钢结构屋盖课程设计计算.docx
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钢结构屋盖课程设计计算
钢结构屋盖课程设计计算
钢结构屋盖课程设计计算书
姓名:
班级:
土木工程
学号:
指导老师:
2011年6月11日
一、设计说明
1、设计某一检修厂房屋盖,跨度为27m,长度为80m,柱距为6m,三角形屋架,钢材为Q235—B,焊条采用E43型,屋面为压型钢板,屋面坡度i=1:
2.5,屋架铰接于钢筋混凝土柱顶,无吊车,外檐口采用自由排水,采用槽钢檩条,檩条间距为2827.25mm。
2、基本风压为0.4KN/m²,屋面离地面高度为12m,不上人屋面。
雪荷载0.6KN/m²
二、檩条设计
1、檩条采用轻型槽钢檩条
2、屋面材料为压型钢板,屋面坡度为1:
2.5(α=21.80°)檩条跨度为6m,于跨中设置一道拉条,水平檩距2396.4×cos21.80°=2396.4×0.93=2228.65mm,坡向斜距2396.4mm
3、荷载标准值(对水平投影面)
⑴永久荷载:
压型钢板(不保温)自重为0.1KN/m²,檩条(包括拉条和支撑)自重设为0.11KN/m²
⑵可变荷载:
屋面雪荷载ω=0.6KN/m²,基本风压ωo=0.40KN/m²
4、内力计算
⑴永久荷载于屋面活荷载组合
檩条线荷载
pK=(0.21+0.6)×2.229=1.805KN/m
p=(1.2×0.21+1.4×0.6)×2.229=2.434KN/m
pX=psin21.80=2.434×0.37=0.901KN/m
pY=pcos21.80=2.434×0.93=2.264KN/m
弯矩设计值:
MX=pYl2/8=2.264×62/8=10.188KN·m
My=pXl2/32=0.901×62/32=1.014KN·m
⑵永久荷载和风荷载的吸力组合
按《建筑结构荷载规范》GB50009—2001房屋高度为12m取μz=1.0
按《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:
2002附录A,风荷载体型系数为:
1.5㏒A-2.9=-1.211A=2.22865m×6m=13.72m2
垂直于屋面的风荷载标准值ωk=μSμzω0=-1.211×1.0×(1.05×0.4)=-0.509KN/m²
檩条线荷载
pXY=(0.509-0.21×cos21.80)×2.22865
=0.314×2.22865=0.070KN/m
pX=0.21×2.229×sin21.8o=0.174KN/m
pY=1.4×1.211×2.229-0.21×2.229×cos21.80=3.344KN/m
弯矩设计值
MX=pYl2/8=3.344×62/8=15.048KN/m
My=pXl2/8=0.174×62/8=0.783KN/m
⑶截面选择选用
选用轻型槽钢【20W=152.2cm3Wynmax=54.9cm3Wynmin=20.5cm3
IX=152.20cm4ix=8.07cmiy=2.20cm计算截面有孔洞削弱,考虑0.9的折减系数,则净截面模量为:
WNX=0.9×152.2=136.98cm3
Wynmax=0.9×54.9=49.41cm3
Wynmin=0.9×20.5=18.45cm3
⑷屋面能阻止檩条失稳和扭转,截面的塑性发展系数γx=1.05γy=1.20,按公式计算截面a、b点的强度为(见图)
бx=Mx/(γxWNX)+My/(γyWynmin)=15.048×106/(1.05×136.98×103)+0.783×106/(1.2×18.45×103)=139.99<215N/mm2
бy=Mx/(γxWNX)+My/(γyWynmax)=15.048×106/(1.05×136.98×103)+0.783×106/(1.2×49.41×103)=117.83<215N/mm2
⑸挠度计算
因为支撑压型钢板金属板,有积灰的瓦楞铁和石棉等金属面者,容许挠度为L/200
当设置拉条时,只须计算垂直于屋面方向的最大挠度
vy=(5/384)×(3.344×cos21.80×60004)/(206×103×1522×104)=16.7mm 构造要求 λx=600/8.07=74.35<200 λy=300/2.20=136.36<200 故此檩条在平面内外均满足要求 三、屋架设计 ⑴屋架结构的几何尺寸如图 檩条支撑于屋架上弦节点。 屋架坡角(上弦与下弦之间的夹角)为α=21.80°檩距=2.229m ⑵支撑布置 《建筑抗震设计规范》(GB50011--2001)支撑布置见图,上弦横向水平支撑设置在房屋两端和伸缩缝处第一开内,并在相应开间屋架跨中设置垂直支撑,其余在开间,屋架下弦跨中设置一通长水平柔性系杆,上弦横向水平支撑在交叉点处与檩条相连,故上弦杆在屋架平面外的计算长度等于其节间几何长度,下弦杆在屋架平面外的计算长度为屋架跨度的一半。 ⑶荷载标准值 1永久荷载(恒荷载)(对水平投影面) 压型钢板(不保温)0.1KN/m² 檩条自重(不包括拉条支撑)0.1KN/m² 屋架及支撑自重0.15KN/m² 管道条0.05KN/m² 合计0.40KN/m² 2可变荷载(活荷载)(对水平投影面) ㈠雪荷载 基本雪压SO=0.6KN/m²,按《建筑结构荷载规范》(GB50009--2001)表6.2.1考虑积雪全跨均匀分布情况,由于α=21.80°<25°所以μr=1.0雪荷载标准值SK=μrSO=0.6KN/m² ㈡风荷载 基本风压ω0=0.4KN/m² ⑷荷载组合 1恒荷载+活(或雪)荷载 2恒荷载+半跨活(或雪)荷载 3恒荷载+风荷载 4屋架、檩条自重+半跨(屋面板+0.3KN/m²安装荷载) ⑸上弦的集中恒荷载及节点荷载 由檩条传给屋架上限的集中恒荷载和上弦节点恒荷载见图 由檩条传给屋架上限的集中活荷载和上弦节点活荷载见图 具体计算过程如下; 1全跨屋面恒荷载作用下,, 上弦集中恒荷载标准值P1、=0.40×6×2.229×3/101/2=5.08KN 上弦节点恒荷载P1=P1、=5.08KN 2全跨雪荷载作用下P2、=0.60×6×2.229×3/101/2=7.61KN 上弦节点雪荷载: P2=P2、=7.61KN 假定基本组合由可变荷载效应控制,则上弦节点荷载设计值为1.2×5.08+1.4×7.61KN=16.75KN若基本荷载组合由永久荷载效应控制,则上弦节点荷载设计值为1.35×5.08+1.4×7.61=17.512KN 综上可知,本工程屋面荷载组合效应由可变荷载效应控制。 3风荷载标准值 风荷载体型系数: 背风面μs=-0.5 迎风面μs=-0.47≈-0.5 风压高度变化系数μz(本设计地面粗糙度为B类)屋架下弦标高12.0mH=12+5.08/2=14.54m坡度i=1/2.5α=21.80°风压高度变化系数μz=1.02≈1.0ßz=1.0 计算主要承重结构: ωk=ßzμsμzω0 背风面: ωk=1.0×(-0.5)×1.0×0.4=0.2KN/m²(垂直于屋面) 迎风面: ωk=1.0×(-0.5)×1.0×0.4=0.2KN/m²(垂直于屋面) 由檩条传给屋架上弦的集中风荷载标准值P3、=ω1、=-0.2×2.229×6=-2.652KN上弦节点风荷载标准值P3=ω1=P3、=-2.625KN ⑹内力计算 内力组合见表 杆件名称 杆件编号 全跨荷载 半跨荷载 风荷载 内力组合 最不利内力 内力系数 恒载标准 值1P1K= 5.08(计支撑自重) 恒载标准 值2 P1K= 3.17(不计支撑自重) 活载标准值P2K=7.61 内力系数 半跨活(或雪)荷载内力标准值SK= 7.61 内力系数 风荷载内力标准值 P3K= -2.675 1.2 恒2+ 1.4活 1.2恒2+1.4半跨活 1.0恒2+ 1.4风 上弦 1-2 -17.39 -88.34 -55.13 -132.34 -12.55 -95.51 16.50 -44.14 -251.43 -199.87 -116.93 -251.43 2-3 -16.13 -81.94 -51.13 -122.75 -11.35 -86.37 15.55 -41.60 -233.21 -182.27 -109.37 -233.21 3-4 -16.76 -85.14 -53.13 -127.54 -12.10 -92.08 16.50 -44.14 -242.31 -192.67 -114.93 -242.31 4-5 -16.44 -83.52 -52.11 -125.11 -11.65 -88.66 16.50 -44.14 -237.69 -186.66 -113.91 -237.69 5-6 -15.18 -77.11 -48.12 -115.52 -10.40 -79.14 15.55 -41.60 -219.47 -168.54 -106.36 -219.47 6-7 -15.8 -80.26 -50.09 -120.24 -11.05 -84.09 16.30 -43.60 -228.44 -177.83 -111.13 -228.44 下弦 1-8 16.50 83.82 52.31 125.57 12.00 91.32 -17.30 46.28 238.57 190.62 117.10 238.57 8-9 13.50 68.58 42.80 102.74 9.05 68.87 -14.30 38.25 195.20 147.78 96.35 195.20 9-10 9.00 45.72 28.53 68.49 4.55 34.63 -9.43 25.23 130.12 82.72 63.85 130.12 腹杆 2-8 -1.34 -6.81 -4.24 -10.20 -1.34 -10.20 1.35 -3.61 -19.37 -19.37 -9.29 -19.37 3-8 -1.34 -6.81 -4.24 -10.20 -1.34 -10.20 1.35 -3.61 -19.37 -19.37 -9.29 -19.37 4-8 3.00 15.24 9.51 22.83 3.00 22.83 -3.11 8.32 43.37 43.37 21.16 43.37 4-9 -2.85 -14.48 -9.03 -21.69 -2.85 -21.69 3.05 -8.16 -41.20 -41.20 -20.45 -41.20 4-11 3.00 15.24 9.51 22.83 3.00 22.83 -3.11 8.32 43.37 43.37 21.16 43.37 5-11 -1.34 -6.81 -4.24 -10.20 -1.34 -10.20 1.35 -3.61 -19.37 -19.37 -9.29 -19.37 6-11 -1.34 -6.81 -4.24 -10.20 -1.34 -10.20 1.35 -3.61 -19.37 -19.37 -9.29 -19.37 9-11 4.50 22.86 14.27 34.25 4.50 34.25 -4.42 11.82 65.07 65.07 30.82 65.07 7-11 7.50 38.1 23.78 57.08 7.50 57.08 -7.85 21.00 108.45 108.45 53.18 108.45 7-10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 屋架杆件内力组合表 ⑺截面选择 ㈠上弦杆截面选择 上弦杆采用相同截面,以节间1-2的最大轴力N1-2来选择,下弦以节间1-8的最大轴力N1-8来选择,腹杆以节间7-11的最大轴力N7-11来选择。 各杆件的截面尺寸选择如下表 构件名称 杆件号 内力(KN) 规格 面积(㎝²) 长细比 稳定系数 应力σ [f]=215N/㎜² lx/ix=λx ly/iy=λy 上弦 N1-2 -251.43 ┓┏ 100×6 23.86 239.6/3.1=77 479.2/4.37= 110 φ=0.523 251.43×10³/ 0.523×23.86×10²=207.73 下弦 N1-8 238.57 ┛┗ 75×8 23.01 387.2/2.28= 169.82 774.4/3.42= 226.43 238.57×10³/ 23.01×10²=103.68 腹杆 N7-11 108.45 ┛┗ 70×8 21.33 387.2/2.13= 181.78 774.4/3.22= 240.50 108.45×10³/ 21.33×10²=50.84 杆件名称 杆件编号 截面规格(㎜) 杆件内力(㎜) 肢背焊脚尺寸hf1(㎜) 肢背焊缝长度lw(㎜) 肢尖焊脚尺寸hf2(㎜) 肢尖焊缝长度lw′(㎜) 下弦杆 1-8 ┛┗75×8 238.57 4 160 4 75 斜腹杆 2-8 ┛┗70×8 -19.37 4 45 4 45 3-8 ┛┗70×8 -19.37 4 45 4 45 4-8 ┛┗70×8 43.37 4 45 4 45 4-9 ┛┗70×8 -41.20 4 45 4 45 4-11 ┛┗70×8 43.37 4 45 4 45 5-11 ┛┗70×8 -19.37 4 45 4 45 6-11 ┛┗70×8 -19.37 4 45 4 45 7-11 ┛┗70×8 108.45 4 80 4 45 9-11 ┛┗70×8 65.07 4 55 4 45 竖腹杆 7-10 ┛┗70×8 0 4 45 4 45 注: 表中焊缝计算长度lw,lw=lwˊ+2hf ⑻上弦接点连接计算 1支座节点“1” 为了便于施焊下弦杆肢背与支座板顶面的距离取125mm,锚栓用2M20,栓孔位置见图 在节点中心线上设置加劲肋,加劲肋高度和节点板高度相同。 A、支座底板计算 支座反力: R=76.14kn 设a=b=120mma1=21/2×120=169.7mm b1×a1/2=84.4mm支座底板承压面积为: An=240×200-π×202-2×40×50=52300mm2 由公式验算柱顶混凝土的抗压强度 R/An=76.14×103/52300=1.46n/mm2<βcfc =(Ab/Ac)1/2fc=(240×240/52300)1/2×9.6=10n/mm2(C20混凝土fc=9.6n/mm2) 支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算,有公式得: M=βqa12 式中q=R/An=R/A0-An=76140/52300=1.46n/mm2 b1/a1=84.8/169.7=0.5 查表得β=0.06M=βqa12=0.06×1.46×169.72=2522.71n/mm2 支座底板厚度由公式得 t=(6M/f)1/2=(6×2522.71/215)1/2=8.39取12mm B、加劲肋与节点板的连接焊缝 假定一块加劲肋承受的屋架支座反力的四分之一,即: 1/4×76.14=19.035kn 焊缝受剪力V=19.035kn弯矩M=19.035×(120-20)/2=952kn·mm设焊缝hf=6㎜lw=160-40-2×6=108mm 焊缝应力由公式得: {[v/(2×0.7hflw)]2+[6M/(2×0.7βfhflw2)]2}1/2 ={[19.035×103/(2×0.76×108)]2 +[6×952×103/(2×0.7×1.22×6×1082)]2}1/2 =(13445.32+2283.51)1/2 =125<160n/mm2 C、支座底板的连接焊缝 假定焊缝传递全部支座反力R=76.14kn设焊缝的hf=8mm,支座底板的连接焊缝长度为∑lw=2(240-2hf)+4×(120-4-10-2hf)=2(240-2×8)+4×(120-4-10-2×8)=808mm 由公式得: τf=R/0.7βfhf∑lw=76.14×103/0.7×1.22×8×808 =13.8 D、上弦杆于节点板的焊缝计算 节点板和焊缝的连接计算,节点板于上弦角钢肢背采用槽焊缝连接,假定槽焊缝只承重屋面集中荷载P,P=12.69kn。 节点板于上弦角钢肢尖采用双面角焊缝连接,承受上弦的内力差△N节点“1”槽焊缝hf1=0.5t1=4mm其中t1为节点板厚度。 lw=500-2hf=520-2×4=512mm由公式得: σf=P/(2×0.7hflw)=12.69×103/2×0.7×4×512=4.43n/mm2 上弦采用不等边角钢,短肢相拼,肢尖角焊缝的焊脚尺寸hf2=5mm。 则角钢肢尖焊缝的计算长度lw=520-2×5=510mm 上弦内力差N=-251.43kn偏心弯矩M=N·e,e=55mm由公式得: σf=6M/(2×0.7hf2lw2)=(6×251.43×103)×55/(2×0.7×5×5102)=45.57n/mm2 τf=N/(2×0.7hf2lw)=251.43×103/(2×0.7×5×510)=70.43n/mm2 [(σf/βf)2+τf2]1/2=[(45.57/1.22)2+70.432]1/2 =79.72n/mm2 上弦节点“2”(见图) 节点板与上弦的连接计算,节点板于上弦角钢肢背采用槽焊缝连接,假定槽焊缝只承重屋面集中荷载P,P=12.96kn。 节点板于上弦角钢肢尖采用双面角贴角焊缝连接,承受上弦的内力差△N节点“2”塞不控制只需验算肢尖焊缝。 上弦采用等边角钢,肢角焊缝的焊脚对hf2=0.5mm则角钢肢尖角焊缝的计算长度lw=130-2hf=130-2hf=130-2×5=120mm: 弦杆相邻节间内力差N=-251.43-(-233.21)=-18.22kn偏心弯矩M=Nee=55mm由公式得: σf=6M/(2×0.7hf2lw2)=(6×18.22×103)×55/(2×0.7×5×1202)=59.65n/mm2 τf=△N/(2×0.7hf2lw)=18.22×103/(2×0.7×5×120)=21.69n/mm2 [(σf/βf)2+τf2]1/2 =[(59.65/1.22)2+21.692]1/2 =53.79n/mm2 上弦节点“4”(见图) 因上弦杆间内力差小,节点板尺寸大,故不需要再验算。 屋脊节点“7”(见图) 上弦杆节点荷载P假定角钢肢背的塞焊缝承受同上,按构造要求考虑,都可满足。 根据公式,上弦杆件与拼接角钢之间在接头一侧的焊缝长度为 L‘W=N/(4×0.7hffwf)+2hf=228.44×103/(4×0.7×4×0.95×160)+2×4=142.2mm,取140mm 采用拼接角钢长l=2×140+10=290,实际拼接角钢总长可取为300mm。 拼接角钢竖肢需切肢,实际切肢△=t+hf+5=12+8+5=25mm,切肢后剩余高度h-△=110-25=85mm,水平肢上需要设置安装螺栓。 上弦杆与节点板的连接焊缝按肢尖焊缝承受上弦杆内力的15%计算,角钢肢尖角焊缝的焊脚尺寸hf2=4mm,则角钢肢尖角焊缝的计算长度lw=240×3.16/3-2×4-10=235mm,△N=15%×228.44=34.27kn偏心弯矩M=△N.ee=55mm则由公式得 σf=6M/(2×0.7hf2lw2)=(6×34.27×103)×55/(2×0.7×5×2352)=29.25n/mm2 τf=△N/(2×0.7hf2lw)=34.27×103/(2×0.7×4×235)=26.04n/mm2 (σf/βf)2+τf2]1/2=[(29.25/1.22)2+12.962]1/2=27.25n/mm2 下弦拼接节点“10” 拼接角钢与下弦杆用相同规格,选用┚┖75×8,下弦杆与拼接角钢之间角焊缝的焊脚尺寸采用hf=4mm。 根据公式得下弦杆件与拼接角钢之间在接头一侧得焊缝长度为: L‘w=N/(4×0.7hffwf)+2hf=Af/(4×0.7hffwf)+2hf=10.83×102×0.95×215/(4×0.7×4×0.95×160)+2×4=137.9mm,取140mm 拼接角钢得长度取2L‘w+10=290mm,接头的位置视材料得长度而定,最好设在跨中节点处,当接头不在节点视由公式得焊缝长度为: L’w1=0.7×0.15×130.12×103//(2×0.7×4×0.95×160)+2×4=24.05取100mm.设肢尖焊缝得焊脚尺寸hf=4mm.由公式得焊缝长度为 L’w1=0.3×0.15×130.12×103/(2×0.7×4×0.95×160)+2×4=14.8mm 由以上计算可知,下弦角钢与节点板的连接焊缝长度是按构造要求确定的,取100mm。 本设计檩条为【20,拉条为Ф12,撑杆为D32×2圆钢管,上弦为┓┏100×6,下弦为┛┗75×8,腹杆为┛┗70×8。
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