钢结构课程设计95626【范本模板】

《钢结构设计原理》课程设计
计
算
书
姓名:××
学号：U20０９１58××
专业班级：土木工程0905班
指导老师:张卉
完成时间:２012年2月18日
第一部分钢结构课程设计任务书
一、设计资料及依据
根据学号U2００91５85１及次序14得已知条件：某车间跨度为2４m，厂房总长度102ｍ，柱距６m，车间内设有两台50／10ｔ中级工作制软钩桥式吊车,地区计算温度高于—2０℃，无侵蚀性介质,地震设防烈度为6度,屋架下弦标高为1８m;采用1．５×6 m预应力钢筋混凝土大型屋面板，Ⅱ级防水,卷材屋面,桁架采用梯形钢桁架,两端铰支在钢筋混凝土柱上,上柱截面尺寸为４50×４５０mｍ,混凝土强度等级为Ｃ25,屋架采用的钢材为Q235B钢，焊条为E43型。

屋架计算跨度：
03002400030023700mm
L L
=-=-=
屋架端部高度：
01900mm
H=跨度:
01 10
i=计算跨度处高度: 19001200150120001915mm
H=+⨯÷=
屋架跨中高度：
1 1900120003100mm
10
h=+⨯=
表1 荷载标准值
二、屋架尺寸及支撑布置
屋架形式及尺寸如图1：
屋盖的支撑布置如图2：
层架上弦(下弦）支撑布置图
垂直支撑１-1
垂直支撑２—2
图2 桁架支撑布置
符号说明：GWJ—钢屋架;SC-上线支撑;XC—下弦支撑;
CC-垂直支撑；GC-刚性系杆;LG-柔性系杆
三、 荷载计算
屋面活载与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活载大于雪荷载,故取屋
面活载计算。

沿屋面斜面分布的永久荷载乘以1/cos 1.005α==换算为沿水平投影面分布的荷载。

标准永久荷载：
2222222
0.4kN/m 0.402kN/m 201:2.50.4kN/m 0.402kN/m 1500.9kN/m 0.905kN/m kN/m 1.⨯=⨯=⨯=⨯=改性沥青防水层 1.005厚水泥砂浆找平层 1.005厚加气混凝土保温层 1.005预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝） 1.005 1.42
222
407kN/m
kN/m 0.386kN/m kN/m ⨯=屋架和支撑自重 1.0050.384悬挂管道 + 0.0001
23.537kN/m ⨯共 1.35
2kN/m 共 4.775
标准可变荷载:
222
2
0.7kN/m 0.98kN/m 0.7kN/m 0.98kN/m
⨯=⨯=不上人屋面活载 1.4积灰荷载 + 1.4
21.96kN/m 共
设计桁架时应考虑一下三种荷载组合：
1、全跨永久荷载＋全跨可变荷载
屋架上弦节点荷载：(4.775 1.96) 1.5660.615kN F =+⨯⨯= 2、全跨永久荷载+半跨可变荷载
全跨节点永久荷载：
1 4.775 1.5642.975kN F =⨯⨯=
半跨节点可变荷载:
21.96 1.5617.64kN
F=⨯⨯=
3、全跨桁架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载
全跨节点桁架自重：
31.350.386 1.56 4.690kN
F=⨯⨯⨯=
半跨节点屋面板自重及活载：
4(1.2 1.40.98) 1.5623.94kN
F=⨯+⨯⨯=
其中，1、２为使用阶段荷载情况，3为施工阶段荷载情况。

计算详图如下:
(ａ）
（b）
(c)
图3 桁架计算简图
四、内力计算
由电算先解得Ｆ=1时的桁架各杆的内力系数(F=1作用于全跨、左半跨和右半跨),然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，见表2 。

表2 桁架杆件内力组合表
杆件名内力系数（Ｆ=1) 第一种第二种组合第三种组合杆件
60
8
—6０.489
ｃE
dG eI -1。

００0
－1。

000
—1．０00 2。

０３8
—1。

０0０ -１。

000 1.012
00 0。

000
0。

000
1。

０29
-60.615 —60。

615 1２3.533 ５ -6０.61５ -６０。

６1５
10５.43４
-6０.615 —60。

6１5 10５。

735 —28.630 -28。

63０ －28.6３0 33。

７８6
—4。

６90 —4.690 34．１9２ 5
—60。

６１5 —60。

48９ —60.６１5 -６0.48９
１2３．53３ 105。

５53
注:123460.615;42.975;17.64; 4.690;23.94F kN F kN F kN F kN F kN
=====
五、 杆件设计
1.上弦杆
整个上弦采用等截面，不改变截面，按最大内力设计，即按FG 、GH 杆件
的计算内力设计。

957.960kN 957960N =N =
上弦杆计算长度:
在桁架平面内,为节间轴线长度
0150.7cm x l =
在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取
02150.7cm 301.4cm y l =⨯=
200y x
l l =⨯因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并. 腹杆最大内力，N =５45。

656kN(压),由屋架节点板厚度参考表可知：中间支
12mm,14mm 座节点板厚度取支座节点板与垫板厚度取 .
图4 上弦截面
假定λ＝60,双角钢组合截面绕x 和y 轴稳定性均属于b 类截面。

查轴心受压构件的稳定系数表，得0.807ϕ＝。

需要截面面积 ：
2
2
957960N 5521.2mm 0.807215N/mm
N
A f
ϕ=
=
=⨯
需要回转半径:
00150.7cm 301.4cm 2.51cm 5.02cm
60
60
y
x
x y l l i i λ
λ
=
=
==
=
=，
两角钢之间加 12mm 厚填板，查角钢规格表,选用216010012⨯⨯，则
260.11cm , 2.82cm,7.82cm
A i i x y ===.
验算长细比:
0150.753.44[]150
2.82
x x x
l i λλ=
=
=<= ;
0301.438.54[]150
7.82
y y y
l i λλ=
==<= ;
满足长细比的要求
由于x λ大于y λ，热轧不等边角钢短肢组合将绕x 轴失稳,故
由
53.44x
λ= ,查表得:0.840x ϕ=
22
957960
189.72N/mm 215N/mm 0.8406011
x N
A
σϕ=
=
=<⨯
满足要求。

2。

下弦杆
整个下弦杆不改变截面,采热轧不等边角钢短肢组合，其中设计内力最大是de 杆：
951.534kN 951534N
de N ==
()00300cm 240030/21185cm
x y l l ==-=，
所需截面积为：
22
2
951534N 4425.7mm 44.26cm
215N/mm N A n f ==== 连接支撑的螺栓孔中心至节点板边缘的距离约为10０m ｍ,可不考虑螺栓孔削弱。

选用2
16010010⨯⨯,因00y x l l >>,故用不等肢角钢，短肢相并。

22A=50.63cm 44.26cm , 2.82cm 7.78cm x y i i >==，
0300134.2[]350
2.235x x x l i λλ===<=01185190.2[]3506.23
x y y l i λλ===<=
22
2
951534N 187.94N/mm 215N mm 5063mm
de N A σ===< 满足要求。

图５ 下弦杆截面
3。

端斜杆ａB
整下弦杆不变截面，采热轧不等边角钢长肢组合,其中内力最大a Ｂ杆， 杆件轴力： 545.656kN 545656N N
=-=-
计算长度00==245.5cm x y l l ．因为00=x y l l ，故采用不等肢角钢，长肢
相并，使x y i i ≈。

选用:21409010⨯⨯ ,则
图6 端斜杆截面
2A=44.522cm , 4.47cm 3.74cm x y i i ==，
0245.554.92[]1504.47
x x x l i λλ===<=
0245.5
65.64[]1503.74
y y y
l i λλ=
=
=<=
由于x
y λλ<,热轧不等边角钢长肢组合将绕y 轴失稳,由y λ查表得0.776ϕ=
22
2
545656N 157.94N/mm 215N mm
0.7764452.2mm N A σϕ===<⨯
满足要求。

４。

斜腹杆
①Bb 杆
整个Bb 杆不改变截面,采用热轧等边角钢组合,其中设计内力:
00421.527kN 254.0cm 254.0cm Bb x y N l l ===， ，
连接支撑的螺栓孔中心至节点板边缘的距离约为100m ｍ,可不考虑螺栓孔削弱。

选用：2
1007⨯
2A=27.59cm , 3.09cm 4.53cm x y i i ==，
0254.082.2[]3503.09
x x x l i λλ=
==<= 0254.056.4[]350
4.53y
y y l i λλ===<=
421527152.782759
Bb N A σ===22N mm <215N mm
满足要求。

图7 斜腹杆Bb 截面
②bD 杆
整个bD 杆不变截面，采用热轧等边角钢,其中设计内力：
00331.685kN 278.80.8223.04cm 278.8cm bD x y N l l ==⨯== ,，
选用:2
906⨯
2A=21.27cm , 2.79cm 4.14cm
x y i i ==，
0223.0479.94[]150
2.79
x x x l i λλ===<=0278.867.34[]150
4.14
y
y y l i λλ===<=ﻫ
331685120.22759
N A σ===22N mm <215N mm 满足要求．
由于
x y λλ>,热轧等边角钢组合将绕
x 轴失稳,故由x λ查表得：
0.688ϕ=
331685174.70.6882759
bD N A σϕ===⨯22N mm <215N mm
满足要求。

图8 斜腹杆b Ｄ截面
③Dc 杆
整Ｄc 杆不变截面，采用热轧等边角钢组合,其中设计内力
00227.246kN 278.80.8223.04cm 278.8cm
Dc x y N l l ==⨯==，，连接支撑的螺栓孔中心至节点板边缘的距离约为100mm,可不考虑螺栓孔削弱。

选用:2
806⨯
218.79cm 2.47cm 3.73cm x y A i i ===， ，
0223.0490.30[]3502.47
x x x l i λλ=
==<= 0278.874.75[]350
3.73
y
y y l i λλ===<=ﻫ
227.246120.941879
Dc N A σ===22N mm <125N mm
满足要求。

图9 斜腹杆Dc 截面
④c Ｆ杆
整个cF 杆不改变截面,采用热轧等边角钢，其中设计内力
00147.558kN 304.50.8243.6cm 304.5cm
cF x y N l l ==⨯==，，
选用：2
806⨯。

218.79cm 2.47cm 3.73cm x y A i i ===， ， 0243.698.62[]1502.47
x x x l i λλ===<=
0304.581.64[]1503.73
y
y y l i λλ===<=
由于x
y λλ>,热轧等边角钢组合将绕ｘ轴失稳，故由x λ查表得：0.564ϕ=
147558
139.210.5641879
cF N A σϕ===⨯22N mm <215N mm
满足要求。

图１0 斜腹杆c Ｆ截面
⑤F ｄ杆
整个Fd 杆不改变截面，采用热轧等边角钢组合,其中设计内力:
0074.577kN 304.50.8243.6cm 304.5cm
Fd x y N l l ==⨯==， ， 连接支撑的螺栓孔中心至节点板边缘的距离约为１０0mm,可不考虑螺栓孔削
弱。

选用：2706⨯
图1１ 斜腹杆Ｆd 截面
216.32cm 2.15cm 3.33cm x y A i i ===， ，
0243.6113.3[]3502.15
x x x l i λλ===<=
0304.591.44[]350
3.33y
y y l i λλ===<=
74577
45.701632
Fd N A σ=
==22N mm <215N mm 满足要求． ⑥d Ｈ杆
整个d Ｈ杆不改变截面,采用热轧等边角钢，其中设计内力
0038.183kN 330.90.8264.72cm 330.9cm
dH x y N l l ==⨯==， ， 选用：2
634⨯
图12 斜腹杆d Ｈ截面
29.96cm 1.96cm 3.02cm x y A i i ===， ， 0264.72135.06[]1501.96
x x x l i λλ===<=
0330.9
109.57[]1503.02
y y y
l i λλ=
=
=<=
由于x
y λλ>,热轧等边角钢组合将绕ｘ轴失稳,故由x λ查表得：0.365ϕ=
38183105.030.365996
dH N A σϕ===⨯22N mm <215N mm
满足要求。

5.竖杆
整个竖杆不改变截面,采用热轧等边角钢，设计内力最大的是eI 杆，
00123.533kN 310.00.8248.0cm 310.0cm
eI x y N l l ==⨯==， ， 选用:2
806⨯
218.79cm 2.47cm 3.73cm x y A i i ===， ， 0248.0100.4[]1502.47
x x x l i λλ===<=
0310
83.1[]1503.73
y y y
l i λλ=
=
=<=
由于x y λλ>，热轧等边角钢组合将绕x 轴失稳,故由x λ查表
得:0.552
ϕ
=22
123533119.10N mm <215N mm 0.5521879
eI N A σϕ===⨯
满足要求.
图13 竖杆截面
其余各同类杆件截面选择计算过程同上,此处略去其计算过程,仅将结果列于表2(见下页)。

16
17
六、 节点设计
用E ４3焊条时,角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值
2160/w f
N mm f
=。

各杆件内力由表查得,最小焊缝长度不应小于8f h 。

本设计确定节点板尺寸可在施工图中完成，校核各焊缝长度不应小于计算所需的焊缝长度。

1. 下弦节点“b ”
图１4 下弦节点b
斜杆B ｂ与节点板连接焊缝计算:
设肢背与肢尖的焊缝尺寸分别为8m ｍ和６m ｍ，则所需焊缝长度(考虑起灭弧缺陷)： 肢背:'
0.70.7421527165mm 220.78160Bb w
w e f
N l h f ⨯=
=
=⨯⨯⨯,加2f h 后取19cm
肢尖：''0.30.342152794.1mm 220.76160
w
w e f
N l
h f
⨯=
=
=⨯⨯⨯，加２f h 后取11ｃm
斜杆ｂＤ与节点板的连接焊缝计算： 肢背：'
0.70.7331685129.6mm 220.78160
bD w
w e f
N l h f
⨯=
=
=⨯⨯⨯,加２f h 后取１5cm
肢尖:''0.30.333168574.1mm 220.76160
bD w
w e f
N l
h f
⨯=
=
=⨯⨯⨯，加２f h 后取9cm
竖杆Ｃb 与节点板连接焊缝计算：因其内力很小,焊缝尺寸可按构造确定,取焊脚尺寸5mm f h =,焊缝长度l w >5０mm ．
根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隔和制作装配等误差，按比例作出构造详图，从而定出节点板尺寸。

节点板尺寸：330mm ×4２5m ｍ。

下弦杆与节点板连接焊缝计算： 焊缝受力为节点板两侧下弦杆的内力差:
727.441300.105427.336kN N ∆=-=
设肢尖与肢背尺寸6ｍm,受力较大的肢背处的焊缝应力为：
()
220.75427336
88.4kN/mm <160kN/mm 20.7641512f τ⨯=
=⨯⨯⨯-
焊缝强度满足要求。

2.上弦节点“B ”
图15 上弦节点B
斜杆Bb 与节点板连接的焊缝尺寸，与下弦节点“b ”相同。

斜杆Ba 与节点板连接焊缝尺寸按上诉同样方法计算,545.656kN aB N = 肢背和肢尖焊缝尺寸分别采用:ｈf ＝８ｍm 和 ｈf ＝6mm
肢背 :'
0.650.65545656197.9mm 220.78160aB w
w e f
N l h f
⨯=
=
=⨯⨯⨯，取22cm
肢尖：
''
0.350.35545656142.1mm 220.76160
aB w w e f
N l h f
⨯=
=
=⨯⨯⨯,取1６ｃm
为了便于搁置屋面板,上弦节点板的上边缘缩进上弦肢背8mm,上弦角钢与节点板间用槽焊连接。

焊缝可按两条焊缝计算,焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数.计算时可略去屋架上弦坡度的影响,而假定集中荷载F 与上弦垂直。

上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得:
''
'11126mm 10mm 22
f f h h =⨯=⨯==节点板厚度，
上弦与节点板间焊缝长度为46０m ｍ,则
w
f = 22110.02N/mm 0.80.8160128N/mm w f f =<=⨯=
上弦肢尖角焊缝的切应力为：
w
f =2222.35N/mm 160N/mm =<
3.屋脊节点“I ”
弦杆的拼接一般都采用同号角钢进行拼接.为了使拼接角钢在拼接处能紧贴被连接的弦杆和便于施焊,需切去肢尖角。

拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。

拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力计算。

设焊缝为1０mm,拼接角钢与弦杆的连接焊缝按被连接杆的最大内力计算，
925.288kN N =.每条焊缝长度为(一条焊缝):
925288
206.54mm 40.710160
w l =
=⨯⨯⨯
拼接角钢的长度2206.541020453.1mm L =⨯++=（）,取６50ｍm
图１6 屋脊节点I
上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载，验算从略.
上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的1５％计算。

设焊脚尺寸为10ｍm,节点板长度为５00m ｍ，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为：
50010202202
mm w l --==
焊缝应力为：
20.15925288
45.07N/mm 20.710220
N f τ⨯=
=⨯⨯⨯
()22210023.60.159252886
693.89N/mm 220.710220N f e w M
h l σ-⨯⨯==⨯=⨯⨯⨯
()
2
2
2
22293.8945.0789.19N/mm <160N/mm 1.22 1.22N f N f
στ⎛⎫⎛⎫+=+= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
满足强度要求。

因桁架的跨度较大,需将桁架分成两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接,左半边的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝,而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。

4．支座节点“a ”
图１7 支座节点a
为便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板间的距离不应小于下弦伸出肢的宽度,故取为2２0m ｍ，在节点中心线上设置加劲肋,如劲肋的高度与节点板的高度相同,厚度同端部节点板为14ｍm 。

（1)支座底板的计算。

支座反力：8484920N R F ==
取加劲肋的宽度为１１０ｍm,考虑底板上开孔上开孔，按构造要求取底板尺寸为２80m ｍ×４00ｍｍ，偏安全的取有加劲肋部分的底板承受支座反力,则承压面积为：
28023465520mm n A =⨯=。

验算柱顶混凝土的抗压强度:
224849207.40N/mm 12.5N/mm 65520
c n R f A σ=
==<= 式中,c f 为混凝土强度设计值,对于Ｃ2５混凝土，212.5N/mm c f =。

满足要求。

底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成四块,每块板为两边支承而另两相邻边自由的板，每块办的单位宽度的最大弯矩为
21M a βσ=
式中,σ为底板下的平均应力:
24.33N/mm 280400
484920
σ=
=⨯
1a 为两支承边之间的对角线长度:
1172.6mm a ==
β为系数,由11/b a 查表而定,1b 为两支承边的相交点到对角线1a 的垂直距离。

由相似三角形的关系,得：
11111013384.884.4mm,0.49172.6172.6
b b a ⨯=
===
查表，得0.058β≈。

2210.058 4.33172.67481.65N mm/mm M a βσ==⨯⨯=
底板厚度
:14.45mm t =
==，取17mm t =. （２)加劲肋与节点板的连接焊缝计算
偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座反力的1/4，则焊缝受力：
484920
121230N 44
R == 则焊缝内力为：
121230N
121230657879950N mm
V M ==⨯=
设焊脚6mm f h =,焊缝长度为49０ｍm,计算长度为4901220458mm w l =--=,
则焊缝应力为
:
22
=38.43 N/mm<160 N/mm
=
加劲肋高度不小于2１2mm即可。

(3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算
设底板连接焊缝传递全部支座反力484920N
R=,其中每块加劲肋各传/4121230N
R=，节点板传递/2242460N
R=。

设节点板与底板的连接焊缝的焊脚尺寸6mm
f
h=,则焊缝长度()
228012536mm
w
l=⨯-=
∑,焊缝强度验算如下：
/2242460
107.70N/mm<1.22160N/mm
0.70.75366
f
w f
R
l h
σ===⨯
⨯⨯⨯
∑
每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为:
()
11020122156mm
w
l=--⨯=
焊缝强度验算如下：
/4121230
185.03N/mm<1.22160=195.2N/mm
0.70.71566
f
w f
R
l h
σ===⨯
⨯⨯⨯
∑
满足要求。