18m跨厂房普通钢屋架设计要点

1、钢结构课程设计任务书1题目：18m跨厂房普通钢屋架设计2目的通过钢结构课程设计， 进一步了解钢结构的结构型式、 结构布置、 受力特点 和构造要求等； 综合应用钢结构的材料、 连接和基本构件的基本理论、 基本知识， 进行钢屋架的设计计算。3设计资料某厂房跨度为18m，总长度90m柱距6m厂房内设有两台300/50kN中级 工作制桥式吊车，地区计算温度高于-20°C,无侵蚀性介质，地震设防烈度为6度；屋架采用梯形钢屋架，屋架下弦标高为18m,两端铰支在钢筋混凝土柱上，混凝土柱上柱截面尺寸为400X400mm,混凝土强度等级为C30,屋面坡度i=1/10 ; 采用1.5 X 6.0m预应力

2、混凝土屋板，屋架采用的钢材为Q235B焊条为E43型；屋 架形式、几何尺寸及内力系数 （节点荷载 P=1.0 作用下杆件的内力） 如附图所示。荷载：屋架及支撑自重：按经验公式 gk=0.12+0.011L，L为屋架跨度，以m为单位，gk为屋架及支撑自重，以kN/m2为单位；屋面活荷载：屋面活荷载标准值为 0.5k N/m2，雪荷载标 准值为Sk=0.35 kN/m2,屋面活荷载与雪荷载不同时考虑， 取两者的较大值；积灰荷载0.9k N/m2根据不同学号按附表取。屋面各构造层的荷载标准值：0.4KN/m20.6KN/m20.45KN/m2（按附表取）0.05KN/m20.3KN/m21.55KN

3、/m2三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 水泥砂浆找平层 保温层一毡二油隔气层水泥砂浆找平层预应力混凝土屋面板屋架杆件的内力系数1.01.01.01.01.01.0C0.5v EDA5150+ 3.470+ 7.962+ 9.279ace1507.5 1507.5 1507.51507.5VB占C-9.102ar j1350cegiSOO 6 - 9O(fOa . 18米跨屋架几何尺寸b . 18米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值c . 18米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值+ 9.279 g23屋架上、下弦布置有水平支撑和竖向支撑(如图 1-1所示)屋面采用1.5 >6m预应力钢

4、筋混凝土大型屋面板，120mm厚珍珠岩 (r = 350kg/m3 )的保温层，三毡四油铺绿豆沙防水层，20mm厚水泥砂浆找平 层，屋面雪荷载为0.30kN/m2，钢材采用3号钢。#U u WJ珈03CC02850卜J12荷载计算|-.2.1永久荷载预应力钢筋混凝土大型屋面板：三毡四油防水层及及找平层（20mm）:120mn厚泡沫混凝土保温层：屋架自重和支撑自重按经验公式（跨度l=18m）Pw =1.2+1.11 =1.2+1.1x18 叱32kg/m22.2可变荷载屋面雪荷载：21.2 1.4 = 1.68kN/m1.2 0.76 二 0.912kN /m21.2 0.42 二 0.504k

5、N /m21.2 0.32 =0.384kN / m221.4 0.55 = 0.77kN/m2.3荷载组合永久荷载可变荷载为主要荷载组合，屋架上弦节点荷载为：F =（1.68 0.912 0.504 0.384） 0.77 丨 1.5 6 = 38.25kN3内力计算桁架杆件的内力，在单位力作用下用图解法（图 2-1）求得表3-1表3-1杆件轴线单位荷载内力F何载内力（kN）上B-135700C-1508-6.223-238.030弦D-1507-6.223-238.030杆E-1508-8.996-344.097F-1507-8.996-344.097G-1508-9.105-348.26

6、6下-O2850+3.479+133.072弦-O3000+7.961+304.508杆-O3000+9.270+354.578-2530-6.502-248.702斜-2613+4.586+175.415-2864+3.381-129.323-3124+ 1.884+72.063杆-3124-0.690-26.393-3124-0.463-17.710A-1990-0.500-19.125竖-2290-1.000-38.250-2590-1.000-38.2505杆-2890+0.812| +31.0594截面选择4.1上弦杆截面选择上弦杆采用相同截面，以最大轴力 G-杆来选择：Nmax34

7、8.266kN在屋架平面内的计算长度 © =150.8cm，屋架平面外的计算长度l°y =301.5cmc 选用两个不等肢角钢2L100 80 6，长肢水平。截面几何特性（长肢水平双角钢组成T形截面，节点板根据腹杆最大内力选用板 厚 8mm）:2A=21.274cm ix =2.40cm,iy = 4.61cm1 ox150.82.40=62.8 : 150 =0.7922l oy150.84.61二 65.4 : 150I =0.778截面验算:3482660.778 2127.42= 210.4N /mm2=215N / mm大型屋面板与上弦焊牢，起纵横向水平支撑作用，

8、上弦杆其他节间的长细比和稳 定验算均未超过上述值。4.2下弦杆截面选择下弦杆也采用相同截面，以最大轴力-0杆来选择：Nmax二，354.578kN在屋架平面内的计算长度：© = 300cm，屋架平面外的计算长度：l°y = 300cm所需截面面积为：An = N = 354578 1649.4mm2f 215选择两个不等肢角钢2 90 56 6，长肢水平。截面几何特点： A=17.114cm216.494 cm2、300、300ix = 1.58cm iy = 4.42cm x189.9 ： 350 y67.9 ： 3501.584.42另两个节点的下弦杆内力较小，但loy

9、 = 600cm，故须验算其屋架平面外的长细比:6、 600y135.7 : 3504.424.3支座竖杆截面选择杆轴力：N =_19.125kN计算长度：lox =loy = 199cm，采用两个等肢角钢2 63 5，组成T型截面截面几何特性： A = 12.286cm2 ix = 1.94cm iy = 2.89cm199199x102 :：: 150， =0.542 y68.9：150，=0.7581.94 y 2.89y截面验算:N'min A191250.542 1228.6= 28.720N / mm2=215N / mm27#4.4支座斜杆截面选择杆轴力：N 二-248.

10、702kN计算长度：l°x = 口 = 253cm采用两个不等肢角钢2. 100 63 7，长肢相拼。截面几何特性：A 二 22.222cm2 ix = 3.20cm iy 二 2.58cm253253x79.1 <150 x 0.693 y98.1 ： 150-0.5673.2y 2.58y截面验算：N248702197.4 ： 215N/mm2minA 0.567 2222.24.5斜杆截面选择计算长度：lox 二 0.81 二 0.8 261.3 二 209cm杆轴力：N h175.415kNl°y =261.3cm所需截面：AnN 175415f 215二 8

11、15.88cm#= 136.6 < 350截面特性：2 2A = 9.606cm8.1071cm ix = 1.53cm iy = 2.38cm选用两个等肢角钢2 50 5,组成T形截面2091.53二签 W35。4.6竖杆截面选择杆轴力：N =-38.250 kN计算长度：lox = 0.8l =0.8 229 = 183.2cm l oy = 229cm采用两个等肢角钢2 50 5，组成T形截面。截面几何特性：A = 9.606cm2 ix = 1.53cm iy = 2.38cm183 2229X =119.7 :：: 150 ;：x =0.438 y96.2cm : 150 =0

12、.5801.532.38截面验算：N38250290.91 ： 215N /mm minA 0.438 960.64.7斜杆截面选择杆轴力：N =：-129.323kN计算长度：lox =0.8l =0.8 286.4 = 229.1cm loy = 286.4cm采用两个等肢角钢2 75 5,组成T形型截面截面几何特性：A=9.606cm2 3.352cm2 i 1.53cm i 2.38cm229 1286 4x98.3 :1501=0.566y85.2 <1501=0.6522.333.36截面验算：N12932322-154.1 N / mm cf215N/mmminA 0.56

13、6 1482.44.8斜杆截面选择杆轴力：N = 72.063kN计算长度:lox =0.8l =0.8 286.4 = 229.1cm loy =286.4cm所需截面:AN 72063 “u2An335.2mmf215采用两个等肢角钢2 50 5,组成T形型截面截面几何特性：9.606cm2 3.352cm2ix = 1.53cm i 2.38cm229.11.53= 149.7 : 350286.42.38= 120.3 ： 3504.9竖杆截面选择杆轴力：N = -38.250 kN计算长度：lox =0.81 =0.8 259 = 207.2cm loy = 259cm采用两个等肢角

14、钢250 5,组成T形截面截面几何特性： A=9.606cm23.352cm2 i 1.53cm iy=2.38cm207.2259'x1.53= 135.4 :：: 150* =0.364、108.8 :：: 1500.5012.38截面验算：N3825022109.4N / mm : f = 215N / mm minA 0.364 960.64.10斜杆截面选择杆轴力：N = -26.393kN计算长度：lox =0.81 =0.8 312.4 = 249.9cm|°y=312.4cm采用两个等肢角钢2 63 5,组成T形截面截面几何特性： A = 12.286cm2

15、ix = 1.94cm iy = 2.89cmy =0.504249 9312 4x128.8 : 150:x = 0.393 、y108.1 ： 1501.94 y 2.89截面验算:N'min A263930.393 1228.62=54.7 N / mm2=215N / mm10#4.11斜杆截面选择杆轴力：N - -17.710kN计算长度：lox =0.8l =0.8 312. 249.9cm loy=312.4cm采用两个等肢角钢2. 63 5,组成T形截面截面几何特性： A = 12.286cm2ix = 1.94cm iy = 2.89cm#249.91.94= 128

16、.8 : 150x 二 0.393312 4108.1 ： 1502.89y 二 0.504截面验算:N'min A177100.393 1228.6=36.7 N / mm2=215N / mm2#4.12竖杆截面选择杆轴力：N = 31.059kN计算长度：lox =0.8l =0.8 289 = 231.2cm g = 289cm采用两个等肢角钢2 63 5，组成T形截面截面几何特性：2A=12.286cmix = 1.94cm iy =2.89cm、231.2、289X119.2 < 350100 ： 3501.94 2.89A 1228.6截面验算：N 二 31059

17、= 25.3N/mm2 ： f = 215N /mm2各杆件截面选择结果列表如下表4-1杆件计算内 力（kN）截面规格截面面 积（cm2）计算长度（cm）迴转半径（cm）长 细 比容许长细比稳定系数应力N/mrn名 称编 号5节点设计各节点的节点板厚一律取8mm各杆内力如图5-1所示。5.1下弦节点i设计（如图6-2所示）首先，计算腹杆与节点板连接焊缝尺寸， 然后按比例绘出节点板形状和尺寸， 最 后验算下弦与节点板的连接焊缝。已知焊缝的抗拉、抗压和抗剪的强度设计值：fwf =160N/mm2设杆的肢背和肢尖焊缝分别是 hf =6mm和hf = 5mm，则所需焊缝长度为：肢背:1/w0.7Nw2

18、heff0.7 1754152 0.7 6 160二 91.4mm取 110mm肢尖:l/w0.7Nw2heff0.7 1754152 0.7 5 160=50.0mm取 80mm12#设杆的肢背和肢尖焊缝分别是 hf =6mm和hf = 5mm，则所需焊缝长度为#肢背:1/w0.7N2heffw0.7 1293232 0.7 6 160二 67.4mm取 100mm肢尖:1w0.7N2heffw0.7 1293232 0.7 5 160二 34.6mm取 80mm13设杆的肢背和肢尖焊缝均为hf =5mm，则所需焊缝长度为肢背:1/w0.7N2heffw0.7 382502 0.7 5 16

19、0二 23.9mm取 165mm肢尖:1w0.7N2heffw0.7 382502 0.7 5 160=10.2 mm取 165mm14#根据上述腹杆焊缝长度，并考虑杆件之间应留有间隙，按比例绘出节点大祥图5-1,从而确定节点板尺寸为385 275 8mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为 385mm hf = 5mm，焊缝所受的力为左右两下弦杆内力差 讪=304.508 -133.072 =171.436kN所受较大的肢背处焊缝应力为:0.75 N2helw0.7 如714362 0.7 5 (385 -10)2=45.7N /mm=160N /mm2#5.2下弦节点j的设计（图5-2）设节点所

20、有焊缝为hf = 5mm，所需焊缝长度如下:杆- N 二 72.063kN肢背：i w0.7N0.7 720632heffw2 0.7 5 160二 45.0mm肢尖：i w0.3N0.3 720632heffw2 0.7 5 160=19.3mm杆-N=-38.250kN肢背：iw0.7N0.7 382502heffw2 0.7 5 160=23.9mm肢尖：i w0.3N0.3 382502hef；2 0.7 5 160=10.2 mm杆-N一26.393kN肢背：iw0.7N0.7 263932heff2 0.7 5 160二 16.5mm肢尖：i w0.3N0.3 263932heff

21、w2 0.7 5 160二 7.1mm所有焊缝均按构造（节点板尺寸）确定，焊缝长度均需大于60mm下弦与节点板连接的焊缝长度为 320mm hf = 5mm，焊缝所受的力为左右两下弦杆内力差 讪=354.578 -304.508 =50.07kN所受较大的肢背处焊缝应力为：0.75 N2helw0.7x500702 0.7 5 (320 -10)= 17.3N/mm2= 160N/mm2焊缝强度满足要求。5.3下弦节点k的设计下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，并便 于施焊，需将拼接 角钢的尖角削除，且截去垂直 肢的一部分宽度（一般hf二t hf 5mm），拼接

22、角钢这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算（如图5-3）设焊缝hf =6mm，则所需一条焊缝计算长度为3545784 0.7 6 160= 131.9mm拼接角钢的长度取 400mm>1319 2=263.8mm屋架分成两个运输单元，设置工地焊缝长度拼接，左半边的弦杆和腹杆与节点板 连接用工厂焊缝，而右半边的弦杆与腹杆与节点板连接用工地焊缝。中间竖杆跟左半边在工厂焊牢再出厂，为便于工地拼接，在拼接的角钢与右半边斜杆上，设 置螺栓孔叮21.5。作为安装施焊前的定位之用。下弦杆与节点板之间用hf =5mm焊缝满焊。斜杆-和竖杆-的内力均很小，肢背与肢尖焊缝 hf =

23、5mm，施焊长度均可按构造采用，至少60mm采用390 X 290 x 8mm所有焊缝均满焊，焊缝长度均 大于所需长度。5.4支座节点h设计为了便于施焊，下弦焊与支座底板的距离取130mm在节点中心设置加劲肋，加劲肋高度与节点板高度相等。5.4.1支座底板计算支座反力：R=6F=6 38.25 = 229.5kN支座底板的平面尺寸取401 280 =112280mm2，如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则实承面积为：280 11 30800 mm2验算柱顶混凝土的抗压强度：二229500 = 7.45N / mm2 ： fc = 10N /mm2An30800式中fc钢筋混凝土轴心抗压强

24、度的设计值。底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成4块。每 块板是两相邻为固定支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度最大弯矩为：M 二：qa；式中q底板所受的均布反力，q二旦=229500二7.45N / mm2An30800：i 两支承之间的对角线长度，r二., (146二5)2802 = 162mm-系数，由d/a,查课本表5-6确定，bi为两支承边的相交点到对角线 二的 垂线距离，由相似三角形的关系得：4=80-69.6mm162bi/ai =69.6/162 =0.43查表 5-5 得二 0.047M 二 qa" =0.047 7.45 1622

25、=9189N/mm底板厚度：t = . 6M/f = .6 9189/215 = 16mm 取 20mm5.4.2加劲肋与节点板的连接焊缝计算加劲肋与节点板的链接焊缝计算与牛腿焊缝相似，假定一个加劲肋的受力为屋架1支座反力的四分之一，即：1 229.500 = 57.375kN4焊缝受剪力 V =57.375kN，弯矩：M = 57.375 40 = 2295kN m，设焊缝hf =5mm,焊缝计算长度 lw = 391 -10 = 381mm焊缝应力为:V2helw6M-M2l：he f =1.22573752 0.7 5 381= 21.56 汉 2295000M 一 2 0.7 5 38

26、1213.6N(13 6I怎)2+21.52i24.3+462.3 =24.22N/mm2<ffw=160N/mm25.4.3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=229.5kN,其中每块加1111劲肋各传 一 R 二229.5 二 57.375kN，节点板传R 二229.5 二 114.75kN4422节点板与底板的连接焊缝lw =2 (280-10) = 540mm，所需焊脚尺寸为u R/2114750厂hf-1.90mm 采用 hf = 5mm0.7=lwffw 0.7 540 160每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为：=(80-20 -10)100mm，所需

27、焊脚尺寸为 hfR4 -573755.12mm 取 hf = 6mm0.7Hwffw0.7汇100"60544下弦杆与支座斜杆和竖杆焊缝计算下弦杆N133.072kN肢背和肢尖焊缝均为hf .6mm ,则所需焊缝长度为:肢背：I w0.75N0.75 I33。72 = 74.3mm2 0.7 5 1602hef肢尖：I w0.25Nw - °25 133072 = 24.8mm2hef2 0.7 5 160支座斜杆N =248.702kN 肢背焊缝长度为hf = 6mm，肢尖焊缝长度为hf = 5mm，则所需焊缝长度为:肢背：I w0.75N0.75 133072 = 74

28、.3mm2 0.7 6 1602heffw肢尖：I w0.25N2heffw二 °25 133072 二 24.8mm2 0.7 5 160支座竖杆N 19.125kN肢背和肢尖焊缝均为hf =5mm,则所需焊缝长度为:肢背：i w0.7N2heffw0.7 191252 0.7 5 160二 11.95mm肢尖:1w0.3N2heffw0.3 191252 0.7 5 160=5.12mm根据节点板尺寸所确定的焊缝长度均大于所需焊缝长度，全部焊缝满焊。5.4.5上弦节点b设计为了便于在上弦搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背 8mm用塞焊缝把 上弦角钢和节点板连接起来。槽钢作为

29、两条焊缝计算，这时，强度设计值应乘以 0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，且假定集中荷载 F与上弦 垂直（图） 上弦肢背槽钢焊缝的hf =4mm,节点板的长度为435mm其应力为:的-N2)2(0.5F)22helJ0.75 238036 F (0.5 38250)22X0.7X4(43510)= 75.44 ： 0.8ff 128N /mm19#上弦肢间角焊缝的应力为:#阪2的N2)2阴(0.5F)22helW= 26.26 : 160N /mm0.25 238036 I2(0.5 38250)22x0.7x4x(435 10)腹杆与节点板连接焊缝已在下弦节点中计算， 可不必再计算，节点板尺寸就是根 据腹杆焊缝长度按比例绘制确定。上弦为了便于搁置屋面板，在角钢再肢间设置 肋板。5.4.6上弦节点d、f的设计两个节点的弦杆内力差值较小，腹杆与节点板的焊缝连接已在下弦节点计算中解 决，根据腹杆焊缝长度决定节点板尺寸（图），假定节点荷载由槽钢焊缝承受， 可不必计算，仅验算肢尖焊缝。d 节点：N, - N2 = 344.097 - 238.030 二 10