中南大学自考本科-焊接钢屋架设计计算书.docx

1、中南大学高等教育自学考试焊接钢屋架设计计算书姓名：专业 :注：中南大学自考招生网：WWW.CSUZS.NET地址 :湖南长沙市岳麓区麓山南路中南大学本部焊接钢屋架设计目录1.设计资料 - 1 -2.结构形式与布置 - 1 -3.荷载计算 - 1 -4.内力计算 - 3 -5.杆件设计 - 4 -5.1上弦杆 - 4 -5.2.下弦杆 - 6 -5.3.斜腹杆 - 7 -5.4.竖杆 - 9 -6.节点设计 - 11 -6.1 杆件与节点板的连接焊缝- 11 -6.2 弦杆与节点的连接焊接 - 12 -6.3 节点板计算 - 16 -6.4 节点大样图 .- 16 -7.屋架施工图（主要部分），

2、及材料表错误！未定义书签。参考文献 错误！未定义书签。焊接钢屋架设计1.设计资料 钢屋架跨度为 27m.屋架间距 b=6m。屋架支座高度 Ho=2m,屋架坡度i=1/12；屋架上弦节间长度 d=3m.屋面采用（ 1.5m 6.0m,预应力钢筋混凝土屋面板和卷材屋面 (由二毡三油防水层， 2cm 厚水泥砂浆找平层及 8cm 厚的膨胀珍珠岩保温层组成 )。屋面坡度 i=1/10.屋架选用梯形钢屋架，跨中高度 H=3.25m，屋架简支在钢筋混凝土柱顶上，上柱截面取为400mm 400mm,混凝土标号为 C20,当地基本雪压为0.7KN/.钢材采用 Q235， B 级，焊条采用 E43 型，手工焊 .

3、）教材建议学生根据荷载设计规范采用。 （所以查规范可以采用如上数据）屋架上弦平面利用屋面板，用埋固的小钢板和上弦杆焊住，代替水平支撑，在屋架下弦平面的端部及两侧面端面布置水平及竖直支撑 .设计规范：钢结构设计规范(GB50017-2003)。建筑结构荷载规范(GB50009-2001).屋架计算跨度：lo=30m 2 0.15m=29.7m.跨中及端部高度， 此设计为无檩屋盖方案 ，采用平板梯形屋架，取屋架在 30 m 轴线处的端部高度 ho=2.0 m.屋架的中间高度 h=3.25m.则屋架在 29.7 m 处，两端的高度 ho=2.0125m.屋架跨中起拱按lo/500 考虑，取 60mm

4、.2.结构形式与布置屋架形式及几何尺寸附图1 所示根据厂房长度取84m60m,跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑，因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间，设水平支撑的规格与中间柱网的支撑的规格有所不同，在所有柱间的上弦平面设置了刚性与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载，在设置横向水平支撑的柱间，于是屋架跨中和两端各设一道垂直支梯.梯形钢屋架支撑布置附图1 所示 .3.荷载计算恒载标准值：防水层 (二毡三油上铺小石子 )0.35KN/,沿屋面坡向分布。找平层 (20mm 厚水泥砂浆 )0.4KN/ 沿屋面坡向

5、分布 .保温层 (8cm 膨胀珍珠岩保温层 )0.45KN/ 沿屋面坡向分布 . 预应力混凝土屋面板 (包括灌缝 )1.4KN/ 沿屋面坡向分布屋架自重 (包括支撑 )按经验公式计算l=0.12 0.011L=0.12 0.01130=0.45KN/沿水平投影面分布 .活荷载标准值：屋面均部活荷载 (不上人的屋面 )0.7KN/ 沿水平投影面分布 .雪载 S= So(因屋面与水平面的倾角 = arctan1/12=4.7615,故屋面积雪分布系数 =1.0)风载：因 =4.7615，风载体型系数 =对屋面为吸力，故可不考虑风载影响 .屋面荷载与雪荷载不会同时出现，计算时取较大荷载标准值进行计算

6、，因二者均为 0.KN/ 故可取其一，如屋面活荷载 0.7KN/ 进行计算 .荷载计算如表 1表-1 荷载计算表荷载名称计算式标准值设计值备注kN/m2kN/m2防水层（二毡三油上0.350.42沿屋面坡向分布铺小石子）水泥砂浆找平层0.02 200.40.48沿屋面坡向分布（ 20mm厚）膨胀珍珠岩保温层0.450.54沿屋面坡向分布（ 80mm厚）预应力混凝土屋面板1.41.68沿屋面坡向分布（含灌缝）屋架和支撑自重（0.12+0.011 0.450.0.54沿水平分布21）恒载总和3.053.66屋面均布活荷载0.70.7沿水平面分布，计算雪荷载0.70.7中取二者中的较大值可变荷载总和

7、0.70.98注：由于屋面坡度不大，对荷载的影响较小，未予考虑。风荷载为吸力，重屋盖可不考虑。荷载计算及汇总表设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：全跨永久荷载全跨可变荷载F =(3.660.98)36=83.52KN全跨永久荷载半跨可变荷载全跨节点永久荷载：F1 =3.66 36=65.88KN半跨节点可变荷载：F2 =0.98 36=17.64全跨屋架（包括支撑）自重半跨屋面板自重半跨屋面活荷载：全跨节点屋架自重：F3 =0.54 36=9.72半跨节点屋面板自重及活荷载：F4 =(1.680.540.98)36=57.6KN、为使用节点荷载情况.为施工阶段荷载情况 .4.内力计算屋架在上述

8、三种荷载组合作用下的计算简图如图1 所示.F/2FFFFFFFFFEFF/2ABCD32502000abcd6000585058506000600029700（ a）F/2FFFFFFFFF/2FFFFFFFF/2CDEAB32502000abcd6000585058506000600029700（ b）FFFFFF/2FFFF/2FFFFFFEFF/2BCDA32502000abcd6000585058506000600029700（ c）图-1 屋架的计算简图由图解法或数解法解得F=1 的屋架的内力系数（ 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，计算结果

9、如表 2 所示：表 2 屋架构件内力组合表杆件名称内力系数（ F=1）第一种第二种组合第三种组合计算杆件全 跨左 半右 半组合F1F1F3F3内力跨跨F （KN ）F2F2 F4 F4 上 AB000000000弦BC-9.41-7.06-3.52-785.92-744.47-682.02-498.12-294.22-785.92CD-9.45-7.10-3.52-789.26-747.81-684.66-500.81-294.61-789.26DE-11.91-7.94-5.95-994.72-924.69-889.59-573.11-458.49-994.72EF-11.92-7.95-5

10、.95-995.56-925.53-890.25-573.78-458.58-995.56下ab5.914.601.97493.60470.49424.10322.41170.92493.60弦bc11.328.094.85945.45888.47831.32576.01389.39945.45cd11.426.856.85953.80873.18873.18505.56505.56953.80斜aB-7.43-5.78-2.48-620.55-591.45-533.24-4.5.15-215.07-620.55腹Bb4.403.101.96367.49344.56255.30221.3315

11、5.66367.49杆bD-2.56-1.36-1.80-213.81-192.64-200.40-103.22-128.56-213.81Dc0.75-0.231.4762.6445.3575.34-5.9691.9691.96cF0.671.581.3755.9672.0168.3197.5278.9897.52竖Aa-0.50-0.500-41.76-41.76-32.94-33.66-5.35-41.76杆Cb-1.00-1.000-83.52-83.52-65.88-67.32-9.72-83.52Ec-1.00-1.000-83.52-83.52-65.88-67.32-9.72-

12、83.52Fd-0.02001.671.321.37屋架上弦杆除了承受轴心压力外，尚承受节点间集中荷载而产生 的弯矩，其值为：第一节间： M=0.8Mo=0.8 41.763/4=25.06KNm中间节间： M=0.6Mo=0.6 41.763/4=18.80KNm中间节点： M=-0.6Mo=-18.80KNm在全跨恒载和全跨活载作用下，屋架弦杆，竖杆和靠近支座斜杆的内力均比较大，在屋架及支撑自重和半跨屋面板与活荷载作用下，靠近跨中的斜杆的内力可能发生变号 .5.杆件设计5.1 上弦杆按受力最大的弦杆设计，沿跨度全长截面保持不变。上弦杆 EF 为压弯杆件：N=995.

13、56KNM=18.80KN.mlox=3000mm,loy=1500mm( 由于上弦杆和屋面板埋设小钢板并牢固焊接，可代替水平支撑，故上弦杆平面外的计算长度 loy=1500mm)腹杆最大内力 N= 620.55KN，查表得，中间节点板厚度选用 12mm，支座节点板厚度选用 14mm .设 =90，查 Q235 钢的稳定系数表，可得 =0.621，b 类截面，则所需截面积为：N995.5610 32A= =0.621=7456.5 mmf215需要的回转半径：l ox=3000/90=33.3mm, i yl oy=1500/90=16.67mmi x根据需要 A ， i x ,i y 查角钢

14、规格表，选用2 16014,肢背间距 a=12mm,则A=43.32=86.6cm2W 1 x =234.42=468.8cm3W 2 x =90.952=181.9cm3i x =4.92cm, i y =7.07cml ox=3000/49.2=61.0, yl oy=1500/70.7=21.2xi xi yx ,ymax =61.0满足长细比=150 的要求 .查得=0.801，则N995.56103A 0.801 86.6 10 2 =143.52MPa215MPa 按公式验算弯矩作用平面内的稳定性 .查表得截面塑性发展系数 1 x1.05,2 x1.22 EA=22.06 1057

15、5.14102N Ex =22=4105.6KNx61.0此处节间弦杆相当于两端支撑有端弯矩和横向荷载同时作用，使构件产生反向曲率的情况，根据规范等效弯矩系数mx =0.85.将以上数据代入下式验算作用平面内的稳定性。Nmx M x995.56 1030.85 1880 104AxW1x 1 0.8N / N Ex0.801 86.6 1021.05 468.8103 1 0.8 995.56 / 4105.6=183.8N/ m m2 f=215N/ m m2对于这种 T 形截面压弯杆件，还应验算截面另一侧，即Nmx M xAxW2 x 1 1.25N / N Ex995.561030.85

16、1880104=1021.05 181.9 103 11.25995.56 / 4105.686.6= 114.96120.06 =5.1N/ mm2 f=215N/ m m2所以可保证弦杆弯矩作用平面内的稳定性.按下式验算弯矩作用平面外的稳定性：yl oy=1500/70.7=21.2mm=150，查表得 =0.966i y对于双角钢 T 形截面的整体稳定性系数：b10.0017f y12350.96y2350.0017 21.2235将以上数据代入下式验算作整体稳定性Nmx M x995.561030.851880104N/10 2119.01 35.51 154.52AbW1 x0.96

17、6 86.60.96468.810 3m m2 f=215N/ mm2所以可保证弯矩作用平面外的稳定性.强度验算 .由于上弦杆两端的弯矩比较大，同时W 2 x 较小，因此，需按下式验算节点负弯矩截面无翼缘一边的强度；NM x995.5610 31880 104A2 xW2 x86.61021.2 181.9 10 3=114.96+86.13=201.09 N/m m2 f=215N/ mm2因 BC， CD，DE 的弯矩值和 EFd 相同，而轴心力均小于 EF，为了简化制造工作，故用 EF 相同的截面尺寸而不必验算。上弦杆 AB ，N=0，M=25.06KNm.M x2506 10 4222

18、 xW2 x1.2 181.9 103=114.8 N/mmf=215N/ m m5.2.下弦杆按轴心拉杆设计，沿全长截面不变，截面采用等肢角钢拼合，最大设计拉力；N=953.8KNl ox600cm,l oy1200cmAN953.8103=44.36cm2f215102选用 210012,A=22.82=45.6cm2 ,可满足要求。i x =3.03cm.， xl ox=600/3.03=198.02=350i x由于此屋架不受动力作用，故可反验算在竖直平面内的长细比.5.3.斜腹杆端斜腹杆 aBN=-620.55KNl oxl oy3631mm因为 l oxl oy ，故采用不等肢角钢

19、，长肢相并，使l oxl oy，选用 216010010，则A=2 25.3=50.6cm2 ， i x =5.14cm, i y =4.05cml oxi x=363.1/5.14=70.64, yloy=363.1/4.05=89.65xi yx ,ymax =89.65满足长细比=150 的要求 .查得=0.623，则N620.55103A0.62350.610 2 =196.85MPa215MPa所选截面合适。 其它斜腹杆Bb：N=367.49KN, l ox0.8l oy300cm,l oy3750cm选用 2806，则A=2 9.4=18.8cm2 ， i x =2.47cm, i

20、 y = 3.73cml oxi x=300/2.47=121.46, yl oy=375/3.73=100.54xi yx ,ymax =121.46满足长细比=150 的要求 .则N 367.49 102 3 =195.47MPa215MPaA18.8 10所选截面合适。bD:N=-213.81KN, l ox0.8l oy325.6cm, l oy407cm选用 2907，则A=2 12.3=24.6cm2 ， i x =2.78cm, i y = 4.14cml ox=325.6/2.78=117.12, yl oy=407/4.14=98.31xi xi yx ,ymax =117.

21、12满足长细比=150 的要求 .查得=0.453，则N213.81 103=193.57MPa215MPa2A0.45324.610Dc:N=91.96KN, l ox0.8l oy325.6cm, l oy407cm选用 2805，则A=2 7.91=15.58cm2 ， i x =2.48cm, i y = 3.71cml oxi x=325.6/2.48=117.12, yl oy=407/3.71=98.31xi yx ,ymax =117.12满足长细比=150 的要求，则N91.96103A 15.58 10 2 =59.02MPa215MPa所选截面合适。cF:N=97.52K

22、N, l ox0.8l oy353.84cm, l oy442.3cm选用 2805，则A=2 7.91=15.58cm2 ， i x =2.48cm, i y = 3.71cmxl ox=353.84/2.48=142.68, yloy=442.3/3.71=119.22i xi yx ,ymax =142.68满足长细比=150 的要求，则N97.52103A 15.58 10 2 =186.84MPa215MPa所选截面合适。5.4.竖杆端竖杆 AaN=-41.76KN, l ox 201.25cm, l oy201.25cm由于杆件内力较小，按=150 选择i xl ox=201.25

23、/150=1.34cm, i yl oy=201.25/150=1.34cm查表，选截面的 i x ， i y 较上述计算值略大，选用 2634，则A=2 4.98=9.96cm2 ， i x =1.96cm, i y = 3.02cmxl ox=201.25/1.96=102.68, yloy=201.25/3.02=66.64i xi yx ,ymax =102.68满足长细比=150 的要求 .查得=0.538，则N41.76103=77.93MPa215MPaA0.5389.96102所选截面合适。其它竖杆Cb:N=-83.52KN, l ox0.8l oy200cm, l oy250

24、cm选用 2634，则A=2 4.98=9.96cm2 ， i x =1.96cm, i y = 3.02cml ox=200/1.96=102.04, yl oy=201.25/3.02=66.23xi xi yx ,ymax =102.04满足长细比=150 的要求 .查得=0.542，则N83.52103=154.7MPa215MPaA0.5429.96102所选截面合适。Ec:N=-83.52KN, l ox0.8l oy240cm, l oy300cm选用 2634，则A=2 4.98=9.96cm2 ， i x =1.96cm, i y = 3.02cml oxi x=240/1.

25、96=122.45, yl oy=300/3.02=99.47xi yx ,y max =122.45满足长细比=150 的要求 .查得=0.425，则N83.52103A0.425 9.96 102 =197.31MPa215MPa所选截面合适。Fd：N=-1.67KN, l ox0.8l oy200cm, l oy250cm选用 2634，l oxi x=264.8/1.96=135.1, yloy=331/3.02=109.6xi y显然所选截面合适。综上于表 2 如下：表 2 各杆件内力及截面选择表杆件设计内力计算长度截面形式和截 面截面抵回 转半径长细比稳 定计 算 应（ cm）规格

26、面 积抗矩 W （cm）系 数力名编N(KN)M(KNm)2（2l oxloy（ cmi xi yxy（ N/mm称号）cm3）上AB0+25.063001502 1601486.6181.94.927.0761.021.20.801+114.8弦BC-785.92-18.803001502 1601486.6468.84.927.0761.021.20.801杆CD-789.26+18.803001502 1601486.6468.84.927.0761.021.20.801DE-994.72-18.803001502 1601486.6468.84.927.0761.021.20.801E

27、F-995.56+18.803001502 1601486.6468.84.927.0761.021.20.801-201.09-18.80181.9+18.80-18.80+18.80下ab+493.66006002 1001245.63.03198.02+108.25弦bc+945.456006002 1001245.63.03198.02+207.34杆cd+953.806001202 1001245.63.03198.02+209.1702 160 100斜aB-620.55363.344.0570.6489.650.623196.85腹11 10杆Bb+367.4

28、93003752 80 618.82.473.73121.46100.54195.47bD-213.81325.4072 90 724.62.784.14117.1298.310.453193.576Dc91.96325.4072 80 515.582.483.71117.1298.3159.0262 80 515.582.483.71142.68119.2262.59cF97.52353.442.8432 63 49.961.963.02102.6866.640.53877.93竖Aa-41.76201.201.杆2525Cb-83.522002502 63 49.961.963.02102

29、.0466.230.542154.7Ec-83.522403002 63 49.961.963.02122.4579.470.425197.31Fd02603252 63 49.961.963.02132.6586.0906.节点设计腹杆 aB 的最大设计压力： N=-620.55KN ，中间节点板厚采用 t=12mm,支撑节 点 板 厚 度 采 用 t=14mm ， 焊 条 采 用 E43 型 ， 角 焊 缝 强 度 设 计 值ft w =160N/ m m2 。6.1 杆件与节点板的连接焊缝斜杆 aB：N=-620.55KN ，2 16010010，每个角钢需要的焊缝面积：Aw =N620

30、.55103=19.39cm2w2 16022 f t10当用长肢相拼，角钢肢背和肢尖所需的焊缝面积各为：Aw =0.65 Aw =0.6519.39=12.60 cm2Aw =0.35 Aw =0.3519.39=6.79 cm2焊缝布置如下：肢背焊缝取 hf =8cm， lwAw12.60=22.5cm,采用 24cm0.7hf0.7 0.8肢尖焊缝取 hf =6cm， lwAw0.6.79=16.17cm, 采用 18cm0.7hf7 0.6除端斜杆外，其它杆件均为等肢角钢，肢背和肢尖的焊缝面积各按0.7 和0.3 分配 .计算结果见表 4表 4杆件端部焊缝计算表杆件设计内力角钢尺寸每个

31、角钢所需的焊缝面积（2）采用的焊缝尺寸（KN ）cm（ mm）肢背肢尖名称编号AwAwAwhfl whfl w斜杆aB-620.552 160 1001019.3912.606.7982406180Bb+367.492 80611.488.043.4462006100bD-213.812 9076.684.682.06130660Dc+91.962 805680680cF+97.526806802 805竖杆Aa-41.762 634670670Cb-83.522 634670670Ec-83.522 634670670Fd1.672 634670670上弦杆AB02 160 14615061

32、50下弦杆ab+493.62 100 1215.4310.84.63820061206.2 弦杆与节点的连接焊接上弦节点“ B”上弦肢背为塞焊接，节点板缩进角钢背 7mm，节点板厚度 t=12mm，塞焊缝强度验算：设焊角尺寸 hf=t/2=12/2=6mm, l w =835mmF83.52103222 0.7hf lw2 0.76 835=11.91 N/ m m0.8 160=128N/ mm弦杆肢尖角焊缝强度验算：设焊角尺寸 hf =6mm， l w =835mm.N=785.92KNM= Ne=785.92 100=78592KNmmN785.92103=112.05 N/mm22 0

33、.7hf lw20.768356M678592103222=80.52 N/mm2 0.7hf l w20.768352N22M80.522f1.2220.7h f l w112.051.22130.04 N/mm2 ww为2)f f( f f160 N/mm满足要求。由于肢尖的焊缝hf 也为 6mm，也能满足要求。屋脊节点“ F”a. 拼接角钢计算拼接角钢采用与上弦相同的截面 2L160 14。设两者间的焊脚尺寸 hf 8mm，竖直肢应切去 t+h f +510+8+523 mm。按上弦杆力 N995.56 kN 计算拼接角钢与上弦的焊缝，节点每侧每条焊缝需计算长度为：l wN995.561

34、03277.8 mm4 0.7h ff fw40.78160 102拼接角钢需要的长度为：L 2（l w+16）+10 2（ 277.8+16）+20为保证拼接节点处的刚度取， L600 mm。b. 上弦与节点板间焊缝计算上弦与节点板间的槽焊缝，假定承受节点荷载，验算与节点B 处的槽焊缝方法类似，此处验算过程略，上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，并考虑此力产生的弯矩。设肢尖焊缝的计算长度为500mm，则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：N0.15 995.56103f20.710220=48.49MPa.M60.159

35、95.56103100=132.23MPa.f20.71022022132.232fMf2= f48.49 2=118.74 MPa1.221.22满足强度要求 .因屋架跨度很大，需将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边上弦，斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊接，而右半边上弦，斜杆与节点板的连接用工地焊接 .下弦节点“ b”焊缝承受节点左、右弦杆的内力差N945.45-493.6 451.85KN，验算肢背焊缝的强度：Aw =N451.85103=14.12cm2w2 16022 f t10角钢肢背和肢尖所需的焊缝面积各为：Aw =0.7 Aw =0.714.12=1

36、9.88 cm2A =0.3 Aw =0.314.12=4.24 cm2w焊缝布置如下：Aw9.88肢背焊缝取 hf=6cm， lw=23.5cm,采用 24cm0.7hf0.7 0.6Aw4.24肢尖焊缝取 hf =6cm， lw0.7hf0.7=10.1cm, 采用 12cm0.6下弦与节点板的焊缝长度为 600mm，焊脚尺寸 hf6mm，K 1 N0.7451.851032w2f2 0.76 600264.04N/mm f f= 160 N/mm2 0.7hf lw6满足强度要求。肢尖的焊缝应力同样能满足要求. 竖杆下端应伸至距下弦肢尖为 20mm处，并沿肢尖和肢背与节点板满焊。下弦中央

37、拼接节点da. 拼接角钢计算下弦与节点板的连接焊缝按弦杆内力 N 953.8kN 计算 . 拼接角钢采用与下弦相同的截面 2L10012，设与下弦的焊缝的焊脚尺寸 hf 8mm，竖直肢应切去 t+h f +510+6+521mm，节点一侧与下弦的每条焊缝所需计算长度为：N953.8103l w4 0.7266.13mm4 0.7h f f fw8 160拼接角钢需要的长度为：L 2（l w+16）+10 2（ 266.13+16）+10=574.26mm为保证拼接节点处的刚度取， L720mm。b. 下弦与节点板的连接焊缝计算下弦与节点板的连接焊缝按 0.15Ned 计算。取焊脚尺寸 hf 6

38、mm，节点一侧下弦肢背和肢尖每条焊缝所需长度l 1、 l2 分别为：l 1K10.15N100.70.15953.810384.5 mm20.7hf f fw20.7610160l 2K 20.15N100.30.15953.810341.9 mm20.7h f f fw20.7610160节点板宽度是由连接竖杆的构造要求所决定的.支座节点“ a”（附图 8）a. 底板计算底板承受屋架的支座反力R10F/2 1083.52/2 417.6kN，柱采用C202混凝土，混凝土的轴心抗压强度设计值f c9.5N/mm。为了将屋架中的支座反力较均匀地传给混凝土柱顶，避免柱顶被压坏，屋架支座节点的构造除要有节点板外，还要有平板式支座底板和加劲肋，加劲肋的作用是分布支座处的压力和提高节点板的侧向刚度 . 支座节点处外端斜杆 aB 和下弦