钢结构课程设计工业厂房设计.doc

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1、山东建筑大学课程设计计算说明书题目：某机加工车间设计课程：工业厂房课程设计院部：土木工程学院专业：土木工程班级：学生姓名：学号：设计期限：指导老师：钢 屋 架 设 计 计 算一、设计资料 车间基本参数某公司因生产需要，拟在济南郊区建设一座单层单跨机加工车间（设计使用寿命50年），车间建筑平面、剖面见下图。车间采用排架结构，下部为现浇钢筋混凝土柱及独立基础，上部采用钢屋架结构，屋架与排架柱铰接。车间内设有一台A4工作制的软钩梁式吊车，屋架下弦距离牛腿顶面1.8m，轨道高度130mm。混凝土排架柱采用实腹矩形柱;吊车梁可以采用T形或矩形钢筋混凝土吊车梁，也可以采用H形截面钢吊车梁(二选一)，抗风柱

2、为矩形截面钢筋混凝土柱。车间屋面采用75mm厚彩色夹芯钢板，屋面檩条为卷边C型钢（C18070202.5），檩条间距约1.5m;车间四周围护墙采用240mm厚砖墙，内外各抹灰20mm厚，表面刷涂料;纵墙塑钢窗洞高为1.8m、宽为2.4m，共上下两层。2、车间荷载、材料自重、抗震设防等级 屋面活荷载标准值:0.5kN/m2(不上人屋面，无积灰荷载)； 基本风压：0.45kN/m2； 基本雪压：0.30kN/m2； 屋面75mm厚夹芯钢板及檩条自重标准值:0.25kN/m2（按投影面积）； 钢屋架及屋面支撑自重标准值（估算）：0.35kN/m2（按投影面积）； 钢筋混凝土自重25 kN/m3；砖及

3、抹灰自重20 kN/m3；回填土自重20 kN/m3； 抗震设防等级：6度。3、荷载组合 钢屋架为简化计算，屋面暂不考虑风荷载作用。首先计算一榀典型简支屋架的内力系数，然后分别计算下述三种荷载标准值作用下的杆件内力：全跨永久荷载、全跨屋面活荷载、半跨屋面活荷载。最后列表进行下述两种荷载组合：1.2全跨永久荷载+1.4（屋面活荷载，雪荷载）max；1.2全跨永久荷载+1.4（半跨屋面活荷载，半跨雪荷载）max。 排架柱为简化计算，不考虑车间的空间作用，将钢屋架简化成刚度无穷大的水平横梁，两端与排架柱铰接连接。屋面永久荷载及活荷载标准值分别等效作用到横梁上。首先分别计算下述八种荷载标准值作用下一榀

4、典型排架的内力：永久荷载、屋面活荷载、左（或右）墙面风荷载、吊车左（或右）刹车力、吊车靠近左(或右)时的竖向荷载；然后列表进行排架柱的内力组合。组合情况考虑以下六种：1.2永久荷载+1.4（屋面活荷载，雪荷载）max；1.2永久荷载+1.4墙面风荷载；1.2永久荷载+1.4吊车竖向荷载；1.2永久荷载+0.91.4（屋面活荷载，雪荷载）max+0.91.4墙面风荷载；1.2永久荷载+0.91.4（屋面活荷载，雪荷载）max+0.91.4吊车竖向荷载；1.2永久荷载+0.91.4（屋面活荷载，雪荷载）max+0.91.4墙面风荷载+0.91.4吊车竖向荷载+0.91.4吊车水平荷载。4、地质情况

5、 经勘测，地表土为人工填土，1.2m厚，不宜作为天然地基土，建议全部挖除；其下为粘土，地基承载力特征值，压缩模量，适宜作为地基持力层。场地地下水静止水位埋深为10.5米，可不考虑水质对基础混凝土的侵蚀。最大冻土深度可按0.5m考虑。5、主要构件材料 钢筋：纵向受力钢筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋； 混凝土：C20 C30； 钢材：Q235-B或Q345-B。6、钢屋架形式为梯形钢屋架，吊车吨位为5t，牛腿柱顶标高为6.3m。结构布置钢屋架计算一、设计资料 取屋檐口高为2.0m，屋面坡度为1/12。二、屋架布置及几何尺寸屋架几何尺寸图屋架计算跨度=24000-300=237

6、00mm。屋架端部高度H0=2000mm。三、荷载组合设计屋架时，考虑以下两种荷载组合：（1） 全跨永久荷载+全跨可变荷载（2） 全跨永久荷载+半跨可变荷载恒载设计值按分项系数为1.2, q1=1.20.6=0.72 kN/m2 ，按1.35为1.350.6=0.81 kN/m2活载计算：分项系数1.4，q2=.40.5=0.7 kN/m2活荷载0.5 kN/m2雪荷载0.3 kN/m2永久荷载控制的组合：0.81+0.70.7=1.30 kN/m2可变荷载控制的组合：0.72+0.7=1.42 kN/m2取可变荷载控制的组合，节点荷载p1=0.721.56=6.48kN 节点荷载p2=0.7

7、1.56=6.30kN四、内力计算按力学求解器计算杆件内力，然后乘以实际的节点荷载，屋架要上述第一种荷载组合作用下，屋架的弦杆、竖杆和靠近两端的斜腹杆内力均达到最大值，在第二和第三种荷载作用下，靠跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生变号，因此，在全跨荷载作用下所有杆件的内力均应计算，而在半跨荷载作用下，仅需计算近跨中的斜腹杆内力，取其中不利内力（正、负最大值）作为屋架的依据。具体计算见图屋架各杆内力组合见表。 全跨荷载布置图全跨荷载内力图左半跨荷载布置图左半跨荷载内力图内力计算表杆 件名 称杆内力系数全跨永久荷载+全跨可变荷载P=12.78kNN=P全跨永久荷载+半跨可变荷载P1=6.48kN

8、P2=6.30kNN左=P1+P2N右=P1+P2计算内力KNP=1在左半跨在右半跨全跨上弦杆JK0000000KL-6.35-2.51-8.86-113.23-97.42-73.23-113.23LM-6.35-2.51-8.86-113.23-97.42-73.23-113.23MN-9.35-4.64-14.00-178.92-149.63-119.95-178.92NO-9.35-4.64-14.00-178.92-149.63-119.95-178.92OP-9.62-6.39-16.01-204.61-164.35-144.00-204.61PQ-9.62-6.39-16.01-2

9、04.61-164.35-144.00-204.61QR-7.84-7.84-15.68-200.39-151.00-151.00-200.39下弦杆AB3.511.264.7660.8352.9638.7860.83BC8.223.6211.84151.32128.5199.53151.32CD9.755.5415.29195.41160.50133.98195.41DE8.927.1216.04204.99160.14148.80204.99斜腹杆AK-6.54-2.54-8.89-113.61-98.81-73.61-113.61KB4.892.177.0690.2376.5659.42

10、90.23BM-3.54-2.09-5.63-71.95-57.78-49.65-71.95MC2.061.883.9550.4838.5737.4450.48CO-0.86-1.83-2.69-34.38-22.85-28.96-34.38OD-0.321.671.3517.256.7318.8318.83DQ1.44-1.63-0.19-2.437.84-11.50-11.50QE-2.401.50-0.90-11.50-20.95-3.62-20.95竖杆AJ-0.500-0.50-6.39-6.39-3.24-6.39BL-1.000-1.00-12.78-12.78-6.48-12.

11、78CN-1.000-1.00-12.78-12.78-6.48-12.78PD-1.000-1.00-12.78-12.78-6.48-12.78RE0.800.801.6020.4515.4110.3720.45五、杆件截面设计1、上弦杆截面计算整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算N = -204.61kN（压力），查钢结构设计手册，节点板厚度选用8mm，支座节点板厚度选用10mm。计算长度 屋架平面内取节间轴线长度屋架平面外根据支撑和内力变化取因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并。如图1所示。yyxx8图1上弦截面设，查轴心受压构件的稳定系数表需要截面积需要回转半径 根据需要的

12、A 、 ix 、iy ，查角钢型钢表，选用2，A = 44.6 c , ix = 2.56 cm , iy =6.69 cm。按所选角钢进行验算，满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。2、下弦杆截面计算整个杆件采用同一截面，按最大内力计算，N=204.99kN （拉力）计算长度 屋架平面内取节间轴线长度屋架平面外根据支撑布置取计算需要净截面面积选用280505（短肢相并），见图2所示，A =12.74 c , ix =1.42 cm , iy =3.95cm 按所选角钢进行截面验算，取。8xxyy图2 下弦截面 所选截面满足要求。3、斜杆和竖杆截面计算 斜

13、杆AK和斜杆BM合并N = -113.61kN (压力)， l0x =2516mm , l0y = l =2809mm计算需要净截面面积选用2636，见图3所示，A =1458mm2 , ix =1.93cm , iy = 2.84cmxxyy6图3斜杆BM截面 属于b类截面 属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。 斜杆KB和斜杆合并N = 90.23kN（拉力），l0x = 0.8l = 224.72cm, l0y = l =280.9 cm计算需要净截面面积选用2455，见图4所示，A =8.58 c , ix = 1.37 cm , iy

14、 = 2.11 cmxxyy6图 4斜杆MC截面验算： 所选截面满足要求。 斜杆CO和斜杆QE合并N =-34.38kN (压力)，l0x =2594.4mm l0y = l =3243mm选用2636，见图5所示，A =14.58mm2 , ix =1.93cm , iy = 2.84cmxxyy6图5斜杆QE截面 属于b类截面 属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。斜杆OD .N =18.83kN（拉力），l0x = 0.8l = 241.84cm, l0y = l =302.3 cm计算需要净截面面积选用2455，见图6所示，A =8.5

15、8 c , ix =1.37 cm , iy =2.11 cmxxyy6图 6 斜杆OD截面验算： 所选截面满足要求。 斜杆DQ和竖杆AJ、竖杆BL、竖杆CN、竖杆PD合并N =-12.78kN (压力)，l0x =259.44cm l0y = l =324.3cm选用2636，见图7所示，A =14.58c , ix = 1.93cm , iy = 2.84cmxxyy6图7 斜杆DQ截面 属于b类截面 属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。竖杆REN =20.45kN (拉力)， l0x =2400mm l0y =3000mm 计算需要净截

16、面面积选用2636， A =14.58 c , ix = 2.43cm , iy = 1.24cm 满足长细比：的要求。所选截面合适。图中竖杆RE截面图屋架杆件一览表杆件杆内力kN计算长度截面形式及角钢规格截面积（m）回转半径长细比容许长细比系数min(N/m)loxloyix(mm) iy(mm)max上弦-204.6115056020短肢相并2L1409010446025.666.9901500.62173.88下弦204.9930006000短肢相并2L80505127414.239.5211350160.90斜腹杆AK-113.61251625162L636145819.328.413

17、01500.387201.35BM-71.95224728092L636145819.328.41161500.458107.75KB90.23208126012L45585813.721.1152350105.16MC50.48224728092L45585813.721.116435058.83CO-34.38241830232L636145819.328.41251500.41157.37QE-20.95259432432L636145819.328.41341500.37038.84OD18.83241830232L45585813.721.117635021.95DQ-11.5025

18、9432432L636145819.328.41341500.37021.32竖杆RE20.4524003000十字形2L636145824.312.424235014.03AJ-6.39201320132L636145819.328.41041500.5298.28BL-12.78180022502L636145819.328.4931500.60114.58CN-12.78200025002L636145819.328.41041500.52916.57PD-12.78220027502L636145819.328.41141500.47018.65六、节点设计重点设计“”、“”、“”、“

19、” “”五个典型节点，其余节点设计类同。1下弦节点这类节点的设计步骤是：先根据腹杆的内力计算腹杆与节点连接焊缝的尺寸，即hf和lw 。然后根据lw的大小比例绘出节点板的形状和大小，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。选用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值160N/m，实际所需的焊脚尺寸可由构造确定。 （1）KB杆的内力N=90.23KN，采用三面围焊，肢背和肢尖焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：因为，所以按两面侧焊缝计算。肢背,取70mm肢尖，取50mm（2）BM杆的内力N=-71.95KN，采用三面围焊，肢背与肢尖的焊缝hf=5mm，所需要的焊缝长度为：因为，所以按两面侧焊缝计

20、算。肢背,取60mm肢尖，取50mm（3） 竖杆BL杆的内力N=-12.78KN，采用三面围焊，焊缝尺寸可按构造确定取hf=5mm。所需要的焊缝长度为：因为，所以按两面侧焊缝计算。肢背，取50mm肢尖，取50mm（4）下弦杆焊缝计算下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦内力之差。N151.3260.8390.49kN，hf5mm，肢背焊缝，取80mm 肢尖焊缝，取50mm焊缝验算:肢背焊缝f30.40N/mm2160N/mm2肢尖焊缝f20.27N/mm2160N/mm2焊缝强度满足要求。根据节点放样，得节点板尺寸为120180，节点图如下图所示。下弦节点各杆肢尖、肢背尺寸杆件hf（mm） 肢背

21、(mm)hf（mm）肢尖(mm)KB566mm取70mm534mm取50 mm BM555mm取60mm529mm取50 mm MC542mm取50mm 524mm取50mmCO532mm取50mm520mm取50mm OD522mm取50mm 515mm取50mmDQ517mm取50mm513mm取50mm QE523mm取50mm 516mm取50mm2上弦K节点：KB杆节点板连接的焊缝计算与下弦节点B中KB杆计算相同。AK杆N-113.61 kN，采用三面围焊，设肢背和肢尖 hf = 5mm，因为，所以按两面侧焊缝计算。 lw11081，取lw190mm lw21041，取lw250m上

22、弦节点各杆肢尖、肢背尺寸杆件hf（mm）肢背 (mm)hf（mm）肢尖 (mm)AK581mm取90mm541mm取50mm KB566mm取70mm534mm取50 mm BM555mm取60mm529mm取50 mm MC542mm取50mm 524mm取50mmCO532mm取50mm520mm取50mm OD522mm取50mm 515mm取50mmDQ517mm取50mm5 13mm取50mm QE523mm取50mm 516mm取50mm考虑搁置檩条，节点板缩进上弦肢背6mm，用槽焊缝连接，槽焊缝按两条角焊缝计算，P12.78kN。节点板尺寸为160200设肢尖焊缝=4mm，假定集

23、中荷载P与上弦垂直，忽略屋架上弦坡度影响。肢背焊缝验算：肢尖焊缝验算：节点图如下图所示。3、屋脊R节点（1）弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，且便于施焊，需要将拼接角钢的尖角削除，并截去垂直肢的一部分宽度（一般为t+hf+5mm）。拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设ER杆与节点板的焊缝尺寸为：肢背hf=5mm，lw1=(0.720.45103)/（20.75160）+10=23mm，取lw1=50mm，肢尖hf=5mm，lw2=（0.320.45103）/（20.75160）+10=15mm。取lw2=50mm。设焊缝高

24、度hf=5mm，则所需要焊缝计算长度为：lw=（200.39103）/（40.75160）+10=100mm。取lw =120mm。拼接角钢长度300mm2120=240mm。（2）上弦与节点板间的焊槽，假定承受节点荷载，验算略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，设肢尖焊缝hf=5mm，节点板长度为280mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw=280/2-5-10=125mm，焊缝应力为：fN=（0.15200.39103）/（20.75125）=34.35N/mm2，fM=(0.15200.3910368.86)/(20.751252)=113.45N/mm2 =99.1

25、3kN/mm2160kN/mm2中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=20.45KN此杆内力较小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊缝尺寸hf=5 mm，焊缝长度lw=50 mm，节点图如下图所示。4、下弦跨中E节点设计（1）下弦接头设于跨中节点处，连接角钢取与下弦杆相同截面280505，焊缝高度hf=5mm，焊缝长度为：lw=（204.99103）/（40.75160）+10=102mm，取lw=110mm连接角钢长度lw=2110+10=230mm，取lw=230mm下弦杆与节点板，斜杆与节点板之间的连接焊缝按构造设计。（2）弦杆与节点板连接焊计算：按下弦杆内力的15%计算。N=204.9915%=3

26、0.75KN设肢背、肢尖焊肢尺寸为5 mm，弦杆一侧需焊缝长度为肢背lw=（0.7530.75103）/（20.75160）+10=31mm，取50mm，肢尖lw=（0.2530.75103）/（20.75160）+10=17mm。取50mm腹杆与节点板连接焊缝的计算方法与以上几个节点相同，节点图如下图所示。5、 支座A节点为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋。加劲肋取280608mm，节点取2802008mm的钢板。（1）支座底板的计算支座反力RA=RB=102.24KN 按构造要求采用底板面积为ab=200160mm2如仅考虑加劲肋部

27、分底板承受支座反力R，则承压面积为200（260+8）=25600mm2验算柱顶混凝土的抗压强度：=R/Au=102.24103/25600=4N/mm2fc=12.5N/mm2满足。 底板的厚度按屋架反力作用下的弯距计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两相邻边支承，而另两相邻边自由的板，每块板单位宽度的最大弯距为：M=式中 底板下的平均应力，=4N/mm2； 2两支承边之间的对角线长度，2=113.14mm； 系数，由b2/a2决定。b2=60150/113.14=79.55，b2/a2=79.55/113.14=0.703，查表得=0.085故M=0.0854113.142=435

28、2.22Nmm。底板厚度t=11mm，取t=12mm。（2）加劲肋与节点的连接焊缝计算加劲肋高度取与支座节点板相同，厚度取与中节点板相同（即2008280），一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力为四分之一支座反力。R/4=102.24103/4=25.56103N，M=Ve=25.5610350=1.28106Nmm设焊缝hf=5mm，焊缝计算长度lw=280-10-15=255mm，则焊缝应力为f=(25.56103)/(20.75255)=14.32 N/mm2，f=(61.28106)/(20.752552)=16.87 N/mm2， =19.91N/mm2160N/mm2（3）节点板、加劲

29、肋与底板的连接焊缝设焊缝传递全部支座反力R=102.24kN，其中每块加劲肋各传R/4=25.56kN，节点板传递R/2=51.12kN。节点板与底板的连接焊缝计算长度=2（160-10）=300mm，所需要的焊脚尺寸为h(51.12103)/(0.73001601.22)=2.0mm，取h=5mm。每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为=（60-10）2=100mm。所需要的焊缝尺寸为h(51.12103)/(0.71001601.22)=4 mm，取h=5mm，节点图如下图所示。其他节点设计方法与上述方法类似。具体见屋架施工图。七、填板计算上弦杆：填板厚度为8mm，40i=404.47=178.8cm，取间距150/2=75cm下弦杆：填板厚度为8mm，80i=802.56=204.8cm，取间距300/3=100cm腹杆：斜杆AK、斜杆BM、斜杆CO、斜杆QE、斜杆DQ、竖杆AJ、竖杆BL、竖杆CN、竖杆PD，填板厚度均为6mm，40i=401.93=77.2cm，取间距75cm竖杆RE，填板厚度为6mm，80i=801.24=99.2cm，取间距300/4=75cm斜杆KB、斜杆MC、斜杆OD，填板厚度为6mm，40i=401.37=54.8cm，取间距50cm。19