18m跨度三角形钢结构设计要点

1、18 届课程设计 三角形钢屋架课程设计 说明书 学生姓名 李泽光 学 号 3031214004 所属学院 水利与建筑工程工程学院 专 业 农业建筑环境与能源工程 班 级 18 班 指导教师 吴 英 日 期 2017.06 塔里木大学教务处制 三角形钢屋架课程设计任务书 设计内容 （1）选择钢屋架的材料； （2）确定钢屋架的几何尺寸； （3）屋架及屋盖支撑的布置； （4）檩条的设计； （5）钢屋架的设计； （6）绘制钢屋架施工图。 设计题目： 钢屋架 设计资料： 某厂房总长度 90m，跨度根据不同的编号号从附表中取，屋盖体系可 从以下所给的类型中选取。纵向柱距 6m。 1. 结构形式 :钢筋混凝

2、土柱，三角形钢屋架。柱的混凝土强度等级为 C30，三角形屋面坡度 i=1 ：2.5L 为屋架跨度。地区计算温度高于 -20 0C， 无侵蚀性介质，地震设防烈度为 8 度，屋架下弦标高为 18m；厂房内桥式 吊车为 2 台 150/30t （中级工作制），锻锤为 2 台 5t 。 2. 屋架采用的钢材、焊条为： Q345钢，焊条为 E50型。 3. 屋盖结构及荷载 2）有檩体系：采用型钢檩条，压型钢板作屋面板。标准值为0.58KN/m2 荷载： 屋架及支撑自重：按经验公式 q=0.12+0.011L ，L为屋架跨度，以 m 为单位， q 为屋架及支撑自重，以 KN/m2 为单位； 基本风压为 0

3、.50 KN/m 2，雪荷载为 0.3 KN/m 2；保温层 0.7KN/m2；积灰荷 2 载 1.3 KN/m 2 设计内容： 1. 屋架形式及几何尺寸确定 2. 作屋盖结构及支撑的布置图； 3. 选择钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目的要求； 4. 对钢屋架进行内力、杆件截面尺寸的计算；设计一个下弦节点、 个上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点。 5. 绘制钢屋架施工详图。 屋架几 1、屋架尺寸 何尺寸见图 2。 2. 檩条和支撑布置 图二：屋架几何尺寸（单位： mm） 根据屋面材料的最大容许檩距，可将檩条布置于上弦节点上（见图2），檩距为节间长度。在 檩条的跨中设置一道拉条。 根

4、据厂房总长度 60m，跨度为 24m，有中级工作制吊车及第一开间尺寸5.5m 等因素，可在厂房 两端的第二开间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 杆间设置两道垂直支撑（在跨度 13 左右处各一道，见图 3）。 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 两端的第一开间下弦各设置三道刚性系杆（见图3）。 3.3 檩条的设计 选用【12.6 槽钢截面，由型钢表查得， 自重 12.32kg m0.12 kN m，Wx =62.1cm3，Wy=10.2cm3， 4 Ix =391 cm 。 1. 荷载计算（对轻屋面，可只考

5、虑可变荷载效应控制的组合） 永久荷载：（坡面） 压型钢板： 0.58 1.77=0.902 kN m 檩条和拉条： 0.12 kN m gk =1.022 kN m 22 可变荷载： （檩条受荷水平投影面积为1.77 6=9.33 m2 ，没有超过 60m2 ,故屋面均布活荷载取 0.5kN m2 ，大于雪荷载，故不考虑雪荷载。 ） qk =0.51.77 cos =0.51.77 0.9487=0.74 kN m 檩条均布荷载设计值： 图三 屋面支撑布置（单位： mm ） q= Ggk + Qqk =1.2 1.022+1.4 0.74=2.2624 kN m qx=qcos =2.2624

6、 0.9487=2.15 kN m qy = q sin =2.2624 0.3162=0.72 kN m 2. 强度验算 弯矩设计值（见图 4）： 图 4 弯矩图 Mx= 81qxl2 8 1 2.15 62 =9.675 kN m 8 My= 1qy（l ）2= 10.72（6）2 = 0.81 kN m y 8 y 2 8 2 （因为在檩条的垮中设置了一道拉条） 檩条的最大应力（拉应力）位于槽钢下翼缘的肢尖处。 66 MX M y 12.5775 106 1.25775 106 += XWnxyWny 1.05 62.1 103 1.2 10.2 103 =89.24 N mm2 f=2

7、15 N mm2 3. 刚度验算 只验算垂直于屋面方向的挠度。 荷载标准值： gk + qk =1.35366+0.99=2.34366 kN m (qk gk)y= (gk +qk )cos =2.34366 0.9285 =2.176 kN m v 5(gK qK )3y 5 2.176 60003 1 1 = = 3 4 l 385 EI x 385 2.06 103 391 104 47380 150 因有拉条，不必验算整体稳定性。故选用【 12.6 槽钢檩条能满足要求。 3.4 屋架节点荷载计算 1. 永久荷载(水平投影面) 压型钢板0.58x2.127=1.23366 kN m2

8、檩条和拉条 0.12 kN m2 屋架和支撑自重0.12+0.11L=0.12+0.01 124=0.38 kN m2 保温层0.7kN m2 gk =2.43766 kN m2 2. 屋面活荷载 屋面活荷载为 0.5kN m2 。 3. 风荷载 风荷载高度变化系数为 1.25，屋面迎风面的体型系数为 0.328，背风面为 0.5，所以负风压 的设计值为（垂直于屋面） 迎风面： 1 =1.4 1.25 0.328 0.4=-0.23 kN m2 背风面： 2 = 1.41.25 0.50.4=-0.35 kN m2 1 和 2 均小于永久荷载 （荷载分项系数取 1.0）垂直与屋面的分量 0.5

9、7 0.9285=0.53 kN m2 ， 所以永久荷载与风荷载联合作用下不会使杆件的内力变号，故风荷载产生的内力的影响不予考虑。 4. 屋架上弦在檩条处的集中荷载 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 全跨永久 +全跨可变（不包括风荷载） qggk qqk 1.2 2.43766 1.4 （0.5 1.3） 5.445kN / m2 转化为点荷载为 P=5.445x1.975x6=64.523kNm 3.5 屋架杆件内力计算 由于屋面坡度较小，风荷载为吸力，且远小于屋面永久荷载，故其与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

10、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。 屋架杆件内力计算可用图解法或数解法进行。 本例屋架为标准屋架， 可直接由建筑结构设计手 册查得各杆件的内力系数，然后乘以节点荷载即为各相应杆件的内力。分别如表2 和图 5 所示。 图五杆件内力图（单位 kN ） 表 2 屋架杆件内力计算表 杆件名称 杆件 内力系数 内力设计值（ kN ） 上 弦 AB -14.81 -955.585 BC -13.66 -881.384 CD -14.07 -907.838 DE -13.70 -883.965 EF -12.55 -809.7636 FG -12.95 -835.57

11、下 弦 AH +13.75 +887.19 HI +11.25 +725.88 IJ +7.50 +438.92 腹 杆 DI -2.79 -180.019 BH、CH -1.21 -78.07 EK、FK -1.21 -78.07 HD、DK +2.50 +161.3 IK +3.75 +241.96 KG +6.25 +403.27 GJ 0.00 0 注：负为受压，正为受拉 3.6 杆件截面的选择 弦杆端节间最大内力为 955.585 kN ，由焊接屋架节点板厚度选用表， 可选用屋架中间节点板 厚度为 8mm ，支座节点板厚度为 10mm。 1.上弦杆 整个上弦杆不改变截面，按最大内力计

12、算。 Nmax=955.585kN，lox=212.7cm，loy=2lox=2212.7=425.4cm。选用218014组成的 T形截 面，节点板厚为 8mm，查型钢表得 2 A=2 48.896=97.792 cm2， ix =5.56cm， i y =8.0cm x y= l 212.7 = lox = 212.7 38.255 =150 ix5.56 loy = 425.4 53.75 =150 iy8 根据 max = y =53.75 查表得 =0.842 ，则 N = A 955.585 1032 2 = 2 116.05N / mm2 f =215 N mm2 0.842 9

13、7.79 102 故选择截面合适。 2. 下弦杆 下弦杆也不改变截面，按最大内力计算。Nmax =+887.19 kN ，屋架平面内的计算长度取最大节 间 IJ 长度，即 lox =497.6cm 。因屋架下弦在跨中央设有一道通长的系杆，故屋架平面外的计算长度 取侧向固定点间的距离，即 loy =1185cm。 所需截面面积为： 3 N 887.19 103 2 An = = 41.26cm2 n f 2.5 选用 21258012 短肢相连的 T形截面，由型钢表查得 2 A = An =23.4 2=46.8 cm , ix =2.24cm， iy =6.08cm f =215 N mm2

14、N 887.19 1032 = 2 =189.6 N mm An46.8 102 lox ix 497.6 =222 1.44 =350 loy =1185 =194.9=350 iy 6.08 故所选截面合适。 3.腹杆 ( 1) DI 杆 N DI =152.0829 kN ,l ox =0.8 l =0.8255.5=204.4cm ， loy = l =255.5cm 2 选用 2 70 6， A=2 8.16=16.32 cm ，ix =2.15cm ， i y =3.2cm 。 l0y iy 204.4 2.5 95.07 =150 235.52.5 79.84 =150 根据 m

15、ax= x =95.07，查表得=0.588，则 3 N 152.0829 103 A= 0.588 16.32 102 158.48 N mm2 f =215 N mm2 所选截面合适。 2)BH、CH、EK、FK杆 N=-78.07 kN ， l =166.4cm 选用 708单角钢截面， A=10.667 cm2， iyo =1.37cm ，则 lo =0.9l =0.9 166.4=149.8cm =ily0o =194.93.78 109 =150 由 =109，查表得 =0.499 。 单角钢单面连接计算构件稳定性时强度设计值折减系数为 r =0.6+0.0015 =0.6+0.0

16、015109=0.76 N 78.07 103 =2 A 0.499 10.667 102 146.67 N mm2 r =0.76 215=164.15 N mm2 故所选截面满足要求。 3)HD、DK杆 N=161.3 kN ， l =343.7cm 2 选用 909 单角钢截面， A=15.566 cm2 ， i yo =1.77cm ， lo =0.9 l =0.9 343.7=309cm = ily0o =13.0797 174.58 =350 单角 钢单 面连接计算构件 强 度时 的强 度设计值折减系数 r =0.85 ，则 N 161.3 10 2 2 = = 2 103.62

17、N mm r f =0.85 215=182.8 N mm An 15.566 102r 故所选择的截面合适。 4)IK 、KG杆 两根杆件采用相同的截面， 用按最大内力 NKG =403.27 kN 计算，lox=l=343.7cm，loy=2lox=2 343.7= 687.4cm 2 选用 2707，A=29.424=18.848 cm ， i x =2.14cm ， iy =3.2cm 。 lox x= ix 343.7 2.14 160.6 =350 loy y = y iy 687.4 3.2 248 =350 所选截面合适。 213.86 N mm2 f =215 N mm2 5

18、）GJ 杆。 N=0, l =474cm 对有连接垂直支撑的屋架 WJ2，采用 2564 组成十字形截面，并按受压支撑验算其长细 l0 = 426.6 iyo = 2.18 =195.7=200 3 N 403.27 103 =2 An 18.84 102 比。 lo =0.9 l =0.9 474=426.6cm ， i yo =2.18cm 故满足要求。 对不连接垂直支撑的屋架 WJ1，选用 564单角钢， 并按受拉支撑验算其长细比， iyo =1.11cm。 = l0 = 426.6 =384.3 =400 故满足要求。 iyo 1.11 3.7 节点设计 本例只选择几个有代表性的、重要

19、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。 1. 屋脊节点（见图 6） 腹杆 GK 与节点板的连接焊缝， 查表得 ffw =160N mm2（以下同），取肢背和肢尖的焊脚尺寸分别 为 hf 1 =5mm 和 hf2 =4mm ，则杆端所需的焊缝长度分别为 肢背： 3 K1NGK067 403.27 103 l1=lw1 +10=1 GK w +10= 10=251.2mm 1 w1 2 0.7 hf1 f fw2 0.7 5 160 图 6 屋脊节点（单位： mm） 故取 l1 =255mm 。 故肢尖： l2=lw2 +8=K2NGK w +8= 0.33 403.27 1

20、03 8=156.5mm 2 w2 2 0.7 hf 2 f fw2 0.7 4 160 取 l2 =160mm 。 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 lw N 4 0.7 hf f fw 3 835.57 103 4 0.7 5 160 =373mm 拼接角钢的总长度为 l =2（ lw +10） +d=2（ 373+10 ） 50=816mm 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 NGK

21、 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 =（6602） cos -20-10（ 660/2）/0.92852010=325mm 焊缝应力为 3 0.15N 0.15 403.27 103 2 0.7hflw = 2 0.7 5 325 0.15 212.4 103 2 0.7 5 325 =26.6 N mm2 f 2 2 ff)2 ( f)2 (26.6)2 (31.9)2 =38.6 N mm2 f fw =160 N mm2 由以上计算结果可知，

22、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。 2.下弦拼接节点（见图 7） 0.15Ne 6 0.15 403.27 103 65 6 2 f= 2 = 2 =31.9 N mm f 2 0.7hfl w22 0.7 5 3252 图 7 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 N IK =61.5 kN 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： 3 K1N1K0

23、.67 241.96 103 l1=lw1 +8=1 1K w +8= +8=188.9mm 1 w1 2 0.7 hf1f fw2 0.7 4 160 故 l1 取 190mm 。 肢尖： 3 K2N1K0.33 241.96 103 l2=lw2 +8=2 1K w +8= +8=97mm 2 w2 2 0.7 hf2 ffw2 0.7 4 160 故 l2 取 100mm 。 弦杆与节点板的连接焊缝按弦杆内力 NIH与 N IJ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

24、焊缝与 杆件等强度原则，接头一侧所需的焊缝计算长度为 Af 12.24 102 215 lw =w = =117mm w 4 0.7 hf f fw 4 0.7 5 160 故 lw 取 120mm 。 拼接角钢所需总长度为 l =2（ l w+10）+10=2（120+10）+10=270mm 3.上弦节点 D （见图 8） 图 8 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 8 所示。 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 5mm ， hf =t 2=4mm， F f 2 0.7hf lw 64.523 103

25、 1.22 2 0.7 4 (700 8) =13.6 N mm2 0.8hf =128 N mm2 肢尖与节点板的焊缝承受弦杆的内力差为 N = NDC - NDE =-907.838-883.965=-23.87 kN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。 2. 支座节点。（见图 9） 图 9 支座节点（单位： mm ） 屋架支撑与钢筋混凝土柱上，混凝土强度为 C20， fce =10 N mm2 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 3.10 所示加劲肋。 下弦杆端与节点板的焊缝取 肢背和肢尖的

26、焊缝尺寸分别为 hf 1 =6mm 和 hf2 =4mm ，则所需焊缝长度为 肢背： l1=lw1 +12= 3 k1N AH0.67 887.19 103 w +12= 2 0.7 hf f fw2 0.7 6 160 0.67 225.5 103 2 0.7 6 160 +12=452mm 故 l1 取 455mm 。 肢尖： l2=lw2 +8= k2N AH 2 0.7 hf2 ffw +8= 3 0.33 887.19 103 2 0.7 4 160 0.33 225.5 103 2 0.7 4 160 +8=334.75mm 故 l2 取 335mm 。 上弦杆端与节点板的焊缝，由

27、于焊缝长度较大，可不必计算，按构造要求即可。 （ 1） 支座底板计算。 支座反力为 R=6F= 6 64.523=387.138 kN 支座底板尺寸取 a b=250mm 250mm,采用 M22 锚栓，并用图示 U 形缺口。柱顶混凝土的压 应力为 R f 0.7hflw 387.13 103 1.22 0.7 6 860 =87.85 N mm2 f fw =160 N mm2 底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算。支座节点板和加劲肋将支座底板分成四块，每块 板均为两相邻边固定支撑而另两相邻边自由的板。 两支撑边之间的对角线长度为 a1 = （125 10）2 （125 10）2 =170m

28、m 两支撑边之间的交点到对角线的垂直距离为 b1= a1 2=85mm b1 a1 =85 170=0.5 ，查表得 =0.058 ，则 M= qa12=0.05 8 1.79 170 170=3000.4 N mm 底板所需厚度（ f 按厚度 t 在 1640 范围取值） 故取 t=20mm （ 2）加劲肋与节点板的连接焊缝 图 10 加劲肋的计算简图（单位： mm ） 加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似，如图 10 所示。 假定一块加劲肋的受力为 屋架支座反力的 14，即 94.8 V=R 4=24.6 kN 4 12.5 0.5CM M=Ve=24.6 =147.6 kN 2 加劲肋厚度采用 10mm，焊脚尺寸 hf 取 6mm，焊缝计算长度为 lw =180-15 2=138mm 则焊缝应力为： ( 6M 2 )2 ( V ) f 2 0.7hf lw22 0.7hflw )2 ( 24.6 103 ) 2 0.7 6 138) 6 147.6 104 2 1.22 2 0.7 6 1382 =50.1 N mm2 f fw =160 N mm2 2） 加劲肋、节点板与支座底板的连接焊缝。图 10