钢结构课程设计---普通钢屋架设计.doc

普通钢屋架设计 1.设计资料 沈阳某金工车间，跨度30m，长度102m，屋架间距6m。车间内设有两台30/5t中级工作制桥式吊车。屋面采用1.5x6m预应力钢筋混凝土大型屋面板，10cm厚水泥珍珠岩预制块保温层，卷材屋面，屋面坡度1/10。屋架简支在钢筋混凝土柱上，上柱截面400cmx400cm混凝土选c20。2. 钢材和焊条选择 根据沈阳冬季的计算温度（-22）和荷载性质（静荷载）及连接方法（焊接），按设计规范要求，钢材选用q235b。焊条选用e43型，手工焊。3. 屋架形式及尺寸 由于屋面采用预应力混凝土大型屋面板和卷材防水层（i=1/10),故采用缓坡梯形屋架。屋架的计算跨度为 l0=l-300=30000-300=29700(mm)屋架在30m轴线处得端部高度取 h0=1990mm跨中高度 h=h0+1il/2=1990+0.1x30000/2=3490(mm)屋架的高跨比h/l=3490/30000=1/8.6在屋架常用高度范围内。 为使屋架上弦承受节点荷载，配合屋面板1.5m的宽度，腹杆体系大部分采用下弦节间长为3m的人字式，仅在跨中考虑到腹杆的适宜倾角，采用再分式，屋架跨中起拱60mm（l/500），几何尺寸如图7.50所示。图1 屋架几何尺寸4. 屋盖支撑布置 根据车间长度（102m60m)、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，为统一支撑规格，厂房两边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是上弦的稳定，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，于屋架跨中和两端各设一道垂直支撑。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，支撑布置见图2。图中与横向水平支撑连接的屋架编号为gwj-2，山墙的端屋架编号为gmj-3，其他屋架编号均为gwj-1。图25. 荷载和内力计算 (1)荷载计算 荷载计算及汇总见表1注：非轻型屋盖不考虑风荷载作用 计算屋架杆力是应考虑如下三种荷载组合： 使用阶段“全跨恒荷载+全跨屋面均布荷载”和“全跨恒荷载+半跨屋面均布荷载”。应注意半跨屋面活荷载可能作用于左半跨，也可能作用于右半跨，恒活载和活荷载引起的节点荷载设计值，p恒及p活分别为 p恒=3.9x1.5x6=35.1（kn）p活=2.90x1.5x6=26.1（kn） 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”。这是只有屋架及支撑自重是分布于全跨的恒活载，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。当从屋面两端对称安装屋面板时，则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p恒和p活分别为p恒=0.54x1.5x6=4.86（kn）p活=（1.68+2.90）x1.5x6=41.2（kn）（2）内力计算 本设计采用图解法计算了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，求得各杆的最不利内力。计算结果3荷载图 图36. 杆件截面选择（1） 上弦整个上弦不改变截面，取上弦最大设计杆力（ik杆）计算。n=-1386.80kn，l0x=150.8cm，l0y=301.6cm（按大型屋面板与屋架保证三点焊接考虑，取l1为两块屋面板宽）。根据腹杆最大设计杆力nab=-689.73kn查表得中间节点板厚t=14mm，支座节点板厚t=16mm。 先由非对称轴选择截面，假设=60，由附表2.2查得f=0.807（由双角钢组成的t形和十字形截面均属于b类）需要的截面面积as=n/ff=1386.80*103/（0.807*215）=7992.85mm=79.93cm一般角钢厚度15mm，属第一组，故取f=215n/2。需要的回转半径为 ixs=l0x/l=150.8/60=2.51（cm）iys=l0y/=301.6/60=5.03（cm）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as、ixs及iys查附表3.5，选用2l20012512:a=75.82（cm2），ix=3.57，iy=9.68（节点板厚为14），=150。验算 x=l0x/ix=150/3.57=42=150,fx=0.891故 sx=n/fx=1386.80103/（0.8917582）=186.45（n/2)f=215 n/2验算对称轴y的稳定承载力。b1/t=20/1.2=16.670.56l0y/b1=0.56301.6/20=8.44换算长细比yz=150,查附表202,jy=0.791故 满足要求。垫板每节间放置一块（满足l1范围内不少于两块），ld=150.8/2=75.4cm40i（i为5.81cm）。（2) 下弦 下弦亦不改变截面，采用最大设计杆力，（de杆）计算，n=1348.85kn，l0x=300cm，l0y=2970/2=1485（cm），需要的净截面面积为选用2l16010014（断肢相连）：a=69.42，ix=2.80（cm），iy=7.94（cm）验算：在节点设计时，将位于de杆连接支撑的螺栓孔包在节点板内，且使栓孔中心到节点近端边缘距离不小于100mm，故截面验算中不考虑栓孔对截面的削弱，按毛截面验算（=350）：满足要求。垫板每节点放一块，ld=150cm80i（i为5.14）（3） 端斜杆 n=-689.93kn。lox=253.5cm，lox=253.5cm，选用2l1409012（长边相连）：a=52.80cm2，ix=4.44cm，iy=3.84cm，=150。 验算:由b2/t=90/1.2=7.5满足要求。 设有两块垫块，为2.59cm)。（4） 斜腹杆ek 此为再分式主斜杆，ek、gk两段同时受压，nek=-75.35kn，ngk=-71.90kn，其他情况两段均受拉，最大拉力为neg=157.84kn,ngk=195.32kn。按受压杆设计时，l0x=230.6cm， 选用2l708，a=21.33cm2，ix=2.12cm，iy=3.46cm。 按压杆验算 对y轴：b/t=70/8=8.75 查得jy=0.378按拉杆验算无论受拉、受压都能满足要求。虽然承载力富余较多，但截面不能在减小，否则y将不能满足要求。eg、gk杆各放两块垫块，ld=76.9cm40i（i为2.16cm）。（5） 竖杆ie n=-91.80kn，。选用2l638, a=19.03cm2,ix=1.90cm,iy=3.18cm。验算：对y轴：b/t=63/8=7.88根据max=x=134，查得jx=0.370：满足要求。设置三块垫板，ld=79.8cmy40i（i为1.94cm）。(6) 竖杆gd n=-61.20kn,l0x=0.8i=0.8289=231.2（cm），l0y=289cm。因为杆力很小，可按容许长细比l=150选择截面。需要的回转半径为：（cm）（cm）按ixs、iys查型钢表。选用2l506，ix=1.53，iy=2.63iys，满足要求。 垫板放三块，虽然ld=289/4=72.3cm略大于40i=401.53=61.2cm，但实际上，节点板宽度较大，杆件的净长较小，可以够用。 其余个杆件的选择见表2，需注意连接垂直的支撑的中央竖杆采用十字形截面，其斜平面计算长度为io=0.9l，其他腹杆除aa和ba外，lox=0.8l。7. 节点设计 由前述施工图绘制可见，在确定节点板得外形和尺寸时，需要斜腹杆与节点板间连接焊缝的长度。为简洁起见，下面先算出个斜腹杆杆端需要的焊缝尺寸。其计算公式为：角钢肢背所需焊缝长度l1 角钢肢尖所需焊缝长度l2 例如腹杆ab,设计杆力n=689.73kn，设肢背与肢尖的焊缝尺寸各为。因ab杆系不等边，角钢以长肢相连，故k1=0.65，k2=0.35。则 mm mm其他腹杆所需焊缝长度的计算这里不再复述，直接放在下述表2中。（1） 下弦节点“b” 按表2所列bb、bd杆所需焊缝长度，按比例绘制节点详图，从而确定节点板得形状和尺寸（图4）。由图中量出下弦与节点板的焊缝长度为415mm，设焊脚尺寸，焊缝承受节点左右弦杆的内力差n=nbc-nab=930.85-375.15=555.7kn。验算肢背焊缝的强度；图4 下弦节点“b”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。 （2）上弦节点板“b” 按表2所列腹杆ba、bb所需焊缝长度，确定节点板形状和尺寸，如图5所示图5 上弦节点“b”量得上弦与节点板的焊缝长度为525mm，设hf=5mm，因节点板伸出上弦肢背15mm，故由弦杆与节点板的四条焊缝共同承受节点集中荷载p=35.1+26.1=60.21k和弦杆内力差n=nbd=690.95kn的共同作用。忽略p对焊缝的偏心并视其与上弦垂直，则上弦肢背的焊缝应力为满足要求。由于肢尖焊缝的hf也为5mm，故应力更小，定能满足要求，不必验算。（3）下弦中央拼节点“f” 图6 下弦中央拼节点“f”1） 拼接角钢计算 因节点两侧下弦杆力相等，故用一侧杆力nef=1290.09kn计算。拼接角钢采用与下弦相同的截面2l16010014，设与下弦的焊缝的焊脚尺寸hf=8mm，竖直肢应切去=t+hf+5=14+8+5=23mm，节点一侧与下弦的每条焊缝所需计算长度为拼接焊缝所需要的长度为l=2（lw+16）+10=2（360+16)+10=762（mm）为保证拼接点处得刚度l=770mm。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0.15nef计算。取焊脚尺寸hf=5mm，节点一侧下弦肢背和肢尖每条焊缝所需长度l1、l2分别为 在图6中节点板板宽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120mm，满足要求。（4） 屋脊节点“k” 图7 屋脊节点“k”1）拼接角钢的计算拼接角钢采用与上弦相同的截面2l20012512。设两者间的焊脚尺寸hf=8mm，竖直应切去=t+hf+5=12+8+5=25mm。按上弦杆力nik=1386.80kn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拼接角钢所需长度l=2（lw+2hf）+20=2（386+16）+20=824（mm）为保证拼接节点处得刚度。取l=900mm。2） 上弦与节点板间焊缝计算 上弦与节点板间在节点两侧共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sin=tan=0.1该合力数值为2nsin-p=21380.800.1-60.21=217.17kn设焊脚尺寸hf=5mm，每条焊缝所需长度为由图7量得的焊缝长度为220，很富余。（5）支座节点“a”图8 支座节点“a”1) 底板计算 底板承受屋架的支座反力r=10p=60.21kn,柱采用c20，混凝土的轴心抗压强度设计值fc=10n/mm2.底板需净面积an为锚栓直径采用d=25mm,锚栓孔布置见图7栓孔面积为252=5963（mm2）底板需总面积为as=an+a=60210+5963=66173（mm2）按构造要求底板面积取a=280280=78400（mm2）as,满足要求。 底板承受的实际均布反力 节点板和加劲肋将底板分成四块相同的两相邻边支承板，它们的对角线长度a1及内角顶点到对角线的距离b1分别为 b1=0.5a1=99（mm）b1/a1=0.5,由表查得=0.058，两相邻边支承板单位板宽的最大弯矩为m=qa12=0.0588.311982=18895（nmm)所需底板厚为实取底板尺寸为-28028024。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。有节点图7量得焊缝长度为492mm，计算长度lw=492-12-15=465（mm)（设焊脚尺寸为hf=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=74.5（mm)。则焊缝所受剪力v及弯矩m为 v=602.1/4=150.5（kn）m=ve=150.574.5=11212.3（knmm）焊缝强度验算满足要求。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图7（设hf=8mm）所需焊脚尺寸为hf尚应满足角焊缝的构造要求：，实取长度hf=8mm。其他