《钢结构》课程设计

27m跨厂房普通钢屋架设计

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2014  年  12  月  28  日

27m跨厂房普通钢屋架设计

    一、设计资料

1.某车间跨度为27m，厂房总长度90m，柱距6m，车间内设有两台20/5t中级工作制吊车。平面图如图1所示，剖面图如图2所示。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12.5m。

                              图1  平面图

图2  剖面图

    2.屋面采用1.5m×6 m预应力钢筋混凝土大型屋面板，8cm厚泡沫混凝土保温层，卷材屋面，屋面坡度i=1/10，雪荷载为0.5 kN/m²，积灰荷载为0.6 kN/m²。屋架采用梯形钢桁架，两端铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面尺寸为400mm×400mm，混凝土强度等级为C25，屋架采用的钢材为Q235B钢，焊条为E43型。

3.荷载

永久荷载：

改性沥青防水层                                       0.4 kN/m²    

20mm厚1：2.5水泥砂浆找平层                         0.4 kN/m²

80mm厚泡沫混凝土保温层                              0.6 kN/m²

预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）                  1.5 kN/m²

悬挂管道                                           0.15 kN/m²

屋架和支撑自重                          （0.120+0.011L）kN/m²

可变荷载：

雪荷载为                                            0.5 kN/m²

积灰荷载为                                         0.6  kN/m²

4.桁架计算跨度：mm

跨中及端部高度：

桁架的中间高度：mm

    在26.7m处两端部高度：mm

在27m处两端部高度：mm

桁架跨中起拱mm

二、屋架尺寸，支撑布置

1.桁架形式及几何尺寸如图3所示。

图3   桁架形式及几何尺寸

    2.桁架支撑布置如图4所示。

图4  桁架支撑布置

三、荷载、内力计算及内力组合

1.荷载计算

永久荷载：

改性沥青防水层                                       0.4 kN/m²    

20mm厚1：2.5水泥砂浆找平层                          0.4 kN/m²

80mm厚泡沫混凝土保温层                               0.6 kN/m²

预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）                   1.5 kN/m²

悬挂管道                                            0.15 kN/m²

屋架和支撑自重          kN/m²

^{__________________________________________________________________________________________________________________________________________}

恒荷载总和                                         3.467 kN/m²

可变荷载：

雪荷载为                                             0.5 kN/m²

积灰荷载为                                           0.6 kN/m²

^{__________________________________________________________________________________________________________________________________________}

    可变荷载总和                                         1.1 kN/m²

屋面坡度不大，对荷载影响小，未予考虑。风荷载对屋面为吸力，重屋盖可不考虑。

    2.荷载组合

跨度中央每侧各两根腹杆按压杆控制其长细比，不考虑半跨荷载作用情况，只计算全跨满载时的杆件内力。

计算图如图5所示：

图5  桁架计算简图

按可变荷载效应控制的组合：

 kN

按永久荷载效应控制的组合：

 kN

故节点荷载取为53.3 kN，其内力设计值如图6所示：

图6  屋架内力图

    四、杆件截面选择

1.上弦杆

   （1）确定内力及已知条件

整个上弦不改变截面，按最大内力计算：

kN，Q235B钢，压杆[λ]=150，。

   （2）上弦计算长度

屋架平面内（取节间轴线长度）：mm

屋架平面外（取支撑节点间距离）：mm

   （3）截面选择

选用两个不等肢角钢，短肢相并，整体稳定系数φ按b类；由于腹杆最大内力 kN,查教材表7.4得，中间节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。

设，查教材附录4，可得，则需要的截面面积：

           

需要的回转半径：

根据需要(A、、）查教材附录7.6角钢规格表，选用┓┏200×125×12，肢背间距，查表得，，。

   （4）截面验算

   

因为

所以

因为，所以仅求出，查表得，则：

故所选截面合适。

    2.下弦杆

   （1）确定内力及已知条件

整个上弦不改变截面，按最大内力计算：

kN，Q235B钢。

   （2）下弦计算长度

屋架平面内（取节间轴线长度）：mm

屋架平面外（取支撑节点间距离）：mm

   （3）截面选择

所需截面面积：

根据需要(A、、）查教材附录7.6角钢规格表，选用2┗180×110×12，采用不等肢角钢，肢背间距，查表得，，。

   （4）截面验算

    求出：

故不考虑截面削弱，所选截面合适。

    3.斜腹杆

端斜杆：

   （1）杆件轴力：kN

   （2）上弦杆计算长度：

   （3）截面选择

    因为，所以选用两个不等肢角钢，长肢相并，使；选用2┗140×90×10，肢背间距，查表得，，，。

   （4）截面验算

   

因为

所以

因为，所以仅求出，查表得，则：

故所选截面合适。

    其余各杆件截面选择见表1。

表1  各杆截面选择

    五、节点设计

1.下弦节点b

   （1）斜杆Bb与节点的连接焊缝计算

肢背：

取

肢尖：

取

   （2）斜杆Db与节点的连接焊缝计算

    kN

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：

取

肢尖：

取

   （3）竖杆Cb与节点的连接焊缝计算

    kN

    因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸，焊缝长度，取。

   （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：

kN

    设肢尖与肢背的焊角尺寸为6mm，所需焊缝长度为：

肢背：

取

肢尖：

取

(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，按比例作出构造详图，从而定出节点尺寸，如图7所示。

图7  下弦节点b

    2.上弦节点B

   （1）斜杆Bb与节点板的连接焊缝计算与下弦节点b中Bb杆计算相同

肢背：               肢尖：

   （2）斜杆Ba与节点板连接焊缝计算

    kN

设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和6mm。所需焊缝长度为：

肢背：

取

肢尖：

取

   （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，kN，焊角尺寸为

所需槽焊缝长度为：

   

    取

上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差：

kN           

设肢尖焊缝尺寸10mm，设需焊缝长度为500mm，则：

   （4）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，按比例作出构造详图，从而定出节点尺寸，如图8所示。

图8  上弦节点B

    3.屋脊节点J

腹杆杆端焊缝计算从略。弦杆与节点板连接焊缝受力不大，按构造要求决定焊缝尺寸，一般可不计算。

拼接计算：

kN

设肢尖、肢背焊角尺寸为8mm，则焊缝长度为：

     

取。

拼接角钢长度为：

     

节点板尺寸如图9所示：

图9  屋脊节点J

    4.支座节点a

   （1）底板计算

    支座反力：kN

    取加劲肋宽度为100mm,考虑底板上开孔，按构造要求取底板尺寸为280mm×400mm，偏安全取有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为：

   

    验算柱顶混凝土的抗压强度：

   

    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，每块板为两边支撑而另两块相邻边自由的板，每块把的单位宽度的最大弯矩为：

   

        

       

    查表得：

    所以

底板厚度为：

取。

   （2）加劲肋与节点板连接焊缝计算

    kN          

   

    设焊角尺寸为6mm，焊缝长度为200mm，则：

   

   

   

    因为加劲肋高度不小于200mm，所以取加劲肋高度为300mm。

   （3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算

    节点板、加劲肋与底板连接焊缝总厂度：

   

    设焊角尺寸为8mm，验算焊缝应力：

  

    节点板尺寸如图10所示：

图10  支座节点a

    六、钢屋架施工图见A2图纸。

第二篇：钢结构课程设计说明书

钢结构课程设计说明书

1、钢屋架结构整体建模

1.1、      ansys建模一般程序

 

1.2、      屋架总体布置图

详见附图

1.3、      ansys建模命令流

/title,gangjiegou

/prep7

!*定义元素类型及材料特性

ET,1,BEAM4

ET,2,MASS21,,,2

mp,ex,1,2.1e5        !弹性模量

mp,dens,1,7.85e-6 !密度

mp,nuxy,1,0.3         !泊松比

!* r,1,面积,izz,iyy,z轴方向厚度,y轴方向厚度,theta

!* rmore,istrn,ixx,shearz,sheary,spin,addmas

r,1,23440,3.25E+08,9.65E+08,460,460   

rmore,,2.76E+06

!*定义节点

n ,1001     ,0    ,2000     ,0

n ,1002     ,0    ,0    ,0

n ,1003     ,1250     ,2125     ,0

n ,1004     ,2500     ,0    ,0

n ,1005     ,2500     ,2250     ,0

n ,1006     ,3750     ,2375     ,0

n ,1007     ,5000     ,0    ,0

n ,1008     ,5000     ,2500     ,0

n ,1009     ,8500     ,0    ,0

n ,1010     ,7000     ,2700     ,0

……

!/*详细节点坐标见电子档*/

……

n ,3300     ,0    ,0    ,76500

n ,3301     ,0    ,2000     ,75000

n ,3302     ,0    ,0    ,73500

n ,3303     ,21000   ,0    ,76500

n ,3304     ,21000   ,2000     ,75000

n ,3305     ,21000   ,0    ,73500

n ,3306     ,10500   ,1525     ,76500

n ,3307     ,10500   ,1525     ,73500

!*定义单元

real,1

e ,1001     ,1002

e ,1001     ,1003

e ,1002     ,1003

e ,1002     ,1004

e ,1003     ,1004

e ,1003     ,1005

e ,1004     ,1005

e ,1004     ,1006

e ,1004     ,1007

e ,1005     ,1006

e ,1006     ,1007

e ,1006     ,1008

e ,1007     ,1008

e ,1007     ,1009

e ,1007     ,1010

e ,1008     ,1010

e ,1009     ,1010

e ,1009     ,1011

e ,1009     ,1012

e ,1009     ,1013

e ,1010     ,1011

e ,1011     ,1012

e ,1012     ,1013

e ,1012     ,1014

e ,1012     ,1015

e ,1013     ,1015

e ,1014     ,1015

e ,1014     ,1016

e ,1015     ,1016

e ,1015     ,1017

e ,1016     ,1017

e ,1016     ,1018

e ,1017     ,1018

e ,1017     ,1019

e ,1017     ,1020

e ,1018     ,1019

e ,1019     ,1020

e ,1019     ,1021

……

!/*详细单元信息见电子档*/

……

e ,3111     ,3016

e ,3111     ,3216

e ,3111     ,3219

e ,3111     ,3019

e ,3113     ,3019

e ,3113     ,3219

e ,3113     ,3223

e ,3113     ,3023

e ,3201     ,3300

e ,3301     ,3300

e ,3301     ,3302

e ,3001     ,3302

e ,3102     ,3007

e ,3102     ,3207

e ,3306     ,3212

e ,3306     ,3213

e ,3306     ,3106

e ,3306     ,3107

e ,3307     ,3107

e ,3307     ,3106

e ,3307     ,3012

e ,3307     ,3013

e ,3111     ,3217

e ,3111     ,3017

e ,3223     ,3303

e ,3304     ,3303

e ,3304     ,3305

e ,3023     ,3305

2、荷载计算及荷载组合

2.1、荷载计算

     三毡四油(上铺绿豆砂)防水层                                            

     水泥砂浆找平层                                                                  

     保温层                                                                                

    一毡二油隔气层                                                                

    水泥砂浆找平层                                                                 

    预应力混凝土屋面板                                                        

    屋架及支撑自重           

施工活荷载                                                                         

雪荷载                                                                                

积灰荷载                                                                              

 2.2、荷载组合设计值

     本次设计考虑全桥永久荷载+全跨可变荷载的组合，那么节点荷载设计

值为：

按可变荷载效应控制的组合：

其中，永久荷载，荷载分项系数；

屋面施工活荷载或雪荷载，荷载分项系数；

组合系数；

积灰荷载，，。

按永久荷载效应控制的组合：

其中，永久荷载，荷载分项系数；

屋面施工活荷载或雪荷载，荷载分项系数；

组合系数；

积灰荷载：，。

故节点荷载取值为67.76kN，支座反力.

3、组合荷载杆件内力电算

   3.1 组合杆件布置示意图

      

   3.2 内力电算命令流

       !求解

/solu

d,1002,ux,0,,,,,uy,uz

d,924,ux,0,,,,,uy,uz

d,1024,uy

d,902,uy

f,1001,fy,-67.76

f,1003,fy,-67.76

f,1005,fy,-67.76

f,1006,fy,-67.76

f,1008,fy,-67.76

f,1010,fy,-67.76

f,1011,fy,-67.76

f,1012,fy,-67.76

……

!/*详细节点坐标见电子档*/

……

f,3106,fy,-67.76

f,3109,fy,-67.76

f,3111,fy,-67.76

f,3112,fy,-67.76

f,3301,fy,-67.76

f,3304,fy,-67.76

solve

/post1

        ETABLE,uy ,U,Y

        ETABLE,YL,LS,1        !SDIR　轴向应力

        ETABLE,YYL,LS,2       !SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

        ETABLE,ZZL,LS,4       !SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

        ETABLE,XL,SMISC,1     !MFORX单元坐标系中X方向的力

        ETABLE,MYL,SMISC,5    !MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

        ETABLE,MZL,SMISC,6    !MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

        ETABLE,XMAX,NMISC,1   !SMAX　最大应力(正应力+弯曲应力) 

PRETAB,UY,yl,yyl,zzl,xl,myl,mzl,xmax

3.3 内力计算值

4、杆件截面设计

   4.1上弦杆

      整个上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算，N=-713.2KN

      计算长度： 屋架平面内取节间轴线长度=154.7cm

      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：=300cm

      因为2≈，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=60，查轴心受力稳定系数表，=0.807

需要截面积 ===2806

需要回转半径==2.58cm

==5.00 cm

根据需要的、、   查角钢型钢表，初选 2 L 125807，A=2820，

 =3.33cm ， =6.12m。

按所选角钢进行验算

===45.46＜[λ]=150

===49＜[λ]=150

由于

则：＜[λ]=150

由于  ，只需求出，查轴心受力稳定系数表，＝0.763

   =331.5N/>310N/ 所选截面不合适。

再选 2 L 140908，A=3600，

 =3.33cm ， =6.12m。

按所选角钢进行验算

===45.46＜[λ]=150

===49＜[λ]=150

由于

则：＜[λ]=150

由于  ，只需求出，查轴心受力稳定系数表，＝0.685

   =289.2N/<310N/ 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=803.72kN

计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度=3500mm

 屋架平面外根据支撑布置取=10350mm

计算需要净截面面积==2593

选用 2 L110708（短肢相并），见图5。

   

                       图 5   下弦截面

A=2780， =1.98cm，=5.49cm。

按所选角钢进行截面验算，取

（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）

         =289.1N/<310 N/

         ==176.8<[ ]=250

        =188.5<[]=350     所选截面满足要求。

3. 端斜杆

已知N＝183.97kN，＝＝200cm

因为＝，故采用等肢角钢，使＝

计算需要净截面面积==593.2

选用 2 L50324（短肢相并），见图5。

   

                       图 5   下弦截面

A=636， =0.9cm，=2.75cm。

按所选角钢进行截面验算，取

（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）

         =289.2N/<310 N/

         ==222<[ ]=250

        =72.7<[]=350     所选截面满足要求。

4. 斜杆Bb

   已知N=-408.25kN

   ;

 

                           

                            图 4  上弦截面

因为＝，故采用等肢角钢，使＝

       设=60，查轴心受力稳定系数表，=0.807

需要截面积 ===1606

需要回转半径==4.1cm

==5.00 cm

根据需要的、、   查角钢型钢表，初选 2 L 1258010，A=3940，

 =2.26cm ， =6.19m。

按所选角钢进行验算

===109＜[λ]=150

===39.8＜[λ]=150

＜[λ]=150

由于  ，只需求出，查轴心受力稳定系数表，＝0.499

   =207N/<310 N/ 所选截面合适。