某单层跨工业厂房机加工车间钢屋架设计计算书

钢屋架设计计算书一、设计资料北京地区某单层跨工业厂房机加工车间，跨度24m，长度72m，柱距6m。钢筋混凝土柱（混凝土等级为C30，上柱截面400×400）；钢屋架：1.5×6.0m预应力钢筋混凝土大型屋面板，钢屋架铰支于柱上；屋面坡度i=1/10车间内设有两台中级工作制吊车。钢屋架选用Q235B钢，焊条为E43型。荷载（标准值）：三毡四油防水层：0.4kN/m220mm水泥砂浆（20kN/m3）：0.40kN/m2保温层：0.4kN/m21.5×6m大型屋面板：1.4kN/m2屋架和支撑重：q=0.12+0.011L=0.384kN/m2悬挂管道：0.1kN/m2屋面活荷载标准值：0.50kN/m2雪荷载标值：0.40kN/m2屋面积灰荷载：0.30kN/m2二、屋架型式、尺寸、材料选择和支撑布置由于采用大型屋面板和油毡防水屋面，故选用平坡梯形钢屋架，未考虑起拱时的上弦坡度i=1/10。屋架坡度l=24m，每端支座中线缩进0.15m，计算跨度l0=l－2×0.15m=23.7m；端部高度取H0=2m，中部高度H=3.2m（≈l0/7.4）；起拱按f=l0/500，取50mm，起拱后的上弦坡度为1/9.6。配合大型屋面板尺寸（1.5×6m），采用屋架间距B=6m，上弦节间尺寸1.5m。选用屋架的杆件布置和几何尺寸如图-1。图-1屋架尺寸根据屋架荷载和地区计算温度情况，钢材采用Q235B，要求保证抗拉强度fu、伸长率δ、屈服强度fy、冷弯试验4项机械性能S、P、C三项化学成分的含量合格。焊条采用E43型焊条，手工焊。C级（粗制）螺栓和锚栓采用Q235-A·F钢，螺栓M20和锚栓M24。支撑布置：由于房屋长度为72m〉60m，所以在房屋两端、中间布置上、下弦横向水平支撑以及两端和中央垂直支撑。中间各屋架用系杆联系，上、下弦各在两端和中央设三道系杆，其中上弦屋脊处与下弦支座处共三道为刚性系杆。所有屋架采用同一规格，但因支撑孔和支撑连接板的不同，分为三个编号：WJ1a，WJ1b，WJ1c。三、荷载和杆件内力计算（1）屋架荷载屋面活动荷载按雪荷载（0.40kN/m2×1.4）和活荷载（0.50kN/m2×1.4）的较大值，取0.50kN/m2×1.4。屋架和支撑重按（0.12+0.011L）×1.2=0.384kN/m2×1.2；因屋架下弦无其他荷载，为方便认为屋架和支撑重全部作用于上弦节点。屋面做法和屋面板荷载按屋面倾斜面积计算，但因屋面坡度娇小（起拱后tgα=1/9.6，secα=1.0054），故近似取全部荷载均按水平投影面积计算。屋架全部荷载的设计值为：三毡四油防水层：0.4kN/m2×1.3520mm水泥砂浆（20kN/m3）：0.40kN/m2×1.35保温层：0.4kN/m2×1.351.5×6m大型屋面板：1.4kN/m2×1.35屋架和支撑重：0.384kN/m2×1.35悬挂管道：0.1kN/m2×1.353.084kN/m2×1.35=4.16kN/m2屋面活荷载：（0.30+0.50）kN/m2×1.4=1.12kN/m25.82kN/m2图—二屋架支撑布置（2）屋架杆件内力系数屋架上弦左半跨单位节点荷载作用下的杆件内力系数经计算如图。各节点的单位节点荷载按1.5m水平节间比例推算：节间C~H：1节点A：(1.15+1.35/2)/1.5=0.55节点B：[(1.35+1.5)/2]/1.5=0.95节点I：(1.5/2)/1.5=0.5图—三屋架计算简图及内力系数由于k=kR+kL，所以可仅建立半跨的计算模型，先计算半跨内力系数，然后利用半跨与全跨的关系求出全跨内力系数，屋架上弦左半跨单位节点荷载、右半跨单位节点荷载、全跨单位节点荷载作用下的屋架左半跨赶件的内力系数kL、kR、k=kL+kR按图，并已归入表中。（3）杆件内力组合组合1——全部恒、活荷载：全部恒、活荷载：q=5.82kN/m2，F=5.82×1.5×6=47.52kN，组合2——全跨恒荷载、半跨活荷载（相应于全跨恒、活荷载减去半跨活荷载）：活荷载：q=1.12kN/m2，F=1.12×1.5×6=10.08kN，组合3——全跨屋架和支撑重、半跨屋面板重和活荷载：屋架和支撑重：q=0.384×1.2=0.46kN/m2，F=0.46×1.5×6=4.14kN，屋面板重和活荷载：q=1.4×1.2+0.5=2.18kN/m2，F=2.18×1.5×6=19.62kN，内力计算详见表-1四、杆件截面选择1、上弦杆（1）确定内力及已知条件整个上弦采用等截面，按FG、GH杆件的最大设计内力设计，即，Q235钢f=215N/mm²；压杆[λ]=150；；（2）上弦杆计算长度：屋架平面内（取节间轴线长度）：屋架平面外（取支撑节点间距离）：（3）截面选择选用两个不等肢角钢，短肢相并（如图所示）,整体稳定系数Ф按b类，查表，中间节点板厚度选用14mm，制作节点板厚度选用16mm设，查Q235钢稳定系数表，可得则需要的截面面积：需要的回转半径：，根据需要（A、、）查角钢规格表，选用┐┏140×90×10，肢背间距，，,，（4）截面验算，，均满足：长细比，仅求查表，则：故所选截面合适2、下弦杆（1）确定内力及已知条件整个上弦采用等截面，按最大设计内力杆件的内力值设计，即，Q235钢；压杆；；（2）上弦杆计算长度：屋架平面内（取节间轴线长度）：屋架平面外（取支撑节点间距离）：（3）截面选择选用两个不等肢角钢，短肢相并（如图所示）,整体稳定系数Ф按b类，查表：中间节点板厚度选用14mm，制作节点板厚度选用16mm因跨中有通长系杆，所以所需截面面积：需要的回转半径：根据需要（A、、）查角钢规格表，选用┛┗140×90×8，肢背间距，（，,，）（4）截面验算，，，仅求故不考虑截面削弱,所选截面合适3、端斜杆aB（1）杆件轴力：（2）上弦杆计算长度：（3）截面选择，选用两个不等肢角钢，长肢相并（如图所示）,使。选用┐┏125×80×8，肢背间距，，,，（4）截面验算，，，仅求查表，则：故所选截面合适4、腹杆Fg（1）杆件轴力：最大拉力：最大压力：（2）计算长度屋架平面内：屋架平面外：（3）截面选择选用两个不等肢角钢，短肢相并（如图所示）,整体稳定系数Ф按b类选用2┗56×5，（，,，）（4）截面验算，，，仅求查表，则：拉应力：故所选截面合适5、竖杆Gg（1）杆件内力：，Q235钢f=215N/mm²；压杆[λ]=150；；（2）上弦杆计算长度：屋架平面内：屋架平面外：（3）截面选择选用两个不等肢角钢，短肢相并（如图所示）,整体稳定系数Ф按b类因杆件内力较小，取，根据需要（A、、）查角钢规格表，选用2┏56×5，，,，（4）截面验算，，，仅求查表，则：故所选截面合适其余各杆件的截面选择过程不再一一列出详见表1-2五、焊缝计算节点处杆件焊缝计算见后附腹杆焊缝计算表。焊缝最小构造尺寸用5~80mm。下弦杆焊缝计算表为下弦杆焊缝计算表。由腹杆焊缝要求确定的节点板宽度较大，故下弦杆hf均用构造最小值5mm（一般节点）或6mm（端节点和中央拼接接点），表列lw为满足计算的最低要求。上弦杆角钢尖焊缝计算表为上弦杆焊缝计算表。先画节点图，按腹杆焊缝要求确定节点板宽度l填入表中，再按此求出相应需要的hf2；但中央拼接接点的l比构造要求略予放大，使求得的hf2太大。上弦节点A、C、E、G的ΔN=0，表中不列，焊缝按构造确定（hf2=5mm满焊）。上弦杆角钢背槽焊缝按两条hf2=t/2=5mm角焊缝承受上弦节点荷载考虑，强度十分富裕，故计算书不再列出。六、节点设计节点设计的任务是根据杆件间隙的要求和焊缝要求，画1/2~1/5比例尺节点图，以确定杆端切断点位置和节点板尺寸，并将结果抄入屋架施工图中。由于所有焊缝尺寸已在附表中确定，一般节点可直接按此画图；只有下弦、上弦中央拼接节点和支座节点需作补充计算，如下：下弦拼接节点i下弦杆为140×90×8，拼接角钢用相同规格。角钢t=10mm，拼接角钢焊缝位于角钢尖，用hf=t-2=6mm。焊缝按等强度设计：［N］=Af=3608×215=775.7×103lw=［N］/(4×0.7hfffw)=775.7×103/(4×0.7×6×160)=288mm采用拼接角钢半长300mm，扣除半焊缝4mm和正反面焊口各8mm，焊缝计算长度为纵向288mm，考虑斜向后约290mm〉288mm，略有富裕。拼接角钢水平肢宽140mm，故采用斜切，尺寸见图。安装螺栓位置考虑连横向水平支撑时可应用，其与斜切边的边距经检查足够。拼接角钢竖肢原宽90mm，为焊缝需切肢：Δ=t+hf+5=8+6+5=19mm实用Δ=20mm，切肢后剩余高度h-Δ=70mm，端部采用直切。因高度已较小，竖肢上不再用安装螺栓。 （2）上弦拼接节点I：上弦杆起拼后坡度为1/9.6，截面为┐┌140×90×10，端部取直切；拼接角钢采用相同规格，热弯型。角钢t=10mm，角焊缝用hf=t-2=8mm，按轴心受压等强度设计：［N］=φAf=0.813×4452×215=778.2×103Nlw=［N］/(4×0.7hfftw)=778.2×103/(4×0.7×10×160)=173.7mm 采用拼接角钢半长250mm，扣除上口半缝隙14mm（下口半缝隙5mm，上口5+90/9.6≈14mm）和焊口10mm后，焊缝计算长度为226mm＞173.7mm，略有富裕。拼接角钢水平肢宽140mm，但考虑在较长范围内开设横向水平支撑连接螺栓孔的需要，只能采用直切。 拼接角钢竖肢原宽90mm，为焊缝需切肢：Δ=t+hf+5=10+8+5=23mm实用Δ=25mm，切肢后剩余高度h-Δ=65mm，端部采用直切。因高度已较小，竖肢上不再用安装螺栓。（3）支座节点a为便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取。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。1、支座底板的计算支座反力：设支座底板平面尺寸采用，如仅考虑有加劲肋的底板部分承受支座反力，则承压面积为。验算柱顶混凝土的抗压强度：支座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板分为四块，每块尺寸为：，均为两相邻边支承而另两相邻边自由，每块板的单位宽度的最大弯矩：其中：，，由，查表得则单位宽度的最大弯矩：底板厚度：，取2、加劲肋与节点板的连接焊缝计算加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝计算相似。偏于安全，取加劲肋的受力为屋架支座反力的1/4，即：则焊缝内力为：，，设焊缝，焊缝计算长度：则焊缝应力：3、节点板、加劲肋与底板的连接焊缝的计算设焊缝传递全部支座反力，其中每块加劲肋各传递，节点板传递节点板、加劲肋与底板的连接焊缝长度：所需焊脚尺寸：，取每块加劲肋与底板的连接焊缝长度：取（4）、下衔节点e各杆的内力由计算表查得用E43焊条时。角焊缝的抗拉，抗压和抗剪强度设计值。De杆的肢背和肢尖焊缝分别为6-110和5-80eF杆的肢背和肢尖的焊缝分别为6-80和5-80Ee杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定取5-80下弦与节点板连接的焊缝为6-110和6-100根据以上焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作，装配等误差，按比例制作出节点详图，从而确定节点板尺寸为500300（5）、上弦节点BBc杆与节点板的焊缝尺寸为7-160和6-90，aB杆与节点板的焊缝尺寸为8-170和7-110为了便于搁置屋面板，上弦节点板的上边缘缩进上弦肢背8，上弦角钢与节点板间用焊缝连接，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，认为集中力P与上弦垂直，P=47.52,=6.根据斜杆焊缝长度确定节点板尺寸，置得节点板长度510焊缝计算长度500则肢背焊缝应力为：τf=P/2helw=47.52103/20.76500=11.31N/mm2满足要求。肢尖焊缝承受弦杆内力差ΔN=411.5KN偏心距e=90-20=70mm偏心力矩M=ΔNe=411.510370=28.8KNm采用τf=ΔN/2helw=411.5103/20.78500=73.5N/mm2<QUOTEσf=M/2helwlw=628.8106/20.78500500=61.7N/mm2<QUOTE均满足要求七、屋架施工图※屋架施工图见附录八、参考文献1、陈绍蕃.钢结构（上、下册）.北京：中国建筑工业出版社，20052、王国周等.钢结构-原理与设计.北京：清华大学出版社，20053、钢结构设计规范（GB50017-2003）.北京：中国计划出版社，20034、房屋建筑制图统一标准（GB/T50001-2001）.北京：中国计划出版社，2002九、附录表1-1杆件内力组合表杆件内力系数单项荷载内力内力组合不利组合全跨半跨恒载活载组合一组合二组合三全跨半跨上弦杆AB000000000PQ000000000BC-8.659-6.198-324.192-87.282-62.475-411.476-386.66-136.086-411.476OP-8.659-2.461-324.192-87.282-24.806-411.476-349-56.0397-411.476CD-8.659-6.198-324.192-87.282-62.475-411.476-386.66-136.086-411.476NO-8.659-2.461-324.192-87.282-24.806-411.476-349-56.0397-411.476DE-13.46-8.992-503.942-135.67-90.639-639.619-594.58-197.777-639.619MN-13.46-4.468-503.942-135.67-45.037-639.619-548.98-100.873-639.619EF-13.46-8.992-503.942-135.67-90.639-639.619-594.58-197.777-639.619ML-13.46-4.468-503.942-135.67-45.037-639.619-548.98-100.873-639.619FG-15.18-9.128-568.339-153.01-92.010-721.354-660.34-201.354-721.354KL-15.18-6.06-568.339-153.01-61.084-721.354-629.42-135.637-721.354GH-15.18-9.128-568.339-153.01-92.010-721.354-660.34-201.354-721.354JK-15.18-6.06-568.339-153.01-61.084-721.354-629.42-135.637-721.354HI-14.70-7.353-550.368-148.17-74.118-698.544-624.48-163.148-698.544IJ-14.70-7.353-550.368-148.17-74.118-698.544-624.48-163.148-698.544下弦杆ac4.6783.438175.14447.15434.6550222.2986209.79975.43831222.2986oq4.6781.24175.14447.154212.4992222.2986187.64328.35715222.2986ce11.4527.945428.762115.43680.0856544.199508.848174.5795544.199mo11.4523.507428.762115.43635.3505544.199464.11379.51751544.199eg14.5679.288545.388146.83593.6230692.2238639.01204.5427692.2238km14.5675.279545.388146.83553.2123692.2238598.600118.6699692.2238gi15.1018.399565.381152.21884.6619717.5995650.043185.7054717.5995ik15.1016.702565.381152.21867.5561717.5995632.937149.3556717.5995中间腹杆Aa-0.55-0.55-20.592-5.544-5.544-26.136-26.136-11.9922-26.136Qq-0.550-20.592-5.5440-26.136-20.592-0.2112-26.136Ba-8.813-6.477-329.958-88.835-65.28-418.794-395.24-142.122-418.794Pq-8.813-2.336-329.958-88.835-23.546-418.794-353.50-53.4213-418.794Bc6.8624.756256.91369.168947.9404326.0822304.853104.5085326.0822Po6.8622.106256.91369.168921.2284326.0822278.14147.74553326.0822Cc-1-1-37.44-10.08-10.08-47.52-47.52-21.804-47.52Oo-10-37.44-10.080-47.52-37.44-0.384-47.52Dc-5.45-3.417-204.048-54.936-34.443-258.984-238.49-75.2849-258.984No-5.45-2.033-204.048-54.936-20.492-258.984-224.54-45.6397-258.984De3.6991.908138.49037.285919.2326175.7765157.72342.28978175.7765Nm3.6991.791138.49037.285918.0532175.7765156.54339.78364175.7765Ee-1-1-37.44-10.08-10.08-47.52-47.52-21.804-47.52Mm-10-37.44-10.080-47.52-37.44-0.384-47.52Fe-2.467-0.72-92.3644-24.867-7.2576-117.232-99.622-16.3697-117.232Lm-2.467-1.747-92.3644-24.867-17.609-117.232-109.97-38.3681-117.232Fg1.125-0.43542.1211.34-4.384853.4637.7352-8.8857-8.8857Lk1.1251.5642.1211.3415.724853.4657.844833.847257.8448Gg-1-1-37.44-10.08-10.08-47.52-47.52-21.804-47.52Kk-10-37.44-10.08-47.52-37.44-0.384-47.52Hg0.0121.5440.449280.1209615.56350.5702416.012833.0770933.077Jk0.012-1.5320.449280.12096-15.4420.57024-14.993-32.8108-32.81Hi-1.071-2.45-40.0982-10.795-24.696-50.8939-64.794-52.8903-64.794Ji-1.0711.384-40.0982-10.79513.9507-50.8939-26.14729.23402-50.8939Ii2.0481.02476.677120.643810.321997.3209686.99922.7205197.32096支座反力R86.0251.975380.16380.16表1-2杆件截面选择表杆件内力设计值N（KN）几何长度L（mm）计算长度（mm）截面型式及规格截面面积A（QUOTE）回转半径mm长细比稳定系数应力设计值σ（N/QUOTE）弦杆AI-721.3150815083016╥140*90*10445225.667.758.244.90.813199.3ai717.63000300011850╥140*90*8360825.967.374.8176.3198.89斜杆aB-418.8254325432543╥125*80*8319840.132.7126.688.30.702186.5Bc326.08261620932616╥70*6163221.532.696.980.7199.8cD-259.0287823022878╥90*6212727.940.592.879.30.671181.47De175.7286722942867╥50*596115.324.5149.0118.0182.83eF-117.2313825103138╥70*6163221.532.6115.197.80.455157.83Fg-8.8957.8312725023127╥56*5108317.226.9144.6117.10.324-25.353.37gH-32.8133.08340527243405╥63*5122919.429.6139.0115.80.343-77.826.9Hi-64.79339327143393╥63*5122919.429.6138.5115.40.345152.8竖杆Aa-26.13201520152015╥63*5122919.429.6102.868.50.53040.1Cc-47.52230018402300╥50*596115.324.5119.594.70.435113.67Ee-47.52260020802600╥50*596115.324.5135.1107.00.361136.9Gg-47.52290023202900╥56*5108317.226.9134.1108.60.366119.9Ii97.323200斜平面2880┾63*51229QUOTE=24.6QUOTE=117.179.19注：①节点板t=10mm（腹杆最大内力Nmax=-418.8kN）②f=215N/mm2[λ]=150（压）350（拉）表1-3腹杆焊缝计算表杆件内力设计值N（kN）需要焊缝（QUOTE）采用焊缝（mm）（计算时QUOTE按表值——10mm）双角钢角焊缝计算公式（QUOTE=160N/QUOTE）hf1lw1=N/320(N/344.6)hf2lw2=N/746.7(N/640)角钢背hf1lw1=k1N/2×0.7QUOTE=NQUOTE/224角