钢结构18m梯形屋架设计

1、钢结构课程设计任务书 一、题目 某厂房总长度90m，跨度为18m，屋盖体系为无檩屋盖。纵向柱距6m。 1.结构形式：钢筋混凝土柱，梯形钢屋架。柱的混凝土强度等级为C30，屋面坡度i=L/10；L为屋架跨度。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，屋架下弦标高为18m。 2.屋架形式及荷载：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。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 （1）无檩体系：采用1.5×6.0m预应力混凝土屋板（考虑屋面板起系杆作用） 荷 载：屋架及支撑自重：按经验公式q=0.12+0.011L，L

2、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； 屋面活荷载：施工活荷载标准值为0.7kN/m2，雪荷载的基本雪压标准 值为S0=0.35kN/m2，施工活荷载与雪荷载不同时考虑，而是取两者的较大值；积灰荷载为0.7kN/m2 屋面各构造层的荷载标准值： 三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.45kN/m2 水泥砂浆找平层 0.7kN/m2 保温层 0.4 kN/m2(按附表取) 预应力混凝土屋面板 1.45kN/m2 附 图 (a) 18米跨屋架 (b)18米跨屋架全跨单位荷载几何尺寸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 二、设计内容 1.屋

3、架形式、尺寸、材料选择及支撑布置 根据车间长度、屋架跨度和荷载情况，设置上、下弦横向水平支撑、垂直 支撑和系杆，见下图。因连接孔和连接零件上有区别，图中给出W1、W2和W3 三 种编号 （a）上弦横向水平支撑布置图 （b）屋架、下弦水平支撑布置图 1-1、2-2 剖面图 2.荷载计算 三毡四油防水层 0.45 kN/m2 水泥砂浆找平层 0.7kN/m2 保温层 0.4kN/m2 预应力混凝土屋面板 1.45kN/m2 屋架及支撑自重 0.12+0.011L=0.318kN/m2 恒荷载总和 3.318kN/m2 活荷载 0.7kN/m2 积灰荷载 0.7kN/m2 可变荷载总和 1.4kN/

4、m2 屋面坡度不大，对荷载影响小，未予以考虑。风荷载对屋面为吸力，重屋面可不考虑。 3.荷载组合 1.全跨永久荷载+全跨可变荷载 可变荷载效应控制的组合： F=(1.2×3.318+1.4×0.7+1.4×0.9×0.7)×1.5×6=52.59kN 永久荷载效应控制的组合： F'=(1.35×3.318+1.4×0.7×0.7+1.4×0.9×0.7)×1.5×6=54.43kN 故F=54.43KN 2.全跨永久荷载+半跨可变荷载 全跨永久荷载设计值：

5、F1=1.35×3.318×1.5×6=40.31kN 半跨可变荷载设计值： F2=(1.4×0.7+1.4×0.9×0.7)×1.5×6=16.76kN 屋架杆件内力组合表 杆件名称 杆件编号 单位内力作用时的内力系数 组合1 组合2 计算内里 全跨A 左半跨B 右半跨C F×A F1×A+F2×C F1×A+F2×B 上弦 AB 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 BC、CD -6.221 -4.317 -1.85 -338.6

6、1 -281.77 -323.12 -338.12 DE、EF -8.993 -5.636 -3.357 -489.49 -417.15 -345.23 -489.49 FG -9.102 -4.551 -4.551 -495.42 -443.18 -443.18 -495.42 下弦 ac 3.470 2.537 0.933 188.87 155.51 182.17 188.87 ce 7.962 5.325 2.637 433.37 365.14 410.20 433.37 eg 9.279 5.312 3.967 505.06 441.64 463.07 505.06 斜腹杆 aB -6

7、.502 -1.754 -1.748 -353.90 -291.39 -291.49 -353.90 Bc 4.739 3.158 1.581 257.94 217.53 243.96 257.94 cD -3.382 -1.862 -1.520 -184.08 -161.80 -167.54 -184.08 De 1.884 0.540 1.344 102.32 98.47 89.99 102.32 eF -0.690 0.615 -1.305 -37.47 -49.69 -17.51 -49.69 Fg -0.462 -1.632 1.170 -25.09 0.99 -45.98 -45.

8、98 竖杆 Aa -0.5 -0.5 0.00 -27.16 -20.16 -28.54 -28.54 Cc -1.0 -0.1 0.00 -54.43 -40.31 -57.07 -57.07 Ee -1.0 -0.1 0.00 -54.43 -40.31 -57.07 -57.07 Gg 0.812 0.406 0.406 44.20 39.54 39.54 44.20 4. 截面选择 按腹杆最大内力N=-353.9kN查表选用中间节点板厚度t=10mm，荷载支座节点板厚度t=12mm。 1. 上弦 整个上弦不改变截面，按最大内里计算： 假定=60,对于双角T形钢，当绕x.y轴失稳时属于类

9、b截面，由附表查得 x= 0.735 ，需要的截面几何量： A=N/minf=4954.2 / (0.735×310)=21.74cm2 ix=lox/=150.75/90=2.51cm iy=loy/=300/90=5.0cm 由附表选用2L80×10,A=30.26cm2,ix=2.42cm,iy=3.74cm x=lox/ix=150.75/2.26=62.290 y=loy/iy=300/3.54=80.21<=150 双角T钢型截面绕对称轴（y）轴应按弯扭屈曲计算长细比yz b/t=8.0<0.58loy/b=21.75,故按下式计算 yz=y（1+0

10、.475b?/loy2t2）=81.194>y 故由max=yz=81.94，按b类查附表得=0.553 =N/A=4954.2/(0.632×30.26)=296.06N/mm2<f=310N/mm2 因截面无孔眼削弱，可不验算强度。又因轧制钢翼缘和腹板，可不验算局部 稳定填板每个节间放一块（满足l1范围内不少于两块）,la=75.38cm<40i=40 ×2.42=96.8cm 2.下弦 下弦不改变截面，按最大内力计算： Nmax=505.06kN,lox=300cm,loy=900cm，连接支撑的螺栓孔中心至节点板边缘 的距离约为100cm(eg节间

11、)，可不考虑螺栓孔削弱。需要的截面几何量： A=N/f=5050.6/310=16.29cm2 ix=lox/=300/350=0.86cm iy=loy/=1500/350=2.57cm 由附表选用2L75×7，A=20.26cm2,ix=2.30cm,iy=3.47cm x=lox/ix=300/2.30=130.43<=350 y=loy/iy=900/3.47=259.37<=350 =N/A=249.29N/mm2<f=310N/mm2 填板每个节间放一块，l1=150cm<80i=80×2.30=184cm 3.斜腹杆 （1）杆件aB:N

12、=-353.90kN,lox=loy=253.0cm 假设=80，对于双角T形钢，当绕x.y轴失稳时属于类b截面，由附表 查得x= 0.574 ，需要的截面几何量： A=N/minf=3539.0 / (0.574×310)=19.82cm2 ix=lox/=253.0/80=3.16cm iy=loy/=3.16cm 由附表选用2L100×6,A=23.86cm2,ix=3.10cm,iy=4.44cm x=lox/ix=253.0/3.10=81.61<=150 y=loy/iy=253.0/4.44=56.98 双角T钢型截面绕对称轴（y）轴应按弯扭屈曲计算长细

13、比yz b/t=16.7<0.58loy/b=14.67,故按下式计算 yz=3.9×b(1+loy2×t2/18.6b?)/t=71.20<x 故由max=x=81.61，按b类查附表得=0.563 =N/A=3539.0/(0.563×23.86)=263.45N/mm2<f=310N/mm2 因截面无孔眼削弱，可不验算强度。又因轧制钢翼缘和腹板，可不验算局 部稳定填板放两块,la=84.30cm<40i=40×3.1=124cm (2)杆件Bc:N=257.94kN,lox=0.8l1=0.8/×261.3=209

14、.04cm,loy=261.3cm 需要的截面几何量： A=N/f=2579.4/310=8.32cm2 ix=lox/=209.04/350=0.60cm iy=loy/=261.3/350=0.75cm 由附表选用2L63×4，A=9.96cm2,ix=1.96m,iy=2.94cm x=lox/ix=209.04/1.96=106.65<=350 y=loy/iy=261.3/2.94=88.88<=350 =N/A=258.98N/mm2<f=310N/mm2 填板放两块，l1=87.1cm<80i=80×1.96=156.8cm. （3）杆

15、件Ee:N=-50.07kN,lox=0.8l1=0.8×259.0=207.20cm,loy=259.0cm。内里较小 可按选择截面，需要的截面几何量： ix=lox/=207.20/150=1.38cm iy=loy/=259.0/150=1.73cm 由附表选用2L50×6,A=11.38cm2,ix=1.51cm,iy=2.48cm x=lox/ix=207.20/1.51=137.22<=150 y=loy/iy=259.0/2.21=104.44<=150 双角T钢型截面绕对称轴（y）轴应按弯扭屈曲计算长细比yz b/t=8.33<0.58lo

16、y/b=29.93,故按下式计算 yz=y（1+0.475b?/loy2t2）=105.72<x 故由max=x=137.22，按b类查附表得=0.260 =N/A=500.7/(0.260×11.38)=166.04N/mm2<f=310N/mm2 因截面无孔眼削弱，可不验算强度。又因轧制钢翼缘和腹板，可不验算局 部稳定填板放四块,la=51.8cm<40i=40×1.51=55.2cm 其余杆件截面选择见表，注意连接垂直支撑的中央竖杆采用十字形截面，其斜 平面计算长度lo=0.9l,其他腹杆除Aa外，lox=0.8l. 物价杆件截面选用表 杆件名称 杆

17、件号 内里设计值（kN） 计算长度(cm) 所用截面 截面积(cm2 ） 计算应力(N/mm2) 容许长细比 杆件端部的角钢肢背和肢尖焊缝 填板数 lox loy 5.节点设计 （1）下弦节点设计”c” 先算腹杆与节点板的连接焊缝：Bc杆肢背及肢尖的焊缝的焊脚尺寸取 hf1=hf2=4mm，则所需的焊缝长度（考虑起灭弧缺陷）： 肢背 lw1=257940/(3×0.7×4×200)+2×4= 161.54mm,用170mm; 肢尖 lw2=257940/(6×0.7×4×200)+2×4=84.77mm,用90mm

18、. 腹杆Cc和cD的杆端焊缝同理计算，其次验算下弦杆与节点板连接焊缝， 内力差 N=Nce-Nac=433.37-188.87=244.5kN75.76kN .由斜腹杆焊缝决 定的节点板量得节点板长度是52.0cm,角焊缝计算长度lw=52.0-1.2=50.8cm, 采用hf=6mm,肢背焊缝应力为： 1=244500/(3×0.7×6×508)=38.20N/mm2<ff=200N/mm2 上弦 下弦 FG eg aB -495.42 505.06 -353.9150.75 300.00 300.00 1500.0 2L80×10 2L75&#

19、215;7 2L100×28.26 20.26 23.86 274.35 249.29 263.45 150 350 150 _ _ 6-160 每节间1 每节间1 253.0 253.0 2 斜腹杆 0 6 4-120 Bc 257.94 209.04 261.30 2L63×4 9.96 258.98 350 4-170 4-90 2 cD -184.08 229.12 286.40 2L90×6 21.28 169.28 150 6-90 4-70 3 De 102.32 229.12 286.40 2L30×4 4.56 224.36 350 4

20、-70 4-40 3 eF -49.69 249.92 312.40 2L56×8 16.74 130.76 150 6-40 4-30 4 Fg -45.98 249.92 312.40 2L56×8 16.74 121.0 150 6-40 4-30 4 竖杆 Aa -28.54 199.0 199.0 2L45×6 10.16 121.08 150 6-40 4-30 3 Cc -57.07 183.2 229.0 2L45×6 10.16 209.59 150 6-40 4-30 3 Ee -57.07 207.20 259.0 2L50

21、5;6 11.38 166.04 150 6-40 4-30 4 Gg 44.20 289×0.9=260.1 36×5 6.76 65.38 200 6-40 4-30 3 下线节点“c” （2）上线节点“B” 腹板aB,Bc的杆端焊缝计算同上。这里验算上线与节点板的连接焊缝：节点 板缩进8mm 肢背采用塞焊缝，承受节点荷载： Q=54.43kN,hf=t/2=5mm,lw1=lw2=48.0-1.0=47.0cm =54430/(2×0.7×5×470)=16.55N/mm2<ff=1.22×200=244N/mm2 肢尖焊

22、缝承担弦杆内力差N=NAB-NBC=338.12-0=338.12kN74.31kN,偏 心距e=8-2.5=5.5cm偏心力矩M=Ne=338.12×5.5=18.60kN·m,采用 hf=10mm,则 对N：=338120/(2×0.7×10×508)=47.54N/mm2 对M：f=6M/(2×he×lw2)=6×18600000/(2×0.7×10× 5082)=30.89N/mm2 则焊缝强度为：（f/f）2f2=53.86N/mm2<ff =200N/mm 上弦节点“

23、B” （3）屋脊节点“G” 腹杆杆端焊缝计算从略。弦杆与节点板连接焊缝受力不大，按构造要求决定 焊缝尺寸，可不计算。这里只进行拼接计算，拼接角钢采用与上弦杆相同截 面2L80×10，除倒棱外，竖肢需切去=t+hf+5=10+10+5=25mm,按上线坡 度热弯。拼接角钢与上弦连接焊缝在接头一侧的总长度（设hf=10mm） lw=N/(0.7hf×ff)=353.87mm 共四条焊缝，认为平均受力，每条焊缝实际长度： lw=353.87/4+20=108.47mm 拼接角钢总长度为： l=2lw+20=236.94mm 600mm 取拼接角钢长度为 600mm. 屋脊节点“a

24、” （4）支座节点“a” （5 ） 支座节点“a” 杆端焊缝计算从略，以下给出底板等的计算 底板计算 支反力Rd=327.18kN，混凝土强度C30，fc=14.3N/mm2,所需底板净面积： An=327180/14.3=22879.72mm2=228.80cm2 锚栓直径取d=25mm,锚栓孔直径为50mm,则所需底板毛面积： A=An+Ao=228.80+2×4×5+3.14×52/4=2580.43cm2 按构造要求采用地板面积为a×b=28×28=784cm2>280.43cm2,垫板采用-100 ×100×12，孔径26mm,实际底板净面积为: An=784-2×4×5-3.14×52/4=724.4cm2 底板实际应力： q=3271.8/724.4=4.52N/mm2 a1=(14-0.5)2+(14-0.6)2=18.92cm b1=13.5×13.4/18.92=9.45cm b1/a1=9.45/18.92=0.50,查表得=0.056，则： M=qa2=0.056×4.52×189.22=9060.85N·mm 所需底板厚度： t6Mm