2m跨厂房梯形钢屋架设计

1、 钢结构课程设计 题 计算书 目：21m跨厂房梯形钢屋架设计 姓 名：蒙立强 学 号： 359409798 班 级：土木 3 班 一、设计资料 目录 （2） 二、结构形式与支撑布置 （2） 1. 屋架形式及几何尺寸 . （2） 2. 屋架支撑布置 （3） 三、荷载计算 （4） 1. 荷载设计值 （4） 2. 荷载组合 （4） 四、内力计算 （6） 五、杆件设计 （7） 1. 上弦杆 (7) 2. 下弦杆 (8) 3. 斜腹杆“ Ba” (9) 4. 竖杆“ Gg” (10) 5. 各杆件的截面选择计算 (10) 六、节点设计 (12) 1. 下弦节点“ c ” (12) 2. 上弦节点“ B”

2、 (13) 3. 屋脊节点“ H” (15) 4. 支座节点“ a” (16) 七、屋架施工图 (19) 附节点详图 1-6 (20) 、设计资料 某厂房总长度为 90m，跨度为 L=21m，屋盖体系为无檩体系，纵向柱距为 6m。 1. 结构形式 : 钢筋混凝土柱，梯形钢屋架。柱的混凝土强度等级为 C30，屋面坡度 i =L/10 ， L 为 屋架跨度。地区计算温度高于 -20 0C，无侵蚀性介质，不考虑地震设防，屋架下弦 标高为 18m，厂房内桥式吊车为 2台 150/30t （中级工作制），锻锤为 2台 5t 2. 屋架形式及荷载 : 屋架形式、 几何尺寸及内力系数 （节点荷载 P=1.0

3、 作用下杆件的内力） 如附图所示。 屋架采用的钢材、焊条为：用 Q345钢，焊条为 E50 型。 3. 屋盖结构及荷载 : 无檩体系： 采用 1.5m6.0m 预应力混凝土屋板（考虑屋面板起系杆作用） 。 荷载：屋架及支撑自重： 按经验公式 q=0.12+0.011 L，L为屋架跨度，以 m为单 位，q 为屋架及支撑自重，以 kN/m2为单位； 屋面活荷载： 施工活荷载标准值为 0.7kN/m2，雪荷载的基本雪压标准值为 S0=0.35kN/m2，施工活荷载与雪荷载不同时考虑，而是取两者的较大值， 积灰荷载 0.8 kN/m2。 屋面各构造层的荷载标准值： 防水层 0.4kN/m 三毡四油（上

4、铺绿豆砂） 水泥砂浆找平层 保温层 一毡二油隔气层 水泥砂浆找平层 预应力混凝土屋面板 0.4kN/m 0.65 kN/m2 0.05kN/m 0.3kN/m 1.45kN/m 、结构形式与支撑布置 1. 屋架形式及几何尺寸如下图 1 所示： 图 1 屋架形式及几何尺寸 2. 屋架支撑布置如下图 2 所示： 符号说明： 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 三、荷载计算 由于屋架的受荷水平投影面积为： A 21 6m2 126m2 60m2 ，故按建筑结构荷 载规范取屋面活荷载（按上人屋面）标准值为 0.7kN/m2，雪荷载为 0.3

5、5kN/m2， 取屋面活荷载与雪荷载中较大值 0.7kN/m2。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括 支撑）按经验公式 q=0.12+0.011 L 计算， L 为屋架跨度，以 m为单位。 1. 荷载设计值 永久荷载设计值： 预应力混凝土屋面板 屋架及支撑自重 2 1.45 1.35 1.9575kN /m2 (0.12 0.011 21) 1.35 0.474kN /m2 0.4 1.35 0.54kN /m2 2 0.4 1.35 0.54kN /m2 2 0.65 1.35 0.8775kN /m2 2 0.05 1.35 0.0675kN /m2 三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 水泥砂浆找

6、平层 保温层 一毡二油隔汽层 水泥砂浆找平层 0.3 1.35 0.405kN /m2 合计 4.862 kN / m2 可变荷载设计值： 屋面活荷载0.7 1.4 0.98 kN /m2 积灰荷载0.8 1.4 1.12 kN /m2 合计 2.1 kN / m2 2. 荷载组合 设计屋架时，应考虑以下 3 种荷载组合： 使用阶段荷载情况： （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： F （4.862 2.1） 1.5 6kN 62.66kN （2）全跨永久荷载 +半跨可变荷载 全跨节点永久荷载： F1 4.862 1.5 6kN 43.76kN 半跨节点可变荷载： F

7、2 2.1 1.5 6kN 18.9kN 施工阶段荷载情况： （3）全跨屋架包括支撑 +半跨屋面板自重 +半跨屋面活荷载 全跨节点屋架自重： F3 0.474 1.5 6kN 4.266kN 半跨节点屋面板自重及活荷载： F4 （1.9575 0.98） 1.5 6kN 26.438kN 屋架在上述 3 种荷载组合作用下的计算简图如下图 3 所示： 图 3 荷载组合作用下的计算简图 四、内力计算 由以下图4得 F=1时屋架各杆件的内力系数（ F=1作用于全跨、左半跨和右半跨） 21 米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值 21 米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值 图 4 屋架各杆件的内

8、力系数 由屋架各杆件的内力系数求出各种组合荷载情况下的内力，计算结果见下表1： 杆件名称 内力系数（ F=1） 第 1 种组合 第2 种组合 第 3 种组合 计算杆 件内力 （kN） 全跨 1 左半跨 2 右半跨 3 上 AB 0.000 0.000 0.000 0 0 0 0 0 0 弦 BC，CD -7.472 -5.310 -2.16 2 -468.196 -427.334 -367.837 -172.261 -89.035 -468.196 DE，EF -11.26 2 -7.339 -3.92 3 -705.677 -631.532 -566.97 -242.072 -151.760

9、 -705.677 FG，GH -12.18 -6.861 -5.31 9 -763.199 -662.67 -633.526 -233.351 -192.584 -763.199 下 弦 ac 4.100 3.010 1.090 256.906 236.305 200.017 97.069 46.308 256.906 ce 9.744 6.663 3.081 610.559 552.328 484.628 217.724 123.023 610.559 eg 11.962 7.326 4.636 749.539 661.919 611.078 244.715 173.596 749.539

10、 gh 11.768 5.884 5.884 737.383 626.175 626.175 205.763 205.763 737.383 斜 腹 杆 Ba -7.684 -5.641 -2.04 3 -481.479 -442.867 -374.865 -181.917 -86.793 -481.479 Bc 5.808 3.960 1.848 363.930 329.002 289.085 129.471 73.634 363.930 Dc -4.409 -2.633 -1.77 6 -276.268 -242.702 -226.504 -88.420 -65.763 -276.268

11、De 2.792 1.222 1.570 174.947 145.274 151.851 44.218 53.418 174.947 Fe -1.572 -0.047 -1.52 5 -98.502 -69.679 -97.613 -7.949 -47.024 -98.502 Fg 0.328 -1.039 1.367 20.552 -5.284 40.190 -26.070 37.540 40.190 -26.070 Hg 0.713 1.913 -1.20 0 44.677 67.357 8.521 53.618 -28.684 67.357 -28.684 竖 杆 Aa -0.5 -0.

12、5 0.00 -31.33 -31.33 -21.88 -15.352 -2.133 -31.33 Cc， Ee -1.0 -1.0 0.00 -62.66 -62.66 -43.76 -30.704 -4.266 -62.66 Gg -1.0 -1.0 0.00 -62.66 -62.66 -43.76 -30.704 -4.266 -62.66 表 1 屋架杆件内力组合表 注： F =62.66kN ， F1 =43.76kN ， F2 =18.9kN ， F3 =4.266kN ， F4 =26.438kN 五、杆件设计 腹杆最大内力 N= -481.479kN，查表 7.4 ，中间节点

13、板厚度选用 10mm，支座节点板 厚度选用 12mm。 1. 上弦杆（图 5） 整个上弦采用等截面，按 FG、 GH杆件的最大内力设计。 N= - 763.199kN= -763199N，上弦杆平面内计算长度 l0 x 150.75cm；在屋架平面外， 根据支撑布置和内力变化情况，平面外计算长度 l0y 3 150.75cm 452.25cm 。 因为 l0y 3l0 x ，故截面宜选用两个不等肢角钢短肢相并，选用 2L140 90 8，如下 图 5 所示： 图 5 上弦杆截面图 设 70 ，查附表 4.2 得 0.751 需要截面面积为： A N 763199 mm2 3278.2mm2 f

14、 0.751 310 需要的回转半径为： ix l0 x 150.75 cm 2.154cm x 70 根据需要的 A、ix、iy 查角钢规格表，选用 2L125 80 10 ，截面特征为： A 39.4cm2 ， ix=2.26cm， iy =6.11cm，按所选角钢进行验算： 满足长细比要求。由于 y x，只需求 y ，查表得 y 0.725，于是 N 763199 2 2 2 N /mm2 267.2N/mm2 f 310N /mm2， y A 0.725 3940 所选杆件满足要求。 2. 下弦杆（图 6） 图 6 下弦杆截面图 整个下弦采用同一截面，按最大内力所在的 “eg”杆 计算

15、。 Nmax 749.539kN 749539N , l0 x 300cm， l0y 1035cm N 749539 2 2 所需截面面积为： A mm2 24.18cm2 f 310 选用 2L110 70 7，因为 l0 x l0y ，故选用不等肢角钢短肢相并。 22 A 24.6cm2 24.18cm2， ix =2.00cm， i y =5.39cm l0 x ix 300 2.00 150 350， l0y 1035 192.02 350 i y 5.39 满足长细比要求，故所选杆件满足要求。 3. 斜腹杆“ Ba”（图 7） 图 7 斜腹杆“ Ba”截面图 杆件轴力 N -481.

16、479kN -481479N 计算长度 l0 x l0y 253cm，因为 l0 x l0 y ，故采用不等肢角钢长肢相并，使 ix i y 选用 2L100 63 10 ，则 A 31.0cm2 ， ix =3.15cm， iy =2.72cm 253 3.15 80.32， l0y253 iy 2.72 93.01 因为 y x ，故只需求 y =0.601， N 481479 2 2 2 N /mm2 258.43N /mm2 f 310N /mm2 ， y A 0.601 3100 所选杆件满足要求。 4. 竖杆“ Gg”（图 8） 图 8 竖杆“ Gg”截面图 N -62.66kN

17、-62660N ， l0 x 289 0.8cm 231.2cm ， l0y 289cm 由于内力较小，故按150 选择，所需的回转半径为： 查型钢表，选择截面的回转半径较计算的要略大些，故选用 2L56 3 2 A 668mm ， ix =1.75cm， iy =2.64cm 因为 x y ，故只需求 y 0.378 ， 310N /mm2 ，杆件满足要求 N 62660 N /mm2 248.2N /mm2 xA 0.378 668 5. 其余各杆件的截面选择计算过程不一一列出，其计算结果见表2（在下一页） 六、节点设计 1. 下弦节点“ c”（图 9） 图 9 下弦节点“ c ” 详图

18、1）腹杆与节点板间连接焊缝长度的计算 用E50型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值为ffw 200N /mm2 Bc杆：设“Bc”杆的肢背和肢尖焊缝 hf 8mm和 hf 6mm ，则所需的焊缝长度为： Dc杆：设“Dc”杆的肢背和肢尖焊缝 hf 8mm和 hf 6mm ，则所需的焊缝长度为： Cc杆：由于“ Cc”杆内力很小，故焊缝尺寸可按构造要求确定，取 hf 5mm 。 2）确定节点板尺寸 根据上面求得的焊缝长度， 按构造要求留出杆件间应有的间隙并考虑制作和装配等 误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为 260mm 350mm 。 3）下弦杆与节点板间连接焊缝的强度验算 下

19、弦与节点板连接的焊缝长度为 250mm ，取 hf 6mm，焊缝所受的力为左右两下 弦杆的内力差 N （610.559 - 256.906）kN 353.653kN ，对受力较大的肢背处焊缝进 行强度验算： 0.75 353653 N/ mm2 2 0.7 6 (350 12) 93.42N /mm2 f fw 200N / mm2 ， 焊缝强度满足要求。 2. 上弦节点“ B”（图 10） 图 10 上弦节点“ B”详图 （1）腹杆与节点板间连接焊缝长度的计算 Bc 杆与节点板的连接焊缝尺寸和下弦节点“ c” 相同 Ba 杆：肢背和肢尖焊缝分别采用 hf 10mm 和hf 8mm ，则所需的

20、焊缝长度为： （2）确定节点板尺寸 （ 方法同下弦节点“ c” ） 确定节点板尺寸为 250mm 400mm 。 （3）上弦杆与节点板间连接焊缝的强度验算 应考虑节点荷载 P和上弦相邻节间内力差 N 的共同作用，并假定角钢肢背槽焊缝承 受节点荷载 P的作用，肢尖角焊缝承受相邻节间内力差 N 及其产生的力矩作用。 肢 背槽焊缝强度验算： 节点荷载， P=62.66kN 肢尖角焊缝强度验算： 弦杆内力差为 N （ 468.196 - 0）kN 468.196kN ， 轴力作用线至肢尖焊缝的偏心距为 e 90 25mm 65mm， 偏心力矩为 M N e （468.496 0.065）kN m 30

21、.452kN m ， 则 NN /mm2 171.61N /mm2 f fw 200N /mm2 N 2 0.7hf lw2 2 0.7 5 390 f 满足强度要求。 3. 屋脊节点“ H”（图 11） 图 11 屋脊节点“ H” 详图 （1）腹杆与节点板间连接焊缝长度的计算方法与以上几个节点相同，计算过程略，结 果见图 11。 （ 2）确定节点板尺寸为： 250mm 450mm （3）计算拼接角钢长度 弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施 焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直直肢的一部分宽度。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊缝长度

22、按弦杆内力计算。 拼接角钢规格与上弦杆相同，长度取决于其与上弦杆连接焊缝要求，设焊缝 hf 10mm ，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝） ： 拼接角钢总长度， L (2 136.3 10 20)mm 302 .6 mm ，取300 mm 。 竖肢需切去 （10 8 5）mm 23mm ，取 25mm ，并按上弦坡度热弯。 4）上弦杆与节点板间连接焊缝的强度验算 上弦角钢肢背与节点板之间的槽焊缝承受节点荷载 P ，焊缝强度验算同上弦节点 “B”，计算过程略。 上弦角钢肢尖与节点板的连接焊缝强度按上弦内力的 15%验算。设 hf 10mm ，节 点板长度为 450mm ，节点一侧焊缝的计算长度为

23、则f 0.15N 2 0.7hf lw 0.15 763199 2 0.7 10 205 N / mm2 2 39.89N / mm2 焊缝强度满足要求。 因屋架的跨度较大， 需将屋架分为两个运输单元， 在屋脊节点和下弦跨中节点设置 工地拼接，左半跨的上弦杆、斜腹杆和竖腹杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半跨 的上弦杆、斜腹杆与节点板连接用工地焊缝。 4. 支座节点“ a”（图 12） 为了便于施焊， 下弦杆轴线至支座底板的距离取 160mm ，在节点中心线上设置加劲 肋，加劲肋的高度与节点板高度相等，厚度为 12mm 。 1）支座底板的计算 支座底板尺寸按采用 280mm 360mm ， 承受支座反力 R 7F 7 62.66kN 438.62kN ，若仅考虑有加劲肋部分的底板承受 支座反力作用，则承压面积为 An 280 212mm 2 59360mm 2 ，则柱顶混凝土的抗 压强度按下式验算： 式中， fc为混凝土强度设计值，对 C30混凝土， fc 14.3N / mm2 。 底板的厚度按桁架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块 板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板， 见图 12。板的厚度由均布荷载作用下板 的抗弯强度确定： 底板下的平均应力 q为 ： 两支承