钢结构课程设计普通钢屋架设计

1、兰州交通大学钢结构课程设计普通钢屋架设计指导教师：夏修身姓名：靳雄伟学号：200901950普通钢屋架设计1、 设计资料某车间跨度为30m，柱距为6m,厂房总长度为90m。车间内有一台50吨和一台20吨中级工作制软钩桥式吊车，吊车轨顶标高为+9.00m。冬季最低温度为-20。屋面采用1.5m*6.0m预应力大型屋面板，屋面坡度为i=1:10 。上铺80mm厚泡沫混凝土保温层和二毡三油防水层。屋面活荷载标准值为0.7kN/m2雪荷载标准值为0.5kN/m2，积灰荷载标准值为0.75kN/m2。屋架采用梯形钢屋架，其两端铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面尺寸为450mm*450mm,混凝土强度等级为C

2、25 。钢材采用Q235-B级，焊条采用E43型，手工焊。屋架计算跨度：l0=30-2*1.5=29.7m。跨中及端部高度：屋架的中间高度：h=3.490m,在29.7m的两端高度：h0=2.005m,在30m轴线处端部高度：h0=1.990m。屋架跨中起拱60mm( L/500)。图1 屋架形式及几何尺寸屋架上弦支撑布置图屋架下弦支撑布置图垂直支撑1-1垂直支撑1-1符号说明：SC-上弦支撑 XC-下弦支撑 CC-垂直支撑 GG-刚性系杆 LG-柔性系杆图2 屋架支撑布置2、 结构形式与布置屋架形式及几何尺寸如图1所示。屋架支撑布置如图2所示。3、 荷载计算屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，从

3、资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（gwk=0.12+0.11l）计算，跨度单位为m。荷载永久荷载：预应力混凝土大型屋面板1.4*1.35=1.89kN/m2二毡三油防水层0.35*1.35=0.4725kN/m2找平层（20mm厚）0.02*20*1.35=0.54kN/m280mm厚泡沫混凝土保温层0.08*6*1.35=0.648kN/m2屋架和支撑自重(0.12+0.011*30)*1.35=0.608kN/m2管道荷载0.182*1.35=0.2457kN/m2总计 4.404 kN/m2可变荷载：屋面活荷载0.7*1

4、.4=0.98kN/m2积灰荷载0.75*1.4=1.05kN/m2 总计 2.03 kN/m2设计屋架时，应考虑以下3种荷载组合：（1）、全跨永久荷载+全跨可变荷载全跨节点永久荷载及可变荷载：F=(4.404+2.03)*1.5*6=57.91kN（2）、全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载：F1=4.04*1.5*6=39.64kN半跨节点可变荷载：F2=2.03*1.5*6=18.27kN（3）、全跨屋架包括支撑+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*1.5*6=4.86kN半跨节点屋面板自重及活荷载：F4=(1.68+0.98)*1.5*6=23.94k

5、N（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。4、内力计算屋架在上述3种荷载组合作用下的计算简图见图3所示。图3 屋架计算简图由电算先解得F=1的屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨、右半跨），然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表1。5、杆件设计（1）、上弦杆整个上弦采用等截面，按IJ,JK杆件之最大设计内力设计。N=-1329.03kN=-1329030N上弦杆计算长度在屋架平面内：为节间轴线长度l0x=150.8cm在屋架平面外：根据支撑布置和内力变化情图4 上弦截面况，取loy=3*150.8=452.4cm。因为l0x=3l0x,故截面宜选用两个

6、不等肢角钢短边相并(图4)。腹杆最大内力N=654.38KN,查表，节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度用14mm。设=60，查附录得=0.807。需要截面面积 A=Nf=13290300.807×215=7659.9mm2需要的回转半径：ix=lox=150.860=2.51cm iy =loy = 452.460 = 7.54cm根据需要的A、ix、iy查角钢规格表（附录中附表7），选用2L200*125*12，A=75.824cm2,ix=3.57cm,iy=9.61cm,按所选角钢进行验算：x=loxix=150.83.57=42.24<=150y=loxiy=452

7、.49.61=47.08<=150满足长细比要求。由于x>y，只需求y。查表得y=0.870。NyA=13290300.870*7582.4=201.47N/mm2<215N/mm2所需截面合适。（2）下弦杆整个下弦采用同一截面，按最大内力所在的de杆计算。Nmax=1286.76kN=1286760Nlox=300cm,loy=1485cm(因跨中有通长系杆)所需截面积为选用2L180*110*12，因loylox；故用不等肢角钢短肢相并（图5）。A=67.424cm2>59.85cm2ix=3.10cm,iy=8.76cmx=loxix=3003.10=96.77&

8、lt;350y=loyiy=14858.76=169.52<350图5 下肢截面(3)端斜杆aB（图6）杆件轴力N=-654.38kN=-654380N计算长度lox=loy=253.5cm,因为lox=loy，故采用采用不等边角钢长肢相并，使loxloy。选用2L140*90*10，则 图6 端斜杆截面A=44.522cm2,ix=4.47cm, iy=3.74cmx=loxix=253.54.47=56.71y=loyiy=253.53.74=67.78,y=0.795因y>x。只求y。=NyA=6543800.795*4452.2=184.88N/mm2<215N/mm

9、2所需截面合适。(4)腹杆eg-gk(图7)此杆在g节点不断开，采用通长杆件。最大拉力 Ngk=165.10kN另一段Neg=132.09kN最大拉力Neg=-39.86Kn图7 eg-gk截面另一段Ngk=-37.09kN再分式桁架中斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距lox =230.1cm在桁架平面外的计算长度loy按式(loy=l1(0.75+0.25N2N1)计算loy=l1(0.75+0.25N2N1)=460.2*(0.75+0.25*37.0939.86)=452.2cm=460.2*(0.75+0.25*37.0939.86)=452.2cm选用2L70*5，由附录中

10、附表得A=13.75cm2,ix=2.16cm,iy=3.31cmx=230.12.16=106.5<150y=452.13.31=136.6<150,y=0.359=NxA=398600.359*1375=80.75N/mm2<215N/mm2拉应力=NA =1651001375=120.07N/mm2<215N/mm2(5)竖杆Ie(图8)N=-86.87=-86870Nlox=0.8l=0.8*319=255.2cmloy=l=319cm内力较小，按=150选择，需要的回转半径为ix=lox=255.2150=1.70cmiy=loy=319150=2.13cm查

11、型钢表，选截面的ix和iy较上述计算的ix和iy略大些。选用2L63*5，截面几何尺寸特性A=12.286cm2, ix=1.94cm,iy=3.04cm x=2551.94=131.4<150,x=0.381 y=3193.04=105.0<150因x>y，只求x。=NxA=868700.381*1228.6=185.58N/mm2<215N/mm2图8 Ie截面其余各杆件的截面选择计算过程不一一列出，现将计算结果列于表2中。6、节点设计（1）下弦节点“b”（图9）各杆件内力计算由表1查得。这类节点的设计步骤是：先根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，即hf和

12、lw,然后根据lw的大小按比例绘出节点的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ffw=160N/mm2。设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝hf=8mm和6mm,则所需的焊缝长度为：肢背：lw'=0.7N2heffw=0.7*5298802*0.7*8*160=207mm,取23cm。图9 下弦节点“b”肢尖：lw "=0.3N2heffw=0.3*5298802*0.7*8*160=118.3mm,取13cm。 设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝分别为8mm和6mm，则所需焊缝长度为：肢背：lw'=0.7*4314302*0

13、.7*8*160=168.5mm,取19cm。肢尖：lw "=0.3*4314302*0.7*8*160=96.3mm,取11cm。“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf=5mm。根据上面求得的焊缝长度,并考虑杆件之间应有的间隙以及制作和装配等误差,按比例绘出节点详图,从而确定节点板尺寸为390mm*460mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为46cm，hf=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆内力差N=880.23-350.46=529.87kN，受力较大的肢背处的焊缝应力为f=0.75*5298702*0.7*6*(460-12)=105.6N/mm2<160N/mm

14、2焊缝强度满足要求。(2)上弦节点“B”(图10)“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。图 10 上弦节点“B”“aB”杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算：NaB=654.38kN肢背：hf=10mm l'=0.65*6543802*0.7*10*160=189.89mm，取21cm肢尖：hf=8mml"=0.35*6543802*0.7*8*160=127.81mm，取15cm为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可以缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可以略去屋架上弦

15、坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力为hf'=12*节点板厚度=12*12=6mm,hf"=10mm上弦与节点板间的焊缝长度为505mm。K1(N1-N2)2+(P2*1.22)22*0.7hf'lw'=(0.75*663070)2+(579102*1.22)22*0.7*6*(505-12)=120.22N/mm2<0.8ffw=0.8*160=128N/mm2上弦肢尖角焊缝的剪应力为K1(N1-N2)2+(P2*1.22)22*0.7hf"lw"=(0.25*663070)2+(579102*1.22)2

16、2*0.7*6*(505-20)=24.66N/mm2<160N/mm2此节点亦可按另一种方法验算。节点荷载有槽焊缝承受，上弦两相邻节点内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝肯定是安全的，肢尖焊缝验算如下fN=N1-N22*0.7hf"lw"=6630702*0.7*10*480=98.67N/mm2fM=6M2*0.7hf"lw"2=6*663070*952*0.7*10*4802=117.17N/mm2(fN)2+(fM1.22)2=98.672+(117.171.22)2=137.70N/mm2<160N/mm2(3)屋脊节点“K”(图1

17、1)图11 屋脊节点“K”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，需将拼接角钢削去尖角，且截去垂直肢的一部分宽度(一般为t+hf+5mm)。拼接角钢的这部分削弱，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。设焊缝hf=10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）hf=13290304*0.7*10*160=296.66mm拼接角钢的长度取740mm>2*296.66=593.32mm。上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载，验算略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算。设肢尖焊缝hf=10mm，节点板长度60cm,则节点一侧弦

18、杆焊缝的计算长度为lw=602-1-2=27cm(图11),焊缝应力为：fN=0.15*13290302*0.7*10*270=52.74N/mm2fM=0.15*1329030*95*62*0.7*10*2702=111.34N/mm2(fN)2+(fM1.22)2=52.742+(111.341.22)2=105.41N/mm2<160N/mm2因屋架的跨度较大，需将屋架分成两个运输单元，在屋脊点和下弦跨度中节点设置工地拼接，左半的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。腹杆与节点板连接焊缝计算方法与以上几个节点相同。（4）支座节点“a”

19、(图12)为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度为14mm。支座底板的计算支座反力：R=579100N支座底板的平面尺寸采用280mm*400mm，如仅考虑有加劲肋部分承受支座反力，则承受面积为280*234=65520mm2。图12支座节点“a” 验算柱顶混凝土的抗压强度=RAn=57910065520=8.84N/mm2<fc=12.5N/mm2式中fc混凝土强度设计值，对C25混凝土，fc=12.5 N/mm2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，每块板为两相邻边支撑面另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为M=2a22式中 底板下的平均应力, =579100280*234=8.84 N/mm2；a2两支撑边之间的对角线长度，a2=(140-142)2+1102=172.6mm；2系数，由b2a2查表而定，b2为两支撑边的相交点到对角线a2的垂直距离(图12)。由相似三角形的关系，得b2=110*133172.6=84.8mm，b2a2=84.8172.6=