钢结构课程设计

钢结构课程设计一、设计资料某车间芬克式三角形普通钢屋架，车间为单跨厂房，全长120m。屋架支承在钢筋混凝土柱上，柱距6m，上柱截面尺寸为400×400mm，混凝土强度等级为C20。车间内设有一台起重量30t的中级工作制桥式吊车，吊车轨顶标高为+12.00m。屋架跨度：21m屋面坡度：1：2.5屋面材料：波形石棉瓦（0.2kN/m2↓）木丝板保温层（0.24kN/m2↓）[10槽钢檀条（0.1kN/m）（檀条间距700~800mm）屋面活荷载：0.3kN/m2（↓）屋面雪载：0.70kN/m2（↓）屋架材料：采用Q235-A·F或Q235-A钢材（要求附加：保证冷弯试验性能和碳的极限含量），焊条采用E43系列型，手工焊。二、屋架的形式及尺寸的确定根据屋面所采用的屋面材料的排水需要采用芬克式三角形屋架（屋架形式如图1所示），屋面坡度i=2.5，屋面倾角=arctan5.21=2148,sin=0.3714,cos=0.9285.图2.1：屋架跨度：L=21000mm计算跨度：mmLL206004000屋架跨中高度：取n=5H=n20600=4120mm.屋架上弦总长L=LO/(cos×2)=20600/(2×0.9285)=11093.16mm.根据构造要求上弦檀条的间距为700~800mm，为尽量使屋架受节点荷载，将上弦划分为5个节间，节间长度s=516.11093=2218.6mm.节间水平投影长度为Q=S•cos=1848.86×0.9285=1716.67mm.屋架各杆的几何尺寸如下表1所示：表2.1：各杆件的几何尺寸：杆件n=5杆件长度(mm)L=k•H长度系数k1~50.5392220.686，70.215885.88，90.6022480.2410，11，13，140.5802389.612，150.8703584.4161.0504326171.0004120三、屋架、支撑及檩条布置1、屋架、支撑布置情况根据厂房总长为120mm,超过伸缩缝的最大间距100mm,需在厂中部设置伸缩缝一道。此外，根据屋盖支撑的布置需求，在厂房两端第二车间和厂房中部伸缩缝两侧的第二开间设置四道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，在跨中设置一道垂直支撑。该芬克式三角形普通钢屋架支撑布置图如图3.1所示。图3.1：（a）上弦横向水平支撑布置图（b）下弦横向水平支撑(c)1-1垂直支撑2、檀条的布置与计算上弦节间距离为2218.6mm，根据檀条间距满足要求700-800mm，每节间放置两根檀条，檀条间距为2218.6/3=739.5mm，并在跨中放置一道拉条。由于屋面活荷载与雪荷载一般不可能同时出现，故取值较大的雪荷载参加计算。拟采用[10型钢，查型钢表得，自重0.098KN/m，Wx=39.7cm4,Wy=7.8cm3,Ix=198cm4.3.2檀条的计算简图3.3拉条支撑的布置1-屋架2-檀条3-屋脊4-撑杆5-拉条6-斜拉条四、荷载组合与内力计算1.永久荷载永久荷载查《建筑结构荷载规范》（GBJB-8T）附录，波形石棉瓦屋面重为0.2KN/m2.波形石棉网瓦重0.2×0.7395=0.1478kN/m木丝板保温层0.24×0.7395=0.1775kN/m檀条和拉条重0.1kN/mgk0.4253kN/m2.可变荷载基本雪压s0=0.7KN/m2,查《建筑结构荷载规范》（GBJB-8T）得积雪分布荷载Ur=1.0,则qk=Sk×0.7395×cos=Urs0×0.7395×0.9258=1.0×0.7×0.7395×0.9258=0.48kN/m.檀条均布荷载设计值:g+q=rGgkrQqk=1.2×0.4253+1.4×0.48=1.18kN/m3.屋架荷载计算屋架和支撑自重gk=0.01L=0.01×21=0.21KN/m2檀条作用在屋架上弦的集中力P=2×(g+q)×l/2=2×12×1.18×6=7.08KN将节点荷载简化成节点荷载后，节点荷载设计值P=3×7.08+0.21×6×1716.67=23.4KN4.屋架杆件的内力计算（a）每节间一个集中荷载时的弯矩（b）每节间两个集中荷载时的弯矩图4.1上弦杆弯矩计算简图（1）上弦杆在节点荷载下的局部弯矩M0=13Pl=13×7.08×1.717=4.05KN•m端节点M1=0.8M0=3.24KN•m中间节间和中间节点M2=±0.6×4.05=±2.43KN•m（2）屋架杆件内力计算图4.2杆件内力图表4.2屋架杆件内力计算表杆件名称杆件内力系数内力设计值(KN)杆件名称杆件内力系数内力设计值上弦AB-12.12-283.61腹杆BG-0.93-21.762BC-11.75-274.95EK-0.93-21.762CD-9.52-222.77CH-1.56-36.504DE-11.00-257.4DH-1.56-36.504EF-10.63-248.74CG1.2529.25下弦AG11.25263.25DK1.2529.25GH10.00234HK3.7587.75HJ6.25146.25KF5.00117五、杆件的截面设计1.上弦杆根据屋架支承的布置（上弦横向水平支撑设置在房屋两端及伸缩缝处第一开间内，并在相应开间屋架跨中设置垂直支撑，在其余开间屋架下弦跨中设置一通长水平柔性系杆，上弦横向水平支撑在交叉点处与檩条相连），上弦杆件的计算长度为：lox=loy=221.86cm。上弦杆采用等截面，取AB杆最大内力-283.61kN计算，查表得中间节点板厚为10mm，支座节点板厚为12mm。M1=3.24KN•mM2=2.43KN•m截面A(cm2)ix(cm)iy(cm)W1x(cm3)W2x(cm3)2∟100×831.283.084.48107.5640.94长细比λx=lox/ix=221.86/3.08=72.03[λ]=150属于b类截面λy=loy/iy=221.86/4.48=49.52[λ]=150属于b类截面所以，满足刚度要求。单轴对称的构件，绕对称轴的失稳为弯扭失稳，应计算换算长细比yzb/t=100/8=12.50.58loy/b=0.58×2218.6/100=12.864226.1819.3btltboyyz=421006.186486.221181009.3=57分别有xyz可查得7384.08567.0yz塑性发展系数2.1,05.121xxrr（1）弯矩作用平面内的稳定验算端节点弦杆相当于两端支撑的杆件，其上作用弯矩和横向荷载使构件产生反向曲率，故等效弯矩系数85.0mx13.1114)1.1/(22'XExEAN48.3004.11913.11141095.2748.0156.10705.11024.385.01028.31784.01095.27425.113623'22ExxmxNNwANxX=149.52N/mm2f=215×0.95=204.3N/mm213.111495.27425.111094.402.11024.385.08.3121095.27425.1136322EXXXXmxNNWMAN=87.90-81.07=33.97f=215×0.95=204.3N/mm222362322/215/13.14046.4957.901094.402.11043.21028.3110611.283mmNmmNWrMANXxXn所以满足弯矩作用平面内的稳定（2）弯矩作用表面外的稳定验算915.023523574.490017.012350017.01yybf333111056.107915.01024.385.00.131288567.01095.274xbxxYWMAN=102.6+28=130.6N/mm2f=215×0.95=204.3N/mm2所以，平面外的稳定满足要求在节点2外，强度验算:46.4990.871094.402.11043.231281095.274363XXMAN=137.36f=215×0.95=204.3N/mm22.下弦杆选择下弦杆选择采用等截面，按最大内力NAG=263.25KN计算，查表得中间节点板厚为8mm，支座节点板厚为10mm。根据屋架支撑的布置，上弦杆横向水平支撑在房屋两端及伸缩缝处，第一间内，并在相应开间房架跨中设置垂直支撑，在其余开间屋架下弦跨中设置一通长水平柔性系杆，上弦横向水平支撑在交点处与檀条相连。下弦杆件的计算长度屋架平面计算长度根据最大节间IJ，即lox=4326mm屋架平面外计算长度因仅在跨中有一道系杆loy=20600/2=10300mm下弦杆采用等截面，取AG杆最大内力为263.25KN截面A(cm2)ix(cm)iy(cm)W1x(cm3)W2x(cm3)2∟75×514.522.323.3639.4614.6长细比λx=lox/ix=432.6/2.32=189.46[λ]=350属于b类截面λy=loy/iy=1030/3.36=306.5[λ]=350属于b类截面所以，满足刚度要求。强度验算AN23/3.18114521025.263mmNf=215×0.95=204.3N/mm2所以，满足强度要求。3.腹杆选择受压杆件1BGEK轴力(KN)21.762选用截面∟75×5L(mm)885.8截面特性A(cm2)7.41ix(cm)2.32ixo(cm)2.92iyo(cm)1.50长细比iyo9.0l53.15允许高后比[]150单面连接角钢强度的折减系数0.6+0.00150.68轻型钢结构力降低的折减系数0.95y0.84强度验算ANy34.96允许强度（N/mm2）0.68×0.95×215=138.89受压杆件2CHDH轴力KN36.504选用截面∟80×5L(mm)2480.24截面特性A(cm2)7.91ix(cm)2.48ixo(cm)3.13iyo(cm)1.60长细比iyo9.0l139.5允许高后比[]150单面连接角钢强度的折减系数0.6+0.00150.81轻型钢结构力降低的折减系数0.95y0.347强度验算ANy（N/mm2）133允许强度（N/mm2）0.81×0.95×215=165.44受压杆件3CGDK轴力KN29.25选用截面∟75×5L(mm)2389.6截面特性A(cm2)7.41ix(cm)2.32ixo(cm)2.92iyo(cm)1.50长细比iyo9.0l143.38允许高后比[]150单面连接角钢强度的折减系数0.6+0.00150.815轻型钢结构力降低的折减系数0.95y0.3188强度验算ANy（N/mm2）123.8允许强度（N/mm2）0.815×0.95×215=146.46受压杆件4HK轴力KN87.75选用截面2∟80×5l(mm)3584.4l0x=0.8l(mm)2867.52l0y=l(mm)3584.4截面特性A(cm2)15.82ix(cm)2.48ixo(cm)3.13iy(cm)3.56x115.6y100.68允许高后比[]150单面连接角钢强度的折减系数0.6+0.00150.7734轻型钢结构力降低的折减系数0.95x0.4604强度验算ANy（N/mm2）120.48允许强度（N/mm2）0.725×0.95×215=148竖腹杆FJ轴力KN0l(mm)4120选用截面2∟63×5截面特性A(cm2)12.28ioy(cm)2.45长细比ioy9.0l151允许高后比[]150端部焊缝肢尖6-805-905-505-405-505-505-70肢背6-1505-1805-505-605