木结构屋顶设计

木结构屋盖设计 结 53 班 包查润 2015010252 一 设计概况 1 1 设计要求 拟设计一个承载垂直荷载的屋顶构件 假设屋顶系统的组件为简单支撑 考 虑规定的 1kPa 的静荷载和 1 5kPa 活荷载 结构采用木结构或木材与少量钢材 自选结构形式 构件材料 构件尺寸和 连接方式 设计目的是尽量减少非木材的使用 同时达到安全 经济和美观的要 求 1 2 设计规模 占地面积为60 100m 1 3 材料规格 选用华北地区常见的东北落叶松 强度等级 TC17 B 组别 1 4 荷载条件 静荷载为 1kPa 活荷载为 1 5kPa 均布荷载 荷载组合分别按 1 2 倍和 1 4 倍计算 1 2 1kPa 1 4 1 5kPa 3 3kPa 结构自重为610kg 3 二 结构设计 本屋顶为木结构桁架结构 主梁跨度 60m 梁间距 10m 为豪式桁架结构 次梁在相邻主梁间垂直主梁布置 跨度 10m 梁间距 5m 为矩形桁架结构 次 梁上铺设椽条 椽条上铺设屋面板 三 次梁设计 2 1 次梁尺寸 采用桁架梁 桁架形式如图所示 跨度L 10000mm 梁高h 1000mm 结点间距 2500mm 杆件尺寸均为150mm 300mm 2 2 荷载计算 次梁跨度L 10000mm 次梁间距为b 5000mm 荷载为3 3kPa均布荷载 则次梁荷载为 16 5KN m 均布荷载 边跨处集中荷载减半 为8 25kN m 2 3 强度验算 材料参数 采用东北落叶松 抗弯 顺纹抗压承 压 顺纹抗拉 顺纹抗剪 横纹承压 局部和齿面 90 弹性 模量 E 17 15 9 5 1 6 3 5 10000 表 2 1 木材强度设计值和弹性模量 N 2 利用结构力学求解器得到次梁桁架各杆件内力 具体内力值见附 1 2 3 1 轴心受拉构件承载能力验算 受拉构件强度验算公式为 净截面面积均为 45000 2 拉力设计值的最大值为 55 1 22 2 9 5 2 满足强度要求 2 3 2 轴心受压构件承载能力验算 1 按强度验算 受压构件强度验算公式为 上弦杆 压力设计值的最大值为 206 净截面面积 45000 2 4 58 2 15 2 满足强度要求 2 按稳定验算 受拉构件强度验算公式为 其中 为轴心受压构件稳定系数 树种强度为 TC17 且长细比 75 时 1 1 80 2 由于杆件长度 截面尺寸不同 需对受压杆件逐一验算 以压力设计值最大杆件为例 杆件长度为 0 3 51 稳定系数为 0 49 压力设计值的最大值为 206 净截面面积 45000 2 9 34 2 15 2 满足稳定性要求 2 3 2 受弯构件抗剪承载能力验算 受弯构件抗剪强度验算公式为 其中 V 为剪力设计值 I 为全截面惯性矩 b 为构件宽度 S 为剪切面以上的 截面面积对中性轴的面积矩 剪力设计值V 20 6kN 截面尺寸150mm 300mm I 337500000 4 b 150mm S 1687500 3 0 69 2 1 6 2 满足强度要求 2 4 位移验算 利用结构力学求解器得到主梁最大挠度为跨中处 9mm 构件长度 3 3m 以上最大挠度为 250 9mm 40mm 满足位移要求 四 主梁设计 3 1 主梁尺寸 采用梯形桁架梁 桁架形式如图所示 跨度L 60000mm 跨中处梁高为h1 5000mm 边跨处梁高为h2 3000mm 结点间距为5000mm 杆件截面尺寸 上弦杆 400mm 600mm 下弦杆 350mm 400mm 竖杆 200mm 400mm 受拉斜杆 350mm 400mm 受压斜杆 350mm 400mm 3 2 荷载计算 荷载由次梁传到主梁 主梁间距为10000mm 次梁间距等于主梁结点间距 为5000mm 荷载为3 3kPa均布荷载 则主梁荷载为等间距集中荷载 3 3kPa 12000mm 10000mm 165kN 边跨处集中荷载减半 为82 5kN 3 3 强度验算 利用结构力学求解器得到主梁桁架各杆件内力 具体内力值见附 2 3 3 1 轴心受拉构件承载能力验算 受拉构件为下弦杆 竖杆 受拉斜杆 净截面面积均为 80000 2 拉 力设计值的最大值为 682 8 52 2 9 5 2 满足强度要求 3 3 2 轴心受压构件承载能力验算 1 按强度验算 上弦杆 压力设计值的最大值为 2795 净截面面积 240000 2 11 65 2 15 2 受压斜杆 压力设计值的最大值为 1377 净截面面积 140000 2 9 84 2 15 2 满足强度要求 2 按稳定验算 受拉构件强度验算公式为 其中 为轴心受压构件稳定系数 树种强度为 TC17 且长细比 75 时 1 1 80 2 由于杆件长度 截面尺寸不同 需对受压杆件逐一验算 上弦杆 以压力设计值最大杆件为例 杆件长度为 0 5 01 稳定系数为 0 84 压力设计值的最大值为 2795 净截面面积 240000 2 13 86 2 15 2 受压斜杆 以压力设计值最大杆件为例 杆件长度为 0 5 83 稳定系数 为 0 67 压力设计值的最大值为 1377 净截面面积 140000 2 14 7 2 15 2 满足稳定性要求 3 4 位移验算 利用结构力学求解器得到主梁最大挠度为跨中处 170mm 构件长度 3 3m 以上最大挠度为 250 170mm 18mm 中部构件最小厚度满 足 c 400mm 5d 250mm 2 剪面设计承压值验算 剪面设计承压力由以下公式确定 2 其中 为计算系数 钢夹板时取值为 7 5 螺栓直径 d 50mm 该结点 剪面设计承压值 75 该排列形式为 8 个剪面 竖杆 受拉斜杆设计值 的最大值 N 569kN N 569kN 8 600 满足强度要求 3 螺栓最小间距验算 两纵行错列 横纹中距 2 125 2 5 125 边距 3 160 3 150mm 满足尺寸要求 4 垫块斜纹承压强度验算 受压构件强度验算公式为 其中 为木材斜纹承压强度设计值 根据规范 4 2 6 规定为 1 90 1 10 80 由于杆件压力设计值 角度不同 需对受压杆件逐一验算 以压力设计值最 大及斜面角度最大为例 37 10 63kN 压力设计最大值为1377kN 9 83 10 63kN 45 此时 7 44kN 压力最大设计值为 595kN 4 25 7 44kN 满足强度要求 4 2 主梁上弦杆结点 4 2 1 结点设计 竖杆采用螺栓连接 结点设计与下弦杆相同 上弦杆 受压斜杆采用垫块连接 垫块宽度 b 400mm 主梁上弦杆支座结点 主梁上弦杆中间结点 主梁上弦杆顶端结点 4 2 2 强度验算 竖杆 受压斜杆与下弦杆结点设计值相同 上弦杆斜面角度 10 由规 范 4 2 6 斜纹承压强度可取为 正压设计值与杆件受压相同 故不需要进行强 度验算 4 3 次梁结点 4 3 1 结点设计 受拉斜杆采用螺栓连接 竖杆 受压斜杆采用垫块连接 垫块与竖杆 受压斜杆正压 用暗销连接 暗销直径 d 10mm 垫块宽度 b 150mm 螺栓连接为双剪连接 夹板采用钢夹板 厚度 c 8mm 螺栓直径 d 16mm 下弦杆端部两纵行齐列 每列 2 根 横纹中距 2 100 边距 3 100 次梁上弦杆结点 次梁下弦杆结点 4 3 2 强度验算 1 垫块斜纹承压强度验算 斜面角度 68 4 9 截面尺寸 150mm 300mm 4 5 4 9 符合强度要求 2 木构件最小厚度验算 双剪连接 螺栓直径 d 16mm 18mm 中部构件最小厚度满足 c 150mm 5d 80mm 3 剪面设计承压值验算 由公式 2 计算得 7 7 该排列形式为 8 个剪面 竖 杆 受拉斜杆设计值的最大值 N 55kN N 55kN 8 61 满足强度要求 4 螺栓最小间距验算 两纵行错列 横纹中距 2 100 2 5 40 边距 3 100 3 56mm 满足尺寸要求 4 4 主梁与次梁间结点 4 4 1 结点设计 结点正压 采用螺栓防止侧移 螺栓直径 d 16mm 单行排列 共 2 根 垫块横纹中距 2 100 边 距 3 125 4 4 2 强度验算 次梁端部与主梁垫块均为横纹承压 压力设计值 N 165kN 承压面尺寸 150mm 400mm 2 75 90 3 5 满足强度要求 六 设计依据和参考资料 木结构设计规范 GB50005 2003 木结构设计手册 附录 1 次梁内力设计值 单位 力 N 力矩 N mm 杆端内力值 乘子 1 杆端 1 杆端 2 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩 1 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 2 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 3 20625 0000 0 00000000 0 00000000 20625 0000 0 00000000 0 00000000 4 0 00000000 20625 0000 0 00000000 0 00000000 20625 0000 0 00000000 5 206250 000 20625 0000 0 00000000 206250 000 20625 0000 0 00000000 6 206250 000 20625 0000 0 00000000 206250 000 20625 0000 0 00000000 7 0 00000000 20625 0000 0 00000000 0 00000000 20625 0000 0 00000000 8 20625 0000 0 00000000 0 00000000 20625 0000 0 00000000 0 00000000 9 41250 0000 0 00000000 0 00000000 41250 0000 0 00000000 0 00000000 10 166603 536 0 00000000 0 00000000 166603 536 0 00000000 0 00000000 11 55534 5120 0 00000000 0 00000000 55534 5120 0 00000000 0 00000000 12 55534 5120 0 00000000 0 00000000 55534 5120 0 00000000 0 00000000 13 166603 536 0 00000000 0 00000000 166603 536 0 00000000 0 00000000 附录 2 主梁内力设计值 单位 力 N 力矩 N mm 杆端内力值 乘子 1 杆端 1 杆端 2 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩 1 1532600 74 0 00000000 0 00000000 1532600 74 0 00000000 0 00000000 2 490834 185 0 00000000 0 00000000 490834 185 0 00000000 0 00000000 3 189776 180 0 00000000 0 00000000 189776 180 0 00000000 0 00000000 4 555445 340 0 00000000 0 00000000 555445 340 0 00000000 0 00000000 5 681832 722 0 00000000 0 00000000 681832 722 0 00000000 0 00000000 6 596380 688 0 00000000 0 00000000 596380 688 0 00000000 0 00000000 7 596380 688 0 00000000 0 00000000 596380 688 0 00000000 0 00000000 8 681832 722 0 00000000 0 00000000 681832 722 0 00000000 0 00000000 9 555445 340 0 00000000 0 00000000 555445 340 0 00000000 0 00000000 10 189776 180 0 00000000 0 00000000 189776 180 0 00000000 0 00000000 11 490834 185 0 00000000 0 00000000 490834 185 0 00000000 0 00000000 12 1532600 74 0 00000000 0 00000000 1532600 74 0 00000000 0 00000000 13 225892 112 0 00000000 0 00000000 225892 112 0 00000000 0 00000000 14 215565 612 0 00000000 0 00000000 215565 612 0 00000000 0 00000000 15 1426481 03 0 00000000 0 00000000 1426481 03 0 00000000 0 00000000 16 2170643 87 0 00000000 0 00000000 2170643 87 0 00000000 0 00000000 17 2602084 13 0 00000000 0 00000000 2602084 13 0 00000000 0 00000000 18 2785477 94 0 00000000 0 00000000 2785477 94 0 00000000 0 00000000 19 2794796 76 0 00000000 0 00000000 2794796 76 0 00000000 0 00000000 20 2794796 76 0 00000000 0 00000000 2794796 76 0 00000000 0 00000000 21 2785477 94 0 00000000 0 00000000 2785477 94 0 00000000 0 00000000 22 2602084 13 0 00000000 0 00000000 2602084 13 0 00000000 0 00000000 23 2170643 87 0 00000000 0 00000000 2170643 87 0 00000000 0 00000000 24 1426481 03 0 00000000 0 00000000 1426481 03 0 00000000 0 00000000 25 215565 612 0 00000000 0 00000000 215565 612 0 00000000 0 00000000 26 225892 112 0 00000000 0 00000000 225892 112 0 00000000 0 00000000 27 477177 918 0 00000000 0 00000000 477177 918 0 00000000 0 00000000 28 453449 932 0 00000000 0 00000000 453449 932 0 00000000 0 00000000 29 451575 282 0 00000000 0 00000000 451575 282 0 00000000 0 00000000 30 443921 945 0 00000000 0 00000000 443921 945 0 00000000 0 00000000 31 412659 190 0 00000000 0 00000000 412659 190 0 00000000 0 00000000 32 569600 760 0 00000000 0 00000000 569600 760 0 00000000 0 00000000 33 412659 190 0 00000000 0 00000000 412659 190 0 00000000 0 00000000 34 443921 945 0 00000000 0 00000000 443921 945 0 00000000 0 00000000 35 451575 282 0 00000000 0 00000000 451575 282 0 00000000 0 00000000 36 453449 932 0 00000000 0 00000000 453449 932 0 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