钢结构课程设计计算书-钢屋架设计

钢结构课程设计

计 算 书

题目：厂房27m钢屋架设计 专业班级：土木工程 学号： 姓名： 指导老师： 完成日期：

一、 设计资料：

(1) 某车间跨度为27m，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。

(2) 屋面采用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，屋面坡度为1:11，屋架端部高度为1.74m,屋架采用的钢材及焊条为： Q235B钢，焊条为E43型。 (3)荷载： 永久荷载：

改性沥青防水层 0.4kN/m2

20厚1:2.5水泥砂浆找平层 0.40kN/m2 80厚泡沫混凝土保温层 0.6kN/m2 预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝） 1.5kN/m2 悬挂管道 0.15N/m2

屋架和支撑自重为 （0.120+0.011L）kN/m2 可变荷载：

基本风压： 0.35 kN/m2 基本雪压：（不与活荷载同时考虑） 0.5kN/m2 积灰荷载 0.5kN/m2

不上人屋面活荷载 0.7kN/m2 （4）桁架计算跨度：l0?27?2?0.15?26.7m 跨中及端部高度： 桁架的中间高度：h?2.954m 在26.7m的两端高度：h0?1.740m

在27m轴线处端部高度：h0?1.726m 桁架跨中起拱50mm（?L/500） 二、 结构形式与布置：

桁架形式及几何尺寸如图1所示。

图1.桁架形式及几何尺寸

桁架支撑布置如图2所示。

图2.桁架支撑布置

三、 荷载计算：

屋面活载与雪载不会同时出现，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应乘以

1cos??112?111?1.004换算为沿水平投影面分布的荷载。桁架沿水

平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（Pw?0.12?0.011?

度）计算，跨度单位为m。 标准永久荷载：

改性沥青防水层 1.004?0.4 kN/m2=0.4016kN/m2 20厚1:2.5水泥砂浆找平层 1.004?0.40kN/m2=0.4016 kN/m2

80厚泡沫混凝土保温层 1.004?0.6kN/m2=0.6024kN/m2 预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝） 1.004?1.5kN/m2=1.506 kN/m2 悬挂管道 1.003?0.15N/m2=0.1505 kN/m2 屋架和支撑自重为 （0.120+0.011?27）kN/m2=0.417 kN/m2

共： 3.479 kN/m2

标准可变荷载： 积灰荷载

0.5kN/m2

不上人屋面活荷载 0.7kN/m2 设计桁架时，应考虑以下三种荷载组合：

（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载为主控制的组合） 全跨节点荷载设计值：

F=（1.35?3.479+1.4?0.7?0.7+1.4?0.9?0.5）?1.5?6=54.11 kN/m2 （2）全跨永久荷载+右半跨可变荷载 全跨节点永久荷载设计值: 对结构不利时：

2F?1.35?3.479kNm?1.5m?6m?42.27kN 1.12F1.2?1.2?3.479kNm?1.5m?6m?37.57kN

对结构有利时：

选用2L140×90×10，肢背间距a?12mm，A?4452.2mm2，

ix?44.7mm,iy?37.4mm，b2/t?90/10?9；

（4）截面验算

?x?L0x2301??51.48?[?]?150， ix44.7因为b2/t?9?0.48loy/b2?12.27，所以

1.09b24?yz??y(1?22)loyt23011.09?904??(1?)， 37.423012?102?69.83?[?]?150??x??y，?仅求?y

N568.155?103查表?y?0.751，则：?y???169.92MPa?215MPa

?yA0.751?4452.2故所选截面合适。 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N=449.113KN lox=0.8cm x239.2=191.36cm loy=239.2cm 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：2L70x8 A=21.33 cm ix=2.13cm iy=3.30cm

?x?lox191.36loy239.2??89.8?[?]?350 ?y???72.5?[?]?350 ix2.13iy3.30N449113??210.6Nmm2?215Nmm2 满足要求； A21332??填板每个节间放两块（满足l范围内不少于两块）l=78.3cm<80i=80

?2.13=170.4cm。

②bD杆：

整个bD杆不改变截面，采用热轧等边角钢，其中设计内力N=-361.455KN lox=261 x0.8=208.8cm loy=L=261cm

选用：2L 75x10 A=28.25cm ix=2.26cm iy=3.54cm

?x?lox208.8loy261??92.4?[?]?150 ?y???73.7?[?]?150 ix2.26iy3.542由于?x大于?y，热轧等边角钢组合将绕x轴失稳，故由?x查教材附表4.2得：??0.605 ；

N361455??211.5Nmm2?215Nmm2?A0.605?2825??

满足要求；填板每个节间放三块（满足l范围内不少于两块）

l=63.8cm<80i=80 ?2.26=180.8cm。 ③Dc杆：

整个Dc杆不改变截面，采用热轧等边角钢组合，其中设计内力N=255.940KN lox=0.8cm x261=208.8cm loy=261cm 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：2L70x6 A=16.32 cm ix=2.15cm iy=3.26cm

2?x?lox208.8loy261??97.1?[?]?350 ?y???80.1?[?]?350 ix2.15iy3.26N255940??156.8Nmm2?215N2 满足要求 mmA1632??填板每个节间放三块l=63.8cm<80i=80 ?2.15=172cm。 ④Ef杆：

整个Ef杆不改变截面，采用热轧等边角钢，其中设计内力N=42.747KN lox=180.3x 0.8=144.2cm loy=L=180.3cm； 选用：2L 70x4

2 A=11.14 cm ix=2.18cm iy=3.21cm

?x? ?y?lox144.2??66.2?[?]?150 ix2.18loy180.3??56.2?[?]?150 iy3.21由于?x大于?y，热轧等边角钢组合将绕x轴失稳，故由?x查表4.2得：??0.774 ??22N42747??49.6N/ mm<215 N/ mm 满足要求； ?A0.774?1114填板每个节间放二块l=59.5cm<40i=40 ?2.18= 87.2cm。 ⑤Hg杆：

整个Hg杆不改变截面，采用热轧等边角钢，其中设计内力,其中设计内力N1=38.959KN N2=20.714KN

lox=0.8 x 192.4=153.9cm loy=L=192.4cm

选用：2L 50x4 A=7.79 cm ix=1.54cm iy=2.43cm

lox153.9loy192.4??99.9?[?]?150 ?y???79.2?[?]?150 ix1.54iy2.432?x?由于?x大于?y，热轧等边角钢组合将绕x轴失稳，故由?x查附表4.2得：??0.555

??22N20714??47.9N/ mm<215 N/ mm ?A0.555?779 ??N3895922??50N/ mm<215 N/ mm 满足要求； A779填板每个节间放两块l=63.2<80i=80 ?1.54=123.2cm。 ⑥fG杆

整个fG杆不改变截面，采用热轧等边角钢，其中设计内力,其中设计内力N=-151.508KN lox=196.7cm loy=L=196.7cm

选用：2L 70x7 A=18.85 cm ix=2.14cm iy=3.28cm

?x?lox196.7loy196.7??91.9?[?]?150 ?y???60.0?[?]?150 ix2.14iy3.282由于?x大于?y，热轧等边角钢组合将绕x轴失稳，故由?x查表4.2得：

22N151508??132.2N/ mm<215 N/ mm 满足要求。 ?A0.608?1885填板每个节间放二块l=64.7<80i=80 ?2.14=171.2cm。

??0.608； ??由于cf杆的内力小于fG杆的内力，且为拉力，所以可以选用相同的钢材2L 75x7。 ⑦Gd杆：

整个Gd杆不改变截面，采用热轧等边角钢，其中设计内力,其中设计内力N1=36.8KN N2=53.1KN ；

lox=0.8 x295.4=236.3cm loy=L=295.4cm 选用：2L 50x4

2A=7.79 cm ix=1.54cm iy=2.43cm

?x?lox236.3??153.5?[?]?350 ix1.54 ?y?loy295.4??121.6?[?]?350 iy2.43由于?x大于?y，热轧等边角钢组合将绕x轴失稳，故由?x查表4.2得：??0.296；

22N36800??159.6N/ mm<215 N/ mm ?A0.296?779??N5310022??68.2N/ mm<215 N/ mm 满足要求； A779填板每个节间放三块l=71.5<80i=80 ?1.54=123.2cm。

??⑧gJ杆：

整个gJ杆不改变截面，采用热轧等边角钢，其中设计内力,其中设计内力N1=-113.1KN N2=42.1KN ；

lox=0.8 x 210.5=168.4cm loy=L=210.5cm

选用：2L 50x6 A=11.38 cm ix=1.51cm iy=2.48cm

?x?lox168.4loy210.5??111.5?[?]?150 ?y???84.9?[?]?150 ix1.51iy2.482由于?x大于?y，热轧等边角钢组合将绕x轴失稳，故由?x查表4.2得：??0.484 ；

22N42100??76.4N/ mm<215 N/ mm ?A0.484?1138??N11310022??99.4N/ mm<215 N/ mm 满足要求； A1138填板每个节间放两块l=68.5<80i=80 ?1.51=120.8cm。

??由于dg杆的内力小于gJ杆的内力，所以可以选用相同的钢材2L 50x6。 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Ec、

Hd杆，利用Hd杆进行截面验算：

N=-81.2KN lox=268.1x 0.8=214.5cm loy=L=268.1cm； 选用：2L50x6 A=11.38 cm ix=1.51cm iy=2.48cm

?x?lox214.5loy268.1??142?[?]?150 ?y???108.1?[?]?150 ix1.51iy2.482由于?x大于?y，热轧等边角钢组合将绕x轴失稳，故由?x查表4.2得：

??0.338；

22N81200??211.1N/ mm<215 N/ mm 满足要求； ?A0.338?1138??填板每个节间放两块l=73.3cm<80i=80 ?1.51=120.8cm。

各杆截面选择见下表

杆件杆件计算长度/cm 名称 号 lox loy 上弦 下弦 腹 杆 GH de aB Bb bD Dc Ef Hg fG cf Gd Ec 截面面计算应容许积/cm2 力/KN 长细比 150.5 451.5 2L200x125x12 75.82 1240.7 150 300 1500 2L160x100x12 60.11 1226.9 350 225.5 225.5 2L140x90x10 44.52 457.2 150 188 235 2L70x8 21.33 392.9 350 204 255 2L 75x10 28.25 333.3 150 204 255 2L70x6 16.32 250.7 350 142.8 178.5 2L 70x4 11.14 110.1 150 151.6 189.5 2L 50x4 7.79 153.7 150 194 194 2L 70x7 18.85 235.2 150 154.4 193 2L 70x7 18.85 51.1 150 228.8 286 2L 50x4 7.79 51.3 350 176 220 2L 40x5 7.58 60.8 150 所用截面 填板数 1 2 2 2 3 3 2 2 2 2 3 2 gJ 164.4 205.5 2L 50x6 dg 205.5 205.5 2L 50x6 六、节点设计

11.38 108.3 11.38 51.1 150 150 2 2 节点设计的任务是根据杆件间隙的要求和焊缝要求，画1/2~1/5比例尺节点图，以确定杆端切断点位置和节点板尺寸，并将结果抄入屋架施工图中。由于所有焊缝尺寸已在附表中确定，一般节点可直接按此画图；只有下弦、上弦中央拼接节点和支座节点需作补充计算，如下：

用E43型焊条进行节点焊接时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值 ffw?160N/mm2。最小焊缝长度不应小于8hf。 1 .下弦节点b：

（1） 斜杆Bb与节点的连接焊缝计算： N=444.72kN

设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为：

0.7?449.11?103肢背：lw? +12=199.13mm，取lw＝200mm

2?0.7?6?2000.3?449.11?103`肢尖：lw? +10=106.23mm，取lw＝110mm

2?0.7?5?200（2）斜杆Db与节点的连接焊缝计算： N=361.455kN

设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为

0.7?361.455?103肢背：lw? +12=162.6mm，取lw＝170mm

2?0.7?6?2000.3?361.455?103`肢尖：lw? +10=74.55mm，取lw＝100mm

2?0.7?6?200（3）竖杆Cb与节点板连接焊缝计算：N =54.11kN

因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸hf=4mm 焊缝长度lw?40mm，取lw=60mm

（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=762.17-322.91=439.26kN，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm，所需焊缝长度为：

0.75?439.26?103肢背： lw?+12=208.1mm，取lw＝210mm

2?0.7?6?2000.25?439.26?103`肢尖： lw?+12=77.37mm，取lw＝80mm

2?0.7?6?200（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。如下图示：

节点板b尺寸 2 .上弦节点B

BCDbABCab

节点板B尺寸

（1）斜杆Bb与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b中Bb杆计算相同。

`肢背：lw＝200mm 肢尖：lw＝110mm

（2）斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，N=568.155kN。

设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为6mm和6mm。所需焊缝长度为

0.7?568.155?103肢背：lw? +12=248.7，取lw＝250mm

2?0.7?6?2000.3?568.155?103`肢尖：lw? +12=113.5，取lw＝120mm

2?0.7?6?200（3）上弦杆与节点板连接焊缝计算：

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=61.1kN，焊脚尺寸为5mm 所需槽焊缝长度为:

54.74?103P+10=+10=49.1mm ,取lw=50mm lw?w2?0.7?5?2002?0.7?hf?ff上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差 △N=596.62-0.0=596.62kN

' e =100-25=75mm

' =596.62kN×75mm＝38.6025N M ? P ?e ? ? N ? e

设肢尖焊脚尺寸10mm，设需焊缝长度为500mm，则

?N572.83?1032?f???84.54N/mm2he?lw2?0.7?10??500?20?2?fwf?200N/mm2

6M6?572.83?103?75?f?F??138N/mm22W2?0.7?10??500?20??fwf?200N/mm2

2??f??138?22w2???????f???84.54?141.22N/mm?ff?200N/mm

?1.22??1.22?22

3 .屋脊节点J （1） 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算： 弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角消除，且截去垂直肢的一部分宽度。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=90.18KN，设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为

90.18?103N?16?66.3mm，取lw=70mm lw??16?2?0.7?8?1604?0.7?hf?ffw拼接角钢长度取2?70+50＝190mm

（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=90.18?15%＝13.53kN，设焊脚尺寸为8mm，弦杆一侧焊缝长度为200 mm，

?N13.53?1032?f???6.57N/mm2he?lw2?0.7?10??200?16?2?fwf?200N/mm2

6M6?13.53?103?75?f?F??16.06N/mm22W2?0.7?8??200?16??fwf?200N/mm2

??f?22?????f?1.22???16.06?22w2????6.57?14.71N/mm?ff?200N/mm ?1.22?2

(3) 斜杆Jd与节点板的连接焊缝计算：N=119.08kN

设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为

0.7?119.08?103肢背：lw? +12=61.6，取lw＝70mm

2?0.7?6?2000.3?119.08?103`肢尖： lw?+10=35.5，取lw＝40mm

2?0.7?5?200 (4) 节点板尺寸： 错误！未找到引用源。

节点板J尺寸

4 .下弦跨中节点e

（1）弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：拼接角钢与下弦杆截面相同，传递内力N=823.01kN

设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为

823.01?103N?16?245.63mm，取lw=250mm lw??16?w4?0.7?8?1604?0.7?hf?ff拼接角钢长度不小于2?250+50=550mm

（2） 弦杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力的15%计算。 N=823.01?15%=123.45KN，设焊脚尺寸为8mm，弦杆一侧焊缝长度为

200 mm，

?N160.27?103?f???77.8N/mm222he?lw2?0.7?10??200?16??fwf?200N/mm2 6M6?160.27?103?752?f?F??190.2N/mm2W2?0.7?10??200?16??fwf?200N/mm2

2??f??190.2?22w2??????f????77.8?174.24N/mm?ff?200N/mm

?1.22??1.22?22（3）中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=81.17kN

设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为

0.7?81.17?103肢背：lw? +12=45.82，取lw＝50mm

2?0.7?6?2000.3?81.17?103`肢尖：lw?+10=24.49，取lw＝30mm

2?0.7?6?200（4）节点板尺寸：

节点板e尺寸

5 .端部支座节点a

（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?19F/2?19?54.11/2?514.045kN

取加劲肋的宽度为100mm，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

Ac?280?(2?100?14)?59920mm2

验算柱顶混凝土的抗压强度：

R514.045?103????8.58N/mm2?fc?12.5Nmm2 (满足)

An59920式中，fc为混凝土强度设计值，对C25混凝土，fc?12.5Nmm2。 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

2M????1

式中?--------底板下的平均应力， ?=7.37N/mm

2?1--------两边支承对角线长，?1 =(140?14/2)2?1002?166.4mm

?--------系数，b1?1 为两边支承的焦点到对角线 的垂直距离。由

相似三角形的关系，得

b1?140?100=84.13mm 166.4b1a1=0.51 ，查表得??0.0615

2M=0.0615?7.92?166.4＝13486.74N?mm

底板厚度6M/f?6?13486.74/310?16.2mm，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

V?514.05?128.513kN 4642N5?6m50 m M?Ve?12851?35?0设焊缝尺寸为6mm，焊缝长度200mm，

?f??N128513??81.4N/mm2?fwf?200N/mm2

2he?lw2?0.7?6??200?12??f?6M6?6425650w22 ?f?200N/mm??129.9N/mmf2FW2?0.7?6??200?12?222??f??129.9?22w2??????f????81.4?134.0N/mm?ff?200N/mm

?1.22??1.22?加劲肋高度不小于200mm，取加劲肋的高度为300mm

（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=514.05kN

节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度:

?lw?2?(300?16)?4?(100?16?20)?824mm

设焊缝尺寸8mm，验算焊缝应力

R514.05?103?f???91.31N/mm2，满足要求

1.22?he??lw1.22?0.7?8?824（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=-27.06KN，焊缝尺寸可按构造确定，焊脚尺寸hf?5mm，焊缝长度lw?40mm。 ②斜杆Ba与节点板连接焊缝计算：

N=-568.16N，设焊缝尺寸8mm，需要焊缝长度为

0.7?568.16?103肢背：lw? +16=193.6，取lw＝200mm

2?0.7?8?2000.3?568.16?103`肢尖：lw?+16=92.1，取lw＝100mm

2?0.7?8?200③ 下弦杆与节点板连接焊缝计算：

N=333.32KN，设焊缝尺寸8mm，需要焊缝长度为

0.7?333.32?103肢背：lw? +16=120.16，取lw＝120mm

2?0.7?8?2000.3?333.32?103`肢尖：lw?+16=59.65，取lw＝60mm

2?0.7?8?200支座节点处，底座尺寸如图：

节点板e尺寸

支座处节点板尺寸如图：

【钢屋架施工图见A1图纸】

ABab

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