钢结构T型屋架课程设计(11页).doc

-钢结构T型屋架课程设计-第 11 页一、设计资料1、题号25的已知条件：梯形钢屋架跨度21m，长度60m，柱距6m。冬季最低温度为20，地震设计烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2×6m预应力混凝土大型屋面板，80mm厚泡沫混凝土保温层，卷材屋面，屋面坡度i1/16。屋面活荷载标准值为0.7 kN/m2，雪荷载标准值为0.75 kN/m2，基本风压kN/m2,积灰荷载标准值为0.6 kN/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为400 mm×400 mm，混凝土标号为C20。钢材采用Q235B级，焊条采用E43型。2、屋架计算跨度：l0=21m-2×0.15m=20.7m。3、跨中及端部高度：设计为无檩体系方案，由于乌鲁木齐市的年降水量很少，采用缓坡梯形屋架，取屋架在21m轴线处的端部高度h0'=1.944m，屋架中间高度h=2.600m（取为l0/8），则屋架在20.7m处，两端的高度为h0=1.953m。屋架跨中起拱按l0/500考虑，取50mm。二、结构形式与布置 屋架形式及几何尺寸如图1所示。图 1 根据厂房长度（60m60m）、跨度及荷载情况，设置两道上下弦横向水平支撑。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。在上弦平面设置刚性系杆与柔性系杆，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。由于l=21m<30m，故在跨度中央设置一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置图如图2所示。图2 ( a)图 2 (b)图 2 (c)图2 梯形钢屋架支撑布置（a） 桁架上弦支撑布置图 ；（b）桁架下弦支撑图；（c）垂直支撑11SC上弦支撑；XC下弦支撑；CC垂直支撑；GG刚性系杆；LG柔性系杆三、 荷载计算考虑到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。因此，取屋面雪5kN/m2 。屋架沿水平投影积分的重分布的自重(包括支撑)按经验公式gk=(0.12+0.011L)kN/m2计算.跨度单位为米(m).荷载计算见表1。表1 荷 载 计 算荷载名称标准值(kN/m2)设计值(kN/m2)永久荷载预应力混凝土大型屋面板×1.35=三盏四油防水层×1.35=找平屋(厚20mm)×20=×1.35=80mm厚泡沫混凝土保温层×6=×1.35=屋架各支撑自重××管道荷载×1.35=永久荷载总和可变荷载屋面活荷载5×积灰荷载×可变荷载总和设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合，在组合时，偏于安全不考虑屋面活荷载和积灰荷载的组合值系数。（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载。全跨节点永久荷载及可变荷载为 F=(4.361+)××6=kN（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载。 全跨节点永久荷载： F1=4.361××6=3kN半跨可变荷载: F2=1.89××6=kN（3）全跨屋架(包括支撑)自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载。 全跨节点屋架自重:F3=0.608××6=kN 半跨节点屋面板自重及活荷载:F4=(1.89+0.75) ××6=kN上述计算中，（1）,（2）为使用节点活荷载情况,（3）为施工阶段荷载情况.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。(a)(b)(c)图3由图解法或数解法（本设计采用结构力学求解器）F=1的屋架的内力系数（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。表2 屋架杆件内力组合杆件名称内力系数F=1第一种组合F*第二种组合第三种组合计算杆件内力(kN)全跨左半跨右半跨F1*+F2*F1*+F2*F3*+F4*F3*+F4*上弦ABBC,CDDE,EFFG,GH下弦abbccdde斜腹杆aBBbbDDccFFddH28竖杆AaCbEcGdHe五、 杆件设计 （1） 上弦杆。整个上弦采用等截面，按FG、GH杆件的最大内力设计，即N=KN。上弦杆计算长度如下。 在屋架平面内：为节间轴线长度，即lox=l0=1.503 m 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loy为支撑点间的距离，即loy=l1×4=6.012 m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角肢钢，短肢相并。腹杆最大内力为N=，查周俐俐主编钢结构表8-4，中间节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。设，钢材选用Q235，查稳定系数表，可得（b类截面），则需要的截面积为： 需要的回转半径为 图 4 上弦杆截面根据需要的A、查角钢规格表，选用2L180×110×10，肢背间距a=10mm,如图4，则A=6742mm2 ,cm， =cm按所选角钢进行验算： 满足长细比要求。由于，只需求即可，故所选截面合适。 （2） 下弦杆。整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的de杆计算，则N= kN ，所需截面为 选用2L125×80×10，因为，故用不等肢角钢，短肢相并。见图5，查周俐俐主编钢结构附录14、15可得2>36.99 ,=cm,1cm。图5 下弦杆截面 按所选角钢进行验算： 因此，所选截面合适。 （3） 端斜杆aB。杆件的轴力为N=kN，计算长度为。 因为lox=loy ，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ixiy。选用2L1258010，见图6，则查周俐俐主编钢结构附录14、15可得,=cm,=cm按所选的角钢进行验算：因，只需求，查表=，则图6 端杆aB截面因此，所选截面合适。 （4） 腹杆dH。此杆采用通长杆件。dH在桁架平面内的计算长度取为故采用等边角钢，选用2L63×，=1.94cm =3.04cm。按所选角钢进行验算：图7 腹杆dH截面因，只需求，查周俐俐主编钢结构附表12-2得=0.349，则拉应力为因此所选截面合适。 （5） 竖杆CbN=-56.43kN，。由于杆件内力较小，取，需要的回转半径为图8 竖杆Cb截面查周俐俐主编钢结构附录13，选截面的，教上述计算的，略大些。选用2L63×，= 1.94cm, =3.04cm,则因，只需求，由查表得=0.634，则因此所选截面合适。剩下各杆件的截面选择计算结果见表3。表3 屋架杆件截面选择名称杆件编号内力（kN）计算长度(cm)截面规格截面面积（cm2)回转半径（cm）长细比容许长细比稳定系数计算应力(N/mm2上弦FG、GH2L 180×110×10150下弦de30010352L 125×80×10350腹 杆Aa2L 56×5150aB-2532L 125×80×10（长肢相并）150Bb202425302L 80×10350bC2L 63×5150bD-2L 80×10150Dc2L 70×6350cE2L 63×5150cF2L 70×61501Fd2L 63×5150dG2L 63×5150dH2L 63×5150He02602602L 63×5（十字形截面）2000注：表格中凡未加特别说明的不等边角钢组合截面形式均为短边相并六、 节点设计（1）下弦节点b。（见图9）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寸，即和，然后根据的大小按比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。用E43型焊条角焊缝的抗拉，抗压和抗剪强度设计值。设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝=8mm和6mm，则所需的焊缝长度为（按等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）:肢背：取155mm肢尖：取90mm设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝=8mm和6mm，则所需的焊缝长度为肢背：取125mm肢尖：取75mm“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取=5mm.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285mm405mm.下弦与节点板连接的焊缝长度为405mm，=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，受力较大的肢背处的焊缝应力为焊缝强度满足要求。该节点如图9 。图 9 下弦节点b（2）上弦节点“B”（见图10）“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设”aB”杆的肢背和肢尖焊缝=10mm=和6mm,所需的焊缝长度为（按不等肢角钢短肢连接的角焊缝内力分配系数计算）肢背：，取155mm肢尖：,取135mm 为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，槽焊缝强度设计值乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，由于节点集中荷载P不大，故可按照构造满焊。上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得上弦与节点板间焊缝长度为440mm,肢间承受内力差，偏心距e=110-25=85mm，偏心力矩为M=×m，按照构造要求取肢尖=10mm，则上弦肢尖角焊缝的剪应力为由偏心距引起的正应力为则焊缝强度为所以焊缝强度满足要求。该节点如图10所示。图 10 上弦节点B（3）屋脊节点H（见图11）。 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）。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=10mm，则所需焊缝长度为（一条焊缝）拼接角钢的长度弦杆杆端空隙(取50mm)，拼接角钢长度取460 mm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=10mm，取节点板长度为380mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度=（380/2-10-20）=160mm，焊缝应力为 该节点图如图11所示，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接，而右半跨的上弦，斜杆与节点板的连接用工地焊接。图 11 屋脊节点H（4）下弦拼接节点e（见图12）。 拼接角钢与下弦杆的连接计算及拼接角钢总长度的确定。拼接角钢与下弦杆之间每边有4条角焊缝连接，由于拼接角钢竖向肢切割去，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，即拼接角钢与下弦杆的连接焊缝最大承受的内力值为Af,A为下弦角钢截面总面积。则在拼接节点一边每条焊缝的计算长度为 每条焊缝的实际长度为 拼接角钢的总长度为 （1020mm为拼接处角钢间的空隙） 下弦杆与节点板的连接焊缝，除按拼接接点两侧弦杆的内力差进行计算外，还应考虑到拼接角钢由于切角和切肢，截面有一定的削弱，这个削弱的部分由节点板来补偿，一般拼接角钢削弱的面积不超过15%。所以下弦与节点板的连接焊缝按下弦较大内力的15%和两侧下弦的内力之差两者中的较大者进行计算。 下弦杆肢背与节点板的连接焊缝计算长度：下弦杆肢背与节点板的连接焊缝实际长度：下弦杆肢尖与节点板的连接焊缝计算长度：下弦杆肢尖与节点板的连接焊缝实际长度：该节点图如图12所示图 12 下弦拼接节点e（5）支座节点a(见图13) 为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底版的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋，加紧肋的高度与节点板的高度相等，厚度12mm.1）支座底板的计算。支座反力为 R= 385000N设支座底板的平面尺寸采用280360，如仅考虑有加劲肋部分的底版承受支座反力，则承压面积为280360=100800。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，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为式中底板下的平均应力，即=MPa；两边支承之间的对角线长度，即系数，由查表确定为两边支承的相交点到对角线的垂直距离，为164mm。由此得查表得87，则单位宽度的最大弯矩为底板厚度为，取t=22mm2） 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相似。偏于安全的假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的1/4，即385000/4=96250N，则焊缝内力为V=96250N则 M=9625077=7411250设焊缝，焊缝的计算长度，则焊缝应力为3） 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=385000N，其中每块加劲肋各传R/4=96250N，节点板传递R/2=192500N节点板与底板的连接焊缝长度，所需焊角尺寸为故取。每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为所需焊缝尺寸为故取图 13 支座节点a七、施工详图 见WJ1详图