鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)--24m跨廠房普通鋼屋架設(shè)計(jì)

1、 某車間跨度為24m，廠房總長(zhǎng)度90m，柱距6m，車間內(nèi)設(shè)有兩臺(tái)300/50kN中級(jí)工作制吊車（參見平面圖、剖面圖），工作溫度高于-20，無(wú)侵蝕性介質(zhì)，地震設(shè)防烈度為6度，屋架下弦標(biāo)高為12.5m；采用1.5×6 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土大型屋面板，級(jí)防水，卷材屋面，屋架采用梯形鋼桁架，兩端鉸支在鋼筋混凝土柱上，混凝土柱上柱截面尺寸為400×400mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，屋架采用的鋼材為Q235B鋼，焊條為E43型。 屋架形式荷載（標(biāo)準(zhǔn)值）永久荷載：改性瀝青防水層0.35kN/m220厚1:2.5水泥砂漿找平層 0.4kN/m2100厚泡沫混凝土保溫層 0.6kN/m2預(yù)應(yīng)

2、力混凝土大型屋面板（包括灌縫）1.4kN/m2屋架和支撐自重為 （0.120+0.011L）kN/m2可變荷載基本風(fēng)壓： 0.35kN/m2基本雪壓：（不與活荷載同時(shí)考慮） 0.45kN/m2積灰荷載 0.75kN/m2不上人屋面活荷載 0.7kN/m2 二、結(jié)構(gòu)形式及支撐布置桁架的形式及幾何尺寸如下圖2.1所示圖2.1 桁架形式及幾何尺寸桁架支撐布置如圖2.2所示符號(hào)說(shuō)明：SC：上弦支撐； XC：下弦支撐； CC：垂直支撐GG：剛性系桿； LG：柔性系桿 圖2.2 桁架支撐布置三、荷載計(jì)算 屋面活荷載與雪荷載不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，從資料可知屋面活荷載大于雪荷載，故取屋面活荷載計(jì)算。由于風(fēng)荷載為0.3

3、5kN/m2 小于0.49kN/m2，故不考慮風(fēng)荷載的影響。沿屋面分布的永久荷載乘以換算為沿水平投影面分布的荷載。桁架沿水平投影面積分布的自重（包括支撐）按經(jīng)驗(yàn)公式（=0.12+0.011跨度）計(jì)算，跨度單位為m。標(biāo)準(zhǔn)永久荷載： 改性瀝青防水層 1.004x0.35=0.351kN/m220厚1:2.5水泥砂漿找平層 1.004x 0.4=0.402kN/m2100厚泡沫混凝土保溫層1.004x 0.6=0.602kN/m2預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板（包括灌縫）1.004x 1.4=1.406kN/m2屋架和支撐自重為 0.120+0.011x24=0.384kN/m2 _共 3.145kN/m2

4、標(biāo)準(zhǔn)可變荷載：屋面活荷載 0.7kN/m2積灰荷載 0.75kN/m2_共 1.45kN/m2考慮以下三種荷載組合 全跨永久荷載+全跨可變荷載 全跨永久荷載+半跨可變荷載 全跨桁架、天窗架和支撐自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載（1）全跨永久荷載+全跨可變荷載（按永久荷載效應(yīng)控制的組合）全跨節(jié)點(diǎn)荷載設(shè)計(jì)值：（2）全跨永久荷載+半跨可變荷載全跨永久荷載設(shè)計(jì)值：對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)：（按永久荷載效應(yīng)控制的組合）（按可變荷載效應(yīng)控制的組合）對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)：半跨可變荷載設(shè)計(jì)值： （3）全跨桁架包括支撐自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載（按可變荷載效應(yīng)控制的組合） 全跨節(jié)點(diǎn)桁架自重設(shè)計(jì)值：對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)：對(duì)結(jié)構(gòu)

5、有利時(shí)：半跨節(jié)點(diǎn)屋面板自重及活荷載設(shè)計(jì)值：四、內(nèi)力計(jì)算荷載組合（1）計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4.1，荷載組合（2）計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4.2，荷載組合（3）計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4.3.圖 4.1 荷載組合（1）圖 4.2 荷載組合（2）圖 4.3 荷載組合4.3由電算先解得F=1的桁架各桿件的內(nèi)力系數(shù)（F=1作用于全跨、走半跨和右半跨）。然后求出各種荷載情況下的內(nèi)力進(jìn)行組合，計(jì)算結(jié)果見附表1五、桿件設(shè)計(jì)（1）上弦桿整個(gè)上弦桿采用等截面，按FG、GH桿件的最大設(shè)計(jì)內(nèi)力設(shè)計(jì)。N=788.27kN=788270N上弦桿計(jì)算長(zhǎng)度：在桁架平面內(nèi)，為節(jié)間軸線長(zhǎng)度：在桁架平面外，根據(jù)支撐布置和內(nèi)力變化情況，取：因?yàn)?3，故宜選用兩個(gè)不

6、等肢角鋼，短肢相并。腹桿最大內(nèi)力N=470.35kN節(jié)點(diǎn)板厚度選用10mm，支座節(jié)點(diǎn)板厚度用12mm 設(shè)=60，選用角鋼，為b類截面，查表得。需要截面積：需要的回轉(zhuǎn)半徑：根據(jù)需要的A、查角鋼規(guī)格表，選用2，=2.85cm，=7.70cm，按所選角鋼進(jìn)行驗(yàn)算： 截面和界面都為b類截面，由于，只需要求。查表的=0.806。 故所選截面合適。（2）下弦桿整個(gè)下弦桿采用同一截面，按最大內(nèi)力設(shè)計(jì)值設(shè)計(jì)。N=779070N平面內(nèi)的計(jì)算程度和平面外的計(jì)算長(zhǎng)度分別為：，所需截面面積：選用2，=2.56cm，=6.77cm，由于，故用不等肢角鋼短肢相并,考慮到下弦有的栓孔削弱，下弦凈截面面積： 所選截面合適。（

7、3）端斜桿aB桿件軸力： N=470.35kN=470350N計(jì)算長(zhǎng)度，因?yàn)?，故采用不等值角鋼長(zhǎng)肢相并。使設(shè)=60，查表得。選用2，按所選角鋼進(jìn)行驗(yàn)算： 截面和界面都為b類截面，由于，只需要求。查表的=0.683。故所選截面合適。（4）腹桿He最大拉力: 21.46kN最大壓力：97.75kN按最大壓力進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)計(jì)算值為97.75kN。由于節(jié)點(diǎn)板的嵌固作用，桁架平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度取，節(jié)點(diǎn)板在桁架平面外的剛度很小，故桁架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度仍取節(jié)間距離，即。設(shè)=60，查表得，選用等肢角鋼，2，按所選角鋼進(jìn)行驗(yàn)算： 截面和界面都為b類截面，由于，只需要求。查表的=0.433。由于腹桿壓力大于拉力，故

8、可不比驗(yàn)算拉應(yīng)力。故所選截面合適。（5）腹桿Bb腹桿拉力設(shè)計(jì)值為 N=357.85kN選用2組成梯形截面，按所選截面進(jìn)行驗(yàn)算：平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度和平面外的計(jì)算長(zhǎng)度分別為， ， 故所選截面合適。(6)豎桿Ie豎桿拉力設(shè)計(jì)值： N=144.39kN 選用2組成十字形截面，按所選截面進(jìn)行驗(yàn)算：平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度和平面外的計(jì)算長(zhǎng)度分別為， ， 故所選截面合適。其他腹桿：豎桿Aa、Cb、Ec、Gd選用2組成的十字形截面，腹桿Db選用2短肢相并，腹桿Dc、Fd、Hd選用2組成的梯形截面，腹桿Fc選用2組成的梯形截面。經(jīng)驗(yàn)算，所選截面都能滿足要求。各桿件的截面的選擇見附表2六、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（1）下弦節(jié)點(diǎn)“b”有E4

9、3型焊條角焊縫的抗拉、抗壓、和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。設(shè)“Bb”桿的肢背和肢尖焊縫，則所需的焊縫長(zhǎng)度為： 肢背：，加后取16cm 肢尖： ，加后取10cm設(shè)“Db”桿的肢背和肢尖焊縫尺寸分別為，所需的焊縫長(zhǎng)度為： 肢背：，加后取14cm 肢尖： ，加后取7cm“Cb”桿的內(nèi)力很小，只需要按構(gòu)造確定焊縫，取。 根據(jù)上面求得的焊縫長(zhǎng)度，并考慮桿件之間應(yīng)有的間隙以及制作和裝備等誤差，按比例繪出節(jié)點(diǎn)詳圖，從而確定節(jié)點(diǎn)板的尺寸為310mm400mm。 下弦與節(jié)點(diǎn)板的連接的焊縫長(zhǎng)度為400mm，。焊縫所受的左右兩下弦桿的內(nèi)力差為，肢背的力最大，取肢背進(jìn)行計(jì)算，則肢背處的焊縫應(yīng)力為： 焊縫強(qiáng)度滿足要求。（2）上弦節(jié)

10、點(diǎn)B“Bb”桿與節(jié)點(diǎn)板的焊縫尺寸和節(jié)點(diǎn)“b”相同?！癇a”桿的肢背和肢尖的焊縫尺寸分別為，所需的焊縫長(zhǎng)度為： 肢背： ，加后取16cm 肢尖： ，加后取11cm考慮焊縫長(zhǎng)度，同時(shí)為了在上弦擱置屋面板，節(jié)點(diǎn)板的上邊緣可縮進(jìn)上弦肢背8mm，選擇節(jié)點(diǎn)板尺寸為295mm480mm。用槽焊縫把上弦角鋼和節(jié)點(diǎn)板連接起來(lái)。驗(yàn)算上弦桿的焊縫： 忽略桁架上弦坡度的影響，假定集中荷載F與上弦桿垂直。上弦肢背承受集中荷載，肢尖承受左右弦桿的內(nèi)力差。槽焊縫的計(jì)算焊角尺寸為 ，=8mm由節(jié)點(diǎn)板的長(zhǎng)度確定槽焊縫的長(zhǎng)度為480mm，上弦肢尖角焊縫的剪應(yīng)力為：故焊縫強(qiáng)度滿足要求。（3）下弦節(jié)點(diǎn)“c”設(shè)“Dc”桿的肢背和肢尖焊

11、縫，則所需的焊縫長(zhǎng)度為： 肢背：，加后取11cm 肢尖： ，加后取6cm設(shè)“Fc”桿的肢背和肢尖焊縫尺寸分別為，所需的焊縫長(zhǎng)度為： 肢背：，加后取8cm 肢尖： ，由于焊縫計(jì)算長(zhǎng)度不得小于和40mm，肢尖焊縫長(zhǎng)度取6cm?！癈b”桿的內(nèi)力很小，只需要按構(gòu)造確定焊縫，取。節(jié)點(diǎn)板取265mm315mm，取，下弦桿與節(jié)點(diǎn)板的焊縫長(zhǎng)度為315mm，焊縫受左右弦桿的內(nèi)力差為，受力較大的肢背處的剪應(yīng)力為：焊縫強(qiáng)度滿足要求。（4）下弦節(jié)點(diǎn)“d”設(shè)“Fd”桿的肢背和肢尖焊縫，則所需的焊縫長(zhǎng)度為： 肢背：<，計(jì)算長(zhǎng)度取48mm，加后取7cm 肢尖： <，計(jì)算長(zhǎng)度取48mm，加后取6cm設(shè)“Hd”桿的

12、肢背和肢尖焊縫尺寸分別為，所需的焊縫長(zhǎng)度為： 肢背： <，計(jì)算長(zhǎng)度取48mm，加后取7cm 肢尖： <，計(jì)算長(zhǎng)度取48mm，加后取6cm。“Cb”桿的內(nèi)力為52890N，。肢背：<，焊縫長(zhǎng)度取6cm，肢尖的力比肢背的小，肢尖焊縫長(zhǎng)度取6cm。節(jié)點(diǎn)板取255mm285mm，由于d點(diǎn)左右兩端的拉力值相差不大，可只按構(gòu)造確定其焊角尺寸為。（5）下弦節(jié)點(diǎn)“e”腹桿“eH”計(jì)算內(nèi)力為97.75kN，肢背的焊縫長(zhǎng)度為：，加后取7cm肢尖：<48mm，取焊縫長(zhǎng)度為6cm。節(jié)點(diǎn)板取325mm270mm。驗(yàn)算下弦節(jié)點(diǎn)板的焊縫。計(jì)算內(nèi)力為0.15779.07kN=116.86kN，焊縫長(zhǎng)度

13、為270，焊縫肢背的剪應(yīng)力為：，肢尖受力較小，不必驗(yàn)算。故焊縫合適。豎桿“eI”焊縫計(jì)算：拉力為144.39kN，取，考慮起弧和滅弧，焊縫長(zhǎng)度取7cm，肢尖受力較小，按構(gòu)造確定焊縫長(zhǎng)度為6cm。下弦拼接角鋼的總長(zhǎng)度為采用與上弦統(tǒng)一鋼號(hào)的角鋼進(jìn)行拼接，垂直肢截取寬度為 圖6.5.1拼接角鋼的總長(zhǎng)度取40cm。（6）上弦節(jié)點(diǎn)“C”、“E”、“G”。 由于節(jié)點(diǎn)處左右弦桿的內(nèi)力值相等，且豎桿的內(nèi)力設(shè)計(jì)值相同，故采用相同的節(jié)點(diǎn)板。焊腳尺寸取6mm，焊縫長(zhǎng)度取6cm。連接板的尺寸如上圖6.5.1 上弦點(diǎn)“D”，“F”、“H”焊縫尺寸根據(jù)下弦節(jié)點(diǎn)已經(jīng)確定。節(jié)點(diǎn)“D”：桿“Db” 桿“Dc” 節(jié)點(diǎn)“F”：桿“

14、Fc” 桿“Fd” 節(jié)點(diǎn)“H”：桿“Hd” 桿“He” 節(jié)點(diǎn)“D”、“F”、“H”所選擇的連接板尺寸分別為：230mm335mm，220mm255mm，235mm245mm。（7）屋脊節(jié)點(diǎn)“I”采用與上弦角鋼相同鋼號(hào)的角鋼進(jìn)行拼接，截取的垂直肢的寬度為：，其中取8mm，接頭一邊的焊縫長(zhǎng)度按弦桿的內(nèi)力計(jì)算。一條焊縫所需的焊縫長(zhǎng)度為：，拼接角鋼的長(zhǎng)度取500mm>2209.6mm+48mm+152=481.2mm，合適。根據(jù)腹桿的內(nèi)力，取節(jié)點(diǎn)板尺寸為200mm450mm，上弦與節(jié)點(diǎn)板之間的槽焊，假定承受節(jié)點(diǎn)荷載，計(jì)算長(zhǎng)度為450mm-2x15mm-4，=5mm，故計(jì)算長(zhǎng)度為3800mm，節(jié)點(diǎn)

15、荷載為52.89kN，焊縫承受的剪應(yīng)力：，滿足。上弦肢尖與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫的內(nèi)力計(jì)算值為上弦內(nèi)力的15%，設(shè)肢尖的焊縫=8mm，節(jié)點(diǎn)板的長(zhǎng)度為200mm，則節(jié)點(diǎn)一側(cè)弦桿的計(jì)算長(zhǎng)度為：，焊縫應(yīng)力為： （8）支座節(jié)點(diǎn)“a”腹桿“aB”的焊縫尺寸同節(jié)點(diǎn)“B”肢背：，肢尖：。節(jié)點(diǎn)板的厚度為12cm，所確定的節(jié)點(diǎn)板尺寸如圖6.8.1，下弦桿焊腳尺寸為肢背：，肢尖：，豎桿焊腳尺寸肢背和肢尖均為 ，經(jīng)驗(yàn)算焊縫滿足要求。為了便于施焊，下弦角鋼水平肢的底面與支座底板的凈距離取160mm。在節(jié)點(diǎn)中心線上設(shè)置加勁肋，加勁肋與節(jié)點(diǎn)板的高度相等，厚度為12mm。 支座底板的計(jì)算支座反力： R=8F=852.89kN=4

16、23.12kN 支座所需的凈截面為：選擇的支座底板的尺寸如圖6.8.2。僅考慮有加勁肋的部分承受支座反力，由于290mmx232mm=67280mm²>33849.6mm²，故底板的面積合適。 底板的厚度按桁架反力作用下的彎矩計(jì)算，節(jié)點(diǎn)板和加勁肋將底板分成四塊，每塊為兩相鄰邊支撐而另兩邊自由的板。根據(jù)底板尺寸確定 ，/=0.474查表得的值為0.054。底板下的平均應(yīng)力為：每塊板的單位寬度的最大彎矩為：底板厚度：取t=18mm。加勁肋與節(jié)點(diǎn)板的焊接焊縫計(jì)算。 計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6.8.3假定一個(gè)加勁肋承受的力為支座反力的1/4，即加勁肋的計(jì)算內(nèi)力為，則焊縫的內(nèi)力為 設(shè)焊縫，

17、焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度為：圖6.8.1 加勁肋計(jì)算簡(jiǎn)圖，則焊縫的應(yīng)力：，滿足。 節(jié)點(diǎn)板、加勁肋與底板的連接焊縫計(jì)算。設(shè)焊縫傳遞全部的支座反力，每塊加勁肋各傳力為R/4=105780N，節(jié)點(diǎn)板傳遞的力為R/2=211560N。設(shè)節(jié)點(diǎn)板與焊縫的焊腳尺寸，則焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度我為：節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力： 強(qiáng)度滿足。加勁肋焊腳尺寸每塊加勁肋與地板的連接焊縫長(zhǎng)度為：加勁肋焊縫的應(yīng)力為： 強(qiáng)度滿足。七、參考資料1、張耀春.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理.高等教育出版社，2004版。2、王國(guó)凡.鋼結(jié)構(gòu)連接方法及工藝.化學(xué)工業(yè)出版社,2005版。3、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）.北京計(jì)劃出版社，2003版。4、房屋建筑制圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

18、（GB/T50001-2001）.北京計(jì)劃出版社，2002版桿件名稱內(nèi)力系數(shù)附表1 桁架桿件內(nèi)內(nèi)力組合表第一種組合F第二種組合第三種組合計(jì)算桿件內(nèi)力 /kN全跨左半跨右半跨上弦AB0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00BC、CD-8.74-6.26-2.48-462.42-426.03-405.55-370.48-339.98-186.24-95.65-462.42DE、EF-13.37-8.93-4.44-707.14-642.02-609.01-575.99-531.05-269.37-161.68-707.14FG、GH-14.90-8.

19、96-5.50-788.27-700.99-661.53-650.16-601.53-276.31-193.43-788.27HI-14.20-7.10-7.10-751.04-646.81-605.42-646.81-605.42-228.90-228.90-751.04下弦ab4.453.521.26235.31221.66212.12188.49172.97102.7148.63235.31bc11.457.953.50605.59554.18526.70488.93449.66237.79131.38605.59cd14.369.165.20759.50683.15646.53625.

20、08577.98278.86184.15759.50de14.738.196.54779.07683.11642.36658.81613.68257.27217.65779.07斜腹桿aB-8.89-6.55-2.35-470.35-435.93-415.57-374.23-342.73-193.67-93.05-470.35Bb6.774.682.08357.85327.28311.00289.12265.96140.1977.97357.85bD-5.30-3.31-1.99-280.26-251.02-237.32-231.73-214.55-101.16-69.70-280.26Dc3

21、.521.791.74186.23160.74150.54160.02149.6957.3556.17186.23cF-2.28-0.59-1.68-120.38-95.69-87.61-111.66-106.46-23.67-49.71-120.38Fd0.95-0.541.4950.0328.1622.7158.0257.96-9.1039.6058.02，-9.10dH0.181.61-1.469.7330.6734.15-14.34-18.9839.31-34.0939.31，-34.09He-1.51-2.671.16-80.08-97.09-97.75-40.84-31.35-70

22、.2721.4621.46，-97.75豎桿Aa-0.50-0.500.00-26.45-26.45-25.65-19.11-16.99-14.05-2.08-26.45Cb-1.00-1.000.00-52.89-52.89-51.30-38.21-33.97-28.09-4.15-52.89Ec-1.00-1.000.00-52.89-52.89-51.30-38.21-33.97-28.09-4.15-52.89Gd-1.00-1.000.00-52.89-52.89-51.30-38.21-33.97-28.09-4.15-52.89Ie2.731.371.37144.39124.35116.39124.35116.3944.0144.01144.39附表2 桁架桿件截面選擇表?xiàng)U件計(jì)算內(nèi)力/kN截面規(guī)格截面面積/cm²計(jì)算長(zhǎng)度/cm回轉(zhuǎn)半徑/cm長(zhǎng)細(xì)比容許長(zhǎng)細(xì)比穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)力/(N/mm²)名稱編號(hào)上弦FG、GH-788.27 160x100x105063150.7452.12.857.752.8860.261500.81190.72下弦de779.07 140x90x10445230011852.566.77117.20175350176.3腹桿Aa-26.45 50x4779196.51