钢结构课程设计单层工业厂房.docx
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钢结构课程设计单层工业厂房
钢结构单层工业厂房课程设计
指导教师:
曹现雷
班级:
土133班
姓名:
杨骏
学号:
139044535
日期:
2016.4.24
一、设计资料………………………………………..…1
二、屋架形式及几何尺寸……………………………..1
三、支撑的布置………………………………………..2
四、檩条的布置………………………………………..3
五、材料自重及荷载…………………………………..4
六、荷载计算…………………………………………..4
七、杆件截面选择……………………………………..5
八、各腹杆的焊缝尺寸计算…………………………10
九、节点板的设计……………………………………11
一、设计资料:
某厂房车间设有两台10吨中级工作制吊车。
车间无腐蚀性介质。
该车间为单跨双坡封闭式厂房,屋架采用梯形桁架式钢屋架,屋架下弦标高9m,其两端铰支于钢筋混凝土柱上,柱截面尺寸为400㎜×400㎜,混凝土强度等级为C30。
屋面采用压型钢板屋面,C型檩条,檩距为1.2m~2.6m。
屋面恒荷载(包括屋面板、保温层、檩条、屋架及支撑等)取值参考教材2.2.1中规定。
活荷载标准值取0.5kN/mm2;雪荷载标准值取0.2,不考虑积灰荷载和积雪不均匀分布情况。
结构重要性系数为γ0=1.0。
屋架采用Q235B钢,焊条采用E43型。
设计时,荷载按以下情况组合:
a.恒载+全跨活荷载(或雪荷载)
b.恒载+半跨活荷载(或雪荷载)
二、屋架形式及几何尺寸
屋架及几何尺寸如图1所示,檩条支承于屋架上弦节点。
檩距为2267.5mm,水平投影距离为2250mm。
屋架坡度为
α=arctan=7.13°。
图1屋架形式和几何尺寸
三、支撑的布置
依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2001,支撑布置图如图2所示,上、下弦横向水平支撑设置在厂房两端和中部的同一柱间,并在相应开间的屋架跨中设置竖直支撑,在其余开间的屋架下弦跨中设置一道通长的刚性细杆,上弦通过水平支撑在节点处设置通长的刚性细杆。
下弦两端设纵向水平支撑。
故上弦杆在屋架平面外的计算长度等于横向支撑的节距。
支撑的布置见图2。
上弦水平支撑布置图
下弦水平支撑布置图
1-1中部垂直支撑布置图
2-2端部垂直支撑布置图
图2支撑的布置图
四、檩条布置
檩条设置在屋架上弦的每个节点上,间距2267.5mm。
水平投影距离为2250mm。
屋架间距为7.2m,所以在檩条跨中三分点处设两道直拉条。
在屋脊和屋檐分别设置斜拉条和撑杆。
檩条布置见图3。
图3檩条布置图
五、材料自重及荷载
已知:
彩色压型钢屋面板:
0.15KN/
保温层及灯具:
0.15KN/
C型檩条自重:
0.10KN/
屋架及支撑自重:
q=0.318KN/
雪荷载(水平投影面):
0.2KN/
活荷载(水平投影面):
0.5KN/
六、荷载计算
1:
永久荷载(恒载)计算:
彩色压型钢屋面板:
0.15/=0.151KN/
保温层及灯具0.15/=0.151KN/
檩条自重:
0.1KN/
屋架及支撑自重:
q=0.318KN/
合计:
0.720KN/
恒载设计值按分项系数1.2取为:
=0.720*1.2=0.864KN/
按分项系数1.35取为:
=0.720*135=0.972KN/
2:
活载计算:
=0.5*1.4=0.7KN/>雪荷载,所以,不考虑雪荷载。
由于+=0.864+0.7=1.564>+0.7*=1.462,故永久荷载不起控制作用。
所以,恒载按分项系数1.2设计。
故有上弦节点恒荷载为
=7.20*2.25*=7.2*2.25*0.864=13.977KN
活荷载为
=7.20*2.25*=7.2*2.25*0.7=11.340KN
故可得各杆件的内力大小,见图4。
图4屋架各杆件内力组合表
七、杆件截面选择(假定轴力拉为正,压为负)
1、上弦杆中内力最大的为4-5,=-156.864KN,
=226.8cm,=453.6cm。
选用2L90x6角钢,A=2*10.6=21.2,=2.79cm,=3.91cm
长细比:
===81.3<[λ]=150
===116<[λ]=150
=ξ=3.9x=58.5
>,=[1+0.16]=116*[1+0.16]=120.7
查表得=0.683=0.434
σ==170.5N/ 满足要求。 2、下弦杆中内力最大的为7-8,=161.497KN,=225cm,=225cm。 选用2L90x6角钢,A=2*10.6=21.2,=2.79cm,=3.91cm σ==76.2N/ 受拉杆件的容许长细比[λ]=350 长细比: ===80.6<[λ]=350 ===57.5<[λ]=350 满足要求。 3、斜腹杆2-6,=-130.433KN, =306.5cm,=306.5cm。 选用2L80x6角钢,A=2*9.4=18.8,=2.47cm,=3.51cm 长细比: ===124.1<[λ]=150 ===87.3<[λ]=150 =ξ=3.9x=52 >,=[1+0.16]=87.3*[1+0.16]=92.3 查表得=0.416=0.606 σ==166.8N/ 满足要求。 4、斜腹杆2-7,=66.558KN, =245.2cm,=306.5cm。 选用2L70x5角钢,A=2*6.87=13.74,=2.16cm,=3.09cm σ==48.44N/ 受拉杆件的容许长细比[λ]=350 长细比: ===113.5<[λ]=350 ===99.2<[λ]=350 满足要求。 5、斜腹杆4-7,=-26.127KN, =277.8cm,=347.2cm。 选用2L70x5角钢,A=2*6.87=13.74,=2.16cm,=3.09cm 长细比: ===128.6<[λ]=150 ===112.4<[λ]=150 =ξ=3.9x=54.6 >,=[1+0.16]=112.4*[1+0.16]=116.6 查表得=0.394=0.455 σ==48.3N/ 满足要求。 6、斜腹杆4-8,=-14.936KN, =277.8cm,=347.2cm。 选用2L70x5角钢,A=2*6.87=13.74,=2.16cm,=3.09cm 长细比: ===128.6<[λ]=150 ===113.1<[λ]=150 =ξ=3.9x=54.6 >,=[1+0.16]=113.1*[1+0.16]=117.3 查表得=0.394=0.432 σ==27.6N/ 满足要求。 7、竖腹杆1-6,=-12.659KN, =180cm,=180cm。 选用2L50x5角钢,A=2*4.8=9.6,=1.53cm,=2.30cm 长细比: ===117.6<[λ]=150 ===78.3<[λ]=150 =ξ=3.9x=39 >,=[1+0.16]=78.3*[1+0.16]=81.4 查表得=0.450=0.646 σ==29.3N/ 满足要求。 8、竖腹杆3-7,=-25.137KN, =189cm,=236.3cm。 选用2L50x5角钢,A=2*4.8=9.6,=1.53cm,=2.30cm 长细比: ===123.5<[λ]=150 ===102.7<[λ]=150 =ξ=3.9x=39 >,=[1+0.16]=102.7*[1+0.16]=105 查表得=0.419=0.523 σ==62.5N/ 满足要求。 9、竖腹杆5-8,=13.621KN, =234cm,=292.5cm。 选用2L50x5角钢,A=2*4.8=9.6,=1.53cm,=2.30cm σ==14.2N/ 受拉杆件的容许长细比[λ]=350 长细比: ===152.9<[λ]=350 ===127.2<[λ]=350 满足要求。 各杆件截面选择汇总见下表 八、各腹杆的焊缝尺寸计算 (除支座处节点板厚度为t=8mm外,其余节点板厚度节点板厚度均为t=6mm。 ) 1、先计算内力最大的腹杆2-6,=-130.433KN。 所需最小焊缝宽度: ≥1.5=1.5*=3.7mm, 角钢肢尖处最大焊缝宽度: ≤6–(1~2)=4~5mm, 角钢肢背出最大焊缝宽度: ≤1.2t=7.2mm。 所以角钢肢尖和肢背处都取=5mm。 所需焊缝长度: ≥+2=91.5mm取100mm ≥+2=44mm取80mm 2、腹杆2-7,=66.558KN,取=4mm 所需焊缝长度: ≥+2=60.0mm取80mm ≥+2=30.3mm取80mm 其余腹杆内力均小于杆2-7,所以可取其余各腹杆的焊缝尺寸,如下表所示: 九、节点板的设计 (节点板的尺寸根据所汇交腹杆端部的焊缝设计长度确定) 附: 节点编号如下图 1、节点板“3”验算: 1’: 槽焊缝验算 节点板与上弦角钢肢背采用槽焊缝(满焊)连接,并由此槽焊缝支撑上弦集中荷载P(P=13.977KN)。 取槽焊缝宽度 =0.5t=3mm,得=130–2*3=124mm。 = =26.8KN/<=1.22*160=195.2KN/。 由此可见因为上弦集中荷载很小,所以后面的节点板可不需验算槽焊缝。 2’: 因节点板“2”左右两端杆件内力相等,所以节点板传递的内力差ΔN=0,所以不需验算上弦杆与节点板的肢尖焊缝,按照构造要求满焊即可。 2’: 节点板强度及稳定性验算 力作用下强度验算: 由图量出=186mm, σ==22.9N/ 满足要求。 因节点板“1”同样不传递上弦杆内力,且杆件内力很小 (N=-12.659KN)所以可不验算节点板“1”。 2、节点板“2”验算: 1’: 上弦肢尖角焊缝验算 节点板与上弦杆的焊缝连接只传递节点板两端杆件的内力差ΔN(ΔN=-145.649KN)。 采用双面贴角焊缝(满焊)连接承担内力差∆N。 取角焊缝宽度为5mm,所以得=400–2*5=390mm,内力差ΔN=-145.649KN,偏心距e=65mm,偏心弯矩M=ΔN*e。 =53.4N/ ==53.4N/。 ==69.0N/<=160N/ 1-2杆与节点板间理论上不传力,但按照节点构造要求,采用与杆2–3相同的焊缝。 2’: 节点板强度及稳定性验算 力作用下强度验算: 由图量出=213mm, σ==102.1N/ 力作用下节点板拉剪验算: =49.9°=90°=40.1° =57.3mm=70mm=88.4mm =0.739=1=0.794 =60.85N/ 对于无竖腹杆的节点板,c/t=54/6=9≤10时,节点板的稳定承载力为: 0.8tf=0.8*213*6*215*=219.8KN>=130.433KN 节点板的自由端长度==53.3<60 节点板“2”满足要求。 3、节点板“4”验算 由节点板“2”可知,槽焊缝可不需再验算,只需满焊即可。 1’: 上弦肢尖角焊缝验算 节点板只传递杆3-4和杆4-5的内力差∆N=11.215KN。 取角焊缝宽度为5mm,且焊缝长度为满焊,所以得 =340–2*5=330mm,内力差ΔN=-11.215KN,偏心距e=65mm,偏心弯矩M=ΔN*e。 =5.7N/ ==4.9N/ ==6.8N/<=160N/ 2’: 节点板强度及稳定性验算 力作用下强度验算: 由图量出=184mm σ==23.7N/ 力作用下强度验算: 由图量出=186mm σ==13.4N/ 对于无竖腹杆的节点板,c/t=51/6=8.5≤10时,节点板的稳定承载力为: 0.8tf=0.8*184*6*215*=190.0KN>=26.317KN 节点板的自由端长度==35.8<60 节点板“4”设计满足要求。 4、节点板“7”验算 1’: 节点板与下弦杆连接焊缝: 节点板“7”只传递杆6-7和杆7-8的内力差ΔN=-65.799KN取下弦杆与节点板的连接焊缝宽为=5mm 肢背焊缝长度为: ≥+2=+2 =51.1mm 肢尖焊缝则更小,所以无需再计算,肢尖、肢背均满焊即可。 2’: 节点板强度及稳定性验算 力作用下强度验算: 由图量出=178mm σ==24.5N/ 力作用下强度验算: 由图量出=182mm σ==23.2N/ 力作用下节点板拉剪验算: =42.8°=90°=47.2° =75mm=70mm=63mm =0.694=1=0.721 =66.3N/ 节点板“7”设计满足要求。 5、下弦跨中拼接节点“8” 1’: 下弦杆拼角钢计算 拼接角钢与下弦角钢使用相同的2L90x6角钢,设焊缝宽度宽度为=5m,为了便于施焊,切去拼接角钢肢尖部分竖肢,切去∆=t++5=6+ 5 + 5 =16mm。 再切去拼接角钢的直角棱边,所以下弦杆与拼接角钢在接头一侧的角钢在接头一侧的焊缝长度为: =+2=+2*5=82.1mm 取,下弦角钢间隙b取20mm,则拼接角钢的长度为2+20=300mm。 2’: 下弦杆与节点板焊缝计算 因节点板两端杆件内力差∆N=0,所以取一侧内力(161.497KN)的15%进行计算。 取角焊缝宽度=5mm,节点板满焊,则: 角焊缝长度为=400–2*5=390mm。 肢背焊缝: = =6.2N/<=160N/ 肢尖焊缝: = =2.7N/<=160N/ 3’: 强度及稳定性验算 力作用下强度验算: 由图量出=178mm σ==14.0N/ 节点板“8”设计满足要求。 为了便于拼接节点现场施焊,需进行提前定位,在拼接角钢的两侧翼橼板和下弦杆底部布置安装螺栓。 安装螺栓孔径及位置见结构施工详图。 6、上弦跨中节点“5” 1’: 槽焊缝计算 槽焊缝所受的力大小为: 2P–2*sinα=2*13.977–2*156.864*sin7.13°=-11.0KN 因槽焊缝所受的力很小,所以可以不需验算槽焊缝,槽焊缝满焊即可满足受力要求。 2’: 上弦拼接角钢的计算 拼接角钢与上弦角钢使用相同规格的2L90x6角钢,设焊缝宽度为=5m,上弦杆与拼接角钢在接头一侧的角钢在接头一侧的焊缝长度为: =+2=+2*5=80mm 取,取b=20mm,则拼接角钢的长度为2+20=500mm。 3、上弦肢尖与节点板“5”的连接焊缝验算 节点板只传力为N=0.15=23.5KN。 取角焊缝长度为5mm,焊缝为满焊,所以=145–2*5=135mm 偏心距e=65mm,偏心弯矩M=ΔN*e。 =71.8N/ ==24.9N/ ==63.9N/<=160N/ 节点板“5”设计满足要求。 7、支座节点“6”设计 图4: 支座节点设计 锚栓采用2M20,栓孔取40mm,栓孔位见图。 在节点板中心线上设置加劲肋,加劲肋高度与节点板高度一致。 根据竖腹杆和斜腹杆焊缝尺寸,支座处节点板采用不规则多边形,尺寸见图4,厚度t=8mm,为了方便施焊,取底板上表面至下弦杆肢背的距离为140mm,且在支座中线处设加劲肋,加劲肋厚度、高度与节点板相同,加劲肋板断开且切角20mm。 1’: 底板尺寸设计 支座反力R=4(P1+P2)=4×(13.977+11.340)=101.3KN。 取底板尺寸为280*280mm,锚栓采用2M20,栓孔径40mm,并用图示U形缺口。 柱采用的C30混凝土fc=14.3N/mm² 验算柱顶混凝土的抗压强度: q== =1.3N/mm²<fc=14.3N/mm²满足要求。 支座底板的厚度计算: a1==192.3mm b1=(140–4)*=96.1mm ==0.500查表得: β=0.058 M=βq²=0.058*1.3*192.3²=2788N∙mm 支座底板厚度: t≥==8.82mm,取18mm 2’: 加劲肋计算 设=5mm。 取焊缝满焊时的计算长度为: Lw=350−20−2=320mm V=R/4=101.3/4=25.3kN M=V∙e=25.3*=1720.4KN∙mm =14.4N/ ==11.3N/ ==16.3N/<=160N/ 所以加劲肋高度满足要求。 3’: 支座节点板、加劲肋与底板的水平连接焊缝 假定焊缝传递全部支座反例R=101.3KN,设焊缝宽度为 =5mm,支座底板的水平连接焊缝总长为节点板的水平焊与加劲肋的水平焊缝之和: =2(280–2)+4(140–4–20–2) =2*(280–10)+4(140–4–20–2*5) =964mm ==6.1N/ 满足要求。
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