梯形钢屋架钢33米课程设计计算书教材

1、图 1 屋架形式及几何尺寸 土木工程专业钢结构课程设计 钢结构课程设计 、设计资料 1、已知条件：梯形钢屋架跨度 33m，长度 120m，柱距 6m。屋架铰接于混凝 土柱上，屋面采用单层彩色钢板波形瓦，屋面坡度 i 1/10 。屋面活荷载标准值 为 0.7 kN/m 2，屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为 400 mm 400 mm，混凝 土标号为 C20。钢材采用 Q345B级，焊条采用 E50 型。 2、屋架计算跨度： Lo=3320.15=32.7m， 3、跨中及端部高度： 端部高度： h=1900mm（轴线处），h=1915mm（计算跨度处）。 屋架的中间高度 h=3400mm，屋架

2、跨中起拱按 Lo/500 考虑，取 60mm。 二、结构形式与布置 屋架形式及几何尺寸见图 1 所示，支撑布置见图 2 所示。 土木工程专业钢结构课程设计 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） 图 2 屋架支撑布置图 三、荷载与内力计算 1.荷载计算 荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的活荷载计算。 永久荷载标准值 钢屋架和支撑自重0.12+0.01130=0.45kN/ 单层彩色钢板波形瓦 0.12kN/ 总计0.57kN/ 可变荷载标准值 0.70 kN/ 屋面活荷载 总计 0.7kN/

3、永久荷载设计值1.20.57=0.684kN/ 可变荷载设计值1.40.7=0.98kN/ 2.荷载组合 设计屋架时，应考虑以下三种组合： F=(0.684+0.98) 1.56=14.97kN F1=0.6841.56=6.156kN F2=0.981.56=8.82 kN 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： 全跨永久荷载 +半跨可变荷载 全跨节点永久荷载： 半跨节点可变荷载： 土木工程专业钢结构课程设计 全跨屋架及支撑自重 +屋面板重 + 半跨屋面活荷载 全跨节点屋架及支撑自重：F3 =0.45 1.21.56=4.86kN 半跨大型屋面板重及活荷载：F4=（1.4

4、0.12+0.71.4） 1.56= 10.33kN 3.内力计算 本设计采用程序计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数，见表1。 杆件名称 内力系数（ F=1） 第一种组 合 F* 第二种组合 第三种组合 计算杆 内力（K 全跨 左半跨 右半跨 F1*+F2* F1* +F2* F3* +F4* F3* +F4* 上弦 AB 0 0 -0.01 0.00 0.00 -0.16 0.00 -0.26 -0. BC CD -11.35 -8.49 -3.45 -631.39 -584.54 -501.99 -281.38 -151.20 -631. DE EF -18.19 -13.08 -

5、6.25 -1011.89 -928.19 -816.31 -437.36 -260.94 -1011. FG GH -21.53 -14.62 -8.46 -1197.69 -1084.51 -983.61 -495.40 -336.29 -1197. HJ -22.36 -13.98 -10.25 -1243.86 -1106.60 -1045.50 -483.41 -387.07 -1243. IJ JK -22.73 -14.39 10.2 -1264.45 -1127.84 -725.05 -496.03 139.13 -1264. 下弦 ab 6.33 4.94 1.83 352.

6、13 329.36 278.42 162.23 81.89 352. bc 15.36 11.3 4.98 854.46 787.96 684.44 375.90 212.65 854. cd 20.21 14.14 7.43 1124.26 1024.84 914.93 475.78 302.47 1124. de 22.12 14.44 9.39 1230.51 1104.72 1022.00 493.98 363.54 1230. ef 21.23 11.68 11.68 1181.00 1024.57 1024.57 417.82 417.82 1181. 斜腹 杆 aB -11.34

7、 -8.66 -3.27 -630.83 -586.93 -498.65 -285.72 -146.49 -630. Bb 8.81 6.47 2.87 490.09 451.76 392.79 215.31 122.32 490. bD -7.55 -5.23 -2.84 -420.00 -382.00 -342.85 -176.39 -114.66 -420. Dc 5.39 3.39 2.44 299.84 267.08 251.52 117.05 92.51 299. cF -4.23 -2.25 -2.43 -235.31 -202.88 -205.83 -81.26 -85.91

8、-235. Fd 2.62 0.88 2.13 145.75 117.25 137.72 37.06 69.35 145. dH -1.51 0.22 -2.12 -84.00 -55.66 -93.99 -2.58 -63.02 -93. He 0.29 -1.25 1.89 16.13 -9.09 42.34 -30.70 50.41 50. -27. eg 1.53 3.4 -2.28 85.11 115.74 22.70 96.19 -50.25 115. -50. gK 2.16 4.07 -2.32 120.16 151.44 46.78 116.94 -48.11 151. -4

9、8. gI 0.49 0.54 -0.06 27.26 28.08 18.25 16.63 1.13 28. 竖杆 Aa -0.55 -0.54 0 -30.60 -30.43 -21.59 -16.96 -3.01 -30. Cb Ec -1 -0.99 0 -55.63 -55.47 -39.25 -31.04 -5.47 -55. Gd -0.98 -0.98 0 -54.52 -54.52 -38.46 -30.67 -5.36 -54. 3 土木工程专业钢结构课程设计 Jg -0.85 -0.9 0 -47.28 -48.10 -33.36 -27.90 -4.65 -48. Ie

10、-1.42 -1.43 0 -78.99 -79.16 -55.73 -44.70 -7.77 -79. Kf 0.02 0 0 1.11 0.78 0.78 0.11 0.11 1 四、杆件截面设计 腹杆最大内力， N=-630.83KN ，由屋架节点板厚度参考可知：支座节点板刚 度取 14mm；其余节点板与垫板厚度取 12mm。 1.上弦杆 整个上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算， N=-1264.45KN 计算长度： 屋架平面内取节间轴线长度 lOx =1507mm 屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面板能起一定的支撑作用，取 上弦横向水平支撑的节间长度： lOy =4521mm 根据屋

11、架平面外上弦杆的计算长度， 故截面宜选用两个不等肢角钢， 且短肢相并， 见图 3 图 3 上弦截面 设 =60，查轴心受力稳定系数表， =0.807 需要截面积 A* = N 2 =1246.45*10=7287.7mm 需要截面积 = .f 需要回转半径 ix* lox 1.507 25.1mm iy lox 4.524 y = 75.4mm 60 60 根据需要的 A* 、 * ix* 、 * iy 查角钢型钢表，初选 2 L 180 110 14， 2 A=7793 mm ， ix =308mm ， i y =88mm。 按所选角钢进行验算： lox =1507 i x 308 48.9

12、6=150 loy 4524 iy88 51.41=150 土木工程专业钢结构课程设计 由于 y x ，只需求出 y ，查轴心受力稳定系数表， y 0.847 N yA 1264.65 10 端斜杆 Ba lOxlOy2456mm。因为 lOx lOy ，故采用不等肢 1264.65 10 191.59MPalOx ,故用不等肢角钢，短肢相并，见图 4 图 4 下弦截面 A=6742 mm2 ， i x =31mm， iy =87.4mm。 lox 3000 31 96.77 =350 loy 14850 87.4 169.91 =350 所选截面满足要求 已知 N-630.83kN， 2 A

13、 4452.2mm ， ix 44.7mm， y 87.4mm 截面刚度和稳定验算： lox ix 2456 44.7 54.94 =150 土木工程专业钢结构课程设计 因为 y x 只需求 N yA 630.83 103 0.764 4452.2 loy iy 2456 65.66 37.4 查表得 y =0.764 185.46MPa215 MPa =150 所选截面满足要求。 4. 再分腹杆 eg-gK eg 此杆在 g 节点处不断开，采用通长杆件 拉力： Ngk 151.44 KN ， Neg 115.74 kN 压力： Neg50.52kN， Ngk 48.11KN 计算长度：屋架平

14、面内取节点间轴线长度 屋架平面外根据支撑布置取： lOx =0.82250=0.82250=1800mm lOy = 1 (0.75+0.25 N1 )=450 N2 0.75+0.25 48.11 )=4446.3mm 50.52 选用 2 L 63 5，见图 5 图 5 再分腹杆 egK A=1228.6 mm2 ， ix =19.4mm， 图 6 中竖杆 Kf iy =30.4mm。 lox ix 1800 19.4 92.78 =53.9 =150 y loy iy 4446.3 30.4 146.25 =150 因为 y x 只需求 y ，查表得 y =0.32，则 N yA 50.

15、52 103 0.32 1228.6 128.5 MPa215 MPa 土木工程专业钢结构课程设计 3 N 151.44 103 拉应力： A 1228.6 123.26MPa 215MPa 所选截面满足要求 5. 竖杆 Ie N-79.16KN ， l 0 x 0.8l 0.8 30522442mm， l 0y l 3052mm 由于杆件内力较小， 按 = =150 选择， 需要的回转 i x lox 244.2 1.63cm x 150 iy loy 305.2 150 2.03cm 查型钢表，选用 2 L 635,其几何特性为 因为 2 A=1228.6 mm l ox ix l oy

16、iy ix 244.2 1.94 305.2 3.04 19.4mm 125.88cm 100.39cm 150 150 iy 30.4mm x y 只需求 查表得 x =0.406， 79.16 103 x A 0.406 1228.6 158.7MPa 215MPa 其余各杆件截面选择过程不一一列出，计算结果见表 2 土木工程专业钢结构课程设计 名称 杆件编 号 内力（KN） 计算长度（ cm） 截面规格 截面面 积（ cm2） 回转半径（ cm） 长细比 容许长细 稳定系数 计算应 力 Mpa l 0 x l0y ix iy x y 容许长细 比 x y 上弦 IJ JK -1264.4

17、5 150.8 452.4 2L18011014 77.93 3.08 8.8 48.96 51.41 150 0.847 191.59 下弦 de 1230.51 300 1485 2L18011012 67.42 3.1 8.74 96.77 169.91 350 182.51 腹杆 Aa -30.6 199 199 2L63 5 12.286 1.94 3.04 102.6 65.5 150 0.538 46.29 aB -630.83 253.4 253.4 2L1409010 44.522 4.47 3.74 56.71 67.78 150 0.764 185.46 Bb 490.0

18、9 208.6 260.8 2L1006 23.864 3.1 4.51 67.29 57.83 350 205.37 Cb -55.63 183.2 229 2L50 5 9.606 1.53 2.53 119.7 90.5 150 0.493 131.92 bD -420 229.5 287 2L1007 27.592 3.09 4.53 74.3 63.3 150 0.724 210.25 Dc 299.84 228.7 285.8 2L70 6 16.32 2.15 3.33 106.37 85.83 350 183.73 Ec -55.63 207.2 259 2L50 5 9.60

19、6 1.53 2.53 135.4 102.4 150 0.363 159.54 cF -235.31 250.8 312.6 2L90 6 21.274 2.79 4.13 89.89 75.69 350 0.621 178.12 Fd 145.75 249.5 311.8 2L50 5 9.606 1.53 2.53 167 123.3 350 151.73 Gd -54.52 231.2 289 2L50 5 9.606 1.53 2.53 151.1 114.2 150 0.304 186.67 dH -93.99 271.6 339.5 2L70 6 16.32 2.15 3.33

20、151.1 101.95 150 0.304 189.45 He 50.41 -27.55 270.8 338.4 2L63 5 12.286 1.94 3.04 139.59 111.32 150 0.347 64.62 Ie -79.16 255.2 319.1 2L63 5 12.286 1.94 3.04 131.5 104.9 150 0.381 169.11 eg 115.74 -44.78 230.1 453.73 2L63 5 12.286 1.94 3.04 118.6 149.25 150 0.31 117.54 gk 151.44 -42.26 230.1 453.73

21、2L63 5 12.286 1.94 3.04 118.6 149.25 150 0.31 110.96 Kf 1.12 314.1 314.1 2L63 5 12.286 2.45 2.45 128.2 128.2 200 0 gI 28.08 165.9 207.4 2L50 5 9.606 1.53 2.53 108.7 82.2 350 29.23 Jg -48.1 127.6 158.9 2L50 5 9.606 1.53 2.53 83.4 63 150 0.665 75.3 屋架杆件截面选择表 土木工程专业钢结构课程设计 五、节点设计 用 E50焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强

22、度设计值f fw 160MPa 各杆件内力由表 1 查得 1. 下弦节点 b （1）斜杆 Bb 与节点的连接焊缝计算： 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm。所需焊缝长度为： 肢背： lw 0.7N 2he f fw 0.7 490090 2 0.7 8 160 182.33 16 198.33 mm，取 l w 200mm 肢尖： lw 0.3N 2he f fw 0.3 490090 2 0.7 6 160 109.4 12 121.4mm，取 l w120mm 2） 斜杆 Db 与节点的连接焊缝计算： 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 8mm 和 6mm。所需焊缝长度为： 肢背：

23、 0.7 420000 lw164.06 16 180.06mm，取 l w180mm w 2 0.7 8 160 w 肢尖： 0.3 420000 lw=93.75+12=105.75mm，取 l w 110mm w 2 0.7 6 160w 3）竖杆 Cb 与节点板连接焊缝计算： 因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸 hf =5mm 根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误 差，按比例绘出接点详图，从而确定节点板尺寸为 457mm340mm。 （4）下弦杆与节点板连接焊缝验算： 焊缝受力为左右下弦杆的内力差 N=854.16-352.13=502.33KN

24、，设肢尖与 肢背的焊脚尺寸为 6mm，所需焊缝长度为 457mm,受力较大的肢背处的焊缝应力 3 为： f 0.75 502.33 10 100.79MPa 160MPa f 2 0.7 6 （457 12） （5）节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制 作装配等误差，按比列作出构造详图，从而定出节点尺寸。如图 7 所示 9 土木工程专业钢结构课程设计 图 7 节点板 b 尺寸 2 . 上弦节点 B （1）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。 （2）斜杆 Ba 与节点板连接焊缝计算 设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为 10mm和 6mm。所需

25、焊缝长度为 肢背： 0.7N 0.7 630830 lww 183 20 203mm，取 l w 210mm w 2he f fw 2 0.7 10 160 w 肢尖： 0.3N 0.3 630830 l ww 164.28 12 176.48mm，取 l w 180mm w 2he f fw 2 0.7 6 160 w （3）上弦杆与节点板连接焊缝计算： 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起来。 槽焊缝可按两条焊缝计算， 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

26、得 11 hf节点板厚度 12 6mm，hf 10mm 22 上弦与节点板间焊缝长度为 470mm，则 P 2 0.7 hf lw1 55629 2 0.7 6 470 14 MPa0.8 f ffw 156 MPa 上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差 N=631.39-0.26=631.13KN 偏心距 e =110-25.9 84.1mm 设需焊缝长度为 470mm，则 2he lw 631130 2 0.7 10 (470 20) 100.18MPa 6M 2 2 0.7hf lw22 6 631130 84.1 2 2 0.7 10 (470 20) 2 112.33MPa 1.22

27、) ( f )2 (112.33)2 ( 1.22 ) 2 100.182 140.62MPa 160MPa 4）节点板尺寸：方法同前，如图 8 所示 10 P 2 0.7 hf lw 上弦肢尖与节点板用角焊缝， 按上弦杆内力的 15%计算，并考虑此力产生的弯矩 设焊脚尺寸为 10mm 0.15N 2helw 1264450 0.15 2 0.7 10 220 61.58MPa 6M 2helw* 2 6 0.15 1264450 84.1 2 0.7 10 2202 141.24MPa (1.22) ( f )2 141.24 2 ( 1.22 ) 2 61.582 131.13MPa 16

28、0MPa 土木工程专业钢结构课程设计 图 8 节点板 B 尺寸 3 . 屋脊节点 K ( 1) 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算： 弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密 合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。拼接角钢的这部分削弱可以靠 节点板来补偿。拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力计算。 设肢尖、肢背焊脚尺寸为 10mm，则需焊缝长度为 4 0.7 hf f fw 282.24 20 302.24mm ，取 l w =300mm 4 0.7 10 160 w 拼接角钢长度取 2 (300+20)+24 664mm ( 2 ) 斜杆与节点板连接焊缝的计算： 设肢背与肢尖

29、的焊角尺寸分别为 6mm和 5mm，所需焊缝长度为： 肢背： 0.7 151440 lw12 90.88mm，取 l w =100 mm w 2 0.7 6 160 w 肢尖： 0.3 151440 l w0.3 151440 10 50mm，取焊缝长度 lw =60mm w 2 0.7 5 160 w 根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误 差，按比例绘出接点详图，从而确定节点板尺寸为 500mm240mm。 ( 3 ) 弦杆与节点板的连接焊缝计算： 取节 点 板的 长度 为 500mm，则 节点 一 侧弦 杆焊 缝的 计 算长 度为 500/2 10 20 220

30、 mm。上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载 4)中竖杆与节点板的连接焊缝计算 此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸hf =5mm 5)节点板尺寸：方法同前，如图 9 所示 11 土木工程专业钢结构课程设计 图 9 节点板 K 尺寸 4 . 下弦跨中节点 f （1）弦杆与拼接角钢连接焊缝计算 拼接角钢与下弦杆截面相同，设肢尖、肢背焊脚尺寸为 8mm，则需焊缝长 度为 lw 4 0.7 hf f fw 67.42 100 215 4 0.7 8 160 404mm，取 l w =404+16=420mm 拼接角钢长度 2 420+20=860mm （2）弦杆与节点板连接焊缝计算

31、按下弦杆内力的 15%计算，设肢背、肢尖焊脚尺寸为 6mm，弦杆一侧需焊 缝长度为 0.7 1181000 0.15 肢背： lw 12 104.27mm，取 l w =110mm w 2 0.7 6 160 w 0.3 1181000 0.15 肢尖 lw12 51.54mm ，取 lw =60mm w2 0.7 6 160w （3）节点板尺寸：方法同前，如图 10 所示 图 10 节点板 f 尺寸 5 . 端部支座节点 a 12 土木工程专业钢结构课程设计 图 11 支座节点 a 为便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的距离一般不小于下弦伸出 肢的宽度，故可取为 180mm。在节点中心

32、线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节 点板的高度相同，厚度同端部节点板为 14mm。 ( 1) 支座底板计算 支座反力 R 55629 10 556290N 取加劲肋的宽度为 110mm，考虑底板上开孔，锚栓直径取 d=25mm，锚栓孔直 径 为 60mm ， 则 所 需 底 板 面 积 ： R R 锚栓孔缺口面积 fc 551622.590 3.14 602 /4 47329.2mm2按构造要求取底 板尺寸为 280mm 400mm，偏安全地取有加劲肋部份的底板承受支座反力，则 承压面积： Ac 280 (2 110 14) 65520mm2 R 556290 验算柱顶混凝土的抗压强度：ARn 56556522900 8.49MPa fc 12.5MPa 满足 底板的厚度按支座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 块板为两边支承而另两块相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为 式中 底板下的平均应力， =8.49MPa 2 两边支承对角线长， 2 = (140 14/2)2 1102 172.6mm 2 的垂直距离。由