27M钢屋架课程设计

1、一、设计资料1二、钢材和焊条的选用 1三、屋架形式和几何尺寸 1四、屋盖支撑布置 2五、荷载计算4六、内力计算5七、杆件设计71、上弦杆72、下弦杆83、斜杆9.4、腹杆9.5、竖杆 Hd10八、节点设计131、下弦节点“ b ”132、上弦节点“ B”143、屋脊节点“ J”1 54、下弦跨中节点“ e”175、端部支座节点“ a”18九、附图20梯形钢屋架设计设计资料北京地区某金工车间，采用无檩屋盖体系，梯形钢屋架。跨度为 27m,长度84米，柱距 6m,厂房高度为15.7m。车间内设有两台200/50kN中级工作制吊车，计算温度高于-20C。 采用三毡四油，上铺小石子防水屋面，水泥砂浆找

2、平层，厚泡沫混凝土保温层，1.5mx 6m预应力混凝土大型屋面板。屋面积灰荷载为 0.35kN/川，屋面活荷载为0.45kN/卅，雪荷载 为0.4kN/ m2,风荷载为0.45 kN/ m20屋架铰支在钢筋混凝土柱上，柱截面为400mmx 400mm, 混凝土标号为C20。设计荷载标准值见表1 （单位：kN/ m2） o表1防水层找平层保温层找平层混凝土屋面板0.40.40.10.51.4钢材和焊条的选用根据北京地区的计算温度、荷载性质和连接方法，屋架刚材采用 Q235BF钢，要求保 证屈服强度fy、抗拉强度fu、伸长率S和冷弯实验四项机械性能及硫（S）、磷（P）、碳（C） 三项化学成分的合格

3、含量。焊条采用 E43型，手工焊。三、屋架形式和几何尺寸由于采用1.5m*6m预应力混凝土大型屋面板，采用无檩屋盖体系，故选用平坡梯形钢 屋架。屋面坡度i =1/10。1屋架计算跨度 10 =1 一2 150=27000 2 150 = 26700mm。屋架端部高度取：H。= 2000mm。跨中高度：H 二 H010 i = 200026700/2 0.1 = 33352屋架高跨比：匕=卫型 L。10267008.0屋架跨中起拱f =丨/500 = 54mm,取50mm。为了使屋架节点受荷，配合屋面板1.5m宽，腹杆体系大部分采用3.0m的人字形式，上弦节间水平尺寸为1.5m,屋架几何尺寸如图

4、1:3350mm。F弦节间水平尺寸为所示。1508U5SS15084500P8503000o6 OJ OJIQ6A1502c|Io1501350in13500LD图1: 27米跨屋架几何尺寸四、屋盖支撑布置根据车间长度、跨度及荷载情况，在车间两端5.5m开间内布置上下弦横向水平支撑，在设置横向水平支撑的同一开间的屋架两端及跨中布置三道竖向支撑，中间各个屋架用系 杆联系，在屋架两端和中央的上、下弦设三道通长系杆，其中：上弦屋脊节点处及屋架支 座出的系杆为刚性系杆（图2），安装螺栓采用 C级，螺杆直径：d=20mm，螺孔直径：d0=21.5mm。LGEGG2XLG2；KXGG3XXGOd|IF.3

5、3L3LG2GG?LG2g口c o5UHii0 c s” 1GGECC?LG2符号说明：GWJ-（钢屋架）;SC-（上弦支撑）：XC-（下弦支撑）;CC-（垂直支撑）;GG-（刚性系杆）；LG-（柔性系杆）五、荷载计算屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准值进行计算。故取活 荷载0.45kN/m2进行计算。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式 g =（0.120.011 L）kN/m 2计算，跨度L单位为m,荷载计算结果见表2。表2荷载计算表荷载名称标准值（kN/ m2）设计值（kN/ m2）预应力混凝土大型屋面板1.41.4X 1.2= 1.68三毡四油上铺小

6、石子防水层0.40.4X 1.2= 0.48水泥砂浆找平层0.40.4X 1.2= 0.48厚泡沫混凝土保温层0.10.1X 1.2= 0.12找平层0.50.5X 1.2= 0.6屋架和支撑自重0.12+0.011X 27=0.4170.417X 1.2= 0.50永久荷载总和3.2173.86屋面活荷载0.20.2X 1.4= 0.28积灰荷载0.60.6X 1.4= 0.84可变荷载总和0.81.12设计屋架时应考虑以下三种荷载组合情况:1. 全跨永久荷载+全跨可变荷载全跨节点永久荷载及可变荷载：P 全=(3.86 1.12) 1.5 6 = 44.82kN2. 全跨永久荷载+半跨可变荷

7、载全跨节点永久荷载：P全=3.86 2.5 6 =34.74kN半跨节点可变荷载：P半=1.12 1.5 6=10.08kN3. 全跨屋架（包括支撑）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载：全跨节点屋架自重：P全二 0.50 1.5 6 = 4.5kN半跨节点屋面板自重及活荷载：P半工 1.680.56 1.5 6 =10.5kN1、2为使用节点荷载情况，3为施工阶段荷载情况。六、 内力计算由图解法或数解法解得 P= 1的屋架各杆件的内力系数（P= 1作用于全跨、左半跨和 右半跨）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表3。屋架杆件内力组合表6杆件名称内力系数（P=1）内力组合值计算

8、杆内力（kN）在左半跨（1）在右半跨（2）全跨（3）组合（1）组合（2）组合（3）N=P x(3)N 左=P 全 X( 3)+P 半X( 1) N 右=P 全 X( 3)+P 半X( 2)N 左=P 全 X( 3) +P 半X( 1)N 右=P 全 X( 3) +P 半 X( 2)上弦AB000000000BC-7.19-2.79-9.98-447.30-419.18-374.83-120.41-74.21-447.3CD-7.19-2.79-9.98-447.30-419.18-374.83-120.41-74.21-447.3DE-10.75-5.06-15.81-708.60-657.6

9、0-600.24-184.02-124.28-708.6EF-11.33-5.06-16.39-734.60-683.60-620.39-192.72-126.89-734.6FG-11.33-5.06-16.39-734.60-683.60-620.39-192.72-126.89-734.6GH-11.05-7.62-18.67-836.79-759.98-725.41-200.04-164.03-836.8HI-11.05-7.62-18.67-836.79-759.98-725.41-200.04-164.03-836.8IJ-11.54-7.62-19.16-858.75-781.9

10、4-742.43-207.39-166.23-858.8下弦ab3.961.415.37240.68226.47200.7765.7538.97240.7be9.343.9713.31596.55556.54502.41157.97101.58596.6cd11.426.8218.24817.52748.77702.40201.99153.69817.5de8.98.917.8797.80708.08708.08173.55173.55797.8斜腹杆aB-7.42-2.63-10.05-450.44-423.93-375.65-123.14-72.84-450.4Bb5.572.387.95

11、356.32332.33300.1794.2660.77356.3bD-4.18-2.29-6.47-289.99-266.90-247.85-73.01-53.16-290.0De2.592.024.61206.62186.26180.5147.9441.96206.6ef-1.01-2.49-3.5-156.87-131.77-146.69-26.36-41.90-156.9fG-0.21-2.49-2.7-121.01-95.91-118.90-14.36-38.30-121.0Ef0.7300.7332.7232.7225.3610.953.2932.7Gd-0.931.660.733

12、2.7215.9942.09-6.4820.72-6.542.1dg3.13-1.971.1651.9971.8520.4438.09-15.4738.120.4gJ3.87-1.971.985.16105.0246.1549.19-12.1449.246.1Hg0.6700.6730.0330.0323.2810.053.0230.0竖杆Aa-0.50-0.5-22.40-22.41-17.37-7.50-2.25-22.4Cb-10-1-44.80-44.82-34.74-15.00-4.50-44.8Ee-1.50-1.5-67.20-67.23-52.11-22.50-6.75-67.

13、2Ff-10-1-44.80-44.82-34.74-15.00-4.50-44.8Hd-1.50-1.5-67.20-67.23-52.11-22.50-6.75-67.2Ig-10-1-44.80-44.82-34.74-15.00-4.50-44.8Je000000000七、杆件设计1、上弦杆整个上弦采用等截面，按HI、IJ杆件的最大设计内力设计。N = -858.8kN上弦杆计算长度:在屋架平面内：为节间轴线长度lox0 =1508mm在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据 支撑布置和内力变化情况，取loy为支撑点间的距离，即ly =1509 215

14、08 = 4526mm根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。腹杆最大内力N = -450.4kN，查表得,中间节点板厚度选用12mm,支座节点板厚度选用 14mm。设 =60，查Q235钢的稳定系数表,可得0.807 （由双角钢组成的T型和十字形截面均属于b类），则需要的截面积:3858.8 10249.5cmA0.807 汉 215需要的回转半径：ix =虫 二1508 =25.1mm,iy二 49500 = 82.5mm60 60根据需要A、ix、iy查角钢规格表，选用2L160X100X 10,肢背间距a= 12mm，则A =250.63cm ， ix =

15、 2.85cm， iy = 7.78cm按所选角钢进行验算：ox28.5-52.9，oy4950077.8=63.6= 150的要求。由于 如，只需求 y，查表 y = 0.791,则NA858.8 1030.791 5063MPa 二 214.4MPa ： 215MPa所选截面合适，上弦截面如图所示:I nr-Lif loo*io图6:上弦截面2、下弦杆整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的cd杆计算N=817.5kNl ox = 4500 mm，l oy = 10 = 26700 / 2 = 13350 mm所需截面积为（因跨中有通长系杆）：N 817.5 10322A3802.3mm3

16、8.02cmf 215选用2L140*90*10,因loy l0x,故用不等肢角钢，短肢相并。2A = 44.522cm ， ix = 2.56cm， iy = 6.85cmix450025.6= 175.8 ： 350，l oyly1335068.5= 19 4：350下弦截面如图:亠W LJ4090103、斜杆按端斜杆aB最大设计内力设计。杆件轴力:计算长度:因为 lox Toy ,图7.下弦截面N = 450.4kNlox = ly = 2535mm故采用等肢角钢，使ix、iy。选用2L100X 10。则:2A = 38.522?m , i x = 3.05cm , iy =4.60cm

17、= 2535 代3.1,色=竺七5.1ix 30.5y iy 46.0只需求：x。查表：x = 0.668则:NCJ =xA3454 10175.0MPa ： 215MPa，故所选截面合适。0.668 3852.2端斜杆截面如图:4、腹杆腹杆cf-fG在f节点处不断开，采用通长杆件。Ncf 一 -156.9kN ,N fG 一 -121.0kN再分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距lox = 2087mm，在桁架平面外的计算长度：915 = 1,0.750.25叫)=4174 (0.750.25 旦) = 3935.2mmNi156.9选用2L110X 10，查角钢规格表得

18、2A = 45.522cm , ix = 3.38cm , iy = 5.00cmlox 2087TT 33.8=61.7 : 150,l oyly3935.250.0= 78.7 ： 150由于 x，只需求：x。查表X = 0.701,则:156.9 1030.701 4552.2= 49.2MPa ：215MPa再分腹杆截面如图:5、竖杆HdN - -67.2kN，lox =0.81 =0.8 3040 = 2432mm ，ly = 3040mm由于杆件内力较小，按二=150选择，需要的回转半径为lox2432loy 3040ix16.2mm， iy20.3mm150y 150查型钢表，选

19、截面的ix和iy较上述计算的ix和iy略大些。选用2L63X 5,其几何特性为:2A = 12.286cm , ix = 1.94cm , iy = 3.04cml oxix243219.4= 125.4 : 150 ,l oyiy型0005030.4由于y以x，只需求x。查表x = 0.411,则:10NA67.2 1030.411 1228.6= 133.08MPa ： 215MPa竖杆截面如图:其余各杆件的截面选择结果见表 4。屋架杆件截面选择表号內力壯N畫笔云扇mi耳季半衽rm升至应力tA上HI- H-8592150.S4oZ6irlbOX 1DDX 1050.632.85778529

20、162.601500.791*214.5下孩cd817.54501335IF140X90X1044.5222.566.S5P5.8O194.903500.19-183.6aB-450.4253.5丰3上1厂100X 1038.5223.054.683.1155.111500.66S-ns.oBb3阪326 0用260.8nr100X 103&5223.054.685-5156.701刃0.6551412bD-290286.9286.9100X 1038.5223.054694.062.31500.594-126.7De206.6285.9285.9厂100X 1038,5223.05生693l

21、7462.151500.59490.3cf-156.9208.7393.52nr11OX 1045.5223.3856k7O_8_01500.701-492fG-121208.7395.52nrilOX 1045,5223,38561.078,701500,701-3工9aEf32-183.31833nr63X512.2861.943.0494 4S60.301500.59444.S抨Gd6-5325.1325.1w63X512.2861.943.0483_1155.111500.66851342.1d38.1224.9425.963X512.2861.943.0483.1155 11150L

22、6681S.620.4nr0492224.9425.9nr63X512.2861.943.C483.1155.111502.66815.046.1Hg30202.72027ir63X512.2861.943.C4104.4855.111500.52946.2Aa-2Z4159,2199 1ii63X512,286L943882.06厲我150a 65-27.0Cb-4481S3.2229Hr63X512.2861.943.0494.43M ! J*-九二31500.594-61.4Ec-6T220 二 2259nr63X512.2861.943-54106-8085201500.517-105

23、.8杆Ft-44 S104130nr63X512.2S61.943.0453.6142 61500.S42-43.3Hd-6T2243-2304nr63X512.2861 9斗J.(M125.36100.001500.411-133-1Ig-44.8121.6152nr63X512.2861.9斗3.04-62.6850.00150O.T9-45.8八、节点设计采用E43焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ffw= 160Mpa1、下弦节点“ b”设bB杆的肢背和肢尖焊缝 hf =8mm和6mm，所需焊缝长度为:肢背h :,K1N小0.65 x 356.3 S03c “l1-w 2hf2

24、 8 = 145.23mm2 0.7hf1ffw2 0.7 8 160肢尖J :3,N丄“0.35汉356.3X0 丄 “cl2-w 2hf2 6 =104.79mm2 0.7hf2 ff2 0.7 6 160取 h =160mm l2 =120mm。设bD杆的肢背和肢尖焊缝 hf = 8mm和6mm，所需焊缝长度为:肢背h :K1N0.65 x 290 汇103l11w 2hf2 8 =121.19mm2 0.7hf1ff2 0.7 8 160肢尖l2 :,K2N丄“0.35汉290汇 103 丄c c “Lcl2w 2hf2 6 - 87.52mm2 0.7hf2ff2 0.7 6 160

25、取 l1 = 130mm l2 = 90mm， 0bC杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf = 5mm。根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间的间隙以及制作、装配等误差，按比例作 出节点详图（见图11），从而确定节点板的尺寸为280X 340mm。下弦与节点板连接到焊缝长度为340mm, hf =5mm,焊缝承受节点左、右弦杆的内力差 N = Nbc-Nab= 596.6-240.7=355.9kN。验算肢背焊缝的强度:& N2 0.7hflw0.65 355.9 1032 0.7 5340-2 52 2二 100.1N /mm 160mm1別15D图11：下弦节点“ b”2上弦节点“

26、B”斜杆Bb与节点板连接焊缝计算，与下弦节点 b中Bb杆计算相同。斜杆Ba与节点板连接焊缝计算：N=-450.4kN。设“aB杆的肢背与肢尖的焊脚尺寸分别为10mm和6mm。所需焊缝长度为肢背li :liKiN2 0.7hf1ffw30.65 x 450.4X10 2hf2 0.7 10 1602 10 = 150.70mm肢尖12: l2K2N2 0.7hf2 fW2hf0.35 450.4 1032 0.7 6 1602 6 = 129.29mm取 h =180mm l2 =150mm。为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背 8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接

27、起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，槽焊缝强度设计值乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得到：1 、 1h f 1 节点板厚头度12= 6 mm, hf 2 = 6mm。2 2肢尖焊缝承担弦杆内力N =447.3kN，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载 P=44.82kN。上弦与节点板间焊缝长度为460mm,则0.65 447.3 1032 0.7 6 (460 -12)二 77.3MPa节点如图:448202 0.7 6 (460 -12)= 11.9MPa-fJ 11 9,(伍)2 +77.22 = 77.8MPa2X 2

28、60=520mm上弦与节点板间的槽焊，假定承受节点荷载，验算略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝应按上弦内力的15%计算。设肢尖焊缝hf = 10mm,节点板长度为500mm,节点一侧弦杆焊 缝的计算长度为 lw =(500/2 -10 -20) = 220mm。焊缝应力为:0.15 8588002 0.7 10 220= 41.8MPa6 0.15 858800 78.1= 89.1MPa ：160MPaC f 22119?2(阳)g 十418 =84JMP160MPa节点形式如图：1mJL图12:屋脊节点“ J”I-Sta4、下弦跨中节点“ e”跨中起拱50mm,下弦接头设于跨中节点处，连接角钢

29、取与下弦杆相同截面2L140X90X 10, hf =8mm，焊缝长度：N4 0.7 hf1616 = 254.4mm4 0.7 8 140取 lw=300mm。拼接角钢长度 ,2 300 1 610mm弦杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力的15%计算。N= 797.8 15%=119.7kN设肢背、肢尖焊脚尺寸为8mm,弦杆一侧需焊缝长度为肢背：l30.65 119.7 103才,w112= 78.2mm，取 lw1 =90mm2 0.7 6 140肢尖l w23= 0.35 119.7 101 47.63mm，按构造要求，取焊缝长度 鳥-50mm,取2 0.7 6 140lw2=60mm

30、节点板宽度是由连接竖杆的构造要求所决定的，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸。0.65 7978002 0.7 6 (600 12)= 105MPa ： f=160MPa焊缝强度满足要求。节点形式如图：图13:下弦跨中节点“ e”5、端部支座节点“ a为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度14mm。（1）支座底板的计算支座反力：P = 44820N设支座底板的平面尺寸采用280mm 400mm，如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座 反力，则承压面积为280 234 = 65520mm2。验算柱顶混凝土

31、的抗压强度：R 477810 7.29MPa ： fc =9.6MPaAn65520式中：fc 混凝土强度设计值，对 C20混凝土， fc =9.6MPa。支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每 块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：M = ya；式中：匚一底板下的平均应力，即-=8.49 MPa。比两边支承之间的对角线长度，即 a? （140 - ；）2 T102 = 172.6mm匕一系数，由b2/a2查表确定。b2为两边支承的相交点到对角线a2的垂直距离。由此得：110133b284.8b284.8mm,0.49172.6a2 172.6查表得2 = 0.0