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1、课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书题目：钢结构梯形钢屋架设计题目：钢结构梯形钢屋架设计学院（系）学院（系）：年级专业：年级专业：学学号：号：学生姓名：学生姓名：指导教师：指导教师：教师职称：教师职称：目录一、设计资料.3二、结构形式与布置.3三、荷载计算.5四、内力计算.6五、杆件设计.8六、节点设计.15梯形钢屋架课程设计计算书一、设计资料1、厂房的跨度分别取18m、21m、24m，长度为60m，柱距6m。车间内设有两台30/5t中级工作制吊车。梯形屋架，屋架端高分别为1.6m、1.7m、1.8m、1.9m、2.0m，屋面坡度分别为 i=1/9，1/10、1/11、1/12，屋架支撑在
2、钢筋混凝土柱上，上柱截面 400400mm，混凝土标号为 C25；计算温度最低20。采用 1.56m预应力钢筋混凝土大型屋面板和卷材屋面。屋面做法：三毡四油绿豆砂防水层，20 厚 1：3 水泥砂浆找平层，80 厚泡沫混凝土保温层。屋面活荷载标准值 0.5kN/m2，雪荷载标准值 0.5kN/m2，积灰荷载标准值 0.5kN/m2。由于屋面坡度小、重型屋面，不考虑风荷载。2、屋架计算跨度l018m20.15m 17.7m3、跨中及端部高度：本题设计为无檩屋盖方案，采用平坡梯形屋架，屋面坡度为i=1/10，屋架在 18m轴线处的端部高度h01.800m，屋架的中间高度 h=2.800m，则屋架在1
3、7.7m处，两端的高度为h01.817m。二、结构形式与布置屋架形式及几何尺寸如图 1 所示。根据厂房长度60m、跨度及荷载情况，设置了两道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间。在所有柱间的上弦平面设置了刚性与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载。在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端各设一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置如图 2 所示。图 1 梯形钢屋架形式和几何尺寸GWJ-212XC1XC2GWJ-2XC2XC1GWJ-2GWJ-2GWJ-1GWJ-1桁架下弦支撑布置图桁架上弦支撑布置图垂
4、直支撑 2-2垂直支撑 1-1图 2 梯形钢屋架支撑布置GWJ-1GWJ-2GWJ-1GWJ-2XC1XC2XC2GWJ-2XC1GWJ-212SC-上弦支撑；XC-下弦支撑；CC-垂直支撑；GC-刚性系杆；LG-柔性系杆三、荷载计算屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准值进行计算。该厂屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式gk0.120.011lkN/m2房屋面活荷载与该地区的雪荷载均为0.5kN/m2，故取0.5kN/m2进行计算。计算，跨度单位为米（m）。表 1荷载名称预应力混凝土大型屋面板三毡四油防水层20mm 厚找平层80mm 厚泡沫混凝土保温层屋架和支
5、撑自重管道荷载永久荷载总和屋面活荷载积灰荷载可变荷载总和荷载计算表标 准 值（kN/m2）1.40.40.0220=0.40.086=0.480.12+0.01118=0.3180.13.0980.50.51.0设 计 值（kN/m2）1.41.35=1.890.41.35=0.540.41.35=0.540.481.35=0.6480.3181.35=0.4290.11.35=0.1354.1820.51.4=0.70.51.4=0.71.4设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合。1、全跨永久荷载+全跨可变荷载F （4.1821.4）1.56 50.238 kN2、全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨
6、节点永久荷载：F1 4.1821.56 37.638 kN半跨节点可变荷载：F21.41.56 12.6 kN3、全跨屋架（包括支撑）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载半跨节点屋架自重：F3 0.4291.56 3.86kN半跨节点屋面板自重及活荷载：F4（1.890.7）1.56 23.31 kN四、内力计算屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图 3 所示。由图解法解得 F=1 的屋架各杆件的内力系数（F=1 作用于全跨、左半跨和右半跨）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果如表 2 所示。图 3 屋架计算简图表 2内力系数（F=1）杆件名称全跨左半跨右半跨屋架杆件内力组合表
7、第一种组合F第二种组合F1+F2F1+F2第二种组合F3+F4F3+F4杆件计算内力（kN）ABBC上CD弦DE杆EFFG下ab弦bc杆cdaBbB斜Db腹cD杆Fc0-6.69-6.69-9.45-9.45-9.413.788.459.66-6.674.73-3.31.74-0.520-4.70-4.70-5.92-5.92-4.702.765.655.53-4.883.15-1.790.440.73-0.5-1-10.540-1.99-1.99-3.53-3.53-4.71.022.84.13-1.791.58-1.51.3-1.250000.540-336.09-336.09-474.7
8、5-474.75-472.74189.90424.51485.30-335.09237.63-165.7987.41-26.12-31.15-25.12-50.24-50.2454.260-311.02-311.02-430.27-430.27-413.39177.05389.23433.26-312.53217.72-146.7671.03-10.37-45.01-25.12-50.24-50.2447.450-276.87-276.87-400.16-400.16-413.39155.12353.32415.62-273.60197.94-143.1181.87-35.32-9.48-18
9、.82-37.64-37.6447.450-135.38-135.38-174.47-174.47-145.8878.93164.32166.19-139.5091.68-54.4616.9715.01-42.49-13.59-27.17-27.1716.760-72.21-72.21-118.76-118.76-145.8838.3797.89133.56-67.4755.09-47.7037.02-31.1423.25-1.93-3.86-3.8616.760-336.09-336.09-474.75-474.75-472.74189.90424.51485.30-335.09237.63
10、-165.7987.41-35.32-45.01-25.12-50.24-50.2454.26dF-0.62-1.721.1Aa-0.5竖bC-1杆Ec-1dG1.08五、杆件设计1、上弦杆整个上弦杆采用等截面，按 DE、EF 杆件的最大设计内力设计设计，即N 474.75kN上弦杆计算长度：在屋架平面内：为节间轴线长度，即l0 x l01.509m在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据支撑布置和内力变化情况，取l0y为支撑节点间的距离，即l0 y 3.0m根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。如腹 杆 最 大 内 力N 33
11、5.09kN，查 表，中 间 节 点 板 厚 度 选 用10mm，支座节点板厚度选用 12mm。设 ，查 Q235 钢的稳定系数表，可得 （由双角钢组成的 T 形和十字形截面均属于b类），则需要的截面积为图 4 所示。图 4 上弦截面N103A 2736.2mm20.807215需要的回转半径：l0y3.000l0 x1.509i m 50mmixm 25.2mm，y6060根据需要的A、ix、iy查角钢规格表，选用21258012，肢背间距a 10mm，则A 4680mm2，ix 22.4mm，iy61.6mm按所选角钢进行验算：xll0 x15093000 67.4，y0y 48.7ix2
12、2.4iy61.6满足长细比=150的要求。双角钢T型截面绕对称轴（y轴）应按弯扭屈曲计算长细比yz，lb1125300010.4 0.560y 0.5613.44，故应按下式计算yzt12b1125l02yt2b1yz 3.71 42.36x 67.44t52.7b1故由maxx 67.4，按b类查附表，得 0.767N474.75103132.3N/mm2 f 215N/mm2A0.7674680填 板 每 个 节 间 放 一 块（满 足 桁 架 平 面 外 计 算 长 度 范 围 内 不 少 于 两 块），la 75.3cm 40i 403.95 158cm。2、下弦杆整个下弦杆采用同一
13、截面，按最大内力所在的杆计算。N 485.30kN 485300N，l0 x 3000mm，l0y17700/2 8850mm所需截面积为：A N485300 2257.2mm2 22.57cm2f215选用21258012，因l0yl0 x，故用不等肢角钢，短肢相并，如图 5 所示。图 5 下弦截面A 46.8cm2 cm2，ix 2.24cm，iy 6.16cmxl0 x300133.9 350ix2.24yl0yiy885143.7 35061.6填板每个节间放一块，l1150cm 80i 80 316cm。3、斜端杆aB杆件轴力：N 335.09kN 335090N计算长度：l0 xl
14、0y 2385mm因为l0 xl0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ixiy。选用 21409014，如图 6 所示，则图 6 端斜杆 aB 截面A 61cm2ix 4.42cm，iy3.81cmxl0 x238.5 53.96 150ix4.42yl0yiy238.5 62.601503.810.48l0y0.48238.5b29 6.4312.72，故按下式计算：t1.4b291.09b41.0994yzy122 62.61 66.622l0yt238.5 1.4yzy，故由yz按b类查表得 0.771N335.09103 71.2/mm2 f mm2A0.7716100填板放两块，la
15、78.7cm 40i 402.51100.4cm。4、腹杆DbN 165.79kN 165790N，l0 x 0.8l 0.8274.6 219.7cm，l0yl 274.6cm由于杆件内力较小，可按=150选择，需要的回转半径为：ixl0 x219.71.46cm150l0yiy276.41.84cm150查型钢表，选用 28010，如图 7 所示，则A 30.26cm2，ix 2.42cm，iy3.74cm图 7 腹杆 Fd 截面xl0 x219.7 90.8 150ix2.42yl0yiy274.6 73.41503.74xy，只需求x，查表得x 0.615，则填板放三块，la5、竖杆c
16、EN16579089.1N/mm2 215N/mm2xA0.6153026274.6 68.65cm，于40i 402.42 96.8cm4N 50.24kN 50240N，l0 x 0.8l 0.8246.7 197.4cm，l0yl 246.7cm由于杆件内力较小，可按=150选择，需要的回转半径为：ixl0yl0 x197.41.32cm150246.71.64cm150iy查型钢表，选用 2564，如图 8 所示，则A 8.78cm2，ix1.73cm，iy 2.67cm图 8 竖杆 Ec 截面xl0 x197.4114.1150ix1.73yl0yiy246.7 92.41502.6
17、7xy，只需求x，查表得x 0.469，则填板放三块，laN50240122.0N/mm2 215N/mm2xA0.469878246.761.7cm，小于40i 402.42 96.8cm46、跨中竖杆GdN 54.26kN 54260Nl0 x l0y 0.9l 0.9280 252cm查型钢表，选用 2564，采用十字形截面，如图 9 所示，则A 8.78cm2，十字形截面：ix 2.18cm，iy3.08cmxl0 x252115.6 350ix2.18yl0yiy25281.8 3503.08N54260 61.8N/mm2 215N/mm2A878表 3屋架杆件选择表计算应力N/A
18、N/mm2长细比y容许长细比稳定系数xyx填板放 2 块，la67.40.79369.378.5101.589.147.0122.0116.9149.061.854.1103.748.71500.767132.3133.9143.7350104.065.71500.52953.9662.6015081.766.135098.677.81500.56490.873.41500.615图 9 跨中竖杆 Gd 截面280 93.3cm80i 802.42193.6cm3其余各杆件的截面选择计算过程不再一一列出，现将表列于表 3。90.873.43500.615114.192.41500.469140
19、.2113.51500.344140.2113.51500.344115.681.83501、下弦节点“b”六、节点设计与节点板的连接焊缝。肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）名 称编号（kN）截面规格杆件内力计算长度（cm）截面面积（cm2）肢lox150.93008851805641409014801056480108010246.7303.1242.5252303.1252564564564564238.5247.3213.3274.6274.612580121258012300180238.5197.8170.6219.7219.7197.4242.546.846.88.786130.
20、268.7830.2630.268.788.788.788.78loyix2.242.241.734.422.421.732.422.421.731.731.732.18上弦DE、EFcdAaaBBbbCbDDccEcFFdGd-45.0154.26-35.32-50.2487.41-165.79-50.24237.63-335.09-25.12485.30下弦-474.75腹杆回转半径（cm）iy6.166.162.743.813.742.743.743.742.672.672.673.08背：寸，即hf和lw，然后根据lw的大小按比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆用 E43 型焊条
21、角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ffw160MPa。设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝hf10mm和6mm，则所需的焊缝长度为（按不等各杆件的内力由表 2 查得。设计步骤：由腹杆内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺lw10.7N0.72376302h 20 94.3mm，取120mm。fw2heff20.7101600.3N0.32376302h 12 65mm，取90mm。f2heffw20.76160肢尖：lw2设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝hf10mm和6mm，则所需的焊缝长度为肢背：lw10.7N0.71657902h 20 71.8mm，取90mm。fw2heff20.7101600.3N0.
22、31657902h 12 49mm，取70mm。f2heffw20.76160肢尖：lw2“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf 4mm,lw1 lw2 50mm。图 10 下弦节点“b”根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙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375mm280mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为37.5cm，hf 6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差N 424.51189.90 234.61kN，受力较大的肢背处的焊缝应力为f0.75234610 57.7MPa 160MPa20.7637512焊缝强度满足要求。该节点如图 1
23、0 所示。2、上弦节点“B”“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。“aB”杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算得N 335.09kN设“aB”杆的肢背和肢尖焊缝hf10mm和6mm，则所需的焊缝长度为肢背：lw10.65N0.653350902h 20 117.2mm，取140mm。fw2heff20.7101600.35N0.35335090+2h 12 99.3mm，取120mm。f2heffw20.76160肢尖：lw2图 11 上弦节点“B”验算上弦与节点板的连接焊缝：节点板缩进8mm，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载Q 50.238kN,hft5mm,lw138010 370m
24、m250.238103=19.4N/mm2fffw1.22160=195.2N/mm220.75370肢尖焊缝承担弦杆内力差N=336.090 336.09kN，偏心距e 8020 60mm，偏心力矩M Ne 336.090.06 20.2kN m，采用hf 6mm，则对N:336.09103f108.7N/mm220.7638012对M:6M620.21062f106.5N/mm222helw20.7638012则焊缝强度为：ff3、屋脊节点“G”2106.52108.72139.4N/mm2160N/mm2f1.222“Gd”杆内力较小，焊缝尺寸可按构造确定，取肢背和肢尖hf5mm和hf
25、4mm，取lw1 lw2 50mm。弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分宽度（一般为t hf5mm）。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。设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝hf10mm，则所需焊缝长度为（一条焊缝）lw474750106.0mm40.710160拼接角钢的长度ls 2lw2hf弦杆杆端空隙 210621010 262，拼接角钢长度取 280mm。上弦与节点板之间的槽焊缝，假定承受节点荷载，验算与节点“B”处槽焊缝验算方法类似，此处验算过程略。上弦肢尖与节点
26、板的连接焊缝，应按上弦内力的 15%计算，并考虑此力产生的弯矩。设肢尖焊缝hf10mm，取节点板长度为 300mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw300/21020120mm，焊缝应力为NfMf0.15474750 42.39MPa20.71012060.1547475060127.17MPa20.71012022MfN2112.52MPa 160MPaf1.22因屋架的跨度很大，需将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦、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。图 1
27、2 屋脊节点“G”4、下弦跨中节点“d”“Gd”杆杆端焊缝与屋脊节点“G”相同，取hf 4mm，lw1 lw2 50mm。“Fd”杆内力N 45.01kN，内力较小，焊缝尺寸按构造确定，取肢背和肢尖hf 4mm，lw1 lw2 50mm。弦杆与节点板的连接焊缝：N 15%485.30 72.795kN，设肢背和肢尖hf10mm和4mm，则肢背焊缝：lw10.65N2hfw20.7hfff0.657279521020.710160 41.1mm，取lw1 60mm肢尖焊缝：lw20.35N2hf20.7hfffw0.35727952620.7616031mm，取lw2 60mm图 13 下弦跨中
28、节点“d”拼接角钢采用与下弦杆相同截面，即21258012，除倒棱外，竖肢需切去 t hf5mm 12105 27mm,取=30mm。可近似认为4 条角焊缝均匀传力，拼接角钢与下弦杆的连接焊缝按下弦截面积等强度计算，即拼接角钢截面面积则在拼接节点一边每条焊缝的计算长度为lw46.8215100 225mm40.710160拼接角钢的长度ls 2lw2hf弦杆杆端空隙 222521020510mm，拼接角钢长度取 520mm。因屋架的跨度很大，需将屋架分为两个运输单元，在下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的下弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的下弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。5、支
29、座节点 a为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的地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 12mm。支座底板的计算。支座反力为R 301385N设支座底板的平面尺寸采用280mm350mm，如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为280172 48160mm2。验算柱顶混凝土的抗压强度：R301385 6.26MPa fc11.9MPaAn48160式中fc混凝土强度设计值，对 C25 混凝土，fc11.9MPa。支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每
30、块板的单位宽度的最大弯矩为2M 2a2式中底板下的平均应力，即 6.26MPa；12a2两边支承之间的对角线长度，即a2140802156.1mm2；222系数，由b2/a2查表确定。b2为两边支承的相交点到对角线a2的垂直距离。由此得b2b68.780134 0.44 68.7mm，2a156.1156.12查表得2 0.0476，则单位宽度的最大弯矩为2M 2a2 0.04766.26156.12 7260.8N mm底板厚度为t 6M67260.814.23mm，取t 16mmf215支座节点“a“加劲肋与节点板的连接焊缝计算一 个 加 劲 肋 的 连 接 焊 缝 所 承 受 的 内 力
31、 取 为V R301.38575.35 kN，44M Ve 73.354.7 3.45kN m。采用hf 6mm，验算焊缝应力：对Vf7335019.9N/mm220.7645012对Mfff26345000020.7645012212.8N/mm2212.82222f19.9 22.5N/mm 160N/mm1.22节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。设焊缝传递全部支座反力R 301385N，其中每块加劲肋各传R/4 75346N，节点板传递R/2 150693N。节点板与底板的连接焊缝长度lw 228012536mm，所需焊脚尺寸为hf1506932 2.06mm0.7lw ffw1.220.75361601.22R故取hf 6mm。每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为l所需焊脚尺寸为w 280201296mmhf取hf8mm。R/475346 5.74mm0.71561601.220.7961601.22其他节点的计算不再一一列出，详细的施工构造见施工图。