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1、钢结构设计计算书 姓 名：班 级：学 号：指导教师：一、设计资料：1.结构形式: 某厂房总长度108m，跨度为24m，纵向柱距6m，厂房建筑采用封闭结合。采用钢筋混凝土柱,梯形钢屋架，柱的混凝土强度等级为C30，上柱截面400mm400mm，屋面坡度i=1/10。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为8度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台50/10t（中级工作制），锻锤为2台5t。2. 屋架形式及荷载:屋架形式、几何尺寸及内力系数（节点荷载P=1.0作用下杆件的内力）如附图所示。屋架采用的钢材为Q345A钢，焊条为E50型。3.屋盖结构及荷载标准值（水平投影面计）
2、无檩体系：采用1.56.0m预应力混凝土屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上。荷载： 屋架及支撑自重：按经验公式q=0.12+0.011L，L为屋架跨度，以m为单位，q为屋架及支撑自重，以可kN/m2为单位； 屋面活荷载：施工活荷载标准值为0.7kN/m2，雪荷载的基本雪压标准值为S0=0.35kN/m2，施工活荷载及雪荷载不同时考虑，而是取两者的较大值。积灰荷载标准值：0.5kN/m2。 屋面各构造层的荷载标准值：三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.40kN/m2水泥砂浆找平层 0.50kN/m2保温层 0.80kN/m2一毡二油隔气层 0.05kN/m2水泥砂浆找平层 0.40kN/m2预应力混
3、凝土屋面板 1.50kN/m2 桁架计算跨度：m跨中及端部高度： 桁架的中间高度：m在23.7m的两端高度：m在30m轴线处的端部高度：m桁架跨中起拱50mm二、结构形式及布置图：桁架形式及几何尺寸如图1所示：图1桁架形式及几何尺寸桁架支撑布置图如图2所示：图2三、 荷载计算1、荷载计算：屋面活荷载及雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。沿屋面斜面分布的永久荷载应乘以换算为沿水平投影面分布的荷载。桁架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（支撑）计算，跨度单位m。永久荷载标准值：三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 1.0050.4kN/m2=0.402kN/
4、m2水泥砂浆找平层 1.0050.5kN/m2=0.503kN/m2保温层 1.0050.8kN/m2=0.804kN/m2一毡二油隔气层 1.0050.05kN/m2=0.050kN/m2水泥砂浆找平层 1.0050.4kN/m2=0.402kN/m2预应力混凝土屋面板 1.0051.5kN/m2=1.508kN/m2桁架和支撑自重0.12 KN/m2+0.01124kN/m2=0.384kN/m2总计：4.053kN/m2可变荷载标准值：屋面活荷载 0.7kN/m2积灰荷载 0.5kN/m22、荷载组合：设计桁架时，应考虑以下三种荷载组合：（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载为主控
5、制的组合）全跨节点荷载设计值：F=（1.354.053kN/+1.40.70.7kN/+1.40.90.5kN/）1.5m6m=61.09kN(2)全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载设计值：对结构不利时：F1.1=1.354.053kN/1.5m6m=49.24kN (按永久荷载为主的组合)F1.2=1.24.053kN/1.5m6m=43.77kN (按可变荷载为主的组合)对结构有利时：F1.3=1.04.053kN/1.5m6m=36.48kN半跨节点可变荷载设计值：F2.1=1.4（0.70.7kN/+0.90.5kN/）1.5m6m=11.84kN (按永久荷载为主的组合)F2
6、.2=1.4（0.7+0.90.5）kN/1.5m6m=14.49kN (按可变荷载为主的组合) (3)全跨桁架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载(按可变荷载为主的组合)全跨节点屋架自重设计值：对结构不利时：F3.1=1.20.384kN/1.5m6m=4.15kN对结构有利时：F3.2=1.00.384kN/1.5m6m=3.46kN半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：F4=（1.21.5kN/+1.40.7kN/）1.56=25.02kN（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。单位力作用下的计算详图见图3。图3 单位力作用下计算详图四、内力计算由电算先解得F=1的桁
7、架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨）见图4。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表1.（a）(b)图4 桁架各杆件的内力系数表1桁架杆件内力组合表 杆件名称内力系数(F=1)第一种组 合F第二种组合第三种组合计算杆件内力/KN全跨左半跨右半跨F1，i+F2，iF1，i+F2，iF3，i+F4F3，i+F4上弦AB000000000BC、CD-8.72-6.25-2.47-532.70-532.70DE、EF-13.53-9.04-4.49-826.55-826.55FG、GH-15.26-9.17-6.09-932.23-932.23HI-14.71-7.38-7
8、.38-898.63-898.63下弦ac4.733.481.25288.96288.96ce11.538.003.53704.37704.37eg14.659.345.31894.97894.97gi15.178.446.73926.74926.74斜腹杆aB-8.87-6.53-2.34-541.87-541.87Bc6.884.762.12420.30420.30cD-5.44-3.41-2.03-332.33-332.33De3.71.901.80226.03226.03eF-2.46-0.71-1.75-150.28-129.54(F1，1 ,F2,1)-141.85(F1，1 ,F
9、2,1)-27.97(F3，1 ,F4)-53.99(F3，1 ,F4)-150.28Fg1.11-0.451.5667.8149.33(F1，1 ,F2,1)73.36 (F1，1 ,F2,1)-7.42 (F3，2 ,F4)43.64 (F3，1 ,F4)-7.4273.36gH0.021.55-1.531.2223.33(F1，2,F2,2)-21.44(F1，3,F2,2)38.86(F3，1 ,F4)-38.21(F3，2 ,F4)-38.2138.86Hi-1.08-2.471.39-65.98-83.06(F1，2 ,F2,2)-36.72 (F1，1 ,F2,1)-66.28(
10、F3，1 ,F4)31.04(F3，2 ,F4)-83.0631.04竖杆Aa-0.50-0.500-30.55-30.55Cc-1.00-1.000-61.09-61.09Ee-1.00-1.000-61.09-61.09Gg-1.00-1.000-61.09-61.09Ii1.940.970.97118.51118.51注：F=61.09kN；F1.1=49.24kN；F1.2=43.77kN；F1.3=36.48kN；F2.1=11.84kN；F2.2=14.49kN；F3.1=4.15kN；F3.2=3.46kN；F4=25.02kN。四、杆件设计1、上弦杆整个上弦杆采用等截面，按FG
11、、GH杆之最大设计内力设计。N=932.23kN。上弦杆计算长度：在桁架平面内，为节间轴线长度：在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取：因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并(图5)。腹杆最大内力N=541.87kN，查表9.6.4，节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度用14mm。设=60，查附录4得需要截面积：需要回转半径：， 根据需要的A、查角钢型钢规格表(附录8)，选2L1409010，A=4452，=2.56cm、=6.85cm，b1/t=140/10=14,按所选角钢进行验算：， 因为所以满足允许长细比的要求。截面在x和y平面皆属b类，由于，只需求。查附录得。，所选截面合
12、适。图52、下弦杆整个下弦杆采用同一截面，按最大设计值计算:计算长度：所需净截面面积为：选用2L140908。因为，故用不等肢角钢，短肢相并(图6)。A=36.08cm229.89cm2。考虑下弦有221.5mm的栓孔削弱，下弦净截面面积：所选取的截面满足要求。图63、端斜杆(aB杆)：杆件轴力：N=-541.87kN计算长度:因为，故采用不等肢角钢，长肢相并，使。选用角钢2L1258010(图7)。A=39.42cm2,。截面刚度和稳定性验算：，因为 因，只求：，所需截面合适。图74、 腹杆Hi:最大拉力：最大压力：桁架平面内计算长度：桁架平面外计算长度：选用2L704（图8），A=11.1
13、4，=2.18cm、=3.29cm，b/t=70/4=17.5,按所选角钢进行验算：， 因为所以满足允许长细比的要求。截面在x和y平面皆属b类，由于，只需求。查(附录4)轴心受力稳定系数表得。，所选截面合适。拉应力：所选取的截面满足要求。 图85、中竖杆(Ii杆)：杆件轴力：NIi=118.51kN(拉)，计算长度:取，需要截面面积为：需要的回转半径为：。查型钢表选用十字形截面L565（图9），得截面几何特性：A=10.83cm2,考虑有的栓孔削弱，净截面面积：，所需截面合适。图9其余各杆件的截面选择计算过程不作一一列出，计算结果详见表2。表2 杆件截面选择表杆件内 力/KN截 面 规 格面
14、积/cm2计算长度/cm回转半径/cm应力/(N/mm2)上弦-932.23短肢相并2L140X90X1044.52150.80301.602.566.8558.911500.743281.82下弦926.74短肢相并2L140X90X836.08300.001185.002.5876.80174.26350-299.72aB-541.87长肢相并2L125X80X1039.42253.5253.503.983.3979.971500.576238.65Bc420.30T形截面2L80X515.82208.64260.802.483.7184.13350-265.68cD-332.33T形截面
15、2L100X623.86228.72285.903.104.5173.781500.622223.93De226.03T形截面2L70X411.14228.72285.902.183.29104.92350-202.90eF-150.28T形截面2L80X515.82250.32312.902.484.51100.941500.425223.51Fg-7.42T形截面2L70X411.14249.52311.902.183.29114.46150-65.8673.36gH-38.21T形截面2L70X411.14271.68339.602.183.29124.621500.306112.093
16、8.85Hi-83.06T形截面2L70X411.14269.60337.002.183.29123.671500.312238.9731.04Aa-30.55T形截面2L63X512.286199.00199.001.943.04102.581500.41559.92Cc-61.09T形截面2L63X512.286183.20229.001.943.0494.431500.467106.47Ee-61.09T形截面2L63X512.286207.20259.001.943.04106.801500.390127.50Gg-61.09T形截面2L63X512.286231.20289.001.
17、943.04119.181500.328151.60Ii118.51十字形截面2L56X510.83287.10287.102.1672.167132.49350-209.01五、节点设计各杆件内力由表1查得。这类节点的设计步骤是：先根据腹杆的内力计算腹杆及节点板连接焊缝的尺寸，即和，然后根据的大小按比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆及节点板的连接焊缝。用E50型焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。1、 下弦节点“c” (图10)：(1)“Bc”杆及节点板的焊缝长度计算:N=420.30kN，设肢背及肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:肢背:加后取肢尖：加后取(2
18、)“Dc”杆及节点板的焊缝长度计算:N=-332.33kN,设肢背及肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:肢背:加后取肢尖：加后取(3)“Cc”杆及节点板的焊缝长度计算：N=-61.09kN,其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=6mm，焊缝长度，取。 (4)节点板尺寸：根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为315mm380mm。下弦及节点板连接的焊缝长度为380mm，=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差N=704.37-288.96=415.41KN,受力较大的肢背处的焊缝应力为：焊缝强度满
19、足要求。图102、 下弦节点“e”(图11)：(1) “De”杆及节点板的焊缝长度计算:N=226.03kN,设肢背及肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:肢背:加后取肢尖：加后取(2) “eF”杆及节点板的焊缝长度计算:N=-150.28kN,设肢背及肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:肢背:加后取肢尖：加后取(3) “eE”杆及节点板的焊缝长度计算:N=-61.09kN,因为其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=6mm，焊缝长度,取。(4) 节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板
20、尺寸为280mm310mm。下弦及节点板连接的焊缝长度为310mm，=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差N=894.97-704.37=190.6KN,受力较大的肢背处的焊缝应力为：焊缝强度满足要求。图113、 下弦节点“g”(图12)：(1) “Fg”杆及节点板的焊缝长度计算:N=73.36kN,设肢背及肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:肢背:取肢尖：取(2)“gH”杆及节点板的焊缝长度计算:N=-38.21Kn,因为其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=6mm，焊缝长度,取。(2) “gG”杆及节点板的焊缝长度计算:N=-61.09KN,因为其内力很小，焊
21、缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=6mm，焊缝长度,取。(4)节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为265mm290mm。下弦及节点板连接的焊缝长度为290mm，=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差N=926.74-894.97=31.77KN,受力较大的肢背处的焊缝应力为：焊缝强度满足要求。图124、 下弦节点“i”(图13)：(3) “Hi”杆及节点板的焊缝长度计算:N=-83.06kN,设肢背及肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:肢背:取肢尖：取(2)“Ii”杆及节点板的焊缝长度计算:N
22、=118.51kN,因为其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=6mm，焊缝长度,取。(4)节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为270mm320mm。下弦及节点板连接的焊缝长度为320mm，=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差N=0kN。焊缝强度满足要求。图135、上弦节点“B”(图14)：(1)“Bc”杆及节点板的焊缝尺寸和节点“c”相同。(2)“aB”杆及节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算：,设肢背及肢尖的焊脚尺寸分别为：10mm和8mm。所需焊缝长度为：肢背:加后取肢尖：加后取(3) 上弦杆及
23、节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条角焊缝计算，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载F及上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：(节点板厚度)=12mm=6mm，上弦及节点板间焊缝长度为380mm。节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝肯定是安全的，可不必验算。肢尖焊缝验算如下：，满足要求。图146、上弦节点“D”(图15)：(1)“cD”杆及节点板的焊缝尺寸和节点“c”相同。(2)“De”杆及节点板的焊缝
24、尺寸和节点“e”相同。(3)上弦杆及节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条角焊缝计算，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载F及上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：(节点板厚度)=12mm=6mm，上弦及节点板间焊缝长度为310mm。节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝肯定是安全的，可不必验算。肢尖焊缝验算如下：，满足要求。图157、上弦节点“F”(图16)：(1)“eF”杆及节点板的焊缝尺寸和节点“e”
25、相同。(2)“Fg”杆及节点板的焊缝尺寸和节点“g”相同。(3)上弦杆及节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条角焊缝计算，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载F及上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：(节点板厚度)=12mm=6mm，上弦及节点板间焊缝长度为250mm。节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝肯定是安全的，可不必验算。肢尖焊缝验算如下：，满足要求。图168、上弦节点“H”(图17)：(1)“g
26、H”杆及节点板的焊缝尺寸和节点“g”相同。(2)“Hi”杆及节点板的焊缝尺寸和节点“i”相同。(3)上弦杆及节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条角焊缝计算，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载F及上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：(节点板厚度)=12mm=6mm，上弦及节点板间焊缝长度为210mm。节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝肯定是安全的，可不必验算。肢尖焊缝验算如下：，满足要求。图179、
27、屋脊节点I点(图18)：(1) 弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢及弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分宽度(一般为t+5mm=25mm)。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。N=-932.23KN，设焊缝=10mm，则所需焊缝计算长度为(一条焊缝)：，取拼接角钢的长度取：540mm2200mm=400mm。(2) 竖杆Ii及节点板连接焊缝计算：N=118.51KN因为其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=6mm，焊缝长度,取。（3）弦杆及节点板的连接焊缝计算：上弦肢背及节点板用槽焊缝，假定承受节点
28、荷载，验算略。上弦肢尖及节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算。设肢尖焊缝=10mm，节点板长度为400mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为：，焊缝应力为：，满足要求。因桁架的跨度较大，需将桁架分成两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦、斜杆和竖杆及节点板连接用工厂焊缝，而右半边的上弦、斜杆及节点板的连接用工地焊缝。图1810、支座节点“a”(图19)为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面及支座底板的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度及节点板的高度相等，厚度为14mm。(1) 支座底板计算：支座反力：R=8F=488.27kN支座底板的平面尺寸
29、采用280mm400mm，如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为：。验算柱项混凝土的抗压强度：错误！未定义书签。 式中：为混凝土强度设计值，对C30混凝土，。底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算，节点板和加筋肋将底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两块相邻边自由的板，第块板的单位宽度的最大弯矩为：式中，为底板下的平均应力为：。为两支承边之间的对角线长度：为系数，由查表8.4.1而定，b1为两支承边的相交点到对角线的垂直距离(图11)。由相似三角形的关系，得：，查表得。底板厚度,t应增大到。图19(2) 加劲肋及节点板的连接焊缝计算：加劲肋及节点板的连接焊缝计算及牛腿焊缝相似（图20），偏于安全地假定一个加劲肋的受力为桁架支座反力的1/4,即：则焊缝内力：,设，焊缝计算长度,图20(3) 节点板、加劲肋及底板的连接焊缝计算：设底板连接焊缝传递全部支座反力，其中每块加劲肋各传，节点板传递。设节点板及底板的连接焊缝的焊脚尺寸为， 则焊缝长度则焊缝强度验算如下：每块加劲肋及底板的连接焊缝长度为：验算焊缝应力：，满足要求。
