安阳工学院三角形钢屋架设计

1、安阳工学院三角形钢屋架设计钢屋架设计一、课程设计内容1. 建筑物基本条件厂房长度132m檐口高度15m。厂房为单层单跨结构，内设有两台中级工作制桥式吊车。拟设计钢屋架，简支于钢筋混凝土柱上，柱的混凝土强度等级为c20。柱顶截尺寸为400mm?400mm。钢屋架设计可不考虑抗震设防。厂房柱距选择：6m2、设计题目(1)三角形钢屋架(a)1) 属有檩体系：檩条采用槽钢，跨度为6m，跨中设有一根拉条4、10。2) 屋架屋面做法及荷载取值(荷载标准值)：永久荷载：波形石棉瓦自重0.20 kn/m2檩条及拉条自重0.20 kn/m2保温木丝板重0.25 kn/m2钢屋架及支撑重(0.12+0.011?跨

2、度 kn/m2可变荷载：雪荷载0.55kn/m2屋面活荷载0.40 kn/m2积灰荷载0.30 kn/m2注：1、以上数值均为水平投影值;图1钢屋架形式与尺寸3. 制作及安装条件(1) 钢屋架运送单元和支撑杆件均在金属加工厂制作，工地安装，采用手工焊接。(2) 预先划分钢屋架的运送单元，以便于确定屋架拼接节点的位置。一般梯形屋架为两个运送单元，三角形屋架可分为四个运送单元。如图2.(3) 钢屋架与支撑杆件的连接采用普通螺栓。(4) 构件最大运输长度为16m，运输高度为3.85m。(5) 上、下弦杆为连续杆件，角钢最大长度19m。图2屋架运送单元的划分二、课程设计要求1. 计算书完成计算书一份，

3、内容包括：(1) 选题：柱距(6m)屋架形式a);荷载取值(永久荷载、可变荷载)(2) 选择钢材。(3)选择焊接方法及焊条型号。(4)绘制屋盖体系支撑布置图。(5)荷载计算及各杆件内力组合。(6)杆件截谢设计。详细写出以下杆件设计过程，其余填表即可。梯形屋架：上弦杆、下弦杆、端斜杆、屮竖杆。三角形屋架：上弦杆、下弦杆、内力较大的拉杆和压杆。(7)屋架节点设计。3.1设计资料三角形（芬克式）屋架跨度27m，间距6m,屋面材料为波形石棉瓦（自重0.20kn/m2 ）,屋坡度1/2.5,厂房长度为84m。保温木丝板重 0.25 kn/m2,檩条及拉条自重0.20 kn/m2 ,凝土柱上。钢材采用q2

4、35b,焊条采用e43型。3.2屋架尺寸和檩条、支撑布置1. 屋架尺寸:屋架计算跨度：10=1 300=24000 300=23700mm1 屋 顷角： ？?arct?2.5屋架跨中的高度为：h?'2148?,s?in 0.3?71?4zcos0.9285l023700?4740mm上弦长度：l?12762mm2?2.52cos?a?节间长度：12762'?2552.4节间水平投影长度：a=acos?=2552.4x0.9285=2370mm5屋架几何尺寸见图2。图2屋架几何尺寸（单位：mm）2. 檩条和支撑布置根据屋面材料的最大容许檩距，可将檩条布置于上弦节点

5、上（见图2），檩距为节间长度。在檩条的跨中设置一道拉条。根据厂房总长度132m,跨度为24m,有中级工作制出车及第一开间尺寸5.5m等因素，可在厂房两端的第一开间和屮部设置一道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，并在同一开间两榀相邻屋架的腹杆间设置三 道垂直支撑（屋架两端和中央各设一道）上弦檩条可兼做系杆，故不另设系杆，在下弦跨中央设置一道通长的柔性系杆。此外，在厂房两端的第一幵间下弦各设置三道刚性系杆（见图3）。图3屋架支撑布置（单位;mm）（a）上弦横向水平支撑；（b）下弦横向水平支撑；（c）垂直支撑3.3檩条的设计选用16a槽钢截面，由型钢表查得，wx=108.3cm3，wy=16.3c

6、m3,ix=866.2cm4。可只考虑可变荷载效应控制的组合）0.20knm20.20knm20.25 kn/m21.荷载计算（对轻屋面永久荷载：（坡面）波形石棉瓦：檩条和拉条：保温木丝板：共：0.65knm2qgk=0.65x2.555xcos?=0.65x2.555x0.9285=1.542m可变荷载：屋面活荷载：0.40 kn/m2 （屋面活荷载等于雪荷载，屋面活荷载与雪荷载任选其一。）积灰荷载：0.30 kn/m2 共:0.70kn/m2qqk=0.70x2.555xcos?=0.70x2.555x0.3714=0.664m檩条均布荷载设计值：q=?gqgk+?qqqk=1.2x(1.

7、542+0.169)+1.4x0.664=2.9828mqx=qcos?=2.9828x0.9285=2.7695mqy=qsin?=2.9828x0.3714=1.108m2. 强度验算图4弯矩图hmx=qxl2=x2.7695x62=12.463kn?m 88611imy=?qy()2=?xl.27x()2=?1.2465kn?m 8282(1)抗弯强度由于跨中截面mx、my都最大，故檩条的最大应力位于跨中槽钢下翼缘的肢尖处。mxmyl2.463?1061.2465?106?173.3n/mm2?f?215n/mm233?xwnx?ywnyl.05?108.3?101.20?16.3?10

8、3. 刚度验算只验算垂直于屋面方向的挠度。荷载标准值：qgk+qqk=1.542+0.169+0.664=2.375knmqy?(qgk?qqk)cos?2.375?0.9285?2.205kn/m45qyl5?2.205?60004l?20.9mm?30mm(满足54384elx384?2.06?10?866.2?10200要求)因设置有拉条，不必验算整体稳定性。故选用16a槽钢檩条能满足要求。3.4屋架节点荷载计算檩条及拉条白重保温木丝板重钢屋架及支撑重0.20 kn/m20.25 kn/m2(0.12+0.011?24) =0.384kn/m2qgk=1.034knm2标准可变荷载：屋面

9、活荷载0.40 kn/m2积灰荷载0.30 kn/m2qclk=0.70knm2(雪载等于屋面活荷载故屋面活荷载与雪荷载任选其一活荷载)屋架上弦在檩条处的集中荷载设计值由可变荷载效应控制的组合为:f?(1.2qgk?1.4qqk)?l?a,?(1.2?1.034?1.4?0.70)?6?2.370?31.58注：正值为受拉，负值为受压。3.5内力计算永久荷载组合时不会增大杆件的内力，因此不予考虑。芬克式屋架在半跨活荷载作用下，腹杆内力不会变号，故只需按全跨永久荷载与全跨可变荷载组合计算屋架杆件的内力。使用结构力学求解器计算结果如下表2。表2屋架杆件内力计算表杆件名杆件abbecddeefahh

10、jjmbhhecjjddggegjgffm上弦下弦斜腹杆内力系数-12.12 -11.28 -9.52 -10.54 -10.6311.25 10 6.25 -1.04 0.84 -1.56 -1.56 0.84 -1.04 3.75 5 0 内力设计值-382.75-356.22 -300.64 -332.85 -335.7 355.28 315.8 197.38 -32.84 26.53 -49.26-49.26 26.53 -32.84 118.43 157.9 0注：正值为受拉，负值为受压。3.6杆件设计1.上弦杆（见图6）整个上弦杆不改变截面，按最大内力计算。239.6=479.2c

11、m。nmax=461.3kn，lox=239.6cm，loy=2lox=2x因为lox=2lox，故截面易选用两个不等肢角钢，短肢相并。由于弦杆最大内力为n=461.3kn,査表9.6.4,中间节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。设入=70,查附录4的?=0.751。需要截面积：n461.37103a?2857.0mm2 ?f0.751?215需要的回转半径：ioy479.2239.6ix?3.42cm, iy?6.85cm ?70?70lox选用2l140x90x14组成的t形截面，节点板厚为10mm,査型钢表得 a=60.91cm2, ix=5.02cm, iy=6.86c

12、m,bl/t=10>0.65loy/bl=3.4。?x?lox239.6?47.7?150ix5.02?y?loyiy?479.2?96.85?150 6.86弯扭屈曲的换算长细比：22loytbl47922?142?yz?3.7(l?)?3.7?10?(l?)?40.08?150 44t52.7bl52.7?140截iij x和y平皆属于b类，由于?yz?x，只需求?yz。査表得?yz=0.8958n146.13?10322?26.78n/mm?f?215n/mm2?yza0.8958?60.91?10所选截面合适。卜.弦杆见（图6）图6上弦截面(2) 下弦杆整个下弦采用同一截

13、面，按最大设计值计算。n=428.3kn ? lox?387.2cm,loy?947.8cm 所需截面积为：n428.37103an?19.93cm2 f215选用 2l90x56x8 短肢相并。a=22.37cm2>19.93cm2 ix=3.18cm,iy=4.54cm z ?oy?loyiy?947.8?208.77?350 4.54?ox?lox387.2?121.76?350 ix3.18故所选截面可用。下弦杆(见图7)7下弦截面3.腹杆(1) bb、bc、ee、ef 杆n=-37.7kn,l=187.2cm,ll=222.5cm 选用 2l45x4 单角钢截面,a=6

14、.97cm2, ix=2.76cm,iy=2.24cm, b八=12.5 贝u lox=0.9l=0.9x187.2=168.5cm loy=ll=222.5cm?x?lol68.5?61.05?150 ix2.76?y?loyiy?222.5?99.33?150 2.2422loytb22252?42?yz?3.7(l?)?3.7?12.5?(l?)?63.20?150 44t52.7b52.7?45 截面 x 和 y 平面皆属于b类，由于?yz?x，只需求?x。査表得?x=0.80175 n37.7?103?67.46n/mm2?f?215n/mm2 2?xa0.80175?6.97?10

15、所选截面可用。(2) bd、ed 杆n=77.85kn,l=387.2cm选用 l63x6，a=7.288cm2，iyo=l.240cmlo=0.9l=0.9x 387.5=348.5cm，?=lo384.5=310< x =350 ?iyol.240单角钢单面连接计算构件强度时的强度设计值折减系数：?=0.85n77.857103?106.8n/mm2<?f=0.85x215=182.75n/mm22a7.288710故所选截妞可用。(3) eg、ce杆选用同一截面采用最大值 n=194.7kn,l=387.2cmlox?l=387.2cm,ioy?2l=2x38

16、4.7=769.4cm选用 2l50x5, a=9.61cm2,，ix=3.06cm,iy=2.45cm ?x?lo387.2?126.5?350 ix3.06?y?loyiy?769.4?314.0?350 2.45n194.7?10322 f?202.6n/mm<=0.85x215=182.75n/mm?a9.61?102故所选截面可用。(4) 竖杆dgn=0,l=534.0cm对有连接垂直支撑的屋架wj-2,采用2l50x5组成十字形截面，并按受压支撑验算其长细比。lo=l=534.0cm, iyo=3.cmio534.0?149.2?200 iyo3.85故所选截面可用。

17、对不连接垂直支撑的屋架wj1,选用l56x4单角钢，并按受拉支撑验算其长细比，lo=l=534.0cm， iyo=l.925cm?io534.0?277.4?400 iyol.925故所选截面可用。屋架各杆件截面选择情况见表3。表3屋架杆件截面选择注：该值考虑了栓空削弱的影响3.7节点设计本例只选择几个有代表性的、重要的节点进行计算，其余节点的计算过程从略，可参见屋架施工图。10上弦节点d (单位：mm)各腹杆杆端与节点板的焊缝计算从略，节点板的形状和尺t如图io所示。fmax=438.3kn 肢背和肢尖取 hf=8mm,kln10.65?438.3?103肢背 ll?lwl?2hf?2hf?

18、2?8?174.98mm w2?0.7?hf?ff2?0.7?8?160故 11 取 180mm。kln10.35?438.3?103肢尖：l2?lw2?2hf?2hf?2?8?101.61mm w2?0.7?hf?ff2?0.7?8?160故 12 取 110mm。上弦肢背塞焊缝承受檩条传来的集中荷载(节点荷载)f，取节点板缩进肢背8mm，hhf=t=x10=5mm,节点板长度为 700mm 22f31.157103?f?5.29n/mm2?0.8f?128n/mm2?f?2?0.7hflwl.22?2?0.7?5?(700?10)肢尖与节点板的焊缝承受弦杆的内力差为?n=ndc-nde=?

19、438.3?(?426.4)?11.9kn偏心距e=65mm，且节点板长度较大，故可不作计算，按构造要求布置焊缝进行满焊即可满足条件。9下弦拼节点(单位：mm)屋架跨度27m超过运输界限，故将屋架分为四个个运输单元，在屋脊节点g和下弦节点c （和c点关于跨屮对称处），d处设置工地拼接。腹杆杆端与节点板的焊缝连接按eg和ce中最大内力n=194.7kn计算。设肢背和肢尖的焊脚尺寸均取hf=8mm,则杆端所需的焊缝长度分别为kln10.75?194.7?103肢背：ll?lwl?2hf?2hf?2?8?93mm w2?0.7?hf?ff2?0.7?8?160故 ii 取 100mm。kln10.2

20、5?194.7?103肢背：i2?lw2?2hf?2hf?2?8?44mm 2?0.7?hf?ffw2?0.7?8?160因为 i2=44mm<8hf=64mm,故 12 取 70mm。弦杆与节点板的连接焊缝按弦杆内力eg与ce的内力差计算，因为内力差较小，按构造布置焊缝即可满足要求，不必计算。拼接角钢采用与下弦杆相冋截面，肢背处削棱，竖肢切去v=t+hf+5=15mm。按拼接焊缝与杆件等强度原则，接头一侧所需的焊缝计算长度为af9.61?102?215lw?92.34mm4?0.7?hf?ffw4?0.7?5?160拼接角钢所需总长度为 1=2 （lw+10） +10=2 （1

21、00+10） +10=230mm屋脊节点（见图8）腹杆eg与节点板的连接焊缝，查表得ffw?160nmm2 （以下同），取肢背和肢尖的焊脚尺寸都取hf=5mm,则杆端所需的焊缝长度分别为kln10.65?194.7?103肢背：ll?lw2?2hf?2hf?10?123.0mm w2?0.7?hf?ff2?0.7?5?160故取 ll=125mm。图 8 屋脊节点(单位：mm) kln10.33?194.7?103肢尖：l2?lw2?2hf?2hf?10?60.99mm w2?0.7?hf?ff2?0.7?5?160取 i2=65mm。弦杆一般采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与弦杆之间能够

22、密合，并便于施焊需要将拼接角钢的尖角消除，并截去垂直肢的一部分宽度(t+hf+5)。拼接角钢的这部分削弱可以考节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设hf=8mm ,则需要焊接长度为(一条焊缝)：n403.397103lw?180.0mm w4?0.7?hf?ff4?0.7?5?160拼接角钢的总长度为1=2 (lw+10) +d=2 (180+10) +50=370mm上弦杆与节点板的塞焊缝，假定承受节点荷载f/2,验算从略。上弦肢尖与节点板的焊缝连接按弦杆内力neg的15%计算，且考虑由此产生的偏心弯矩作用。设肢尖焊缝焊脚尺寸hf=5mm,节点板总长度为60mm,则节点一侧弦杆焊

23、缝的计算长度为lw?(2)cos?20?10?(2)0.9628?20?10? 281.6mm焊缝应力为0.15n0.15?403.39?103?f?39.49n/mm2 2?0.7hflw2?0.7?5?281.90.15ne?60.15?403.39?103?65?6?f?42.42n/mm2222?0.7hflw2?0.7?5?281.9(f242.422)?(?f)2?()?(39.49)2?56.62n/mm?ffw?160n/mm ?fl.22由以上计算结果可知，因弦杆与节点板的连接焊缝受力不大，且连接长度较大，故可按照构造进行满焊，不必计算。弦杆一般采用同号角钢进行拼接，为了使拼

24、接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊需要将拼接角钢的尖角消除，并截去垂直肢的一部分宽度(hhf+5)。拼接角钢的这部分削弱可以考节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设hf=8mm ,则需要焊接长度为(一条焊缝)：n403.397103lw?180.08mm w4?0.7?hf?ff4?0.7?5?160腹杆gk与节点板的连接焊缝，查表得ffw?160nmm2 (以下同)，取肢背和肢尖的焊脚尺寸分别为hfl?5mm和hf2?4mm,则杆端所需的焊缝长度分别为肢背：ll?lwl?10?klngk0.67?102.5?103?10?10?71.3mm w2?0.7?hflff2?0.7?

25、5?160故取 ll?80mm。图8屋脊节点(单位：mm) 3kn0.33?102.5?102gk故肢尖：l2?lw2+8?+8?+8?45.8mm w2?0.7?hf2ff2?0.7?4?160取 l2=50mmo拼接角钢采用与上弦杆等截面，肢背处削棱，竖肢切去v=t+hf+5=17mm,取v=20mm，并将竖肢切口后经热弯成型用对接焊缝焊接。拼接接头一侧所需的焊缝计算长度为212.4?103n|w=95mm w4?0.7?hfff4?0.7?5?160拼接角钢的总长度为1=2 (lw+10) +d=2 (95+10) +50=260mm上弦杆与节点板的塞焊缝，假定承受节点荷载f/2,验算从

26、略。上弦肢尖与节点板的焊缝连接按弦杆内力ngk的15%计算，且考虑由此产生的偏心弯矩作用(偏心距e=65mm)。设肢尖焊缝焊脚尺寸hf=5mm，节点板总长度为660mm,则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw= (660 / 2) /cos?-20-10= (660/2) /0.9285 20 10=325mm 焊缝应力为0.15?212.4?10320.15n?f=14nmm 2?0.7hflw2?0.7?5?3250.15?212.4?103?65?620.15ne?6?f=16.8nmm222?0.7?5?3252?0.7hflw2nmm2<ffw=160nmm由以上计算结果可知，因弦

27、杆与节点板的连接焊缝受力不大，且连接长度较大，故可按照构造进行满焊，不必计算。9下弦拼节点(单位：mm)屋架跨度24m超过运输界限，故将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点g和下弦节点i处设置工地拼接。腹杆杆端与节点板的焊缝连接按ik和id中最大内力nik?61.6kn计算。设肢背和肢尖的焊脚尺寸均取hf?4mm，则杆端所需的焊缝长度分别为肢背：ll?lwl?8?故 ii 取 60mm。3kn0.33?61.5?1021k 肢尖：l2?lw2?8?8?30.7mm2?0.7?hf2ffw2?0.7?4?160klnlk0.67?61.5?103?8?54mmw2?0.7?hflff2?0.7?4?

28、160故12按构造取50mm。弦杆与节点板的连接焊缝按弦杆内力nih与nu的内力差计算，因为内力差较小，按构造布置焊缝即可满足要求，不必计算。拼接角钢采用与下弦杆相同截面，肢背处削棱，竖肢切去v=t+hf+5=15mm。按拼接焊缝与杆件等强度原则，接头一侧所需的焊缝计算长度为afl2.24?102?215lw= lw?117mm w4?0.7?hfff4?0.7?5?160拼接角钢所需总长度为 1=2 (lw+10) +10=2 (120+10) +10=270mm图10上弦节点d (单位：mm)各腹杆杆端与节点板的焊缝计算从略，节点板的形状和尺寸如图10所示。上弦肢背塞焊缝承受檩条传来的集中

29、荷载(节点荷载)f,取节点板缩进肢背 5mm, hf=t / 2=4mm，贝ijf16.4?103?f?3.5nmm2?0.8f?128nmm2 肢？f?2?0.7hflwl.22?2?0.7?4? (700-8)尖与节点板的焊缝承受弦杆的内力差为?n=ndc-nde=-230.8+224.7=-6.1kn偏心距e=65mm，且节点板长度较大，故可不作计算，按构造要求布置焊缝进行满焊即可满足条件。1.图11支座节点(单位：mm)2屋架支撑与钢筋混凝土柱上，混凝土强度为c20, fce=10nmm为便于施焊，取下弦轴线至支座底板上表面的距离为160mm,并设置图12所示加劲肋。下弦杆端与节点板的焊缝取肢背和肢尖的焊缝尺寸