钢结构梯形钢屋架设计.doc

燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：钢结构梯形钢屋架设计学院（系）：建筑工程与力学学院年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 目录一、 设计资料.3二、 结构形式与布置.3三、 荷载计算.5四、 内力计算.6五、 杆件设计.8六、 节点设计.15梯形钢屋架课程设计计算书一、设计资料1、厂房的跨度分别取、，长度为，柱距。车间内设有两台中级工作制吊车。梯形屋架，屋架端高分别为、1.7、1.8、1.9、2.0，屋面坡度分别为i=1/9，1/10、1/11、1/12，屋架支撑在钢筋混凝土柱上，上柱截面400×400，混凝土标号为C25；计算温度最低20。采用1.5×6预应力钢筋混凝土大型屋面板和卷材屋面。屋面做法：三毡四油绿豆砂防水层，20厚1：3水泥砂浆找平层，80厚泡沫混凝土保温层。屋面活荷载标准值0.5，雪荷载标准值0.5，积灰荷载标准值0.5。由于屋面坡度小、重型屋面，不考虑风荷载。2、屋架计算跨度 3、跨中及端部高度：本题设计为无檩屋盖方案，采用平坡梯形屋架，屋面坡度为i=1/10，屋架在18轴线处的端部高度，屋架的中间高度h=2.800m，则屋架在处，两端的高度为。二、结构形式与布置屋架形式及几何尺寸如图1所示。根据厂房长度、跨度及荷载情况，设置了两道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间。在所有柱间的上弦平面设置了刚性与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载。在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端各设一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置如图2所示。图1 梯形钢屋架形式和几何尺寸桁架上弦支撑布置图桁架下弦支撑布置图垂直支撑1-1垂直支撑2-2图2 梯形钢屋架支撑布置SC-上弦支撑；XC-下弦支撑；CC-垂直支撑；GC-刚性系杆；LG-柔性系杆三、荷载计算屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准值进行计算。该厂房屋面活荷载与该地区的雪荷载均为，故取进行计算。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式计算，跨度单位为米（）。表1荷载计算表荷 载 名 称标 准 值（kN/m2）设 计 值（kN/m2）预应力混凝土大型屋面板1.41.4×1.35=1.89三毡四油防水层0.40.4×1.35=0.5420mm厚找平层0.02×20=0.40.4×1.35=0.5480mm厚泡沫混凝土保温层0.08×6=0.480.48×1.35=0.648屋架和支撑自重0.12+0.011×18=0.3180.318×1.35=0.429管道荷载0.10.1×1.35=0.135永久荷载总和3.0984.182屋面活荷载0.50.5×1.4=0.7积灰荷载0.50.5×1.4=0.7可变荷载总和1.01.4设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合。1、全跨永久荷载+全跨可变荷载2、全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载：半跨节点可变荷载：3、全跨屋架（包括支撑）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载半跨节点屋架自重：半跨节点屋面板自重及活荷载：四、内力计算屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图3所示。由图解法解得F=1的屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果如表2所示。图3 屋架计算简图表2屋架杆件内力组合表杆件名称内力系数（F=1）第一种组合F×第二种组合第二种组合杆件计算内力（kN）全跨左半跨右半跨F1×+ F2×F1×+ F2×F3×+ F4×F3×+ F4×上弦杆AB000000000BC-6.69-4.70-1.99-336.09-311.02-276.87-135.38-72.21-336.09CD-6.69-4.70-1.99-336.09-311.02-276.87-135.38-72.21-336.09DE-9.45-5.92-3.53-474.75-430.27-400.16-174.47-118.76-474.75EF-9.45-5.92-3.53-474.75-430.27-400.16-174.47-118.76-474.75FG-9.41-4.70-4.7-472.74-413.39-413.39-145.88-145.88-472.74下弦杆ab3.782.761.02189.90177.05155.1278.9338.37189.90bc8.455.652.8424.51389.23353.32164.3297.89424.51cd9.665.534.13485.30433.26415.62166.19133.56485.30斜腹杆aB-6.67-4.88-1.79-335.09-312.53-273.60-139.50-67.47-335.09bB4.733.151.58237.63217.72197.9491.6855.09237.63Db-3.3-1.79-1.5-165.79-146.76-143.11-54.46-47.70-165.79cD1.740.441.387.4171.0381.8716.9737.0287.41Fc-0.520.73-1.25-26.12-10.37-35.3215.01-31.14-35.32dF-0.62-1.721.1-31.15-45.01-9.48-42.4923.25-45.01竖杆Aa-0.5-0.50-25.12-25.12-18.82-13.59-1.93-25.12bC-1-10-50.24-50.24-37.64-27.17-3.86-50.24Ec-1-10-50.24-50.24-37.64-27.17-3.86-50.24dG1.080.540.5454.2647.4547.4516.7616.7654.26五、杆件设计1、上弦杆整个上弦杆采用等截面，按DE、EF杆件的最大设计内力设计设计，即上弦杆计算长度：在屋架平面内：为节间轴线长度，即在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据支撑布置和内力变化情况，取为支撑节点间的距离，即根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。如图4所示。 腹杆最大内力，查表，中间节点板厚度选用 10mm，支座节点板厚度选用12mm。设，查Q235钢的稳定系数表，可得（由双角钢组成的T形和十字形截面均属于类），则需要的截面积为图4 上弦截面需要的回转半径：，根据需要的、查角钢规格表，选用2125×80×12，肢背间距，则，按所选角钢进行验算：，满足长细比的要求。双角钢T型截面绕对称轴（轴）应按弯扭屈曲计算长细比，故应按下式计算故由，按类查附表，得填板每个节间放一块（满足桁架平面外计算长度范围内不少于两块），。2、下弦杆整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的杆计算。，所需截面积为： 选用2125×80×12，因，故用不等肢角钢，短肢相并，如图5所示。图5 下弦截面，填板每个节间放一块，。3、斜端杆杆件轴力： 计算长度： 因为，故采用不等肢角钢，长肢相并，使。选用2140×90×14，如图6所示，则图6 端斜杆aB截面，故按下式计算：，故由按类查表得填板放两块，。4、腹杆 ，由于杆件内力较小，可按选择，需要的回转半径为：查型钢表，选用280×10，如图7所示，则，图7 腹杆Fd截面，只需求，查表得，则填板放三块，于5、竖杆 ，由于杆件内力较小，可按选择，需要的回转半径为：查型钢表，选用256×4，如图8所示，则， 图8竖杆Ec截面，只需求，查表得，则填板放三块，小于6、跨中竖杆查型钢表，选用256×4，采用十字形截面，如图9所示，则，十字 形截面：， 填板放2块，< 图9 跨中竖杆Gd截面其余各杆件的截面选择计算过程不再一一列出，现将表列于表3。表3屋 架 杆 件 选 择 表计算应力N/AN/mm2132.3103.754.169.378.5101.589.147.0122.0116.9149.061.8稳定系数y0.793x0.7670.5290.5640.6150.6150.4690.3440.344容许长细比150350150150350150150350150150150350长细比y48.7143.765.762.6066.177.873.473.492.4113.5113.581.8x67.4133.9104.053.9681.798.690.890.8114.1140.2140.2115.6回转半径（cm）iy6.166.162.743.813.742.743.743.742.672.672.673.08ix2.242.241.734.422.421.732.422.421.731.731.732.18截面面积（cm2）46.846.88.786130.268.7830.2630.268.788.788.788.78截面规格125×80×12125×80×1256×4140×90×1480×1056×480×1080×1056×456×456×456×4计算长度（cm）loy300885180238.5247.3213.3274.6274.6246.7303.1303.1252lox150.9300180238.5197.8170.6219.7219.7197.4242.5242.5252内力（kN）-474.75485.30-25.12-335.09237.63-50.24-165.7987.41-50.24-35.32-45.0154.26杆件编号DE、EFcdAaaBBbbCbDDccEcFFdGd名称上弦下弦腹杆六、节点设计1、下弦节点“b”各杆件的内力由表2查得。设计步骤：由腹杆内力计算腹杆与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，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。设“”杆的肢背和肢尖焊缝和，则所需的焊缝长度为（按不等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）肢背：，取。肢尖： ，取。设“”杆的肢背和肢尖焊缝和，则所需的焊缝长度为肢背：，取。肢尖：，取。“”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取。图10 下弦节点“b”根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙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。下弦与节点板连接的焊缝长度为，。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，受力较大的肢背处的焊缝应力为焊缝强度满足要求。该节点如图10所示。2、上弦节点“B”“”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“”相同。“”杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算得设“”杆的肢背和肢尖焊缝和，则所需的焊缝长度为肢背：，取。肢尖：，取。 图11 上弦节点“B”验算上弦与节点板的连接焊缝：节点板缩进，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载肢尖焊缝承担弦杆内力差，偏心距，偏心力矩，采用，则对:对:则焊缝强度为：3、屋脊节点“G”“Gd”杆内力较小，焊缝尺寸可按构造确定，取肢背和肢尖和，取。弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与弦杆之间能够密合，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）。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。设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝，则所需焊缝长度为（一条焊缝）拼接角钢的长度弦杆杆端空隙，拼接角钢长度取280mm。上弦与节点板之间的槽焊缝，假定承受节点荷载，验算与节点“B”处槽焊缝验算方法类似，此处验算过程略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，并考虑此力产生的弯矩。设肢尖焊缝，取节点板长度为300mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为，焊缝应力为因屋架的跨度很大，需将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。腹杆与节点板连接焊缝计算方法与以上几个节点相同。图12 屋脊节点“G”4、下弦跨中节点“d” “Gd”杆杆端焊缝与屋脊节点“G”相同，取，。“Fd”杆内力，内力较小，焊缝尺寸按构造确定，取肢背和肢尖，。弦杆与节点板的连接焊缝：，设肢背和肢尖，则肢背焊缝： 肢尖焊缝： 图13 下弦跨中节点“d”拼接角钢采用与下弦杆相同截面，即2125×80×12，除倒棱外，竖肢需切去。可近似认为4条角焊缝均匀传力，拼接角钢与下弦杆的连接焊缝按下弦截面积等强度计算，即拼接角钢截面面积则在拼接节点一边每条焊缝的计算长度为拼接角钢的长度弦杆杆端空隙，拼接角钢长度取520mm。因屋架的跨度很大，需将屋架分为两个运输单元，在下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的下弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的下弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。5、 支座节点a为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的地面与支座底板的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度12mm。支座底板的计算。支座反力为设支座底板的平面尺寸采用，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。验算柱顶混凝土的抗压强度：式中混凝土强度设计值，对C25混凝土，。支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为式中底板下的平均应力，即；两边支承之间的对角线长度，即；系数，由查表确定。为两边支承的相交点到对角线的垂直距离。由此得，查表得，则单位宽度的最大弯矩为底板厚度为，取支座节点“a“加劲肋与节点板的连接焊缝计算一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力取为，。采用，验算焊缝应力：对对节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。设焊缝传递全部支座反力，其中每块加劲肋各传，节点板传递。节点板与底板的连接焊缝长度，所需焊脚尺寸为故取。每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为所需焊脚尺寸为取。其他节点的计算不再一一列出，详细的施工构造见施工图。