梯形钢屋架设计

目 录一、设计资料.（2）二、结构形式与支撑布置.（2）1.屋架形式及几何尺寸.（2）2.屋架支撑布置.（3）三、荷载计算.（4）1.荷载设计值.（4）2.荷载组合.（4）四、内力计算.（6）五、杆件设计.（7）1.上弦杆.（7)2.下弦杆.（8)3.斜腹杆“Ba”. （9)4.竖杆“Gg”.(10)5.各杆件的截面选择计算(10)六、节点设计(12)1.下弦节点“c”.(12)2.上弦节点“B”.(13)3.屋脊节点“H”.(15)4.支座节点“a”.(16)七、屋架施工图(19)1附节点详图 1-6(20)一、设计资料某厂房总长度为 90m，跨度为 L=21m，屋盖体系为无檩体系，纵向柱距为 6m。1.结构形式: 钢筋混凝土柱，梯形钢屋架。柱的混凝土强度等级为 C30，屋面坡度 i=L/10，L 为屋架跨度。地区计算温度高于-20 0C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为 7 级，设计基本抗震加速度为 0.1g.。二类场地。屋架下弦标高为 18m，厂房内桥式吊车为 2 台150/30t（中级工作制） ，锻锤为 2 台 5t。2.屋架形式及荷载:屋架形式、几何尺寸及内力系数（节点荷载 P=1.0 作用下杆件的内力）如附图所示。屋架采用的钢材、焊条为：用 Q345 钢，焊条为 E50 型。3.屋盖结构及荷载:无檩体系：采用 1.5m6.0m 预应力混凝土屋板（考虑屋面板起系杆作用） 。荷载：屋架及支撑自重：按经验公式 q=0.12+0.011L，L 为屋架跨度，以 m 为单位，q 为屋架及支撑自重，以 kN/m2 为单位；屋面活荷载：施工活荷载标准值为 0.7kN/m2，雪荷载的基本雪压标准值为S0=0.65kN/m2，施工活荷载与雪荷载不同时考虑，而是取两者的较大值，因此活荷载取 0.7kn/m2.。积灰荷载 0.6kN/m2。屋面各构造层的荷载标准值：三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4kN/m2水泥砂浆找平层 0.4kN/m2保温层 0.35kN/m2一毡二油隔气层 0.05kN/m2水泥砂浆找平层 0.3kN/m2预应力混凝土屋面板 1.45kN/m2二、屋架形式、尺寸、材料选择及支撑布置本方案为无檩屋盖方案，i=1/10，采用平坡梯形屋架。屋架计算跨度 L0=L-300=2700mm,端部高度取 H0=1990mm,中部高度 H=3040mm,屋架几何长度见图钢材采用 Q235 钢，焊条为 E50 型，手工焊。2根据车间长度，屋架跨度和荷载情况，设置上下弦杆横向水平支撑，垂直支撑和系杆图 1 屋架形式及几何尺寸2.屋架支撑布置如下图 2 所示：33LG2LGLG2 2SC12G2L2LGSCSC2G2G1L21LG1GG2C2垂 直 支 撑 2-LG5LG5LG5LG5LG5LG5LG5LG5C5LG3C6LG63C5 C2LG1C3LG1C2C2LG1C3LG1C2C2C3G2G3LG4L5LG4 LG4LG4LG45CC6 C2C32GL5 2G5L 2G5LG3G3G312SC12SC2SC1 SC46SC6SC4G2LG2G1L2G22LG1LG2C 5LG34C52GL2G12G 2GL2G1G 2G垂 直 支 撑 1-XC2XXC2X1 X4C5XXC5X4 XC2XX2CX14LG4LG 4LG屋 架 下 弦 支 撑 布 置 图21060*15=9050屋 架 上 弦 支 撑 布 置 图符号说明：SC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 屋架支撑布置4三、荷载和内力计算1.荷载设计值永久荷载设计值：预应力混凝土屋面板 2/957.134. mkN屋架及支撑自重 40)201.(三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 2/k水泥砂浆找平层 534mN保温层 0.351.35=0.4725kN/m2一毡二油隔汽层 /06710k水泥砂浆找平层 2453合计 4.4572kN/m可变荷载设计值：屋面活荷载 98.0417.2kN/m积灰荷载 0.61.4=0.84合计 1.82 2k/2.荷载组合设计屋架时，应考虑以下 3 种荷载组合：使用阶段荷载情况：（1）全跨节点永久荷载及可变荷载：F=(4.457+1.82) 1.56=56.49KN （2）全跨节点永久荷载： F1=4.4571.56=40.11KN半跨节点可变荷载：F 2=1.821.56=16.38KN 5施工阶段荷载情况：（3）全跨屋架包括支撑+半跨屋面板自重+ 半跨屋面活荷载全跨节点屋架自重：F 3=0.4741.56=4.266KN半跨节点屋面板自重及活荷载：F=(1.9575+0.98) 1.56=26.438KN屋架在上述 3 种荷载组合作用下的计算简图如下图 3 所示： F/2FFFF/2190 20734A 28503030285HGEDCBdcbaA HGFEDCB F/2FFFFFFF3FFFFFFFFFFFF/2F/2F/26图 3 荷载组合作用下的计算简图四、内力计算由以下图 4 得 F=1 时屋架各杆件的内力系数（ F=1 作用于全跨、左半跨和右半跨）21 米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值21 米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值图 4 屋架各杆件的内力系数由屋架各杆件的内力系数求出各种组合荷载情况下的内力，计算结果见下表 1：内力系数（F=1） 第 1 种组合 第 2 种组合 第 3 种组合杆件名称全跨 1左半跨 2右半跨 3F2121F214343F计算杆件内力（kN）AB 0.000 0.000 0.000 0 0 0 0 0 0上弦BC，C -7.472 -5.310 -2.162 -468.196 -427.334 -367.837 -172.261 -89.035 -468.1967表 1 屋架杆件内力组合表注： =62.66kN， =43.76kN， =18.9kN， =4.266kN， =26.438kNF12F34F五、杆件设计腹杆最大内力 N= -481.479kN，查表 7.4，中间节点板厚度选用 10mm，支座节点板厚度选用 12mm。1.上弦杆（图 5）整个上弦采用等截面，按 FG、GH 杆件的最大内力设计。N= -763.199kN= -763199N，上弦杆平面内计算长度 ；在屋架平面外，015.7cmxl根据支撑布置和内力变化情况，平面外计算长度 。03.42.5cyl因为 ，故截面宜选用两个不等肢角钢短肢相并，选用 ，如下03yxl L1098图 5 所示：DDE，EF -11.262 -7.339 -3.923 -705.677 -631.532 -566.97 -242.072 -151.760 -705.677FG， GH -12.18 -6.861 -5.319 -763.199 -662.67 -633.526 -233.351 -192.584 -763.199ac 4.100 3.010 1.090 256.906 236.305 200.017 97.069 46.308 256.906ce 9.744 6.663 3.081 610.559 552.328 484.628 217.724 123.023 610.559eg 11.962 7.326 4.636 749.539 661.919 611.078 244.715 173.596 749.539下弦gh 11.768 5.884 5.884 737.383 626.175 626.175 205.763 205.763 737.383Ba -7.684 -5.641 -2.043 -481.479 -442.867 -374.865 -181.917 -86.793 -481.479Bc 5.808 3.960 1.848 363.930 329.002 289.085 129.471 73.634 363.930Dc -4.409 -2.633 -1.776 -276.268 -242.702 -226.504 -88.420 -65.763 -276.268De 2.792 1.222 1.570 174.947 145.274 151.851 44.218 53.418 174.947Fe -1.572 -0.047 -1.525 -98.502 -69.679 -97.613 -7.949 -47.024 -98.50240.190Fg 0.328 -1.039 1.367 20.552 -5.284 40.190 -26.070 37.540-26.07067.357斜腹杆Hg 0.713 1.913 -1.200 44.677 67.357 8.521 53.618 -28.684 -28.684Aa -0.5 -0.5 0.00 -31.33 -31.33 -21.88 -15.352 -2.133 -31.33Cc，Ee -1.0 -1.0 0.00 -62.66 -62.66 -43.76 -30.704 -4.266 -62.66竖杆 Gg -1.0 -1.0 0.00 -62.66 -62.66 -43.76 -30.704 -4.266 -62.668图 5 上弦杆截面图设 ，查附表 4.2 得7071.0需要截面面积为： 22.3785.639mfNA需要的回转半径为： clix154.7010liy6.2.40根据需要的 、 、 查角钢规格表，选用 ，截面特征为：Axiy 10825L， =2.26cm， =6.11cm，按所选角钢进行验算：24.39cmyi1507.62.150xil.41.0yil满足长细比要求。由于 ，只需求 ，查表得 ，于是xy725.0y，22 /31/.67/3940725.61 mNfNmANy 所选杆件满足要求。2.下弦杆（图 6）9图 6 下弦杆截面图整个下弦采用同一截面，按最大内力所在的 计算。eg“”杆, ，NkN74953.749max0cmxl0135cyl所需截面面积为： 228.41fA选用 ，因为 ，故选用不等肢角钢短肢相并。701L20xyl， =2.00cm， =5.39cm6.4cmA28.ciyi，35010.3xil 3502.193.50yil满足长细比要求，故所选杆件满足要求。3.斜腹杆“Ba” （图 7）图 7 斜腹杆“Ba”截面图杆件轴力 -4819N-481.9kN计算长度 ，因为 ，故采用不等肢角钢长肢相并，使 。0253cmxyl 0xyl xyi选用 ，则 ， =3.15cm， =2.72cm6L22.Aiyi10，32.8015.0xil 01.9372.50yil，故只需求 =0.601，y因 为 ，222 /310/43.58/3106.4879 mNfNmANy 所选杆件满足要求。4.竖杆“Gg” （图 8）图 8 竖杆“Gg”截面图， ，-620N-.kN290.cm231.xl0289cmyl由于内力较小，故按 选择，所需的回转半径为：150.c1.54xli0289m.3yli查型钢表，选择截面的回转半径较计算的要略大些，故选用 。365L2， =1.75cm， =2.64cm268mAxiyi150.375.10 xil11150.0964.280yil因为 ，故只需求 ，x378.y，杆件满足要求。222 /310/.4/6837.0 mNfNmANx 5.其余各杆件的截面选择计算过程不一一列出，其计算结果见表 2（在下一页） 。1213六、节点设计1.下弦节点“c” （图 9）图 9 下弦节点“c ” 详图（1）腹杆与节点板间连接焊缝长度的计算用 型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值为 。E50 2f0N/mwBc 杆：设“Bc”杆的肢背和肢尖焊缝 和 ，则所需的焊缝长度8mfh6f为： fhNklww 7.132087.3697.02:11 肢 背214cmfh考 虑 到 每 条 焊 缝 两 端 的 起 灭 弧 缺 陷 ， 实 际 焊 缝 长 度 为 计 算 长 度 加 ， 取 为 。mfhklww 9.642067.397.02: 肢 尖8cf实 际 焊 缝 长 度 为 计 算 长 度 加 ， 取 为 。Dc 杆：设“ Dc”杆的肢背和肢尖焊缝 和 ，则所需的焊缝长度fh6fh为： mfhNklww 3.82087.67.02:11 肢 背210cmfh考 虑 到 每 条 焊 缝 两 端 的 起 灭 弧 缺 陷 ， 实 际 焊 缝 长 度 为 计 算 长 度 加 ， 取 为 。14mfhNklww 3.492067.837.02: 肢 尖cf实 际 焊 缝 长 度 为 计 算 长 度 加 ， 取 为 。Cc 杆：由于“Cc”杆内力很小，故焊缝尺寸可按构造要求确定，取 。5mfh（2）确定节点板尺寸根据上面求得的焊缝长度，按构造要求留出杆件间应有的间隙并考虑制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为 。26035（3）下弦杆与节点板间连接焊缝的强度验算下弦与节点板连接的焊缝长度为 ，取 ，焊缝所受的力为左右两下250mfh弦杆的内力差 ，对受力较大的肢背处焊缝3.65kN6.9)k-1.(N进行强度验算：，222 /0/4.93/)1350(67.2 mfmwf 焊缝强度满足要求。2.上弦节点“B”(图 10)15图 10 上弦节点“B”详图（1）腹杆与节点板间连接焊缝长度的计算Bc 杆与节点板的连接焊缝尺寸和下弦节点“c” 相同。Ba 杆：肢背和肢尖焊缝分别采用 和 ，则所需的焊缝长度为：10mfh8fhcm14.27.024897.02:11 ， 取肢 背 fhNklww85.64.13.:2 ， 取肢 尖 fl (2)确定节点板尺寸(方法同下弦节点“c”)确定节点板尺寸为 。50m4(3)上弦杆与节点板间连接焊缝的强度验算应考虑节点荷载 和上弦相邻节间内力差 的共同作用，并假定角钢肢背槽焊缝PN承受节点荷载 的作用，肢尖角焊缝承受相邻节间内力差 及其产生的力矩作用。肢背槽焊缝强度验算：,390)140(5)10.(5. 21 mlmthwf ，节点荷载，P=62.66kN162221 /0/95./39057.267.02 mNfmNlhP wwff 肢尖角焊缝强度验算：弦杆内力差为 ，468.1k)k-468.(N轴力作用线至肢尖焊缝的偏心距为 90256e，偏心力矩为 ，mNeM 4.3)(则 2222 /0/1.7/39057.4687.0 fmNlh wwfN 22262 /8.5/1lWfM 222222 /0/4.1/).805(6.17).( mNfmNwN 满足强度要求。3.屋脊节点“H” （图 11）171-图 11 屋脊节点“H” 详图（1）腹杆与节点板间连接焊缝长度的计算方法与以上几个节点相同，计算过程略，结果见图 11。（2）确定节点板尺寸为： 250m4（3）计算拼接角钢长度弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为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，且截去垂直直肢的一部分宽度。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。拼接角钢规格与上弦杆相同，长度取决于其与上弦杆连接焊缝要求，设焊缝，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）：10mfh18mfhNlww 3.162017.46397.04拼接角钢总长度， 。0.).12( ， 取L竖肢需切去 ，取 并按上弦坡度热弯。m3)585，（4）上弦杆与节点板间连接焊缝的强度验算上弦角钢肢背与节点板之间的槽焊缝承受节点荷载 ，焊缝强度验算同上弦节点P“B”，计算过程略。上弦角钢肢尖与节点板的连接焊缝强度按上弦内力的 验算。设 ，15%10mfh节点板长度为 ，节点一侧焊缝的计算长度为450mlw205)12(则 22/89.3/7.6397.0 mNlhNwff 2222 /.75/051.6.lMWff 222222 /0/9.3/).8975(.3).1( mNfmNwff 焊缝强度满足要求。因屋架的跨度较大，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，左半跨的上弦杆、斜腹杆和竖腹杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半跨的上弦杆、斜腹杆与节点板连接用工地焊缝。4.支座节点“a” （图 12）19图 12 支座节点“a”详图为了便于施焊，下弦杆轴线至支座底板的距离取 ，在节点中心线上设置加160m劲肋，加劲肋的高度与节点板高度相等，厚度为 。2（1）支座底板的计算支座底板尺寸按采用 ，280m36承受支座反力 ，若仅考虑有加劲肋部分的底板承kNkFR2.48.7受20支座反力作用，则承压面积为 ，则柱顶混凝土的抗222801m59360nA压强度按下式验算： 222 /.4/39.7/5936048NfNmARcn 式中， 为混凝土强度设计值，对 混凝土， 。cf C021.3/mcf底板的厚度按桁架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成四块