《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》課程設(shè)計

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1、 鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計 專業(yè)名稱 ： 道路與橋梁 年級班級： 1* 級* 班 學(xué)生姓名： * * * 指導(dǎo)教師： * * * 河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院 鋼結(jié)構(gòu)屋架設(shè)計說明書 （一） 設(shè)計資料 武

2、漢某廠機器加工車間單跨廠房的鋼屋蓋，跨度 30m，長度 180m，柱距 6m，車間內(nèi) 設(shè)有一臺 30t 中級工作制橋式吊車。采用1.5m 6m 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土大型屋面板，泡沫混 凝土保溫層，屋面坡度 i=l/10 ，屋架支承在鋼筋混凝土柱上，上柱截面 400mm 400mm，混 凝土等級為 C20。 （二） 鋼材和焊條的選用 根據(jù)武漢地區(qū)的計算溫度和荷載性質(zhì) （靜荷載），按設(shè)計規(guī)范要求， 屋架鋼材選用 Q235B ， 要求保證屈服點和含碳量。焊條選用 E43 型，手工焊。 （三） 屋架形式、尺寸能支撐布置 由于 1.5m 6

3、m 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土大型屋面板，故選用梯形屋架。 屋架計算跨度： L0 L 300 29700 mm 屋架端部高度： H 0 2000mm 跨中高度： H H 0 L0 i 2000 29700 0.1 3485 3490mm 2 2 屋架高跨比： H 3490 1

4、 L0 29700 8.5 為了使屋架節(jié)點受荷，配合屋面板 1.5m 寬，腹桿體系大部分采用下弦節(jié)間為 3m 的人 字形式，僅在跨中，考慮到腹桿的適宜傾角，采用再分式桿系，屋架跨中起拱按 L0 / 500 計 算為 60mm，幾何尺寸如圖所示。

5、 J 8 K 8 I 1507 50 1 0 5 5 G

6、 150 7 H 1 6 07 F 1508 9 5 5 230 1 8 E 1 0 0

7、 5 0 9 97 0 7 B15 8C 1507 D 1 5 0 0 9 1 02 9 A 3 8 3 g 4 1 9 5 3

8、 0 9 3 2 3 9 2 5 9 3 9 2 2 1 3 8 5 0 5 2 2 6 8 1 1 3 5 2 8 5 3 9 0 0 3 6 2 9

9、 23 0 5 0 0 2 2 8 00 0 3000 6 00 3

10、 28 50 00 30 a b 30 c d e f 150 1350 91500＝ 13500 屋架桿件的幾何長度 根據(jù)車間長度、 跨度及荷載隋況， 設(shè)置三道上、 下弦橫向水平支撐， 因車間兩端為

11、山墻，故橫向水平支撐在第二柱間。在第一柱間的上弦平面設(shè)置剛性系桿保證安裝時上弦的穩(wěn)定， 下弦平面內(nèi)的第一柱間也設(shè)置剛性系傳遞山墻的風(fēng)荷載。在設(shè)置橫向水平支撐的同一柱間， 設(shè)置豎向支撐三道， 分別設(shè)在屋架的兩端和跨中。 屋脊節(jié)點用屋架支座處沿廠房設(shè)置通長剛 性系桿，屋架下弦跨中設(shè)一道通長柔性系桿（詳見下圖） ，凡與橫向支撐連接的屋架編號為 GW.J-2，不與橫向支撐連接的屋架編號為 GWJ-1 。 （四）荷載和內(nèi)力計算 - 1 - 2 J W G 

12、 2 1 1 1 J J J J W W W W G G G G  柔性桿系 0 0 0 6 0 0 5 0 剛性桿系 4 0 5 4 0 0 2 2 0 5 4 J J 0 W W 5 G G

13、 4 0 0 0 6 屋架上弦橫向水平支撐布置 Ⅱ－ －Ⅱ 0 0 剛性桿系 0 6 0 0 0 6 Ⅰ－ 柔性桿系 0 －Ⅰ 0 0 6 0 0 0 6 0 0 0 6 屋架下弦橫向水平支撐布置 Ⅰ－Ⅰ Ⅱ－Ⅱ 屋蓋支撐布置圖 1.荷載計算 （ 1）永久荷載

14、 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土在型屋面板（包括灌縫） 1.2 1.4 1.68KN / m2 防水層（三氈四油，上鋪小石子） 1.2 0.4 0.48KN / m2 20mm 厚水泥砂漿找平層 1.2 0.4 0.48KN / m2 80mm 泡沫混凝土保護層 1.2 0.4 0.48KN / m2 屋架和支撐自重 1.2 0.45 0.54KN / m2 永久荷載總設(shè)計值 3.66KN / m2 （ 2）可變荷載 屋面活荷載 1.4 0.7 0.98KN / m2 - 2 - 可變荷載總設(shè)

15、計值 0.98KN / m2 計算屋架時應(yīng)考慮下列三種情況： 永久荷載 P1 3.66 1.5 6 32.94KN 可變荷載 P2 0.98 1.5 6 8.82 KN 1 全跨永久荷載 +全跨可變荷載 ○ 節(jié)點荷載 P P1 P2 41.76KN ○2 全跨永久荷載 +（左）半跨可變荷載 P左 P1 P2 41.76KN 節(jié)點荷載 P右 P2 32.94 KN ○3 全跨屋架和支撐自重 +（左）半跨屋面板 +（左）半跨施工荷載（取等于屋面

16、使 用荷載） P P31.68 0.98 1.5 6 28.8KN 左 節(jié)點荷載 P3 0.54 1.5 6 4.86 KN P4 (1.68 0.98) 1.5 6 23.94KN 2.內(nèi)力計算 用圖解法分別先求出左半跨和右半跨單位節(jié)點荷載作用下的桿件內(nèi)力系數(shù) L 和 B ，二 者相加得到全跨單位節(jié)點荷載作用下內(nèi)力系數(shù) ，然后乘以實際的節(jié)點荷載，得到相應(yīng)的 內(nèi)力。 屋架在上述第一種荷載組合作用下，屋架的弦桿

17、、 豎桿和靠近兩端的斜腹桿，內(nèi)力均 達到最大， 在第二種和第三種荷載組合作用下， 靠跨中的斜腹桿的內(nèi)力可能達到最大或發(fā)生 變號。 因此，在全跨荷載作用下所 有桿件的內(nèi)力均應(yīng)計算， 而在半跨荷載作用下僅需計算 近跨中的斜腹桿內(nèi)力。計算結(jié)果列于下表 1-1。 P=1 內(nèi)力組合 名稱 桿件編號 左半跨 右半跨 余跨 最大計算拉力 最大計算壓力 備注 1 2 3 4 5 AB 0 0 0 0

18、 BD -8.13 -3.12 -11.25 -469.8 上弦 DF -12.45 -5.62 -18.07 -754.6 FH -13.80 -7.26 -21.42 -894.5 HI -13.00 -9.24 -22.24 -928.7 - 3 - 下弦

19、 斜腹桿 豎腹桿  IK -13.45 -9.24 -22.69 -947.5 ab +4.45 +1.57 +6.02 +251.4 bc +10.68 +4.45 +15.13 +631.8 cd +13.37 +6.64 +20.01 +835.6 de +13.54 +8.43 +21.97 +917.5 ef +10.54 +10.54 +21.08 +880.3 aB -8.32

20、 -2.93 -11.25 -469.8 Bb +6.31 +2.63 +8.94 +373.3 bD -4.95 -2.54 -7.49 -312.8 Dc +3.27 +2.25 +5.52 +230.2 cF -2.04 -2.19 -4.23 -176.6 Fd +0.74 +1.96 +2.70 +112.8 dH +0.44 -1.92 -1.48 +3.34 -59.28 He -1.38 +1.74 +0.36 +43.41 -31.29 eg +3.65 -2.05

21、 +1.60 +95.16 -41.3 gK +4.37 -2.05 +2.32 +115.89 -37.8 lg +0.65 0 +0.65 +27.1 Aa -0.50 0 -0.5 -20.88 Cb -1.00 0 -1.00 -41.76 Ec -1.00 0 -1.00 -41.76 Gd -1.00 0 -1.00 -41.76 Ie -1.50 0 -1.50 -62.64 Jg -1.00 0 -1.00 -41.76 Kf 0 0 0 0 0

22、 表 1-1 屋架桿件計算內(nèi)力 3.桿件截面選擇 （ 1 ） 上 弦 桿 。 整 個 上 弦 不 改 變 截 面 ， 按 最 大 內(nèi) 力 計 算 ， N1k947.5KN ， l 0x 150.8cm ， l0 y 301.6cm b2 4ac（取等于兩塊屋面板寬） ，截面宜選用兩個不等肢 角鋼，短肢相并根據(jù)腹桿的最大內(nèi)力 N aB 469.8KN ，查表取節(jié)點 t 12mm ，支座節(jié)點 板厚 t 14mm 。 假定60, 0.807 A N /

23、 f 947500 / 0.87 215 5065.5 mm2 ix l0 x / 150.8 / 60 2.51cm i y l0 y / 301.6 / 60 5.02cm 選用 2∟ 160 100 12 短肢相并，如圖 A 60.2cm2 - 4 - i x 2.82cm,iy 7.82cm 驗算： x y x  150.8/ 2.82 53.5 150， 301.6/ 7.82 38.6 150 ， 0.8

24、44 N / A 947500 / (0.844 6020) 186.5 f 215N / mm2 (2) 下弦桿。 y 12 整個下弦桿采用等截面，按 下 弦 桿 的 最 大 內(nèi) 力 Nef 917.5KN x x 計 算 ， 2L 16

25、010012 l 0x 300cm,l0 y 1485cm 。 所 y 需 要 面 積 An 9 1 7 5 0 0 / 2 1 5 4 2 6 7. 4 2 ∟ 140 90 10 短 肢 相 并 （ 如 圖 ）， mm， 選 A 44.5cm2 An 42.7cm2 ， ix 2.56cm, i y 6.84 cm , x y  300 / 2.56 117 350 1485/ 6.84 217 350

26、(3) 端斜桿 Ba。 N B a 469.8KN ,l 0x 253.5cm 選用 2∟ 100 10（如圖），其截面參數(shù)： A 38.52cm2 , ix 3.5cm, i y 4.60cm , 驗算 x y  253.5/ 3.05 83.1 150, x 0.618， 253.5/ 4.60 55.1 150 ， 下弦桿截面 y y 12 12 x x x x 2L16010010 2L100 9

27、 y y - 5 - 端斜桿截面 N / A 469800 / (0.618 3852) 197.4N / mm2 f 215N / mm2 （四）斜腹桿 Kg-ge 。此桿是再分式桁架的斜腹桿，在 g 節(jié)點處不斷開，兩段桿件內(nèi)力 不同： 最大拉力： N kg 115.89KN , N ge 95.16 KN 最大壓力： N kg 37.8 KN , N ge 41.3KN 在桁架平面內(nèi)的計算長度： l 0 x 23

28、0.6cm , 在桁架平面外的計算長度按公式計算： l 0y l1 (0.75 0.25 N 2 ) 461.1 (0.75 0.25 37.8 ) 451cm N1 41.3 選用 2∟ 63 5 A 12.28cm2 ,ix 1.94cm,i y 3.03cm 驗算： x 230.6/1.94 119 150 , y 451/ 3.03 149 150, y 0.311 N / A 41300 / (0.311 1228) 108N

29、 / mm2 f 215N / mm2 （ 5）豎桿 Ie 。 N Ie 62.64KN , l 0x 0.8 319 225.2cm , l 0y 319cm ， N Ie 62.64KN , 內(nèi)力較小選用 2∟ 63 5 A 12.28cm2 , ix 1.94cm,i y 3.03cm 驗算： x y  2 5 5. 2 / 1. 9 4 1 3 2 1 5 0 3 1 9 / 3. 0 3 1 0 5 x1 5 0 , 0. 3 7 8

30、2 N / A 6 2 6 4 0 / ( 0 . 3 7 1 1 2 2 8 ) f 1 3 7 . N5 m m2 1 5 / - 6 - , Gd 截面 K g ge I e 截面 （六）豎桿 Gd 。 N Gd41.76 KN , l0x 231.2cm,l0 y 289cm, 因為內(nèi)力較小，可按 選擇，需 要回轉(zhuǎn)半徑： ix 231.2 1.54cm, i y 289 193cm ，按

31、i x 、i y 查型鋼表，選用 ， 150 150 其截面參數(shù) : A 9.6cm2 ,ix 1.53cm 1.54cm, i y 2.53cm 1.93cm。其余各桿件的 截面選擇計算過程不一一列出，其計算過程見表 1-2. 表 1-2 屋架桿件截面選擇 ( 節(jié)點板厚 t=12 ） 名稱 桿件 內(nèi)力 計算長度 截面形式 截面面 回轉(zhuǎn)半徑 長細比 編號 KN lox loy 和規(guī)格 積 cm ix i y x y  容 許 長 穩(wěn) 定 計算

32、 細 比 系數(shù) 應(yīng)力 N / mm2 上弦 lK -947.5 150.8 301.6 ∟ 160 50.6 2.86 7.78 53 39 150 0.842 222 100 10 下弦 de -917.5 300 1485 ∟ 140 90 10 斜 aB -469.8 253.5 253.5 ∟ 100 8 腹 Bb +373.3 208.6 260.8 ∟ 90 6 桿 bD -312.8 229.5 286.9 ∟ 90 6 De +230.

33、2 228.7 285.9 ∟ 63 5 cF -176.0 250.3 312.9 ∟ 75 5 Fd +112.8 249.5 311.9 ∟ 50 5 dH -59.28 271.6 339.5 ∟ 63 5 He +43.41 270.8 338.5 ∟ 63 5 -31.29  44.5 2.56 6.84 117 217 350 202 31.3 3.08 4.56 82 56 150 0.675 222 21.2 2.79

34、4.13 75 63 350 158 21.2 2.79 4.13 82 70 150 0.675 218 12.3 1.94 3.04 118 94 350 168 14.8 2.33 3.15 107 89 150 0.511 232 9.6 1.53 2.53 163 123 350 105 12.3 1.94 3.04 140 112 150 0.345 140 12.3 1.94 3.04 140 112 150 0.345 74 eK +115.9

35、230.6 451 ∟ 63 5 12.3 1.94 3.04 119 149 150 0.311 108 -41.3 lg 24.34 166.3 207.9 ∟ 50 5 9.6 1.53 2.53 109 82 350 25 豎 Aa -20.88 199 199 ∟ 50 5 9.6 1.53 2.53 130 79 150 0.387 56 腹 Cb -41.76 183.2 229 ∟ 50 5 9.6 1.53 2.5

36、3 120 91 150 0.437 100 - 7 - 桿 Ec -41.76 207.2 259 ∟50 50 9.6 1.53 2.53 135 102 150 0.365 119 Le -62.64 255.2 319 ∟ 63 5 12.3 1.94 3.04 132 105 150 0.378 135 Jg -41.76 127.3 159.5 ∟ 50 5 9.6 1.53 2.53 83 63 150 0.667 65 Kf 0 314.1 314.1

37、 ∟ 63 5 12.3 min max =24.5 =12 8 4. 節(jié)點設(shè)計 （1）下弦節(jié)點“ b”（如下圖） 各桿內(nèi)力見表 1-1 。這類節(jié)點的設(shè)計是先計算腹桿與節(jié)點板的連接焊縫尺 寸，然后按比例繪出節(jié)點板的形狀， 量出尺寸，然后驗算下弦桿與節(jié)點板的連接 焊縫。 下弦節(jié)

38、點 Bb 桿的肢背和肢尖焊縫采用 hf 8 和 6mm ，則所需焊縫長度為： mm 肢背 l w 2 k1 N f fw 0.7 373300 146mm ，取 150mm 0.7hf 2 0.7 8 160 肢尖 l w 2 k2 N f fw 0.3 373300 83mm ，取 90mm 0.7hf 2 0.7 6 160 Db桿的肢背和肢尖分別采用 8mm 和 6mm，

39、 肢背 k1N 0.7 312800 ，取 140mm l w 2 0.7 hf f fw 2 0.7 8 160 122mm 肢尖 k2 N 0.3 312800 lw 2 0.7 hf f fw 2 70mm ，取 70mm 0.7 6 160 - 8 - Cb桿的內(nèi)力很小，焊縫尺寸可按構(gòu)造確定， hf 5mm。根據(jù)上面求得的焊縫長度，并按構(gòu)造

40、要求留出間隙及裝配誤差，按比例繪出節(jié)點繪出節(jié)點大樣圖， 確定節(jié)點板尺寸為 310mm 380mm 。 下弦桿與節(jié)點板連接的焊縫長度為 380mm， hf 6mm 。焊縫所受的力為左 右兩下弦桿的內(nèi)力差 N 631.8 251.4 380.4KN ，則肢背的應(yīng)力為： f k1 N 2 0.75 38040 123N / mm2 160N / mm2 2 0.7hf l w 0.7 6 (380 10) 滿足強度要求。 （2）上弦節(jié)點“ B”（如圖）

41、 上弦節(jié)點 Bb 桿與節(jié)點桿的連接焊縫尺寸和 B 節(jié)點相同。 Ba 桿與節(jié)點板的連接焊縫尺 寸按同樣的方法計算， N B a 469.8KN ，肢背和肢尖焊縫分別采用 hf 10mm 和6mm。 肢背 l w k1 N 0.7 469800 147mm ，取 150mm 2 0.7hf f fw 2 0.7 10 160 肢尖 lw" k2 N 0.3 469800 105mm，取 110mm 2 0.7hf f f

42、 w 2 0.7 6 160 為了便于在上弦擱置屋面板，節(jié)點板的上邊緣可縮進肢背 8mm，用塞縫連 接，這是 hf t 6mm ， lw , lw" 360 10 350mm 。承受集中力 P 41.76KN ， 2 則 - 9 - f 2 41760 350 142N / mm2 f fw 160N / mm2 0.7 6 肢尖焊縫承擔(dān)弦桿內(nèi)力差 N 469800 0 469800N ， 偏心距 e 10

43、 2.5 7.5cm 偏心力矩 M N e 469800 75 35235000N mm， hf 10mm ，則 DN 2 469800 85N / mm2 0.7 10 350 M 2 6 35235000 123N / mm2 0.7 10 3502 852 ( 123 )2 132N / mm2 f fw 160N / mm2 1.22

44、 滿足強度要求。 （3）屋脊節(jié)點“ K”（圖） 弦桿的拼接，一般都采用同號角鋼 作為拼接角鋼，為了使拼接角鋼在拼接 處能緊貼被連接的弦桿和便于施焊， 需 將拼接角鋼削棱和切去肢的一部分， (t hf 5)mm。設(shè)焊縫 hf 8mm， 拼接角鋼與弦桿的連接焊縫按連接弦 桿的最大內(nèi)力計算， N1k 947.5KN ， 每條焊縫長度為： 屋脊節(jié)點 lw 947500 264mm ，取 270mm 0.7 8 160 4 拼接角鋼總長

45、L 2 270 20 560mm，取 560mm， 豎肢需切去 10 8 5 23mm，取 25mm ，并按上弦坡度熱彎。 計算屋脊處弦桿與節(jié)點板的連接焊縫，取 hf 5 ，需要焊縫長度： mm lw2N1 sin P 2hf 2 947500 sin5.7 41760 32.7 10 42.7mm 8 0.7hf f fw 8 0.7 5 160 故按構(gòu)造決定節(jié)點板長度。 （4）支座節(jié)點“ a” ( 如圖） ⑧支座底板的計算

46、 支座反力： R 10P 10 41.76 417.6KN 支座底板按構(gòu)造要求取用 28cm 39cm。若僅考慮有加勁肋部分的底板作為 有效面積，則底板承受的均布反力為： - 10 - 支座節(jié)點 q R 417600 3.82 N / mm2 fcc 10N / mm2 An 280 390 底板的厚度按兩鄰

47、板自由的板計算： a1 (140 12/ 2)2 1002 172mm， b1 100 134 78mm ， 172 b1 / a1 78 /172 0.454 查表 得 0.051，則板的單位寬度的最大彎矩為： Mqa12 0.051 6.25 1722 9430N mm 6M 6 9430 底板厚度： t 215 16.2mm , 取 t 20mm f 底板尺寸： 390mm 280mm 20mm 加勁肋與節(jié)點板的連接焊縫計算

48、 一個加勁肋連接焊縫所承受的偏心荷載， 偏安全地取屋架支座反力的四分之一，即： V R / 4 417600/ 4 104400N M V 100/ 2 5220000N mm 設(shè)焊縫 hf 8mm，焊縫計算長度 lw 450 10 440mm ，則： - 11 - V 2 104400 21N / mm2 0.7 8 440 M 2 6 5220000 14N / mm2 0.7 8 4402 212 ( 14 )2 24N / mm

49、2 160N / mm2 1.22 （ 3）節(jié)點板、加勁肋與底板的焊縫計算 設(shè)焊縫傳遞全部支座反力 R 417.6KN ，加勁肋和節(jié)點板厚 12mm，底板厚20mm，焊 腳尺寸取為 hf 8mm 焊縫總計算長度 lw 2 (280 2 8) 4 (100 15 2 8) 784 mm 焊縫應(yīng)力 f R 417600 95.12N / mm2 f fw 160N / mm2 ， 0.7hf lw 0.7 8 784 滿足要求。 - 12 -