18m跨度轻型屋面三角形钢屋架设计说明书

轻型屋面三角形钢屋架设计说明书学生：王红娥学号：2006106223指导老师：付建科 雷小平 卢泽民一、设计资料及说明设计一位于杭州市近郊的封闭式单跨屋架结构，要求结构合理，制作方便，安全经济。1单跨屋架，平面尺寸分别为：36m18m，柱距S=4m。2屋面材料：波形石棉瓦（18207258）。3屋面坡度i=1：3；跨度：18m；屋架承受的荷载：恒载：；活载：。4屋架支承在钢筋混凝土柱顶，混凝土标号C20，柱顶标高6m。5钢材标号：Q235-B。6焊条型号：E43型。7荷载计算按全跨永久荷载+全跨可变荷载（不包括风荷载）考虑，荷载分项系数取：G =1.2，Q =1.4。二、屋架杆件几何尺寸根据所用屋面材料的排水需要及跨度参数，采用芬克式十二节间三角形屋架。屋架坡度：；屋面倾角：，；屋架的计算跨度： =18000300=17700mm；屋架跨中高度：h=/(23)=2950mm；上弦长度：L=/(2cos)=9329mm；节间长度：=L/6=9329/6=1555mm；节间水平投影尺寸长度：=1475mm。根据几何关系，得屋件各杆件的几何尺寸如图1所示：图1.屋架杆件几何长度（mm）三、屋盖支撑布置（一）屋盖的支撑如图2所示：图2 屋架的支撑布置示意图1在房屋两端第一个柱间各设置一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑。2在与横向支撑同一柱面的屋架长压杆D-2和D-2（如图2中b和c）处各设置一道垂直支撑，以保证长压杆出平面的计算要求符合规范。3在各屋架的下弦节点2和2各设置一通长柔性水平系杆，水平系杆的始终端连于屋架垂直支撑的下端节点处。4上弦横向支撑和垂直支撑节点处的水平系杆均由该出的檩条代替。（二）屋面檩条及支撑.1檩条波形石棉瓦长1820mm,要求搭接长度不小于150mm,且每张瓦至少要有三个支撑点，因此最大檩条间距：半跨屋面所需檩条数：根考虑到上弦平面横向支撑节点处必须设置檩条，实际取半跨屋面檩条数根， 檩条间距：，满足要求。载荷计算：屋面水平投影面上的载荷设计值：为求杆件轴力，把载荷化成节点载荷：kN檩条选用槽钢，由表得相关系数（1）荷载计算恒载： 活载：则檩条均匀载荷设计值（2）强度验算： 如图3所示 檩条x方向 檩条y方向 图3 檩条弯矩设计值檩条的最大应力（3）刚度验算： 在沿屋面方向有拉杆，可只验算垂直于屋面方向的挠度。荷载标准值：综上：选用8槽钢能满足要求。四、屋架的内力计算（一）杆件轴力按课题要求，根据建筑结构手册查得内力系数和计算出内力见表1和图4 表1P=9.204KN图4 屋架杆件轴力设计值（单位：kN）（二）上弦杆弯矩上弦杆端节间的最大正弯矩：M1 =0.8M0 其他节间的最大正弯矩和节点负弯矩为M2=0.6M0上弦杆节间集中载荷：节间最大弯矩 则五、屋架杆件截面设计在三角形屋架中，根据弦杆最大内力Nmax=160.06N，查焊接屋架节点，板厚选用表，选择支座节点板厚8mm，其它节点板厚6mm。（一） 上弦杆整个上弦杆采用等截面通常杆，以避免采用不同截面时的杆件拼接。弯矩作用平面内的计算长度侧向无支撑长度试选上弦杆截面2T707：相关参数为，1. 强度验算条件取A-B段上弦杆验算：轴心压力N=160.06KN最大正弯矩（节间）最大负弯矩（节点）正弯矩截面：负弯矩截面：可知上弦杆强度满足要求。2. 弯矩作用平面内的稳定验算应按下列规定计算：（1）对角钢水平边1：（2）对角钢数值边趾尖2：因考虑杆段相当于两端支撑的构件，其上同时作用有端弯矩和横向载荷并使构件产生反向曲率的情况，故按规范取等效弯矩系数。属b类截面，查表得欧拉临界角 杆段A-B轴心压力N=160.06=用最大正弯矩进行验算：用最大负弯矩进行验算时，同样3. 弯矩作用平面外的稳定验算条件因侧向屋支撑长度，故应验算上弦杆的A-B-C段在弯矩作用平面外的稳定性。截面影响系数，等效弯矩系数轴心压力计算长度属b类截面，查表得用最大正弯矩进行验算对弯矩使角钢水平边受压的双角钢T形截面构件，规范规定整体稳定系数可按下式计算得用最大负弯矩进行验算对弯矩使角钢水平边受拉的双角钢T形截面的构件，查表取受弯构件整体稳定系数=1.0，得平面外长细比和稳定性均满足要求。4局部稳定验算条件 翼缘自由外件宽厚比弯矩腹板自由边受压的压弯构件，腹板高厚比应满足当时，当时，对由2L707组成的T形截面压弯构件：翼缘=腹板满足。所选上弦杆截面完全符合各项设计要求，截面适用。（二） 、下弦杆（轴心受拉构件）整个下弦杆不改变截面，采用等截面通常杆。首先按杆段A-1的强度条件和中段下弦杆的长细比条件选择截面。杆段A-1轴心拉力N=151.87kN。下弦杆的计算长度为需要选用（2）下弦杆截面选择整个下弦杆采用相同的截面，以节间1-8的最大轴力来选择截面： ，初选下弦杆截面为2565，查表得截面的几何尺寸特性如下：截面面积：回转半径：长细比：（拉杆） （拉杆）强度： 满足要求。（三）、腹板（轴心受力构件）1.短压杆B-1,C-1,E-4,F-4。 N=12.33kN 因内力较小，杆件较短，拟采用单角钢截面，通过节点板单面连接。先按长细比要求试选截面，然后进行验算。斜平面计算长度需 选用364：。得属于b类截面，查表得稳定系数。单面连接的单角钢构件按轴心受压计算稳定性时的强度设计值系数；所选截面合适。2.长杆D-2N=26.23kN 计算长度垂直支撑连在预先焊于长压杆和弦杆的连接板上，杆件截面无削弱，按稳定性条件试选长压杆截面，采用等边双角钢组成的T形截面查表得长压杆合适的假定长细比 查表得需要 选用2363.相关参数 ，。验算，可 ，可由查表得，可所选截面适用。4. 短拉杆D-1,D-4N=27.61 需要 选用2363，相关参数： ，可5. 长拉杆G-2-4N=69.03kN，需要 选用2303 相关参数 ，可中央吊杆G-3 N=0，。因吊杆不连垂直支撑，故按拉杆长细比条件选择截面。采用单面连接的单角钢截面需要初选截面为2454角钢组成的十字形截面，查表得截面的几何特性如下：截面面积：回转半径：长细比：，可满足要求。（四）、填板设置与尺寸选择 双角钢杆件的填板设置与尺寸选择见下表：杆件名称杆件编号截面规格节间杆件几何长度或实际填板间距每一节间填板数量填板尺寸上弦杆A-B270715552.1485.6778150890下弦杆A-1256524581.72137.612291508801-22-3 39341311250880腹杆D-2236315551.1188.8518250880D-1236324371.1144.4812250880D-4G-4-2230349060.9172.8818250850G-3245429501.38738350870 表2. 屋架截面选用表六、屋架节点设计角焊缝强度设计值（E 43型焊条）：屋架各杆件轴心至各杆件角钢背面的距离按表3采用，表中为由型钢表查得的杆件重心线至角钢背面的距离。杆件名称杆件截面重心距离轴线距离上弦杆270719.920下弦杆256515.715短压杆B-1、C-1、E-4、F-436410.415长压杆D-2236310.010短拉杆D-1、D-4236310.410长拉杆G-4-223038.510中央吊杆G-315636512.615表3屋架各杆件轴心至角钢背面的距离（一）一般杆件连接焊缝设焊缝厚度，焊缝长度可根据钢结构规范求得，计算结果如下表所示：表中焊缝长度为实际焊缝长度，已包括起弧、灭弧的影响。表6 屋架杆件连接焊缝表杆件名称杆件编号截面规格/mm杆件内力/kN肢背焊脚尺寸肢背焊缝长度肢尖焊脚尺寸肢尖焊缝长度下弦杆A-12565151.874140465斜腹杆B-1364-12.33440440C-1364-12.33440440D-1236327.61440440D-22363-36.23440440D-4236327.61440440E-4364-12.33440440F-4364-12.33440440G-4230369.034454404-2230341.42450440竖腹杆G-324540440440注：表中焊缝计算长度按下列公式计算：肢背 肢尖 表中的焊缝肢尖长度已考虑起弧、灭弧的影响，故（mm）（二）.上弦节点支座节点A（见图 5 ）为了方便施焊，下弦杆肢背与支座底板顶面的距离取125mm，锚栓用2M20，栓孔位置尺寸见图6，在节点中心线上设置加劲肋，与节点板高度相等。图5 支座节点A 图6 锚栓a 支座板计算：支座反力，考虑制作外悬挑。设，支座底板混凝土为C20，底板面积：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为：式中：，查表得：所以：支座底板厚度： 实际取支座底板厚度为12mm。b加劲肋与节点板的连接焊缝：假定一块加劲肋承受屋架支座反力的，即焊缝承受的剪力：，弯矩：设焊缝，焊缝计算长度：焊缝应力：采用焊缝满足要求。c支座节点板与底板的连接焊缝：假定焊缝传递全部支座反力，设焊缝则支座底板的连接焊缝长度为：满足要求。d上弦杆与节点板的连接焊缝：节点板与上弦角钢肢背采用槽焊缝连接，假定槽焊缝只承受屋面集中载荷P，p=9.204kN。节点板与上弦角钢肢尖采用双面角焊缝连接，承担上弦内力差。节点“A”槽焊缝焊脚尺寸取节点板厚度的一半，即；焊缝长度为：，则焊缝强度肢尖角焊缝的焊脚尺寸取（贴边焊接，厚度小于6mm，取板厚）。角钢肢尖角焊缝的计算长度上弦杆的内力差：，偏心距：引起的弯矩为：则：满足要求。上弦节点“B”、“E”（见图7）节点板与上弦角钢肢背采用槽焊缝连接，假定槽焊缝只承受屋面集中载荷P，P=9.204kN。节点板与上弦角钢肢尖采用双面贴角焊缝连接，承担上弦内力差。节点“B”的塞焊缝不控制，仅需验算肢尖焊缝。因节点B和E的几何关系、受力等完全相同，故节点详图也完全相同。 图7 上弦节点B、E上弦杆采用等边角钢组成的T形截面，肢尖角焊缝的焊脚尺寸，则角钢肢尖角焊缝的计算长度。弦杆相邻节点内力差偏心距引起的弯矩为：则：因此，肢尖焊缝安全。上弦节点“C”、“F”（见图8）节点板与上弦角钢肢背采用槽焊缝连接，假定槽焊缝只承受屋面集中载荷P，P=9.204kN。节点板与上弦角钢肢尖采用双面贴角焊缝连接，承担上弦内力差。节点“C”的塞焊缝不控制，仅需验算肢尖焊缝。因节点C和F的几何关系、受力等完全相同，故节点详图也完全相同。 图8 上弦节点C、F上弦杆采用等边角钢组成的T形截面，肢尖角焊缝的焊脚尺寸，则角钢肢尖角焊缝的计算长度。弦杆相邻节点内力差偏心距引起的弯矩为：则：因此，肢尖焊缝安全。上弦节点“4”（见图9） 因上弦杆间内力差小，节点板尺寸大，故不需要再验算。图9 上弦节点D （三）屋脊节点（见图10） 上弦杆节点载荷P假定由角钢肢背的塞焊缝承受，一般按构造要求即可满足。a上弦杆拼接角钢的连接焊缝： 以该节间的最大轴力N计算，设则 上弦杆与拼接角钢肢尖在接头一侧的焊缝长度为：，取100mm采用拼接角钢长，实际拼接角钢长取280mm。拼接角钢竖肢需切肢，实际切肢部分高度；切肢后剩余高度，水平肢上需设置安装螺栓。图10 屋脊节点Gb上弦杆与节点板的连接焊缝按肢尖焊缝承受上弦杆内力的15%计算。角钢肢尖角焊缝的焊脚尺寸，则角钢肢尖角焊缝的计算长度：内力差偏心距引起的弯矩为：则：肢尖焊缝安全。（四）下弦节点 下弦一般节点“1”（见图11）a绘制节点详图如下所示： 图11 下弦节点 1b下弦杆与节点板间连接焊缝计算 ，暂取，则需要满足下列条件按：实际取焊缝长度为，其计算长度为：。 下弦拼接节点“2”（见图12）图12 下弦拼节点2a拼接角钢的构造和计算拼接角钢与下弦杆用相同的规格，选用565，下弦杆与拼接角钢之间的连接焊缝的焊脚尺寸采用，为便于两者紧贴和施焊以保证焊缝质量，铲去拼接角钢角顶棱角（为角钢内圆弧半径）。所以，切短拼接角钢竖边拼接接头每侧的连接焊缝共有四条，按连接强度条件需要每条焊缝的计算长度拼接处弦杆端部空隙取为，需要拼接角钢长度为：为保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度为。为便于工地拼接，拼接处弦杆和拼接角钢的水平边上设置直径为13mm的安装螺栓孔。b拼接接头一侧下弦杆与节点板间的连接焊缝计算取接头两侧杆的内力差和两者中较大的值进行计算。其中， 因此，取进行计算。由内力较大一侧下弦杆传给节点板，暂取。需要满足条件：实际取焊缝长度，其计算长度为：。 下弦中央节点“3”（见图13） 绘制节点详图如下所示：图13 下弦中央节点3由于下弦角钢与节点板的连接焊缝长度是按构造要求确定的，因此，取焊脚尺寸。并且该中央节点受力平衡，可以不进行焊缝强度验算。（五）受拉主斜杆中间节点（见图14） 绘制节点详图如下所示：图14 受拉主斜杆中间节点4下弦杆与节点板间连接焊缝计算：，暂取，按构造要求实际取焊缝长度，即可满足要求。其计算长度为：八、说明 1因本设计的钢屋架下没有悬挂起重设备，故不需要验算挠度，但是由于跨度为18m15m，故制作室宜起拱，拱度为。 2运输时允许最大尺寸：长度，高度。 3本屋架跨度为18mm，因此选用三角形芬克式十二节间屋架。参考文献1黄呈伟，李海旺.钢结构设计M. 北京：科学出版社，2005.2包头钢铁设计研究总院，中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会编著. 钢结构设计与计算M. 北京：机械工业出版社，2006.3陈绍蕃，顾强.钢结构基础（第二版）M. 北京：中国建筑工业出版社，2007.4赵熙元.建筑结构设计手册. 北京：冶金工业出版社,1995.5陈绍蕃.钢结构设计原理第三版. 北京：科学出版社,2005.6建筑结构荷载规范GB-50009-2001. 北京：中国建筑工业出版社，2006.7沈祖炎，陈杨翼，陈安一.钢结构基本原理. 北京：中国建筑出版社,2002.