鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計--鋼屋架設(shè)計

1、<p>　　課 程 設(shè) 計 說 明 書</p><p>　　課程名稱： 鋼 結(jié) 構(gòu) </p><p>　　設(shè)計題目： 鋼屋架設(shè)計 </p><p>　　院 系： 土木與建筑工程學院 </p><p>　　2012年12月16日</p><p>　　課 程 設(shè) 計 任

2、務(wù) 書</p><p>　　三角形鋼屋架課程設(shè)計</p><p>　　摘 要：本次課程設(shè)計以三角形鋼屋架為材料背景,以完成屋架設(shè)計為任務(wù)，先進行屋架檁條設(shè)計和支撐布置,然后通過荷載組合和內(nèi)力計算,從而完成桿件截面選擇,進一步實現(xiàn)節(jié)點設(shè)計,最后做出施工圖。該課程設(shè)計是在鋼結(jié)構(gòu)廠房屋架的理解的基礎(chǔ)上，通過對有檁體系的三角形屋架的設(shè)計，系統(tǒng)的明確了結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，以及繪制施工圖應(yīng)掌握的技巧和方

3、法，涉及的專業(yè)基礎(chǔ)知識有：鋼結(jié)構(gòu)中的軸心受壓和受拉截面的強設(shè)計，強度和穩(wěn)定性驗算，焊縫和螺栓的連接，理論力學計算桁架內(nèi)力，以及AUTOCAD制圖。從課程設(shè)計中，培養(yǎng)設(shè)計從業(yè)人員應(yīng)有的理論和素質(zhì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：三角形 屋架 檁條 支撐 內(nèi)力計算 截面設(shè)計 節(jié)點 </p><p><b>　　目 錄</b></p>&

4、lt;p>　　1 設(shè)計背景……………………………………………………………1 </p><p>　　1.1 設(shè)計資料………………………………………………………..... 1 </p><p>　　1.2 屋架形式…………………………………………………………. 1 </p><p>　　2 設(shè)計方案…………………………………………………………… 2 </p&

5、gt;<p>　　2.1 檁條設(shè)計………………………………………………………..... 2</p><p>　　2.2 屋架支撐…………………………………………………………. 3 </p><p>　　3 方案實施…………………………………………………………… 4</p><p>　　3.1 荷載與內(nèi)力計算………………………………………………….4 &

6、lt;/p><p>　　3.2 桿件截面設(shè)計…………………………………………………….6</p><p>　　3.3 節(jié)點設(shè)計………………………………………………………….10</p><p>　　4 結(jié)果與結(jié)論………………………………………………………....15</p><p>　　4.1結(jié)果.........................

7、........................................................................15</p><p>　　4.2結(jié)論.................................................................................................15</p><p&g

8、t;　　5 收獲與致謝…………………………………………………………16</p><p>　　5.1 收獲……………………………………………………………….16</p><p>　　5.2 致謝………………………………………………………………16</p><p>　　6 參考文獻……………………………………………………………17</p><p>

9、;<b>　　7 附件18</b></p><p><b>　　1 設(shè)計背景</b></p><p><b>　　設(shè)計資料</b></p><p><b>　　1.建筑物基本條件</b></p><p>　　廠房長度90m，檐口高度15m。廠房為單層單跨結(jié)

10、構(gòu)，內(nèi)設(shè)有兩臺中級工作制橋式吊車。</p><p>　　擬設(shè)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,鋼材用Q235B級,采用E43型焊條。柱頂截面尺寸為400mm。鋼屋架設(shè)計可不考慮抗震設(shè)防。</p><p><b>　　廠房柱距選擇：6m</b></p><p><b>　　三角形鋼屋架(b)</b>

11、</p><p>　　屬有檁體系：檁條采用槽鋼，跨度為6m，跨中設(shè)有一根拉條φ10。</p><p>　　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

12、溫木絲板重 0.25 kN/m2 </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 0.4kN/m2</p><p>　　屋面活荷載 0.40 kN/m2</p><p>　　積灰荷載

13、0.30 kN/m2 </p><p>　　注：1、以上數(shù)值均為水平投影值；</p><p><b>　　1.2 屋架形式</b></p><p>　　屋架計算跨度：=－300=24000－300=23700mm</p><p><b>　　屋面傾角： </b></p><

14、p><b>　　屋架跨中的高度為：</b></p><p><b>　　上弦長度：</b></p><p><b>　　節(jié)間長度：mm</b></p><p><b>　　圖1</b></p><p><b>　　2 設(shè)計方案 </b

15、></p><p><b>　　2.1 檁條設(shè)計</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1），檁距為節(jié)間長度。根據(jù)檁條跨度為6m,則在檁條的跨中設(shè)置一道拉條。</p><p>　　選用[18a槽鋼截面，由附表8.7查得，WX=141.4cm3,Wy=20cm3,Ix=1272.7cm4。&l

16、t;/p><p><b>　　荷載計算</b></p><p>　　永久荷載（水平投影面上）：</p><p>　　波形石棉瓦自重 0.2KN/m2</p><p>　　檁條及拉條自重 0.2KN/m2</p><p>

17、;　　保溫木絲板自重 0.25KN/m2</p><p><b>　　永久荷載標準值,。</b></p><p>　　可變荷載（水平投影面上）：</p><p>　　雪荷載0.4KN/m2,與屋面活荷載相等，不考慮其同時作用，兩者取其一，</p><p>　　積灰荷載0.3KN/

18、m2,則，。</p><p>　　因屋面為輕荷載，考慮以可變荷載效應(yīng)控制的組合，由此可得</p><p><b>　　,</b></p><p><b>　　,</b></p><p><b>　　2，強度驗算</b></p><p>　　彎矩設(shè)計值（見

19、下圖）：</p><p><b>　　==</b></p><p>　　檁條的最大應(yīng)力位于槽鋼下翼緣的肢尖處，</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　3，剛度驗算</b></p><p>　　中間位置設(shè)有拉條，只需驗算垂直屋

20、面方向的撓度。</p><p>　　屋面線荷載標準值為，</p><p><b>　　則，</b></p><p>　　因有拉條，不必驗算整體穩(wěn)定性，故選[18a槽鋼能滿足要求。</p><p><b>　　2.2屋架支撐</b></p><p>　　根據(jù)廠房總長度90m,跨

21、度為24m,有中級工作制橋式轎車及第一開間尺寸5.5m等因素，可在廠房兩端的第二開間設(shè)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(shè)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(shè)系桿，在下弦跨中央設(shè)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(shè)置三道剛性系桿（見圖3）。

22、 符號說明：SC-上弦支撐，XC-下弦支撐，CC-垂直支撐，</p><p>　　GG-剛性系桿，LG-柔性系桿 </p><p>　　圖3 屋架支撐布置（單位;mm）</p><p>　　（a）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

23、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）</p><p>　　波形石棉瓦自重 0.2KN/m2</p><p>　　檁條及拉條自重 0.2KN/m2</p><p&

24、gt;　　保溫木絲板自重 0.25KN/m2</p><p>　　鋼屋架及支撐重 </p><p>　　2，可變荷載（水平投影面）</p><p>　　雪荷載等于屋面活荷載，兩者取其一，取值為0.4KN/m2,</p><p>　　積灰荷載為0.3KN/m2,即得</p>&l

25、t;p>　　3，屋架上弦檁條處的集中荷載</p><p>　　荷載設(shè)計值由可變荷載效應(yīng)控制的組合為</p><p>　　4，屋架桿件內(nèi)力計算</p><p>　　芬克式屋架在半跨活荷載作用下，腹桿內(nèi)力不會變號，故只需按全跨永久荷載與全跨可變荷載組合計算屋架桿件的內(nèi)力。</p><p>　　屋架內(nèi)力計算可由結(jié)構(gòu)力學求解器求得桿件內(nèi)力系數(shù)，

26、再乘以節(jié)點荷載即得桿件內(nèi)力，如下表所示</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　3.2 桿件截面設(shè)計</p><p><b>　　1,上弦桿</b></p><p>　　整個上弦采用等截面,按AB桿件的最大設(shè)計內(nèi)力設(shè)計N=-381.8KN,</p><p&g

27、t;　　上弦桿計算長度:在桁架平面內(nèi), =255.3cm;</p><p>　　在平面外，設(shè)檁條與支撐的交叉點不相連，則。</p><p>　　由，取截面為兩個短肢相并的不等肢角鋼查表9.6.4，節(jié)點板厚度選10mm,支座節(jié)點板厚度選用12mm（如下圖5所示）</p><p><b>　　圖5上弦截面</b></p><p&

28、gt;　　設(shè)，查附錄4.2，得，需要的截面積：，</p><p>　　，，根據(jù)需要的A, ，。由直角鋼規(guī)格表（附錄8.4），選用2∟140×90×10，A=44.52,=2.561cm, =6.77cm，</p><p>　　=14<=0.56×765.9/16=26.8,</p><p>　　取==113.13<[]=15

29、0,</p><p>　　截面在x和y平面屬于b類，>,取==113.13，得=0.475，</p><p><b>　　則整體穩(wěn)定性：</b></p><p>　　，滿足要求，故所選截面滿足要求。</p><p><b>　　2，下弦桿</b></p><p><

30、;b>　　圖6下弦截面</b></p><p>　　整個下弦也采用同一截面，按最大設(shè)計值計算，,,因屋架下弦在跨中央設(shè)有一道通長的系桿,因此取。</p><p><b>　　則</b></p><p>　　選用2∟90×56×6短肢相連的T形截面，由型鋼表查得，A==17.11,</p>&l

31、t;p><b>　　驗算強度和剛度：</b></p><p><b>　　，，</b></p><p><b>　　故所選截面合適。</b></p><p><b>　　3，腹桿bk，F(xiàn)k</b></p><p>　　此桿在k節(jié)點處不斷開，采用通長桿

32、件，由題意可知，=343.7cm，=3437×2=687.4cm。</p><p>　　由于NF桿受力較大，取。</p><p>　　由附錄8，選用2∟56×4的等邊角鋼組成的T形截面，查得</p><p>　　A=An=8.78cm2, ，</p><p>　　以下驗算強度和長細比:</p><p&g

33、t;　　因此所選的2∟56×4的角鋼滿足要求。</p><p><b>　　4，腹桿Cj,Dj</b></p><p>　　因兩桿受力較小，故選用單角鋼截面，采用單面連接。按最大設(shè)計內(nèi)力設(shè)計</p><p><b>　　.</b></p><p>　　由附表8.1，可選用∟100×

34、;6等角角鋼，由此可知</p><p>　　滿足要求，故所選截面滿足要求。</p><p><b>　　4，豎桿Fm</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， </p><p>　　故滿足要求。其余截面桿件選擇見下表</p>&l

35、t;p><b>　　3.3 節(jié)點設(shè)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>　　1，屋脊節(jié)點</b></p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　腹桿

36、Fk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均為4mm, 則桿端所需的焊縫長度分別為</p><p><b>　　肢背 </b></p><p>　　肢尖 ,取60mm</p><p>　　拼接角鋼采用與上弦桿等截面，肢背處削棱，取，豎肢切去V=t+hf+5=23mm，并將豎肢切口后經(jīng)熱彎成型用對接焊縫焊接。拼接接頭

37、一側(cè)所需的焊縫計算長度為==,</p><p><b>　　拼接角鋼的總長度</b></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=94.2mm）。</p><p>　　設(shè)肢尖焊縫焊腳尺寸hf=8mm，節(jié)點板總長度為660m

38、m，則節(jié)點一側(cè)弦桿焊縫的計算長度為=（660／2）／-20-16＝（660/2）/0.9285－20－16=319mm，取320mm,焊縫應(yīng)力應(yīng)為</p><p><b>　　===14，</b></p><p><b>　　===24.8</b></p><p>　　==24.7＜=160</p><

39、p>　　由以上計算結(jié)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(gòu)造進行滿焊，不必計算。</p><p><b>　　2，下弦拼接點</b></p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　屋架跨度24m超過運輸界限，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(shè)置工地拼接

40、。腹桿桿端與節(jié)點板的焊縫連接按Bh和Ch中最大內(nèi)力計算。設(shè)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肢背：</p><p><b>　　故取70mm。</b></p><p><b>　　肢尖：</b></p><p>　　故按構(gòu)造取40mm。</p><p>　　弦桿與節(jié)點板的連接焊縫按

41、弦桿內(nèi)力與的內(nèi)力差計算，因為內(nèi)力差較小，按構(gòu)造滿焊即可滿足要求，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=17mm。按拼接焊縫與桿件等強度原則，接頭一側(cè)所需的焊縫計算長度為</p><p><b>　　= </b></p><p>　　拼接角鋼所需總長度為=2（+10）+10=2（140+1

42、0）+10=310mm</p><p><b>　　3，上弦節(jié)點</b></p><p><b>　　圖9</b></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>　　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8mm，

43、</p><p>　　=t／2=5mm，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><b>　　=-=31.8</b></p><p>　　偏心距e=95mm，且節(jié)點板長度較大，故可不作計算，按構(gòu)造要求布置焊縫進行滿焊即可滿足條件。</p><p><b&g

44、t;　　4,支座節(jié)點</b></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(shè)置圖12所示加勁肋。</p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　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

45、：</p><p>　　肢背：=+12= +12=+12=210mm</p><p><b>　　故取210mm。</b></p><p>　　肢尖：=+8= +8=+8=107mm</p><p>　　故按構(gòu)造取110mm。</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

46、算，按構(gòu)造要求即可。</p><p>　　(1)支座底板計算。</p><p><b>　　支座反力為</b></p><p>　　R=5F=5×31.5=157.5</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，</p>

47、<p>　　柱頂混凝土的抗壓強度為：</p><p>　　===2.5＜=10</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<

48、;/b></p><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，</p><p>　　M==0.058×2.5×170×170=4190.5</p>

49、;<p>　　底板所需厚度（按厚度t在16-40范圍取值）：</p><p><b>　　t==11.1mm</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

50、，如圖12所示。</p><p><b>　　圖10</b></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==39.4</p><p><b>　　M===236.4</b></p><p>　　加勁肋厚度采用10mm，焊

51、腳尺寸取6mm，焊縫計算長度為=180-6×2-15=153mm</p><p><b>　　則焊縫應(yīng)力為：</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　=66.6＜=160</p><

52、;p>　　加勁肋、節(jié)點板與支座底板的連接焊縫。圖12所示切口寬度為15mm，兩條節(jié)點板和四條加勁肋焊縫的總長度為:</p><p>　　=2（250-12）+4（125-6-15-12）=868mm</p><p>　　===35.7＜=160</p><p><b>　　故滿足要求。</b></p><p>　　

53、其余各節(jié)點的計算過程從略。</p><p><b>　　4 結(jié)果與結(jié)論</b></p><p><b>　　4,1結(jié)果</b></p><p>　　該三角形屋架采用不連接垂直支撐的WJ1屋架,上弦下弦采用橫向支撐,無水平縱向支撐,跨中1/3處分別設(shè)有兩道垂直支撐,檁條采用[18a號槽鋼，檁條之間設(shè)有一道拉條，桿件截面選擇根

54、據(jù)軸心受壓和受拉桿件的強度、剛度、整體穩(wěn)定性，節(jié)點連接采用焊縫連接，鋼材選用Q235B,E43型焊條，支座節(jié)點設(shè)計按鉸接計算。施工圖繪制中屋架索引圖比例取1:100，正面圖用1:20的比例，上下弦桿俯視圖比例采用1:10。 </p><p><b>　　4,2結(jié)論</b></p><p>　　本次課程設(shè)計通過一周的時間設(shè)計

55、了三角形鋼屋架的檁條、支撐、內(nèi)力計算以及截面設(shè)計和節(jié)點設(shè)計，最終繪制出了施工圖，然后進行施工圖和計算書校核，從中得出的結(jié)論是：工作要按部就班，態(tài)度要端正，做事要認真。</p><p><b>　　5 收獲與致謝</b></p><p><b>　　5.1 收獲</b></p><p>　　這一周課程設(shè)計從時間上來說挺緊的，

56、特別是畫施工圖，由于對制圖軟件的不熟悉，致使我開始浪費了很長時間學CAD,從這次課程設(shè)計中我也看到了制圖軟件的重要性，以前學習只學習課本上的知識，忽略了對CAD和天正的學習，開始在計算書上沒有花太多時間，但是到繪制施工圖的時候，發(fā)現(xiàn)自己速度太慢，因此，以后我會加強對繪圖軟件的學習。還有就是覺得在畫圖和計算過程中態(tài)度一定要認真，不能有絲毫馬虎，對每一個過程和環(huán)節(jié)都要認真分析，仔細畫圖。</p><p><b&

57、gt;　　5.2 致謝</b></p><p>　　首先，這次課程設(shè)計我要先感謝我們鋼結(jié)構(gòu)老師給我們這次機會，再次，我要感謝付老師對我們的細心指導，給我們釋難解疑，以及最終幫助我們完成本次課程設(shè)計。由于時間緊迫，計算書和施工圖中有疏漏之處，還望老師給予批評和指導。</p><p><b>　　6 參考文獻</b></p><p>　

58、　[1]戴國欣主編.鋼結(jié)構(gòu)（第3版）[M].武漢：武漢理工大學出版社，2011.1.</p><p>　　[2]張耀春主編.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：高等教育出版社，2004.8.</p><p>　　[3]唐岱新，孫偉民主編.高等學校建筑工程專業(yè)課程設(shè)計指導[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.6.</p><p>　　[4]陳志華編著.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[

59、M]. 天津：天津大學出版社，2004.3.</p><p>　　[5]周俐俐，姚勇等編著.土木工程專業(yè) 鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計指南[M]. 北京：中國水利水電出版社，知識產(chǎn)權(quán)出版社，2007.5.</p><p>　　[6]陳紹蕃主編.房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.1.</p><p><b>　　7. 附件</b>