天津21米梯形钢屋架设计书.docx

一、设计资料天津地区一单跨物资仓库，长96米，跨度为21米，钢筋混泥土柱（400X400）,柱距6米，混凝土标号为C30,采用无楝屋盖体系，梯形钢屋架。屋面檐口离地面高度13.5米,设计温度高于-20。屋面坡度i=l：10,采用L5mX6.Om预应力混凝土大型屋面板，标准值为1.4kN11620厚水泥砂浆找平层，标准值为0.4kN11泡沫混凝土保温隔热层，标准值为0.3kN11八层做法卷材屋面防水层，标准值为0.35kNm 19kNmj由于屋面坡度不大，对荷载的影响较小，未予考虑。风荷载为吸力，重屋盖可不考虑。o屋面积灰荷载0.45kNm2,雪荷载为0.40kNm2,风荷载为0.5kN屋架被支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为40OmInX400mm。其他资料参照相关标准规定。根据天津地区的计算温度和荷载性质及连接方法，钢材选用Q235-B。焊条采用E43型,手工焊。二、屋架形式及尺寸无樵屋盖，i=l10,采用平坡梯形屋架。屋架计算跨度为Lo=L-3OO=2O7OOmm,端部高度取Ho=I99Omnb中部高度取H=Ho+l2iL=1990+0.IX21002=3040mm,屋架杆件几何长度见附图1所示，屋架跨中起拱42mm（按L/500考虑）。为使屋架上弦承受节点荷载，配合屋面板L5m的宽度，腹杆体系大局部采用下弦间长为3.Om的人字式，仅在跨中考虑到腹杆的适宜倾角，采用再分式。屋架杆件几何长度（单位：mm）三、屋盖支撑布置根据车间长度、屋架跨度和荷载情况，设置四道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，为统一支撑规格，厂房两端的横向水平支撑设在第二柱间。在第一柱间的上弦平面设置刚性系杆保证安装时上弦杆的稳定，第一柱间下弦平面也设置刚性系杆以传递山墙风荷载。在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端共设四道垂直支撑。在屋脊节点及支座节点处沿厂房纵向设置通长的刚性系杆，下弦跨中节点处设置一道纵向通长的柔性系杆，支撑布置见附图2。附图2：屋面支撑布置图（单位：mm）四、荷载计算与组合1、荷载计算永久荷载设计值：防水层（八层做法）0.35kNm2×l.2=0.42kNm2找平层（2Omm厚水泥砂浆）0.4kN11l2X1.2=0.48kNm2泡沫混凝土保温层0.35kNm2×1.2=0.42kNm2预应力混凝土大型屋面板L40kN11fXL2=1.68kNm2钢屋架和支撑自重（012+0.011X21）X1.2=0.42kN/m，3.387kNma可变荷载设计值：雪荷载0.40kNm2X1.4=0.56kNm2积灰荷载O45kNtfXL4=0.63kN1122、荷载组合计算屋架杆内力时，应考虑如下三种荷载组合：使用阶段“全跨恒荷载+全跨屋面均布活荷载”和“全跨恒荷载+半跨屋面均布活荷载。恒荷载和活荷载引起的节点荷载设计值4及%分别为：%=3.18X1.5X6=28.62kNP话=1.19X1.5X6=10.71kN施工阶段“屋架及支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载。这时只有屋架及支撑自重是分布于全跨的恒荷载，而屋面板自重及施工荷载(取屋面活荷载数值)即可能出现在左半跨，也可能出现在右半跨，取决于屋面板的安装顺序。当从屋架两端对称安装屋面板时，那么不必考虑此种荷载组合。施工阶段恒荷载和活荷载引起的节点荷载设计值为和外分别为：%=0.42X1.5X6=3.78kNPir=(1.68+0.63)×1.5×6=20.79kN1l五、内力计算采用图解法计算屋架在左半跨单位集中荷载作用下的杆力系数。根据算得的节点荷载和杆力系数，进行杆件内力组合并求出各杆的最不利内力。杆力组合表杆件名称杆力系数内力值计算杆内力组合程P=I使用阶段施工阶段Pt11X3P活XlP活X2P恒X3P活XlP活义2在左半跨在右半跨全跨全跨恒载在左半跨右跨在半全跨恒载在左半跨在右半跨123456789I-.弦AB-0.02-0.01-0.03-0.86-0.21-0.11-0.11-0.42-0.21-1.184+5+6BC-5.33-2.17-7.5-214.65-57.08-23.24-28.35-110.81-45.11-294.984+5+6CD-5.33-2.17-7.5-214.65-57.08-23.24-28.35-110.81-45.11-294.984+5+6DE-7.35-3.94-11.29-323.12-78.72-42.20-42.68-152.81-81.91-444.044+5+6EF-7.35-3.94-11.29-323.12-78.72-42.20-42.68-152.81-81.91-444.044+5+6FG-6.86-5.32-12.18-348.59-73.47-56.98-46.04-142.62-110.60-479.044+5+6GH-6.86-5.32-12.18-348.59-73.47-56.98-46.04-142.62-110.60-479.044+5+6卜弦ab3.021.094.11117.6332.3411.6715.5462.7922.66161.654+5+6be6.683.099.77279.6271.5433.0936.93138.8864.24384.254+5+6cd7.334.6411.97342.5878.5049.6945.25152.3996.47470.784+5+6de5.895.8811.77336.8663.0862.9744.49122.45122.25462.914+5+6斜杆aB-5.62-2.03-7.65-218.94-60.19-21.74-28.92-116.84-42.20-300.874+5+6Bb3.931.845.77165.1442.0919.7121.8181.7038.25226.934+5+6bD-2.62-1.77-4.39-125.64-28.06-18.96-16.59-54.47-36.80-172.664+5+6Dc1.191.562.7578.7112.7416.7110.4024.7432.43108.164+5+6CF-0.05-1.51-1.56-44.65-0.54-16.17-5.90-1.04-31.39-61.354+5+6Fd-1.061.350.298.30-11.3514.461.10-22.0428.07-20.9429.177+87+9dll2.11-1.330.7822.3222.60-14.242.9543.87-27.65-24.7046.827+87+9竖杆Aa-0.53-0.01-0.54-15.45-5.68-0.11-2.04-11.02-0.21-21.244+5+6Cb-0.990-0.99-28.33-10.600.00-3.74-20.580.00-38.944+5+6Ec-0.980-0.98-28.05-10.500.00-3.70-20.370.00-38.544+5+6Gd-0.970-0.97-27.76-10390.00-3.67-20.170.00-38.154+5+6He-0.06-0.06-0.12-3.43-0.64-0.64-0.45-1.25-1.25-4.724+5+6六、杆件截面选择1、上弦FG、GH整个上弦不变截面，取上弦最大设计杆力计算。N=-479.04kN,l0x=1508mm,l0y=l=3016mm（按大型屋面板与屋架保证三点焊接考虑，取L为两块屋面板宽）。根据腹杆最大设计杆力NHB=-300.87kN,取中间节点板厚度t=10mm,支座节点板厚t=12mm<>先由非对称轴选择截面，假设入=60,由附表4-2查得夕=0.807（由双角钢组成的T形和十字形截面均属b类），需要的截面面积:AT0,479.04 XIO3 0.807×215=2761 mm2=27. 61cm2一般角钢厚度W15mm,属第一组，故取/=215Nmm2o需要的回转半径为cm噤= 503cm上弦应采用两不等边角钢以短边相连组成的T形截面。根据需要的A,、匕、小查附表7-5,选用2L140X90X10（短边相连）：=42.4cm2,/=2.56cm,/=6.77cm（节点板厚10mm）,）=150o验算=2=1=58.9WO,%=0.810A2.56= 139 Nmm2 f =215 Nmm2oTV479.04×IO30.81×4240验算对称轴y的稳定承载力:b1t=14/1=14>0.56公=（）56x3O1.6=已6414换算长细比九=3.74（1+9一r）=3.7W（l+叫S）=54Vm=I50,查附表4-2,vt52.7%；152.7×1449v=0.836;故，v=JLss47904×1°3=135Nmm2=215Nmm%'yA0.836×4240满足要求。垫板每节间放置一块（满足L范围内不少于两块），ld=150.8/2=75.4cm<40i=40×4. 47=178.8cm（i为4.47CIn）O2、下弦Cd下弦也不改变截面，采用最大设计杆力计算，N=470.78kN,lx=3OOOmm,lz=2O7OO2=10350mm,需要的净截面面积为A_N470.78×IO3_Qlon2_Q12An=2190nun21.9cmf215选用2L140X90X10（短边相连）：A=42.4cm2,ix=2.56cm,iv=6.77cmo验算：在节点设计时，将位于下弦杆连接支撑的螺栓孔包在节点板内，且使栓孔中心到节点板近端边缘距离不小于100cm,故截面验算中不考虑栓孔对截面的削弱，按毛截面验算（=350）=117（2.56v=-=153'Z16.77Nmm2 f =215 Nmm"oN470.78×103A4240满足要求。垫板每节间放置一块，ld=150cm<80i=80×4.47=357.6cm（i为4.47Cm）O3、端斜杆aBN=-300.87kN,l0=2524mm,l0y=2524mm,需要的净截面面积为a N 300.87 × IO3An=f 215= 1399 nun-=13. 99c0"选用2L140X90X8（长边相连）：A=36.08cm2,L=4.5cm,=3.62cm,=150y验算：2x=-=56air4.5b2t=90/8=1L25VO.48殳=048-2524=35,%r=70b29,zv3.62换算长细比vs=丸(1+4孥)=70×(l+l0×94)=82V入=150,查附表4-2,*vIlt2252.42×0.82=0.675；故，yN 300.87 × IO3yA 0.675 × 3608=124 Nmmj f =215 Nmn'o满足要求。设两块垫板,ld=84.lcm<40i=40×2.59=103.6cm(i为2.59cm)。4、斜腹杆dHN=46.82kN,IOx=3395mm,l0y=3395un,需要的净截面面积为An =N46.82 × IO37=215=218 nun"=2. 18 co"选用2L80X5：A=15.82cm2,ix=2.48cm,/=3.56cm,=150y验算：4=&=至丝=137W入il.2.48u,4.OA/C-muq,ov0.58×339.5o.,1料339.5.bt=805=16<0.58=24.6,v=95b8)iy3.56换算长细比45=/4+。47")=95x(l+o(=i5,查附表4-2,“)软尸339.52×0.529v=0.549；故，v=4682×l03=54Nmm2/=215Nmm2o'vyA0.549×1582满足要求。设两块垫板,ld=84.9cm<40i=40×3.56=142.4cm(i为3.56Cln)O5、竖杆dG竖杆不改变截面尺寸,N=-38.15kN,l0x=0.81=0,8X2888=2310mm,l0y=2888mm选用2L80X5：A=15.82cm2,ix=2.48cm,Z=3.56cm,=150ay验算：v=-=-=93L2.48bt=805=16<0,58=058×2888=20.9,=81b8)i,3.56换算长细比=4(1+。芈，)=81x(l+(U74842)=89V入=150,查附表4-2,ln.t288.8x0.5.628；故，v=3815×1°3=38Nmm2/=215N/mm%yA0.628×1582满足要求。设两块垫板，ld=72.2cm<40i=40×3.56=142.4cm(i为3.56Cn1)。其余各杆的截面选择见表。需注意连接垂直支撑的中央竖杆采用十字形截面，其斜平面计算长度为IO=O.91,其它腹杆除Aa和Ba外，k=O.81。屋架/杆件截阻选择表杆件名称内力(kN)计算长度(Cln)截面形式和规格截面面积(Cm2)回转半径(cm)长细比容许长细比E!.定系数计算应力(Nmm2)Io1lyixiy,y,上弦AB-1.14150.8301.62L140X90X1042.42.566.7758.9541500.810BC-285.53150.8301.62L140X90X1042.42.566.7758.9541500.8183CD-285.53150.8301.62L140X90X1042.42.566.7758.9541500.8183DE-429.81150.8301.62L140X90X1042.42.566.7758.9541500.81125EF-429.81150.8301.62L140×90X1042.42.566.7758.9541500.81125FG-463.69150.8301.62L140×90X1042.42.566.7758.9541500.81135GH-463.69150.8301.62L140X90X1042.42.566.7758.9541500.81135T弦ab156.4730010352L140X90X1042.42.566.7711715335036be371.9430010352L140X90X1042.42.566.7711715335087cd455.7030010352L140X90X1042.42.566.77117153350107de448.0830010352L140×90X1042.42.566.77117153350106斜杆aB-291.24252.4252.42L140×90X836.084.53.6256821500.675120Bb219.66259.8259.82L140×90X836.084.53.6258841500.66192bD-167.13286.2286.22L140X90X836.084.53.6264901500.62175Dc104.69285.2285.22L140×90X836.084.53.6264901500.62148cF-59.39312.5312.52L80X515.822.483.56126951500.58832Fd-20.9429.17311.5311.52L80X515.822.483.56126951500.58832dH-24.7046.82339.5339.52L80X515.822.483.561371011500.54954竖杆Aa-20.56159.21992L80X515.822.483.5664511500.85615Cb-37.69182.3227.92L80×515.822.483.5674741500.72633Ec-37.31206.6258.32L80X515.822.483.5683821500.67535Gd-36.93231288.82L80X515.822.483.5693891500.62837He-4.57243.23042L80×515.822.483.5698921500.6085注：角钢规格共3种七、节点设计在确定节点板的形状和尺寸时需要斜腹杆与节点板间连接焊缝的长度。先算出各腹杆杆端需要的焊缝尺寸。其计算公式为：KN角钢肢背所需焊缝长度Ix=+2力/20.7%/f角钢肢尖所需焊缝长度l2:I2=人创一+2hf2×0.7z2;J如腹杆aB,设计杆力N=300.87kN,设肢背与肢尖的焊脚尺寸各为hn=8mm,hf2=6m11o因aB杆系不等边，角钢与长肢相连，故Kl=O.65,K2=O.35o那么：=+ 2x8 = 1252 × 0.7 × 8×160,0.35×300.87 × IO3 C / M、=I-ZXO = W2×0.7×6×160mmmm4o未列入表中的腹杆均因杆力很小，可按构造取h11.5r=1.510=5,ll=l2=8hr+10=8×5+10=50mm表4腹杆杆端焊缝尺寸杆件名称设计内力IkN）肢背焊缝肢尖焊缝1)(mm)ht(nm)U(mm)ht(mm)aB-300.871258906Bb226.931008706bD-172.66808606Dc108.16558406表中L、k为J取整后数值1、下弦节点“b按曾4端列Bb、bD杆所需焊缝长度，按比例绘制节点详图，从而确定节点板的形状和尺寸（附图4）。由图中量出下弦与节点板的焊缝长度为480mm,焊脚尺寸hf=5mm,焊缝承受节点左、右弦杆的内力差N=NbC-Nab=384.25-161.65=222.6kN。验算肢背焊缝的强度：,V0.75×222.6×10cM/2zrw(cnM/2、Tf=!=7r=51Nnn<f(力为160Nm)z2x0.7%42×0.7×5×(480-2×5)ff满足要求。肢尖的焊缝应力更小，定能满足要求。竖杆bC下端应伸至距下弦肢尖为20mm处，并沿肢尖和肢背与节点板满焊。附图4：下弦节点“b2、上弦节点“B按表4所列腹杆Ba、bB所需焊缝长度，确定节点板形状和尺寸，如附图5所示。量得上弦与节点板的焊缝长度为40Omnb设hf=5mm,因节点板伸出上弦肢背15un,故由弦杆与节点板的四条焊缝共同承受节点集中荷载P=28.62+10.71=39.33kN和弦杆内力差N=S-Nab=294.98T.18=293.8kN的共同作用。忽略P对焊缝的偏心并视其与上弦垂直，那么上弦肢背的焊缝应力为：附图5：上弦节点“B=(39.33x10312/Q,75X293.8×IO3Yy1.22×4×0.7×5×(400-2×5)J+|<2x0.7x5x(400-2x5);=81Nmm20.15心 + j0_ 0.25x0.15x462.91xl032×0.7hfff2×0.7×5×160在附图6中，节点板宽度是由连接竖杆的构造要求所决定的，从图中量得每条肢背焊 缝长度为155mm,每条肢尖焊缝长度为12Omnb满足要求。4、屋脊节点"H (附图7)(1)拼接角钢计算附图7：屋脊节点”H拼接角钢采用与上弦相同的截面2L140X90X10。设两者间的焊脚尺寸hf=8mm,竖直<f；为160Nmm2)满足要求。由于肢尖的焊缝h.也为5mm,故应力更小，定能满足要求。3、下弦中央拼接节点“e(附图6)附图6：下弦中央拼接节点“e(1)拼接角钢计算因节点两侧下弦杆力相等，故用一侧杆力NT=462.9IkN计算。拼接角钢采用与下弦相同的截面2L140×90×10,设与下弦的焊缝的焊脚尺寸hl=8mm,竖直肢应切去4=t+%+5=10+8+5=23nun,节点一-侧与下弦的每条焊缝所需计算长度为：4×u.z/462.991()34×0.7×8× 160mm拼接角钢需要的长度为：L=2(L+16)+10=2×(129+16)+10=300mm为保证拼接节点处的刚度取，L=500mm。(2)下弦与节点板的连接焊缝计算下弦与节点板的连接焊缝按0151计算。取焊脚尺寸hf=5un,节点一侧下弦肢背和肢尖每条焊缝所需长度L、L分别为：+10 = 46 mmKl×05N,S0.75x0.15x462.91xl031-10=+10 = 26 mm2x0W2×0.7×5×160肢应切去4=1+'+5=10+8+5=23mm。按上弦杆力NGH=479.04kN计算拼接角钢与上弦的焊缝，节点每侧每条焊缝需计算长度为：mmNgh479.04×IO34×0.7zy7'"4x0.7x8x160拼接角钢需要的长度为：L=2(L+16)+10=2×(134+16)+20=320mm为保证拼接节点处的刚度取，L=700nun。(2)上弦与节点板间焊缝计算上弦与节点间在节点两侧共8条焊缝，共同承受节点荷载P与两侧上弦内力的合力。近似地取SinQ=tanQ=0.L该合力的数值为：2Nsin-P=2×479.04X0.1-39.33=56.48kN设焊脚尺寸h,=5mn,每条焊缝所需要长度为：2Nsina P 8×Q7hj;+ 10 =56.48x1038× 0.7×5 × 160+10 = 23 mm由图量得焊缝长度为220mm。满足要求。5、支座节点“a(附图8)(1)底板计算附图8：支座节点底板承受屋架的支座反力R=7P=7X39.33=275.31kN,柱采用C20混凝土,混凝土的轴心抗压强度设计值O=10Nun2o底板需净面积An为：.R275.31×103o-.1碎2An=27531mmfeI。锚栓直径d=25mm,锚栓孔布置见附图8,栓孔面积为：A=50×40×2+×252=5963un2底板需面积为As=An+A=27531+5963=33494mm2按构造要求底板面积取为A=280X350=98000mm2>As,满足要求。底板承受的实际均布反力=3.0 Nmm2<fcR275.31×IO3A-A-98000-5963节点板和加劲肋将底板分成四块相同的两相邻边支承板，它们对角线长度Ql及内角顶点到对角线的距离E分别为：a=71402+1752=224mm,b=0.5a1=H2mmb1a1=0.5,查得B=0.058,两相邻边支撑板单位板宽的最大弯矩为：M=qa21=0.058×3×2242=8731N.mm所需底板厚度为6M6×8731<(4.on1t=J=J=15.6mm(取t=20mm)NfV215实取底板尺寸为-280×350X20。(2)加劲肋与节点板的焊缝计算焊缝长度等于加劲肋高度，也等于节点板高度。由节点图量得焊缝长度为492mrn,计算长度L=492T2T5=465(mm)(设焊脚尺寸h=6mm),每块加劲肋近似的按承受R/4计算，R/4作用点到焊缝的距离为e=(140-6-15)/2+15=74.5mm。那么焊缝所受剪力V及弯矩M为：V=275.31/4=68.8kNM=V×e=68.8×74.5=5126kN.mm焊缝强度验算=(68.8XIO3V+(6×8731×103V2×0.7×6×465j+k1.22×2×0.7×6×4652J=29.5Nmm2<满足要求。(3)加劲肋和节点板与底板的焊缝计算上述零件与底板连接焊缝的总计算长度为(设h=8mn)1.=2×280+2/(280-12-2×15)-4×8=1004mm所需焊脚尺寸为,R275.31×IO3C八hf=-=2.0mmf1.22×0.7/；,1.22×0.7×160×1004hf尚应满足角焊缝的构造要求：hf=l.VF=1.5×V20=7mm,ht=l.2t=l.2×12=14.4mm,实取hl=8mmo6、节点板计算(1)节点板在受压腹杆的压力作用下的计算所有无竖杆相连的节点板,受压腹杆杆端中点至弦杆的净距离c与节点板厚度t之比,均小于或等于10723574o所有与竖杆相连的节点板，c/t均小于或等于15必近,因而节点板的稳定均能保证。(2)所有节点板在拉杆的拉力作用下，也都满足要求，因而节点板的强度均能保证。此外,节点板边缘与腹杆轴线间的夹角均大于15°,斜腹杆与弦的夹角均在30°60°之间，节点板的自由边长度与厚度之比均小于60月歹冗，都满足构造要求，节点板均平安可靠。