課程設計-- 鋼屋架結構設計

1、<p>　　課 程 設 計 說 明 書</p><p>　　課程名稱： 鋼 結 構 </p><p>　　設計題目： 鋼屋架結構設計 </p><p>　　院 系： 土木與建筑工程學院 </p><p>　　學生姓名： </p><p&

2、gt;　　學 號： </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2012年12月15日 </p><p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p>

3、;　　三角形鋼屋架課程設計</p><p>　　摘 要:該三角形鋼屋架采用A型屋蓋結構，首先根據(jù)屋架的尺寸和受力特點對檁條的截面進行選擇并驗算強度，接著分析桿件的內(nèi)力，并繪制內(nèi)力分布圖，然后選擇桿件截面，最后設計各節(jié)點的節(jié)點板尺寸及焊縫長度。計算的同時對剛度和穩(wěn)定性也進行了驗算，最后繪制施工圖。設計過程中首先對屋架的受力特點及傳力方式進行梳理，分清楚主要受力構件及次要受力構件，選擇桿件截面時本著在滿足強度剛度要

4、求的前提下，還考慮經(jīng)濟節(jié)約的原則，選擇了最合適的截面。</p><p>　　關鍵詞：鋼結構 三角形屋架 設計</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 設計背景………………………………………………………… </p><p>　　1.1 設計資料………………………………………………………

5、 </p><p>　　1.2 屋架形式……………………………………………………… </p><p>　　2 設計方案…………………………………………………………</p><p>　　2.1 檁條設計……………………………………………………… </p><p>　　2.2 屋架支撐……………………………………………………… </p>

6、;<p>　　3 方案實施………………………………………………………… </p><p>　　3.1 荷載與內(nèi)力計算………………………………………………… </p><p>　　3.2 桿件截面設計………………………………………………… </p><p>　　3.3 節(jié)點設計……………………………………………………… </p><p

7、>　　4 結果與結論………………………………………………………</p><p>　　5 收獲與致謝……………………………………………………… </p><p>　　5.1 收獲…………………………………………………………… </p><p>　　5.2 致謝…………………………………………………………… </p><p>　　6 參考文

8、獻………………………………………………………… </p><p>　　7 附件……………………………………………………………… </p><p><b>　　1 設計背景</b></p><p><b>　　1.1 設計資料</b></p><p>　　廠房長度96m, 檐口高度15m。廠房為單層單

9、跨結構，內(nèi)設有兩臺中級工作制橋式吊車。</p><p>　　擬設計鋼屋架，簡支于鋼筋混凝土柱上，柱的混凝土強度等級為C20。柱頂截面尺寸為400mm。鋼屋架設計可不考慮抗震設防。</p><p><b>　　廠房柱距選擇：6m</b></p><p>　?。?）三角形鋼屋架[(a)]</p><p>　　1）屬有檁體系：

10、檁條采用槽鋼，跨度為6m，跨中設有一根拉條φ10。</p><p>　　2）屋架屋面做法及荷載取值（荷載標準值）：</p><p>　　永久荷載：波形石棉瓦自重 0.20 kN/m2 </p><p>　　檁條及拉條自重 0.20 kN/m2 </p><p>　　保溫木絲板重 0.25 kN/m2 <

11、/p><p>　　鋼屋架及支撐重 (0.12+0.011跨度) kN/m2 </p><p>　　可變荷載：雪荷載 0.55 kN/m2</p><p>　　屋面活荷載 0.40 kN/m2</p><p>　　積灰荷載 0.30 kN/m2 </p><p&

12、gt;　　注：1、以上數(shù)值均為水平投影值；2、（a）、（b）屋架的形式與尺寸見圖1。</p><p><b>　　1.2 屋架形式</b></p><p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　　2 設計方案</b></p><p><b>　　2.1

13、 檁條設計</b></p><p><b>　　1.屋架尺寸</b></p><p>　　屋架計算跨度：=－300=27000－300=26700mm</p><p><b>　　屋面傾角： </b></p><p>　　屋架跨中的高度為：mm</p><p&g

14、t;<b>　　上弦長度： </b></p><p><b>　　節(jié)間長度： </b></p><p>　　節(jié)間水平投影長度：a==2396.4×0.9285=2225mm</p><p>　　屋架幾何尺寸見圖2。</p><p>　　圖2 屋架幾何尺寸（單位：mm）</p>

15、<p><b>　　3.3 檁條的設計</b></p><p>　　選用[18a槽鋼截面，由型鋼表查得，自重0.202，=141.4，=20，=1272.7。</p><p>　　1.荷載計算（對輕屋面，可只考慮可變荷載效應控制的組合）</p><p><b>　　永久荷載：（坡面）</b></p>

16、<p>　　永久荷載：波形石棉瓦自重 0.20 kN/m2 </p><p>　　檁條及拉條自重 0.20 kN/m2 </p><p>　　保溫木絲板重 0.25 kN/m2 </p><p>　　=0.65 kN/m2</p><p>　　可變荷載：積灰荷載 0.30 k

17、N/m2</p><p>　　雪荷載 0.55 kN/m2</p><p>　?。ㄓ捎谘┖奢d大于屋面荷載，所以取雪荷載）</p><p>　　qk=(0.55+0.3) ×2.225=1.89</p><p>　　gk=0.65×2.225=1.45</p><p>　　檁條

18、均布荷載設計值：</p><p>　　=+=1.2×1.45+1.4×1.89=4.39</p><p>　　==4.39×0.9285=4.08</p><p>　　==4.39×0.3714=1.63</p><p><b>　　2.強度驗算</b></p>&l

19、t;p>　　彎矩設計值（見圖4）：</p><p><b>　　圖4 彎矩圖</b></p><p>　　==×4.08×62=18.36</p><p>　　==×1.63×9=--</p><p>　?。┮驗樵跈_條的跨中設置了一道拉條）</p><p&

20、gt;　　檁條的最大應力（拉應力）位于槽鋼下翼緣的肢尖處。</p><p><b>　　3.剛度驗算</b></p><p>　　只驗算垂直于屋面方向的撓度。</p><p><b>　　荷載標準值：</b></p><p>　　+=1.45 +1.89=3.34</p><p&

21、gt;　　因有拉條，不必驗算整體穩(wěn)定性。故選用[18a槽鋼檁條能滿足要求。</p><p><b>　　2.2屋架支撐</b></p><p><b>　　2.檁條和支撐布置</b></p><p>　　根據(jù)屋面材料的最大容許檁距，可將檁條布置于上弦節(jié)點上（見圖2），檁距為節(jié)間長度。在檁條的跨中設置一道拉條。</p&

22、gt;<p>　　根據(jù)廠房總長度96m，跨度為27m，有中級工作制吊車及第一開間尺寸5.5m等因素，可在廠房兩端的第二開間設置一道上弦橫向水平支撐和下弦橫向水平支撐，并在同一開間兩榀相鄰屋架的腹桿間設置兩道垂直支撐（在跨度1／3左右處各一道，見圖3）。</p><p>　　上弦檁條可兼做系桿，故不另設系桿，在下弦跨中央設置一道通長的柔性系桿。此外，在廠房兩端的第一開間下弦各設置三道剛性系桿（見圖3）

23、。</p><p>　　圖3 屋架支撐布置（單位;mm）</p><p>　?。╝）上弦橫向水平支撐；（b）下弦橫向水平支撐；（c）垂直支撐</p><p><b>　　3 方案實施</b></p><p>　　3.1 荷載與內(nèi)力計算</p><p>　　1.永久荷載（水平投影面）波形石棉瓦自重

24、 0.20 kN/m2 </p><p>　　檁條及拉條自重 0.20 kN/m2 </p><p>　　保溫木絲板重 0.25 kN/m2 </p><p>　　屋架和支撐自重 0.12+0.11L=0.12+0.011×27=0.417 </p><p><b>　　=1.067&

25、lt;/b></p><p>　　可變荷載: 雪荷載為0.55</p><p><b>　　積灰荷載為0.3</b></p><p>　　4.屋架上弦在檁條處的集中荷載</p><p>　　屋架上弦在檁條處的集中荷載設計值由永久荷載效應控制的組合為</p><p>　　F=（1.2

26、5;1.067+1.4×0.55×0.7+1.4×0.9×0.3）×6×2.225=29.3</p><p>　　3.2 桿件截面設計</p><p>　　表2 屋架桿件內(nèi)力計算表</p><p>　　注：負為受壓，正為受拉。</p><p>　　3.6 桿件截面選擇</p&g

27、t;<p>　　弦桿端節(jié)間最大內(nèi)力為－434.5kN 有焊接屋架節(jié)點板厚度選用表，可選用屋架中間節(jié)點板厚度為8mm，支座節(jié)點板厚度為10mm。</p><p>　　1.上弦桿（見圖6）</p><p>　　整個上弦桿不改變截面，按最大內(nèi)力計算。</p><p><b>　　圖6 上弦截面</b></p><p&

28、gt;　　=-434.5cm，,=2=2×239.64=479.28cm。選用2∟125×80×8，組成的T形截面，節(jié)點板厚為10mm，查型鋼表得`</p><p>　　A=2×15.99=31.98，，</p><p><b>　　根據(jù)查表得，則</b></p><p><b>　　故所選截面

29、合適。</b></p><p>　　2.下弦桿（見圖7）</p><p><b>　　圖7 下弦截面</b></p><p>　　下弦桿也不改變截面，按最大內(nèi)力計算Nmax=+402.9kN，屋架平面內(nèi)的計算長度取最大節(jié)間長度，即lox=560.6cm。因屋架下弦在跨中央設有一道通長的系桿，故屋架平面外的計算長度取側向固定點間的距離

30、，即loy=1335cm。</p><p><b>　　所需截面面積為：</b></p><p>　　選用2∟90×56×8，短肢相連的T形截面，由型鋼表查得</p><p>　　==22.37,=2.85cm，=4.54cm</p><p><b>　　故所選截面合適。</b>

31、</p><p><b>　　3.腹桿</b></p><p>　　DI桿（1） =－81.7,=0.8=0.8×287.6 =230.1cm，==287.6cm</p><p>　　選用2∟56×8，A=16.73，=1.68cm，=2.75cm。</p><p><b>　　根據(jù)，查表得

32、，則</b></p><p><b>　　所選截面合適。</b></p><p>　?。?）BH、CH、EK、FK桿</p><p>　　N=-35.5，=187.2cm</p><p>　　選用∟63×8單角鋼截面，A=90515，=1.227cm，則</p><p>　　

33、=0.9=0.9×187.2=168.48cm</p><p>　　===137.31<=150</p><p><b>　　由，查表得。</b></p><p>　　單角鋼單面連接計算構件穩(wěn)定性時強度設計值折減系數(shù)為</p><p>　　故所選截面滿足要求。</p><p>&l

34、t;b>　　（3）HD、DK桿</b></p><p>　　N=+73.3kN，l=387.2cm </p><p>　　選用∟63×6單角鋼截面，A=7.288 iyo=1.24cm</p><p>　　Lo=0.9l=0.9×387.2=348.5cm</p><p>　　單角鋼單面連接計算構件強度

35、時的強度設計值折減系數(shù)，則</p><p>　　故所選擇的截面合適。</p><p><b>　?。?）IK、KG桿</b></p><p>　　兩根桿件采用相同的截面，用按最大內(nèi)力=183.1計算，==387.2cm，=2=2×387.2=774.4cm</p><p>　　選用2∟63×4，A=2

36、×4.978=9.956，=1.96cm，=2.94cm。</p><p><b>　　所選截面合適。</b></p><p><b>　?。?）GJ桿。</b></p><p>　　N=0, =534cm</p><p>　　對有連接垂直支撐的屋架WJ—2，采用2∟63×4組成

37、十字形截面，并按受壓支撐驗算其長細比。=0.9=0.9×534=480.6cm，cm</p><p><b>　　故滿足要求。</b></p><p>　　對不連接垂直支撐的屋架WJ—1，選用∟56×4單角鋼，并按受拉支撐驗算其長細比，=1..259cm </p><p><b>　　故滿足要求。</b>

38、;</p><p>　　屋架各桿件截面選擇情況見表3。</p><p>　　表3 屋架桿件截面選擇</p><p><b>　　3.3 節(jié)點設計</b></p><p>　　本例只選擇幾個有代表性的、重要的節(jié)點進行計算，其余節(jié)點的計算過程從略，可參見屋架施工圖。</p><p><b>

39、　　屋脊節(jié)點（見圖8）</b></p><p>　　腹桿GK與節(jié)點板的連接焊縫，查表得（以下同），取肢背和肢尖的焊腳尺寸分別為和，則桿端所需的焊縫長度分別為</p><p><b>　　肢背</b></p><p><b>　　故取。</b></p><p>　　圖8 屋脊節(jié)點（單位：m

40、m）</p><p><b>　　故肢尖：</b></p><p><b>　　取=70mm。</b></p><p>　　拼接角鋼采用與上弦桿等截面，肢背處削棱，豎肢切去V=t++5=18mm，取V=20mm，并將豎肢切口后經(jīng)熱彎成型用對接焊縫焊接。拼接接頭一側所需的焊縫計算長度為</p><p>

41、;<b>　　拼接角鋼的總長度為</b></p><p>　　=2（+10）+d=2（170+10）＋50=420mm</p><p>　　上弦桿與節(jié)點板的塞焊縫，假定承受節(jié)點荷載F／2，驗算從略。上弦肢尖與節(jié)點板的焊縫連接按弦桿內(nèi)力的15%計算，且考慮由此產(chǎn)生的偏心彎矩作用（偏心距e=95mm）。設肢尖焊縫焊腳尺寸=5mm，節(jié)點板總長度為500mm，則節(jié)點一側弦桿焊

42、縫的計算長度為</p><p>　　=（500／2）／-20-10＝（500/2）/0.9285－20－10=420mm</p><p><b>　　焊縫應力為</b></p><p><b>　　===34</b></p><p><b>　　===80</b></p&

43、gt;<p><b>　　=</b></p><p>　　由以上計算結果可知，因弦桿與節(jié)點板的連接焊縫受力不大，且連接長度較大，故可按照構造進行滿焊，不必計算。</p><p>　　2.下弦拼接節(jié)點（見圖9）</p><p>　　圖9 下弦拼節(jié)點（單位：mm）</p><p>　　屋架跨度27m超過運輸界限

44、，故將屋架分為兩個運輸單元，在屋脊節(jié)點G和下弦節(jié)點I處設置工地拼接。腹桿桿端與節(jié)點板的焊縫連接按IK和ID中最大內(nèi)力計算。</p><p>　　設肢背和肢尖的焊腳尺寸均取，則桿端所需的焊縫長度分別為</p><p><b>　　肢背：</b></p><p><b>　　故取80mm。</b></p><

45、;p><b>　　肢尖：</b></p><p>　　故按構造取30mm。</p><p>　　弦桿與節(jié)點板的連接焊縫按弦桿內(nèi)力與的內(nèi)力差計算，因為內(nèi)力差較小，按構造布置焊縫即可滿足要求，不必計算。</p><p>　　拼接角鋼采用與下弦桿相同截面，肢背處削棱，豎肢切去V=t++5=18mm。按拼接焊縫與桿件等強度原則，接頭一側所需的焊縫

46、計算長度為</p><p>　　拼接角鋼所需總長度為=2（+10）+10=2（220+10）+10=470mm</p><p>　　3.上弦節(jié)點D（見圖10）</p><p>　　圖10 上弦節(jié)點D（單位：mm）</p><p>　　各腹桿桿端與節(jié)點板的焊縫計算從略，節(jié)點板的形狀和尺寸如圖10所示。</p><p>　

47、　上弦肢背塞焊縫承受檁條傳來的集中荷載（節(jié)點荷載）F，取節(jié)點板縮進肢背5mm，</p><p>　　=t／2=4mm，則</p><p>　　肢尖與節(jié)點板的焊縫承受弦桿的內(nèi)力差為</p><p>　　=-=-412.3+401.4=-10.9</p><p>　　偏心距e=95mm，且節(jié)點板長度較大，故可不作計算，按構造要求布置焊縫進行滿焊即

48、可滿足條件。</p><p>　　支座節(jié)點。（見圖11）</p><p>　　圖11 支座節(jié)點（單位：mm）</p><p>　　屋架支撐與鋼筋混凝土柱上，混凝土強度為C20，=10為便于施焊，取下弦軸線至支座底板上表面的距離為160mm，并設置圖12所示加勁肋。下弦桿端與節(jié)點板的焊縫取肢背和肢尖的焊縫尺寸分別為=6mm和=4mm，則所需焊縫長度為：</p&g

49、t;<p><b>　　肢背：</b></p><p><b>　　故取220mm。</b></p><p><b>　　肢尖 </b></p><p>　　故按構造取160mm。</p><p>　　上弦桿端與節(jié)點板的焊縫，由于焊縫長度較大，可不必計算，按構造

50、要求即可。</p><p>　　(1)支座底板計算。</p><p><b>　　支座反力為</b></p><p>　　R=6F=6×29.3=175.8</p><p>　　支座底板尺寸取a×b=250mm×250mm,采用M22錨栓，并用圖示U形缺口。柱頂混凝土的壓應力為：</p

51、><p><b>　　=</b></p><p>　　底板的厚度按屋架反力作用下的彎矩計算。支座節(jié)點板和加勁肋將支座底板分成四塊，每塊板均為兩相鄰邊固定支撐而另兩相鄰邊自由的板。</p><p>　　兩支撐邊之間的對角線長度為：</p><p><b>　　==170mm</b></p>

52、<p>　　兩支撐邊之間的交點到對角線的垂直距離為：</p><p><b>　　=／2=85mm</b></p><p>　?。?85／170=0.5，查表得=0.058，則</p><p>　　M==0.058×3.06×170×170=5129</p><p>　　底板所需厚

53、度（按厚度t在16~40范圍取值）：</p><p><b>　　t==12.3mm</b></p><p><b>　　故取t=20mm</b></p><p>　　(2)加勁肋與節(jié)點板的連接焊縫</p><p>　　加勁肋與節(jié)點板的連接焊縫計算與牛腿焊縫相似，如圖12所示。</p>

54、<p>　　圖12 加勁肋計算簡圖（單位：mm）</p><p>　　假定一塊加勁肋的受力為屋架支座反力的1／4，即</p><p>　　V=R／4==43.95</p><p><b>　　M==</b></p><p>　　加勁肋厚度采用10mm，焊腳尺寸取6mm，焊縫計算長度為=320-15×

55、2=290mm</p><p><b>　　則焊縫應力為：</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　=25.7＜=160</p><p>　　加勁肋、節(jié)點板與支座底板的連接焊縫。圖12所

56、示切口寬度為15mm，兩條節(jié)點板和四條加勁肋焊縫的總長度為:</p><p>　　=2（250-10）+4（125-5-15-10）=860mm</p><p>　　===22.3＜=160</p><p><b>　　故滿足要求。</b></p><p>　　其余各節(jié)點的計算過程從略。 </p><

57、p><b>　　4 結果與結論</b></p><p>　　從老師布置鋼屋架設計作業(yè)，經(jīng)過了數(shù)天的計算和相互交流，我門從中學到了許多，首先鋼屋架的設計應用到了數(shù)多我們學過的知識，通過這次課程設計，我們不僅鞏固已經(jīng)學過的知識點，也深刻的體味到了知識點在實際設計的運用。</p><p><b>　　5 收獲與致謝</b></p>

58、<p><b>　　5.1 收獲</b></p><p>　　通過這次鋼結構的課程設計我收獲了很多，首先是桿件截面的選擇計算和驗算，然后是屋面節(jié)點的選擇，從各種意義上課程設計讓我們對鋼屋架的設計有了更深層次的認識和理解；還有就是這次課程設計使我更加明白了互相交流的重要性，我深深地感到通過互相認真的交流，我們拓寬了思路，學到了實用的知識，獲益良多。</p><p&

59、gt;<b>　　5.2 致謝</b></p><p>　　本次課程設計陳老師和許多同學給了我積極熱情的幫助，在此我對幫助我的同學和老師表示衷心的謝意</p><p><b>　　6 參考文獻</b></p><p>　　[1]張耀春主編.鋼結構設計原理[M].北京：高等教育出版社，2004.8 </p>&

60、lt;p>　　[2]戴國欣主編.鋼結構（第3版）[M].武漢：武漢理工大學出版社，2011.1.</p><p>　　[3]唐岱新主編.高等學校建筑工程專業(yè)課程設計指導[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.6.</p><p>　　[4]周俐俐，姚勇等編著.土木工程專業(yè) 鋼結構課程設計指南[M]. 北京：中國水利水電出版社，知識產(chǎn)權出版社，2007.5.</p>