12m跨度轻型屋面三角形钢屋架设计说明书.doc

目录一、设计资料及选择屋架形势与材料1二、屋架形式及几何尺寸1三、屋盖支撑布置2四、檩条设计21. 檩条的数目及间距22. 檩条的选材23. 载荷计算34. 内力计算35.强度验算36.刚度验算3五、屋架设计41.载荷计算42.屋架杆件内力计算43.上弦杆弯矩54.杆件截面选择5（一）上弦杆5（二）下弦杆9（三） 腹杆9（四） 尺寸选择105屋架节点设计11(一)支座节点A12（二）上弦节点设计14（三）屋脊拼接点D15（四）下弦杆节点F15（五）脊节点16六、施工图（见图纸）16七、对于本设计的一些说明16轻型屋面三角形钢屋架设计说明书设计人：梁海全 指导老师：付建科、雷小平、卢泽民一、设计资料及选择屋架形势与材料设计一位于杭州市郊的单跨封闭式屋架结构。单跨屋架总长度为36m，柱距4m，跨度为12m；屋面材料为波形石棉瓦，规格：18207258。其它主要参数：坡度，i=1：3，恒载，0.6 kN/，活（雪）载，0.6 kN/。屋架支撑在钢筋混泥土柱顶，混泥土标号为C20，柱顶标高6m。钢材标号：Q235-B.F。其设计强度为f=215 kN/mm2.焊条采用E43型，手工焊接。载荷分布系数取G=1.2,Q=1.4。二、屋架形式及几何尺寸根据所用屋面材料的排水需求及跨度参数，采用芬克式六节间三角形屋架。屋面坡度为i=1/3,屋面倾角=arctg（1/3）=18.4sin=0.3162，cos=0.9487屋架计算跨度：l。=l215012000300=11700mm屋架跨中高度：H=11700/6=1950mm上弦长度：L= l。/(2cos)=11700/(2*0.9487)=6166mm取3节间，节间长度s=6166/3=2055mm节间水平段投影尺寸长度：a=scos=20550.9487=1950mm根据几何关系，得屋架各杆件的几何尺寸如图1所示: 图1 屋架几何尺寸三、屋盖支撑布置在厂房两端和温度伸缩缝两端第一开间的屋架上弦各设一道横向支撑；在其支撑开间的跨中设一道垂直支撑；在屋架上、下弦跨中节点及上弦横向支撑节点处设置纵向通长水平系杆，屋架上弦跨中屋脊节点、屋架端部节点处的通长系杆以及上、下弦横向支撑中的系杆为刚性系杆。（上弦横向水平支撑设置在房屋两端及伸缩缝处的第一开间内，并在相应开间屋架跨中设置垂直支撑，在其余开间屋架下弦跨中设置一道通常的水平系杆。上弦横向水平支撑在交叉点处与檩条相连。为此，上弦杆在屋架平面外的计算长度等于其节间几何长度；下弦杆在屋架平面外的计算长度为屋架跨度的一半。（图2）图 2 屋顶支撑示意图四、檩条设计1. 檩条的数目及间距 波形石棉瓦长1820mm，要求搭接长度150mm，且每张石棉瓦至少需要有三个支承点，因此最大檩条间距：apmax=(1820-150)/(3-1)=835mm。半跨屋面所需檩条数：np=32055/835=8.4根；考虑到上弦平面横向支撑节点必须设置檩条，实际取半跨屋面檩条数np=11根。檩条间距ap=6166/（11-1）=616.6mmapmax，满足要求。2. 檩条的选材 檩条选用槽钢8。查钢结构（上册）附表2可得槽钢8的相关参数：Wx=25.3cm3，Wy=5.79cm3，Ix=101cm4，Iy=16.6cm4。计算截面无孔洞削减，屋面能阻止檩条失稳和扭转，截面塑性发展系数x=1.05，y=1.20。檩条的数目及间距3. 载荷计算檩条均布荷载设计值： q=(Ggk+Qqk)ap =（1.20.6+1.40.6）725.310-3=0.96kN/m，则有： qx=qcos=1.170.9487=0.91kN/m； qy=qsin=1.170.3162=0.30kN/m。4. 内力计算(如图3所示）由于檩条跨距等于4m，可不设拉条。檩条在刚度最大平面内的跨中弯矩：Mx=qxl2 /8=0.9142/8=1.82kNm檩条在刚度最小平面内的跨中弯矩： My=qy(l/2)2 /8=0.304/8=0.15kNm 图 3 檩条弯矩设计值5.强度验算 檩条的最大应力（拉应力）位于槽钢下翼缘枝尖处： = 215N/mm2= 故强度能满足要求。6.刚度验算验算与屋面垂直平面的相对挠度，按短期荷载效应组合进行。荷载标准值： gk1+qk1=（0.6+0.6）725.310-3=0.74kN/m gk1y+qk1y=(gk1+qk1)cos=0.740.9487=0.70kN/m =1/357 1/150 檩条刚度满足要求。五、屋架设计1.载荷计算因檩条沿节间布置，先将檩条作为屋架集中荷载计算，再按经验公式计算屋架和支撑自重，最后折算为屋架上弦节点荷载。檩条作用在屋架上弦的集中力为：Q=qS=0.964=3.84kN节点荷载设计值为： F=2Q=7.68kN2.屋架杆件内力计算芬克式三角形屋架在半跨雪荷载和全跨永久荷载组合计算屋架杆件内力。根据建筑结构静力计算手册，六节式芬克式三角形屋架，n=l/h=6现查得杆件内力系数，再乘以节点荷载F=7.68kN,即可得出杆件内力。杆件编号及内力图见图4，其具体计算表见表1。图 4 杆件编号及内力表1 屋架杆件内力表杆件名称杆件内力系数内力设计值（kN）上弦AB-7.91-60.75BC-6.64-51.00CD-7.27-55.83下弦AF7.5057.6FE4.5034.56腹杆BF-1.34-10.30CF-1.34-10.30DF3.0023.043.上弦杆弯矩 根据钢结构设计手册第五章第5-23条的要求得到：当屋架上弦有节间荷载作用时，弦杆应按偏心受压构件计算。由节间荷载而产生局部弯矩的近似值，可按下列情况确定：（1）对于端节间的正弯矩，取为0.8Mo；（2）对于其他节间的正弯矩和节间负弯矩（包括屋脊节点），均取为0.6Mo。上述Mo是按跨度等于相应节间长度的简支梁所计算的最大弯矩，则有： Mo=Qa/2=3.841.95/2=3.744kN/m端节间的跨中正弯矩：M1=0.8Mo=0.83.744=3.00kN/m中间节间及节点：M2=0.6Mo=0.63.744=2.25kN/m4.杆件截面选择在设计杆件截面前，必须首先确定所选节点板的厚度。在三角形屋架中，节点板厚度与弦杆的最大内力有关。根据弦杆最大内力Nmax=-63.0kN，查焊接屋架节点板厚度选用表【设计手册】可选择支座节点板厚8mm，其它节点板厚6mm。（一）上弦杆上弦杆内力计有：NAB=-60.75kN,NBC=-51.00kN,M1=-3.00kN/m, M2=-2.25kN/m;故该杆应按压弯杆计算。试选2 L1107组成的截面：A=30.39cm2，ix=3.41cm，iy=4.79cm，Wxmax=119.55cm3，Wxmin=44.09cm3，r=8mm。截面塑性发展系数x1=1.05， x2=1.201） 强度验算取A-B段上弦杆（最大内力杆段）验算；轴心压力N=60.75kN最大正弯矩（节间）MX=M1=3.00kN.m,最大负弯矩（节点）MX=M2=2.25kN.m正弯矩截面：负弯矩截面：上弦杆强度符合要求。2）弯矩作用平面内的稳定性验算x=lox/ix=205.5/3.41=60.3150=，按b类截面查钢结构（上册）附表17-2可知：x=0.805；扭转屈曲临界力为： NEX=2EA/=220610330.39102/60.32=1699kN按有端弯矩和横向载荷同时作用使弦杆产生反向曲率，故取等效弯矩系数为: mx=0.85。采用正弯矩验算：用最大负弯矩进行验算时，同样：MX=M2=2.25kN.mRx=Rx2=1.20, W1x=Wxmin=44.09cm3。3）弯矩作用平面外的稳定性验算S=4110mm,应验算上弦杆的A-B-C段在弯矩作用平面外的稳定性。 ，N1=60.75kN，N2=51.00kN。按b类截面查钢结构（上册）附表17-2可知：y=0.676，b=1（弯矩使翼缘受拉）；在计算长度范围内，弯矩和曲率多次改变向号，为偏于安全，取等效弯矩系数。用最大正弯矩进行验算，Mx=M1=3.00kN.m,W1x=Wxmax=119.55cm3。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b可按下式进行计算：用最大负弯矩进行验算：Mx= M2=2.25kN.m, W1x = Wxmin =44.09 cm3。对弯矩使用角钢水平受拉的双角钢T形截面，查表取b=1.0得：故弯矩作用平面外的稳定性满足要求。4）上弦填板的设置 填板厚度同节点板厚，宽度一般取40-60mm,长度取：T形截面比角钢肢宽大10-15mm。填板间距ld，对压杆取ld40i；对拉杆取ld80i，对T形截面i为一个角钢对平行于垫板的自身形心轴的回转半径。一个角钢对于平行于填板自身形心轴的回转半径：ix=3.41cm，40ix=136.4cm。上弦为压杆，节间长度为205.5cm，每节间设置一块填板，则间距ld为: ld=205.5/2=102.8cm40ix=136.4cm，故填板间距设置符合要求。 填板尺寸为：50670mm3。5）局部稳定验算条件：翼缘自由外伸宽厚比腹板高厚比h0/tw应满足当时，当时，对于21107组成的T形截面压弯构件：翼缘腹板均满足要求。（二）下弦杆下弦杆均为拉杆，整个下弦采用等截面，按最大内力NAF=57.6kN计算。屋架平面内计算长度按最大节间A-F，即lox=325.0cm；屋架平面外计算长度因跨中有一道系杆，故loy=2lox=650.0cm。下弦杆所需截面积为： A2=N/f=57.6103/215=268.0mm2=2.72cm2选用2L405,主要参数为：A=23.97=7.94cm2,ix=1.21cm,iy=1.90cm。1）强度验算 N16/A=57.6103/7.94102=72.5N/mm2215N/mm2,强度符合要求。2） 刚度验算 故刚度符合要求。3） 下弦填板设置一个角钢对于平行于填板的自身形心轴的回转半径ix=1.21cm，拉杆按80ix=96.8cm。FE节间设置两块填板：260.0/3=86.7cm96.8cm,填板设置合格；AF节间设置三块填板：325.0/4=81.3cm96.8cm,符合要求。填板尺寸为：506（3） 腹杆1）中间竖腹杆DE中间竖腹杆：N=0，l=195cm。对连接垂直支撑的屋架，采用2L405组成的十字形截面，iox=1.21cm，单个角钢L40，imin=0.78cm。按支撑压杆验算容许长细比。l0=0.9l=0.9195=175.5cm填板设置按压杆考虑：80imin=800.78=62.4cm，设置三块填板，则有：ld=195/4=48.75cm62.4cm。填板尺寸为：506。2）主斜腹杆DF主斜腹杆DF杆，lox=325.0cm,loy=2325.0=650.0cm。内力设计值为N=23.04kN。所需净截面面积：N/f=23.04103/215=107.2mm2=1.07cm2,选用2L455。主要参数：A=24.29=8.58cm2,ix=1.37cm,iy=2.11cm。考虑桁架分为两小榀运输时，主斜腹杆需用螺栓在工地拼装，安装螺栓直径取16mm，螺孔直径取17mm，则实际An=8.58-1.70.5=7.73cm2。强度验算：N/An=23.04103/8.58102=26.9N/mm2215 N/mm2 故强度符合要求。 容许长细比验算： 满足要求。填板设置： 按80i=801.37=109.6cm，DF之间设置两块填板，则有： ld=325.0/3=108.3cm109.6cm，设置符合要求。填板尺寸为：5063）腹杆BF,CFN=-10.30kN，lox=0.8l=0.8145.4=116.32cm,loy=145.4cm，选用2L405，主要参数为：A=23.97=7.94cm2,ix=1.21cm,iy=1.90cm。强度验算 N/A=10.3103/7.94102=12.97N/mm2215N/mm2,强度符合要求。刚度验算 故刚度符合要求。填板设置无需设置填板（4） 尺寸选择 角钢杆件的填板设置及尺寸选择如下表杆件名称杆件截面节间杆件几何长度（cm）i(cm)40i或80i实际板间距每一节填板数填板尺寸（bth）上弦杆21107205.53.41136.4102.81-506下弦杆2L405325.01.2196.881.33-506腹板BF、CF1L405145.41.21DF1L455325.01.37109.6108.32-506DE1L405195.01.2162.448.753-5065屋架节点设计角焊缝强度设计值（E43型焊条）。屋架各杆件轴线至杆件角钢背部的距离一般取5mm的倍数，则根据各角钢的参数可得杆件轴线至杆件角钢背部的距离表杆件轴线至杆件角钢背部的距离表杆件名称杆件截面中心距离/mm轴线距离/mm备注上弦杆2110729.624下弦杆2L40511.710短压杆BF、CF1L40511.710单面连接长拉杆DF1L45513.010单面连接中央吊杆DE1L40511.710单面连接屋架各腹杆与节点板之间连接焊缝的连接角焊缝尺寸hf和焊缝实际长度li（li=lw+10mm）按下面表采用，表中焊脚尺寸hfi按构造要求确定，所需焊缝长度lwi按下列公式算得：腹杆与节点板之间连接焊缝尺寸杆件名称杆件截面杆件内力/kN角钢背部焊缝/mm角钢趾部焊缝/mmhf1lw1l1hf2lw2l2短压杆BF、CF1L40510.305203041020长拉杆DF1L45523.045354541525中央吊杆DE1L40505253542030式中ki 角钢背部角焊缝的轴力分配系数，等边角钢k1=0.7，k2=0.3；对短边相连的不等边角钢，k1=0.75，k2=0.25。0.85为单面连接角钢角焊缝强度设计值的折减系数。(一)支座节点A双角钢T行截面杆件单面角钢1）下弦杆与节点板间连接焊缝计算N=57.6kN =0.75, =0.25; 取角钢背部焊脚尺寸=6mm，角钢肢部焊脚尺寸=5mm，按 焊缝连接强度要求得：背部：肢部：实际焊接长度采用角钢背部，故取45mm。趾部，故取35mm。2）上弦杆与节点间连接焊缝强度N=60.75kN，节点板与角钢背部采用塞焊缝连接（取=4 ），设仅承受节点荷载。因很小，焊缝强度一定能满足要求。令角钢趾部角焊缝承受全部轴心力N及其偏心弯矩M的共同作用：取焊脚尺寸=6，实际焊缝长度=200，计算长度：取计算长度为188mm计算：；故焊缝满足要求；3）底板计算支座反力 R=3F=37.68=23.04kN，采用C20混凝土柱=10 N/。螺栓直径采用13，底板上留矩形带半圆形孔，尺寸-140140，螺栓套板用-701070，孔径13。底板面积：；接触面压应力：。满足要求，底板尺寸适用。支座节点板厚取8mm，支座加强肋厚取6mm，=122.3mm，61.2mm则，查表得=0.058，所需底板厚度,取t=10mm。选用-9010904）加强肋与节点板间竖向连接焊缝的计算：加强肋厚6mm,，取=5mm,焊缝长=（110+62）-2=162mm。 =5.76kN， ； =5mm，满足要求5）加劲肋、节点板与底板的水平连接焊缝的计算：加劲肋与底板间水平连接焊缝承受轴心力 N=R/2=23.04/2=11.52，取=5mm,4（75-2）=4（75-25）=260mm =160 N/取=5mm，满足要求。节点板与底板的水平连接焊缝N=R/2=23.04/2=11.52，取=5mm,2（180-2）=2（180-25）=340mmN/ =160 N/取=5mm，满足要求。（二）上弦节点设计1）上弦杆B与节点板间连接焊缝计算:= =60.75，= =51.00，F=7.68节