21米梯形鋼屋架課程設(shè)計(jì)計(jì)算書

可編輯版/《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)姓名學(xué)號(hào)專業(yè)指導(dǎo)老師《鋼結(jié)構(gòu)》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目XX某工業(yè)廠房鋼屋架設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)資料XX某工業(yè)廠房跨度為18〔21,24m,[我的學(xué)號(hào)是22號(hào)故應(yīng)取21m]廠房總長(zhǎng)度72m,柱距6m,采用1.5×6m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土大型屋面板。屋架采用梯形鋼桁架,兩端鉸支在鋼筋混凝土柱上,上柱截面尺寸為400×400mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,屋面坡度：1：10,抗震設(shè)防烈度為6度,屋架下弦標(biāo)高為18m。鋼材選用Q345B,焊條采用E50型,設(shè)計(jì)規(guī)范為《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》〔GB50017-2003。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、進(jìn)行屋蓋支撐布置,并畫出屋架結(jié)構(gòu)及支撐的布置圖；2、選擇鋼材及焊接材料,并明確提出對(duì)保證項(xiàng)目的要求；3、進(jìn)行荷載計(jì)算、內(nèi)力計(jì)算及內(nèi)力組合,設(shè)計(jì)各桿件截面；4、對(duì)鋼屋架的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)及驗(yàn)算〔要在計(jì)算書內(nèi)寫出一般上下弦節(jié)點(diǎn)、下弦跨中節(jié)點(diǎn),下弦支座節(jié)點(diǎn)及屋脊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過程；5、繪制鋼屋架運(yùn)送單元的施工圖,包括桁架簡(jiǎn)圖及材料表。四、要求的設(shè)計(jì)成果1.完成計(jì)算書一套,計(jì)算書應(yīng)包含設(shè)計(jì)任務(wù)書,設(shè)計(jì)計(jì)算過程。

2.計(jì)算書統(tǒng)一采用A4白紙,字跡工整,符號(hào)書寫正確,計(jì)算應(yīng)有必要的數(shù)據(jù)及計(jì)算過程；采用專用繪圖紙繪圖,圖紙布局合理,線條清晰,線型適當(dāng)。3.用鉛筆繪制2#施工圖,施工圖應(yīng)包括：①屋架簡(jiǎn)圖〔比例1∶100,左半跨標(biāo)明桿件長(zhǎng)度,右半跨注明桿件最不利內(nèi)力,以及起拱度；②屋架正面圖,上、下弦平面圖；③側(cè)面圖,節(jié)點(diǎn)詳圖；④注明全部零件的編號(hào),規(guī)格及尺寸〔包括加工尺寸和定位尺寸孔洞位置,孔洞及螺栓直徑,焊縫尺寸以及對(duì)工廠加工和工地施工的要求；⑤材料表；⑥設(shè)計(jì)說明。4.計(jì)算書、圖紙和任務(wù)書須裝訂為一整本,圖紙由于尺寸較大須折疊,裝訂后圖紙須能隨意展開。五、設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)胡習(xí)兵,張?jiān)偃A.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2013鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范〔GB50017-2003[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2003王燕等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009房屋建筑制圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)〔GB/T50001—2001[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2002建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)〔GB/T50105-2001[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2002鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)〔上冊(cè)〔第三版[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004一、設(shè)計(jì)資料：1、某工業(yè)廠房跨度為21m,廠房總長(zhǎng)度72m,柱距6m。2、采用1.5m×6.0m,預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土大型屋面板,Ⅱ級(jí)防水,卷材屋面桁架,板厚100mm,檁距不大于1800mm。檁條采用冷彎薄壁斜卷邊C形鋼C220×75×20×2.5,屋面坡度3、鋼屋架簡(jiǎn)支在鋼筋混凝土柱頂上,柱頂標(biāo)高18.0m,柱上端設(shè)有鋼筋混凝土連系梁。上柱截面為400mm×400mm,所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc＝14.3N/mm2?？癸L(fēng)柱的柱距為6m,上端與屋架上弦用板鉸連接。4、鋼材用Q345-B,焊條用E50系列型。5、屋架采用平坡梯形屋架,無天窗,外形尺寸〔取一半如圖1所示。圖1二、屋架幾何尺寸及檁條布置1、屋架幾何尺寸屋面采用1.5m×6m的鋼筋混凝土大型屋面板和卷材屋面,采用梯形屋架；屋架上弦節(jié)點(diǎn)用大寫字母A,B,C…連續(xù)編號(hào),下弦節(jié)點(diǎn)以及再分式腹桿節(jié)點(diǎn)用小寫字母a,b,c…連續(xù)編號(hào)。由于梯形屋架跨度L21m,為避免影響使用和外觀,制造時(shí)應(yīng)起拱fL/50042mm。屋架計(jì)算跨度l0L20.152120.1520.7m。跨中高度H0=h0+il0/2=2935mm。為使屋架上弦節(jié)點(diǎn)受荷,腹桿采用人字式,下弦節(jié)點(diǎn)的水平間距取1.5m,起拱后屋架桿件幾何尺寸和節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖2所示屋架。圖2三、支撐布置1、上弦橫向水平支撐上弦橫向水平支撐應(yīng)設(shè)置在廠房?jī)啥说牡谝粋€(gè)柱間,且間距不宜超過60m。本車間長(zhǎng)度為72m,因此需要布置三道橫向水平支撐,如圖4所示。圖42、下弦橫向和縱向水平支撐屋架跨設(shè)置下弦橫向和縱向水平支撐。下弦橫向水平支撐與上弦橫向水平支撐布置在同一柱間,如圖5所示圖53、垂直支撐垂直支撐必須設(shè)置。對(duì)于本屋架結(jié)構(gòu),在跨度中央設(shè)置一道中間垂直支撐,在屋架兩端各設(shè)置一道垂直支撐。垂直支撐只設(shè)置在有橫向水平支撐的同一柱間的屋架上,如圖6所示。圖6四、荷載與內(nèi)力計(jì)算1、荷載計(jì)算1永久荷載〔1永久荷載三氈四油<上鋪綠豆砂>防水層〔冷底子油0.4kN/m2水泥砂漿找平層0.4kN/m2保溫層〔珍珠巖0.45kN/m2預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板1.4kN/m2屋架及支撐自重0.35kN/m2懸掛管道0.15kN/m永久荷載總和：3.15kN/m2〔2可變荷載〔a活荷載：屋面活荷載0.7kN/m2活荷載計(jì)算信息:考慮活荷載不利布置風(fēng)荷載計(jì)算信息:不計(jì)算風(fēng)荷載2、荷載組合設(shè)計(jì)屋架時(shí),應(yīng)考慮以下四種組合：〔1組合一：全跨永久荷載＋全跨活荷載永久荷載與活荷載大小接近,活荷載起控制作用,荷載設(shè)計(jì)值為q1.21.40.75.33kN/m2屋架上弦節(jié)點(diǎn)荷載為PqA5.331.56kN〔2組合二：全跨永久荷載＋半跨活荷載全跨永久荷載：q11.2kN/m2Pq1A1.5634.02半跨活荷載：q21.40.70.98kN/m2P2q2A0.981.568.82〔3組合三：全跨屋架及支撐自重＋半跨屋面板重＋半跨施工荷載全跨屋架及支撐自重：q31.00.350.35kN/m2P3q3A0.351.563.15半跨屋面板重＋半跨屋面活荷載：q41.20.300.071.40.51.144kN/m2P4q4A1.14441.5610.30上述各組合中,端部節(jié)點(diǎn)荷載取跨中節(jié)點(diǎn)荷載值的一半。3、內(nèi)力計(jì)算本設(shè)計(jì)采用數(shù)值法計(jì)算桿件在單位節(jié)點(diǎn)力作用下各桿件的內(nèi)力系數(shù)〔單位節(jié)點(diǎn)力分別作用于全跨、左半跨和右半跨,內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表1所示桿件內(nèi)力系數(shù)〔P=1組合一組合二組合三計(jì)算內(nèi)力名稱全跨左半跨右半跨P×①P1×①+P1×①+P3×①+P3×①+<kN>①②③P2×②P2×③P4×②P4×③AB000000000BC-10.7-7.7-3-288.9-270.428-240.8-122.6-74.2-288.9CD-10.7-7.7-3-288.9-270.428-240.8-122.6-74.2-288.9DE-17.3-11.9-5.4-467.1-433.78-392.8-192.6-125.7-467.1上EF-17.3-11.9-5.4-467.1-433.78-392.8-192.6-125.7-467.1弦FG-20.6-13.3-7.3-556.2-511.0.-473.2-220.4-158.6-556.2桿GH-20.6-13.3-7.3-556.2-511.0-473.2-220.4-158.6-556.2ac5.74.21.5153.9144.68127.6766.338.5153.9下ce14.410.24.2388.8362.9325.1163.4101.6388.8弦eg19.212.86.4518.4478.8438.5209.6143.7518.4桿gh21.213.18.1572.4522.22490.7220.8169.3572.4aB-11.1-8.2-2.9-299.7-281.9-248.5-129.4-74.8-299.7Bc8.96.32.6240.3224.3201100.962.8240.3cD-7.5-4.9-2.5-202.5-186.42-171.3-80.8-56.1-202.5斜De5.53.32.3148.5134.86128.5656.346.0148.5腹eF-4.3-2.1-2.2-116.1-102.4-103-39.0-40.1-116.1桿Fg2.80.8275.663.170.7619.631.975.6gH-1.60.3-1.9-43.2-31.3-45.2-3.4-26.0-43.2Aa-1-0.50-27-23.89-20.74-9.2-4.05-27Cc-1-10-27-27.04-20.74-14.35-4.05-27豎Ee-1-10-27-27.04-20.74-14.35-4.05-27桿Gg-1-10-27-27.04-20.74-14.35-4.05-27Hh-1.5-1.50-40.5-50.01-31.1-21.525-6.075-40.5表1三、桿件截面設(shè)計(jì)1、桿件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)及截面形式〔1上弦桿面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)1.0。根據(jù)上弦橫向水平支撐的布置方案〔圖4,面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)4.0。4,根據(jù)等穩(wěn)定原則,采用兩不等邊角鋼短肢相并組成的T形截面?！?下弦桿與上弦桿類似,面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)1.0,由圖5可知,面外計(jì)算長(zhǎng)度6m。下弦桿受拉,不需要考慮穩(wěn)定性,因此下弦桿采用兩等肢角鋼組成的T形截面?！?支座腹桿〔Aa、aB面內(nèi)和面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)都為1.0,采用兩等肢角鋼組成的T形截面?！?再分式腹桿〔ij、jK面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)1.0,面外計(jì)算長(zhǎng)度采用兩不等邊角鋼短肢相并組成的T形截面?！?跨中豎腹桿〔Kk采用兩個(gè)等肢角鋼組成的十字形截面,斜平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.9?！?其它腹桿面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)0.8,面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)1.0,根據(jù)等穩(wěn)定原則,采用兩等肢角鋼組成的T形截面。3、上弦桿上弦桿需要貫通,各桿截面相同,按、桿的最大內(nèi)力設(shè)計(jì),即NkN。計(jì)算長(zhǎng)度l1507mm,4lmm。截面選用21107010,短肢相并,肢背間距a=6mm,所提供的截面幾何特性為：A39.4cm2,ix2.26cm,iy6.11cm?！?剛度驗(yàn)算,滿足〔2整體穩(wěn)定驗(yàn)算bt/t=125/10=12.5<0.56×loy/bt=27,因此繞y軸彎扭屈曲的換算長(zhǎng)細(xì)比λy=49.3,λmax=66.7,上弦桿繞x軸彎扭屈曲,按b類截面查得穩(wěn)定系數(shù)0.77,則,滿足4、下弦桿下弦桿需要貫通,各桿截面相同,按gi桿的最大內(nèi)力設(shè)計(jì),即N572.4kN。計(jì)算長(zhǎng)度l0xl3000mm,l0y6000mm。截面選用28010,肢背間距a=6mm,所提供的截面幾何特性為：A30.35cm2,ixcm,iycm?！?剛度驗(yàn)算,滿足〔2強(qiáng)度驗(yàn)算,滿足5、再分式腹桿ij-jK再分式腹桿在j節(jié)點(diǎn)處不斷開,采用通長(zhǎng)桿件。最大拉力NjkkN,Nij42.1kN；最大壓力NjK59.4kN,Nij40.5kN?？梢?該桿截面由jK桿的最大拉力確定,即NkN。計(jì)算長(zhǎng)度l0xl2332mm,l0y4290mm。截面選用245x4,肢背間距a=6mm,所提供的截面幾何特性為：A6.972cm2,ix1.38cm,iycm?！?剛度驗(yàn)算,滿足〔2強(qiáng)度驗(yàn)算,滿足6、豎腹桿Ii桿件軸力為N40.5kN,計(jì)算長(zhǎng)度l0ul0v0.9l0.935853226mm。截面選用2563,十字形截面,肢背間距a=6mm,所提供的截面幾何特性為：A6.686cm2,iu2.74cm,ivcm?！?剛度驗(yàn)算,滿足〔2整體穩(wěn)定驗(yàn)算上弦桿繞y軸彎扭屈曲,按b類截面查得穩(wěn)定系數(shù)0.317,則,滿足其余桿件的截面設(shè)計(jì)過程不再一一列出,詳見表2所示。桿件名稱截面特性桿件特性設(shè)計(jì)參數(shù)演算過程結(jié)論截面規(guī)格A<cm2>ix<cm>iy<cm>計(jì)算內(nèi)力L<mm>應(yīng)力比上弦AH2110701039.42.266.11-591.315071466.849.349.30.770.95滿足下弦Ah2801030.352.423.59321.4300012123.97167.19————0.89滿足斜腹桿aB2631023.3242.882.99-168.3265611141.2888.8389.770.3400.89滿足Bc263512.2861.942.82134.926560.81109.5394.35————0.91滿足cD256816.7341.682.60-113.729420.81140.10113.30117.120.3440.82滿足De250×47.7941.542.2883.429420.81152.83129.09————0.89滿足eF26349.9561.962.80-65.232010.81130.65114.31119.530.3840.70滿足Fg245×46.9721.382.0842.532010.81185.57153.69————0.51滿足gH26349.9561.962.80-26.034660.81141.47123.77————0.40滿足豎腹桿Aa245×46.9722.231.78-15.1621001194.16118.24121.510.4290.21滿足Cc245×46.9721.382.08-15.1623820.81138.09114.37116.820.3520.296滿足Ee250×35.9421.552.26-15.1626790.81138.27118.72124.180.3520.30滿足Gg256×36.6861.752.50-15.1629760.81136.05119.22126.210.3610.26滿足Hh256×36.6862.742.18-22.7432730.8195.51149.93157.200.2840.49滿足四、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)1、屋脊節(jié)點(diǎn)"H"1、下弦節(jié)點(diǎn)"c"〔1腹桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫〔a"Bc"桿桿件軸力N=240.3kN,截面為2L63×5,節(jié)點(diǎn)板厚8mm,肢背和肢尖的內(nèi)力分配系數(shù)分別為、,角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。肢背焊縫焊腳尺寸取所需焊縫長(zhǎng)度肢尖焊縫焊腳尺寸取所需焊縫長(zhǎng)度〔c"cD"桿桿件軸力N=-202.5kN,截面為2L56×8,節(jié)點(diǎn)板厚8mm,肢背和肢尖的內(nèi)力分配系數(shù)分別為、,角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。肢背焊縫焊腳尺寸取所需焊縫長(zhǎng)度肢尖焊縫焊腳尺寸取所需焊縫長(zhǎng)度圖7〔3下弦與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫下弦與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫長(zhǎng)度,所受的力為左右兩下弦桿的內(nèi)力差ΔN=388.8-153.9=234.9KN。下弦桿截面為,節(jié)點(diǎn)板厚8mm,肢尖與肢背的焊腳尺寸都取焊縫計(jì)算長(zhǎng)度,取受力較大的肢背處的焊縫應(yīng)力為,滿足2．上弦節(jié)點(diǎn)"D"〔1腹桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫〔a"cD"桿"cD"桿與節(jié)點(diǎn)板的焊縫尺寸和節(jié)點(diǎn)"c"相同。〔b"De"桿桿件軸力N=148.5KN,截面為,節(jié)點(diǎn)板厚6mm,肢背和肢尖的內(nèi)力分配系數(shù)分別為、,角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。肢背焊縫焊腳尺寸取所需焊縫長(zhǎng)度肢尖焊縫焊腳尺寸取所需焊縫長(zhǎng)度取〔2節(jié)點(diǎn)詳圖根據(jù)上述焊縫長(zhǎng)度以及桿件截面,并考慮桿件之間應(yīng)有的間隙、制作和裝配等誤差,按比例繪出節(jié)點(diǎn)詳圖,如圖8所示,從而確定節(jié)點(diǎn)板尺寸為220mm×190mm。圖8〔3上弦與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫上弦與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫長(zhǎng)度,所受的力為左右兩上弦桿的內(nèi)力差ΔN=467.1-288.9=178.2KN,以及節(jié)點(diǎn)荷載P=27KN。上弦桿截面為,節(jié)點(diǎn)板厚12mm?！瞐上弦肢背與節(jié)點(diǎn)板的槽焊縫上弦肢背與節(jié)點(diǎn)板的槽焊縫承受節(jié)點(diǎn)荷載P,槽焊縫按兩條的角焊縫計(jì)算。屋面傾角,節(jié)點(diǎn)荷載P的偏心距e=30mm。槽焊縫所受的應(yīng)力為〔b上弦肢尖與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫上弦肢尖的兩條角焊縫承擔(dān)偏心荷載,偏心距e=30mm。取焊腳尺寸肢尖焊縫所受的應(yīng)力為〔2下弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接角焊縫下弦桿與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫的計(jì)算內(nèi)力取和兩者中的較大值,"c"節(jié)點(diǎn)處N1=N2=550.8KN,下弦桿截面為,節(jié)點(diǎn)板厚8mm,肢背和肢尖的內(nèi)力分配系數(shù)分別為、,角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。肢背焊縫焊腳尺寸取所需焊縫長(zhǎng)度肢尖焊縫焊腳尺寸取所需焊縫長(zhǎng)度〔3腹桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫焊縫尺寸列表計(jì)算如表3所示。"Kk"桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫尺寸為：肢背4mm,l150mm；肢尖4mm,l250mm?！?節(jié)點(diǎn)詳圖根據(jù)上述焊縫長(zhǎng)度以及桿件截面,并考慮桿件之間應(yīng)有的間隙、制作和裝配等誤差,按比例繪出節(jié)點(diǎn)詳圖,如圖9所示。圖中,屋架右半邊運(yùn)輸單元上的構(gòu)件必須在工地裝配后才能與節(jié)點(diǎn)板焊接,已以工地焊縫代號(hào)標(biāo)明。圖94．屋脊節(jié)點(diǎn)"H""H"節(jié)點(diǎn)與一般上弦節(jié)點(diǎn)的區(qū)別在于節(jié)點(diǎn)處弦桿中斷而需對(duì)弦桿進(jìn)行拼接。拼接角鋼的截面和長(zhǎng)度與"k"節(jié)點(diǎn)類似,拼接角鋼采用上弦桿同號(hào)角鋼,頂部截去棱角,寬度為10mm,垂直肢截去,見圖7所示。拼接角鋼與上弦桿共有4條角焊縫,都位于角鋼的肢尖,承擔(dān)節(jié)點(diǎn)兩側(cè)弦桿中較小截面中的內(nèi)力設(shè)計(jì)值N2=-591.3KN。上弦桿截面為,焊腳尺寸取為所需的拼接角鋼總長(zhǎng)度為〔2腹桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫焊縫尺寸列表計(jì)算如表3所示。"ik"桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫尺寸為：肢背4mm,l150mm；肢尖4mm,l250mm。"Kk"桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫尺寸為：肢背4mm,l140mm；肢尖4mm,l250mm。〔3節(jié)點(diǎn)詳圖根據(jù)上述焊縫長(zhǎng)度以及桿件截面,并考慮桿件之間應(yīng)有的間隙、制作和裝配等誤差,按比例繪出節(jié)點(diǎn)詳圖,如圖7所示。圖中,屋架右半邊運(yùn)輸單元上的構(gòu)件必須在工地裝配后才能與節(jié)點(diǎn)板焊接,已以工地焊縫代號(hào)標(biāo)明?！?上弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫上弦肢背與節(jié)點(diǎn)板的槽焊縫長(zhǎng)度L=140,承受節(jié)點(diǎn)荷載P=13.5KN；肢尖焊縫長(zhǎng)度,承受偏心荷載0,15N1=0.15×591.3=99.7KN。上弦桿截面為2L110×70×10*,節(jié)點(diǎn)板厚6mm。〔a上弦肢背與節(jié)點(diǎn)板的槽焊縫槽焊縫按兩條的角焊縫計(jì)算。屋面傾角,節(jié)點(diǎn)荷載P的偏心距e=87mm。槽焊縫所受的應(yīng)力為〔b上弦肢尖與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫上弦肢尖的兩條角焊縫承擔(dān)偏心荷載,偏心距e=40mm。取焊腳尺寸肢尖焊縫所受的應(yīng)力為,滿足5．支座節(jié)點(diǎn)"a"為便于施焊,下弦桿角鋼水平肢的底面與支座底板的凈距不小于水平肢的邊長(zhǎng),且不小于130mm,取130mm