钢结构课程设计范例-

参考实例：

钢结构课程设计例题

－、设计资料

某一单层单跨工业长房。厂房总长度为90m，柱距6m，跨度为21m。车间内设有两台中级工作制桥式吊车。该地区冬季最低温度为－20℃。

屋面采用1.5m×6.0m预应力大型屋面板，屋面坡度为i=1:10。上铺120mm 厚泡沫混凝土保温层和三毡四油防水层等。屋面活荷载标准值为0.6kN/㎡，雪荷载标准值为0.75kN/㎡，积灰荷载标准值为0.5kN/㎡。

屋架采用梯形钢屋架，其两端铰支于钢劲混凝土柱上。柱头截面为400mm ×400mm，所用混凝土强度等级为C20。

根据该地区的温度及荷载性质，钢材采用Q235―A―F，其设计强度f=215kN/㎡,焊条采用E43型，手工焊接。构件采用钢板及热轧钢劲，构件与支撑的连接用M20普通螺栓。

屋架的计算跨度：Lo=21000－2×150=20700mm，端部高度：h=2000mm（轴线处），h=2015mm（计算跨度处）。H=2000+1035=3035

二、结构形式与布置

屋架形式及几何尺寸见图1所示。

图1 屋架形式及几何尺寸

1

三、荷载与内力计算

1.荷载计算

荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的活荷载计算。

永久荷载标准值

三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4 KN/m2

水泥砂浆找平层 0.4 KN/m2

保温层 1.0 KN/m2

一毡二油隔气层 0.05 KN/m2

水泥砂浆找平层 0.3 KN/m2

预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2

屋架及支撑自重：按经验公式L

q011

.0+

=计算：0.351 KN/m2

12

.0

悬挂管道： 0.15 KN/m2

总计 4.051k N/㎡

可变荷载标准值

屋面活荷载标准值： 0.7KN/m2

雪荷载标准值： 0.35KN/m2

积灰荷载标准值：0.9 KN/m2

_____________________________________________________________________

总计1.95KN/m2

永久荷载设计值 1.2×4.051=4.8612 kN/㎡（由可变荷载控制）

可变荷载设计值 1.4×1.95=2.73kN/㎡

2.荷载组合

设计屋架时，应考虑以下三种组合：

组合一全跨永久荷载+全跨可变荷载

屋架上弦节点荷载P=(4.8612+2.73) ×1.5×6=68.3208 kN

组合二全跨永久荷载+半跨可变荷载

屋架上弦节点荷载

P=4.8612×1.5×6=43.7508kN

1

P=2.73×1.5×6=24.57 kN

2

组合三全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面活荷载

P=0.351×1.2×1.5×6=3.7908kN

屋架上弦节点荷载

3

P=(1.4×1.2+0.9×1.4) ×1.5×6=26.46kN

4

2

3.内力计算

本设计采用程序计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数，见表1。由表内三种组合可见：组合一，对杆件计算主要起控制作用；组合三，可能引起中间几根斜腹杆发生内力变号。如果施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设面板，则可避免内力变号而不用组合三。

注：表内负责表示压力；正值表示拉力

3

4 图2.2.2 21米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值

四、杆件截面设计

腹杆最大内力，N=-524.7KN ，由屋架节点板厚度参考可知：支座节点板刚度取14mm ；其余节点板与垫板厚度取12mm 。

1.上弦杆

整个上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算，N=-832.14KN

计算长度： 屋架平面内取节间轴线长度Ox l =150.7cm

屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面板能起一定的支撑作用，取

上弦横向水平支撑的节间长度：

Oy l =3000cm 因为2Ox l ≈

Oy l ，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并，见图4

图 4 上弦截面

设λ=60，查轴心受力稳定系数表，?=0.807

需要截面积*

A =f N .?=310807.01014.8323??=3326.302mm 需要回转半径*x i =60

1507=λox l =2.51 cm *y i =60

3000=λox l =5.00 cm 根据需要的*A 、*x i 、*

y i 查角钢型钢表，初选 2 L 140?90?8，A=3607.62mm ， x i =2.59cm ，y i =6.80m 。

按所选角钢进行验算

x λ=x ox i l =59

.27.150=58.2＜[λ]=150

5 y λ=y oy i l =8

.6300=44.1＜[λ]=150

由于12140/300056.0/56.05.178/140/11=?===b l ＞t b oy 则：59.66)14

7.528.03001(8.0147.3)7.521(7.342

24221=??+?=+=b t l t b oy yz λ＜[λ]=150

由于 y yz x λλλ>>，只需求出x min ??=，查轴心受力稳定系数表，x ?＝0.7825

6

.36077825.01014.8323

??=A N x ?=291.5N/2mm <310 N/2mm 所选截面合适。 2 .下弦杆

整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=817.11kN

计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度Ox l =3000mm

屋架平面外根据支撑布置取

Oy l =10350mm 计算需要净截面面积*A =310

1011.8173?=f N =2636.92mm 选用 2 L125?80?7（短肢相并），见图5。

图 5 下弦截面

A=2819.22

mm ， x i =4.02cm ，y i =3.32cm 。

按所选角钢进行截面验算，取A A =n

（若螺栓孔中心至节点板边缘距离大于100mm ，则可不计截面削弱影响）

2.28191011.8173

?=n A N =289.8N/2mm <310N/2mm

6 x λ=x ox

i l 02.4300==74.63<[λ

]=250

y λ===32.31035

y

oy

i l 311.7<[λ]=350 所选截面满足要求。 3. 端斜杆B a

已知N ＝-524.70kN ，Ox l ＝Oy l ＝253.0cm 因为Ox l ＝Oy l ，故采用等肢角钢，使x i ＝y i 选用角钢2 L 100?12,见图6

图 6 端斜杆Ba A ＝45602mm ，x i ＝3.03cm ，y i ＝4.64cm 截面刚度和稳定验算

x λ= ==03

.30

.253x ox i l =83.5<[λ ]=150

y λ= 64.40

.

253=y

oy i l =54.5<[λ ]=150

由于1092535805803832110/..b /l .../t /b oy ?=<===14.73 3.57)2.10.25310475.01(5.54)475.01(224224

=??+=+=t

l b oy y yz λλ

==x min ??0.6645

=??=45606645.0

107.5243

A N x ?173.16N /2mm <310 N/2mm 所选截面满足要求。 填板放两块，a ι=84.6 cm ＜40x i =40×3.03=121.2 cm

7

4. 斜杆Bc

已知N=396.94kN

计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度Ox l =0.8×l=0.8×2613=2090.4mm 屋架平面外根据支撑布置取Oy l =2613mm 选用 2 L100?6，见图7。

图 7 斜杆Bc

A=23862mm ， x i =3.10cm ，y i =4.44cm 。

23681094.3963

?=A N =166.36 N/2mm <310N/2

mm x λ=x ox

i l 10.304.209==67.4<[λ

]=350

y λ===44.43

.261y

oy

i l 58.8<[λ]=350 所选截面满足要求。 填板放两块，a ι=87.4cm ＜80x i =80×3.10=248cm

其余各杆件截面选择过程不一一列出，计算结果见表2

8

9 五、节点设计

用E50焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值 2/200mm N f w

f =

各杆件内力由表2查得，最小焊缝长度不应小于f h 8

1. 下弦节点b 见图10

图 10 下弦节点c

（1） 斜杆Bc 与节点的连接焊缝计算：N=396.94kN

设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm 和5mm 。所需焊缝长度为： 肢背：20067.021094.3963

23

?????=w l +12=177.39mm ，取w l ＝200mm 肢尖：20057.021094.3963

13

`?????=w l +10=103.56mm ，取`

w l ＝120mm

（2） 斜杆Dc 与节点的连接焊缝计算：

N=301.29k N

设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm 和5mm 。所需焊缝长度为 肢背：20067.021029.3013

23

?????=w l +12=130.36，取w l ＝150mm 肢尖：20057.021029.3013

13

`?????=w l +10=81.02，取`

w l ＝100mm

（3）竖杆Cc 与节点板连接焊缝计算：N = -68.32kN

因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸f h =5mm 焊缝长度w l ≥40mm ，取w l =60mm

10 （4）下弦杆与节点板连接焊缝计算：焊缝受力为左右下弦杆的内力差

△N=280.11-665.44＝-385.33KN ，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm ，所需焊缝长度为：

肢背： 200

67.021033.385323

?????=w l +12=163.37，取w l ＝170mm 肢尖：200

67.021033.3853

13

`?????=w l +12=87.68，取`w l ＝100mm （5）节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比列作出构造详图，从而定出节点尺寸。如图11所示

图 11 节点板b 尺寸

2 .上弦节点B

图12 上弦节点B

（1）斜杆Bc 与节点板连接焊缝计算，与下弦节点c 中Bc 杆计算相同。

（2）斜杆Ba 与节点板连接焊缝计算，N=524.70kN 。

设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为10mm 和6mm 。所需焊缝长度为

肢背： 200

107.02107.524323

?????=w l +20=143.67，取w l ＝150mm

11 肢尖：200

67.02107.5243

13

`?????=w l +12=115.06，取`w l ＝130mm （3）上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm 。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P 与上弦垂直。

假定集中荷载P 由槽焊缝承受，P=68.3208N ，焊脚尺寸为5mm

所需槽焊缝长度为:

w f f w f h P l ???=7.02+10=200

57.02103208.683

????+10=58.80mm ,取w l =65mm

上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差 △N=396.94-0.0＝396.94k N

偏心距 e =90-20.4＝69.6mm

设肢尖焊脚尺寸8mm ，设需焊缝长度为480mm ，则

23

/38.76)

16480(87.021094.3962mm N l h N w e f =-????=?=∑τ

223/74.68)16480(87.026

.691094.3966mm N W M F

f =-??????==σ 2

222

22/200/9.9438.76)22.174.68()()22.1(mm N mm N f f <=+=+τσ

（4）节点板尺寸：方法同前，如图13所示

图 13 节点板B 尺寸

12

3 .屋脊节点J 见图14

图14 屋脊节点J

（1） 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为

使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。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。

N=832.14KN ，设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm ，则需焊缝长度为

=+???=167.04w

f f w f h N l mm 49.3871620087.021014.8323=+????，取w l =400mm 拼接角钢长度取2?400+50＝850mm

（2）弦杆与节点板的连接焊缝计算：上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载

上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15%计算。N=832.14?15%＝124.82kN ，设焊脚尺寸为8mm ，弦杆一侧焊缝长度为250 mm ，

23

/63.47)

16250(87.021082.1242mm N l h N w e f =-????=?=∑τ 223/99.84)

16250(87.026.691082.1246mm N W M F f =-??????==σ 222222/200/39.8463.47)22.199.84()()22.1(mm N mm f f

<=+=+τσ （3）斜杆Hg 与节点板连接焊缝的计算

N=77.99KN ，设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm 和5mm ，所需焊缝长度为： 肢背：mm l w 63.4212200

67.021099.77323

=+?????=，取w l =60 mm

13 肢尖：mm l w 38.2810200

57.021099.77313

`=+?????=，取焊缝长度`w l =40mm （4）节点板尺寸：方法同前，如图15所示

图 15 节点板J 尺寸

4 .端部支座节点a

图18 支座节点a

14 （1）为便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的距离一般不小于下弦伸出肢的宽度，故可取为160mm 。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相同，厚度同端部节点板为14mm 。

支座底板计算：支座反力

R=7P=68.3208?7=478.24KN

取加劲肋的宽度为80mm ，考虑底板上开孔，按构造要求取底板尺寸为280mm ?400mm ，偏安全地取有加劲肋部份的底板承受支座反力，则承压面积为 259920)12802(280mm A c =+??=

验算柱顶混凝土的抗压强度：

223

/3.14/7.9859920

10478.24mm N f mm A R c n =<=?==σ (满足) 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为四块，每块板为两边支承而另两块相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为

22βσα=M

式中σ--------底板下的平均应力， σ=7.98N/2mm

2α--------两边支承对角线长， 2α=mm .)/(416610021414022=+-

β--------系数，由22/αb 决定。2b 为两边支承的焦点到对角线2α的垂直距离。由相似三角形的关系，得 4

1661001402.b ?==84.1mm 22/αb =0.46 ，查表得β＝0.0576

M=0.0576?7.98?166.42

＝12727mm N ? 底板厚度215/272716/6?=f M =18.84mm, 取t=20mm

（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

N V 33

1056.1194

1024.478?=?= mm N Ve M .1032.86.691056.11963?=??==

设焊缝尺寸为6mm ，焊缝长度210mm ，

15 23

/89.71)

12210(67.021056.1192mm N l h N w e f =-????=?=∑τ 226

/58.151)

12210(67.021032.86mm N W M F f =-?????==σ 222222/200/54.143)89.71()22

.158.151()()22.1(mm N mm f f <=+=+τσ 加劲肋高度不小于210mm 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R=478.24kN

节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度:

∑=--?+-?=mm l w 808)2012100(4)12280(2

设焊缝尺寸8mm ，验算焊缝应力

23

/51.115808

67.022.11024.47822.1mm N l h R w e f =????=?=∑σ，满足要求 （4）下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算：

①竖杆与节点板的连接焊缝计算： N=34.16KN ，焊缝尺寸可按构造确定，焊脚尺寸mm h f 5=，焊缝长度w l ≥40mm 。

① 斜杆Ba 与节点板连接焊缝计算，同上

肢背：w l =180mm ，肢尖：`w l ＝150mm

② 下弦杆与节点板连接焊缝计算：

N=280.11KN ，设焊缝尺寸6mm ，需要焊缝长度为 肢背：mm l w 04.12212200

67.021011.280323

=+?????=，取w l =140mm 肢尖：mm l w 02.6712200

67.021011.280313

`=+?????=，`w l ＝80mm 六、施工图（见图纸，略）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4q8e.html