30m梯形钢屋架课程设计.docx

目 录一、设计资料 .3 二、荷载与内力计算 .4 1、荷载计算 .4 2、荷载组合 .4 3、内力计算 .4三、杆件截面设计 .6 1上弦杆 .6 2下弦杆 .7 3端斜杆 aB.7 4再分式腹杆 eg-gK .8 5竖腹杆 Ie.9 四、节点设计 . .13 1下弦节点b. .13 2上弦节点B .15 3有工地拼接的下弦节点f.17 4屋脊节点K.19 5支座节点a. 21 五、填板设计 .26 六、材料表 .27 附表 .29 一 设计资料1. 屋架铰支于钢筋混凝土柱顶，混凝土标号C25；2. 车间柱网布置：长度120m，柱距6m，跨度L=30m；3. 上弦平面侧向支撑间距为两倍节间长度，下弦平面在柱顶和跨中各设一道纵向系杆；4. 屋面坡度1:10；5. 钢材采用Q235B钢，焊条为E43XX 系列，手工焊;6. 屋面荷载标准值见表1 表1荷载标准值荷载类型荷载名称荷载标准值永久荷载预应力钢筋混凝土屋面板（包括嵌缝）三毡四油铺小石子找平层20mm厚水泥砂浆保温层80mm厚泡沫混凝土屋架及支撑重量0.45 KN/m2可变荷载屋面活载0.3 KN/m2积灰荷载7、屋架计算跨度：l0=L-20.15=30-20.15=29.7m，屋架形式和几何尺寸如图1 所示。8钢材采用Q235B钢，焊条为E43XX 系列，手工焊。图1 屋架形式及几何尺寸二、荷载与内力计算1、荷载计算 屋面荷载汇总如表2 所示： 表2 屋面荷载汇总荷载类型荷载名称荷载标准值永久荷载D总计3.1 KN/m2可变荷载屋面活载L0.3 KN/m2积灰荷载C2、荷载组合设计屋架时，应考虑以下三种组合：（1）组合一：全跨永久荷载全跨可变荷载。根据荷载规范，具体有以下3 种情况 1.2D+1.4L+1.40.9C=1.23.1+1.40.3+1.40.90.5=4.77 KN/m2 1.2D+1.4C+1.40.7L=1.23.1+1.40.5+1.40.70.3=4.714 KN/m2 1.35D+1.40.9C+1.40.7L=1.353.1+1.40.90.5+1.40.70.3=5.109 KN/m2所以组合一屋架上弦节点荷载为: P=qA=5.1091.5x6=45.98 KN/m2（2）组合二：全跨永久荷载半跨可变荷载。全跨永久荷载： q1=1.35D=1.353.1=4.185 KN/m2 p1=q1A=4.1851.56=37.665半跨可变荷载： q2=1.40.9C+1.40.7L=1.40.90.5+1.40.70.3=0.924 KN/m2 p2=q2A=0.9241.56=8.316 KN/m2（3）组合三：全跨屋架及支撑自重半跨屋面板重半跨屋面活荷载。全跨屋架及支撑自重：q3=1.00.45=0.45KN/m2 p3=q3A=0.451.56=4.05 KN/m2半跨屋面板重半跨屋面活荷载：q4=1.21.4+1.40.3=2.1 KN/m2p4=q4A=2.11.56=18.9 KN/m23、内力计算本设计采用数值法计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数（单位节点力分别作用于全跨、左半跨和右半跨），内力计算结果如表3所示。表3 屋架杆件内力组合表杆件名称内力系数（P1）组合三计算内力（kN）上弦杆AB0.000.000.00000000BC-11.22-8.44-3.41-515.91-492.88-451.03-204.73-109.89-515.91CD-11.22-8.44-3.41-515.91-492.88-451.03-204.73-109.89-515.91DE-18.07-13.02-6.19-830.88-789.02-732.20-318.91-189.81-830.88EF-18.07-13.02-6.19-830.88-789.02-732.20-318.91-189.81-830.88FG-21.41-14.56-8.39-984.45-927.65-876.32-361.47-244.85-984.45GH-21.41-14.56-8.39-984.45-927.65-876.32-361.47-244.85-984.45HI-22.23-13.92-10.18-1022.16-953.22-922.10-352.97-281.99-1022.16IJ-22.71-14.39-10.18-1044.23-973.92-940.18-363.49-283.92-1044.23JK-22.71-14.39-10.18-1044.23-973.92-940.18-363.49-283.92-1044.23下弦杆ab5.994.591.72275.43263.83239.95110.8756.65275.43bc15.0911.124.86693.85660.96608.88270.98152.67693.85cd20.0114.047.32920.06870.59814.68345.99218.99920.06de21.9814.109.291010.64947.79905.28360.74264.101010.64ef21.0811.6111.61969.26890.68890.68304.38304.38969.26斜腹杆aB-11.23-8.60-3.23-516.36-483.36-449.91-207.80-106.30-516.36Bb9.026.642.92414.74395.03364.08161.8591.54414.74bD-7.49-5.20-2.80-344.39-325.41-305.44-128346-83.10-344.93Dc5.253.502.48253.81237.06228.5788.3969.12253.81cf-4.22-2.25-2.41-194.04-177.69-179.02-59.53-62.56-194.04Fd2.700.942.16121.15109.53119.6828.6551.71121.15dH-1.530.20-2.11-70.35-55.97-75.19-2.39-46.05-75.19He0.32-1.241.9114.711.7427.95-22.1537.39-22.15eg1.603.45-2.2673.5688.9841.4771.65-36.2788.98-36.27gk2.324.17-2.26106.67122.0968.5988.16-33.36122.09-33.36gl0.650.650.0029.8929.8924.4914.902.6229.89竖杆Aa-0.50-0.500.00-22.99-22.99-18.34-11.47-2.03-22.99Cb-1.00-1.000.00-45.98-45.98-37.67-22.93-4.05-45.98Ec-1.00-1.000.00-45.98-45.98-37.67-22.93-4.05-45.98Gd-1.00-1.000.00-45.98-45.98-37.67-22.93-4.05-45.98Ie-1.50-1.500.00-68.97-68.97-56.51-34.40-6.05-68.97Jg-1.00-1.000.00-45.98-45.98-37.67-22.93-4.05-45.98Kf0.000.000.000.000.000.000.000.000.00三、杆件截面设计腹杆最大内力N=-516.36 KN/m2，支座节点板厚度选用12mm，中间节点板厚度选用10mm。1上弦杆整个上弦杆采用等截面，按HI,IJ杆件的最大内力设计，即N =-1044.23 Kn/m2上弦杆计算长度：在屋架平面内，计算长度系数为1.0，计算长度在屋架平面外，计算长度系数偏安全地取为2.0，计算长度根据平面内外的计算长度，上弦截面选用2L18011012，短肢相并，如图2 所示。图2 上弦截面肢背间距a=12mm，所提供的 A=67.424cm2, ix=3.10cm, iy=8.76cm, y0=2.52cm (1) 刚度验算, 满足 x= oxix = 150.73.10 = 48.61 = 150 y= oyiy = 301.48.76 = 34.41 , 上弦杆绕x轴弯扭屈曲, 按b类截面查得稳定系数=0.758,则 NA=10441030.75867.424102=204.3 N/mm2f=215N/mm2 ,满足2下弦杆整个下弦杆采用等截面，按de杆件的最大内力设计，即N=1010.64 KN下弦杆为受拉构件，可只需计算面内的长细比，计算长度系数为1.0，计算长度： ox=3m选用2L16010，提供：A=63cm2, ix=4.98cm（1）刚度验算 x= oxix=3004.98=60.24 = 150，满足（2）强度验算NA=1010.6410363102=160.42 N/mm2f=215N/mm2,满足3端斜杆aB杆件轴力： N=-516.36KN面内和面外的计算长度系数均为1.0，所以计算长度因为，故采用不等肢双角钢，长肢相并，使，选用2L1258010，如图3 所示。 图3 端斜杆截面提供 A=39.424cm2, ix=3.98cm, iy=3.38cm, y0=4.14cm(3) 刚度验算, 满足 x= oxix = 2533.98 = 63.57 = 150 y= oyiy = 2533.38 = 74.85 , aB上弦杆绕x轴弯扭屈曲, 按b类截面查得稳定系数=0.664,则 NA=516.361030.66439.424102=170.56N/mm2f=215N/mm2 ,满足4再分式腹杆 eg-gk再分式腹杆在f节点处不断开，采用通长杆件。最大拉力： gk=122.0.9 KN , Neg=89.98 KN最大压力： Neg=-36.27KN ， Ngk=-33.36 KN在屋架平面内，计算长度系数为1.0，计算长度ox=2.301m在屋架平面外，计算长度系数偏安全地取为2.0，计算长度oy=2=4.602m提供：A=11.14cm2, ix=2.18cm, iy=3.29cm, y0=1.86cm (1)刚度验算, 满足 x= oxix = 230.12.18 = 105.55 = 150 y= oyiy = 460.23.29 = 139.88 = 150(2)强度验算 NA=516.3610311.14102=109.6N/mm2 , 上弦杆绕x轴弯扭屈曲, 按b类截面查得稳定系数=0.319,则 NA=36.271030.31911.14102=102.06 N/mm2f=215N/mm2 ,满足5竖腹杆Ie杆件轴力： N=-68.97KN面内和面外的计算长度系数分别为 0.8和 1.0，计算长度ox=0.8=0.83.19=2.552m ox=3.19m选用2L704，提供A=11.14cm2, ix=2.18cm, iy=3.29cm, y0=1.86cm (1)刚度验算, 满足 x= oxix = 230.12.18 = 105.55 = 150 y= oyiy = 460.23.29 = 139.88 = 150(2)强度验算 NA=516.3610311.14102=109.6N/mm2 , 上弦杆绕x轴弯扭屈曲, 按b类截面查得稳定系数=0.319,则 NA=36.271030.31911.14102=102.06 N/mm2f=215N/mm2 ,满足其余各杆件的截面设计过程不再一一列出，根据各杆的内力性质，现将结果分别列于表4表6。 表4 拉杆设计表杆件名称截面特性杆件特性设计参数验算结果截面规格A(cm2)ix(cm)拉力(kN)L(m)Mue-xramda-x应力比结论下弦de2L16010634.98 1010.64 3160.240.75 满足腹杆Bb2L80724.60 2.78 414.74 2.6130.875.19 0.78 满足Dc2L80515.82 2.48 253.81 2.8640.892.39 0.75 满足Fd2L5047.79 1.54 121.15 3.1240.8162.29 0.72 满足gI2L4546.97 1.38 29.89 2.0830.8120.75 0.20 满足Kf2L4546.97 1.38 03.490.8202.32 0.00 满足31表5 压杆设计表杆件名称截面特性杆件特性设计参数验算过程结论截面规格A(cm2)ix(cm)iy(cm)压力(kN)L(m)Mue-xMue-yramda-xramda-yramda-yzphi应力比上弦IJ、JK2L18011012*67.424 3.10 8.76 -1044.23 1.5071248.61 34.41 68.80 0.758 0.95 满足腹杆bD2L110834.476 3.40 4.96 -344.93 2.8640.8167.39 57.74 77.82 0.702 0.66 满足cF2L90621.274 2.79 4.13 -194.04 3.1240.8189.58 75.64 91.25 0.613 0.69 满足dH2L70411.140 2.18 3.29 -75.19 3.390.81124.40 103.04 116.43 0.414 0.76 满足Cb2L5047.794 1.54 2.51 45.98 2.290.81118.96 91.24 97.32 0.442 0.62 满足Ec2L5048.780 1.73 2.74 -45.98 2.890.81133.64 105.47 111.84 0.371 0.66 满足Gd2L70411.140 2.18 3.29 -45.98 2.890.81106.06 87.84 107.18 0.510 0.38 满足Ie2L70411.140 2.18 3.29 -69.97 3.190.81117.06 96.96 112.39 0.453 0.65 满足Jg2L4546.972 1.38 2.32 -45.98 1.5950.8192.46 68.75 77.14 0.605 0.51 满足aB2L125801039.424 3.98 3.38 -516.36 2.531163.57 74.85 83.58 0.664 0.92 满足Aa2L563647.180 1.79 1.77 -22.992.00511112.01 113.28 119.95 0.437 0.34 满足表6 拉压杆设计表杆件名称截面特性杆件特性设计参数验算过程结论截面规格A(cm2)ix(cm)iy(cm)压力(kN)拉力(kN)L(m)Mue-xMue-yramda-xramda-yramda-yzphi拉应力比压应力比腹杆He2L6349.956 1.96 3.02 -22.15 33.39 3.390.81138.37 112.25 120.28 0.351 0.16 0.29 满足eg2L70411.140 2.18 3.29 -36.27 88.98 2.30112105.55 139.88 146.92 0.319 0.37 0.48 满足gK2L70411.140 2.18 3.29 -33.36 122.09 2.30112105.55 139.88 146.92 0.319 0.68 0.44 满足四、节点设计各杆件的计算内力、截面规格及形心距y0汇总见表7所示。表7 杆件信息汇总表杆件名称计算内力(kN)截面规格y(mm)上弦杆-1044.032L18011012*25.2下弦杆1010.642L1601043.1斜腹杆aB-516.362L125801041.4Bb414.742L80722.3bD-344.932L110830.1Dc253.812L80521.5cF-194.042L90624.4Fd121.152L50413.8dH-75.192L70418.6He46.852L63417eg88.982L70418.6gk122.092L70418.6gI29.892L45412.6竖腹杆Aa-22.992L5636418.2Cb-45.982L50413.8Ec-45.982L50413.8Gd-45.982L56415.3Ie-69.572L70418.6Jg-45.982L45412.6Kf0.002L45412.6注：带*号的截面为短肢相并不等边双角钢截面，不带*号的为长肢相并不等边双角钢截面或等边双角钢截面。1下弦节点“b”（1）腹杆与节点板的连接焊缝（a）“Bb”杆杆件轴力N = 414.74kN，截面为2807，节点板厚12mm，肢背和肢尖的内力分配系数分别为=0.7，=0.3，角焊缝强度设计值ffw=160Nmm2 。肢背焊缝焊脚尺寸取hf,1=8mmhf,min=1.5tmax=1.512=5.2mm hf,max=1.2tmin=1.27=8.4mm 所需焊缝长度l1=N20.7hf,1ffw+2hf,1=0.7414.7410320.78160+28=178mm取l1=180mm62hf,1=628=496 mm肢尖焊缝焊脚尺寸取hf,2=6mmhf,min=1.5tmax=1.512=5.2mmhf,max=t-1=6mm 所需焊缝长度l2=N20.7hf,2ffw+2hf,2=0.3414.7410320.76160+26=105mm取l2=110mm62hf,1=626=372 mm（b）“bD”杆杆件轴力N = -344.93kN，截面为21108，节点板厚12mm，肢背和肢尖的内力分配系数分别为=0.7，=0.3，角焊缝强度设计值ffw=160Nmm2 。肢背焊缝焊脚尺寸取hf,1=8mmhf,min=1.5tmax=1.512=5.2mmhf,max=1.2t=9.6mm 所需焊缝长度l1=N20.7hf,1ffw+2hf,1=0.7344.9310320.78160+28=151mm取l1=160mm62hf,1=628=496 mm肢尖焊缝焊脚尺寸取hf,2=6mmhf,min=1.5tmax=1.512=5.2mmhf,max=t-2=6mm 所需焊缝长度l2=N20.7hf,2ffw+2hf,2=0.3344.9310320.76160+26=89mm取l2=100mm62hf,1=626=372 mm（c）“Cb”杆杆件轴力N = -45.98kN，截面为2504，节点板厚12mm，肢背和肢尖的内力分配系数分别为=0.7，=0.3，角焊缝强度设计值ffw=160Nmm2 。肢背焊缝焊脚尺寸取hf,1=4mmhf,min=tmin=4mm hf,max=1.2tmin=1.24=4.8mm 所需焊缝长度l1=N20.7hf,1ffw+2hf,1=0.745.9810320.74160+24=44mm取l1=50mmmax(10hf,2，40+2hf,2)=48mm（2）节点详图根据上述焊缝长度以及杆件截面，并考虑杆件之间应有的间隙、制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，如图4所示，从而确定节点板尺寸为490mm430mm。图4 下弦节点“b”（3）下弦与节点板的连接焊缝下弦与节点板的连接焊缝长度l =490mm ，所受的力为左右两下弦杆的内力差DN = 693.85 -275.43 = 418.42kN。下弦杆截面为216010，节点板厚12mm，肢尖与肢背的焊脚尺寸都取hf=6mmhf，min=1.5tmax=1.512=5.2mm焊缝计算长度lw=l-2hf=490-26=478mm60hf=606=360mm，取lw=360mm受力较大的肢背处的焊缝应力为f=N20.7hflw=0.7418.4210320.76360=97Nmm2ffw=160Nmm2，满足2上弦节点“B”（1）腹杆与节点板的连接焊缝（a）“Bb”杆“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。（b）“aB”杆杆件轴力N = -516.36kN，截面为21258010，节点板厚12mm，肢背和肢尖的内力分配系数分别为=0.65，=0.35，角焊缝强度设计值ffw=160Nmm2 。肢背焊缝焊脚尺寸取hf,1=10mmhf,min=1.5tmax=1.512=5.2mm hf,max=1.2tmin=1.210=12mm 所需焊缝长度l1=N20.7hf,1ffw+2hf,1=0.65516.3610320.710160+210=170 mm取l1=170mm62hf,1=6210=620 mm肢尖焊缝焊脚尺寸取hf,2=6mmhf,min=1.5tmax=1.512=5.2mmhf,max=t-2=8mm 所需焊缝长度l2=N20.7hf,2ffw+2hf,2=0.35516.3610320.76160+26=146.5mm取l2=150mm62hf,1=626=372 mm（2）节点详图根据上述焊缝长度以及杆件截面，并考虑杆件之间应有的间隙、制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，如图5 所示，从而确定节点板尺寸为480mm360mm。图5 上弦节点“B”（3）上弦与节点板的连接焊缝上弦与节点板的连接焊缝长度l = 480mm ，所受的力为左右两上弦杆的内力差 DN = 519.91 - 0 =519.91kN以及节点荷载P = 45.98kN。上弦杆截面为218011012， 节点板厚12mm。（a）上弦肢背与节点板的槽焊缝上弦肢背与节点板的槽焊缝承受节点荷载P，槽焊缝按两条hf=0.5t=6mm的角焊缝计算。屋面倾角=arctan(1/10)，节点荷载P的偏心距e = 30mm。槽焊缝所受的应力为f=Psin20.7hflw=45.981030.099520.76(480-26)=1.36Nmm2 f=Pcos20.7hflw+6Pecos20.7hflw2 =45.981030.99520.76(480-26)+645.981030.9953020.76(480-26)2 = 16.1Nmm2 (ff)2+f2=13.27Nmm20.8ffw=0.8160=128Nmm2，满足（b）上弦肢尖与节点板的连接焊缝上弦肢尖的两条角焊缝承担偏心荷载DN，偏心距e = 85mm。取焊脚尺寸hf=10mmhf,min=1.5tmax=1.512=5.2mm hf,max=12-2=10mm 肢尖焊缝所受的应力为f=N20.7hflw=515.9110320.710(480-210)=80.11Nmm2f=6Ne20.7hflw2=6515.911038520.710(480-210)2=88.82Nmm2(ff)2+f2=124.77Nmm2max(10hf,1，40+2hf,1)=60mm肢尖焊缝焊脚尺寸取hf,2=6mmhf,min=1.5tmax=1.512=5.2mmhf,max=t-2=8mm 所需焊缝长度l2=N20.7hf,2ffw+2hf,2=0.30.15969.2610320.76160+26=45mm取l2=60mmmax(10hf,2，40+2hf,2)=60mm（3）“Kf”杆与节点板的连接角焊缝杆件轴力N = 0kN，截面为2454，节点板厚12mm，肢背和肢尖的内力分配系数分别为=0.7，=0.3，角焊缝强度设计值ffw=160Nmm2 。肢背焊缝焊脚尺寸取hf,1=4mmhf,min=tmin=4mm hf,max=1.2tmin=4.8mm 所需焊缝长度取l1=50mmmax(10hf,1