钢结构计算手册

精心整理精心整理精心整理 钢结构课程设计 计算书 设计题目：18m三角形芬克式角钢焊接屋架院系：土木工程学院专业：城市地下空间工程年级：2014级姓名：黄超07指导教师：张惠华华侨大学土木工程学院2017年7月4日目录1、概述------------------------------------------------------------------------11.1、设计题目---------------------------------------------------------------11.2、设计要求---------------------------------------------------------------11.3、设计依据---------------------------------------------------------------11.4、设计任务---------------------------------------------------------------21.5、需提交的设计文件-------------------------------------------------------2二、屋盖支撑布置----------------------------------------------------------------22.1上弦横向水平支撑---------------------------------------------------------22.2下弦支撑-----------------------------------------------------------------32.3垂直支撑-----------------------------------------------------------------3三、节点荷载计算-----------------------------------------------------------------33.1永久荷载------------------------------------------------------------------33.2可变荷载------------------------------------------------------------------33.3风荷载--------------------------------------------------------------------4四、杆件内力计算及内力组合--------------------------------------------------------4五、杆件截面选择及验算------------------------------------------------------------55.1上弦杆---------------------------------------------------------------------65.2.下弦杆---------------------------------------------------------------------75.3.腹杆-----------------------------------------------------------------------75.4屋架杆件截面表-------------------------------------------------------------7六、节点设计-----------------------------------------------------------------------86.1支座节点--------------------------------------------------------------------86.2.一般节点--------------------------------------------------------------------106.3.屋脊节点--------------------------------------------------------------------12七、总结----------------------------------------------------------------------------14八、附录----------------------------------------------------------------------------158.1参考资料----------------------------------------------------------------------158.2节点图------------------------------------------------------------------------15一、概述1.1、设计题目18m三角形芬克式角钢焊接屋架1.2、设计要求（1）掌握钢屋盖支撑系统的布置原则和方法；（2）掌握钢桁架的内力计算方法及内力组合；（3）掌握杆件的设计；（4）掌握节点构造原则和节点设计；（5）熟悉吊装单元的划分；（6）掌握钢屋架施工图的绘制及材料表的编制；（7）掌握设计计算书的编写方法。1.3、设计依据某单层轻型工业厂房，平面尺寸18m×90m,柱距6m，檐口高度6m，屋架采用角钢焊接组成的三角形桁架，桁架跨度18m，屋面坡度i=1/3。屋面构造：0.6厚波形彩钢板＋60厚玻纤棉＋0.5厚波形彩钢板，檩条为冷弯薄壁C型钢，檩条斜距1.555m，屋架无吊车悬挂荷载。屋面防水等级二级，采用2mm金属屋面专用高分子涂料；耐火等级二级，采用超薄膨胀型钢结构防火涂料。屋架支承在钢筋混凝土柱上，混凝土的强度等级为C30，屋架与柱铰接，柱截面尺寸为400mm×600mm。使用环境最低温度为-5°C，地震烈度为7°，屋架轴线图及杆件内力图见下图。1.4、设计任务（1）屋盖支撑系统布置；（2）屋架杆件内力计算及内力组合；（3）屋架杆件截面选择及验算；（4）屋架节点设计及计算；（5）施工图绘制；（6）编制计算书；（7）计算用钢量及用钢指标。（8）写总结。1.5、需提交的设计文件（1）一本计算书内容包括：设计依据，支撑系统布置，杆件内力计算及内力组合；材料选择，连接方法和杆端焊缝计算；杆件截面选择及验算过程；节点设计及验算，计算书中应附节点计算简图。（2）1#图纸一张内容包括：简要工程说明（设计依据、材料选择、焊缝焊接方法与检验方法，防腐、防火要求，注意事项等）；桁架几何尺寸及杆件最大内力；一个运输单元的施工图（包括桁架正视图，上弦和下弦俯视图,屋脊处屋架侧视图,支座底板节点详图及其它节点大样详图2个以上）；材料表（含计算1榀桁架的用钢量）。二、屋盖支撑布置2.1上弦横向水平支撑厂房长度为90m，所以上弦横向水平支撑设置在房屋两端及中间处，在其余开间屋架下弦每隔3.10米设置一道通长的系杆，檩条不做侧向支撑。上弦水平支撑图中加粗杆为刚性系杆，其余为柔性系杆。2.2下弦支撑在未设置横向水平支撑的其余开间屋架下弦跨中设置一道通长的水平系杆。2.3垂直支撑在设置横向水平支撑的开间屋架跨中设置垂直支撑三、节点荷载计算3.1.永久荷载标准值屋面恒载及檩条自重（沿屋面分布）0.20kN/m2钢屋架及支撑等自重（沿水平面投影）0.40kN/m20.16+0.40=0.56kN/m23.2.可变荷载屋面活荷载（沿水平面投影）0.50kN/m2 节点荷载 节点荷载P（KN）（标准值） 计算式 恒载 6.718 P=1.2×0.56×1.555×6=6.718KN 活荷载 6.196 P=1.4×0.5×1.555×3/×6=6.196KN 恒载+活荷载 12.914 6.718+6.196=12.914KN上弦节点荷载·上弦节点荷载和杆件编号3.2风荷载基本风压（地面粗糙度为B类）0.7kN/m2风荷载体型系数背风面：=-0.5迎风面：=-0.47≈-0.5上弦节点风荷载（标准值）w=(-0.5)×0.7×1.555×6=-4.572KN①②四、杆件内力计算及内力组合 恒载及活载 半跨活载 风荷载 内力组合（kN） 杆 杆 内力系数 恒载内力（kN） 活载内力（kN） 内力系数 半跨活载内力（kN） 内力系数 风荷载内力（kN） 恒载+活载 恒载+半跨活荷载 恒载+风荷载 件 件 名 编 称 号 1 2 3 4 5 6 7 2+3 2+5 2+7 上弦杆 1 -17.39 -116.83 -107.75 -12.65 -78.43 16.55 75.67 -224.58 -195.26 -41.16 2 -16.13 -108.36 -99.94 -11.40 -70.68 15.50 70.87 -208.30 -179.04 -37.49 3 -16.76 -112.59 -103.84 -12.05 -74.71 16.55 75.67 -216.43 -187.30 -36.92 4 -16.44 -110.44 -101.86 -11.70 -72.54 16.55 75.67 -212.3 -182.98 -34.77 5 -15.18 -101.98 -94.06 -10.45 -64.79 15.50 70.87 -196.04 -166.77 -31.11 6 -15.81 -106.21 -97.96 -11.10 -68.82 16.55 75.67 -204.17 -175.03 -30.54 下弦杆 7 16.50 110.85 102.23 12.00 74.40 -17.34 -79.28 213.08 185.25 31.57 8 13.50 90.69 83.65 9.00 55.80 -14.32 -65.47 174.3 146.5 25.22 9 9.00 60.46 55.76 4.50 27.90 -9.48 -43.34 116.22 88.36 17.12 腹杆 10 -1.34 -9.00 -8.30 -1.34 -8.31 1.41 6.45 -17.30 -17.31 -2.55 11 -2.85 -19.15 -17.66 -2.58 -16.00 3.00 13.72 -36.81 -35.15 -5,43 12 3.00 20.15 18.59 3.00 18.60 -3.16 -14.45 38.74 38.75 5.70 13 4.50 30.23 27.88 4.50 27.90 -4.47 -20.44 58.11 58.13 9.79 14 7.50 50.39 46.47 7.50 46.50 -7.90 -36.12 96.85 96.89 14.27 15 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00五、杆件截面选择及验算5.1上弦杆杆1内力N=-224.58KN选用截面2L80×6截面的几何特征截面面积：A=18.8cm2截面抵抗矩:W1x=52.38cm3W2x=19.74cm3回转半径：ix=2.47cmiy=3.51cm长细比：属于b类截面，由附表3查得：欧拉力：强度验算满足要求。5.2下弦杆杆7的轴心力：N=213.08KN查附表9选用2∟63×6，截面几何特征：A=2×7.29=14.58cm2长细比：强度验算：满足要求。5.3腹杆14号杆：=0.8×245.8=196.64cm=245.8cmN=96.85KN假定λ=80，=0.688，由于受力较小屋架角钢不能小于∟45×4，故选用2∟45×5截面几何特征：A=2×4.29=8.58cm2EMBEDEquation.3长细比：<[f]=215N/满足要求。11号杆验算：选用截面：2∟45×5=0.8×155.5=124.4cm=155.5cmN=-36.81KN长细比：由于：查附表1.2得=0.541满足要求。屋架杆件截面表六、节点设计6.1支座节点由于最不利杆件的内力在201~300KN之间，所以屋架节点板厚度中间板取8mm,支座节点板取10mm。支座反力R=6P=6×12.914=77.484KN螺栓采用2M24，取底板尺寸为240mm×240mm采用钢筋混凝土柱，混凝土等级C30，设a=b=12cm,a1=√2×2=16.9cm,b1=a1/2=8.45cm底板的承压面积q=R/A=77484/50990=1.51N/mm2底板弯矩（按相邻边支承板计算）查表6-10，得支座底板厚度取14mm厚（由于底板厚度一般取20~40mm，且不小于14mm，以使满足足够的刚度，符合基础反力为均匀分布的假定）取EMBEDEquation.KSEE3支座节点板厚度10mm,加劲肋切口15mm满足要求.取，焊缝计算长度为取t=10mm，EMBEDEquation.KSEE3其中偏心距：则焊缝应力<满足6.2一般节点<1.2=1.2×5=6mm<8-2=6mm(节点板厚8mm>6mm)>1.5=4.24mm故=6mm10号杆：取lw1,lw2为50mm11号杆：lw取50mm13号杆：取50mm10-13号杆取焊缝长度为肢尖焊缝60mm肢背焊缝50mm14号杆：取80mm满足要求。上弦杆取hf为6mm>4.7mm6mm<8.4mmN=-224.58kNlw1=137mm取150mmlw2=53.7mm取60mm一般节点连接焊缝表 杆件名称 杆件编号 杆件内力（KN） 肢背焊缝 肢尖焊缝 下弦杆 7 213.08 130 6 60 6 上弦杆 1 -224.58 150 6 60 6 腹杆 10 -20.46 50 6 60 6 11 -43.51 50 6 60 6 12 45.80 50 6 60 6 13 68.69 50 6 60 6 14 114.49 80 6 50 66.3屋脊节点节点荷载P由角钢肢背的塞焊缝承受，按构造要求考虑即可满足。取EMBEDEquation.KSEE3取满足要求。上弦拼接节点上弦杆起拱后坡度为1/3，拼接角钢采用与上弦相同截面，热弯成型。上弦杆件与拼接角钢之间在接头一侧的焊缝计算：设，则拼接角钢的总长度取上弦杆角钢与节点板的连接焊缝，以上述轴心力的15%计算，，e=50mm其产生的偏心弯矩设肢尖焊缝验算焊缝强度=92.4N/EMBEDEquation.KSEE3下弦拼接节点拼接角钢采用与下弦相同的截面，拼接角钢一侧的焊缝长度按与杆件等强设计，设焊缝尺寸则拼接角钢总长度为取下弦杆角钢与节点板的连接焊缝，以节间最大轴力N的15%计算。设肢尖焊缝因此取55mm.七、总结10天的时间过得很快，不知不觉中钢结构的课程设计已经接近尾声，从最开始拿到任务书的一头雾水到如今对于钢结构焊接屋架每根杆件，每个节点，每个焊缝的清楚了解，这其中的努力思考还有讨论，以及老师的解答都缺一不可。先谈谈计算吧。因为我是大三上学期在台湾修的钢结构这门课程，当时对于钢结构的计算很有好感，无论是验算强度，稳定性还是变形，我都觉得这是一个很让人痴迷的过程（当时的一道题让我验算了3个小时）所以这学期回来我自然而然的选择了钢结构这门课设。与原来的单纯计算不同，课程设计强调的是整体性以及经济性，在选择截面，焊缝尺寸等时，除了需要考虑是否合格，还需要考虑其方便性，这也是为什么我的计算书里面焊缝的尺寸几乎都是6mm。从上弦杆、下弦杆到腹杆的截面选择像以往的算术题一样，按着步骤来，花点时间就能得到，这里我不得不提到我的组长——李志辉，我和他分工合作，一起算了计算书，这对于我们组的整体进度有很大的提高。计算书最困难的部分是最后的节点计算，因为需要去搞懂各个部件的尺寸，比如说那个e偏心距，我当时对着课本，参考资料看了很久很久，最后还是通过询问老师才明白，原来偏心距是轴力到肢尖焊缝形心的距离。计算书写完后，我又重新check一遍，这是十分必要的，对于一个工程来讲，设计的准确性必须在设计阶段就应当满足，我们的每一个作品是需要承担风险的，这是一个工程师最基本的素质。进行到CAD画图阶段时，我渐渐找回了当时学习CAD的技能（因为有很多技巧太久没练都丢失了）在同学的指导下，我的绘图速度渐渐比以前快了不少，这是一个很好的机会去提升了我的绘图能力，对于以后毕业设计有很大的帮助。说到这里，我想起张老师第一天给我们说的话，作为一个学生，当你做课程设计的时候，你要去清楚的了解你自己到底在做什么东西，而不是最后交给我一张设计图一个计算书拿到学分就完事，学生有足够的时间去了解这些内容，本科的学习就是为以后的工程实践打下基础，在这种基础上你再去看人家的东西才能看懂，才能进步。#设计#对于一个工程来师说是十分重要的，我们需要去遵循这些依据，规范，然后设计出符合安全性的设计。比如说屋架的节点板厚度，在杆件内力为201~300时需要中间厚度取8mm，而支座板厚度则要10mm。如果对于这些不知道不明白不清楚的话，毕业以后是很难在同行中得到别人的青睐的。对于修订，当做完所有工作之后，最复杂也是最枯燥的环节来了，就是修改排版整理自己的东西，哪里的东西符不符合制图规范，设计规范等等，还有对于自己设计书的美观化也是需要的，因为一个设计你要首先在视觉上给人以专业，整洁，简洁的感受。在此期间，老师也逐字逐句的给我了我里面说存在的问题，所以很感谢老师能够这么耐心的为我解惑以及教导。学会思考，去发现问题；学会摸索，去解决问题；一个学生需要花时间去阅读相关的事项，比如规范比如资料，也需要花时间去锻炼自己的能力，比如CAD，比如word编辑。所以很感谢这次课设，无论是在钢结构的深入理解上面，还是自我的认识提升上面都有了很大的提高，也深深感谢带我课设的张老师，不知不觉中影响了我很多，帮助我想得更全面，看得更长远。2017.7.6黄超八、附录8.1参考资料：（1）《房屋建筑制图统一标准》GB/T50001-2010（2）《建筑结构制图标准》GB/T50105-2010（3）《建筑结构荷载规范》GB50009-2012（4）《钢结构设计规范》GB50017-2003（5）《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002（6）《钢结构质量验收规范》(GB50205—2001)（7）《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002/J218-2002)（8）《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》(GB8923-1988)（9）《钢结构防火涂料通用技术条件》(GB14907-2002)（10）《钢结构防火涂料应用技术规范》（CECS24:90）（11）《建筑钢结构防火技术规范》（CECS200:2006）8.2节点图�EMBEDEquation.KSEE3����EMBEDEquation.KSEE3����EMBEDEquations����EMBEDEquations����EMBEDEquations����EMBEDEquation.DSMT4����EMBEDEquation.DSMT4����EMBEDEquation.DSMT4���_1234567891.unknown_1234567893.unknown_1234567899.unknown_1234567901.unknown_1234567902.unknown_1234567903.unknown_1234567904.unknown_1234567905.unknown_1234567906.unknown_1234567908.unknown_1234567909.unknown_1234567910.unknown_1234567911.unknown_1234567913.unknown_1234567914.unknown_1234567916.unknown_1234567917.unknown_1234567918.unknown_1234567919.unknown_1234567920.unknown_1234567922.unknown_1234567923.unknown_1234567924.unknown_1234567927.unknown_1234567928.unknown_1234567929.unknown_1234567930.unknown_1234567931.unknown_1234567932.unknown_1234567934.unknown_1234567935.unknown_1234567936.unknown_1234567937.unknown_1234567938.unknown_1234567939.unknown_1234567941.unknown_1234567942.unknown_1234567945.unknown_1234567948.unknown_1234567960.unknown_1234567961.unknown_1234567963.unknown_1234567964.unknown_1234567965.unknown_1234567966.unknown_1234567967.unknown_1234567968.unknown_1234567969.unknown_1234567971.unknown_1234567972.unknown_1234567973.unknown_1234567976.unknown_1234567978.unknown