普通钢屋架课程设计

1、 目 录1、 主要设计参数12、 钢材和焊条的选用13、 屋架形式、尺寸及支撑布局14、 载荷和内力计算25、 杆件截面选择46、 节点设计97、 焊接工艺128、 检验及质量标准149、 参考文献15一 、设计资料 某车间跨度30m，长度90m，柱距6m，车间设有30/5t 中级制桥式吊车，使用温度-29，采用1.5*6.0m混凝土钢筋大型屋面板，10cm厚沥青珍珠岩保温层，卷材屋面，屋面坡度1/10，屋架制成在钢筋混凝土柱上，上截面400*400mm，混凝土型号C20。2、 钢材和焊条的选用根据设计资料参数、使用温度-29、连接方法及载荷性质（静载荷），屋架钢材应选用Q235，焊条应选E4

2、303型，焊接方法应选择手工焊。3、 屋架形势、尺寸及支撑布局1、由于屋面材料为预应力混凝土大型层面板，所以采用无檀层盖体系平缓坡度型钢屋架，屋架尺寸如下：屋面坡度: i=1/10 屋架计算跨度: L0=L2*150=300002*150=29700mm屋架端部高度取: H0=2000mm跨中高度： H=H0+L0/2*i=2000+29700/2*0.1=34853490mm屋架高度比： H/L0=3490/297001/8.512、屋架示意图 3、梯形钢屋架支撑布置 四、载荷和内力计算 1、荷载计算 荷载名称标准值（KN/m2）设计值（KN/m2） 永久荷载预应力混凝土大型屋面板1.401

3、.68三毡四油防水层 0.400.48找平层（厚20mm）0.400.48100mm厚沥青珍珠岩保温层0.300.36屋架及支撑自重0.450.54管道荷载0.100.12永久荷载总和3.053.66 可变荷载屋面活荷载3.050.98积灰荷载0.700.84可变荷载总和0.601.82 设计屋架应考虑以下三种组合：（1）全跨节点永久荷载+全跨可变荷载。全跨界点永久荷载及全跨可变荷载为 F=（3.66+1.82）×1.5×6=49.32KN（2）全跨节点永久荷载+半跨节点可变荷载 全跨节点永久荷载：F1=3.66×1.5×6=32.94KN 半跨节点可变

4、荷载：F2=1.82×1.5×6=16.38KN （3）全跨节点屋架（包括支撑）+半跨节点屋面板自重+半跨屋面活荷载 全跨节点屋架自重：F3=0.54×1.5×6=4.86KN 半跨节点屋面板自重及活荷载：F4=(1.68+0.98)×1.5×6=23.94KN 上述计算中，（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。2、内力计算 由电算先解得F=1的桁架各杆件的内力系数（F=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,并表示出最大内力。 计算结果如下表所示： 五、杆件截面选择 (1) 上弦

5、杆 整个上弦采用等截面，按IJ，JK杆件的最大内力设计，即 N=-1121.0436KN 上弦杆计算长度计算如下： 在屋架平面内，为节间轴线长度，即 lox=l0=1.508m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lo y为支撑点间的距离，即 loy=3×1.508=4.524m根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上线截面选用两个不等肢角钢，短肢相并，如下图所示 腹杆最大内力N=-559.2888kN，查材料表可得，中间节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。设=60，查教材附录得=0.807。（有双角钢组成的T形

6、和十字形界面均属于b类）需要截面积：A=N/*f=1121043.6/(0.807×215)=6461.16mm需要的回转半径： ix=lox/=1.508/60=75.4mm根据所需要的A、查角钢规格表，选用2180×110×12， ix=31.0mm,iy=87.6mm,A=6742.4mm2 按所选角钢进行验算： x=lox/ix=1508/31.0=48.65=150 y=loy/iy=4524/87.6=51.64=150满足长细比：=150的要求。截面x和y平面截属于b类，由于>,查表得=0.847则 N/A=1121043.6/(0.847&#

7、215;67.42.4)=196.3MPa<215MPa经验算所选截面合适。（2） 下弦杆整个下弦采用同一截面，按最大内力所在杆de杆计算，则 N=1090.9584KN=1090958.4N lox=3000m, loy=29700/2=14850mm(因跨中有通长系杆)，需要截面面积： A=N/f=10909584/215=5074.23mm2=50.74cm2选用不等肢角钢2180×110×12（短肢相并），见图所示， A =67.424cm2 , ix = 3.10 cm , iy =8.75cm 下弦截面按所选角钢进行截面验算， x=lox/ix=300/3

8、.10=96.77<=350 y=loy/iy=1485/8.75=169.91<=350所选截面满足要求。（3） 端斜杆aB杆件轴力N = -559.2888kN ， 计算长度l0x = l0y = 2534mm.因为l0x = l0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ix iy 选用2140×90×10，见下图所示，A = 44.522 cm2 , ix = 4.47cm, iy = 3.74cm 斜杆截面按所选角钢进行验算： x=lox/ix=253.4/4.47=56.68<=150 y=loy/iy=253.4/3.73=67.94<=150

9、由于y>x，只需求y=0.764 N/A=559288.8/(0.764×4452.2)=185.46MPa<215MPa所选截面合适。（4） 腹杆eg-gk此杆在g点处不断开，采用通长杆件；最大拉力：Ngk=137.817kN, Neg=106.0902kN最大压力：Neg=-47.147kN, Ngk=-45.0432kN在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：l0x =2301mm在桁架平面外的计算长度可求得： loy=l1(0.75+0.25N2/N1)=460.2×(0.75+0.25×45.0432/47.1474)=4

10、55.07cm选用263×5，由教材附录可得：A=12.286cm2 , ix = 1.94cm , iy = 3.04cm角钢验算 x=lox/ix=230.1/1.94=118.6<=150 y=loy/iy=455.07/3.04=149.69<=150由于y>x，只求y=0.310则N/A=47147.4/(0.310×1228.6)=123.79MPa<215MPa拉应力为：N/A=137817/1228.6=112.17MPa<215MPa所选截面合适。 （5） 竖杆Ie N =-70.1982KN=-79160N, lox=0.8

11、l=0.8×319.1=255.2cm loy=l=319.1cm由于杆件内力较小，按=150选择，需要的回转半径为： ix=lox/=255.2/150=1.70cm ly=loy/=319.1/150=2.13cm 查表，选截面ix和iy较上述计算略大，选用263×5得截面几何特性：A =12.286cm2 , ix = 1.94cm , iy = 3.04cm x=lox/ix=255.2/1.94=131.54<=150 y=loy/iy=319.1/3.04=104.97<=150满足长细比：=150的要求。由于x>y，只求x=0.383则 N/

12、xA=70198.2/(0.383×1228.6)=149.98MPa<215MPa所选截面合适 在此，其他各杆件的截面选择计算过程不再一一列出，现将计算结果列于下表杆件杆内力kN计算长度cm截面形式及角钢规格截面积（c）回转半径长细比容许长细比稳定系数(N/m)loxloyix(cm) iy(cm)xy 上弦 -1264.45150.8452.4短肢相并L180×110×1267.423.108.7648.6551.641500.847196.30下弦1090.963001485.0短肢相并L180×110×1267.423.108.7

13、696.77169.91350161.82 腹杆以及竖杆 Aa-30.60199199L63×512.2861.943.04102.665.51500.53841.04aB-559.2888253.4253.4长肢相并L140×90×1044.5224.473.7456.7167.781500.764164.43Ba434.51208.6260.8L100×623.8643.104.5167.2957.83350182.08 Cb-49.32183.2229.0L50×59.6061.532.53119.790.51500.439116.95b

14、D-372.37229.5287L100×727.5923.094.5374.363.31500.724186.40 Dc265.83228.7285.8L70×616.322.153.33106.3785.83350162.89Ec-49.32207.2259.0L50×59.6061.532.53135.4102.41500.363141.44cF-208.62250.8312.6L90×621.2742.794.1389.8975.691500.621138.40 Fd129.22249.5311.8L50×59.6061.532.531

15、67123.3350134.52 Gd-49.32231.2289.0L50×59.6061.532.53151.1114.21500.304168.89dH-84.47271.6 339.5L70×616.322.153.33151.1101.951500.304170.26He46.67-28.52270.8 338.4L63×512.2861.943.04139.59111.321500.34766.90Ie-70.20255.2 319.1L63×512.2861.943.04131.5104.91500.381149.97eg106.09-47

16、.15230.1453.73L63×512.2861.943.04118.6149.251500.31123.80gk137.82-45.04230.1453.73L63×512.2861.943.04118.6149.251500.31118.26 Kf0.9864314.1314.1十字形L63×512.2862.452.45128.2128.22000gI24.9858165.9207.4L50×59.6061.532.53108.782.235026.01Jg-42.741127.6158.9L50×59.6061.532.5383.4

17、631500.66566.91 六、节点设计 (1)下弦节点“b” 各杆件的内里由内力表可以查得。设计步骤：根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸hf和lw，然后根据lw大小比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。采用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值. 设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝分别采用hf1=8mm，hf2=6mm，则所需的焊缝长度为：肢背lw1=0.7N/(2×0.7×hf1*ffw)+2hf1= 0.7*434509.2/(2*0.7*8*160)=185.73mm 故取190mm肢尖：lw2=0.3N/(2×0.

18、7*hf2*ffw)+2hf2=0.3*434509.2/(2*0.7*6*160)=108.99mm 故取110mm设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝分别为9mm和7mm，则所需的焊缝长度为：肢背： lw1=0.7N/(2*0.7*hf1*ffw)+2hf1= 0.7*372366/(2*0.7*8*160)+16=161.46mm 故取180mm肢尖: lw2=0.3N/(2*0.7*hf2*ffw)+2hf2=0.3*372366/(2*0.7*6*160)+12=95.12mm 故取100mm“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf=5mm。根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应

19、有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为360×445mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为44.5cm(满焊)，hf=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力： N=Nbc-Nab=757.5552-312.1956=445.3596kN，受力较大的肢背处的焊缝应力为： f=0.75*445359.6/2*0.7*6*4（445-12）=91.83MPa<160MPa 因此，焊缝强度满足要求。（2）上弦节点“B” “Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同，aB杆的肢背和肢尖焊缝hf分别为10mm和6mm，所需要的焊缝长度为：肢背lw1=0.65N/

20、(2*0.7*hf1*ffw)+2hf1=0.65*559288.8/(2*0.7*10*160)+20=182.30mm 取190mm肢尖lw2=0.3N/(2*0.7*hf2*ffw)+2hf2= 0.3*559288.8/(2*0.7*6*160)+12=157.65mm取160mm 为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，焊缝强度设计之应乘以0.8的折减系数。计算时可略去行加上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下： Hf1=1/2*节点板厚度=1/2*12=6mm上

21、弦节点与中间节点板间焊缝长度为460mm。则=48780/2*0.7*6*(460-12)*1.22=10.62MPa<0.8ffw=0.8*160MPa=128MPa肢尖焊缝承受弦杆内力差N=559.782-0.1638=559.62KN，偏心距e=110-25=85mm，偏心力矩M=Ne=559.62*0.085=47.567kn·m,按构造要求取肢尖hf2=10mm,则上弦杆肢尖角焊缝的剪应力为f=559620/2*0.7*10*448=89.23MPa有偏心力矩引起的正应力为f=6M/2hel2w=6*47567000/2*0.7*10*4482=101.57MPa则焊

22、缝强度为 所以焊缝强度满足要求（3）屋脊节点“K” 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，且便于施焊，需要将拼接角钢的尖角削除并截去垂直肢的一部分宽度（一般为t+hf+5mm）。拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设焊缝hf=10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）： 则 lw=1121043.6/4*0.7*10*160=250.23mm 拼接角钢长度ls=2(lw+2hf)+弦杆杆端空隙，拼接角钢长度取620mm。上弦与节点板间的焊槽，假定承受节点荷载，焊缝验算方法与节点“B”出槽焊缝验算方法类似，此处验算过程略。上弦肢尖

23、与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，并考虑此内力产生的弯矩。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： fN=（0.15×1121043.6）/（2×0.7×10×220）=54.60MPa fM=(6×0.15×1121043.6×84.1)/(2×0.7×10×2202)=125.22MPa 因此，焊缝强度满足要求。（4） 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

24、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，厚度取14mm。 1）支座底板的计算支座反力 R=487800N按构造要求采用底板面积为a×b=280×400mm2，如仅考虑加劲肋部分底板承受支座反力R，则承压面积为280mm×234mm=65520mm2验算柱顶混凝土的抗压强度为： =R/An=487800/65520=7.45MPafc=9.8N/mm2满足。 底板的厚度按桁架反力作用下的弯距计算，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。每块板单位宽度的最大弯距为：M=2q式中q底板下的平均应力，q=7

25、.45MPa； 2两支承边之间的对角线长度，2= 2系数，由b2/a2决定。b2为两支承边的相交点到对角线a2的垂直距离。由相似三角形的关系得： b2=110×133/172.6=84.8mm， b2/a2=84.8/172.6=0.49，查表得2=0.0586 故Mmax=M=2q=0.0586×7.45×172.62=13005.75N·mm。 底板厚度t=19.05mm，取t=22mm。 2）加劲肋与节点的连接焊缝计算 加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似。偏于安全地假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的1/4,即487800/4=121950

26、N,则焊缝应力为: V=121950N M=121950N×65=7926750N·mm设焊缝hf=6mm，焊缝计算长度lw=528-20-12=496mm，则焊缝应力为 3)节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。设焊缝传递全部支座反力R=487800N，其中每块加劲肋各传R/4=121950N，节点板传递R/2=243900N。 节点板与底板的连接焊缝长度lw=2×（280-12）=536mm，所需焊脚尺寸为： 故取hf=6mm 每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为； 所需焊缝尺寸为 故取hf=8mm。其他节点的计算不再一一列出，详细的施工构造如大图所示。7、 焊接工

27、艺 桁架为大型构架，其焊接装配工艺应采用随装随焊的工艺，即先将若干个零件组合起来，随之焊接相应的焊缝，然后再装配若干个零件，再进行焊接，甚至等全部零件装完再进行焊接，成为符合要求的构件。1、焊前须知： 1）施焊前，焊工应复查拼装质量和坡口及间隙是否符合图纸和焊接要求，如不符合要求，应修整合格后方能施焊。2）焊剂使用前，必须按照质量保证书的规定进行烘焙。埋弧焊的焊剂，应按照工艺确定的型号和牌号 相匹配；碱性焊剂一般在250300烘焙2小时，其含水量不得大于0.1%，不得含灰尘、铁屑和其它杂物。焊接区应保持干燥，不得有油污、锈和其它污物。焊条、焊丝、焊剂均应储存在干燥、通风良好的地方，并设专人保管

28、。3）施焊前必须将焊接处的铁锈、油污、溶渣等清除干净，氧化渣须打磨直至露出金属表面。 4）焊接时，不允许在焊缝以外的母材上打火引弧。 5）定位点焊，必须由持焊工合格证的工人施焊。严禁在交叉点施定位焊。定位焊用的焊接材料，应与 正式施焊用的材料相同。点焊高度不宜超过母材厚度的2/3，点焊长度一般不小于50mm，并应填满弧坑。如发现定位点焊上有气孔或裂纹，必须清除干净后重焊。 6）气体保护焊所用的气瓶上，必须装有预热器和流量计，气体纯度不得低于99.5%。使用前应做放水 处理。当气瓶的压力低于1.0Mpa时，应停止使用。对细焊丝（直径小于等于2.0mm）的气体流量宜控制在1025l/min；焊丝直

29、径大于2.0mm的气体流量为3050l/min。 7）要求焊透的对接双面焊缝的背面，可用碳弧气刨或砂轮机清除焊根后施焊。 8）埋弧焊每道焊缝熔敷金属横断面的成型系数（宽度与深度之比）应大于1.3。采用多层焊时，应将前一道焊缝表面清理干净后再继续施焊。 9）角焊缝焊脚尺寸K值由设计图纸或技术文件注明；当图纸或技术文件未注明时，非熔透焊缝，焊脚尺寸按两相邻零件板厚较薄的1.2t计，H型钢焊缝焊脚尺寸等于腹板的厚度；根部熔透焊接时，焊角尺寸为板厚的1/2，且不大于10mm。焊脚尺寸的允许偏差为04mm。 10）焊缝出现裂纹时，焊工不得擅自处理，应及时向质量部门报告，查明原因，定出修补措施后方可处 理

30、。Q345材料在同一处返修不得超过两次。 11）焊缝焊接完毕，焊工应检查焊缝外观质量，检查合格后，应在工艺规定的焊缝及部位打上焊工钢印。 12） 钢结构产品的焊接。 1）坡口底层焊道一般采用CO2气体保护焊打底，底层根部焊道的最小尺寸不少于45mm，以防止产生裂纹。 2）焊缝在焊接时，其两端必须配置引弧板和灭弧板，自动焊引弧板和灭弧板长度宜为板厚的2倍且不小于100mm，宽度应大于80mm；焊缝引出长度应不小于80mm。 3）焊接完毕后，必须用切割法切除被焊工件上引弧板和引出板，并沿受力方向修磨平整，严禁用锤击落。2、焊接工艺选择1）钢结构焊接部分的热处理工艺分为：预热，为减缓焊接接头加热时间

31、的温度梯度和冷却速度，减少和避免淬硬组织，对焊接部位采用局部加热，适当延长800500区间的冷却速度。焊后热处理，在焊后立即进行，利用预热处理装置在焊接停止后继续加热，以防止延迟裂纹。焊后热处理其目的是消除和降低焊接残余应力，软化焊接热影响区淬硬组织，提高焊接接头的韧性，使断裂韧性提高。2）焊接方式：采用手工焊法。3）弧焊电源选择：选择交流焊接机。4）焊条以及焊接电流选择：根据桁架焊接的特点，桁架所用的钢种Q235，服役温度-29，以及应力大小，焊条采用E4303酸性焊条，根据桁架工作厚度大于等于12mm，焊条直径选用4mm。根据焊条直径4mm选择焊接电流160-210 A之间。 5）备料时的

32、工艺选择：包括材料的存放、校正、表面处理、划线、放样、号料、切割下料、坡口及边沿加工等。在校正时应注意局部挠度的容许偏差值14mm，f1mm/m。<14mm,f1.5mm/m,直线度f1/100。角钢两肢的垂直容许偏差b/100mm。在清理金属表面时应注意对所选桁架而言，每升水中Re容许量最大值为600uQ。 6）装配环节的工艺选择：不应该把不合格的零件投入装配，避免强力装配，在焊接时先进行点固焊，此时所用的焊条与正式焊条相同，按正式焊条的工艺施焊，施焊电流比正式焊接时高10%15%。在交叉焊接处或焊缝方向急剧变化处不进行定位焊，应离开50mm左右。8、 检验及质量标准1、 焊接材料应符合设计要求和有关标准的规定，应检查质量证明书及烘焙记录。2、焊工必须经考试合格，检查焊工相应施焊条件的合格证及考核日期。3、级焊缝必须经探伤检验，并应符合设计要求和施工及验收