普通钢屋架设计计算书

刚结构课程设计课 程 设 计 计 算 书学 院：建筑与土木工程学院系 别： 土木工程系 专 业： 土木工程 课 程： 建筑钢结构设计 设计内容： 普 通 钢 屋 架 学生姓名： 鲁晓鹏 学 号： 25320062205025 指导老师： 刘 丽 君 2010年1月一 、设计资料 某厂房跨度30m，总长90m，柱距6 m，采用梯形钢屋架、1.56.0m预应力混凝土大型屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400400，混凝土强度等级为C30，屋面坡度为。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，抗震设防烈度为7度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台150/30t（中级工作制），锻锤为2台5t。 永久荷载： 三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4 KN/m2 水泥砂浆找平层 0.4 KN/m2 保温层 0.55 KN/m2 一毡二油隔气层 0.05 KN/m2 水泥砂浆找平层 0.3 KN/m2预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2屋架及支撑自重：按经验公式q=0.12+0.011L 计算：0.45KN/m2悬挂管道： 0.15 KN/m2 可变荷载：屋面活荷载标准值： 0.7 kN/m2雪荷载标准值： 0.35 kN/m2积灰荷载标准值： 1.0 KN/m2 钢材采用Q235-B。焊条采E43型，手工焊。桁架计算跨度：lo=30-20.15=29.7m跨中及端部高度： 桁架中间高度： h=3.490m在29.7m处的两端高度： ho=2.005m在30m处轴线处端部高度： ho=1.990m桁架跨中起拱60mm（L/500）。1. 结构形式与布置桁架形式及几何尺寸如图1所示。桁架支撑布置如图2所示 2、荷载计算由于i=1/10，则：=5.71，cos=0.995。计算竖向节点荷载时，按水平投影面计算。节点荷载即为1.5m*6m内的荷载。桁架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（PW=0.12+0.011跨度）计算，跨度单位为米。恒载计算： 防水层（三毡四油）： 0.4/0.995=0.402 kN/m2预应力钢筋混凝土大型屋面板： 1.4/0.995=1.407 kN/m2隔气层、找平层： 0.35/0.995=0.3518 kN/m2保温层、找平层： 0.95/0.995=0.9548 kN/m2 屋架自重： 0.12+0.01130=0.45 kN/m2悬挂管道： 0.15/0.995=0.1508 kN/m2以上合计： 3.7164kN/m2 活载计算：屋面均布活荷载（上人屋面）： 0.7 kN/m2积灰荷载： 1.0kN/m2共 1.7 kN/m2设计桁架应考虑以下三种组合：（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=（1.353.716+1.40.70.7+1.40.91）1.56=62.6634 KN（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 =1.353.7161.56=45.1494 KN（按永久荷载为主的组合） F1,2 =1.23.71641.56=10.7032KN（按可变荷载为主的组合） 对结构有利时：F1,3 =1.03.71641.56=33.4476KN 半跨节点可变荷载设计值： F2,1=1.4(0.70.7+0.91)1.56=17.514KN(按永久荷载为主的组合)F2,2 =1.4（0.7+0.91）1.56=20.16KN（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）全跨节点桁架自重设计值：对结构不利时：F3,1 =1.2*0.45*1.5*6=4.86KN对结构有利时：F3,2 =1.0*0.45*1.5*6=4.05KN半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：F4 =（1.2*1.4+1.4*.0.5）*1.5*6=21.42Kn（1），（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。屋架在上述三种荷载组合作用下的相关计算简图如图3所示：4.内力计算由电算先解得F=1的桁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，计算结果见表1：图3 桁架计算简图 从上自下的顺序a,b,c分别是F=1作用于全跨、左半跨、右半跨的情况；表1 桁架杆件内内力组合表杆件名称内力系数第一种组合第二种组合第三种荷载计算杆件内力/KN全跨（1）左半跨（2）右半跨（3）上弦23、76、1412、171921、220-11.17-17.91-21.16-22.01-23.070-8.09-12.34-13.58-12.85-13.710-3.08-5.57-7.53-9.15-9.360-466.91-748.64-884.49-920.02-964.3300000-466.91-748.64-884.49-920.02-964.33下弦56575859605.9814.9819.7922.0720.734.4210.6013.2213.6010.361.564.386.578.4710.36249.96626.16827.22922.53866.51249.96626.16827.22922.53866.51斜腹杆5585911151618252624-11.228.96-7.435.44-4.152.63-2.31-0.621.673.391.57-8.306.33-4.903.22-1.990.70-0.11-1.963.705.021.25-2.932.63-2.532.23-2.161.93-2.201.35-2.03-1.620.33-469.00374.53-310.57227.39-173.47109.93-96.56-25.9269.81141.7065.63-50.59 -38.03 91.38 123.22 65.63-71.66 0.33 15.31 56.28 -13.58 -45.00 86.02 121.26 -58.35 25.90 -36.72 -20.97 -469.00374.53-310.57227.39-173.47109.93-71.66-13.580.33-45.0091.38-36.72123.22-20.9765.63竖杆14、1013202327-0.50-1.00-0.24-0.74-2.380-0.50-1.00-0.51-1.09-1.820000.270.35-0.550-20.90-41.80-21.32-30.9399.480-20.90-41.80-21.32-30.9399.480注： F=62.6634KN；F1，1=45.1494 KN；F1，2=10.7032KN；F1，3=33.4476； F2，1=17.514； F2，2=20.16； F3，1=4.86； F3，2=4.05； F4=21.42. 5 . 杆件设计(1) 上弦杆整个上弦采用等截面，按21，22杆件之最大内力设计N=964.33 kN =964330N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=3，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并，如图4腹杆最大内力N=469.00kN，查材料表9.6.4可得，中间节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。设=60，查教材附录4得=0.807。需要截面积：需要的回转半径：根据所需要的A、查角钢规格表（附录8），选用218011010，A=5675，、，按所选角钢进行验算： 图4：上弦截面按所选角钢进行验算，满足长细比：的要求。0.56=0.564524cm/180cm=14.07截面x和y平面截属于b类，由于,只需求。查表得=0.816所选截面合适。2、下弦杆整个下弦采用同一截面，按最大内力计算，=922.53kN （拉力）计算长度 屋架平面内取节间轴线长度屋架平面外根据支撑布置取计算需要净截面面积选用21409010（短肢相并），见图5所示，A =44.52c , ix = 2.561 cm , iy =6.85cm 按所选角钢进行截面验算，取。图5 下弦截面 所选截面满足要求。3、斜杆截面计算 端斜杆（55）图6所示N = -469kN (压力)，l0x = l0y = l =253.5 cm.因为l0x = l0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ix iy 选用21409010，见图6所示，A = 44.522 c , ix = 4.47cm , iy = 3.74cm图6 斜杆55截面满足长细比：的要求。由于，只求所选截面合适。 腹杆杆（25）-（26）图7此杆在16节点处不断开，采用通长杆件；最大拉力：，另一端最大压力：，另一端在分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距：l0x =230.1cm在桁架平面外的计算长度可求得：选用2705，由教材附录8可得： , ix = 2.16cm , iy = 3.31cm, 满足长细比：的要求。由于，只求拉应力：所选截面合适。图7 4、竖杆截面设计竖杆（20）截面计算，图8N =-30.93kN (压力)，l0x =0.8l=0.8319cm=255.2cml0y =l=319cm 内力较小，按=150选择，需要的回转半径为：查型钢表，选截面的和较上述计算值略大些。 选用2635，得截面几何特性：A =12.286 c , ix = 1.94cm , iy = 3.04cm b/t=63mm/5mm=12.6 满足长细比：的要求。由于，只求 所选截面合适。图8 边竖杆（1）截面设计如图9N =-20.90kN (压力)， l0x = l0y =l=1990mm 选用2635， A =12.286c , ix = 1.94cm , iy = 3.04cm 属于b类截面 属于b类截面满足长细比：的要求。图9 由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。竖杆（4）和杆（10）如图10N =-41.80kN (压力), l0x =183.2cm l0y =229.0cm 选用2505， A =9.606 c , ix = 1.53cm , iy = 2.53cm 属于b类截面 属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。如图10 竖杆（27）如图11N =0kN (拉力)， l0x =314.1cm l0y =314.1cm 选用2635， A =12.286 c , i=2.45满足长细比：的要求。所选截面合适。图11 中竖杆（27）截面图其余各杆的界面选择计算过程不一一列出，现将计算结果列于表2中6. 节点设计重点设计“1”、“5”、“18”、“13”、“17”五个典型节点，其余节点设计类同。 下弦5节点（图12）各杆件的内力由表2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连接焊缝的尺寸，即hf和lw 。然后根据lw的大小比例绘出节点板的形状和大小，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。选用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值160N/m，实际所需的焊脚尺寸可由构造确定。 （1） 设杆（8）的肢背和肢尖焊缝分别hf为8mm和6mm，所需要的焊缝长度为： 肢背，加2=16mm后取16cm肢尖，加2=12mm后取10cm（2）设（5）杆的肢背肢尖焊缝分别hf为8mm和6mm，所需要的焊缝长度为：肢背，加2=16mm后取14cm肢尖，加2=12mm后取8cm表2 杆件截面选择表杆件杆内力kN计算长度cm截面形式及角钢规格截面积（c）回转半径长细比容许长细比稳定系数(N/m)loxloyix(cm) iy(cm) 上弦-964.33150.8452.4短肢相并L1801101056.753.138.7151.9458.461500.816208.2下弦922.5330006000短肢相并L140901044.522.566.85117.1217350207斜腹杆（55）-469253.5253.5长肢相并L140901044.5224.473.7456.7175.321500.718146.7（8）374.53208.6208.6L100727.5923.094.5367.5157.57350135.7（5）-310.57229.5286.9L100727.5923.094.5374.370.751500.724155.5（9）227.39228.7285.9L80515.8242.483.7192.2277.06350143.7（11）-173.47250.3312.9L90621.2742.794.1389.782.501500623130.9（15）109.93249.5311.9L5059.6061.532.53167123.3350114.4（16）-71.66271.6339.5L80515.8242.483.71109.5297.691500.49691.3（18）-450.33270.8338.5L63512.2861.943.04139.6114.311500.347105.6（25）-36.7291.38230.1452.2L70513.752.163.31106.5140.121500.34577.4（26）-20.97123.22230.1452.2L70513.752.163.31106.5140.121500.34589.6（24）65.63166.3207.9L5059.6061.532.53108.782.235068.32（23）99.48127.6159.5L5059.6061.532.5383.465.941500.665155.7竖杆（1）-20.9199199L63512.2861.943.04102.665.51500.53831.6（4）-41.8183.2229.0L5059.6061.532.53119.792.551500.43999.1（10）-41.8207.2259.0L63512.2861.943.04106.889.001500.51266.8（13）-21.32231.2289L63512.2861.943.04119.298.481500.44139.3（20）30.93255.2319.0L63512.2861.943.04131.5108.091600.38166.1(27)0314.1314.1十字形2L63512.286i=2.45128.22000.3450杆（4）的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取。根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件肢尖应有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360m460mm。下节点与节点板连接的焊缝长度为46cm，hf=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差：N626.16kN-249.56kN=376.6kNf160N/mm2焊缝强度满足要求。上弦节点“3”（图13）杆（8）与节点板的焊缝尺寸和节点“5”相同，杆（8）的肢背和肢尖焊缝分别hf为8mm和6mm，所需要的焊缝长度为： 肢背，加2=16mm后取16cm肢尖，加2=12mm后取10cm杆（55）与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算：,肢背肢尖焊缝分别hf为10mm和8mm，所需要的焊缝长度为：肢背，加2=20mm后取16cm肢尖，加2=16mm后取11cm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（图13）。槽焊缝作为两条角焊缝计算，焊缝强度设计之应乘以0.8的折减系数。计算时可略去行加上弦坡度的影响，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： 上弦节点与中间节点板间焊缝长度为470mm。上弦肢尖角焊缝的剪应力为下弦跨中拼接节点“18”设计（图16）弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，连接角钢取与下弦杆相同截面2，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，且便于施焊，需要将拼接角钢的尖角削除（如图14）并截去垂直肢的一部分宽度（一般为t+hf+5mm）。拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设焊缝hf=10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）：拼接角钢长度540mm2193.42mm=387mm下弦与节点板间的焊槽，假定承受节点荷载，验算略。下弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按下弦内力的15%计算，设肢尖焊缝hf=10mm，节点板长度为472mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw=46cm/2-1cm-2m=20cm，焊缝应力为：fN=（0.15866.5103）/（20.710200mm）=46.62N/mm2，fM=(0.15866.510365mm5)/(20.710mm2002)=75.4 N/mm2， 160kN/mm2如图： 屋脊节点“17”（图14）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，且便于施焊，需要将拼接角钢的尖角削除（如图14）并截去垂直肢的一部分宽度（一般为t+hf+5mm）。拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设焊缝hf=10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）：拼接角钢长度600mm2215.23mm=431mm上弦与节点板间的焊槽，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hf=10mm，节点板长度为472mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw=47.2cm/2-1cm-2m=20.6cm，焊缝应力为：fN=（0.15964.33103）/（20.710206mm）=50.16N/mm2，fM=(0.15964.3310395mm6)/(20.710mm2062)=69.39N/mm2， 160kN/mm2中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=47.03KN此杆内力较小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊缝尺寸hf=8 mm，焊缝长度lw50 mm，节点图如下图所示。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，左边的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊接，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊接。腹杆与节点板连接焊缝计算方法与以上几个节点相同。 支座节点1（如图15）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，厚度取12mm。（1）支座底板的计算支座反力 R= 10F=418000N按构造要求采用底板面积为ab=280400mm2如仅考虑加劲肋部分底板承受支座反力R，则承压面积为280mm232mm=64960mm2验算柱顶混凝土的抗压强度：=R/Au=418103/64960=6.4N/mm2fc=12.5N/mm2满足。 底板的厚度按桁架反力作用下的弯距计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两相邻边支承，而另两相邻边自由的板，每块板单位宽度的最大弯距为：M=式中 底板下的平均应力，=418000/64960=6.4N/mm2； 1两支承边之间的对角线长度，1=173.4mm； 系数，由b1/a1决定。b1为两支承边的相交点到对角线a1的垂直距离（图15）。由相似三角形的关系得：b1=110133/173.4=84.37mm，b1/a1=84.37/173.4=0.49，查表得=0.058故M=0.0586.4173.42=11161.08Nmm/mm。底板厚度t=18mm，取t=20mm。（2）加劲肋与节点的连接焊缝计算加劲肋高度取与支座节点板相同，厚度取与中节点板相同（即38014460），一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力为四分之一支座反力。R/4=479.2103/4=119.8103N，M=Ve=119.810350=5.95106Nmm设焊缝hf=8mm，焊缝计算长度lw=460-10-15=435mm，则焊缝应力为f=(119.8103)/(20.78435)=25N/mm2，f=(65.95106)/(20.784352)=17N/mm2， =29N/mm2160N/mm2（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=418kN，其中每块加劲肋各传R/4=104.5kN，节点板传递R/2=209kN。则焊缝的内力为V=104.5KNM=104.5KN65mm=6792500Nmm设焊缝hf=6mm，所需要的焊缝长度为：则焊缝应力=31.74N/mm160N/ mm设节点板与底板的连接焊缝的焊脚尺寸，则焊缝长度，焊缝强度验算如下：1.22160N/ mm故该焊缝满足验算要求.- 20 -