轻型屋面三角形钢屋架米跨度完整版

HENsystemofficeroom【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】HENsystemofficeroom【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】轻型屋面三角形钢屋架米跨度钢结构课程设计（说明书）题目12m轻型屋面三角形钢屋架设计指导教师付建科学生杨朗学号专业材料成型及控制工程班级完成日期 2014年 6月19日轻型屋面三角形钢屋架设计说明书学????指导教师：付建科?（三峡大学?机械与材料学院）设计资料与材料选择设计一位于杭州市近郊的单跨屋架结构(封闭式)，要求结构合理，制作方便，安全经济。原始资料与参数如下：①、单跨屋架总长36m,跨度12m，柱距S=4m；②、屋面坡度i=1∶3，恒载mm2，活(雪)载mm2；③、屋架支承在钢筋混凝土柱顶，混凝土标号C20，柱顶标高6m；④、屋面材料：波形石棉瓦(1820×725×8)；⑤、钢材标号：,其设计强度为215N∕mmEQEQ⑥、焊条型号：E43型；⑦、荷载计算按全跨永久荷载+全跨可变荷载(不包括风荷载)，荷载分项系数取：γG=，γQ=。屋架形式及几何尺寸对于于屋面坡度较大(i≤1/8)的屋盖结构多用三角形钢屋架，而且三角形芬克式轻型钢屋架一般均为平面桁架式，其构造简单，受力明确，腹杆长杆受拉，短杆受压，受力较小，且制作方便，易于划分运送单元，适用于坡度较大的构件自防水屋盖。本课题采用八节间的三角形芬克式轻钢屋架。已知屋面坡度i=1∶3，即，屋面倾角：屋架计算跨度：L0=L-300=12000-300=11700mm屋架跨中高度：上弦长度：上弦节间长度：上弦节间水平投影长度：根据已知几何关系，求得屋架各杆件的几何长度如图1所示(因对称，仅画出半榀屋架)。3屋架支撑布置屋架的支撑①.在房屋两端第一个柱间各设置一道上弦平面和下弦平面横向支撑(如图2)。②.在与横向支撑同一柱间的屋架长压杆D-2和D-2′处各设置一道垂直支撑，以保证长压杆平面的计算长度符合规范要求。③.对于有檩屋架，为了协调支撑，在各屋架的下弦节点2和2′各设置一道通长柔性水平系杆，始、终端连于屋架垂直支撑的下端节点处。④.上弦横向支撑和垂直支撑节点处的水平系杆均由该处的檩条代替。屋面檩条及其支撑1.确定檩条波形石棉瓦长1820mm，要求搭接长度≧150mm，且每张瓦至少要有三个支承点，因此最大檩条间距则半榀屋面所需檩条数考虑到所需平面横向支撑节点处必须设置檩条，实际取半跨屋面檩条数=9根，檩条间距可以满足要求。这里我们试选用[8槽钢，查型钢表可得，，。檩条在屋面荷载q的作用下将绕截面的两个主轴弯曲。若荷载偏离截面的弯曲中心，还将受到扭矩的作用，但屋面板的连接能起到一定的阻止檩条扭转的作用，故设计时可不考虑扭矩的影响，而按双向受弯构件计算。型钢檩条的壁厚较大，可以不计算其抗剪和局部承压强度。2．檩条验算⑴.荷载计算恒载,活载，则檩条均布荷载设计值图3所示实腹式檩条在屋面竖向荷载q作用下，檩条截面的两个主轴方向分布承受和分力作用。图3槽钢檩条受力示意图则⑵．强度验算檩条承受双向弯曲时，按下列公式计算强度：查表可知截面塑性发展系数，，故所以满足要求。⑶．刚度验算当檩条间设有拉条时，檩条只需计算垂直于屋面方向的最大挠度，计算挠度时，荷载应取其标准值。荷载标准值：则能满足刚度要求。4屋架的内力计算杆件的轴力载荷计算：恒载，活载，屋面水平投影面上的荷载设计值为为求杆件轴力，把荷载化成节点荷载：由于屋架及荷载的对称性，只需计算半榀屋架的杆件轴力。由《建筑结构静力计算手册》查得内力系数，计算出各杆内力如表。图表1杆件内力系数及内力值杆件内力系数内力设计值全跨屋面荷载P的内力系数ABBCCDDEA-11-22-3B-1D-4C-1C-4C-2E-300E-42-4上弦杆的弯矩屋架上弦杆在节间荷载作用下的弯矩，按下列近似公式计算：上弦杆短节间的最大正弯矩其他节间的最大正弯矩和节点负弯矩是视上弦节间杆段为简支梁时的最大弯矩，计算时屋架及支撑自重仅考虑上弦杆重量。上弦杆节间集中荷载节间简支梁最大弯矩端节间最大正弯矩其它节间最大正弯矩和节点负弯矩5、屋架杆件截面设计根据弦杆最大内力查《钢结构设计指导与实例精选》P159页表3-12钢屋架节点板厚度选用表，可选择支座节点板厚度8mm，中间节点板厚度6mm。角钢规格不宜小于∟45×4或56×36×4，有螺栓孔时，角钢的肢宽须满足螺栓间距要求。放置屋面板时，上弦角钢水平肢宽须满足搁置尺寸要求。上弦杆整个上弦杆采用等截面通长杆，以避免采用不同界面时的杆件拼接。弯矩作用平面内的计算长度侧向无支撑长度对于由两个角钢组成的T形截面压弯构件，一般只能凭经验或参考已有其它设计图纸试选截面而后进行验算，不合适时再作适当调整，直至合适为止。试选上弦杆截面为2∟80×7，查《钢结构设计》得其主要参数：,,,,,截面塑性发展系数，⑴.刚度验算(截面无削弱)条件取A—B段上弦杆(最大内力杆段)验算：轴心压力：最大正弯矩(节间)：最大负弯矩(节点)：正弯矩截面：负弯矩截面：由以上计算知上弦杆强度满足要求。⑵.弯矩作用平面内的稳定性计算应按下列规定计算：①对角钢水平肢1(b)②对角钢竖直肢2(c)其中式(c)仅当弯矩使较大翼缘即角钢水平肢受压时才需计算。参见图，可见上弦杆段A—B的内力最大，最大正弯矩在节间，最大负弯矩在节点处。在节间，正弯矩使角钢水平肢受压，；在节点处，负弯矩使角钢水平肢受拉，。因所考虑杆段相当于两端支承的构件、杆上同时作用有端弯矩和横向荷载并使构件产生反向曲率的情况，故按规范第5.2.2条取等效弯矩系数属b类截面，查《钢结构》P339页附表17-2b类截面轴心受压杆件的稳定系数。欧拉临界力杆段A—B轴心压力用最大正弯矩进行验算：，，，用最大负弯矩进行计算：，，由以上计算知平面内长细比和稳定性均满足要求。⑶.弯矩作用平面外的稳定性验算条件因侧向无支撑长度为，故应验算上弦杆A—B—C段在弯矩作用平面外的稳定性。等效弯矩系数轴心压力，计算长度属b类截面，查《钢结构》P339页附表17-2b类截面轴心受压杆件的稳定系数用最大正弯矩进行验算：，对弯矩使用角钢水平肢受压的双角钢T形截面，规范规定完整体稳定系数可按下式计算：得用最大负弯矩进行验算：，对弯矩使角钢水平肢受拉的双角钢T性截面，规范附录一公式规定取受弯构件整体稳定系数。得平面外长细比和稳定性均满足要求。⑷.局部稳定性验算条件(规范第5.4.1)翼缘自由外伸宽厚比腹板高厚比应满足：当时，当时，对由2∟80×7组成的T性截面压弯构件：翼缘，满足局部稳定性要求，且前面计算所取分别为和无误。腹板，亦满足要求。所选所选杆截面完全满足各项要求，截面适用。、下弦杆(轴心受拉杆件)整个下弦不改变截面，采用等截面通长杆。在下弦节点“2”(拼接节点)处，下弦杆角钢水平肢上开有直径为的安装螺栓孔。因此算下弦杆强度时，必须考虑及此。此外，选截面时还要求角钢水平肢(开孔肢)的边长，以便开的孔。首先按杆段(该段截面上无孔)的强度条件和下弦杆的长细比条件来选择截面。杆段轴心拉力下弦杆的计算长度为：(取下弦杆2—3段的长度)需要查《钢结构》P325页附表4，选用2∟56×36×4，短边相连，其相关参数为：，，，截面塑性发展系数，⑴.强度验算杆段：，节点“2”：(杆的轴力)下弦杆强度满足要求。⑵.长细比验算下弦杆长细比满足要求。所以所选下弦杆截面适用。腹杆(轴心受力构件)1.短压杆、,因内力较小、杆件较短，拟采用单角钢截面、通过节点板单面连接。先按长细比要求试选截面，然后进行验算。斜平面计算长度需要查《钢结构》P320页附表3，选用L40×4:,对于b类截面，查《钢结构》P339页附表17-2，单面连接的单角钢构件按轴心受压计算稳定性时的强度设计值折减系数(规范第3.2.2条)：故所选截面适合。2.较长的长压杆,因内力较小、杆件较短，拟采用单角钢截面、通过节点板单面连接。先按长细比要求试选截面，然后进行验算。斜平面计算长度需要选用L40×4:,对于b类截面，查表有又要满足，故所选截面适合。3.拉杆和，，需要选用2∟40×4，T形截面：，，。可以满足使用要求。4.长吊杆，。因吊杆不连垂直支撑，故按拉杆长细比条件选择截面。采用单面连接的单角钢截面需要选用∟40×4：，，可以满足要求。5．拉杆和，，需要满足，选用2L40×4，T形截面：，，，可以满足使用要求。、填板设置于尺寸选择两杆承载不大，中间可以不需要设置填板。6、屋架节点设计角焊缝强度设计值(E43型焊条)。布置桁架杆件时，原则上应使杆件形心线与桁架几何轴线重合，以免杆件偏心受力。为便于制造，通常取角钢肢背至形心距离为5mm的整倍数。屋架各杆件轴线至各杆件角钢背面的距离按下表采用，表中为杆件重心线至角钢背面的距离。表屋架各杆件轴线至各杆件角钢背面的距离杆件名称杆件截面重心距离(mm)轴线距离(mm)备注上弦杆80×725下弦杆56×36×410短压杆B-1、D-440×415单面连接拉杆E-42-440×415中央吊杆E-340×415短边单面连接长压杆C-240×415单面连接拉杆C-1C-440×415屋架各腹杆与节点板间连接焊缝的焊脚尺寸hfi和焊缝实际长度li(=lwi+10mm)按《钢结构》P202第节进行计算，列于下表中。所需焊缝计算长度lwi由下列计算公式得到：双角钢T形截面杆件单面连接的单角钢杆件式中——角钢背部()或趾部()角焊缝的轴力分配系数。对等边角钢：，；对短边相连的不等边角钢：，；——单面连接单角钢角焊缝强度设计值的折减系数(规范第3.2.2条)。腹杆与节点板间的连接角焊缝尺寸杆件名称杆件截面杆件内力(kN)角钢背部焊缝(mm)角钢趾部焊缝(mm)hf1lw1l1hf2lw2l2短压杆B-1、D-4∟40×44405044050拉杆C-1C-4L40×44405044050吊杆E-3∟40×404405044050长压杆C-2∟40×44405044050长拉杆2-4E-4∟40×44405044050根据运输允许的最大尺寸，把屋架划分为六个运送单元：每半跨分为两个小桁架（A-C-2桁架与C-E-2桁架）以及左右跨中的两节水平下弦杆和中央吊杆，在节点E、C、2、3和C′、2′处设置工地拼接。(一)支座节点1.下弦杆与节点板间连接焊缝计算，，取角钢背部焊脚尺寸，角钢趾部焊脚尺寸，按焊缝连接强度要求得：背部趾部实际焊缝长度采用角钢背部、趾部。2.按以下方法、步骤和要求画节点大样，并确定节点板尺寸(1)严格按几何关系画出汇交于节点的各杆件轴线(轴线至杆件角钢背面的距离按表采用)；(2)下弦杆与支座底板之间的净距取(符合大于和大于下弦杆角钢水平肢宽的要求)；(3)按构造要求预定底板平面尺寸为，使节点的垂直轴线通过底板的形心；(4)节点板上部缩进上弦杆角钢背面(式中为节点板厚度)，取上、下弦杆端部边缘轮廓线间的距离为和根据下弦杆与节点板间的连接焊缝长度等，确定节点板尺寸如图所示。3.上弦杆与节点板间连接焊缝计算，(节点荷载)节点板与角钢背部采用塞焊缝连接(取)，设仅承受节点荷载。因值很小，焊缝强度不必计算，一定能满足要求。令角钢趾部角焊缝承受全部轴心力及其偏心弯矩的共同作用，其中取趾部焊脚尺寸，由节点图中量得实际焊缝长度(全长焊满时)，计算长度：取最大计算：可见焊缝强度满足要求。4.底板计算支座反力混凝土锚3栓直径采用，底板上留矩形带半圆形孔；锚栓套板采用—，孔径。底板面积底板与钢筋混凝土柱顶面间的接触面面积触面上压应力满足混凝土轴心抗压强度要求，预定底板尺寸适合。(2)底板厚度底板被节点板和加劲肋划分成四块相同的相邻边支承的小板，板中最大弯矩(取单位板宽计算)：(1)式中(参阅图)：斜边斜边上之高，查表得，代入式(1)：按底板抗弯强度条件(注：当时，按悬伸长度为的悬臂板计算)，需要底板厚度：采用，所以底板选用—。5.节点板、加劲肋与底板间水平连接焊缝计算因底板为正方形，故节点板和加劲肋与底板的连接焊缝各承担支座反力的50%。(1)节点板与底板间水平连接焊缝承受轴心力焊缝计算长度需要构造要求，采用，满足要求。(2)加劲肋与底板间水平连接焊缝承受轴心力焊缝计算长度需要按构造要求可采用满足要求。6.加劲肋与节点板间竖向连接焊缝计算加劲肋厚度采用，与中间节点板等厚。每块加劲肋与节点板间竖向连接焊缝受力：焊缝计算长度需要构造要求采用，满足要求。由以上计算可见，底板和加劲肋及其连接焊缝均是构造控制，这是因为本设计屋架荷载较小之故。(二)上弦一般节点1.按以下方法、步骤和要求绘制节点的详图：(1)严格按几何关系画出汇交于节点的各杆件轴线(轴线至各杆件角钢背面的距离按表采用)；(2)节点板上部缩进上弦杆角钢背面、取上弦杆与短压杆轮廓间距为，和根据短压杆与节点板间的连接焊缝尺寸等，确定节点板尺寸；(3)标注节点详图所需各种尺寸。2.上弦杆与节点板间连接焊缝计算，，节点荷载假定全部由上弦杆角钢背部塞焊缝承受，取焊脚尺寸(为节点板厚度)，因值很小焊缝强度不必计算。上弦杆角钢趾部角焊缝假定承受节点两侧弦杆内力差及其偏心弯矩的共同作用，其中：由图中量得实际焊缝长度，计算长度需要构造要求，采用，满足要求。其它上弦一般节点(节点和)的设计方法、步骤等与节点相同，节点详图如图示。(三)屋脊拼接节点，1.拼接角钢的构造和计算拼接角钢采用与上弦截面相同的2∟80×7。拼接角钢与上弦杆件连续焊缝的焊脚尺寸取，为保证两者紧贴和施焊以保证焊缝质量，铲去拼接角钢角顶棱角：(为角钢内圆弧半径)切短拼接角钢竖肢如图所示。拼接接头每侧的连接焊缝共有四条，按连接强度条件需要每条焊缝的计算长度：拼接处左、右弦杆端部空隙取，需要拼接角钢长度：为保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度。此外，因屋面坡度较大，因将拼接角钢的竖肢剖口：，采用。如图示，先钻孔再切割，然后冷弯对齐焊接。2.绘制节点详图绘制方法、步骤和要求与上弦一般节点基本相同，腹杆与节点板间连接焊缝尺寸按表采用。为便于工地拼接，拼接处工地焊一侧的弦杆与拼接角钢和受拉主斜杆与跨中吊杆上分别设置直径为和的安装螺栓孔，节点详图如图所示。3.拼接接头每侧上弦杆与节点板间连接焊缝计算弦杆轴力的竖向分力与节点荷载的合力：设角钢背部的塞焊缝承受竖向合力的一半，取，需要焊缝计算长度(因很小，不计其偏心影响)：由图中量得实际焊缝长度为，远大于，因此认为焊缝满足计算要求。在计算需要的时没有考虑斜焊缝的强度设计值增大系数。再设角