90米单跨厂房三角形钢屋架设计

目 录1. 设计资料22 屋架杆件几何尺寸的计算23 屋架支撑布置34 屋架的内力计算65 屋架杆件截面设计76 屋架节点设计117.参考资料20 钢屋盖课程设计1. 设计资料1）.车间为单跨厂房，全长90m。屋架支撑在钢筋混凝土柱上，柱距为6m。上柱截面尺寸为400x400mm。混凝土强度等级为C30，车间内设有一台起重重量300kN的桥式吊车。2）.屋架跨度： 18m3）.屋面坡度： 1：32 屋架杆件几何尺寸的计算 根据所用屋面材料的排水需求及跨度参数，采用芬克式三角形屋架。屋面坡度为i=1：3,屋面倾角=arctg（1/3）=18.435，sin=0.3162，cos=0.9487屋架计算跨度 l0 =l30018000300=17700mm屋架跨中高度 h= l0i/2=17700/(23)=2950mm上弦长度 L=l0/2cos9329mm节间长度 a=L/6=9329/61555mm节间水平段投影尺寸长度 a=acos=15550.9487=1475mm根据几何关系，得屋架各杆件的几何尺寸如图1所示图1 屋架形式及几何尺寸3 屋架支撑布置3.1 屋架支撑 1、因为屋架是有檩屋架，为了与其他支撑相协调，在屋架的下弦节点设计三道柔性水平系杆，上弦节点处的柔性水平系杆均用该处的檩条代替。 2、根据厂房长度90m,跨度为6m，在厂房两端第二柱间和厂房中部设置三道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，中间设置一道垂直支撑。如图2所示。图2 屋盖支撑布置3.2 屋面檩条及其支撑 波形石棉瓦长1800mm,要求搭接长度150mm，且每张瓦至少要有三个支撑点，因此最大檩条间距为 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，为了便于布置，实际取半跨屋面檩条数13根，则檩条间距为：可以满足要求。图3 屋面檩条及其支撑布置示意图3.2.1 截面选择 试选用普通槽钢10，查表m=0.098kN/m，Ix=198.3cm4,Wx=39.7cm3,Wy=7.8cm3; 截面塑性发展系数为x=1.05,y=1.2。恒载 石棉瓦 0.20.778/0.9487=0.148（kN/m2）木丝板 0.250.778/0.9487=0.185（kN/m）檩条和拉条自重 0.098（kN/m）架和支撑自重 0.12+0.01118=0.318（kN/m） 合计 gk=0.749（kN/m） 可变荷载 qk=0.5000.778/0.9487=0.369（kN/m） 檩条的均布荷载设计值 q=Ggk+Qqk=1.20.749+1.40.369=1.415kN/m qx=qsin=1.4150.3162=0.448kN/m qy=qcos=1.4150.9487=1.3424kN/m3.2.2 强度计算 檩条的跨中弯距 X方向： Y方向： （在跨中设了一道拉条） 檩条的最大拉力（拉应力）位于槽钢下翼缘的肢尖处满足要求。3.2.3 强度验算 载荷标准值 沿屋面方向有拉条，所以只验算垂直于屋面方向的挠度：能满足刚度要求。3.2.4 荷载计算 恒载 石棉瓦 0.20.778/0.9487=0.148（kN/m2）木丝板 0.250.778/0.9487=0.185（kN/m2）檩条和拉条自重 0.098（kN/m2）架和支撑自重 0.12+0.01118=0.318（kN/m2） 合计 gk=0.749（kN/m2） 可变荷载 qk=0.5000.778/0.9487=0.369（kN/m2） 檩条的均布荷载设计值 q=Ggk+Qqk=1.20.749+1.40.369=1.415kN/m2节点荷载设计值 P=qas=1.4151.4756=12.52kN4 屋架的内力计算4.1 杆件的轴力芬克式三角形桁架在半跨活（雪）荷载作用下，腹杆内力不变号，故只按全跨雪荷载和全跨永久荷载组合计算桁架杆件内力。根据建筑结构静力计算手册，对于十二节间芬克式桁架，n=17700/2950=6。先查得内力系数，再乘以节点荷载P=12.52kN,屋架及荷载是对称的，所以只需计算半个屋架的杆件轴力。计算出的内力如表1所示。表1 桁架杆件内力组合设计值杆件内力系数内力设计值/kN(P=12.52kN)上弦杆ABBCCDDEEFFG-17.39-16.13-16.76-16.44-15.18-15.81-217.72-201.95-209.84-205.83-190.05-197.94下弦杆AHHIIJ+16.50+13.50+9.00+206.58+169.02+112.68腹杆DIBH、CHEK、FKHD、DKIKKGGJ-2.85-1.34-1.34+3.00+4.50+7.500-35.68-16.78-16.78+37.56+56.34+93.90 注：负为压杆，正为拉杆。4.2 上弦杆的弯矩 由钢结构与组合结构查的，上弦杆端节间最大正弯矩：M1=0.8M0，其它节间最大正弯矩和节点负弯矩为M2=0.6M0。上弦杆节间集中载荷 P=12.52kN节间最大弯矩 M0= Pl/4 =12.521.475/4=4.617kNm端节间 M1=0.8M0=0.84.617=3.694kNm中间节间及节点 M2=0.6M0=0.6=2.770kNm5 屋架杆件截面设计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，节点板厚度与弦杆的最大内力有关。根据弦杆最大内力Nmax=217.72kN,查钢结构设计原理P336页表9.6.4单节点板桁架节点板厚度选用表可选择支座节点板厚为10mm,其它节点板厚应大于8mm。选所有节点板厚10mm5.1 上弦杆 整个上弦杆采用等截面通长杆，由两个角钢组成T形截面压弯构件，以避免采用不同截面时的杆件拼接。弯矩作用平面内的计算长度 lox=1555mm 侧向无支撑长度 l1=21555=3110mm首先试选上弦截面为21107010，查钢结构得其主要参数A=34.334cm2,ix=1.96cm,填板10mm，iy=5.45cm, Wxmin=24.96cm3，,WXMAX=76.6cm3截面塑性发展系数 x1=1.05,x2=1.2。5.1.1 强度验算 取AB段上弦杆（最大内力杆段）验算： 轴心压力： N=217.72kN 最大正弯矩（节间）： Mx=M1=3.694kNm； My=M2=2.770kNm截面强度验算由负弯矩控制。上弦采用等截面，根据5.2 下弦杆（轴心受拉杆件） 整个下弦钢不改变截面，采用等截面通长杆。在下弦节点I处，下弦杆角钢水平肢上开有直径为17.5mm的安装螺栓扩孔。因此，计算下弦杆强度时，必须考虑及此。此外，选截面时还要求角钢水平肢（开孔肢）的边长63mm，以便开d0=17.5mm的安装螺栓孔。 首先按段AH的轴心拉力N=206.58kN 下弦杆的计算长度 lox=393.4cm （取下弦杆IJ段的长度） loy=2393.4=786.8cm 需要 选用2706的角钢，填板10mm其截面相关参数为 A=16.32cm2，ix=2.15cm，iy=3.26cm。5.2.1 强度验算 杆段AH An=A=16.32cm2 杆段HI 杆段IJ5.2.2 长细比验算下弦杆长细比满足要求，所以所选下弦杆截面适用。5.3 腹杆5.3.1 中间竖腹杆JG 对于中间竖腹杆，N=0，=295cm对连接垂直支撑的桁架，采用2504组成十字形截面，单个角钢504，=0.99cm =0.9 l =0.9295=265.5cm 可满足要求。5.3.2 主斜腹杆IK、KG主斜腹杆IK、KG两杆采用相同截面，lox=245.8cm，loy=2245.8=491.6cm，内力设计值 N=+93.9kN 所需净截面面积 选用2404，T形截面，填板10mm A=6.17mm2 ix=1.22cm0.7cm， iy=1.881.40cm 可以使用5.3.3 腹杆DI NDI=-35.68kN，lox=0.8 loy=0.8155.5=124.4cm，loy=l =155.5cm 选用404，A=3.09cm2,ix=1.22cm，iy=1.96cm 刚度验算： 按b类截面查表得可满足要求。5.3.4 腹杆BH、CH、EK、FK 4根杆均为压杆，受力及长度均有小于DI杆，故可按DI杆选用404。不采用填板5.3.5 腹杆HD、DK两者均为拉杆。N=+37.56kN,l=24.58cm.选用404，A=3.09cm2,ix=1.22cm，iy=1.96cm验算如下：可满足要求。5.4 填板设置与尺寸选择双角钢杆件的填板设置与尺寸选择如表2表2 填板设置与尺寸选择杆件名称杆件截面节间杆件几何长度（mm)i(mm)40i(压杆）或80i（拉杆）(mm)实际填板间距(mm)每一节间填板数量(块)填板尺寸bth(mm)上弦杆21107010155519.67847781601070下弦杆AH、HI2706245821.5172012291601090IJ393413112腹杆GJ250429509.97926585601080IK、KG2404245812.2976115356010606 屋架节点设计 角焊缝强度设计（E43型焊条）屋架各杆件轴线至各杆件角钢背面的距离Z0如表3，表中Z0为杆件重心线至角钢背面的距离。表3 屋架各杆件轴线至角钢背面的距离Z0杆件名称杆件截面重心距离Z0(mm)轴线距离Z0(mm)备注上弦杆2110701017.220下弦杆270619.520腹杆JG250413.815IK、KG24048.910DI240411.315单面连接BH、CH、EK、FK240411.315单面连接DH、DK240411.315单面连接6.1 支座节点A6.1.1 下弦杆与节点板间连接焊缝计算 N=206.58kN 取角钢背部焊脚尺寸，角钢趾部焊脚尺寸，按焊缝连接强度要求得 背部 趾部 实际焊缝长度采用角钢背部l1=140mm 趾部l2=70mm6.1.2 绘制节点详图 按以下方法、步骤和要求画节点大样，并确定节点板尺寸 （1）严格按几何关系画出汇交于节点A的各杆件轴线（轴线至杆件角钢背面的距离Z0按表3采用）。 （2）下弦杆与支座底板之间的净距取140mm（符合大于130mm和大于下弦杆角钢水平肢宽的要求）。 （3）按构造要求预定底板平面尺寸为ab=220220mm，使节点A的垂直轴线通过底板的形心。 （4）节点板上部缩进上弦杆角钢背面t1/2+2mm=7mm(式中t1=10mm为节点板厚度），取上、下弦杆端部边缘轮廓线间的距离为20mm和根据下弦杆与节点板间的连接焊缝长度等，确定节点板尺寸如图4所示。图4 支座节点A6.1.3 上弦杆与节点板间连接焊缝计算 N=217.72kN， P1=P/2=12.52/2=6.26kN 节点板与角钢背部采用塞焊缝连接（取hf1= t/2=5），设仅承受节点荷载P1。因P1值很小，焊缝强度不必计算，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：其中取焊脚尺寸=5，由节点图中量得实际焊缝长度l=474mm(全长焊满时），计算长度 lw2=l-10mm=474-10=464mm60hf2=240mm，取最小lw2=60hf2=240mm计算， 焊缝强度可满足要求。6.1.4 底板计算支座反力 R=6P=612.52=75.12kN，采用C30混凝土柱=14.3N/。 锚栓直径采用20，底板上留矩形带半圆形孔，尺寸-220220，锚栓套板用-601060，孔径22。（1）底板面积A 底板与钢筋混凝土柱面间的接触面面积 A=2222-2（45+0.5/4）=424.4； 接触面压应力：可满足混凝土轴心抗压强度要求，预定底板尺寸ab=220mm220mm适用。（2） 底板厚度t 底板被节点板和加劲肋划分成四块相邻边支承德小板，板中最大弯矩（取单位板宽计算） （j） 斜边 查表得=0.06，代入（j）所需底板厚度，取t=16mm。底板选用-220162206.1.5 节点板、加劲肋与底板间的水平连接焊缝的计算（1）节点板与底板间水平连接焊缝 承受轴心力 N=R/2=75.12/2=37.56kN 焊缝计算长度 构造要求 采用hf=8mm，满足要求。（2） 加劲肋与底板间水平连接焊缝 N=R/2=75.12/2=37.56kN 需要 采用hf=8mm，满足要求。6.1.6 加劲肋与节点板间竖向连接焊缝计算 加劲肋厚度采用10mm，中间节点板厚10,mm。 每块加劲肋与节点板间竖向连接焊缝受力： 焊缝计算长度 lw=(140-20)-10=130mm 需要 构造要求 采用hf=8mm，满足要求。 由以上计算可见，底板和加劲肋及其连接焊缝均是构造控制。6.2 上弦一般节点B、C、E、F、D6.2.1 按一下方法、步骤和要求绘制节点详图 （1）严格按几何关系画出汇交于节点B的各杆件轴线（轴线至杆件角钢背面的距离Z0按表3）； （2）节点板上部缩进上弦杆角钢背面10mm、取上弦杆与短压杆轮廓间距离为15mm和根据短压杆与节点板间的连接焊缝尺寸等，确定节点板尺寸如图5所示； （3）标注节点详图所需各种尺寸。6.2.2 上弦杆与节点板间连接焊缝计算 N1=217.72kN N2=201.95kN P=12.52kN节点荷载P假定全部由上弦杆角钢背部塞焊承受，取焊脚尺寸=5mm，（为节点板厚度），因P值很小，焊缝强度不必计算。上弦杆角钢趾部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=217.72-201.95=15.77kN图5 上弦杆一般节点详图(a) 节点B、E (b) 节点C、F (c) 节点D 由图中量得实际焊缝长度l2=141mm,计算长度lw2=l2-10mm=141-10=131mm 需要 构造要求 采用hf=8mm，满足要求。 节点板尺寸： 因内力较小，焊缝尺寸需满足40mm或其他上弦一般节点（节点C、D、E和F）的设计方法、步骤等与节点B相同，节点详图见图5所示。因节点E和节点B的几何关系、受力等完全相同，故节点详图也完全相同。节点C和节点F的详图也完全相同。6.3 屋脊拼接节点G N=197.94kN P=12.52kN6.3.1 拼接角钢的构造和计算 拼接角钢采用与上弦杆截面相同的21107010。拼接角钢与上弦杆间连接焊缝的焊脚尺寸取hf=8mm。 拼接接头每侧的连接焊缝共有四条，按连接强度条件需要每条焊缝的计算长度 拼接处左右弦杆端部空隙40mm，需要拼接角钢长度 为了保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度La=350mm。 6.3.2 绘制节点详图 绘制方法、步骤和要求与上弦一般节点B基本相同，腹杆与节点板间连接焊缝尺寸按表4采用。节点详图如图6所示。图6 屋脊拼接节点G6.3.3 拼接接头每侧上弦杆与节点板间连接焊缝计算 拼接接头每侧上弦轴力的竖向分力Nsina与节点荷载P/2的合力 V=Nsina - P /2=197.340.3162 -12.52/2=49.88kN 设角钢背部的塞焊缝承受竖向合力V的一半，取hf1=5mm， 需要焊缝计算长度（因P/2很小，不计其偏心影响）由图量得实际焊缝长度远大于，因此槽 内焊缝满足计算要求。在计算需要的时没有考虑斜焊缝的强度设计值增大系数。节点板尺寸：按构造要求6.4 下弦一般节点H6.4.1 绘制