钢结构课程设计之三角形钢屋架设计.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date钢结构课程设计之三角形钢屋架设计轻型屋面三角形钢屋架设计说明书 16 届课程设计钢结构屋架设计学生姓名 田高生 学 号 3041212204 所属学院 水利与建筑工程学院 专 业 土木工程 班 级 16-4 指导教师 吴英 日 期 2014.12 塔里木大学教务处制目 录1.设计资料12.屋架杆件几何尺寸的计算13.支撑布置13.1檩条布置23.2荷载计算23.3檩条

2、的均布荷载设计值 23.4强度验算33.5整体稳定性验算33.6刚度验算34.屋架设计34.1屋架节点荷载计算:34.2屋架杆件内力计算44.3屋架杆件截面设计44.4填板设置与尺寸选择85.屋架节点设计95.1支座节点A95.2上弦一般节点B、C、E、F、D125.3屋脊拼接节点G135.4下弦拼接节点I155.5下弦中央节点J175.6受拉主斜杆中间节点K176.参考资料186.致谢191.设计资料某厂房总长度为90m，跨度为21m，柱距为6m。采用钢筋混凝土柱，柱的混凝土强度等级C30，屋面坡度i=1:3,L为屋架跨度，地区计算温度高于-20，无侵蚀性介质，地震设防烈度为8度，屋架下弦标

3、高为18m。厂房内桥式吊车为2台150/30t（中级工作制),锻锤为2台5t.屋架采用的钢材，焊条为E50型，Q345钢。屋架及支撑自重按经验公式q=0.12+0.011L。基本风压为0.50kN/m2，雪荷载为0.3kN/m2,积灰荷载为1.3kN/m2,保温层的荷载标准值为0.65kN,檩条及拉条自重为0.20kN/m，屋面活荷载为0.50kN/m2,荷载分项系数取：G =1.2，Q =1.4。2.屋架杆件几何尺寸的计算根据所用屋面材料的排水需求及跨度参数，屋面坡度为 i=1：3,屋面倾角 =arctan（1/3）=18.44，sin=0.3162，cos=0.9487屋架跨中高度 h=

4、l0i/2=21000/(23)=3450mm上弦长度 L=l0/2cos10910mm节间长度 a=L/6=9329/61818mm节间水平段投影尺寸长度 a=acos=18180.9487=1725mm根据几何关系，得屋架各杆件的几何尺寸如图1所示图1 屋架形式及几何尺寸3.支撑布置 根据屋面材料的最大容许檩距，根据厂房长度90m，跨度为21m，有中级工作制吊车及第一开间，可在厂房两端的第二开间设置一道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑在同一开间两相邻屋架腹板间设置两道垂直支撑。上弦檩条可 兼做条杆，故不另设系杆，在下弦跨中央设置一道，此外，在厂房两端的第一开间下弦各设置三道刚性系杆。图2

5、 屋盖支撑布置3.1檩条布置 选用I22a热轧普通槽钢做檩条，由型钢表查的其自重为24,99kN/m=0.25kN/m Wx=217.6cm2 Wymin=28 Ix=2393.9cm4,ix=8.67cm iy=2.23cm3.2荷载计算永久荷载 q=0.12*0.011L=0.351(kN/m2)屋架支撑及自重 0.638（kN/m2）压型钢板 0.58*1.818=1.054（kN/m2）保温层 1.1182（kN/m2）檩条及拉杆自重 0.25 （kN/m2）合计 gk=2.486 （kN/m2）可变荷载计算积灰荷载 7.73 （kN/m2）基本风压荷载 0.287 （kN/m2）屋面

6、活荷载 0.862 （kN/m2）合计 qk=3.391（kN/m2）3.3檩条的均布荷载设计值 q=Ggk+Qqk=1.20.588+1.40.35=1.20kN/m2 qx=q*cos=7.33kN/m qy=q*sin=2.44kN/m-3.4强度验算 檩条的跨中弯距设计值 X方向： Y方向： （在跨中设了一道拉条） 檩条的最大拉力（拉应力）位于槽钢下翼缘的肢尖处满足要求。3.5整体稳定性验算 因在檩条跨中设有一道刚拉条，故可不进行该项验算。3.6刚度验算 验算与屋面垂直平面的相对挠度，按短期荷载效应组合进行。 荷载标准值：qy=(qk+gk)*cos=5.576kN/m 沿屋面方向有拉

7、条，所以只验算垂直于屋面方向的挠度：能满足刚度要求。4.屋架设计4.1屋架节点荷载计算: 檩条作用在屋架上弦的集中力为： Q=2*（q1+g1)*l/2=46.38kN/m 屋架和支撑自重： 0.12+0.011L=0.351kN/m2 屋架节点荷载设计值为： F=3Q+0.351*6*1.725=50kN4.2屋架杆件内力计算 芬克式三角形桁架在半跨活（雪）荷载作用下，腹杆内力不变号，故只按全跨雪荷载和全跨永久荷载组合计算桁架杆件内力。根据建筑结构静力计算手册，对于十二节间芬克式桁架，,屋架及荷载是对称的，所以只需计算半个屋架的杆件轴力。计算出的内力如表1所示。表1 桁架杆件内力组合设计值杆

8、件内力系数内力设计值/kN(P=10kN)上弦杆ABBCCDDEEFFG-17.39-16.13-16.76-16.44-15.18-15.81-869.5-806.5-838.0-822.0-759.0-790.5下弦杆AHHIIJ+16.50+13.50+9.00+825.0+675.0+450.0腹杆DIBH、CHEK、FKHD、DKIKKGGJ-2.85-1.34-1.34+3.00+4.50+7.500-142.5-67.0-67.0+150+225+3750 注：负为压杆，正为拉杆。4.3屋架杆件截面设计在设计屋架杆件截面前，首先要确定所选节点板的厚度。在三角形屋架中，节点板厚度与

9、弦杆的最大内力有关。根据弦杆最大内力Nmax=-869.5kN,查钢结构设计及实用计算P83页表5-1单壁式桁架节点板厚度选用表可选择支座节点板厚为14mm,其它节点板厚为16mm，且支座节点板比其他节点板厚2mm。（1）上弦杆整个上弦杆采用等截面通长杆，由两个角钢组成T形截面压弯构件，以避免采用不同截面时的杆件拼接。按AB杆段之最大内力NAB=-869.5kN选择截面。弯矩作用平面内的计算长度 lox=1818mm loy=3636mm选用2L110x12组成的T型截面，节点板厚14mm，由附表3-26得A=50.4cm2,ix=3.35cm iy=5.11cm长细比： max=y=71.2

10、由表7-2（b类截面）=0.7438 =故截面合适。 （2）下弦杆（轴心受拉杆件） 整个下弦钢不改变截面，采用等截面通长杆。按最大内力NAH=+825kN计算屋架平面内计算长度按最大节间IJ，即lox=460cm，屋架平面外计算长度因跨中有一道系杆，故loy=1035cm。 下弦所需要截面面积为： 选用2100*80*8短肢的角钢，其截面相关参数为 A=27.888cm2，ix=2.37cmiy=4.88cm = 故所选截面合适。（3）腹杆 一.中间竖腹杆JG 对于中间竖腹杆，N=0，=345cn对连接垂直支撑的桁架，采用2564组成十字形截面，单个角钢564，=2.18cm =0.9 l =

11、0.9345cm=310.5cm =0.9 l =0.9295=265.5cm 可满足要求。对不连接垂直支撑的屋架WJ-1，选用L56x4单角钢，并受拉支撑验算长细比： iyo=1.11cm 满足要求。 二.主斜腹杆IK、KG主斜腹杆IK、KG两杆采用相同截面，lox=287.5cm，loy=2*287.5=575cm，内力设计值 N=+375kN选用2L75x8组成的T型截面，查表3-26得： 所需净截面面积: A=23cm2 ix=2,78cm iy=3.65cm = 故所选截面合适。 三.腹杆DINDI=-142.5kN，lox=0.8 l=0.8181.5=145.44cm，loy=2

12、.82cmL=181.8cm 选用2564，A=88cm2,ix=1.73cm，iy=2.82cm 刚度验算：根据max=x=84, 按b类截面查表得=0.661则： = 故所选截面合适。 四.腹杆BH、CH、EK、FK N=-67kN，L=128.6cm选用634单角钢截面，A=49,78cm2,iyo=1.26cm lox=0.9 L=0.9128.6=115.74cm， 由=91.9查表可得=0.609单角钢单面连接计算构件稳定性时强度折减系数为： r=0.6+0.0015*=0.6+0.0015*91.9=0.74 = 故所选截面合适。 五.腹杆HD、DK两者均为拉杆。N=+31.86

13、kN,l=24.58cm。仍选用788， A=11.5cm2 iyo=1.47cm验算如下： Lo=0.9lL=0.9*287.5=258.75cm 单角钢单面连接计算构件强度时设计值折减系数为： r=0.85 则： =故所选截面合适。4.4填板设置与尺寸选择双角钢杆件的填板设置与尺寸选择如表2表2 填板设置与尺寸选择杆件名称杆件截面节间杆件几何长度（mm)i(mm)40i(压杆）或80i（拉杆）(mm)实际填板间距(mm)每一节间填板数量(块)填板尺寸bth(mm)上弦杆21006155531.0856778160670下弦杆AH、HI2564245817.313841229160676IJ

14、393413112腹杆GJ250429509.9792658560680IK、KG2304245897201153540650 表3 屋架各杆件轴线至角钢背面的距离Z0杆件名称杆件截面重心距离Z0(mm)轴线距离Z0(mm)备注上弦杆2100627.130下弦杆256415.320腹杆JG250413.815IK、KG23048.910DI240411.315单面连接BH、CH、EK、FK240411.315单面连接DH、DK23048.910单面连接5.屋架节点设计 角焊缝强度设计（E50型焊条）屋架各杆件轴线至各杆件角钢背面的距离Z0如表3，表中Z0为杆件重心线至角钢背面的距离。本例只需选

15、择几个代表性重要节点进行计算，其余可忽略。5.1支座节点A 屋架支撑于钢筋混凝土柱上，混凝土强度为C30，fc=14.3N/mm2去下弦轴依至支座底板上表面的距离为160mm，并设置加劲肋。1 .下弦杆与节点板间连接焊缝计算 N=175.23kN 取角钢肢背焊脚尺寸，角钢肢尖焊脚尺寸，按焊缝连接强度要求得背部 l1=lw1+2hf1=276mm,取l1=280mm趾部 l2=lw2+2hf2=147mm,取l2=150mm 实际焊缝长度采用角钢肢背l1=280mm 肢尖l2=150mm2 绘制节点详图 按以下方法、步骤和要求画节点大样，并确定节点板尺寸 （1）严格按几何关系画出汇交于节点A的各

16、杆件轴线（轴线至杆件角钢背面的距离Z0按表3采用）。 （2）下弦杆与支座底板之间的净距取140mm（符合大于130mm和大于下弦杆角钢水平肢。图4 支座节点A宽的要求）。 （3）按构造要求预定底板平面尺寸为ab=220220mm，使节点A的垂直轴线通过底板的形心。 （4）节点板上部缩进上弦杆角钢背面t1/2+2mm=7mm(式中t1=10mm为节点板厚度），取上、下弦杆端部边缘轮廓线间的距离为20mm和根据下弦杆与节点板间的连接焊缝长度等，确定节点板尺寸如图4所示3. 底板计算（1）支座反力 R=6P=650=300kN，采用C30混凝土柱=14.3 N/。 锚栓直径采用M22，底板上留矩形带

17、半圆形孔，尺寸250*250mm,并用U型缺口柱顶混凝土的压应力为：可满足混凝土轴心抗压强度要求，预定底板尺寸ab=250mm250mm适用。底板厚度t 底板被节点板和加劲肋划分成四块相邻边支承德小板，板中最大弯矩（取单位板宽计算） 底板被节点板和加劲肋划分成四块相邻边支承德小板，板中最大弯矩（取单位板宽计算） 斜边 取a1=170mm 斜边上之高 b1=a1/2=85mm ，查表得=0.058，代入 所需底板厚度，取t=20mm。4.节点板、加劲肋与底板间的水平连接焊缝的计算切口宽度为15mm,两条节点板和四条加劲肋焊缝总长度为： 焊缝计算长度 构造要求 故满足要求。其余各节点的计算从略。5

18、.加劲肋与节点板间竖向连接焊缝计算 加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛脚缝相似，假定一块加劲肋的受力为屋架支座反力的即： 每块加劲肋与节点板间竖向连接焊缝受力： 焊缝计算长度 lw=180-（15*2）-（2*6）=138mm 需要 图5 上弦杆一般节点详图5.2上弦一般节点B、C、E、F、D1.按一下方法、步骤和要求绘制节点详图 （1）严格按几何关系画出汇交于节点B的各杆件轴线（轴线至杆件角钢背面的距离Z0按表3）； （2）节点板上部缩进上弦杆角钢背面10mm、取上弦杆与短压杆轮廓间距离为15mm和根据短压杆与节点板间的连接焊缝尺寸等，确定节点板尺寸如图5所示；（3）标注节点详图所需各种尺寸。

19、 2. 上弦杆与节点板间连接焊缝计算 N1=838kN N2=822kN 取肢背和肢尖的焊脚尺寸为：hf1=6mm ,hf2=5mm 背部 l1=lw1+2hf1=58.8mm,取l1=80mm 趾部 l2=lw2+2hf2=42.1mm,取l2=50mm腹杆DK与节点板的连接焊缝，肢背，肢尖的焊脚尺寸为： hf1=6mm hf2=5mm 则杆端所需焊缝长度为： 背部 l1=lw1+2hf1=58.8mm,取l1=80mm 趾部 l2=lw2+2hf2=42.1mm,取l2=50mm上弦肢背塞焊缝承受檩条传来的集中荷载F，取节点板缩进肢背10mm，hf=t/2=6mm,则： 上弦杆角钢趾部角焊

20、缝假定承受节点两侧弦杆内力差及其偏心弯矩M 的共同作用，其中=184.68-171.30=13.38kN偏心距e=85mm,满足要求。(a) 节点B、E (b) 节点C、F (c) 节点D 由图中量得实际焊缝长度l2=141mm,计算长度lw2=l2-8mm=141-8=133mm需要 =1.25 构造要求 采用hf=6mm，满足要求。其他上弦一般节点（节点C、D、E和F）的设计方法、步骤等与节点B相同，节点详图见图5所示。因节点E和节点B的几何关系、受力等完全相同，故节点详图也完全相同。节点C和节点F的详图也完全相同。 5.3屋脊拼接节点G1. 拼接角钢的构造和计算腹杆GK与节点板的连接焊缝

21、，焊缝为E50型，ffw=200N/mm2;取肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为：hf1=8mm, hf2=6mm, 则杆端所需的焊缝长度分别为： 背部 l1=lw1+2hf1=133mm,取l1=150mm 趾部 l2=lw2+2hf2=79mm,取l2=80mm2. 绘制节点详图 绘制方法、步骤和要求与上弦一般节点B基本相同，腹杆与节点板间连接焊缝尺寸按表4采用。为便于工地拼接，拼接处工地焊一侧的弦杆一拼接角钢和受拉主斜杆与跨中吊环杆上分别设置直径为17.5mm和13mm的安装螺栓孔，节点详图如图6所示。图6 屋脊拼接节点G3 .拼接接头每侧上弦杆与节点板间连接焊缝计算 拼接接头每侧上弦轴力的竖向

22、分力Nsina与节点荷载P/2的合力 V=Nsina - P /2=19mm，且取V=20mm 设角钢背部的塞焊缝承受竖向合力V的一半，拼接接头一侧所需的焊缝计算长度为： 拼接角钢总长度为： l=2(lw+12)+d=592mm 图8 下弦拼接节点I 取L=600mm上弦杆肢尖与节点板的焊缝连接按弦杆内力NGF=15%计算，且考虑产生的偏心弯矩作用（偏心e=85）设肢尖焊缝焊脚尺寸hf=6mm，节点板总长度为700mm,则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为： Lw=(700/2)/cos-20-12=337mm焊缝应力为： 因弦杆与节点板的连接焊缝受力不大，且连接长度较大，故可按构造进行满焊，不必计

23、算。 5.4下弦拼接节点I 屋架跨度21m超过运输界限，故将屋架分为两个运输单元，在屋脊G和下弦I处设置工地连接，腹杆杆端与节点板的焊缝连接按IK和ID最大内力NIK=225kN计算。1 .下弦杆与节点板间连接焊缝计算 下弦杆与节点连接得焊缝长度，确定节点板尺寸为：400mm*270mm hf=5mm。焊缝所受内力为下弦杆的内力差 =675-450=225kN焊缝应力为： 2. 绘制节点详图汇交于节点I的屋架各杆轴线至角钢背面的距离按表采用，腹杆与节点板间的连接焊缝尺寸按表采用。为便于工地拼接，拼接处弦杆和拼接角钢的水平肢上设置直径为17.5mm的安装螺栓孔。节点详图如图8所示。3.拼接接头一

24、侧下弦杆与节点板间连接焊缝计算 取接头两侧弦杆的内力差N和0.15Nmax两者中的较大值进行计算。取N=225kN进行计算。N由内力较大一侧的下弦杆传给节点板。取肢背和肢尖的焊脚尺寸为：hf1=6mm, hf2=5mm 背部 l1=lw1+2hf1=93.75mm,取l1=100mm 趾部 l2=lw2+2hf2=48.2mm,取l2=50mm故满足要求。5.5下弦中央节点J均按构造要求确定各杆与节点板间的连接焊缝。节点详图如图9所示。图9 下弦中央节点J5.6受拉主斜杆中间节点K设计计算与下弦一般节点H相同，节点详图如图10所示。图10 受拉主斜杆中间节点K6.参考资料钢结构设计例题集 （中

25、国建筑工业出版社）钢结构设计与计算 （机械工业出版社）钢结构 （中国建筑工业出版社）钢结构设计指导与实例精选 （中国建筑工业出版社）钢结构设计及实用计算 （中国电力出版社） 致 谢经过几个星期的努力我终于完成了钢结构课程设计，在这期间得到了老师的耐心指导，通过这段时间的学习，对以前所学的专业知识有了更全面、更系统的认识，使我们对所学的基本理论知识有了进一步的认识和体会，基本上能将所学的课程进行综合利用，真正做到了学以致用，克服了课本的局限性，也算是一次短期的实习吧。在设计过程中得到了吴英老师的悉心指导和细心审核，我又把所学的知识巩固了一遍，以前不懂的知识，通过这次的设计也学懂了；在吴英老师及同学的帮助下，使我顺利完成了此次课程设计，在此表示衷心的感谢！同时在这次的设计中使我对钢结构这门课程有了深入的了解，对钢结构产生了很大的兴趣，感觉钢结构是一门很有意思的学科，在这里我再次向悉心指导我们的吴英老师表示感谢。同时由于只是理论知识的应用，没有实践经验的支持，设计中还有诸多不足之处望老师能多多批评指正。