鋼結構課程設計
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2023年 1 月 2 日
目錄一、設計資料 1
二、結構形式及支撐布置 2
三、荷載計算 4
四、內力計算 5
五、桿件設計 6
六、節點設計 10
七、參考資料 17
八、附表一 18
九、附表二 19
一、設計資料
1、 某車間跨度為27m,廠房總長度150m,柱距6m,屋面坡度:1:10,屋面材料:
預應力大型屋面板,**設防烈度為6度,屋架下弦標高為12.5m;採用1.5×6 m預應力鋼筋混凝土大型屋面板,ⅱ級防水,卷材屋面,屋架採用梯形鋼桁架,兩端鉸支在鋼筋混凝土柱上,混凝土柱上柱截面尺寸為400×400mm,混凝土強度等級為c25,屋架採用的鋼材為q235b鋼,焊條為e43型。
屋架形式
荷載(標準值)
永久荷載:
改性瀝青防水層0.35kn/m2
20厚1:2.5水泥砂漿找平層0.4kn/m2
100厚泡沫混凝土保溫層0.6kn/m2
預應力混凝土大型屋面板(包括灌縫) 1.4kn/m2
屋架和支撐自重為0.120+0.011l)kn/m2
可變荷載
基本風壓0.35kn/m2
基本雪壓:(不與活荷載同時考慮0.30kn/m2
積灰荷載0.75kn/m2
不上人屋面活荷載0.7kn/m2
二、結構形式及支撐布置
桁架的形式及幾何尺寸如下圖2.1所示
圖2.1 桁架形式及幾何尺寸
桁架支撐布置如圖2.2所示
圖2.2 桁架支撐布置
符號說明:sc:上弦支撐; xc:下弦支撐; cc:垂直支撐
gg:剛性系杆; lg:柔性系杆
三、荷載計算
屋面活荷載與雪荷載不會同時出現,從資料可知屋面活荷載大於雪荷載,故取屋面活荷載計算。由於風荷載為0.35kn/m2 小於0.
49kn/m2,故不考慮風荷載的影響。沿屋面分布的永久荷載乘以換算為沿水平投影面分布的荷載。桁架沿水平投影面積分布的自重(包括支撐)按經驗公式(=0.
12+0.011跨度)計算,跨度單位為m。
標準永久荷載:
改性瀝青防水層1.004x0.35=0.351kn/m2
20厚1:2.5水泥砂漿找平層1.004x 0.4=0.402kn/m2
100厚泡沫混凝土保溫層1.004x 0.6=0.602kn/m2
預應力混凝土大型屋面板(包括灌縫) 1.004x 1.4=1.406kn/m2
屋架和支撐自重為0.120+0.011x24=0.384kn/m2
共 3.145kn/m2
標準可變荷載:
屋面活荷載0.7kn/m2
積灰荷載0.75kn/m2
共 1.45kn/m2
考慮以下三種荷載組合
1 全跨永久荷載+全跨可變荷載
2 全跨永久荷載+半跨可變荷載
3 全跨桁架、天窗架和支撐自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載
(1)全跨永久荷載+全跨可變荷載(按永久荷載效應控制的組合)
全跨節點荷載設計值:
(2)全跨永久荷載+半跨可變荷載
全跨永久荷載設計值:
對結構不利時:
(按永久荷載效應控制的組合)
(按可變荷載效應控制的組合)
對結構有利時:
半跨可變荷載設計值:
(3)全跨桁架包括支撐自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載(按可變荷載效應控制的組合)
全跨節點桁架自重設計值:
對結構不利時:
對結構有利時:
半跨節點屋面板自重及活荷載設計值:
四、內力計算
荷載組合(1)計算簡圖如圖4.1,荷載組合(2)計算簡圖如圖4.2,荷載組合(3)計算簡圖如圖4.3.
圖 4.1 荷載組合(1)
圖 4.2 荷載組合(2)
圖 4.3 荷載組合4.3
由電算先解得f=1的桁架各桿件的內力係數(f=1作用於全跨、走半跨和右
半跨)。然後求出各種荷載情況下的內力進行組合,計算結果見附表1
五、桿件設計
(1)上弦杆
整個上弦杆採用等截面,按fg、gh桿件的最大設計內力設計。
n=788.27kn=788270n
上弦杆計算長度:
在桁架平面內,為節間軸線長度:
在桁架平面外,根據支撐布置和內力變化情況,取:
因為=3,故宜選用兩個不等肢角鋼,短肢相並。
腹杆最大內力n=470.35kn節點板厚度選用10mm,支座節點板厚度用12mm
設=60,選用角鋼,為b類截面,查表得。
需要截面積:
需要的迴轉半徑:
根據需要的a、、查角鋼規格表,選用2∟140×90×10,, =2.85cm, =7.70cm,,按所選角鋼進行驗算:
∵>∴截面和介面都為b類截面,由於>,只需要求。查表的=0.806。
< 故所選截面合適。
(2)下弦杆
整個下弦杆採用同一截面,按最大內力設計值設計。
n=779070n
平面內的計算程度和平面外的計算長度分別為:
, 所需截面面積:
選用2∟,, =2.56cm, =6.77cm,由於,故用不等肢角鋼短肢相並
<考慮到下弦有的栓孔削弱,下弦淨截面面積:
<所選截面合適。
(3)端斜桿ab
桿件軸力n=470.35kn=470350n
計算長度,因為,故採用不等值角鋼長肢相並。使設=60,查表得。
選用2∟,,,,按所選角鋼進行驗算:
∵<∴截面和介面都為b類截面,由於>,只需要求。查表的=0.683。
<故所選截面合適。
(4)腹杆he
最大拉力21.46kn
最大壓力97.75kn
按最大壓力進行計算,設計計算值為97.75kn。
由於節點板的嵌固作用,桁架平面內的計算長度取,節點板在桁架平面外的剛度很小,故桁架平面外的計算長度仍取節間距離,即。
設=60,查表得
,,選用等肢角鋼,
2∟,,,,按所選角鋼進行驗算:<∵<
∴< 截面和介面都為b類截面,由於>,只需要求。查表的=0.433。
<由於腹杆壓力大於拉力,故可不比驗算拉應力。
故所選截面合適。
(5)腹杆bb
腹杆拉力設計值為n=357.85kn
選用2∟組成梯形截面,,,,按所選截面進行驗算:
平面內的計算長度和平面外的計算長度分別為,,
<,<>
故所選截面合適。
(6)豎桿ie
豎桿拉力設計值n=144.39kn
選用2∟組成十字形截面,,,,按所選截面進行驗算:
平面內的計算長度和平面外的計算長度分別為,,
<,<>
故所選截面合適。
其他腹杆:豎桿aa、cb、ec、gd選用2∟組成的十字形截面,腹杆db選用2∟短肢相並,腹杆dc、fd、hd選用2∟組成的梯形截面,腹杆fc選用2∟組成的梯形截面。經驗算,所選截面都能滿足要求。
各桿件的截面的選擇見附表2
六、節點設計
(1)下弦節點「b」
有e43型焊條角焊縫的抗拉、抗壓、和抗剪強度設計值。設「bb」杆的肢背和肢尖焊縫,則所需的焊縫長度為:
肢背:,加後取16cm
肢尖:,加後取10cm
設「db」杆的肢背和肢尖焊縫尺寸分別為,所需的焊縫長度為:
肢背:,加後取14cm
肢尖:,加後取7cm
「cb」杆的內力很小,只需要按構造確定焊縫,取。
根據上面求得的焊縫長度,並考慮桿件之間應有的間隙以及製作和裝備等誤差,按比例繪出節點詳圖,從而確定節點板的尺寸為310mm400mm。
下弦與節點板的連線的焊縫長度為400mm,。焊縫所受的左右兩下弦杆的內力差為,肢背的力最大,取肢背進行計算,則肢背處的焊縫應力為:
< 焊縫強度滿足要求。
(2)上弦節點b
「bb」杆與節點板的焊縫尺寸和節點「b」相同。
「ba」杆的肢背和肢尖的焊縫尺寸分別為,所需的焊縫長度為:
肢背:,加後取16cm
肢尖:,加後取11cm
考慮焊縫長度,同時為了在上弦擱置屋面板,節點板的上邊緣可縮排上弦肢背8mm,選擇節點板尺寸為295mm480mm。用槽焊縫把上弦角鋼和節點板連線起來。驗算上弦杆的焊縫:
忽略桁架上弦坡度的影響,假定集中荷載f與上弦杆垂直。上弦肢背承受集中荷載,肢尖承受左右弦杆的內力差。
槽焊縫的計算焊角尺寸為, =8mm
由節點板的長度確定槽焊縫的長度為480mm,
上弦肢尖角焊縫的剪應力為:
故焊縫強度滿足要求。
(3)下弦節點「c」
設「dc」杆的肢背和肢尖焊縫,則所需的焊縫長度為:
肢背:,加後取11cm
肢尖:,加後取6cm
設「fc」杆的肢背和肢尖焊縫尺寸分別為,所需的焊縫長度為:
肢背:,加後取8cm
肢尖:,由於焊縫計算長度不得小於和40mm,肢尖焊縫長度取6cm。
「cb」杆的內力很小,只需要按構造確定焊縫,取。
節點板取265mm315mm,取,下弦杆與節點板的焊縫長度為315mm,焊縫受左右弦杆的內力差為,受力較大的肢背處的剪應力為:
<焊縫強度滿足要求。
(4)下弦節點「d」
設「fd」杆的肢背和肢尖焊縫,則所需的焊縫長度為:
肢背: <,計算長度取48mm,加後取7cm
肢尖: <,計算長度取48mm,加後取6cm
設「hd」杆的肢背和肢尖焊縫尺寸分別為,所需的焊縫長度為:
肢背: <,計算長度取48mm,加後取7cm
肢尖: <,計算長度取48mm,加後取6cm。
「cb」杆的內力為52890n,。
肢背: <,焊縫長度取6cm,肢尖的力比肢背的小,肢尖焊縫長度取6cm。
節點板取255mm285mm,由於d點左右兩端的拉力值相差不大,可只按構造確定其焊角尺寸為。
(5)下弦節點「e」
腹杆「eh」計算內力為97.75kn,,肢背的焊縫長度為:
,加後取7cm
肢尖: <48mm,取焊縫長度為6cm。節點板取325mm270mm。驗算下弦節點板的焊縫。
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