中南大学钢结构设计18米梯形屋架设计

1、第一篇第一篇设计资料设计资料1. 某单层单跨工业厂房，跨度 18m，长度 102m。2. 厂房柱距 6m，钢筋混凝土柱，混凝土强度 C20，上柱截面尺寸 400400mm，钢屋架支承在柱顶。3. 吊车一台 150T，一台 30T，中级工作制桥式吊车（软钩） ，吊车平台标高+12.000m。4. 荷载标准值：（1）永久荷载：屋面材料自重0.8KN/ m2屋架（包括支承）自重按经验公式0.12+0.011L kN/m2（2）可变荷载：屋面活载标准值：0.5kN/m2雪荷载标准值：0.55N/m2积灰荷载标准值：0.4KN/ m2(3,)风荷载：=1.0基本风压：3.0KN/ m25.屋架结构形式、

2、计算跨度及几何尺寸见图 1(屋面坡度 1:10)。图 1：屋架形式及几何尺寸6.钢材选用 Q235 钢，角钢、钢板各种规格齐全，有各种类型的焊条和 C 级螺栓可供选用。7.钢屋架的制造、运输和安装条件：在金属结构厂制造，运往工地安装，最大运输长度 16m，运输高度 3.85m，工地有足够的起重安装设备。第二篇第二篇设计计算设计计算一、一、屋架支撑系统的设置屋架支撑系统的设置屋架支撑的种类有横向支撑、纵向支撑、垂直支撑和系杆。在本设计中，屋架支撑系统设计如下：1.1 厂房柱距 6m,屋架间距取为 6 米。1.2 在房屋两端第一个柱间各设置一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑。房屋长度较大，为增

3、加屋盖的刚性，在长度方向正中间的柱间加设一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑，使其两端横向支撑间距小于 60m， 。1.3 厂房内有吊车，高度较高，为满足对房屋整体刚度的要求，设置纵向支撑，设置在屋架下弦平面。1.4 在屋架中和两端各布置一道垂直支撑。 垂直支撑的形式根据高度与柱距的比值确定。在此屋架结构中，h/l=3085/6000=0.50，故取如下图垂直支撑形式。垂直支撑图样1.5 在屋架上弦平面，屋架跨中和两端各布置一道通长的刚性系杆，其他结点设通长的柔性系杆；下弦平面，仅在跨中和两端布置通长的柔性系杆。屋架支撑系统设置如图 2 所示。二、杆件内力的计算二、杆件内力的计算先定出屋架所

4、有杆件的尺寸，画出屋架示意图如图 3。1 9 9 01 3 5 02 2 9 02 5 9 02 8 9 02 6 1 32 8 6 43 1 2 42 5 3 02 8 6 43 1 2 41 5 0 7 .51 5 0 7 .51 5 0 7 .51 5 0 7 .51 5 0 7 .51 5 0 7 .51 5 0AacegBCDFG图 3 屋架几何尺寸图三、三、荷载计算与组合荷载计算与组合按屋面做法，已知各荷载标准值算出永久荷载设计值；按屋面活载及雪荷载两者中取最大值的原则，算出可变荷载的设计值。计算列表进行。荷载汇集表荷载汇集表序号荷载名称标准值kN/m2设计值 kN/m2备注永久荷

5、载10.80.96永久荷载分项系数 1.22屋架（包括支承）自重0.3180.382总重 G1.1181.342可变荷载3屋面活载标准值0.50.7可变荷载分项系数 1.48,9 中取较大值4雪荷载标准值0.550.775积灰荷载标准值0.40.56总重 P1.452.033.2 荷载组合按三种情况进行组合：全跨永久荷载+全跨可变(如图 a)NFFPk348.3027.18078.12活恒全跨永久荷载+半跨可变荷载（如图 b）NPPk348.301NFPk078.122恒全跨屋架支承自重+半跨屋面板重+半跨可变荷载重（如图 b）NFFPk348.3091.26438. 33活恒NFPk438.

6、 34恒其中分别计算出作用于屋架上弦的结点荷载设计值，即KNsaGF078.1265 . 1342. 1恒KNsagF438. 365 . 10.382恒KNsapF27.1865 . 103. 2活KNsapF91.2665 . 1)96. 003. 2(活式中：a节间长度b屋架长度G永久荷载总重p可变荷载总重g屋架、支撑自重p屋面板重+可变荷载总重a 种荷载组合屋架受力图b 种荷载组合屋架受力图第三种荷载组合的设计值比第一、二种荷载组合都要小，所以不起控制作用。2.3 内力计算各种荷载组合下，屋架杆件内力计算，计算 P=1 分别作用在左右跨、全跨时个杆件产生的内力，得到单位节点荷载作用下各

7、杆的内力系数，其他荷载组合可按下表进行杆件内力的计算，只有当左右半跨内力系数的正负号不同时，第二种荷载组合才可能起控制作用。左半跨右半跨00000-4.371-207.624-154.995-108.937-108.937-4.371-207.624-154.995-108.937-108.937-5.636-315.751-211.587-169.95-169.95-5.636-315.751-211.587-169.95-169.95-4.551-319.579-193.081-193.081-193.081121.834288.2616558.95657121.8342279.55219

8、3.4528144.343279.552325.7934209.122184.5489325.7934-228.29-165.387-110.467-110.467166.3902114.934386.12251166.3902-118.745-74.8665-68.6182-68.618266.148832.6207547.3098366.1488-24.22622.90223-32.17622.90223-16.221-35.396715.7958615.79586-17.5554-15.174-6.039-6.039-35.1108-30.348-12.078-12.078-35.110

9、8-30.348-12.078-12.07828.510217.2249617.2249628.5102三、杆件截面设计三、杆件截面设计图 4 屋架杆件内力图3.1 节点板厚选择支座斜杆最大内力设计值 N=-110.467KN， 经查表： 选取中间节点板厚 t=8mm，支座结点板厚 t=10mm。3.2 上弦杆（压弯构件）（1）整个上弦杆采用同一截面，免去不同截面杆件间的拼接。截面按受力最大的部位 F-G 节间选用，最大内力为：kNN081.193max计算长度：屋架平面内取节点中心间轴线长度： l0 x=l=150.8cm屋架平面外根据屋盖支撑布置和上弦杆内力变化，取 l0y=2l=301.

10、6cm方案（一）设=80，查附表 1.20 得=0.688，需要的截面特性2205.131305)215688. 0/(193081/cmmmfNAcmlixoxx89. 180/8 .150/,cmliyoyy35. 380/6 .301/根据需要的, ,xyA i i，查型钢表（附表 2.3） ，选用 2100806 不等边角钢，短边相连，截面特性为：A=21.274cm2,xi=2.40cm,yi=4.61cm截面验算：624 . 2/8 .150/xoxxil150,6561. 4/6 .301/yoyyil方案（二）设70，查附表 1.20 得，751. 0，需要的截面特性：2295

11、.111195)215751. 0/(193081/cmmmfNAcmlioxx15. 2708 .150,cmlioyy31. 470/6 .301根据需要的 A、xi、yi，查型钢表（附表 2.3） ，选用 2100806 不等边角钢，短边相连.截面特性为：A=21.274cm2,xi=2.40cm,yi=4.61cm比较两个方案，综合考虑，可知方案二设70时比较合适，所以上弦杆选用 2100806，截面图如图 5。短边相连，截面特性为：图 5 上弦截面（2）上弦杆按压弯构件验算因为该屋架是无檩，在实际工作中，上弦杆有节间荷载，除计算上弦杆的轴心压力外，还应计算上弦杆的局部弯矩实际上弦杆受

12、力形式如图 60 . 8 M00 . 6 M0dddd图 7 局 部 弯 矩 计 算 简 图 q图 6 局部弯矩计算简图均布荷载等于恒载与活载之和：)/(232.206)03. 2342. 1 (qmKNmKNqdM69. 585 . 1232.208220mKNM552. 4M8 . 00端mKN 414. 3M6 . 0M0中对于 DF 杆，N=-169.95KN，M=3.414mKN ，轴力和弯矩都较大，所以我们对 DF 杆按压弯构件进行检算。截面强度检验：MpafMpaWMANcmcmyInxxnxx2151 .1431017.6205. 110414. 34 .21271930811

13、7.6297. 1/48.122W3633截面强度满足要求。杆件在弯矩作用平面内稳定性检验：MpafMpaNEANNNWMxExExxxxmx2155 .149)10417211930818 . 01 (6217005. 110414. 30 . 14 .2127751. 0193081104172162101274. 2101 . 214. 3)8 . 01 (AN62311222nxDF 杆在弯矩作用平面内稳定性满足要求。杆件在弯矩作用平面外稳定性检验：MpafMpafWMyybxbxtx2152 010414. 30 . 14 .2127751. 019308

14、1881. 0235/0017. 01751. 0AN61ny检验合格。上弦杆按 2L1409010 设置满足压弯构件的受力要求。3.3 下弦杆（轴心受拉构件）整榀屋架下弦杆采用等截面。截面按受力最大的部位 e-g 节间选用，最大内力为：kNN793.325计算长度：3000oxlmm，3000oylmm（因下弦有纵向支撑和系杆）截面选择：2215.151515215/325793/cmmmfNA根据所需截面特性，查附表 2.1 选用 2100806 不等边角钢，且短肢相连。图 7 下弦杆截面截面特性为:A=21.274cm2,xi=2.40cm,yi=4.61cm截面验算：35012540.

15、 2/300/xoxxil3506561. 4/300/yoyyilMpaMpaAN2151 .15310274.213257934故下弦杆满足要求。3.4 腹杆（轴心受力构件）(1) 端斜杆 aB计算内力：N=-110.467KN计算长度：cmlloyox5 .253截面选择：设80，查轴心受力稳定系数表，688. 0。需要的截面特性：2246. 7746)215688. 0/(110467/cmmmfNA17. 380/5 .253yxiicm查型钢表，初选 2L100808，长肢相并，见图 8。图 8 端斜杆截面A=27.888cm2，xi=3.14cm，yi=3.56cm。截面验算：1

16、508114. 3/5 .253/xoxxil7060. 3/5 .253/yoyyil查附表 1.20 得：681. 0MpaMpaANx2152 .588 .2788681. 0110467故端斜杆 aB 符合要求。(2)腹杆腹杆 cD计算内力：N=-68.618KN计算长度：cmcmllox72.2289 .2858 . 08 . 0cmlloy9 .285截面选择：设=80，查附表 1.20 得=0.688，需要的截面特性2263. 4463)215688. 0/(68618/cmmmfNAcmlioxx86. 28072.228,cmlioyy57. 380/9 .285查型钢表（附

17、表 2.1） ，选用 21108 等边角钢，截面特性：A=17.238cm2，xi=3.4cm，yi=4.89cm截面验算：150674 . 3/72.228/xoxxil1505889. 4/9 .285/yoyyil查附表 1.20 得：769. 0 xMpaMpaANx2153 .1498 .1723769. 068618图 9 腹杆 CD 截面图(2) 斜腹杆 Bc计算内力：N=166.390KN计算长度：cmcmllox04.2093 .2618 . 08 . 0,cmlloy3 .261截面选择：需要截面积2273. 7773215/166390/cmmmfNA选取等边角钢 263

18、5，截面特性：A=26.142=12.286cm2，xi=1.94cm，yi=2.89cm图 10 斜腹杆 Bc 截面截面验算：15010894. 1/04.209/xoxxil1509089. 2/3 .261/yoyyil因此所选截面满足要求。(4) 竖腹杆 Gg计算内力：N=28.510KN计算长度：cmcmllox1 .2602898 . 09 . 0,cmlloy289选用 2635，并采用十字形截面，见图 11。图 11 中竖杆 Gg截面验算：15011994. 1/2 .231/xoxxil，15010089. 2/289/yoyyil查表得：442. 0 xMpaMpaANx2

19、155 .436 .1228442. 0510.28所选截面满足要求。（5） 其他腹杆其他腹杆因为内力都较小，考虑不宜采用过多不同规格的角钢，故此处也选用 2635其余各杆件截面选择结果见表 2。表 2 屋架杆件截面选择表杆件计算内力（kN）截面规格截面面积（cm2）计算长度（cm）回转半径（cm）长细比max容许长细比稳定系数min应力（N/mm2）名称编号xl0yl0 xiyi上弦杆所有-193.08110080621.274150.8301.61.893.35621500.78120.8下弦杆所有325.79310080621.2743003002.404.611303500.37515

20、3.1腹杆Aa-6.03963512.286209.04261.31.942.891081500.5054.91Ba-110.46710080821.888253.5253.53.143.56811500.6815.05Bc166.39063512.286209261.31.722.62121.53500.42913.54Cc-12.07863512.286183.22291.722.62106.51500.5890.98Dc-68.61863512.286229.1286.41.722.62133.21500.3745.58De66.14863512.286229.1286.41.722.6

21、2133.23500.3745.38Ee-12.07863512.286207.22591.722.62120.51500.5090.98Fe-32.17663512.286249.9312.41.722.62114.61500.4672.61Fg-35.39763512.286249.9312.41.722.62114.61500.4672.88Gg28.5163512.2860l=260.1i=2.45151.22000.3042.32四、节点设计四、节点设计重点设计支座节点“a” 、上弦节点“B” 、下弦节点“c” 、屋脊节点“G” 、下弦中央节点“g”五个典型节点（图 9） ，其余节点

22、设计类同。用 E43 焊条时，角焊缝的抗拉、 抗压和抗剪强度设计值2/160mmNfwf， 各杆件内力由表 2 查得，最小焊缝长度不应小于fh8。图 12：杆件内力（kN）1 1、下弦节点、下弦节点“c c” （图（图 1313）先计算腹杆焊缝长度，然后定出节点板的形状和尺寸，最后计算下弦杆与节点板之间的连接焊缝。（1）Bc 杆焊缝计算：N=166.390N，Bc 杆的截面形式为 2635mmthmmthff52 . 485 . 15 . 112取 hf=5mm。采用三面围焊。所需端焊缝长度为：mmlw633肢背，肢尖所承受力分别为：KNNNKN47.7321 .86390.1667 . 02

23、311KNNNKN971. 621 .86390.1663 . 02322肢背：mmfhNlwffw5416057 . 02734707 . 0211取mmlw1401肢尖：mmfhNlwffw14. 516057 . 0269177 . 0222，取mmlw402。（2）Dc 杆焊缝计算：N=108.937kN，Dc 杆的截面形式为 2635同样采用三面围焊，所需端焊缝长度为：mmlw633，取 hf=5mm。所需焊缝 长 度 为 ： 肢 背 ：mmfhNlwffw08.6816057 . 021089377 . 07 . 027 . 01， 取mmlw1501。肢尖：mmfhNlwffw1

24、 .2916057 . 021089373 . 07 . 023 . 02，取mmlw702。（3）Cc 杆焊缝计算：N = 12.078kN，Cc 杆的截面形式为 2635。因力较小，采用两侧焊缝，取 hf=5mm。所需焊缝长度为：肢背：mmfhNlwffw8 .1016057 . 02120787 . 07 . 027 . 01， 按构造要求， 取150wlmm肢尖：mmfhNlwffw3 . 516057 . 02120783 . 07 . 023 . 02， 按构造要求， 取250wlmm。（4）下弦杆焊缝验算：下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦杆内力差N=465.920-203.0

25、57262.863kN。下弦杆的截面形式为 2100806 取5fhmm。肢背焊缝验算：221/160/2 .72)10400(57 . 0226286375. 07 . 0275. 0mmNfmmNlhNwfwff肢尖焊缝验算：222/160/1 .24)10400(57 . 0226286325. 07 . 0225. 0mmNfmmNlhNwfwff2、上弦节根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差进行节点放样，得节点板尺寸为 400300(如下图） ，如图 12 示。图 13：下弦节点“c”上弦节点上弦节点“B B” （图（图 1414）（1）Bc 杆焊缝计算与

26、下弦节点“c”相同。（2）Ba 杆焊缝计算：N=-110.467kN，Ba 杆的截面形式为 2100808 取焊脚尺寸mmhf8肢背：mmfhNlwffw4016087 . 0211046765. 07 . 0265. 01，取mmlw1001。肢尖：mmfhNlwffw2116087 . 0211046735. 07 . 0235. 02，取mmlw602。（3）上弦杆焊缝验算：为了便于在上弦杆上搁置大型屋面板， 上弦节点板的上边缘缩进角钢肢背的尺寸为822622tmm，取8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可视为两条焊脚为8422fthmm的角焊缝。由于焊缝质量不易保证，焊缝

27、的强度设计值应乘以系数 0.8。节点板放样尺寸为 450300，如图 14 示。图 14：上弦节点“B”设肢尖焊缝mmhf6，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载 P 与上弦杆垂直。肢背焊缝计算：KNN937.108)937.108(022222211/2 .1288 . 0/5 .74)10450(67 . 02)22. 12/30348()10893775. 0(7 . 02)22. 12/()(mmNfmmNlhPNKwfwff尖焊缝验算：22222222/2 .1288 . 0/5 .26)10450(67 . 02)22. 12/30348()10893725. 0(7 .

28、 02)22. 12/()(mmNfmmNlhPNKwfwff3、屋脊节点“G” （图 15）（1）上弦杆拼接计算：上弦杆常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，需将拼接角钢的棱角削圆并切去垂直肢的一部分宽度：=t+hf+5mm=8+8+5=21mm，拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。拼接接头一侧的连接焊缝长度可按上弦杆内力计算，N=-193.0811kN，设mmhf8，每条焊缝所需长度为：mmfhNlwffw10716087 . 021930817 . 04取拼接角钢长度mmmmL24410201072800（2）上弦杆与节点板连接焊缝计算：上弦杆与节点板之

29、间槽焊承受节点荷载，强度足够，计算略。上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的 15%计算。设mmhf8，根据放样情况，可定节点板尺寸为 300400mm，节点一侧的焊缝长度为cmlw120 . 10 . 22/30。偏心距mme6 .694 .30100，取mme70。焊缝应力验算：22/160/13.2312087 . 0211046715. 07 . 0215. 0mmNfmmNlhNwfwfNf2222/160/23.4412087 . 0267011046715. 07 . 02615. 0mmNfmmNlheNwfwfMf222222/160/43)22. 123.44(13.23

30、)22. 1()(mmNfmmNwfMfNff（3）中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=28.51kN，此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸fh=5mm，肢背：mmfhNlwffw7 .2916057 . 02285107 . 07 . 027 . 01，取 40mm肢尖：mmfhNlwffw8 .1216057 . 02285103 . 07 . 023 . 02，取 30mm（4）节点板尺寸：方法同前，如图 15 所示。图 15：屋脊节点“G”4、跨中下弦拼接节点“g” （图 16）（1）下弦杆拼接计算：下弦杆采用同号角钢，并采用削圆棱角和切去垂直肢宽度等构造处理。拼接接头一侧的连

31、接焊缝长度按下弦杆等强度计算，设焊缝mmhf8，每条焊缝所需长度为：mmfhAflwffw5 .23616087 . 042154 .39427 . 04，取 260mm取拼接角钢长度mmmmL51320205 .2362800（2）下弦杆与节点板连接焊缝计算：N=325.793kN，节点一侧的连接焊缝按下弦杆内力的 15%验算，设肢背、肢尖焊脚尺寸为mmhf8，节点板尺寸为 500450mm，节点一侧焊缝：cml220 . 10 . 2250。22/160/5 .4522087 . 0232579315. 07 . 0215. 0mmNfmmNlhNwfwfNf，2222/160/1 .54

32、22087 . 0266032579315. 07 . 02615. 0mmNfmmNlheNwfwfMf，222222/160/5 .63)22. 11 .54(5 .45)22. 1()(mmNfmmNwfMfNff（3）Gg 杆和 Fg 杆焊缝计算：此两杆内力都很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸fh=5mm，则焊缝长度wl取 50mm。（4）节点板尺寸：方法同前，如图 13 所示。图 16：跨中下弦拼接节点“g”5、支座节点“a” （图 16）（1）支座反力 R=6P=630.348=182.088kN，所需底板净面积25 .189676 . 9182088/mmfRAcn，取底板平面尺寸为 250 mm250mm。设底板锚栓孔径为 50mm，底板平面净面积为：22585733927625004502250250mmAn，底板下平均应力为：2/1 . 558573303480mmNARnmma1772/22501，,mmab5 .882/11由11/85/169.