9m跨度轻型屋面三角形钢屋架设计说明书.doc

轻型屋面三角形钢屋架设计说明书学 生：李 维指导老师：付建科（三峡大学 机械与材料学院）一、 设计资料及说明设计一位于杭州市近郊的单跨屋架结构(封闭式)，要求结构合理，制作方便，安全经济。1、单跨屋架，平面尺寸为：36m9m，柱距S=4m；2、屋面材料：波形石棉瓦(18207258)；3、屋面坡度i=12.5，恒载0.9kN/m2，活(雪)载0.3kN/m2；4、屋架支承在钢筋混凝土柱顶，混凝土标号C20，柱顶标高6m；5、钢材标号：Q235-B.F；6、焊条型号：E43型；7、荷载计算按全跨永久荷载+全跨可变荷载(不包括风荷载)，荷载分项系数取：G=1.2，Q=1.4。二、屋架形式及几何尺寸三角形钢屋架多用于屋面坡度较大的屋盖结构中，根据屋面的排水要求，上弦坡度一般为i=1/21/3。三角形芬克式轻型钢屋架一般均为平面桁架式，其构造简单，受力明确，腹杆长杆受拉，短杆受压，受力较小，且制作方便，易于划分运送单元，适用于坡度较大的构件自防水屋盖。此设计采用六节间的三角形芬克式轻钢屋架。屋面坡度i=12.5，于是屋面倾角 屋架计算跨度： L0=L-300=9000-300=8700mm屋架跨中高度： 上弦长度： 上弦节间长度： 上弦节间水平投影长度：根据已知几何关系，求得屋架各杆件的几何长度如图1所示(因对称，仅画出半榀屋架)。图1 屋架杆件的几何长度(mm)三、屋架支撑布置(一)屋架的支撑1.在房屋两端第一个柱间各设置一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑(如图2)。2.在与横向支撑同一柱间的屋架长压杆D-2和D-2处各设置一道垂直支撑，以保证长压杆平面的计算长度符合规范要求。3.因为屋架是有檩屋架，为了与其他支撑相协调，在各屋架的下弦节点2和2各设置一道通长柔性水平系杆，水平系杆的始、终端连于屋架垂直支撑的下端节点处。4.上弦横向支撑和垂直支撑节点处的水平系杆均由该处的檩条代替。(二)屋面檩条及其支撑1.檩条数量波形石棉瓦长1820mm，要求搭接长度150mm，且每张瓦至少要有三个支承点，因此最大檩条间距半跨屋面所需檩条数考虑到所需平面横向支撑节点处必须设置檩条，实际取半跨屋面檩条数=8根，檩条间距可满足要求。2.檩条选择檩条通常是双向弯曲结构，分实腹式和桁架式两大类，或者制造费工，应用较少。实腹式檩条常采用槽钢、角钢以及 冷弯薄壁C型钢和Z型钢。槽钢檩条应用普遍，其制作、运输和安装均较简便；但热轧型钢壁较厚，材料不能充分发挥作用，故用钢量较大；薄壁型钢檩条受力合理，用钢量少，在材料有来源时宜优先采用，但防锈要求较高。这里试选用8槽钢，查型钢表可得，。实腹式檩条由于腹板与屋面垂直放置，故在屋面荷载q的作用下将绕截面的两个主轴弯曲。若荷载偏离截面的弯曲中心，还将受到扭矩的作用，但屋面板的连接能起到一定的阻止檩条扭转的作用，故设计时可不考虑扭矩的影响，而按双向受弯构件计算。由于型钢檩条的壁厚较大，因此可不计算其抗剪和局部承压强度。3.檩条验算a.荷载计算恒载,活载，则檩条均布荷载设计值图2所示实腹式檩条在屋面竖向荷载q作用下，檩条截面的两个主轴方向分布承受和分力作用。图2 槽钢檩条受力示意图则 b.强度验算 檩条承受双向弯曲时，按下列公式计算强度：截面塑性发展系数，故所以满足要求。C.刚度验算当檩条间设有拉条时，檩条只需计算垂直于屋面方向的最大挠度，计算挠度时，荷载应取其标准值。荷载标准值： 则 能满足刚度要求。四、屋架的内力计算(一)杆件的轴力载荷计算：恒载，活载，屋面水平投影面上的荷载设计值为为求杆件轴力，把荷载化成节点荷载：由于屋架及荷载的对称性，只需计算半榀屋架的杆件轴力。由建筑结构静力计算手册查得内力系数，计算出各杆内力如表。图表3杆件内力设计值杆件名称杆件内力系数内力设计值（KN）上弦AB-6.93-60.30BC-5.59-48.63CD-5.99-52.11下弦AF6.2554.38FE3.7532.63腹板FB-1.21-10.23FC-1.21-10.23FD2.5021.75上弦杆的弯矩屋架上弦杆在节间荷载作用下的弯矩，按下列近似公式计算：上弦杆短节间的最大正弯矩 其他节间的最大正弯矩和节点负弯矩 是视上弦节间杆段为简支梁时的最大弯矩，计算时屋架及支撑自重仅考虑上弦杆重量。上弦杆节间集中荷载 节间简支梁最大弯矩 端节间最大正弯矩 其它节间最大正弯矩和节点负弯矩 五 屋架杆件截面设计在设计杆件截面前，必须首先确定所用节点板厚度。在三角形屋架中，节点板厚度与弦杆的最大内力有关。根据弦杆最大内力查钢结构设计指导与实例精选钢屋架节点板厚度选用表，可选择支座节点板厚度8mm，中间节点板厚度6mm。（一） 上弦杆整个弦杆采用等截面筒长杆，以避免采用不同截面时的杆件拼接弯矩作用平面内计算长度 侧向无无支撑长度 首先适选择上弦截面为2。查表得其相关参数：, , 截面塑性发展系数， 1. 强度检验检验条件: 取最大内力杆段A-B短上弦杆验算：轴心压力 N=60.3kN最大正弯矩（节间），最大负弯矩（节点）正弯矩截面： 负弯矩截面： 上弦杆强度满足要求2. 弯矩作用平面内的稳定性验算按下列规定计算(1)对角钢水平肢1 (2)对角钢竖直肢2 因所考虑杆段相当于两端支承的构件、杆上同时作用有端弯矩和横向荷载并使构件产生反向曲率的情况，故按规范第5.2.2条取等效弯矩系数 属b类截面，查钢结构P339页附表17-2b类截面轴心受压杆件的稳定系数。欧拉临界力杆段AB轴心压力用最大正弯矩验算：， 用最大负弯矩进行验算：， 平面内长细比和稳定性均满足要求。3. 弯矩作用平面为的稳定性计算验算条件 因侧向无支撑长度为，故应验算上弦杆ABC段在弯矩作用平面外的稳定性。等效弯矩系数 轴心压力 ，计算长度 属b类截面，查钢结构b类截面轴心受压杆件的稳定系数。用最大正弯矩验算， 对弯矩使用角钢水平肢受压的双角钢T形截面，规范规定完整体稳定系数可按下式计算：则 对最大负载荷验算：，对弯矩使角钢水平肢受拉的双角钢T性截面，规范附录一公式规定取受弯构件整体稳定系数。得 ： 平面外长细比和稳定性均满足要求。4.局部稳定性验算验算条件(规范第5.4.1条和5.4.4条)翼缘自由外伸宽厚比 腹板高厚比应满足：当时， 当时，对由2635组成的T性截面压弯构件：翼缘，满足局部稳定性要求。腹板 ，亦满足要求。所选所选杆截面完全满足各项要求，截面适用。二、下弦杆(轴心受拉杆件)整个下弦不改变截面，采用等截面通长杆。首先按杆段 (该段截面上无孔)的强度条件和下弦杆的长细比条件来选择截面。杆段轴心拉力 下弦杆的计算长度为： 需要 选用2405：A=7.58cm; =1.21cm; =1.98cm截面塑性发展系数 ，1.强度验算杆段：，节点“F”： (杆的轴力) 下弦杆强度满足要求。2.长细比验算下弦杆长细比满足要求。所以所选下弦杆截面适用。三、腹杆(轴心受力构件)1.短压杆、,斜平面计算长度 需要 试选用455：A=3.79cm2, =0.78cm则属b类截面。查表得 单面连接的单角钢构件按轴心受压计算稳定性时的强度设计值折减系数(规范第3.2.2条)：故所选截面适合。2.长拉杆， 需要 试选2455，T形截面：，。可以满足使用要求3.中央吊杆，。因吊杆不连垂直支撑，故按拉杆长细比条件选择截面。采用单面连接的单角钢截面 需要 选用2364：，可以满足要求。4、填板设置于尺寸选择为确保由两个角钢组成的T形截面杆件能形成一整体杆件共同受力，必须每隔一定距离在两个角钢间设置填板并用焊缝连接。这样，杆件才可按实腹式杆件计算。填板厚度同节点板厚，宽度一般取4060mm，长度取比角钢肢宽大1015mm。填板间距对压杆取，对拉杆取，受压构件两个侧向支撑点之间的填板数不少于两个。双角钢杆件的填板设置与尺寸选择见下表。填板设置与尺寸选择杆件名称杆件截面节间杆件几何长度(cm)i(cm)40i压杆或80i拉杆(cm)实际填板间距(cm)每一节间填板数量(块)填板尺寸(mm)上弦杆565156.21.7268.852.07250680下弦杆405252.31.2196.884.1250670182.760.92腹杆455252.31.37109.684.1250675六、屋架节点设计角焊缝强度设计值(E43型焊条) 。布置桁架杆件时，原则上应使杆件形心线与桁架几何轴线重合，以免杆件偏心受力。为便于制造，通常取角钢肢背至形心距离为5mm的整倍数。屋架各杆件轴线至各杆件角钢背面的距离按下表采用，表中为杆件重心线至角钢背面的距离。屋架各杆件轴线至各杆件角钢背面的距离杆件名称杆件截面重心距离 (mm)轴线距离(mm)备注上弦杆63517.420下弦杆40511.715短压杆B-F、C-F4551315长拉杆D-F4551315中央吊杆D-E36410.415屋架各腹杆与节点板间连接焊缝的焊脚尺寸hfi和焊缝实际长度li(=lwi+10mm)按钢结构P202第7.4节进行计算，列于下表中。所需焊缝计算长度lwi由下列计算公式得到：双角钢T形截面杆件单面连接的单角钢杆件式中 角钢背部()或趾部()角焊缝的轴力分配系数。对等边角钢：，；对短边相连的不等边角钢：，； 0.85单面连接单角钢角焊缝强度设计值的折减系数(规范第3.2.2条)。腹杆与节点板间的连接角焊缝尺寸根据运输允许的最大尺寸，把屋架划分为四个运送单元：左右两榀小桁架、跨中一段水平下弦杆和中央吊杆，在节点D、F和F处设置工地拼接。(一)支座节点1.下弦杆与节点板间连接焊缝计算，取角钢背部焊脚尺寸，角钢趾部焊脚尺寸，按焊缝连接强度要求得：背部趾部实际焊缝长度采用角钢背部、趾部。2.按以下方法、步骤和要求画节点大样，并确定节点板尺寸(1)严格按几何关系画出汇交于节点的各杆件轴线(轴线至杆件角钢背面的距离按表采用)；(2)下弦杆与支座底板之间的净距取(符合大于和大于下弦杆角钢水平肢宽的要求)；(3)按构造要求预定底板平面尺寸为，使节点的垂直轴线通过底板的形心；(4)节点板上部缩进上弦杆角钢背面(式中为节点板厚度)，取上、下弦杆端部边缘轮廓线间的距离为和根据下弦杆与节点板间的连接焊缝长度等，确定节点板尺寸如图所示。3.上弦杆与节点板间连接焊缝计算，(节点荷载)节点板与角钢背部采用塞焊缝连接(取)，设仅承受节点荷载。因值很小，焊缝强度不必计算，一定能满足要求。令角钢趾部角焊缝承受全部轴心力及其偏心弯矩的共同作用，其中取趾部焊脚尺寸，由节点图中量得实际焊缝长度(全长焊满时)，计算长度：取最大计算：可见焊缝强度满足要求。4.底板计算支座反力 R=3P=38.7=26.1KN混凝土 锚3栓直径采用，底板上留矩形带半圆形孔；锚栓套板采用，孔径。(1) 底板面积底板与钢筋混凝土柱顶面间的接触面面积 接触面上压应力 满足混凝土轴心抗压强度要求，预定底板尺寸适合。(2)底板厚度底板被节点板和加劲肋划分成四块相同的相邻边支承的小板，板中最大弯矩(取单位板宽计算)： (1)式中(参阅图)：斜边 斜边上之高 ，查表得，代入式(1)：两相邻边支承板的弯矩系数0.30.350.40.450.50.0270.0360.0440.0520.060注：当时，按悬伸长度为的悬臂板计算。按底板抗弯强度条件，需要底板厚度：采用，所以底板选用。5.节点板、加劲肋与底板间水平连接焊缝计算因底板为正方形，故节点板和加劲肋与底板的连接焊缝各承担支座反力的50%。(1)节点板与底板间水平连接焊缝承受轴心力 焊缝计算长度 需要 构造要求，采用，满足要求。(2)加劲肋与底板间水平连接焊缝承受轴心力 焊缝计算长度 需要 按构造要求可采用满足要求。6.加劲肋与节点板间竖向连接焊缝计算加劲肋厚度采用，与中间节点板等厚。每块加劲肋与节点板间竖向连接焊缝受力：焊缝计算长度 需要 构造要求 采用，满足要求。由以上计算可见，底板和加劲肋及其连接焊缝均是构造控制，这是因为本设计屋架荷载较小之故。6.2 上弦节点B、C的计算6.2.1 按以下方法和步骤绘制节点详图 画出汇交节点B的各杆件轴线 节点板上部缩进上弦杆的角钢背面为5mm, 标出节点详图所需的各种尺寸 其尺寸如图7所示。6.2.2 上弦杆与节点板间连接焊缝的计算轴心受力：N1=60.30KN, N2=48.63KN, P=8.7KN节点载荷P假定全部由上弦杆角钢肢背塞焊缝承受，取焊脚尺寸为4mm,因为P值很小，其强度要求必满足，不必计算。上弦杆肢尖角焊缝假定承受节点两侧弦杆内力差及其偏心弯矩M的共同作用，取肢尖焊脚尺寸为。， e=56-Z0=50-15.7=34.3mm=0.400KN.由图中量得实际焊缝长度，计算长度需要 6.2.3 杆B-1、C-1与节点板的连接计算：杆B-1、C-1为单角钢，角焊缝强度设计值应乘以折减系数0.85。轴心受力：N=8.96KN肢背和肢尖焊缝焊脚尺寸都采用=肢背焊缝：可取肢尖焊缝：可取满足要求6.2.4 杆件D-1与节点板的连接计算杆D-1为单角钢，角焊缝强度设计值应乘以折减系数0.85。轴心受力：N=20.07KN肢背和肢尖焊缝焊脚尺寸都采用=肢背焊缝：可取肢尖焊缝：可取满足要求(三)屋脊拼接节点，1.拼接角钢的构造和计算拼接角钢采用与上弦截面相同的2565。拼接角钢与上弦杆件连续焊缝的焊脚尺寸取，为保证两者紧贴和施焊以保证焊缝质量，铲去拼接角钢角顶棱角：(为角钢内圆弧半径)切短拼接角钢竖肢 拼接接头每侧的连接焊缝共有四条，按连接强度条件需要每条焊缝的计算长度：拼接处左、右弦杆端部空隙取，需要拼接角钢长度： 为保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度。此外，因屋面坡度较大，因将拼接角钢的竖肢剖口：，采用。如图示，先钻孔再切割，然后冷弯对齐焊接。2.绘制节点详图绘制方法、步骤和要求与上弦一般节点基本相同，腹杆与节点板间连接焊缝尺寸按表采用。为便于工地拼接，拼接处工地焊一侧的弦杆与拼接角钢和受拉主斜杆与跨中吊杆上分别设置直径为和的安装螺栓孔，节点详图如图所示。3.拼接接头每侧上弦杆与节点板间连接焊缝计算弦杆轴力的竖向分力与节点荷载的合力：设角钢背部的塞焊缝承受竖向合力的一半，取，需要焊缝计算长度(因很小，不计其偏心影响)： 由图中量得实际焊缝长度为，远大于，因此认为焊缝满足计算要求。在计算需要的时没有考虑斜焊缝的强度设计值增大系数。再设角钢趾部与节点板间的角焊缝承受余下的以及当屋脊两侧屋面活荷载不对称作用时可能引起的弦杆内力差和由引起的弯矩的共同作用，并取取，由图量得趾部实际焊缝长度，其计算长度焊缝中应力 由计算知焊缝强度满足要求。(四)下弦一般节点1.绘制节点详图如图示。2.下弦杆与节点板间连接焊缝计算，由节点图中测得实际焊缝长度，其计算长度：需要 构造要求 采用，满足要求。(五)下弦中央节点均按构造要求确定各杆与节点板间的连接焊缝。节点详图如图所示。(六)施