梯形钢屋架课程设计(度).doc

1、长沙理工大学继续教育学院梯形钢屋架课程设计年级：专业：姓名：学号：指导老师：时间：2017年月日目录课 程 设 计 任 务 书0一、设计资料：0二、屋架几何尺寸及檩条布置1三、支撑布置2四、荷载与内力计算3五、杆件截面设计5六、节点设计9七、填板设计22长沙理工大学继续教育学院课程设计任务书专业土木工程层次专升本指导老师课程设计名称梯形钢屋架课程设计课程代码课程设计题目梯形钢屋架课程设计课程设计依据和设计要求：1、确定屋架型式与尺寸；选择钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目的要求；2、进行屋盖支撑布置，按比例绘出屋架结构及支撑的布置图；3、进行荷载汇集、杆件内力计算、内力组合，内力图，选择各杆

2、件截面；4、设计下弦节点、上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点等。（荷载组合选其一， 1 全跨永久 +全跨不变， 2 全跨永久 +半跨不变， 3 全架屋架及支撑自重 + 半跨屋面板自重 +半跨屋面活载）课程设计内容：1、设计资料2、屋架几何尺寸及檩条布置3、支撑布置4、荷载与内力计算5、杆件截面设计6、节点设计7、填板设计参考文献：1 陈绍蕃主编 .钢结构 .第二版 .北京 :中国建筑工业出版社，2002年 7月2 陈绍蕃主编 .钢结构设计原理 .北京 :科学出版社， 20023 赵根田、孙德发 .钢结构 .北京 :机械工业出版社， 20054 张耀春 .钢结构设计原理 .北京 :高等教

3、育出版社， 20055 钢结构设计规范 （ GB50017 2003）6建筑结构荷载规范(GB50017-2002)一、设计资料：1、某车间跨度为 18m,厂房总长度 90m，柱距 6m。2、采用× 6m，预应力钢筋混凝土大型屋面板，级防水，卷材屋面桁架，板厚100mm，檩距不大于 1800mm。檩条采用冷弯薄壁斜卷边 C 形钢 C220× 75× 20，×屋面坡度 i=l/10 。3、钢屋架简支在钢筋混凝土柱顶上， 柱顶标高，柱上端设有钢筋混凝土连系梁。上柱截面为 450mm×450mm ，所用混凝土强度等级为 C30，轴心抗压强度设计值 f

4、c mm2。抗风柱的柱距为6m，上端与屋架上弦用板铰连接。4、钢材用Q235，焊条用E43 系列型。5、屋架采用平坡梯形屋架，无天窗，外形尺寸（取一半）如图1 所示。图 1二、屋架几何尺寸及檩条布置1、屋架几何尺寸屋面采用× 6m的钢筋混凝土大型屋面板和卷材屋面，采用梯形屋架；屋架上弦节点用大写字母 A, B, C 连 续编号，下弦节点以及再分式腹杆节点用小写字母 a, b, c 连 续编号。由于梯形屋架跨度L30m24m ，为避免影响使用和外观，制造时应起拱fL / 50060mm 。屋架计算跨度 l00L2302。跨中高度 H00/2=3585mm。=h +il为使屋架上弦节点受

5、荷，腹杆采用人字式，下弦节点的水平间距取,起拱后屋架杆件几何尺寸和节点编号如图2 所示（其中虚线为原屋架，实线为起拱后屋架） 。图 2运输单元的最大尺寸为长度15m，高度 4m。此屋架跨度30m，高度 ，所以可将屋架从屋脊处断开，取一半屋架作为运输单元，长度为 15m，高为 。两个运输单元分别在工厂里面制作完成后，再运输至施工现场进行拼接。2、檩条布置采用长尺复合屋面板， 单坡内不需要搭接， 在屋架上弦节点设置檩条，水平檩距为。檩条跨度l6 ，在跨中三分点处设置两道拉条，为檩条提供两个侧向支撑点。由于风荷载较大， 故在屋檐和屋脊处都设置斜拉条和刚性撑杆， 以将拉条的拉力直接传递给屋架。檩条、拉

6、条和撑杆的设置如图3 所示。三、支撑布置1、上弦横向水平支撑上弦横向水平支撑应设置在厂房两端的第一个柱间，且间距不宜超过60m。本车间长度为 96m, 因此需要布置四道横向水平支撑，如图4所示。图 42、下弦横向和纵向水平支撑屋架跨度L30m16m ，故应设置下弦横向和纵向水平支撑。下弦横向水平支撑与上弦横向水平支撑布置在同一柱间，如图5所示图53、垂直支撑垂直支撑必须设置。对于本屋架结构，在跨度中央设置一道中间垂直支撑，在屋架两端各设置一道垂直支撑。 垂直支撑只设置在有横向水平支撑的同一柱间的屋架上，如图 6 所示。图 64、系杆没有设置横向水平支撑的屋架，其上下弦的侧向支撑点由系杆来充当。

7、上弦平面内，屋脊和屋檐处需要设置刚性系杆，其它支撑点处设置柔性系杆。 本屋盖结构中，檩条长细比 200 ，故可兼充上弦平面的刚性和柔性系杆。下弦平面设置两道柔性系杆（图5），可采用455 的单角钢。四、荷载与内力计算1、荷载计算1）永久荷载（1）永久荷载m2预应力混凝土大型屋面板檩条自重m2屋架及支撑自重m2永久荷载总和：1,92kN/m2（2）可变荷载（ a）活荷载：屋面活荷载m 2 活荷载计算信息 : 考虑活荷载不利布置风荷载计算信息 : 不计算风荷载2、荷载组合设计屋架时，应考虑以下四种组合：（ 1）组合一：全跨永久荷载全跨活荷载永久荷载与活荷载大小接近，活荷载起控制作用，荷载设计值为q

8、2m2屋架上弦节点荷载为PqA6kN（ 2）组合二：全跨永久荷载半跨活荷载全跨永久荷载：q12m2Pq1 A6半跨活荷载：Pq2Am 2q622（ 3）组合三：全跨屋架及支撑自重半跨屋面板重半跨施工荷载全跨屋架及支撑自重：qm23P3q3 A6半跨屋面板重半跨屋面活荷载：4m2qP4q4 A6上述各组合中，端部节点荷载取跨中节点荷载值的一半。3、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1 所示杆件内力系数（ P=1）组合一组合二组合三计 算 内力P×P1×名称 全跨左半跨右半跨1

9、5;3×3×+(kN)P2×+ P+ P+ P2×4×4×PPPAB000000000BC-3CD-3DE上EF弦FG.杆GHHI-502IJ-13JK-13ac下ce弦eg杆giikaBBc201cD斜De腹eF-103杆Fg2gHHiijjkIj0Aa-10-27-27Cc-1-10-27-27竖Ee-1-10-27-27杆Gg-1-10-27-27Ii0Kk000000000Ij-1-10-27-27-27表1五、杆件截面设计1、节点板厚度对于梯形屋架，节点板厚度由腹杆最大内力（一般在支座处）按下表取用：梯形桁架腹杆内力或三角形

10、屋架181300301500501700701905<=180弦杆端节间内力(kN)中间节点板厚68101214(mm)支座节点板厚810121416(mm)本屋架中腹杆最大内力N，因此中间节点板厚取8mm，支座节点板厚取10mm 。2、杆件计算长度系数及截面形式（ 1）上弦杆面内计算长度系数x。根据上弦横向水平支撑的布置方案（图4），面外计算长度系数 y。 y4x ，根据等稳定原则，采用两不等边角钢短肢相并组成的 T形截面。（ 2）下弦杆与上弦杆类似，面内计算长度系数x，由图 5 可知，面外计算长度 l0 Y6m 。下弦杆受拉， 不需要考虑稳定性， 因此下弦杆采用两等肢角钢组成的 T

11、形截面。（ 3）支座腹杆（ Aa、aB）面内和面外计算长度系数都为，采用两等肢角钢组成的 T 形截面。（ 4）再分式腹杆（ ij 、jK）面内计算长度系数x，面外计算长度l0Yl10.75 0.25 N24664 0.75 0.2522.73944 0.5 l 2332N159.41采用两不等边角钢短肢相并组成的T 形截面。（ 5）跨中竖腹杆（ Kk）采用两个等肢角钢组成的十字形截面，斜平面内计算长度系数为。（ 6）其它腹杆面内计算长度系数 x ，面外计算长度系数 y ，根据等稳定原则，采用两等肢角钢组成的T 形截面。3、上弦杆上弦杆需要贯通， 各杆截面相同， 按、杆的最大内力设计， 即 Nk

12、N 。计算长度 l0 Xl1507mm ，l0Y4lmm 。截面选用 21107010 ，短肢相并，肢背间距 a=6mm，所提供的截面几何特性为： A2 ， ix， iy。（ 1）刚度验算l0 X150.7150x66.68i X2.26l0 y30.14150y49.3i y6.11，满足（ 2）整体稳定验算bt /t=125/10=<×loy/b t=27,因此绕 y 轴弯扭屈曲的换算长细比 y=， max=，上弦杆绕x轴弯扭屈曲，按b 类截面查得稳定系数，则 N332103201.03N / mm2f215N / mm2 ，满足A 0.481 34.334 10 24、下

13、弦杆giN下弦杆需要贯通，各杆截面相同，按杆的最大内力设计，即。计算长度 l0xl3000mm ， l0y6000mm 。截面选用 2 8010 ，肢背间距 a=6mm，所提供的截面几何特性为：A2 ， ixcm ，iycm 。（ 1）刚度验算l0 X300.0350xiX123.972.42，满足l0 y600350yiy167.133.59（ 2）强度验算N321.4103106.2 N / mm2f215N / mm2 ，满足A30.251025、再分式腹杆 ij-jK再分式腹杆在j 节点处不断开，采用通长杆件。最大拉力N jkkN ， Nij；最大压力 N jK， Nij。可见，该杆截

14、面由 jK 杆的最大拉力确定，即 NkN 。计算长度 l0xl2332mm ， l0y4290mm 。截面选用 2 45x4 ，肢背间距 a=6mm，所提供的截面几何特性为：A，ix，iycm 。（ 1）刚度验算l0 X233.2350xiX166.571.38，满足l0 y429350yiy200.472.16（ 2）强度验算N53.210376.30 N / mm2f2，满足A6.972102215N / mm6、竖腹杆 Ii杆件轴力为 N，计算长度 l 0ul0v35853226mm。截面选用 2563 ，十字形截面，肢背间距a=6mm，所提供的截面几何特性为： A2，iu， ivcm。

15、（ 1）刚度验算xl 0u322.6117.74150i u2.74，满足l 0v322.6y147.98150i v2.18（ 2）整体稳定验算b156l0 y0.475b4t3 18.70.56b132.26， yzy (1l 02yt 2) 155.36 y 147.36上弦杆绕 y轴弯扭屈曲，按b 类截面查得稳定系数，则N22.7 103107.10 N / mm2f215N / mm2 ，满足A0.317 6.686 102其余杆件的截面设计过程不再一一列出，详见表2 所示。杆件名称截面特性A(cm2杆件特性设计参数演算过程应力比结论截面规格)xy计算内力L(mm)i (cm)i (

16、cm)xyxyyz上弦IJ、JK211070150714满足下弦hi28010300012满足斜腹杆 aB26310265611满足Bc263526561满足cD256829421满足De250×429421满足eF263432011满足Fg245×432011满足gH263434661满足Hj245×434661满足jK/ij245×4233211满足Ij245×4211311满足竖腹杆 Aa245×4210011满足Cc245×423821满足Ee250×326791满足Gg256×329761满足I

17、i256×332731满足Kk245×4035851满足Jj245×416440.30满足六、节点设计1、屋脊节点“ K”1、下弦节点 “c”（ 1）腹杆与节点板的连接焊缝（ a）“Bc”杆杆件轴力 N=，截面为 2L63× 5，节点板厚 8mm，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 f fw160N/mm 2 。肢背焊缝焊脚尺寸取hf ,min1.5t max1.563.67mmhf ,14mmhf ,max1.2tmin1.25 6mmt=5mm所需焊缝长度l1N2 h f0.7134.910 34113.4mm20.7

18、h f ,1 f fw,120.742160取 l1120mm10 hf,110440mm62 hf,1624248mm肢尖焊缝焊脚尺寸取hf ,min1.5tmax1.563.67mmhf ,24mm1.2t min1.256mmhf ,maxt5mm所需焊缝长度l 2N2 h f ,20.3134.910 3453.2 mm20.7 h f ,2f f w20.742160取 l 260 mm10 h f ,210440 mm62 h f ,2624248 mm（ c）“cD”杆杆件轴力 N=，截面为 2L56× 8，节点板厚 8mm，肢背和肢尖的内力分配系数分别为0.7 、0.

19、3 ，角焊缝强度设计值 f fw160N/mm 2 。肢背焊缝焊脚尺寸取hf ,min1.5 tmax4.2mmhf ,15mmhf ,max1.2t min7.2mmt-2=6mm所需焊缝长度l1N2 h f ,10.7113.710 320.7 h f ,1 f fw20.7 52 5 81.1mm160取 l190mm10 h f,110550mm62 h f,1625248mm肢尖焊缝焊脚尺寸取hf ,min1.5tmax4.2mmhf ,25mmhf ,max1.2tmin7.2mmt-2=6mm所需焊缝长度l 2N2 h f0.3113.710 30.7 h f ,2 f fw,2

20、20.7 52 5 30.4mm2160取 l 250mm10 h f,250mm62 h f,2625310mm（ 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 7 所示。从而确定节点板尺寸为 280mm× 300mm。图中，屋架右半边运输单元上的构件必须在工地装配后才能与节点板焊接，已以工地焊缝代号标明。图 7（ 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l300mm ，所受的力为左右两下弦杆的内力差 N=。下弦杆截面为 2 80 10 ，节点板厚 8mm，肢尖与肢背的焊脚尺寸都取h f5mmhf ,

21、min1.5tmax 1.5104.7mm焊缝计算长度lwl 2hf30025290mm60hf605300mm ，取 l w290mm受力较大的肢背处的焊缝应力为fN0.7131.9 10345.5N/mm2f fw160N/mm2，满足2 0.7hf l w20.75 2902上弦节点“ D”（ 1）腹杆与节点板的连接焊缝（ a）“cD”杆“cD”杆 与节点板的焊缝尺寸和节点“c”相同。（ b）“De”杆杆件轴力N=，截面为 2 50 4 ，节点板厚6mm，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f fw160N/mm 2 。肢背焊缝焊脚尺寸取hf ,min1.5

22、tmax1.563.7mmhf ,14mmhf ,max1.2tmin1.244.8mmt=4mm所需焊缝长度l1N2 h f ,10.783.410 34 73.2mm20.7 h f,1 f fw20.742160取 l 180mm10 h f,110440mm62 h f,1624248mm肢尖焊缝焊脚尺寸取hf ,2hf ,14mm所需焊缝长度l2N2hf ,20.383.41032 436mm20.7hf ,2f fw20.7416062hf ,2624248mm取 l 2 50mm10hf ,240mm402hf ,248mm（ 2）节点详图根据上述焊缝长度以及杆件截面，并考虑杆件

23、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 8 所示，从而确定节点板尺寸为 220mm× 190mm。图 8（ 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l220mm ，所受的力为左右两上弦杆的内力差 N=，以及节点荷载 P=27KN。上弦杆截面为 2 110 70 10 ，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hf0.5t3mm 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f2P sin215.161030.09951.68Nmm20.7

24、hf l w0.73 (22023)fP cos6Pe20.7hf lw20.7hf l 2w215.161030.99526 15.16 103 203)226.19N mm20.73(22023)0.73(2202226.192221.5 N mm20.8 f fw0.8 160 128N mm2 , 满足f1.682ff1.22（ 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N ，偏心距 e=30mm。取焊脚尺寸hf ,min1.5tmax1.5 10 4.7mmhf5mm hf ,max1028mm1.2t min7.2肢尖焊缝所受的应力为fN2100.1103268

25、.1Nmm220.7hf lw0.75 (2205)f6 Ne26 100.110352.8102.7 N mm220.7hf l 20.75(22025)2w2102.72f268.12108.28 Nmm2f fw160 N mm2 ,满足ff1.223有工地拼接的下弦节点“k”“k”节点与一般下弦节点的区别在于节点处弦杆中断而需对弦杆进行拼接。（ 1）拼接角钢的截面和长度弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与原来的角钢相紧贴，并便于施焊，需将拼接角钢顶部截去棱角，宽度为9mm（角钢内圆弧半径），且将垂直肢截去 h ft5mm （ t 为角钢厚度），见图 6 所示。因切割而对拼接

26、角钢截面的削弱考虑由节点板补偿而不计。拼接角钢与下弦杆共有4 条角焊缝，都位于角钢的肢尖， 承担节点两侧弦杆中较小的内力设计值N2 ，对于下弦杆，可偏安全地取N 2A2 f 。下弦杆截面为 2 80 10 ， A30.25cm 2 。焊脚尺寸取为hf5mmhf ,min1.5 t max1.5104.7mmhf ,max1028mm所需的拼接角钢总长度为ls2Af2hf20230.25 1022150.7hf f fw4 0.752 5 20 620.9mm4160取 ls630mm 。（ 2）下弦杆与节点板的连接角焊缝下弦杆与节点板连接焊缝的计算内力取NN1 N2 和 0.15N1 两者中的

27、较大值，“ c”节点处 N1 2，下弦杆截面为2 8010，节点板厚8mm，肢背和肢尖=N =的内力分配系数分别为0.7 、0.3 ，角焊缝强度设计值w160N/mm 2 。f f肢背焊缝焊脚尺寸取hf ,1 6mmhf ,min1.5tmax1.510 4.7mmhf ,max1.2tmin1.267.2mm所需焊缝长度l1N2hf ,10.70.15309.31030.7hf ,1 f fw20.75 1602 5 39mm 10hf ,1 10 5 50mm2取 l1 50mm肢尖焊缝焊脚尺寸取hf ,min1.5tmax 1.5 10 4.7mmhf ,2 5mmt6mmhf ,max

28、所需焊缝长度l 2N0.30.15309.3310w 2 h f ,22 5 22.4 mm20.7 h f ,2 f取 l 250 mmf2 0.75 160max(10 h f ,2,402 h f ,2 )50 mm62 h f ,2 625310 mm（ 3）腹杆与节点板的连接焊缝焊缝尺寸列表计算如表3 所示。“ Kk”杆与节点板的连接焊缝尺寸为：肢背 hf ,14mm ，l150mm ；肢尖hf ,24mm ， l250mm 。（ 4）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 9 所示。图中，屋架右半边运输单元上的

29、构件必须在工地装配后才能与节点板焊接，已以工地焊缝代号标明。图 94屋脊节点“ K”“K”节点与一般上弦节点的区别在于节点处弦杆中断而需对弦杆进行拼接。（ 1） 拼接角钢的截面和长度与“ k”节点类似，拼接角钢采用上弦杆同号角钢，顶部截去棱角，宽度为10mm ，垂直肢截去 hft5mm20mm ，见图 7 所示。拼接角钢与上弦杆共有 4 条角焊缝，都位于角钢的肢尖， 承担节点两侧弦杆中较小截面中的内力设计值 N2=。上弦杆截面为 2 110 70 10 ，焊脚尺寸取为hf6mmhf ,min1.5 tmax 1.5 10 4.7mmhf ,max10 2 8mm1.2t min7.2mm所需的

30、拼接角钢总长度为l s2N22hf20 2591.31030.7hf f fw4 0.72 5 30 578mm45 160取 ls 578mm（ 2）腹杆与节点板的连接焊缝焊缝尺寸列表计算如表3 所示。“ ik”杆与节点板的连接焊缝尺寸为：肢背 h4mm ，l50mmf ,11；肢尖h4mm ，f ,2l250mm。“ Kk”杆与节点板的连接焊缝尺寸为：肢背4mm ， l250mm 。hf ,14mm， l140mm；肢尖hf ,2（ 3）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 7 所示。图中，屋架右半边运输单元上的构件

31、必须在工地装配后才能与节点板焊接，已以工地焊缝代号标明。（ 4）上弦杆与节点板的连接焊缝上弦肢背与节点板的槽焊缝长度L=140，承受节点荷载P=；肢尖焊缝长度l 2150mm ，承受偏心荷载0,15N1=×=。上弦杆截面为2L110× 70× 10*，节点板厚6mm。（ a）上弦肢背与节点板的槽焊缝槽焊缝按两条h f0.5t3mm 的角焊缝计算。屋面倾角arctan 1 10 ，节点荷载 P 的偏心距 e=87mm。槽焊缝所受的应力为f2P sin27.581030.09953)1.34 N mm2 ,忽略不计0.7 hf l w0.73 (1402fP cos6

32、Pe220.7h f lw20.7h f l w7.581030.99567.5810387220.73(14023)20.73(14023)52.3Nmm 20.8 f fw0.8160128 N mm 2 , 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0.15N1 ，偏心距 e=40mm。取焊脚尺寸hfhf ,min1.5tmax 1.5 10 4.7mm5mm102 8mmhf ,max肢尖焊缝所受的应力为f20.15 N120.749.81032 550.82N/mm 20.7hf lw5150f60.15N1e2649.8103502108.89N/mm 220.7hf lw20.75150252108.892f22102.71N/mm2w160N/mm2，满足f1.2250.82f ff5支座节点“ a”为便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距不小于水平肢的边长，且不小于 130mm ，取 130mm 。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板相同，厚度都为 8mm。（ 1）支座底板的尺寸（ a）底板的平面尺寸支座反力 R=271，锚拴直径 d=20mm，锚拴孔直径 d0=2，取 d0=40mm，C30混凝土强度设计值 fc=mm2。仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，所需要的底板净截面面积为：AnR271