18米普通钢桁架设计计算书大学论文.doc

钢屋架设计 姓 名： 班 级： 学 号： 指导教师： 1.原始资料： 某工业厂房为单跨，无天窗，纵向长度为60m，跨度为18m，采用梯形钢屋架，无檩方案，屋面采用1.5×6m预应力钢筋混凝土屋面板，100mm厚泡沫混凝土保温层，二毡三油改性沥青防水卷材屋面，屋面为上人屋面，坡度为i=1/15。屋架铰支于钢筋砼柱上，柱截面400mm×400mm，砼标号为C25，车间无吊车。屋架采用的钢材为Q345钢，手工焊。2.屋架形式和几何尺寸确定屋架计算跨度（每端支座中线缩进150mm）： lo=18-2×0.15=17.7m跨中及端部高度 桁架的中间高度： h=2250mm 在17.7m的两端高度： h=1650mm 桁架跨中起拱50mm图1 桁架形式及几何尺寸 桁架支撑布置图如图2所示： 图24.荷载和内力计算4.1荷载计算：4.11屋面永久荷载标准值： 屋架及支撑自重：按经验公式q=0.12+0.011L，L为屋架跨度，以m为单位，q为屋架及支撑自重，以kN/m2为单位； 屋面活荷载：施工活荷载标准值为2.0kN/m2，雪荷载的基本雪压标准值为S0=0.35kN/m2，施工活荷载与雪荷载不同时考虑，而是取两者的较大值。积灰荷载标准值：0.5kN/m2。 屋面各构造层的荷载标 准值：二毡三油改性沥青防水层 0.40kN/m2水泥砂浆找平层 0.40kN/m2保温层 0.60kN/m2预应力混凝土屋面板 1.50kN/m2屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。沿屋面斜面分布的永久荷载应乘以换算为沿水平投影面分布的荷载。桁架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（支撑）计算，跨度单位m。永久荷载标准值：二毡三油改性沥青防水层 1.002×0.4 kN/m2=0.4008kN/m2水泥砂浆找平层 1.002×0.4 kN/m2=0.4008kN/m2保温层 1.002×0.6 kN/m2=0.6012kN/m2预应力混凝土屋面板 1.002×1.5 kN/m2=1.503 kN/m2桁架和支撑自重 0.12 KN/m2+0.011 ×18 kN/m2=0.318kN/m2 总计：3.2kN/m2可变荷载标准值：屋面活荷载 2.0kN/m2积灰荷载 0.5kN/m2 4.2荷载组合：设计桁架时，应考虑以下三种荷载组合：（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载为主控制的组合）全跨节点荷载设计值：F=（1.35×3.2kN/+1.4×0.7×2.0 kN/+1.4×0.9×0.5 kN/）×1.5m×6m=62.19kN(2)全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载设计值：对结构不利时：F1.1=1.35×3.2 kN/×1.5m×6m=38.88kN (按永久荷载为主的组合)F1.2=1.2×3.2 kN/×1.5m×6m=34.54kN (按可变荷载为主的组合)对结构有利时：F1.3=1.0×3.2 kN/×1.5m×6m=28.8kN半跨节点可变荷载设计值：F2.1=1.4×（0.7×2.0 kN/+0.9×0.5 kN/）×1.5m×6m=23.31kN (按永久荷载为主的组合)F2.2=1.4×（2.0+0.9×0.5）kN/×1.5m×6m=22.05kN (按可变荷载为主的组合) (3)全跨桁架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载(按可变荷载为主的组合)全跨节点屋架自重设计值：对结构不利时：F3.1=1.2×0.318 kN/×1.5m×6m=3.43kN对结构有利时：F3.2=1.0×0.318 kN/×1.5m×6m=2.86kN半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：F4=（1.2×1.503 kN/+1.4×2.0 kN/）×1.5×6=41.4kN（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。单位力作用下的计算详图见图3。4.3内力计算假设屋架杆件的连接均为铰接，则屋架为静定结构，内力计算与杆件截面无关。在半跨单元节点力作用下，各杆件的内力系数如下图所示。（a） (b)图4 桁架各杆件的内力系数表1 桁架杆件内力组合表 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，i×+F2，i×F1，i×+F2，i×F3，i×+F4×F3，i×+F4×上弦AB000000000BC、CD-6.22-4.37-1.85-386.82-386.82DE、EF-8.99-5.64-3.36-559.09-559.09FG-9.1-4.55-4.55-565.93-565.93下弦ac3.472.540.93215.80215.80ce7.965.332.64495.03495.03eg9.285.313.97577.12577.12斜腹杆aB-6.5-4.75-1.75-404.24-404.24Bc4.743.161.58294.78294.78cD-3.38-1.86-1.52-210.20-210.20De1.880.541.34116.92116.92eF-0.690.62-1.31-42.91-12.32(F1，1 ,F2,1)-57.36(F1，1 ,F2,1)23.30(F3，1 ,F4)-56.60(F3，1 ,F4)-57.3623.30Fg-0.46-1.631.1728.62-55.88(F1，1 ,F2,1)9.39，(F1，1 ,F2,1)-68.80(F3，2 ,F4)46.86 (F3，1 ,F4)-68.8046.86竖杆Aa-0.50-0.500-31.10-31.10Cc-1.00-1.000-62.19-62.19Ee-1.00-1.000-62.19-62.19Gg0.810.410.41-50.37-50.37注：F=62.19kN；F1.1=38.88kN；F1.2=34.54kN；F1.3=28.8kN；F2.1=23.31kN；F2.2=22.05kN；F3.1=3.43kN；F3.2=2.86kN；F4=41.4kN。四、杆件设计1、上弦杆整个上弦杆采用等截面，按FG杆之最大设计内力设计。N=565.93 kN。 上弦杆计算长度：在桁架平面内，为节间轴线长度：在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取：因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并(图5)。腹杆最大内力N=404.24kN，查表9.6.4，节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度用14mm。设=60，查附录4得需要截面积：需要回转半径：， 根据需要的A、查角钢型钢规格表(附录8)，选2L140×90×10，A=4452，=2.56cm、=6.85cm，b1/t=140/10=14,按所选角钢进行验算：， 因为 所以 满足允许长细比的要求。截面在x和y平面皆属b类，由于，只需求。查附录得。，所选截面合适。图52、下弦杆整个下弦杆采用同一截面，按最大设计值计算: N=577.12 kN。计算长度： 所需净截面面积为： 选用2L140×90×8。因为，故用不等肢角钢，短肢相并(图6)。 A=36.08cm2 > 29.89cm2 。 考虑下弦有221.5mm的栓孔削弱，下弦净截面面积：所选取的截面满足要求。 图63、端斜杆(aB杆)：杆件轴力： N=-404.24kN计算长度:因为，故采用不等肢角钢，长肢相并，使。选用角钢2L125×80×10(图7)。A=39.42cm2,。截面刚度和稳定性验算：，因为 因，只求：，所需截面合适。 图74、腹杆Hi:最大拉力：N=31.04kN 最大压力：N=-83.06kN 桁架平面内计算长度：桁架平面外计算长度：选用2L70×4（图8），A=11.14，=2.18cm、=3.29cm，b/t=70/4=17.5,按所选角钢进行验算：， 因为所以满足允许长细比的要求。截面在x和y平面皆属b类，由于，只需求。查(附录4)轴心受力稳定系数表得。，所选截面合适。拉应力：所选取的截面满足要求。 图85、中竖杆(Ii杆)：杆件轴力：NIi=103.99kN(拉)，计算长度: 取，需要截面面积为：需要的回转半径为： 。查型钢表选用十字形截面L56×5（图9），得截面几何特性：A=10.83cm2,考虑有的栓孔削弱，净截面面积：，所需截面合适。图9其余各杆件的截面选择计算过程不作一一列出，计算结果详见表2。表2 杆件截面选择表杆件内 力/KN截 面 规 格面 积/cm2计算长度/cm回转半径/cm上弦-565.93短肢相并2L140X90X1044.52150.80301.602.566.85下弦577.12短肢相并2L140X90X836.08300.001185.002.5876.80aB-404.24长肢相并2L125X80X1039.42253.5253.503.983.39Bc294.78T形截面2L80X515.82208.64260.802.483.71cD-210.2T形截面2L100X623.86228.72285.903.104.51De116.92T形截面2L70X411.14228.72285.902.183.29eF-57.36T形截面2L70X411.14249.52311.902.183.2923.30Fg-68.8T形截面2L70X411.14271.68339.602.183.2946.86Aa-31.1T形截面2L63X512.286199.00199.001.943.04Cc-62.19T形截面2L63X512.286183.20229.001.943.04Ee-62.19T形截面2L63X512.286207.20259.001.943.04Gg-50.37T形截面2L63X512.286231.20289.001.943.04五、节点设计各杆件内力由表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E50型焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。1、 下弦节点“c” (图10)：(1)“Bc”杆与节点板的焊缝长度计算:N=294.78kN，设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:肢背:加后取肢尖：加后取(2) “Dc” 杆与节点板的焊缝长度计算:N=-210.2kN,设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:肢背:加后取肢尖：加后取(3)“Cc” 杆与节点板的焊缝长度计算：N=-62.19kN,其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=6mm，焊缝长度，取。 (4) 节点板尺寸：根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以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315mm×380mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为380mm，=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差N=704.37-288.96=415.41KN,受力较大的肢背处的焊缝应力为：焊缝强度满足要求。图102、 下弦节点“e”(图11)：(1) “De”杆与节点板的焊缝长度计算:N=116.92kN,设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:肢背:加后取肢尖：加后取(2) “eF”杆与节点板的焊缝长度计算:N=-57.36kN,设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:肢背:加后取肢尖：加后取(3) “eE”杆与节点板的焊缝长度计算:N=-61.09kN,因为其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=6mm，焊缝长度,取。(4) 节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为280mm×310mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为310mm，=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差N=577.12-495.03=82.09KN,受力较大的肢背处的焊缝应力为：焊缝强度满足要求。图113、 下弦节点“g” (图13)：(1) “Fg”杆与节点板的焊缝长度计算:N=-68.8kN,设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:肢背:取肢尖：取(2) “Gg”杆与节点板的焊缝长度计算:N=50.37kN, 因为其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=6mm，焊缝长度,取。 (4)节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为270mm×320mm。下弦与节点板连接的焊缝长度为320mm，=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差N=0kN。焊缝强度满足要求。图134、上弦节点“B”(图14)：(1)“Bc”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“c”相同。(2) “aB”杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算： ,设肢背与肢尖的焊脚尺寸分别为：10mm和8mm。所需焊缝长度为：肢背:加后取肢尖：加后取(3) 上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条角焊缝计算，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：(节点板厚度)=×12mm=6mm，上弦与节点板间焊缝长度为380mm。节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝肯定是安全的，可不必验算。肢尖焊缝验算如下：，满足要求。图145、上弦节点“D”(图15)：(1) “cD”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“c”相同。(2) “De”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“e”相同。(3)上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条角焊缝计算，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：(节点板厚度)=×12mm=6mm， 上弦与节点板间焊缝长度为310mm。节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝肯定是安全的，可不必验算。肢尖焊缝验算如下： ，满足要求。图156、上弦节点“F”(图17)：(1) “eF”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“e”相同。(2) “Fg”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“g”相同。(3) 上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条角焊缝计算，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：(节点板厚度)=×12mm=6mm， 上弦与节点板间焊缝长度为210mm。节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝肯定是安全的，可不必验算。肢尖焊缝验算如下： ，满足要求。图177、屋脊节点G点(图18)：(1) 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，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+5mm=25mm)。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。 N=-565.93KN，设焊缝=10mm，则所需焊缝计算长度为(一条焊缝)：，取拼接角钢的长度取：540mm>2×200mm=400mm。(2) 竖杆Gg与节点板连接焊缝计算：N=118.51KN因为其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=6mm，焊缝长度,取 。（3）弦杆与节点板的连接焊缝计算：上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载，验算略。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=10mm，节点板长度为400mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为：，焊缝应力为：，满足要求。因桁架的跨度较大，需将桁架分成两个运输单元，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。图1810、支座节点“a”(图19)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，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度为14mm。(1) 支座底板计算：支座反力：R=8F=488.27kN支座底板的平面尺寸采用280mm×400mm，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：。验算柱项混凝土的抗压强度：Error! Reference source not found. 式中：为混凝土强度设计值，对C30混凝土，。底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算，节点板和加筋肋将底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两块相邻边自由的板，第块板的单位宽度的最大弯矩为：式中，为底板下的平均应力为：。为两支承边之间的对角线长度：为系数，由查表8.4.1而定，b1为两支承边的相交点到对角线的垂直距离(图11)。由相似三角形的关系，得：，查表得。 底板厚度,t应增大到 。图19(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相似（图20），偏于安全地假定一个加劲肋的受力为桁架支座反力的1/4,即： 则焊缝内力：,设，焊缝计算长度,图20(3) 节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算：设底板连接焊缝传递全部支座反力，其中每块加劲肋各传，节点板传递。设节点板与底板的连接焊缝的焊脚尺寸为， 则焊缝长度则焊缝强度验算如下：每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为：验算焊缝应力：，满足要求。23