金属结构设计课程设计-轻型屋面三角形钢屋架设计.doc

轻型屋面三角形钢屋架设计说明书学 生：权峰学号：2011138245指导教师：付建科 （三峡大学 机械与动力学院）1设计资料及主要参数设计一位于杭州市近郊的单跨屋架结构（封闭式）要求结构合理，制作方便，安全经济。屋架支承在钢筋混凝土柱顶。其主要参数如下：1、单跨屋架平面尺寸：36m18m；2、柱距：S=4m；3、屋面坡度：i=1:2.5；4、屋面恒载：0.9kN/ m2；5、活（雪）载：0.6kN/ m2 ； 6、屋面材料：波形石棉瓦（18207258）；7、混凝土标号：C20；8、柱顶标高：6m；9、钢材标号：Q235-B.F（其设计强度=215N/mm2）；10、焊条型号：E43型；11、载荷分项系数：G=1.2；Q=1.4；2屋架形式及几何尺寸根据所用屋面材料的排水需要和跨度参数，采用芬克式十二节间三角形屋架。屋架坡度为1:2.5，屋面倾角。所以 ，屋架计算跨度：屋架跨中高度：上弦长度：节间长度：节间水平投影长度：根据轻型钢结构设计手册查得各杆长度系数，然后计算各杆件几何尺寸。杆件各尺寸如图1所示。图1 屋架各杆件几何尺寸3屋盖支撑设计3.1屋架的支撑布置（如图2所示）（1） 在房屋两侧第二开车间各设置一道上弦平面横向水平支撑和下弦平面横向水平支撑；并在同一开车两榀相邻屋架的腹杆间设置两道垂直支撑。（2） 上弦檩条可兼做系杆，故不另设系杆，在下弦跨中央设置一道通长柔性系杆，此外，在厂房两端第一开车间下弦各设三道刚性系杆。（a） 上弦横向支撑；（b）下弦横向支撑；（c）垂直支撑（b） 图2 屋架的支撑布置图所以3.2屋面檩条及其支撑布置波形石棉瓦长1820mm，要求搭接长度150mm，且每张石棉瓦需要有不少于三个支撑点，因此最大檩条间距： 半跨屋面所需檩条数：考虑到上弦平面横向支撑节点处必须设置檩条，则实际中取半跨屋面的檩条数，檩条间距，可满足实际要求。恒载：活（雪）载：檩条均匀荷载设计值为为求杆件轴力，把载荷转化为节点载荷，其公式如下。檩条选用槽钢I8，查表得：，（1）载荷计算则檩条均匀荷载设计值为： （2）强度验算 （由于檩条跨中设置了一拉条） 檩条弯矩设计值如图3所示图3 檩条弯矩设计值所以檩条的最大应力（拉应力）位于槽钢下翼缘肢尖处： （故此处满足要求）。（3） 刚度计算 在沿屋面方向有拉杆，可只验算垂直屋面方向的挠度。 载荷标准值： （故此处满足要求）。4屋架杆件内力计算4.1杆件的内力杆件内力计算可根据图解法或分法计算，本设计采用芬克式三角钢屋架可直接查表得出其内力系数，然后乘以节点荷载即为各杆内力，由前面的计算得下式。节点荷载设计值F= 按照课题要求，根据建筑结构静力计算手册查得内力系数和计算出的内力见表1和图4所示。表1 杆件内力系数及内力值杆件名称杆件内力系数内力计算值（kN）上弦AB-14.81-131.51BC-13.66-121.30CD-14.07-124.94DE-13.70-121.66EF-12.55-111.44FG-12.95-115.00下弦AH13.75121.10HI11.2599.9IJ7.5066.6腹杆DI-2.77-24.60BH CH-1.21-10.75EK FK-1.21-10.75HD DK2.522.2IK3.7533.3KG6.2555.5GJ00图4 杆件内力值4.2上弦杆弯矩由前面计算已知：上弦杆节间集中载荷 P=11.68kN由钢结构设计手册查得上弦杆节间集中载荷：上弦杆的局部最大弯矩： 上弦杆端节间最大正弯矩：中间节间，节点处最大正弯矩和节点负弯矩为。上弦杆节间最大正弯矩：中间节间，节点处最大正弯矩和节点负弯矩为5屋架杆件截面计算在设计屋架杆件截面前，首先要确定所选节点板的厚度。在三角形屋架中，根据杆件的最大内应力，查钢结构设计指导与实例精选钢屋架节点板厚选用表，（参考文献10）节点板厚的选择如表2所示，选择支座节点板厚为8mm，其他节点板厚为6mm。表2 钢屋架节点板厚度参考选用表确定节点板厚的最大内力/kN160160300301500501700701中间节点板厚6mm8mm10mm12mm14mm支座节点板厚8mm10mm12mm14mm16mm5.1上弦杆 整个上弦杆采用等截面通长杆，由两个角钢组成T形界面压弯构件，以避免采用不同截面时的杆件拼接。上弦杆取AC段，按最大内应，以及，计算。参考钢结构设计指导与实例精选（参考文献10）首先，试选上弦杆截面为2807=18.79cm2；ix=2.48cm；iy=3.65，Wxmax=48.8cm3，Wxmin=22.8cm3 1.强度检验 条件：；=1.05；=1.2；=150 取A-B段上弦杆（最大内应力杆）验算：轴心压力N=131.51kN 最大正弯矩Mx=M1=1.70kNm，最大负弯矩Mx=M2=1.28kNm正弯矩截面：；负弯矩界面：；上弦杆强度满足要求。2.弯矩作用平面内稳定性计算应按下列规定计算：对角钢水平肢1：对角钢水平肢2：因杆段相当于两端支撑的构件，杆上同时作用有端弯矩和横向荷载并使构件产生反向曲率，故按规范取等效弯矩: 长细比：对于b类截面，查钢结构P339页b类界面轴心受压杆件稳定系数表，查得欧拉临界应力： 则 用最大正弯矩进行计算：Mx=M1=1.70kNm，W1x=Wxmax=48.8cm3 f=215 用最大负弯矩进行验算：Mx=M2=1.28kNm，, 满足要求3.弯矩作用平面外的稳定性计算 验算条件 因侧向无支撑长度l1=317.6mm，故验算上弦杆的A-B-C段在弯矩作用平面外的稳定性。 等弯系数:tx=mx=0.85. 轴心压力N1=131.51kN，N2=124.96kN弯矩作用的平面计算长度=158.8m侧向无支撑长度=2158.8=317.6mm所以=(0.75+0.25N2/N1)=318.35cm长细比：属b类截面，查表得=0.825用最大正弯矩进行计算：Mx=M1=1.76kNm，W1x=Wxmax=48.8cm3 对弯矩使用角钢水平肢受压的双角钢T形截面，规范规定整体稳定系数可按下式进行计算：得：用最大负弯矩进行计算：Mx=M2=1.28kNm，对弯矩使用角钢水平肢受拉的双角钢T形截面，规范规定整体稳定系数可按下式进行计算：所以平面外长细比和稳定性均可满足要求。4.局部稳定性验算 验算条件：翼缘自由外伸宽厚比：腹板高厚比：当时： 当时：，为腹板计算高度边缘的最大压应力。为腹板计算高度另一边缘相应的应力。翼缘： 腹板：因此满足要求。所以，上弦杆截面完全满足各项要求，截面适用。5.2下弦杆下弦杆为轴心受压构件，整个下弦杆不改变截面，采用等截面通长杆。按最大内力轴心拉力为N=121.10kN。长细比容许值：=350下弦杆在屋架平面内计算长度按最大节间距计算，下弦杆的计算长度为：=371.6cm. 因为下弦杆在屋架平面外计算长度只在跨中有一道系杆，故=885cm要满足：所以，可以查表可以选用2短肢相拼的T形截面，查表得：，取连接支撑的螺栓孔位于节点板内距离，1.强度计算杆AH：An=A=12.26cm2所以此时以最大内力N=121.1kN计算下弦杆强度满足要求。2. 长细比验算 满足要求，所以所选下弦杆截面适用。5.3腹杆1. 短压杆BH ，CH，EK ，FK，其内力均为N=10.75kN，其长度=124.3cm，故选择截面相同的杆件 查表选用，斜平面计算强度：=（刚度满足要求）此截面属于b类截面，查表得=0.413。单面连接的等边单角钢构件按轴心受压计算稳定性时的强度设计值拆减系数为：满足要求，所选截面适用。2.长压杆DI杆件内应力N=24.6kN，=190.8cm计算长度，根据上述条件，拟选用2，查角钢表：A=6.98，（刚度满足要求）因为（满足要求），因此由查表得（满足要求）3.短拉杆DH和DKN=22.2kN，=256.7cm短拉杆DH和DK由于内力相同，故选择相同截面，拟利用单面连接的单角钢截面（截面无削弱），角钢号为查表得：A=3.49,(刚度满足要求)单角钢单面连接计算构件强度时设计值折减系数为（满足要求）4. 长拉杆IK,KJ 对于IK,KJ杆，两杆采用等截面，最大内力按N=55.5kN计算 ，选用2，查角钢表：，（刚度满足要求）5. GJ杆N=0，由于连接为垂直支撑的屋架，采用2组成十字截面，并按照受压支撑计算其长细比查角钢表，（满足要求）5.4填板设置与尺寸选择填板的间距与杆件的受力形式有关，对压杆填板间距=40,对拉杆填板间距=80。填板厚度与节点板厚相同。表3 双角钢杆件的填板设置与尺寸选择杆件名称杆件截面杆件几何长度i(cm)填板间距(cm)受力状态每节填板数量填板尺寸(bth)上弦杆807158.82.4698.4压力18079下弦杆AH75505256.72.46196.8拉力18079HI75505256.72.46196.8拉力18079IJ75505371.62.46196.8拉力28079腹板DI504190.82.4698.4压力28079GI504513.42.46196.8拉力28079GJ564354.02.46196.80280796屋架节点设计角焊缝强度设计值，采用E43型焊条，手工电弧焊时为6.1支座点A1.下弦杆与节点板间连接焊缝计算 N=121.1kN，查表，等边角钢的角焊缝内力分配系数k1=0.75,k2=0.25.取角钢肢背焊脚尺寸(t=8mm)，角钢肢尖焊脚尺寸。按焊缝连接强度的要求：肢背：肢尖：实际焊缝长度采用每根角钢肢背=85mm,肢尖=30mm。2. 按下列所列方法、步骤和要求画节点样图，并确定节点板尺寸。（1）严格按照几何关系画出汇交于节点A的各杆件轴线。（2）下弦杆与支座底板之间的净距取140mm。（3）按构造要求，预设置底板平面尺寸为220220，使节点A的垂直轴线通过底板的形心。（4）节点板上缩进上弦杆的角钢背面长度为。3.上弦杆与节点之间的连接焊缝计算，节点荷载： 节点与角钢肢背采用塞焊缝连接，取，设仅有肢背受节点荷载P1，因为P1很小，焊缝强度一定能满足要求，不必计算。图5 节点图令角钢肢尖角焊缝承受全部轴心力N及其偏心弯矩M的共同作用。其中取肢尖焊脚尺寸，取实际焊缝长度（全长焊满时远大于330mm），计算长度：取最大计算。所以 因此焊缝强度满足要求。4.底板计算 支座反力：采用C20混凝土：（1）底板面积的确定底板与钢筋混凝土柱顶面间的接触面面积接触面上所受的压应力：可以满足混凝土轴心抗压强度要求，底板尺寸为220220mm适用。（2）底板厚度t 底板被节点板和加劲肋划分成四块相同的相邻边支撑的小板，底板厚度由两边支撑的矩形板确定。矩形板相关数据为：；查表得：=0.06板的最大弯矩为：按底板抗弯强度设计条件，需要底板厚度：由于考虑到各种不确定因素，可取厚一点的板，所以取t=20mm底板选用尺寸为：-220202205.节点板、加劲肋与底板间水平连接焊缝计算 因底板是正方形，故节点板和加劲肋与底板的连接焊缝各承受支座反力的一半。（1）节点板与底板间水平连接焊缝承受轴心力：焊缝计算长度：构造要求：取，满足要求。（2）加劲肋与底板水平连接焊缝 ，需要满足：取，满足要求。6.加劲肋与节点板间竖向连接焊缝计算加劲肋厚度采用10mm，与中间节点板等厚。每块加劲肋与节点板间竖向连接焊缝受力：，焊缝强度计算长度：需要满足：构造要求：采用满足要求。由以上计算知，底板和加劲肋及其连接焊缝均满足要求。6.2上弦一般节点B、E、C、F、D1.按以下方法和步骤绘制节点详图（1）画出汇交节点B的各杆件轴线（2）节点板上部缩进上弦杆的角钢背面为6mm（3）标出节点详图所需的各种尺寸2.上弦杆与节点板间连接焊缝的计算N1=-131.51kN， N2=-124.96kN，F=8.88kN节点载荷P假定全部由上弦杆角钢肢背塞焊缝承受，取焊脚尺寸为5mm,因为P值很小，其强度要求必满足，不必计算。上弦杆肢尖角焊缝假定承受节点两侧弦杆内力差及其偏心弯矩M的共同作用其中： 图6 节点图取焊缝计算长度：，计算长度需要构造要求：采用满足要求。6.3屋脊拼接点G其中N=-115.0N，F=8.88kN，拼接角钢的构造和计算为便于紧贴和保证施焊质量，拼接角钢采用与上弦杆截面相同的2807，拼接角钢与上弦杆间连接焊缝尺寸取，为便于紧贴和施焊质量的保证，铲除拼接角钢角顶棱角：切断拼接角钢竖肢：，取拼接接头每侧的连接焊缝共有四条，连接强度条件需要每条焊缝的计算长度为：取70拼接处左右弦杆端部空隙20mm，需要拼接的角钢长度： 为保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度.此外，因屋面坡度较大，应将拼接角钢的竖肢开出剖口，采用60mm2.绘制节点图为便于工地拼接，拼接处工地的弦杆与拼接角钢和受拉主斜杆的布置如图7所示图7 节点与弦塞6.4下弦杆节点H1.绘制节点图如图8所示图8 节点图2.下弦杆与节点板间连接焊缝计算轴心受力：N1=121.1kN，N2=99.9kN，实际焊缝长度为：其计算长度：需要满足：构造要求：取满足要求。6.5下弦杆节点IN1=99.9kN，N2=66.6kN1.拼接角钢的构造和计算拼接角钢采用与下弦拉杆截面相同的2，拼接角钢与下弦杆间连接焊缝的焊角尺寸取连接每条焊缝的计算长度：为了保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度L=400mm6.6受拉主斜杆中间节点4设计计算与下弦一般节点1相同。7施工图见图纸。8对于本设计的一些说明（1） 此轻型钢屋架跨度为18m，选用芬克式12节间屋架；（2） 因该屋架下没有悬（重）挂起重机设备，故不需要验算绕度，但因跨度L=18m15m，故制作时宜起拱；（3） 相关数据计算公式参照钢结构基本原理。9参考文献1. 黄呈伟，钢结