

下弦跨中e节点图

5、下弦跨中E节点设计

（1）下弦接头设于跨中节点处，连接角钢取与下弦杆相同截面2∟80×50×8，焊缝高度hf=5mm，

焊缝长度为：

lw=（185.69×103）/（4×0.7×5×160）+10=93mm，取lw=110mm

连接角钢长度lw=2×110+10=230mm