中南大学自考本科-焊接钢屋架设计计算书

1、中南大学高等教育自学考试 焊接钢屋架设计计算书 ： 专业:注：中南大学自考招生网：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 -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 -杆件与节点板的连接焊缝- 11 -弦杆与节点的连接焊接- 12 -节点板计算- 16 -节点大样图.- 16 -7.屋架施工图主要部分，及材料表- 17 -参考文献- 18 -焊接钢屋架设计 钢屋架跨度为27m.屋架间距b=6m;屋

2、架支座高度Ho=2m,屋架坡度i=1/12；屋架上弦节间长度d=3m.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400mm400mm,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.教材建议学生根据荷载设计标准采用。所以查标准可以采用如上数据 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

3、标准：钢结构设计标准(GB50017-2003);建筑结构荷载标准(GB50009-2001).屋架计算跨度：lo=30m20.15m=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.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

4、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.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。屋架自重(包括支撑)按经验公式计算活荷载标准值：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.荷载计算如表1表-1 荷载计算表荷载名称计算式标准值kN/m2设计值kN/m2备注防水层二毡

5、三油上铺小石子沿屋面坡向分布水泥砂浆找平层20mm厚20沿屋面坡向分布膨胀珍珠岩保温层80mm厚沿屋面坡向分布预应力混凝土屋面板含灌缝沿屋面坡向分布屋架和支撑自重21沿水平分布恒载总和屋面均布活荷载沿水平面分布，计算中取二者中的较大值雪荷载可变荷载总和注：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=(3.660.98)3全跨永久荷载半跨可变荷载全跨节点永久荷载：半跨节点可变荷载：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：半跨节点屋面板自重及活荷载：=(1.68

6、0.540.98)3、为使用节点荷载情况.为施工阶段荷载情况.屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图1所示.abc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第一种组合第二种组合第三种组合计算杆件内力KN全跨左半跨右半跨上弦ABBCCDDEEF000000000下弦abbccd斜腹杆aBBbbDDccF竖杆AaCbEcFd00000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：在全跨恒载和全跨活载作用下，屋

7、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.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：lox=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：A=需要的回转半径：=3000/90=33.3mm, 根据需要A，,查角钢规格表，选

8、用216014,肢背间距a=12mm,则WW=4.92cm, =3000/49.2=61.0, 满足长细比=0.801，则=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=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，根据标准等效弯矩系数=0.85.将以上数据代入下式验算作用平面内的稳定性;f=215N/对于这种T形截面压弯杆件，还应验算截面另一侧，即=f=215N/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：=150，查表得对于双角钢T形截面的整体稳定性系数：将以上数据代入下式验算作整体稳定

9、性 N/f=215N/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；=114.96+86.13=201.09 N/f=215N/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.=114.8 N/f=215N/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；选用2100,可满足要求。=3.03cm.，=350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.端斜腹杆aB因为，故

10、采用不等肢角钢，长肢相并，使，选用216010010，则A=2，=5.14cm, =363.1/5.14=70.64, 满足长细比=0.623，则=196.85MPa215MPa所选截面合适。 其它斜腹杆Bb：N=367.49KN,选用2806，则A=2，=2.47cm, =300/2.47=121.46, 满足长细比=195.47MPa215MPa所选截面合适。bD: N=-213.81KN,选用2907，则A=2，=2.78cm, =325.6/2.78=117.12, 满足长细比=0.453，则=193.57MPa215MPa所选截面合适。Dc: N=91.96KN,选用2805，则A=

11、2，=2.48cm, =325.6/2.48=117.12, 满足长细比=150的要求，则=59.02MPa215MPa所选截面合适。cF: N=97.52KN,选用2805，则A=2，=2.48cm, =353.84/2.48=142.68, 满足长细比=150的要求，则=186.84MPa215MPa所选截面合适。端竖杆AaN=-41.76KN,由于杆件内力较小，按=150选择=201.25/150=1.34cm, 查表，选截面的 ，较上述计算值略大，选用2634，则A=2，=1.96cm, =201.25/1.96=102.68, 满足长细比=0.538，则=77.93MPa215MPa

12、所选截面合适。其它竖杆Cb: N=-83.52KN, 选用2634，则A=2，=1.96cm, =200/1.96=102.04, 满足长细比=0.542，则=154.7MPa215MPa所选截面合适。Ec: N=-83.52KN, 选用2634，则A=2，=1.96cm, =240/1.96=122.45, 满足长细比=0.425，则=197.31MPa215MPa所选截面合适。Fd：N=-1.67KN, 选用2634， =264.8/1.96=135.1, 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cm截面形式和规格截面面积cm2截面抵抗矩W回转半径

13、cm长细比稳定系数计算应力N/mm2名称编号N(KN)M(KNm)上弦杆AB0300150216014BC300150216014CD300150216014DE300150216014EF300150216014下弦杆ab600600210012bc600600210012cd6001200210012斜腹杆aB216010010Bb3003752806bD4072907Dc4072805cF2805竖杆Aa2634Cb2002502634Ec2403002634Fd026032526340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=1

14、4mm，焊条采用E43型，角焊缝强度设计值=160N/。斜杆aB：N=-620.55KN，216010010，每个角钢需要的焊缝面积：=当用长肢相拼，角钢肢背和肢尖所需的焊缝面积各为：焊缝布置如下：肢背焊缝取=8cm，=22.5cm,采用24cm肢尖焊缝取=6cm，=16.17cm, 采用18cm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KN角钢尺寸每个角钢所需的焊缝面积采用的焊缝尺寸mm肢背肢尖名称编号斜杆aBBbbDDccF21601001028062907280528058666624020013080

15、8066666180100608080竖杆AaCbEcFd2634263426342634666670707070666670707070上弦杆AB021601461506150下弦杆ab21001282006120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=t/2=12/2=6mm, =835mm N/0.8160=128N/弦杆肢尖角焊缝强度验算：设焊角尺寸=6mm，=835mm. M=N100=78592KNmm=112.05 N/mm2=80.52 N/mm2130.04 N/mm2 (为160 N/mm2)满足要求。由于

16、肢尖的焊缝hf也为6mm，也能满足要求。屋脊节点“F” 拼接角钢采用与上弦相同的截面2L16014。设两者间的焊脚尺寸hf8mm，竖直肢应切去t+hf+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： mm拼接角钢需要的长度为： L2lw+16+102277.8+16+20为保证拼接节点处的刚度取，L600 mm。 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

17、的计算长度为：lw=(500/2-10-20)=220mm,焊缝应力为：=48.49MPa.=132.23MPa.=118.74 MPa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N945.45-493.6451.85KN，验算肢背焊缝的强度：=角钢肢背和肢尖所需的焊缝面积各为：焊缝布置如下：肢背焊缝取=6cm，=23.5cm,采用24cm肢尖焊缝取=6cm，=10.1cm, 采用12cm下弦与节点板的焊缝长度为

18、600mm，焊脚尺寸6mm，2 = 160 N/mm2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。下弦中央拼接节点d 12，设与下弦的焊缝的焊脚尺寸hf8mm，竖直肢应切去t+hf+510+6+521mm，节点一侧与下弦的每条焊缝所需计算长度为： 拼接角钢需要的长度为： L2lw+16+102为保证拼接节点处的刚度取，L720mm。ed计算。取焊脚尺寸hf6mm，节点一侧下弦肢背和肢尖每条焊缝所需长度l1、l2分别为：mmmm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底板承受屋架的支座反力R10F/21083

19、.52/2417.6kN，柱采用C20混凝土，混凝土的轴心抗压强度设计值fc2。为了将屋架中的支座反力较均匀地传给混凝土柱顶，防止柱顶被压坏，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和下弦杆ab的轴线应交于通过支座中心的竖线上，加劲肋对称地布置在节点板两侧，而竖杆Aa内力很小，布置时，对支座中心的竖线略有偏心，影响不大，为了便于施焊，下弦杆与支座底板之间的距离不应小于下弦角钢伸出肢的宽度，也不小于100150mm，现用120mm.底板需净面积An为： =44000mm2锚栓直径d20mm，栓孔面积为： A50402+2025257mm2底板需面积为 AsAn+A44000+525749257mm2按构造要求底板面积取为A28028078400mm2As，满足要求。底板承受的实际均布反力 2fc2节点板和加劲肋将底板分成四块相同的两相邻边支承板，它们对角线长度2及内角顶点到对角线的距离b2分别为： 2mm，bb2/20.41，查得0.0434，两相邻边支撑板单位板宽的最大弯矩为： Mq222所需底板厚度为tmm取t20mm实取底板尺寸为28028020.焊缝长度等于加劲肋高度，也等于节