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1、精选优质文档-倾情为你奉上钢结构设计第一节 钢屋架课程设计任务书 一、设计题目 24m跨钢屋架设计。 二、设计任务 1材料选择。 2屋架形式及屋架几何尺寸的确定。 3屋架及屋盖支撑的布置。 4屋架的结构设计。 5绘制屋架施工图。 三、设计资料 西安某厂一车间长度为72m，跨度24m，柱距6 m。内设两台205t中级工作制桥式吊车和两台5t锻锤，冬季计算温度为20C，设防烈度为8度，近震。屋面采用1560m大型屋面板，卷材防水屋面（其具体构造已由建筑设计确定），屋面坡度i=110。屋活荷载标准值07kNrn2，雪荷载标准值05kNm2，积灰荷载标准值075kNm2。第二节 钢屋架设计计算 一、屋
2、架类型 由于车间内部设有M台5t锻锤，又具有加热设备炉。拟采用钢屋架，钢筋混凝土柱，混凝土采用 C25（fc= 125Nmm2）。 二、钢材及焊条 根据该地区的冬季计算温度和荷载性质，钢材采用AY3F(甲类顶吹氧气转炉3号沸腾钢)，要求保证抗拉强度，伸长率。屈服强度，冷弯试验及碳、硫、磷含量合格。屋架连接方法采用焊接，焊条选用E43型，手工焊，根据结构的重要性，焊缝质量要求达到一级标准。 三、屋架形式及几何尺寸 因屋面采用预应力混凝土大型屋面板，屋面坡屋i=110，故采用梯形屋架。屋架计算跨度取支柱轴线间的距离减去300mm。=2150=24000300=23700mm。 屋架端部高度H0=1
3、990mm（H0与屋架中部高度及屋面坡度相关，我国常将H0取为182lm等较整齐的数值，以利多跨屋架时的屋面构造。当屋架与柱刚结时，H0有足够的大小，亦能较好地传递支座弯矩而不使端部弦杆产生过大内力）。 屋架中部高度 H=H0i1990十0.1=3190mm 屋架的高跨比H=319024000=l75，在经济范围（16110）内，为使屋架上弦只受节点荷载，腹杆体系采用节间为3m的人字形式，156m屋面板传来的荷载，正好作用在节点上，使之传力更好。 屋架跨中起拱50mm（l500）几何尺寸如图l所示。图1图2GWJ一屋架；SC一水平支撑；LG一系杆；CC垂直支撑 四、支撑布置 根据车间长度72m
4、，屋架跨度=24m荷载情况，以及吊车、锻锤设置情况，布置三道上、下弦横向水平支撑，二道纵向水平支撑，垂直支撑和系杆（如图2）屋脊节点及屋架支座处沿厂房通长设置刚性系杆，屋架下弦沿跨中通长设一道柔性系杆。凡与支撑连接的屋架（两端和中间共6榀屋架），编号为GWJ2，其它编号均为GWJ1。 五、荷载和内力计算 1荷载计算 屋面活荷载与雪载一般不会同时出现，从前面可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载进行计算。 屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式pw=（0120011跨度）计算，跨度单位为m。 永久荷载标准值：三毡四油绿豆砂 035kNm220厚1：3水泥砂浆找平层 00220=04
5、0kNm2泡沫混凝土保温层80厚 0086=048kNm2大型屋面板（含灌缝） 140kNm2屋架和支撑自重 012001124=038kNm2管道自重 01kNm2 311kNm2可变荷载标准值屋面活载 07kNm2积灰荷载 075kNm2 145kNm2 以上荷载计算中，因屋面坡度较小，风荷载对屋面为吸力，对重屋盖可不考虑，所以各荷载均按水平投影面积计算。 永久荷载设计值：12311=373kNm2 可变荷载设计值：14145=203kNm2 2荷载组合 设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合： （1）全跨永久荷载十全跨可变荷载 屋架上弦节点荷载： P=（373203）156=5184kN 支
6、座反力：RA=5184（1227）=41472kN =RA（屋架另一端支座） （2）全跨永久荷载十半跨可变荷载 屋架上弦节点荷载：P半=373156=3357kN P半2031561827kN （3）全跨屋架与支撑十半跨屋面板十半跨屋面活荷载 全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载： P全=12038156=410kN 作用于半跨的屋面板及活载产生的节点荷载。取屋面可能出现的活载（即不利活载） P全=（12 14 l4 07）156=2394kN以上（1），（2）为使用阶段荷载组合，（3）为施工阶段荷载组合。图3（注）全跨节点作用单位荷载时各杆内力图解；（b）半跨，节点作用单位荷载时各杆内力图解 3
7、内力计算 按图解法，解析法或电算法均可计算屋架各杆件内力。 本设计采用图解法计算内力。应用图解法求得单位荷载作用于全跨及半跨各节点的各杆内力，即内力系数，然后可求出当荷载作用于全跨及半跨各节点时的杆件内力，并求出三种荷载组合下的杆件内力，取其中不利内力（正、负最大值）作为设计屋架的依据。具体计算见图3。屋架各杆件内力组合见表1。全跨永久荷载十全跨可变荷载组合各杆件计算内力图 由上述计算可见，跨中附近斜腹杆的内力发生变号，是由于考虑了施工阶段荷载的不利分布，如果按照正确的施工方法，屋面板采用对称吊装，就不会出现杆件内力的变号。 六、杆件截面设计 1上弦 整个上弦不改变截面，按最大内力设计（见内力
8、图），NkM= 79056kN。 上弦杆计算长度：在屋架平面内，为节间轴线长度= 1508m m；在屋架平面外，根据支撑布置和内力变化情况取=21508=3016mm（按大型屋面板与屋架保证三点焊，故取两块屋面板宽度）。 因为=2，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。 腹杆最大内力N= 45876kN（压力需稳定计算），查（上一章）表4，节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。 （上一章）表4 桁架节点板用度选用表梯形屋架腹杆最大内力或三角形屋架弦杆最大内力（kN）节点板钢号Q235180190300310490500680690900Q345250260370380550560
9、740750980中间节点板厚度（mm） 6 8 10 12 14支座节点板厚度（mm） 8 10 12 14 16上弦杆截面：（T型轴心受压构件应计算yz） 设= 6 0，按 3号钢（Q235），轴心受压构件属 b类载面。查附表 44，得=0807。 需要截面积A=4556mm2，需要的回转半径： 根据A、ix、iy查附表325，p396页，选用2L1409010，A=44522mm2，ix=256m iy677mm。 按所选角钢进行验算： （满足要求） 由于xy，只需求x，查附表44得，x=0813 所选截面合适，如 图4所示。 垫板每个节间设一块。 2下弦 整个下弦也不改变截面，按最大内
10、力NDE=78797kN设计（拉力不需稳定计算）。按下弦支撑布置情况：=3000mm，=6000mm计算所需下弦截面净面积： 根据A 查附表325, 选用2L1258010（短肢相并），A=39424mm2，ix=226mm，iy=611mm，截面如图5所示。图4 图5 验算：如果连接支撑的螺栓孔中心至节点板边缘距离不小于100mm，螺栓孔对下弦截面的削弱可不考虑，所以An=A。 （满足要求）每个节间设一块垫板。 3、端斜杆AG（T型轴心受压构件应计算yz） NAG= 45878kN，= 2535mm。查附表325,节点板厚度选用10mm，如选用 2L125808，长肢相并，则 A=31978
11、mm2，ix=401mm，iy327mm。验算， 由于yx，只需求y，查附表44有min=y=0704 满足要求，截面如图6所示。 图6 图7 4斜腹杆GB NGB= 3577kN，拉杆，几何长度，为=2608mm，=08=082608=20864mm，=2608mm。 所需截面面积： 查附表324（等边角钢组合表）,节点板厚度选用10mm，选用2 L806，则A=1880mm2，ix=247mm，iy=365mm验算： 满足要求，截面如图7所示。5竖杆AF、BH、CJ、DL、EN（T型轴心受压构件应计算yz） NAF=NBH=NCJ=NPL=NEN= 5184kN，其内力大小相同，选用长细比
12、较大的竖杆进行设计，则可保证其他竖杆的安全可靠性。NDL= 5184kN，=08=082890=2312mm，=2890mm。内力较小，按各杆允许长细比而150选择角钢，所需回转半径为: 根据A、ix、iy查附表324，节点板厚度选用10mm，选用2L565，则 A1083mm2，ix172mm，iy269rnm 满足要求。 根据布置螺栓的要求，端竖杆及中间竖杆最小应当选用2L635的角钢，采用十字形截面，由附表324知， A=1229mm2，iox=245mm，因十字形截面x0主轴与桁架平面斜交，故计算长度= 09 端竖杆AF：= 09=091990=1791mm 查附表 44有：x=074
13、9 中间竖杆EN：= 09=093190=2871mm 由2L635组成的十字形截面，iox=245mmis=1914mm，满足要求，截面如图8所示。（轴心受压构件稳定计算？）图8 图9 6斜腹杆BI NBI= 28512kN，=08=082869=22952，=2869 mm 查附表324，如选用2L906，则A=2127mm2，ix=279mm，iy=405mm 验算： “ 查附表44有：min=x=0669 满足要求，截面如图9所示。 7斜腹杆IC NIC19233kN，0808285922872mm，2859mm 选用2 L635，A=1229mm2，ix=194mm，iy=297mm
14、 验算： 满足要求。 8斜腹杆CK Nck1296kN，0808312925032mm，=3129mm， 选用 2L755，则 A=1473mm2，ix=233mm，iy=345mm 验算： 查附表4一4得min=x=0508 满足要求。 9斜腹杆 KD、DM、ME ，NME= 7918kN，三杆可以选择内力较大杆件进行计算。67kN较大，按67kN选截面积。 08 08 311924952mm，3119mm 选用 2 L635，A=1229mm2，ix=194mm，iy=297mm 验算： 满足要求按N=NME= 7918kN验算： 0808 33852708mm，3385mm 选用 2L6
15、35，则 A=1229mm2，ix=194mm，iy=297mm 验算： 查附表44得min=x=0392 满足要求。各杆件选用见表 2屋架杆件一览表 表42七、节点设计1下弦节点B 各杆的内力由计算表 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，然后根据的大小按比例绘出节点板的形状和大小，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。 用E43焊条时，角焊缝的抗拉、拉压和抗剪强度设计值=160Nmm2。设BG杆的肢背和肢尖焊缝hf=6mm和5mm，所需焊缝长度由式（819）为： 肢背（K1查表81） 肢尖（K2查表81） 肢背=，取=220mm 肢尖=，取=1
16、20mm 设BI杆的肢背与肢尖的焊缝hf分别为6mm和5mm 肢背=，取=180mm 肢尖=，取=100mm BH杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定取hf=5mm 根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作、装配等误差，按比例作出节点详图（见图10），从而确定节点板尺寸为360410mm。 图10 B节点 下弦与节点板连接的焊缝长度为410mm，hf=5mm，焊缝所受的力为左右下弦杆的内力差N=59616（AB杆力）24365（BC杆力）=35251kN=N（焊缝受轴力），受力较大的肢背处焊缝应力为 f= 焊缝强度满足要求。 2上弦节点 GB杆与节点板的焊缝尺寸和节点B相同，AG
17、杆与节点板的焊缝尺寸按上述方法计算。 NAG45878kN肢背：hf=10mm，= 实际取=160mm肢尖：hf=6mm，= 实际取=140mm图11G节点 为了便于搁置屋面板，上弦节点板的上边缘缩进上弦肢背8mm，上弦角钢与节点板间用槽焊连接，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=5184kN，hf=5mm。根据斜杆焊缝长度确定节点板尺寸，置得节点板长度440mm（见图11）焊缝计算长度=44010=430mm，设上侧焊缝负担垂直焊缝的全部力（见例92），则肢背焊缝应力为： 122160=1952Nmm2肢尖焊缝承受弦杆内力差N及偏心力弯距M。N=NGHNGF=4510
18、kN 偏心距e=90212=688mm（查附表35得L1409010的x0=212mm） 偏心力距M=Ne=4510103688=310107Nmm，采用hf=8mm则 f=N2he=45101032078430=936Nmm2 3屋脊节点N 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，且便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，并截去垂直肢的一部分宽度（一般为thf5mm）。拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。 设焊缝高度hf=8mm，则所需焊缝计算长度为： ，取=230mm。 拼接角钢长度取 500mm2230=460mm上弦与节点板间的
19、槽焊，假定承受节点荷载，验算略（可用公式计算焊缝长度，宜将 乘 以08）。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=8mm，节点板长度为430mm（见下图），节点一侧弦杆焊缝的计算长度为=5（弦杆端头的间隙）10=200mm，焊缝应力为： 图12 屋脊节点N4下弦跨中节点设计 跨中起拱50mm，下弦接头设于跨中节点处，连接角钢取与下弦杆相同截面2L1258010，焊缝高度hf=8mm，焊缝长度，取=230mm连接角钢长度=223010=470mm，取=480mm。 肢尖切去=thf+5=1085=23mm，截面削弱A=2310=230mm2。 (满足要求) 下弦杆与节
20、点板，斜杆与节点板之间的连接焊缝均按构造设计。 因屋架的跨中高度较大，需将屋架分成两个运输单元，在屋脊和下弦跨中设置工地拼接节点，左半边的上弦、斜杆和竖杆与节点连接采用工厂焊，而右半边的上弦，斜杆与节点板的连接采用工地焊。 腹杆与节点板连接焊缝的计算方法与以上几个节点相同。图13 节点E（以上各个节点板缺节点板强度、稳定验算，及具体尺寸） 5支座节点 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。加劲助取4608010mm，节点板取46038012mm的钢板。 （1）支座底板的计算。 支座反力R=518417=41472kN 按构造要求采用底板面
21、积为 ab=280340mm2，若仅考虑加劲助部分底板承受支座反力R，则承压面积为280（28012）=48160mm2 验算柱顶混凝土的抗压强度。 fc=125N/mm2 （满足） 底板的厚度按屋架反力作用下的弯距计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两相邻边支承，而另两相邻边自由的板，每块板单位宽度的最大弯距为：Ma12式中，底板下的平均应力，=861Nmm2； a1两支承边之间的对角线长度 a1= 系数由b1a1决定。 b1a1=713715692=043，查得=00452 表6 值表b1/a10.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.10 1.2 1.40.02
22、6 0.042 0.058 0.072 0.085 0.092 0.104 0.111 0.120 0.125故M=a12 =00452861156922=95829Nmm 底板厚t，取t=20 mm （2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算 加劲肋高度取与支座节点板相同，厚度取与中间节点板相同（即8010460），一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力为四分之一的支反力： M=Ve10368103505184106Nmm 设焊缝hf=6mm，焊缝计算长度=4601015=435mm，则焊缝应力为： f=V2he =103681032076435=2837Nmm2（3）节点板，加劲肋与底板的连接焊缝。 设
23、焊缝传递全部支座反力R=41472kN，其中每块加劲助各传R=10368kN，节点板传递R=20736kN。 节点板与底板的连接焊缝长度 =2（30010）=580mm，所需焊脚尺寸为，取hf=6mm 每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为 （10015-10）2150mm 所需焊缝尺寸为，取hf=8mm其它节点设计方法与上述方法类似，此处从略。具体见屋架施工图；屋架的施工图如图14所示。第三节 钢屋架设计中应注意的问题 钢屋架一般由角钢作为弦杆和腹杆，以钢板作为连接各杆的节点板，用焊接加以结合组成的钢结构。可以跨越很大的空间，强度高，在竖向平面内刚度大，受力性能好，构造简单，施工方便，轻，广泛应用
24、于工业与民用建筑的屋盖结构中。但由于钢材易于锈蚀，往往需要一定的维修费用。 在钢屋架的结构设计中，应当注意以下几点。 一、屋架的形式 屋架的外形主要有三角形，梯形和平行弦屋架三种。在确定屋架外形时应当考虑房屋的用途，建筑造型和屋面排水的要求。从受力角度出发，屋架外形应当考虑在制造简单条件下，尽量与梁的弯距图相近，以便弦杆（上、下弦杆）全长受力接近，腹杆受力较小。腹杆的布置应使杆件受力合理，节点构造易于处理尺量使长杆受拉，短杆受命腹杆数量少而总长度短。弦杆不产生局部弯矩，腹杆与弦杆的交角宜在3555之间，最好在45左右。要同时满足上述要求是很困难的，应当根据具体情况，全面考虑，确定合理的屋架形式
25、。 梯形屋架的外形与弯矩图比较接近，受力较三角形屋架要好，且腹杆较短，屋面坡度小，采用柔性防水屋面，卷材不易滑移，所以，是一种较好形式的屋架。可作成有檩屋盖和无檩屋盖。如屋盖采用大型屋面板的无檩体系时，其上弦节点，应当与屋面板宽配合，使屋面板的荷载作用在屋架上弦节点上，使上弦杆不致产生局部弯矩。如果上弦节点间长度过大，可用再分式腹杆，使屋面板荷载直接传到节点上。 梯形屋架与柱的连接，可以铰接，也可以刚接。 二、屋盖的支撑体系 屋架是屋盖结构中最主要的承重构件。虽然屋架之间有檩条或屋面板联系，但仍然是一不稳定的空间体系。通过合理设置支撑，将屋盖变成几何不变体系；支撑还可保证屋盖的刚度和空间的整体
26、性，以减少屋盖在水平力作用下的变形；支撑为屋架弦杆提供了侧向支点，以减少杆的计算长度，使受压杆保证侧向的稳定，使受拉杆具有足够的刚度；支撑还能传递水平荷载；并能保证屋架在施工安装时的稳定与方便。所以屋盖支撑体系是屋盖结构中必不可少的组成部分。 根据支承设置的位置，屋盖支撑可分为； 1上弦横向水平支撑； 2下弦横向水平支撑； 3纵向水平支撑； 4垂直支撑； 5系杆。 关于屋盖支撑如何布置，请参阅钢结构教材，或各种钢结构设计手册。 三、荷载组合 对屋架的作用荷载，既有永久荷载，也有可变荷载。其中可变荷载可能这样也可能那样作用于屋架。所以屋架的内力应根据使用和施工阶段可能出现的最不利荷载组合计算。一
27、般考虑以下三种组合。 1永久荷载十可变荷载； 2永久荷载十半跨可变荷载； 3屋架，支撑和天窗架自重十半跨屋面板重十半跨屋面板活荷载。 在梯形屋架中，屋架的上、下弦杆和靠近支座处的腹杆，常按第一种荷载组合计算；而跨中附近的腹杆，在第二、三种荷载组合作用下，可能内力最大，而且可能变号。如果在屋面施工安装时，在屋架两侧对称均匀的铺设屋面板，侧第三种组合可以不考虑。 四、杆件的计算长度 在理想的铰接屋架中，杆件的计算长度在屋架平面内指的是节点中心间的距离。但实际上屋架各杆件是通过节点板焊接在一起的，节点本身具有一定的刚度；节点还受到拉杆的约束作用，故屋架节点不是真正的绞接，而是介于刚接与绞接之间的弹性
28、嵌固节点。节点处拉杆越多，约束作用越强，压杆的计算长度越小。弦杆、支座坚杆因内力较大，截面亦大，其它杆件对它的约束作用小，同时考虑到这些杆件在屋架中比较重要，所以这些杆在屋架平面内的计算长度取节点间的轴线长度，即=；其它的受压腹杆考虑到节点处受其它受拉杆件的约束作用，计算长度=08（指定节点间轴线长度）。 屋架弦杆在平面外的计算长度，等于横向支撑间的距离。在无横向支撑的开间，则由纵向系杆作为支承点。系杆间的距离与横向支撑节点间的距离相同，因此，弦杆平面外的计算长度取支撑节点间或系杆之间的距离。腹杆在平面外的计算长度等于杆两端节点间的距离。 五、杆件的截面形式 普通钢屋架的杆件，一般采用两个等肢
29、或不等肢的角钢组成T形或十字形截面。这种截面形式，能使两个主轴的回转半径与杆件在屋架平面内的和平面外的计算长度相配合，使两个方向的长细比接近，以达到用料经济，连接构造简单的目的，且有较大的承载能力和抗弯刚度。 对于屋架上弦，当无局部主弯矩时，因屋架平面外计算长度往往是屋架平面内计算长度的两倍，要使，必须使，上弦宜选用两个不等肢角钢，短肢相并的T形截面形式。 如果上弦杆有较大的局部弯矩，为提高上弦杆在屋架平面内的抗弯能力，宜采用不等肢角钢长肢相并的T形截面。 对于屋架的支座斜杆，由于它在屋架平面内和平面外的计算长度相等应使截面的，因此，采用两个不等肢角钢，长肢相并的T形截面比较合理。 受拉下弦杆
30、，平面外的计算长度较大，一般都选用不等肢角钢，短肢相并的T形截面。这样作，对下弦部位的支撑连接也较方便。 其它腹杆，因为，故要求，宜采用两个等肢角钢组成的T形截面。与竖向支撑相连的腹杆，宜采用两个等肢角钢组成的十字形截面，使竖向支撑和屋架节点联接不产生偏心。在无特殊要求的情况下，应尽量采用等肢角钢，因等肢角钢备料比较方便。 选择截面时，应注意以下几点。 1为便于订货、施工下料，在同一根屋架中，角钢的规格不宜过多。一般不超过56种。 2为了防止杆件在运输和安装过程中产生弯曲和损坏，角钢的尺寸不宜小于 L454或L56364。 3应选用肢宽而壁薄的角钢，使回转半径大些。这时压杆尤为重要。便不宜过薄
31、，以有利于焊接。 4跨度较大的屋架（如24m）弦杆宜根据内力的变化改变截面尺寸，但半跨内一般只改变一次。 六、构造要求 屋架的杆件一般应用节点板相互连接，各杆的内力通过与节点板的焊缝互相平衡。在节点设计中应当注意以下几点： 1各杆件的形心线应尽量与屋架几何轴线重合，并交于节点中心，以避免由于偏心距产生的节点附加弯矩。 2屋架各杆用节点板连接时，弦杆腹杆之间，腹杆与腹杆之间的间隙，不宜小于20mm。 3节点板的尺寸，形状在绘制施工图时决定。形状应当尽可能简单，规则。至少有两边平行。如矩形、梯形、直角梯形等。 节点板的尺寸。首先计算焊缝的长度和焊脚尺寸。焊缝高度一般取等于或小于角钢肢厚。根据节点上各杆件的焊缝长度，并考虑杆件之间应留有的间隙，以及制作和装配误差确定节点板的尺寸和形状。然后再验算弦杆与节点板的焊缝。专心-专注-专业