钢结构课程设计-梯形钢屋架设计计算书

目录

一、设计资料..........................................................2

二、梯形钢屋架设计计算书.............................................2

2.1材料选择.....................................................2

2.2屋架形式及几何尺寸...........................................2

2.3支撑布置......................................................2

2.4荷载和内力计算...............................................3

2.41荷载形式

2.42荷载组合

2.43内力计算

2.5杆件截面设计.................................................6

2.51节点板厚选择

2.52上弦杆截面设计

2.53下弦杆截面设计

2.54端斜杆aB截面设计

2.55斜腹杆Be截面设计

2.56斜腹杆cD截面设计

2.57斜腹杆De截面设计

2.58斜腹杆eF截面设计

2.59斜腹杆li截面设计

2.50其他腹杆截面设计

2.6节点设计......................................................12

2.61下弦节点c的设计

2.62上弦节点B的设计

2.63屋脊节点H的设计

参考文献.........15

附录屋架施工图样

一、设计资料

1、某市一大型室内交易市场宽21m,长度为75m,标准柱距6m,建筑高度8.6,设防

烈度为6度。

2、屋面采用双层带保温棉彩钢板屋面。

3、屋面坡度i=l/100

4、屋面活荷载标准值0.3kN/m2,屋面恒荷载标准值0.8kN/n?,雪荷载标准值0.45kN/m2,

积灰荷载标准值0.3kN/m2o

5、屋架较接于钢筋混凝土柱上，上柱截面bXh=400X400mm,混凝土强度等级为C30。

二、梯形钢屋架设计计算书

2.1材料选择

根据荷载性质，钢材可采用Q235-A.F,要求保证屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯

试验及碳、硫、磷含量合格。屋架连接方法采用焊接，焊条可选用E43型，手工焊。

2.2屋架形式及几何尺寸

因屋面采用轻质屋面板，屋面坡屋i=1/10,可采用梯形屋架。

屋架计算跨度取为=1-2X150=21000-300=20700mm.

梯形屋架端部高度H：与屋架中部高度及屋面坡度相关，我国常将H。取为1.8〜2.1m

等较整齐的数值，以利多跨屋架时的屋面构造，取H。=1990mmo

为使屋架上弦只受节点荷载，腹杆体系采用节间为1.5m的人字形式，屋面楝条传来的

荷载，正好作用在节点上，使之传力更好。

屋架跨中起拱1/500,MX40mmo

。7八八c

/50.彳1350’egh

1500X7=10500

屋架几何尺寸（图一）

2.3支撑布置

根据房屋长度，屋架跨度，荷载情况情况，宜布置三道上、下弦横向水平支悻，垂直

支撑和系杆，屋脊节点及屋架支座处沿厂房通长设置刚性系杆，屋架下弦沿跨中通长设一

道柔性系杆。凡与支撑连接的屋架可编号为GWJ—2,其它编号均为GWJ—1。屋盖支撑系

统具体图样参见下图:

上弦平面支撑布置（下弦平面支撑布置同）

跨中垂直支撑布置

■ffl

跨中垂直支撑布置

2.4荷载和内力计算

2.4.1荷载形式

1.永久荷载标准值：

屋面板跟楝条折算的自重（恒载）0.80kN/m2

钢屋架和支撑自重（）.12+0.（）11X21=0.351kN/nf

总计1.15lkN/m2

2.可变荷载标准值：

活荷载0.30kN/m2

雪荷载0.45kN/m2

（可变荷载中活荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的计算,本题中取雪荷载计算）

3.积灰荷载0.30kN/m2

4.垂直于建筑物表面上的风荷载标准值：

Wk=Bzu$uzWo查表得：Bz=l.0us尸一0.6（迎风面）us2=-0.5（背风面）

入刁.0（地面粗糙类别为B）W。=0.35kN/nf（长沙地区）

22

Wlk=1.0X（-0.6）XI.0X0.35=-0.21kN/mWlkX1.4=-0.294kN/m

22

W2k=1.0X（-0.5）XI.0X0.35=-0.175kN/mW2kx1.4二一0.245kN/m

2

由I—0.294kN/nf|<SGK=0.674kN/m,可知不需要考虑风压作用

2.4.2荷载组合

1、由可变荷载效应控制的组合：

刀

S=YG^GK++Z-Q匕品法

i=2

=1.2X1.151+1.4X0.45+1.4X0.9X0.30

二2.389kN/m2

2、由永久荷载效应控制的组合：

♦

S=rGSGK+Y^ciSQik

r=l

=1.35X1.151+1.4X0.7X0.45+1.4X0.9X0.3

=2.373kN/m2

所以本设计按可变荷载效应控制设计

3、荷载组合：

设计屋架时,应考虑以下三种荷载组合:

（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载

（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载

（3）全跨屋架与支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载

前两种是使用阶段的荷载组合，第二种为施工阶段的荷载组合，半跨又分左半跨和右半跨。

2.4.3内力计算

1.屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值如下图所示:

2.屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值如下图所示:

1.永久荷载:Pl=(1.2X1.151)kN/斤XL5mx6m=12.431kN

表】内力组合表

杆力系数荷载

P=1使用阶段施工阶段

杆件名称

全跨左半跨右半跨组合一组合二组合三

①②③(P1+P2)*①P1*(D+P2*(2)Pl*①+P2=»^P3*(D+P件②P3*①+叫*③

AB000000000

上BD-7.47-5.31-2.16-160.66-141.06-112.50-94.27-55.17-160.66

弦DF-11.26-7.34-3.92-242.16-206.58-175.59-133.83-91.41-242.16

FH-12.18-6.86-5.32-261.89-213.65-199.66-131.38-112.22-261.89

ac4.103.011.0988.1678.2760.8652.9229.0888.16

下ce9.746.663.08209.52181.57149.08119.6875.20209.52

弦eg11.967.334.64257.21215.16190.76136.32102.92257.21

gg'11.775.885.88253.04199.67199.67117.68117.68253.04

aB-7.68-5.64-2.04-165.22-146.69-114.05-99.18-54.50-165.22

Be5.813.961.85124.88108.1288.9671.2044.96124.88

斜cD-4.41-2.63-1.78-94.80-78.69-70.92-49.41-38.77-94.80

腹

杆De2.791.221.5760.0345.7948.9525.7630.0860.03

eF-1.57-0.05-1.53-33.80-19.97-33.38-6.54-24.90-33.80

Fg0.33-1.041.377.05-5.3516.48-11.6618.2218.22

gH0.711.91-1.2015.3326.22-2.0226.46-12.2026.46

Aa-0.50-0.500.00-10.75-10.75-6.22-8.11-1.90-10.75

竖Cc-1.00-1.000.00-21.50-21.50-12.43-16.21-3.79-21.50

杆

Ee-1.00-1.000.00-21.50-21.50-12.43-16.21-3.79-21.50

Gg-LOO-1.000.00-21.50-21.50-12.43-16.21-3.79-21.50

2.可「E荷载：P2=(1.4X0.45-F1.4X0.9X0.3)kN/m7X1.5mX6in=9.072kN

3.屋架与支掾白重：P3-(1.2X0.351)kN/m*X1.5mXGn)=3.79kN

4.屋面板自重+屋面活荷载：P4=(1.4X0.34-1.2X0.8)kN/m*X1.5mX6m=12.42kN

2.5杆件截面设计

根据最大内力，根据内力特点（拉、压等）进行杆件设计；屋架跨度不大于30m时，各

上弦杆可采用同种截面，各下弦杆可采用同种截面，按最大内力设计；其他杆件需进行单独

设计计算。

2.51节点板厚选择

腹杆最大内力，N二一165.22N,由屋架节点板厚度参考可知：支座节点板厚度取8mm；

其余节点板与垫板厚度取6mm。

2.52上弦杆截面设计

整个上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算，N-261.89KN（压杆）

计算长度：屋架平面内取节间轴线长度Z^=1507.5mm

屋架平面外根据支撑Oy=3015mm

因为2机=/。,,，故截面宜选用两个不等肢角钢,且短肢相并，如下图:

由于上弦杆均为压杆，故需考虑稳定性，设

6

4=1（）（）,查b类截面轴心受JE构件的稳定系数表，OQ

。=0.555,需要的截面特性：二、

3

AN261.89xl0、

A=----=------------=2194帆"

夕•/（）.555x215

i.=—=15.08m〃2

xA

iy=与=30.15mm

根据求得的截面特性，查附表2.3,选用2/90x56x8,选定的两个不等边角钢组合的截面特

2

性为：A=22.36cm,ix=1.56c/??,=4.39cm

按所选用钢进行截面验算：

料150.75

=—=-=--9-6-.-63<[2]=150

(156

,41v301.50

=68,68<[2]=150

.L4.39

双角钢T形截面绕对称轴（y轴）应按弯扭屈曲计算换算长细比4”

b、900.56L,山

」=—=11.25Y----生=18.76,故：

t8“

近似取人小儿

故由4Mx=4=75,查附表1.20,得稳定系数0=0.579

3

.N261.89x10....MAW,,OYV/D

・・<7=----=------------=202力MPa<f=215MPa

（p-A0.579x2236

故选择的截面符合稳定性要求。

2.53下弦杆截面设计

整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=257.21kN（拉杆）

il算长度：屋架平面内取节点间轴线长度/6=3000mm

屋架平面外根据支撑布置取加=10350mm

截面选择：由于3.5G2/。/故选用不等边角钢，短边相连，由于下弦杆均为拉杆，破坏

由强度控制，故：计算需要净截面面积A=奈=

215

查附表选择截面如下图：

2.3,2/90x56x8,6,✓

选定的两个不等边角钢组合的截面特性为：00

二—%~、K-

2，

A=22.36cmi人r=1.56cm,iyv=439cm

.•・2=-^=—=192.3<[21=250

xL1.56L」

1035

=235,8<[2]=25()

ly4.39

N257.21x103

er=一一=115.03M&</=215MPa

A2236

故选择的截面满足强度要求。

2.54端斜杆aB截面设计

计算内力N=-165.22^',计算长度Z0A.=/Ov=2530mm

截面选择：选用不等边角钢，长边相连，由于杆件受压，故需考虑稳定性。

设2=100,查附表1.20,得稳定系数0=0.555,需要的截面特性：

3

AN165.22xlOnxdu、

A=------=----------------=1384.45〃mr

(p-f0.555x215

ix=ix=与=25.3mm

根据求得的截面特性，查附表9,选用2/100x63x8,选定的两个不等边角钢组合的截面特

性为：

2

A=25.16cm,z\=1.77cm,iv=2.52cm6

：.4二公=名"=142.94<田=150oO

G-

ix1.77

U12=100.40<团=150

2.52L」

由4=142.94,查附表1.20,得稳定系数°=0.334

.N165.22x10'.

>.=------=-----------------=196.61MPa<f=2O15IMPa

(p-A0.334x2516

故选择的截面符合稳定性要求。

2.55斜腹杆Be截面设计

°、、…〃J。、=0.8/=209。〃"？

计算内力N=124.88ZN,计算长度7

，o),=/f=2615mm

截面选择：选用等边角钢，该腹杆为受拉杆件，破坏由强度控制，故只考虑强度要求，故:

3

和工nAN124.88x10me»2

截面面积：A=—=---------------=580.84/n/n-

f215

根据截面面积，杳附表8,选择截面2N45x4,选定的两个等动角钢组合的截面特性为:

A=6.98c//?2,z\=1.38cm,i..=2.OScm

209.0

・,・4=为=151.45<[2]=250

1.38

=125.63<[2]=25()

,L2.08

.N124.88xIO3

..(J=—=---------------=1789MPa<f=2i5MPa

A698

故选择的截面满足强度要求.6

2.56斜腹杆cD截面设计

计算内力N=-94.80X;N

XT.

、।生I,谷=229\2mm

计算长度,，“一

/0V=/=2864/77/7!

截面选择：选用等边角钢，如右图：

该腹杆为受压杆件，故需要考虑稳定性的影响，

设4=1(X),查附表1.20,得稳定系数夕=0.555,需要的截面特性：

N94.80xl032

A4二---------------二794.5/〃〃厂

(p-f0.555x215

.I。、2291.2

r.=—=---------=22.91"?"?

“4100

./2864

i=-Or=------=28.64/??w

・v2100

根据求得的截面特性，查附表8,选用2/63x6,选定的两个等边角钢组合的截面特性为:

A=14.58。/,i=i.93cm,i=2.84c〃z

yv

...==1I87<ni150

x

1.93L」

器=

43<[g50

由4二118.7,查附表1.20,得稳定系数0=0.446

NQ480x103

——=————=145.79MPa<f=2\5MPa

cpA0.446x1458

故选择的截面符合稳定性要求。

2.57斜腹杆De截面设计

计算内力N=60.03AN

、—几=0.8/=2291.2ww

计算长度),

lOy=I=2864〃?〃！

截面选择：选用等边角钢，该腹杆为受拉杆件，破坏由强度控制，故只考虑强度要求，故:

3

木，石中加AN6O.O3xlOf、，2

截面面积：A=—=--------------=279.21〃〃,厂

j215

根据截面面积，查附表8,选择截面2/45x4,选定的两个等边角钢组合的截面特性为：

2

A=6.98cm,ir=138cw,=2.08c/n

6一

・・・z.=166.0<U]=250

xL1.38L」

4H黑=137.7<425。

.N60.03x10,___

・・a=—=--------------=86.0MP«<ff=215MPa

A698

故选择的截面满足强度要求。

2.58斜腹杆eF截面设计

计算内力N=-33.80&N

、।生I,谷=。8/=2499.2m/?/

计算长度,，

【Oy=/=3124/72/7?

截面选择：选用等边角钢，该腹杆为受压杆件，故需要考虑稳定性的影响,

设4=130,查附表1.20,得稳定系数0=0.387,需要的截面特性：

,N33.8x10'，

A=------=---------------=1350.6"?〃厂6

(p-f0.387x215

.«2499.2__

i=—=---------=\91.022mm

*r2130

i=—=3124_24.03〃〃〃

,A130

根据求得的截面特性，查附表2.1,选用2/63x6,选定的两个等边角钢组合的截面特性为:

2

A=14.58c/??,i、=1.93cw,iv=2Mem

249.9

・•・4=%=129.48<[2]=150

1.93

312.4

A=110<[2]=150

2.84

由4=129.48,查附表1.20,得稳定系数8=0.390

・\b=—=33'xlO=59.44</=2T5MPa

epA0.390x1458

故选择的截面符合稳定性要求。

2.59斜腹杆Fg截面设计

计算内力N=18.22AN

计算长度,=0.8/=24992加

=/=31

截面选择：选用等边角钢，该腹杆为受拉杆件，破坏由强度控制，故只考虑强度要求，故:

AN18.22xio3“”2

截面面积：A=—=-------------=84.74""〃一

f215

根据截面面积，查附表8,选择截面2/45x4,选定的两个等边角钢组合的截面特性为:

A=，z\=1.38C/?2,zy=2.OScm

6

忖

=181.09<[/l]=2^0

装".2<[#25。

=26.1MPa<f=215MPa

故选择的截面满足强度要求。

2.50斜腹杆gH截面设计

计算内力N=26.46KV

=0.8/=27⑵〃%

计算长度'

1(=/=3390mm

截面选择：选用等边角钢，该腹杆为受拉杆件，破坏由强度控制，故只考虑强度要求，故:

封工N26.46x10'2

截面面积：A=—=--------------=123.07nvn“

f215

根据截面面积，查附表8,选择截面2/45x4,选定的两个等边角钢组合的截面特性为：

A=6.98c/,z：=1.38。〃，i=2.08cm

xv>u

Io

.・・4==196.52<[A,]=250

xix1.38…

=至"=162.98<囚=250

>iv2.08LJ

・・<j=—=--------------=J21Vl尸a<r=wira

A698

故选择的截面满足强度要求。

其他腹杆由于内力较小，考虑到采用的角钢规格不宜太多，在此蜕腹杆Cc、Ee、Gg截面

都选用2N63x6等边角钢，竖腹杆Aa选用2/45x4等边角钢。

上述杆件及其他杆件的截面设计数据详见下表：

截

面稳定系

面

杆件计算内力积计算长度cm叵转半径cm长细比应力

截面规格闪数

KNN/mm

名称编号cm"io,i.巾

上弦杆所有-261.892Z90x56x822.36150.75301.51.564.3996.668.71500.579202.29

卜.弦杆所有257.212Z90x56x822.3630010351.564.39192.3235.8300115.03

aB-165.222Z100x63x830.9342532531.772.52142.9100.41500.334196.61

斜

Be124.882Z45x46.98209261.31382.08151.5125.6300178.90

cD-94.802/63x614.58229.1286.41.932.841IS.7100.815()().443145.79

腹De60.032Z45x46.98229.1286.41.382.08166.0137.730086.00

cF33.802N63x614.58250.0312.41.932.84129.5no.o1500.39059.44

杆Fg18.222/45x46.98250.0312.41.382.08181.1150.23(X)26.10

gH26.462Z45x46.98271.2339.01382.08196.5163.030037.90

竖Aa-10.752Z45x46.98199.01991.382.08144.295.71500.32846.95

2Z63x6

Cc-21.5014.58183.22291.932.8494.964.51500.58925.04

腹

2Z63x6

Ee-21.5014.58207.22591.932.84107.473.01500.50928.97

杆2/63x6

Gg-21.5014.58231.22891.932.84119.8101.81500.43833.67

2.6节点设计

用E43型焊条进行节点焊接时"角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值

/；=160N/〃加，最小焊缝长度不应小于8〃/o

2.61下弦节点c的设计

先计算腹杆焊缝长度，然后定出节点板的形状和尺寸，最后计算下弦杆与节点板之间的

连接焊缝。

①Be杆焊缝计算

N=124.88ZN,取号■=4〃加，采用三面围焊，端焊缝的长度/心二45〃〃〃，承受的力为:

M=2x6叫1术储=2x0.7x4x45x1.22x!60=49.19kN

・•・角钢趾承受的力M=12.869ZN,角钢背承受的力N|=62.82MN

・・・所需的焊缝长度为

62.821x1二70』〃〃〃，

。'取

12x0.7x4x160

7、12.869x10,

/.,,>--------------=14.4〃〃〃，取50〃〃〃

22x0.7x4x160

②Cc杆焊缝计算

N=-21.5AN,根据焊角尺寸的要求，取为=6，〃加，采用两侧面焊接，则各条焊缝所承

受的力为：角钢趾承受的力N2=6.45AN,角钢背承受的力M=15.O5ZN

・•・所需的焊缝长度为

>—",①”"---=11.20"〃〃,取50nmi

2x0.7x6x160

6.45x103“八而s

--------------=4.80mm,取50mm

2x0.7x6x160

③cD杆焊缝计算

N=—94.8kN,根据焊角尺寸的要求，取为=6〃〃〃，采用两侧面焊接，则各条焊缝所承

受的力为：角钢趾承受的力N?=28.44ZN,角钢背承受的力乂=66.36kN

・・・所需的焊缝长度为

66.36x105“甘,”

>--------------=49.38〃〃〃，取60〃〃〃

2x0.7x6x160

28.44x。

--------------=21.16nvn,取50〃〃〃

2x0.7x6x160

④下弦杆焊缝强度检算

下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻内力之差:

A/V=209.52-88.16=121.36^

根据节点放样，得节点板尺寸为300x270mm2

角钢背焊缝验算：

取=6mm

0.77AN0.77xl21.36xlQ3

=38.63M&<=160Mpa

2x0.7xhx/

Jfw2x0.7x6x(300-2x6)

故下弦杆焊缝强度满足要求。

下弦节点图

2.62上弦节点D的设计

①De杆焊缝计算与下弦节点c的计算一样

②De杆焊缝计算

N=60.03kN,根据炸角尺寸的要求，取力/=4〃〃〃，采用两侧面焊接，则各条焊缝所承

受的力为：角钢趾承受的力18.0次N,角钢背承受的力乂=42.02女N

・・・所需的焊缝长度为

y42.02x1()3

=46.90〃〃〃，取60〃〃〃

2x0.7x4x160

18.01xl0-=2()10^y