课程设计--三角形钢屋架设计.doc

课 程 设 计 说 明 书课程名称： 钢结构 设计题目： 三角形钢屋架设计 院 系： 土木与建筑工程学院 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2012年5月27日课 程 设 计 任 务 书设计题目三角形钢屋架课程设计学生姓名所在院系土建学院专业、年级、班设计要求：1、计算书内容包括：选题（屋架形式）、选择钢材、选择焊接方法及焊条型号、荷载计算及内力组合、杆件截面设计、屋架节点设计。2.施工图（用CAD绘图或手绘）绘制与屋盖支撑相关联的钢屋架施工图，图面内容：屋架索引图（画在图面左上角）比例：1：150屋架正面图（画对称的半榀）比例：1：20或1：30或自定上、下弦杆俯视图 比例：1：10或1：15必要的剖面图（端竖杆、中竖杆、托架及垂直支撑连接处）屋架支座详图及零件详图、施工图说明、标题栏（写明题目、指导教师、姓名、班级、日期）学生应完成的工作：1、 设计计算书一份；2、 绘制与屋盖支撑相关联的钢屋架施工图（1号或2号图纸）一张。3、 图纸应叠成计算书一般大小，与计算书装订一起后上交。参考文献阅读：1、戴国欣主编.钢结构（第3版）M.武汉：武汉理工大学出版社，2011.1.2、张耀春主编.钢结构设计原理M.北京：高等教育出版社，2004.8.3、唐岱新，孙伟民主编.高等学校建筑工程专业课程设计指导M. 北京：中国建筑工业出版社，2002.6.4、陈志华编著.建筑钢结构设计M. 天津：天津大学出版社，2004.3.5、周俐俐，姚勇等编著.土木工程专业 钢结构课程设计指南M. 北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社，2007.5. 工作计划：截面及节点设计 3天 绘制施工图 3天 计算书整理与施工图修正 1天任务下达日期： 2012年5月17日任务完成日期： 2012年5月27日指导教师（签名）： 学生（签名）： 三角形钢屋架课程设计摘 要：该设计是一个单层单跨厂房的三角形屋架，屋面材料为波形石棉瓦以及保温木丝板，结构采用有檩体系，并设有上弦横向水平支撑和下线横向水平支撑以及垂直支撑。屋架简支于钢筋混凝土柱上，柱的混凝土等级为C20，截面尺寸为400mm，钢材采用Q235B，焊条采用E43型，手工焊。综合运用力学和钢结构课程所学知识，在可不考虑抗震设防的前提下，查阅资料，利用所给荷载、几何参数等计算杆件内力、选取杆件材料、型号、尺寸以及节点处的连接（包括焊缝尺寸、焊缝长度）支座处的连接。根据计算结果在cad上画施工图并书写设计说明书。基本达到了巩固在课本上所学的知识的目的，增加了设计经验。关键词：三角形屋架 支撑 荷载计算 焊缝设计和验算目 录1.设计背景 11.1课程设计内容 11.2 课程设计要求 32.设计方案 52.1钢屋架布置 52.2材料选择 53.方案实施 63.1 设计资料 63.2 屋架尺寸和檩条、支撑布置 6 3.3 檩条的设计 83.4 屋架节点荷载计算 103.5 屋架杆件内力计算 113.6 杆件截面选择 123.7 节点设计 174. 结果与结论 235.收获与致谢 246. 参考文献257. 附件261. 设计背景1.1课程设计内容1.建筑物基本条件厂房长度60m，檐口高度15m。厂房为单层单跨结构，内设有两台中级工作制桥式吊车。拟设计钢屋架，简支于钢筋混凝土柱上，柱的混凝土强度等级为C20。柱顶截面尺寸为400mm。钢屋架设计可不考虑抗震设防。厂房柱距选择：6m图1 建筑平面示意图2、 设计题目（1）三角形钢屋架a 1）属有檩体系：檩条采用槽钢10，跨度为6m，跨中设有一根拉条10。如不满足，可自选。 2）屋架屋面做法及荷载取值（荷载标准值）：永久荷载: 波形石棉瓦自重 0.20 kN/m2 檩条及拉条自重 0.20 kN/m2 保温木丝板重 0.25 kN/m2 钢屋架及支撑重 (0.12+0.011跨度) kN/m2 可变荷载: 雪荷载 0.60 kN/m2 屋面活荷载 0.30 kN/m2 积灰荷载 0.30 kN/m2 (a)3.制作及安装条件（1）钢屋架运送单元和支撑杆件均在金属加工厂制作，工地安装，采用手工焊接。（2）预先划分钢屋架的运送单元，以便于确定屋架拼接节点的位置。三角形屋架可分为四个运送单元。如图2.（3）钢屋架与支撑杆件的连接采用普通螺栓。（4）构件最大运输长度为16m，运输高度为3.85m。（5）上、下弦杆为连续杆件，角钢最大长度19m。图2 屋架运送单元的划分1.2 课程设计要求1.计算书完成计算书一份，内容包括：（1）选题：柱距（6m） 屋架形式(a) 荷载取值（永久荷载、可变荷载）（2）选择钢材。（3）选择焊接方法及焊条型号。（4）绘制屋盖体系支撑布置图。（5）荷载计算及各杆件内力组合。（6）杆件截面设计。 详细写出以下杆件设计过程，其余填表即可。 三角形屋架：上弦杆、下弦杆、内力较大的拉杆和压杆。（7）屋架节点设计。2、施工图（1）绘制与屋盖支撑相关联的钢屋架施工图一张。（2）图纸规格：1号或2号图纸。（3）图面内容：1）屋架索引图（习惯画在图面的左上角）比例尺取1：1501：150。2）屋架正面图（画对称的半榀） 轴线比例尺：1：20或1：30或自定。3）上、下弦杆俯视图 杆件比例尺：1：10或1：15。4）必要的剖面图（端竖杆、中竖杆、托架及垂直支撑连接处）。5) 屋架支座详图及零件详图。6）施工图说明。7）材料表（可附在计算书中）。8）标题栏（写明：题目、指导老师、姓名、学号、班级、日期）。（4）作图要求：采用手绘或CAD绘图；图面布置合理；文字规范；线条清楚，符合制图标准；达到施工图要求。（5）设计完成后，图纸应叠成计算书一般大小，与计算书一起装订后上交。3、设计时间选题后决定钢屋架的形式及尺寸、支撑布置、内力计算及荷载组合。集中设计时间为一周： 截面及节点设计 3天 绘制施工图 3天 计算书整理与施工图修正 1天2.设计方案2.1钢屋架布置根据屋面材料的最大容许檩距，可将檩条布置于上弦节点上，檩距为节间长度。在檩条的跨中设置一道拉条。根据厂房总长度60m，跨度为27m，有中级工作制吊车及第一开间尺寸5.5m等因素，可在厂房两端的第二开间设置一道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，并在同一开间两榀相邻屋架的腹杆间设置两道垂直支撑（在跨度13左右处各一道)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的柔性系杆。此外，在厂房两端的第一开间下弦各设置三道刚性系杆。2.2材料选择根据建造地区的温度和荷载性质，钢材选择Q235B，焊条采用E43型，手工焊。3. 方案实施3.1 设计资料三角形屋架跨度27m，间距6m，屋面坡度12.5，厂房长度为60m。永久荷载: 波形石棉瓦自重 0.20 kN/m2 檩条及拉条自重 0.20 kN/m2 保温木丝板重 0.25 kN/m2 钢屋架及支撑重 (0.12+0.011跨度) kN/m2 可变荷载: 雪荷载 0.60 kN/m2 屋面活荷载 0.30 kN/m2 积灰荷载 0.30 kN/m2 钢材采用Q235B,焊条采用E43型。3.2 屋架尺寸和檩条、支撑布置1.屋架尺寸屋架计算跨度：=300=27000300=26700mm屋面倾角： 屋架跨中的高度为：上弦长度：节间长度： 节间水平投影长度：屋架几何尺寸见图3。图3屋架几何尺寸（单位：mm）2.檩条和支撑布置根据屋面材料的最大容许檩距，可将檩条布置于上弦节点上，檩距为节间长度。在檩条的跨中设置一道拉条。根据厂房总长度60m，跨度为24m，有中级工作制吊车及第一开间尺寸5.5m等因素，可在厂房两端的第二开间设置一道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，并在同一开间两榀相邻屋架的腹杆间设置两道垂直支撑（在跨度13左右处各一道，见图4）。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的柔性系杆。此外，在厂房两端的第一开间下弦各设置三道刚性系杆（见图4）。图4屋架支撑布置（单位;mm）（a）上弦横向水平支撑；（b）下弦横向水平支撑；（c）垂直支撑3.3 檩条的设计选用18a槽钢截面，由型钢表查得，自重20.17kgm0.2，=141.4，=20，=1273。1.荷载计算（对轻屋面，可只考虑可变荷载效应控制的组合）永久荷载：（坡面）波形石棉瓦： 檩条和拉条： 保温木丝板： =1.20可变荷载：因为雪荷载大于屋面活载，所以选用雪荷载，雪荷载+积灰荷载=0.9檩条均布荷载设计值：2.强度验算 弯矩设计值（见图5）：图5弯矩图（因为在檩条的跨中设置了一道拉条）檩条的最大应力（拉应力）位于槽钢下翼缘的肢尖处。3.刚度验算只验算垂直于屋面方向的挠度。荷载标准值：因有拉条，不必验算整体稳定性。故选用18a槽钢檩条能满足要求。3.4 屋架节点荷载计算1. 永久荷载（水平投影面）波形石棉瓦自重 檩条及拉条自重 保温木丝板重 屋架和支撑自重 2.屋面活荷载屋面活荷载为0.9。3. 风荷载4. 风荷载高度变化系数为1.25，屋面迎风面的体型系数为0.328，背风面为0.5，所以负风压的设计值为（垂直于屋面）迎风面：=1.41.250.3280.4=-0.23背风面：=1.41.250.50.4=-0.35和均小于永久荷载（荷载分项系数取1.0）垂直与屋面的分量0.960.9285=0.89，所以永久荷载与风荷载联合作用下不会使杆件的内力变号，故风荷载产生的内力的影响不予考虑。4.屋架上弦在檩条处的集中荷载屋架上弦在檩条处的集中荷载设计值由可变荷载效应控制的组合为3.5 屋架杆件内力计算由于屋面坡度较小，风荷载为吸力，且远小于屋面永久荷载，故其与永久荷载组合时不会增大杆件的内力，因此不予考虑。芬克式屋架在半跨活荷载作用下，腹杆内力不会变号，故只需按全跨永久荷载与全跨可变荷载组合计算屋架杆件的内力。屋架杆件内力计算可用图解法或数解法进行。本例屋架为标准屋架，可直接由建筑结构设计手册查得各杆件的内力系数，然后乘以节点荷载即为各相应杆件的内力。分别如表1和图6 所示。 图6 杆件内力图（单位：kN）表1 屋架杆件内力计算表杆件名称杆件内力系数内力设计值（）上 弦AB-14.81-451.7BC-13.66-416.6CD-14.07-429.1DE-13.70-417.9EF-12.55-382.8FG-12.95-395.0下 弦ah+13.75+419.4hi+11.25+343.1ij+7.50+228.8腹 杆Di-2.79-85.1Bh、Ch-1.21-36.9Ek、Fk-1.21-36.9Dh、Dk+2.50+76.3ik+3.75+114.4Gk+6.25+190.6Gj0.000 注：负为受压，正为受拉。3.6 杆件截面选择弦杆端节间最大内力为451.7，由焊接屋架节点板厚度选用表，可选用屋架中间节点板厚度为10mm，支座节点板厚度为12mm。1.上弦杆（见图7）整个上弦杆不改变截面，按最大内力计算。图7 上弦截面=451.7，=239.64cm，=2=2239.64=479.28cm。选用2组成的T形截面，节点板厚为10mm，查型钢表得A=229.06=58.12，=3.32cm，=5.0cm 根据查表得，则故选择截面合适。2.下弦杆（见图8）图8 下弦截面下弦杆也不改变截面，按最大内力计算。=+419.4，屋架平面内的计算长度取最大节间ij长度，即=560.6cm。因屋架下弦在跨中央设有一道通长的系杆，故屋架平面外的计算长度取侧向固定点间的距离，即=1335cm。所需截面面积为：选用2100637短肢相连的T形截面，由型钢表查得 =211.1=22.2,=1.78cm，=4.95cm故所选截面合适。3.腹杆（1）Di杆选用2565，A=25.42=10.84，=1.72m，=2.69cm。根据，查表得，则所选截面合适。（2）Bh、Ch、Ek、Fk杆N=-36.9，=187.2cm选用635单角钢截面，A=6.14，=1.25cm，则=0.9=0.9187.2=168.5cm由查表得。单角钢单面连接计算构件稳定性时强度设计值折减系数为故所选截面满足要求。（3）Dh、Dk杆N=+76.3，=387.2cm选用564单角钢截面，A=4.39，=1.11cm，单角钢单面连接计算构件强度时的强度设计值折减系数，则故所选择的截面合适。（4）ik、Gk杆两根杆件采用相同的截面，用按最大内力计算，=387.2cm，=2=2387.2=774.4cm选用2456，A=25.08=11.16，=1.36cm，=2.28cm。所选截面合适。（5）Gj杆。N=0, =534cm对有连接垂直支撑的屋架WJ2，采用2635组成十字形截面，并按受压支撑验算其长细比。故满足要求。对不连接垂直支撑的屋架WJ1，选用635单角钢，并按受拉支撑验算其长细比，故满足要求。屋架各杆件截面选择情况见表2。表2 屋架杆件截面选择杆件名称杆件编号内力设计值（kN）计算长度（mm）选用截面截面面积A（cm2）杆件受力类型长细比容许长细比计算应力杆件端部的角钢肢背和肢尖焊缝（mm）填板数(每节间)上弦AB、BC、CD、DE、EF、FG-451.72396.44792.821101458.12压杆72.295.91500.582201.51下弦Ah、hi、ij+419.4560613350210063722.2拉杆314.9269.7350188.9623041702腹杆Di-85.123002876256510.84压杆133.7106.91500.371211.66505502Bh、Ch、Ek、Fk-36.9168516856356.14压杆1500.365164.7550450Dh、Dk+76.3348534855644.39拉杆350173.8580450ik、Gk+190.63872774.4245611.16拉杆284.7339.6350170.861105702Gj0（压）48064806263512.28压杆20059059070（拉）48064806635 6.14拉杆4005905903.7 节点设计本例只选择几个有代表性的、重要的节点进行计算，其余节点的计算过程从略，可参见屋架施工图。1. 屋脊节点（见图9）腹杆Gk与节点板的连接焊缝，查表得=160（以下同），取肢背和肢尖焊脚尺寸分别为=6mm和=5mm，则杆端所需的焊缝长度分别为肢背：故取=110mm。 图9 屋脊节点（单位：mm）故肢尖：取=70mm。拼接角钢采用与上弦杆等截面，肢背处削棱，竖肢切去V=t+5=25mm，取V=30mm，并将竖肢切口后经热弯成型用对接焊缝焊接。拼接接头一侧所需的焊缝计算长度为拼接角钢的总长度为=2（+10）+d=2（147+12）50=368mm上弦杆与节点板的塞焊缝，假定承受节点荷载F2，验算从略。上弦肢尖与节点板的焊缝连接按弦杆内力的15%计算，且考虑由此产生的偏心弯矩作用（偏心距e=80mm）。设肢尖焊缝焊脚尺寸=5mm，节点板总长度为660mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为焊缝应力为由以上计算结果可知，因弦杆与节点板的连接焊缝受力不大，且连接长度较大，故可按照构造进行满焊，不必计算。2.下弦拼接节点（见图10）图10下弦拼节点（单位：mm）屋架跨度27m超过运输界限，故将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点G和下弦节点i处设置工地拼接。腹杆杆端与节点板的焊缝连接按ik和Di中最大内力计算。设肢背和肢尖的焊脚尺寸均取=4mm，则杆端所需的焊缝长度分别为肢背：故取100mm。肢尖：故按构造取60mm。弦杆与节点板的连接焊缝按弦杆内力与的内力差计算，因为内力差较小，按构造布置焊缝即可满足要求，不必计算。拼接角钢采用与下弦杆相同截面，肢背处削棱，竖肢切去V=t+5=17mm。按拼接焊缝与杆件等强度原则，接头一侧所需的焊缝计算长度为故取220mm。拼接角钢所需总长度为=2（+10）+10=2（220+10）+10=470mm3.上弦节点D（见图11） 图11上弦节点D（单位：mm）各腹杆杆端与节点板的焊缝计算从略，节点板的形状和尺寸如图10所示。上弦肢背塞焊缝承受檩条传来的集中荷载（节点荷载）F，取节点板缩进肢背5mm，=t2=5mm，则肢尖与节点板的焊缝承受弦杆的内力差为偏心距e=80mm，且节点板长度较大，故可不作计算，按构造要求布置焊缝进行满焊即可满足条件。2. 支座节点。（见图12） 图12 支座节点（单位：mm）屋架支撑与钢筋混凝土柱上，混凝土强度为C20，=10为便于施焊，取下弦轴线至支座底板上表面的距离为160mm，并设置图12所示加劲肋。下弦杆端与节点板的焊缝取肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为=6mm和=4mm，则所需焊缝长度为：肢背：故取230mm。肢尖：故按构造取170mm。上弦杆端与节点板的焊缝，由于焊缝长度较大，可不必计算，按构造要求即可。(1)支座底板计算。支座反力为R=6F=630.5=183支座底板尺寸取ab=250mm250mm,采用M22锚栓，并用图示U形缺口。柱顶混凝土的压应力为：底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算。支座节点板和加劲肋将支座底板分成四块，每块板均为两相邻边固定支撑而另两相邻边自由的板。两支撑边之间的对角线长度为：=两支撑边之间的交点到对角线的垂直距离为：=2=110m