钢结构焊接钢屋架设计书.doc

钢结构焊接钢屋架设计书1设计资料根据下列资料选择屋架杆件截面和设计屋架的节点：屋架跨度L=30m ,屋架间距b=6m;屋架支座高度H0=2m; 屋架坡度i=1/12;屋架上弦间距长度d=3m.屋面采用1.56.0m预应力钢筋混凝土屋面板和卷材屋面(由二毡三油防水层、2 cm厚水泥砂浆找平层及8cm厚的泡沫混凝土保温层组成),屋架选用梯形钢屋架,跨中高度H=3.0m,屋架简支在钢筋混凝土柱顶上.当地基本雪压为S0=0.7KN/m2.屋架上弦平面利用屋面板(用埋固的小钢板和上弦杆焊柱)代替水平支撑,在屋架下弦平面的端部几两侧面端面布置水平及竖直支撑.设计规范:钢结构设计规范(GB500172003);建筑结构荷载(GB500092001).2荷载计算2.1恒载标准值:防水层(二毡三油上铺小石子)0.35KN/m2沿屋面坡向分布.找平层(2cm水泥砂浆)0.4KN/m2沿屋面坡向分布.保温层(8cm泡沫混凝土)0.5KN/m2沿屋面坡向分布.预应力混凝土屋面板(包括灌缝)1.5KN/m2沿屋面坡向分布.屋架自重(包括支撑)按经验公式计算.q=0.12+0.011L(L单位用m)=0.12+0.01130=0.45KN/m2沿水平投影面分布.因屋面坡度很小,故以上各项可直接相加得:恒荷载标准值为:3.1KN/m2.恒载设计值:3.11.2=3.72KN/m2.活载标准值: 2.2 屋面均布活荷载屋面均布荷载(不上人的屋面)0.7 KN/m2沿水平投影面分布.雪载:S=urS0(因屋面与水平的倾角a=4.760150,故屋面积雪分布系数ur=1.0).S=1.00.7=0.7 KN/m2沿水平投影面分布.风载:因a=4.760150,风载体型系数us=对屋面为吸力(-0.6),故可不考虑风载影响.活载设计值:0.71.4(活载分项系数)=0.98 KN/m2.在屋架内力计算时,节点荷载由屋面恒载和均布活载组合而成.已知屋架上弦节间水平长度为3m,屋架间距为6m.2.3设计屋架荷载组合:(1) 全跨恒载+全跨活载屋架上弦节点荷载:P=(3.72 +0.98)36=84.6KN.(2) 屋架及支撑自重+半跨屋面板+半跨荷载(作用在左半跨)P左=(0.45+1.5)1.2+0.71.436=59.76KN;P右=0.451.236=9.72KN.(3) 全跨恒载+半跨活载(作用在左半跨) P左=(3.72+0.98) 36=84.6KN; P右=3.7236=66.96KN. 经过计算,这种荷载组合所产生的杆件内力对本屋架的杆件不起控制作用,故未列入。3 内力计算图1.1为屋架计算简图,杆件内力用各杆件之间的三角关系求得: 图1.1 屋架计算简图屋架上弦除了承受轴心压力外,尚承受节间集中荷载而产生的弯矩,其值为: 第一节间M=0.8M0=中间节间M=0.6M0=中间节间M=-0.6M0=-屋架在上述第一种和第二种荷载组合作用下的计算简图如图1.1所示.在全跨恒荷载和全跨活载作用下,屋架弦杆、竖杆和靠近支座斜杆的内力均较大.在屋架及支撑自重和半跨屋面板与活载作用下,靠近跨中、的斜杆内力可能发生变号,故要注意.计算结果列于表中.表中列入控制设计的杆件内力.4杆件截面选择4.1 上弦杆截面选择 按受力最大的弦杆设计,沿跨度全长截面保持不变. 上弦杆B4为压弯杆件: N=-1018.72KN; MX=19.035KNm.LX=300cm; LY=150;(由于上弦杆和屋面板埋设小钢板并牢固焊接,可代替水平支撑,故上弦杆平面外的计算长度LY=150cm).假设的步骤作用不大,可直接估计选出截面进行验算.选用,A=43.32=86.6;W1X=234.42=468.8;W2X=90.952=181.9;iX=4.92cm;iy=7.07cm;(节点板厚选用t=12mm).(1) 按公式验算弯矩作用平面内的稳定性由第5章表5.1查得截面塑性发展系数=1.05; =1.2;由附录4查得压杆稳定系数 : ;.此处节间弦杆相当于两端支撑有端弯矩和横向荷载同时作用,且使构件产生反向曲率的情况,根据规范等效弯矩系数.将以上数据代入下式,验算弯矩作用平面内的稳定性: 对于这种T形截面压弯杆件,还应验算截面另一侧,即所以可保证弦杆弯矩作用平面内的稳定性.(2) 按下式验算弯矩作用平面外的稳定性由附录4查得=0.957;对于双角钢T形截面的整体稳定性系数:将以上数据代入下式,验算弯矩作用平面外的稳定性 所以可保证弦杆弯矩作用平面外的稳定性.(3) 强度验算由于上弦杆两端的弯矩比较大,同时(图1.2)较小.因此,尚需按下式验算节点负弯矩截面无翼缘一边的强度:因BC,BD的弯矩值和DE的相同,而轴心力均小于DE,为了简化制造工作,故可采用与DE相同的截面尺寸而不必验算.上弦杆AB,N=0,M=25.38KNm; 图1.2 上弦杆截面 图1.3 下弦杆截面4.2 下弦杆截面选择 按轴心拉杆设计,沿全长截面不变,截面采用等肢角钢拼合(图1.3) 最大设计拉力: N=976.15KN , L=600cm , =1200cm需要=选用 ,A=222.8=45.6,可满足要求, =3.03cm;=由于此屋架不受动力作用,故可仅验算在竖直平面内的长细比. 4.3 腹杆截面选择 各腹杆截面选择过程从略,其结果列于表1.1.表1.1 杆件内力及截面选择表杆件计算长度设计内力截面形式与尺寸截面面积截面抵抗矩W(cm3)回转半径(cm)长细比稳定系数计算应力值名称编号N(KN)M(KNm)上弦AB3001500+25.3821601486.64.927.076121.2+116.3-19.035BC300150-814.9886.64.927.076121.20.801+19.035-19.035CD300150-814.9886.64.927.076121.20.801+19.035-19.035DE300150-1018.7286.64.927.076121.20.801+19.035EF300150-1018.7286.64.927.076121.20.801-204.84-19.035下弦ac600600507.621001245.63.03198111.3ce6001200969.0545.63.03198212.5ef3001200976.1545.63.03198214.1斜杆aB375375-634.521401054.744.346.1287.161.80.69-168Bc300375380.7280824.62.44123.9154.8cD328410-212.82801030.262.423.81135.5107.60.364-193.2De328410+62.6280824.62.44136.825.4eF336420+93.9263819.021.93.03176.8138.649.4fG336420+57.57-47.7263819.021.93.03176.8138.6竖杆Aa200200-42.3263819.021.93.03105.2660.526-42.3Cc200250-84.6263819.021.93.03109.5860.525-84.7Ee240300-84263819.021.93.03131.6105.60.385-114.7FfL0=3250263819.0205.节点设计腹杆aB最大设计压力:N=-634.5KN,中间节点板厚采用t=12mm, 支撑节点板厚度采用t=14mm.焊条用E43型,角焊缝强度设计=160. 5.1杆件与节点板的连接焊缝斜杆aB: N=-634.5KN, 214010每个角钢需要的焊缝面积:=角钢为等肢，则角钢肢背和肢尖所需的焊缝面积各为: =0.719.83=13.88 =0.319.83=5.95焊缝布置如下:肢背焊缝取= 8mm, =,采用 25 cm.肢尖焊缝取= 6mm. , 采用 15cm.杆件均为等肢角钢,肢背和肢尖的焊缝面积各按0.7和0.3分配.计算结果综合如表1.2.表1.2 杆件端部焊缝计算表杆件设计内力角钢尺寸每个角钢所需的焊缝面积采用的焊缝尺寸名称编号斜杆aB-634.521401019.8313.885.9582506150Bc380.7280811.98.333.576200685cD-212.84280106.654.661.996111648De62.628081.971.380.59648648eF93.926382.932.050.88649648竖杆Aa-42.32638670670Cc-84.62638670670Ee-84.62638670670上弦AB021601461506150下弦ac507.621001215.911.134.77819961145.2 弦杆与节点的连接焊接(1) 节点B弦杆肢背为塞焊接,节点板缩进角钢背7 mm,节点板厚度t=12mm.塞焊缝强度验算:设焊角尺寸 =710mm= 弦杆肢尖角焊缝强度验算:设焊角尺寸8mm 710mm814.98KN M=e=814.98100=81498KNmm=满足强度要求.(2) 节点 F (屋脊节点)拼接角钢采用与上弦相同截面14016,需将拼接角钢略为弯折并切去肢背的棱角,再将竖直斜切,使其传力平顺.假设拼接角钢的4条角缝均匀受力,当hf=8mm时,则拼接角钢一侧每条焊缝长度为: 连接角钢全长取60cm .上弦与节点板的连接焊缝,按上弦内力944.3KN的15%与半个节点荷载 1018.72KN的合力计算,但数值较小,故按构造布置.竖杆 Ff 和节点板的连接构造,实有焊缝长度比需要长度大很多.跨中屋脊节点和下弦中央节点处是否需要工地拼装焊缝,还是整跨制造运到工地安装,需视运输和吊装设备而定,在此未考虑工地焊缝问题.(3) 节点c 969.05-507.6=461.45kN =肢背焊缝 =0.714.42=10.1取 6 mm. =.肢尖焊缝 =0.314.42=4.32取 6mm, (4)节点f(下弦中央节点) 下弦与节点板的连接焊缝,按弦杆内力969.05KN的15%计算,但数值不大,实际焊缝尺寸由节点构造尺寸决定.下弦中央节点的拼接采用215010连接角钢,接缝一侧每条焊缝长度(取=6mm), =,拼接角钢全长采用68cm,竖肢削去=8+6+5=19mm,需将角钢棱角削除,如图所示:5.3 支座节点屋架支承在钢筋混凝土柱上,支座反力R=423KN .混凝土强度等级为C20 ,其抗压强度设计值=9.5.为了将屋架集中的支座反力较均匀地传给混凝土柱顶,避免柱顶面被压坏,屋架支座节点的构造除要有节点板外,还要有平板式支座底板和加劲肋.加劲肋的作用是分布支座处的压力和提高节点板的侧向刚度.支座节点处端斜杆aB和下弦杆ac的轴线应交于通过支座中心的竖线上,加劲肋对称地布置在节点板两侧,而竖杆Aa内力很小,布置时对支座中心竖线略有偏心,影响不大.为了便于施焊,下弦杆与支座底板之间的距离不应小于下弦角钢伸出肢的宽度,也不小于100150mm,现用120mm.需要的支座底板面积:=.考虑构造要求,采用底板平面尺寸28cm28cm,锚固螺栓直径采用d= 20 mm,底板上锚孔直径用 50 mm, 则底板净面积: 底板的厚度按屋架反力作用下产生的弯矩计算,一般不小于1620mm,现选用 t= 20mm.加劲肋尺寸,加劲肋和节点板连接焊缝均应按计算及构造要求决定,现采用如图所示.最后,绘制屋架的施工图(只绘出主要部分),如图及所附材料表. 参考文献1 赵占彪。钢结构。北京：中国铁道出版社。2006。2 魏明钟。钢结构。武汉：武汉理工大学出版社，2002。3 魏明钟。钢结构设计规范与应用。北京：中国建筑工业出版社，2004。4 陈绍藩。钢结构设计原理。2版。北京：中国建筑工业出版