钢结构课程设计 (37).doc
梯形钢屋架课程设计实例1、题号88的已知条件是：梯形钢屋架跨度为30m，长度102m，柱距6m。该车间内设有两台200/50kN中级工作制吊车，轨顶标高为8.500m。冬季最低温度为-20,地震设计烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g。采用1.5m×6m预应力混凝土大型屋面板，80mm厚泡沫混凝土保温层，卷材屋面，屋面坡度1/10。屋面活荷载标准值为0.7kPa，雪荷载标准值为0.5kN/，积灰荷载标准值为0.6 kN/。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为400mm×400mm，混凝土标号为C20。钢材采用Q235B级，焊条采用E43型。要求设计钢屋架并绘制施工图。2、屋架计算跨度：3、跨中及端部高度：本例题设计为无檩屋盖方案，采用平坡梯形屋架，取屋架在30m轴线处的端部高度，屋架的中间高度：（为），则屋架在29.7m处，两端的高度为。屋架跨中起拱按考虑，取60mm。2.3.1 结构型式与布置屋架型式及几何尺寸如图2.12所示。图2.12 梯形钢屋架形式和几何尺寸根据厂房长度（102m>60m）、跨度及荷载情况，设置三道上、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，该水平支撑的规格与中间柱间支撑的规格有所不同。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2.13所示。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2-2SC上弦支撑；XC下弦支撑；CC垂直支撑；GG刚性系杆；LG柔性系杆图2.13 梯形钢屋架支撑布置2.3.2 荷载计算 屋面和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。故取屋面活荷载0.7kN/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m。表2.2 荷载计算表荷载名称标准值（kN/）设计值（kN/）预应力混凝土大型屋面板1.41.4×1.351.89三毡四油防水层0.40.4×1.350.54找平层（厚20mm）0.02×200.40.4×1.350.5480mm厚泡沫混凝土保温层0.08×60.480.48×1.350.648屋架和支撑自重0.450.45×1.350.608管道荷载0.10.1×1.350.135永久荷载总和3.234.361屋面活荷载0.70.7×1.40.98积灰荷载0.60.6×1.40.84可变荷载总和1.31.82设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：（1） 全跨永久荷载+全跨可变荷载全跨节点永久荷载及可变荷载：（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+半跨屋面活荷载全跨节点屋架自重：半跨节点屋面板自重及活荷载：（1）、（2）为使用节点荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。2.3.3 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2.14所示。(a) (b)(c)图2.14 屋架计算简图由图解法或数解法解得F1的屋架各杆件的内力系数（F1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，计算结果见表2.2。表2.3 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×第二种组合第三种组合计算杆件内力/kN全跨左半跨右半跨×+××+××+××+×上弦ABBC、CDDE、EFFG、GHHIIJ、JK0-11.35-18.19-21.53-22.36-22.730-8.49-13.08-14.62-13.98-14.39-0.01-3.45-6.25-8.46-10.25-10.200-631.39-1011.89-1197.69-1243.86-1264.450-584.54-928.19-1084.51-1106.6-1127.84-0.16-501.99-816.31-983.61-1045.50-1059.210-259.99-404.39-458.56-448.18-459.76-0.23-142.50-245.19-314.97-361.24-362.10-0.23-631.39-1011.89-1197.69-1243.86-1264.45下弦abbccddeef6.3315.3620.2122.1221.234.8411.3014.1414.4411.681.834.987.439.3911.68352.13854.461124.261230.511181.00327.73787.731024.841104.721024.58278.42684.44914.931022.001024.57147.45347.42440.15457.59388.3977.28200.10283.74339.88388.39352.13854.461124.261230.511181.00斜腹杆aBBbbDDccFFddHHeeggKgI-11.348.81-7.555.39-4.232.62-1.510.291.532.160.49-8.666.47-5.233.39-2.250.880.22-1.253.404.070.54-3.272.87-2.842.44-2.432.13-2.121.89-2.28-2.32-0.06-630.83490.09-420.00299.84-235.31145.75-84.0016.1385.11120.1627.26-586.93451.76-382.00267.08-202.88117.25-55.66-9.09115.74151.4428.08-498.65392.79-342.85251.52-205.83137.72-93.9942.3422.7046.7818.25-263.89199.01-163.21108.50-75.5934.84-3.13-27.5587.62106.6915.27-138.25115.09-107.5086.36-79.7863.98-57.6845.64-44.78-42.261.28-630.83490.09-420.00299.84-235.31145.75-93.9945.64-27.55115.74-44.78151.44-42.2628.08竖杆AaCb、EcGd待添加的隐藏文字内容3JgIeKf-0.55-1.00-0.98-0.85-1.420.02-0.54-0.99-0.98-0.90-1.430000000-30.60-55.63-54.52-47.28-78.991.12-30.43-55.47-54.52-48.10-79.160.78-21.59-39.25-38.46-33.36-55.730.78-15.60-28.55-28.20-25.63-41.100.11-3.01-5.47-5.36-4.65-7.770.11-30.60-55.63-54.52-48.10-79.161.122.3.4 杆件设计（1） 上弦杆。整个上弦采用等截面，按IJ、JK杆件的最大设计内力设计。N-1264.45kN上弦杆计算长度：在屋架平面内：为节间轴线长度在屋架平面外：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，根据支持布置和内力变化情况，取为支撑点间的距离，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2.15。 腹杆最大内力N-630.83kN，查表2.5，中间节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。 设，查Q235钢的稳定系数表，可得（由双角钢组成的T型和十字形截面均属于b类），则需要的截面积：需要的回转半径：，根据需要A、查角钢规格表，选用2L180×110×14，肢背间距a12mm，则A7793，按所选角钢进行验算：满足长细比150的要求。由于>，只需求。查表0.847，则所选截面合适。 图2.15 上弦截面（2） 下弦杆。整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的de杆计算。，（因跨中有通长系杆），所需截面积为选用2L180×110×12，因，故用不等肢角钢，短肢相并，如图2.16。A67.42>57.23, 图2.16 下弦截面(3)端斜杆aB。 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2L140×90×10。则A44.522,因>，只需求，查表得，则所选截面合适。（4）腹杆eggK。此杆在g节点处不断开，采用通长杆件。最大拉力：,最大压力：,再分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距，在桁架平面外的计算长度：选用2L63×5，查角钢规格表得A12.286,因>，只需求，查表得，则拉应力： （5）竖杆Ie： N-79.16kN-79160N，由于杆件内力较小，按150选择，需要的回转半径为查型钢表，选截面的和较上述计算的和略大些。选用2L63×5，其几何特性为：A12.286,因>，只需求，查表得，则其余各杆件的截面选择计算过程不再一一列出，现将计算结果列于表2.4。2.3.6 节点设计（1）下弦节点b各杆件的内力由表2.3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“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为（按等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）：肢背： ，取200mm。肢尖： ,取120mm。设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：肢背： ，取180mm。肢尖： ,取110mm。“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取。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360mm×445mm。 下弦与节点板连接的焊缝长度为44.5cm，。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2.17。表2.4 屋架杆件截面选择表名称杆件编号内力/kN计算长度/cm截面规格截面面积/回转半径/cm长细比容许长细比稳定系数计算应力上弦IJ、JK-1264.45150.8452.4180×110×1477.933.088.8048.9651.411500.847191.59下弦de1230.513001485.0180×110×1267.423.108.7496.77169.91350182.51腹杆Aa-30.6019919963×512.2861.943.04102.665.51500.53846.29aB-630.83253.4253.4140×90×1044.5224.473.7456.7167.781500.764185.46Bb490.09208.6260.8100×623.8643.104.5167.2957.83350205.37Cb-55.63183.2229.050×59.6061.532.53119.790.51500.439131.92bD-420.00229.5287100×727.5923.094.5374.363.31500.724210.25Dc299.84228.7285.870×616.322.153.33106.3785.83350183.73Ec-55.63207.2259.050×59.6061.532.53135.4102.41500.363159.54cF-235.31250.8312.690×621.2742.794.1389.8975.691500.621178.12Fd145.75249.5311.850×59.6061.532.53167123.3350151.73Gd-54.52231.2289.050×59.6061.532.53151.1114.21500.304186.67dH-93.99271.6339.570×616.322.153.33151.1101.951500.304189.45He45.61-27.55270.8338.463×512.2861.943.04139.59111.321500.34764.62Ie-79.16255.2319.163×512.2861.943.04131.5104.91500.381169.11eg115.74-44.78230.1453.7363×512.2861.943.04118.6149.251500.31117.54gK151.44-42.26230.1453.7363×512.2861.943.04118.6149.251500.31110.96Kf1.12314.1314.163×512.2862.452.45128.2128.22000gI28.08165.9207.450×59.6061.532.53108.782.235029.23Jg-48.10127.6158.950×59.6061.532.5383.4631500.66575.30图2.17 下弦节点“b”（2） 上弦节点“B”，如图2.18“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。“aB”杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算，设“aB”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为（按不等肢角钢短肢连接的角焊缝内力分配系数计算）：肢背： ，取210mm。肢尖： ,取180mm。 为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，槽焊缝强度设计值乘以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P与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得到：，上弦与节点板间焊缝长度为460mm，则上弦肢尖角焊缝的切应力为图2.18 上弦节点“B”（3） 屋脊节点“K”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，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）拼接角钢的长度弦杆杆端空隙，拼接角钢长度取620mm。上弦与节点板之间的槽焊缝，假定承受节点荷载，验算按节点“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500mm，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。图2.19。腹杆与节点板连接焊缝计算方法与以上几个节点相同。图2.19 屋脊节点“K”（4） 支座节点“a”（图2.21）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，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度14mm。a、支座底板的计算支座反力： 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0.0586。则单位宽度的最大弯矩为：底板厚度：，取t22mmb、加劲肋与节点板的连接焊缝计算加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似（图2.20）。偏于安全的假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的四分之一，即，则焊缝内力为：，设焊缝，焊缝计算长度，则焊缝应力为：c、节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算 图2.20 加劲肋计算简图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，取。 每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为所需焊缝尺寸。图2.21 支座节点“A”其它节点的计算不再一一列出，详细的施工构造见图2.22。
