钢结构设计计算书.doc
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08土木工程钢结构课程设计
钢结构设计计算书
一、设计资料
某厂房总长度90米，跨度。
冬季计算温度高于-20℃，无侵蚀性介质，地震设防烈度为8度。
屋架下弦标高为18米，厂房内桥式吊车为2台150/30t（中级工作制）。
根据荷载性质，钢材采用，要求保证屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯试验及碳、硫、磷含量合格。
屋架连接方法采用焊接，焊条选用型，手工焊。
二、屋架形式和几何尺寸
因屋面采用混凝土大型屋面板，屋面坡度故宜采用梯形屋架。
屋架计算跨度
屋架端部高度
屋架中部高度
屋架跨中起拱L／500，可取40mm。
屋架几何尺寸如下图所示：
图一
三、支撑布置
根据车间长度，屋架跨度荷载情况以及吊车布置情况宜设置三道上、下弦横向水平支撑。
考虑到柱网的布置情况，因为第一柱间间距小于6，因此厂房两端的横向水平支撑设在第二柱间。
在第一柱间的上弦设置刚性系杆保证安装时上弦的稳定，下弦设置刚性系杆以传递风荷载。
在设置水平支撑的柱间，在屋架跨中及两端，两屋架间共设置三道垂直支撑。
屋脊节点以及屋架支座处沿厂房通常设置刚性系杆，屋架下弦跨中通长设置一道柔性系杆。
凡与支撑连接的屋架编号为，其余编号均为，其中屋架间距取，两端和中间共6榀屋架。
四、荷载和内力计算
1、荷载计算
永久荷载标准值：
三毡四油（上铺绿豆砂）防水层
水泥沙浆找平层
保温层/
一毡二油隔气层
水泥沙浆找平层
预应力砼屋面板
屋架及支撑自重/
合计/
可变荷载标准值：
屋面活荷载
积灰荷载/
合计/
屋面活荷载与雪载一般不会同时出现，取其中较大者进行计算。
荷载计算中，因屋面坡度较小，风荷载对屋面为吸力，对重屋盖可不考虑，所以各荷载均按水平投影面积计算。
2、荷载组合
荷载组合按全跨永久荷载和全跨可变荷载并根据和计算。
对跨中的部分斜腹杆因半跨荷载可能产生的内力变号，采取将跨度中央每侧的各3跟斜腹杆（图一中的eF、Fg、gH）均按压杆控制细长比，故不再考虑半跨荷载作用的组合。
按由可变荷载效应控制的组合计算：
取永久荷载=1.2，屋面活荷载=1.4，屋面积灰荷载=1.4、=0.9，则节点荷载设计值为
按由可变荷载效应控制的组合计算：
取永久荷载=1.35，屋面活荷载=1.4、=0.7，屋面积灰荷载=1.4、=0.9，则节点荷载设计值为
故应取节点荷载设计值F=
3、内力计算
内力设计值如图二所示：
21米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值（图二）
内力组合见下图三所示：
杆
件
名
称
杆内力系数（P=1）
组合一
组合二
组合三
计
算
内
力
全垮
①
左半跨②
右半跨③
①
N（左）=P（全）×①+P（半）×②
N（右）=P（全）×①
+P（半）×③
N（左）=P（全）×①+P（半）×②
N（右）=P（全）×①
+P（半）×③
上
弦
杆
AB
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
BD
-7.422
-5.301
-2.162
-483.532
-392.222
-324.791
-158.233
-81.170
-483.532
DF
-11.262
-7.399
-3.923
-660.967
-576.936
-503.765
-222.229
-138.605
-660.967
FH
-12.18
-6.861
-5.319
-714.844
-600.911
-567.882
-213.998
-176.250
-714.844
下
弦
杆
ac
4.100
3.010
1.090
240.629
217.281
176.155
89.183
42.181
240.629
ce
9.744
6.633
3.081
571.875
505.880
429.154
199.943
112.255
571.875
eg
11.962
7.326
4.636
702.050
602.747
545.127
224.557
158.706
702.050
gh
11.768
5.884
5.884
690.664
564.629
564.629
188.523
188.523
690.664
斜
腹
杆
aB
-7.684
-5.641
-2.043
-450.974
-407.213
-330.144
-167.137
-79.058
-450.974
Bc
5.808
3.960
1.848
340.872
301.287
256.048
118.895
67.193
340.872
cD
-4.409
-2.633
-1.776
-258.764
-220.722
-202.365
-81.122
-60.143
-258.764
De
2.792
1.222
1.570
163.862
130.233
137.687
40.468
48.987
163.862
eF
-1.572
0.047
-1.525
-92.261
-59.595
-91.254
7.093
-43.274
-92.261
7.093
Fg
0.328
-1.039
1.367
19.250
34.480
41.506
-26.675
34.704
41.506
-26.675
gH
0.713
1.913
-1.200
41.84
63.909
-52.278
49.525
-32.071
63.909
-52.278
竖
杆
aA
-0.5
-0.5
0
-29.345
-29.345
-14.673
-14.13
-1.89
-29.345
cC
-1.0
-1.0
0
-58.69
-58.69
-28.26
-3.78
-58.69
eE
-1.0
-1.0
0
-58.69
-58.69
-28.26
-3.78
-58.69
gG
-1.0
-1.0
0
-58.69
-58.69
-28.26
-3.78
-58.69
五、杆件截面设计
按腹杆最大内力，节点板厚度选用，支座节点板厚度选用。
5.1上弦杆
整个上弦采用同一截面，按最大内力计算
上弦杆计算长度：
在屋架平面内，为节间轴线长度；在屋架平面内，根据支撑布置和内力变化情况取。
因为，故截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。
设，按Q345号钢轴心受压构件属b类截面。
查表得。
需要截面面积：
需要的回转半径：
根据查角钢规格表选用，，
。
按所选角钢进行验算：
（满足要求）
（满足要求）
双角钢T型截面绕对称轴（y轴）应按弯扭屈曲计算换算长细比
，由，查表得
（满足要求）
所选截面如图：
5.2下弦杆
整个下弦不改变截面，按最大内力设计。
按下弦支撑布置情况：
，因为，故截面宜选用两个不等肢角钢短肢相并。
计算所需下弦截面净面积：
选用（短肢相并），截面如图5-2所示。
验算：
如果连接的螺栓孔中心至节点板边缘距离不小于，螺栓孔对下弦截面的消弱可不考虑，所以.
（满足）
（满足）
（满足）
5.3端斜杆aB
，。
如选用（长肢相并），则，。
验算：
（满足）
（满足）
由，查表得
截面如图5-3所示。
5.4端斜杆Bc
几何长度：
所需截面面积：
选用,则
验算：
（满足）
（满足）
截面如图5-4所示
5.5斜腹杆cD
，
选用，则
验算：
（满足）
（满足）
（满足）
截面如图5-6所示。
5.6斜腹杆De
，
选用
验算：
（满足）
（满足）
（满足）
5.7斜腹杆eF
，
选用
验算：
（满足）
（满足）
由于，只需求，查表得
（满足）
5.8斜腹杆Fg
，，
选用∟，则，，
对所选角钢进行验算：
（满足）
（满足）
由于，只需求，查表得
（满足）
5.9斜腹杆gH
，
选用∟，则，，
对所选角钢进行验算：
（满足）
（满足）
由于，只需求，查表得
（满足）
5.10竖杆aA、cC、eE、gG
其最大内力为，选用长细比较大的竖杆进行设计，则可保证其它竖杆的安全可靠性。
。
内力较小，按各杆允许长细比选择角钢，所需回转半径为：
，
选用,则
（满足）
（满足）
由于，只需求，查表4.2得
（满足）
根据布置螺栓的要求，端竖杆及中间杆最小应当选用的角钢，采用十字形截面，
端竖杆aA:
查表得，
中间竖杆Ii:
由组成的十字形截面，（满足要求）
截面如图5-5所示
屋架各杆件的截面汇总如下图四所示
青海大学昆仑学院-17-
杆件
杆内力（kN）
计算长度
截面形式及角钢规格
截面积
回转半径
长细比
容许
系数
长细比
上弦
-660.967
1507.5
3015
┘└短肢相并
2└110ⅹ70ⅹ10
3433
19.6
54.5
76.91
55.32
150
0.832
273
下弦
702.050
3000
6000
┘└短肢相并
2└100ⅹ63ⅹ8
2517
17.7
49.7
169.49
120.72
250
-
304.56
斜
腹
杆
aaB
-450.872
2530
2530
┘└长肢相并
2└125ⅹ80ⅹ7
2819
40.2
32.5
63
77.8
150
0.646
270．4
BBc
c
340.872
2090.4
2613
┘└
2└63ⅹ5
1228
19.4
29.6
107.75
88.28
350
-
303
ccD
-258.764
2291.2
2864
┘└
2└50ⅹ5
9606
15.3
24.6
149．75
116.42
150
-
294
DDe
163.862
2291.2
2864
┘└
2└63ⅹ5
9606
15.3
24.6
149.75
116.42
150
-
180.63
eeF
-92.261
7.093
2499.2
3124
┘└
2└75ⅹ5
1482
23.3
34.5
107.26
90.55
150
0.508
133.8
FFg
41.506
-26.675
2499.2
3124
┘└
2└56ⅹ5
1083
17.2
26.9
145.3
116.1
150
0.326
133.69
ggH
63.909
-52.278
2712
3390
┘└
2└63ⅹ5
1229
19.4
29.6
139.79
114.53
150
0.345
180.43
竖
杆
aaA
-29.345
1791
1791
┘└
2└63ⅹ5
1229
17.2
26.9
150
0.749
34.81
ccC
-58.09
1832
2290
┘└
2└56ⅹ4
1083
17.3
26.7
133.64
108.24
150
0.372
176.78
eeE
-58.09
2072
2590
┘└
2└56ⅹ4
1083
17.3
26.7
134.4
107.4
150
0.437
-144.5
ggG
-58.09
2312
2890
┘└
2└56ⅹ4
1083
17.3
26.7
134.4
107.4
150
0.372
-169.7
图四
六、节点设计
6.1下弦节点c
用焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。
设cB杆的肢背和肢尖焊缝，所需焊缝长度为：
肢背：
，取
肢尖：
，取
设cD杆的肢背与肢尖的焊缝为
肢背：
，取
肢尖：
，取
ac杆的内力很小，焊缝尺存可按构造确定取
根据以上取得的焊缝长度，并考虑杆尖之间应有的间隙以及制作、装配等误差，按比例作出节点详图6-1-1从而确定节点板尺寸为。
下弦与节点板连接的焊缝长度为，寒风所受的力为左右下弦杆的内力差，受力较大的肢背处焊缝应力为
焊缝强度满足要求。
6.2上弦节点
Bc杆与节点板的焊缝尺寸和节点c相同，aB杆与节点板的焊缝尺寸按上述方法计算。
肢背：
，实际取
肢尖：
，实际取
为了便于搁置屋面板，上弦节点板的上边缘缩进上弦肢背，上弦角钢与节点板间用槽焊连接，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，认为集中力与上弦垂直。
根据斜杆焊缝长度确定节点板尺寸，置得节点板长度（见图6-2-1），焊缝计算长度，则肢背焊缝应力为：
肢尖焊缝承受弦杆内力差，
偏心距
偏心力矩
采用，则
6.3屋脊节点H
设焊缝高度，则所需焊缝计算长度为：
取
拼接角钢长度取
上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15％计算。
设肢尖焊缝，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为：
焊缝应力为：
焊缝强度满足要求。
6.4下弦跨中节点设计
跨中起拱，下弦接头设于跨中节点处，连接角钢取与下弦相同截面,焊缝高度
焊缝长度,则取
连接角钢长度，则取。
肢尖切去截面消弱
6.5支座节点
为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取。
在节点中心线上设置加劲肋。
加劲肋取，节点板取的钢板。
6.5.1支座底板的计算
支座反力
按构造要求采用底板面积为如仅考虑加劲肋部分底板承受支座反力，则承压面积为:
验算拄顶砼的抗压强度：
（满足要求）
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撑，而另两相邻边自由的板，每块板单位宽度的最大弯距位：
式中：
--底板下的平均应力，
--两支承边之间的对角线长度，
--系数，由
故
底板厚度,取
6.5.2加劲肋与节点板的连接焊缝计算
加劲肋高度取与支座节点板相同，厚度取值与中间节点板相同，一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力为四分之一的支座反力：
设焊缝焊缝计算长度，则焊缝应力为：
6.5.3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,其中每块加劲肋各传：
.
节点板与底板的连接焊缝长度，所需焊角尺寸为：
，取
每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为：
所需焊缝尺寸为：
，
取。
则焊缝应力为
（满足）
其它节点设计方法与上述方法类似，具体尺寸详见施工图。
七、屋架施工图
如图纸所示
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