鋼屋架(鋼節(jié)點)課程設計任務書指導書.doc

建筑結(jié)構(gòu)（鋼節(jié)點）課程設計任務書建筑結(jié)構(gòu)（鋼節(jié)點）課程設計指導書青島理工大學（臨沂）土建工程系結(jié)構(gòu)教研室2017年3月普通梯形鋼屋架節(jié)點設計任務書一、 設計資料 某廠房如表1所示，柱距6m，采用梯形鋼屋架、1.5m6.0m預應力混凝土大型屋面板，屋架鉸支于鋼筋混凝土柱上，上柱截面400mm400mm，混凝土強度等級為C30，屋面坡度為。地區(qū)計算溫度高于-200C，無侵蝕性介質(zhì)，抗震設防烈度為7度，屋架下弦標高為18m；廠房內(nèi)橋式吊車為2臺150/30t（中級工作制），鍛錘為2臺5t。表1屋架形式跨度總長選材課程設計班級附圖118m90m鋼，型焊條監(jiān)理151附圖224m120m鋼，型焊條監(jiān)理152二、課程設計應完成的工作1、計算書部分設計一個下弦節(jié)點、一個上弦節(jié)點、支座節(jié)點、屋脊節(jié)點及下弦中央節(jié)點。2、圖紙部分繪制鋼屋架運送單元的施工圖，包括桁架簡圖及材料表。尺寸及標注應齊備，滿足構(gòu)造要求。三、課程設計進程安排序號設計各階段內(nèi)容地點起止日期1節(jié)點設計：設計一個下弦節(jié)點、一個上弦節(jié)點、支座節(jié)點、屋脊節(jié)點及下弦中央節(jié)點。課程設計教室周一到周三2繪制鋼屋架節(jié)點施工圖，包括：1）屋架節(jié)點詳圖；2）設計說明。課程設計教室周三、周四3完善施工圖及計算書課程設計教室周五四、主要參考文獻1、陳紹蕃. 鋼結(jié)構(gòu)（上、下冊）. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014 2、鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB50017-2014）. 北京：中國計劃出版社，20143、房屋建筑制圖統(tǒng)一標準（GB/T 50001-2010）. 北京：中國計劃出版社，20104、建筑結(jié)構(gòu)制圖標準（GB/T 50105-2010）北京：中國計劃出版社，20105、李星榮. 鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設計手冊（第三版）北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014附 圖 一 圖1.1 18米跨屋架幾何尺寸圖1.2 18米跨屋架全跨單位荷載作用下各桿件的內(nèi)力值圖1.3 18米跨屋架半跨單位荷載作用下各桿件的內(nèi)力值附 圖 二圖2.1 24米跨屋架幾何尺寸圖2.2 24米跨屋架全跨單位荷載作用下各桿件的內(nèi)力值 圖2.3 24米跨屋架半跨單位荷載作用下各桿件的內(nèi)力值普通梯形鋼屋架設計指導書本指導書根據(jù)設計任務書提出的設計內(nèi)容和要求指出了設計中應考慮的原則和應注意的問題，對其中某些問題作了必要的說明。更為一般的設計原理、方法及參考數(shù)據(jù)，可查閱相關設計手冊和規(guī)程規(guī)范。第一部分：設計及計算與設計說明書的編制普通鋼屋架是由普通角鋼和節(jié)點板焊接而成。這種屋架受力性能好，構(gòu)造簡單，施工方便，廣泛應用于工業(yè)和民用建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)中，一般是用于大型鋼筋混凝土屋面板等重型屋面，將屋面板直接放在屋架或天窗架上，普通屋架所用的等邊角鋼不小于454，不等邊角鋼不小于56364。屋架鋼材一般采Q235BF（3號沸騰鋼）鋼材，冬季計算溫度等于或低于-30時的屋架宜采用Q235B（3號鎮(zhèn)靜鋼），荷載較大的大跨度屋架可采用Q345（16Mn鋼）或Q390（15MnV鋼）。一、 屋架的形式及主要尺寸（一）普通梯形鋼屋架概述普通梯形鋼屋架通常用于屋面坡度較為平緩的大型屋面板或長尺壓型鋼板的屋面，跨度一般為1536m，柱距612m，跨中經(jīng)濟高度為（1/81/10）。梯形屋架外形比較接近彎矩圖，因而弦桿內(nèi)力沿跨度分布比較均勻，用料較經(jīng)濟，且可以和柱剛接或鉸接，且剛接可使建筑物橫向剛度提高。與柱剛接的梯形屋架，端部高度一般為（1/121/16），通常取2.02.5m；與柱鉸接的梯形屋架，端部高度1.52.0m，此時，跨中高度可根據(jù)端部高度和上弦坡度確定。在多跨房屋中，各跨屋架的端部高度應盡可能相同。當采用大型屋面板時，為使荷載作用在節(jié)點上，上弦桿的節(jié)間長度宜等于板的寬度，即1.5m或3.0m。當采用壓型鋼板屋面時，也應使檁條盡量布置在節(jié)點上，以免上弦桿受彎。對于跨度較大的梯形屋架，為了保證荷載作用于節(jié)點，并保持腹桿有適宜的角度和便于節(jié)點構(gòu)造處理，可沿屋架全長或只在屋架跨中部分布置再分式腹桿。梯形屋架的斜腹桿一般采用人字形，其傾角宜為3060。支座斜腹桿與弦桿組成的支承節(jié)點在下弦時為下承式，在上弦時為上承式。（二）普通梯形鋼屋架主要尺寸的確定普通梯形鋼屋架的主要尺寸包括屋架的跨度、跨中高度和端部高度。 1、屋架跨度：屋架的跨度取決于柱網(wǎng)的布置，柱網(wǎng)縱向軸線的間距就是屋架的標志跨度（公稱跨度），一般以3m為模數(shù)，屋架的計算跨度是兩端支座反力的距離，在大多數(shù)情況下計算跨度比公稱跨度小。對于封閉結(jié)合，計算跨度標志跨度2(150300)。對于非封閉結(jié)合，常取計算跨度標志跨度。（如圖1）圖1 2、跨中高度：屋架的跨中高度由經(jīng)濟要求、剛度要求、運輸界限和屋面坡度等因素來確定，根據(jù)屋架的允許撓度可決定最小高度，最大高度則取決于運輸界限，例如鐵路運輸界限為3.85m；屋架的經(jīng)濟高度是根據(jù)上下弦桿和腹桿的總重量最小的條件確定的。三角形屋架的中部高度主要取決于屋面坡度，當=1/21/3時，=(1/41/6)。梯形和平行弦屋架的中部高度主要取決于經(jīng)濟要求，一般取為=(1/61/10) 。 3、端部高度：是與中部高度和屋面坡度相關的。一般陡坡梯形屋架取=0.51.0m，緩坡梯形屋架取h0=1.82.1m。多跨廠房梯形屋架的端部高度應力求統(tǒng)一。（三）屋架的起拱要求跨度24m的梯形屋架，當下弦無曲折時，宜起拱，拱度。起拱的方法一般是使下弦成直線彎折而將整個屋架抬高，即上、下弦同時起拱。二、 屋面系統(tǒng)的支撐布置（一）支撐布置的必要性屋架是屋蓋結(jié)構(gòu)中最主要的承重構(gòu)件，雖然屋架之間有檁條或屋面板聯(lián)系，但仍然是一不穩(wěn)定的空間體系。通過合理設置支撐可以將屋蓋變成幾何不變體系；支撐還保證了屋蓋的剛度和空間的整體性，以減少屋蓋在水平力作用下的變形；支撐為屋架提供了側(cè)向支點，以減少屋架桿件的計算長度，使受壓弦桿保證側(cè)向的穩(wěn)定，使受拉弦桿具有足夠的剛度；支撐還能夠傳遞水平荷載；并能保證屋架在施工安裝時的穩(wěn)定與方便。（二）支撐布置的原則1、在設置有縱向支撐的平面內(nèi)必須同時設置橫向支撐，并將二者布置為封閉型。2、所有的橫向支撐、縱向支撐和豎向支撐均應與屋架、托架、天窗架等的桿件或檁條組成幾何不變的桁架形式。3、房屋中每一溫度區(qū)段或分期建設的區(qū)段中，應分別設置能獨立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)。4、傳遞風力、吊車水平力和水平地震作用的支撐，應能使外力由作用點盡快地傳遞到結(jié)構(gòu)的支座。5、柱距愈大或吊車工作量愈繁重，支撐的剛度應愈大。6、在地震區(qū)應適當增加支撐，并加強支撐節(jié)點的連接強度。（三）支撐的布置 1、上弦橫向水平支撐在有檁體系或僅采用大型屋面板的無檁體系屋蓋中均應設置屋架上弦橫向水平支撐，上弦橫向水平支撐一般應設置在房間的兩端或橫向溫度伸縮縫間區(qū)段的兩端的第一個柱間，在非地震區(qū)當采用山墻承重或抗震設防烈度6、7度有天窗時，為使屋架支撐與天窗架支撐位于同一開間內(nèi)，也可將支撐布置在第二個柱間，但第一柱間必須用剛性系桿與端屋架上弦牢固連接，以保證端屋架的穩(wěn)定和傳遞山墻的風力，為了保證上弦橫向支撐間的有效作用，提高屋蓋的縱向剛度，兩個上弦橫向支撐間的距離不宜大于66m，故當房屋較長（大于66m）時，尚應在中間柱間增設橫向水平支撐。 2、下弦橫向水平支撐下弦橫向水平支撐一般和上弦橫向水平支撐布置在同一開間，它們和相鄰的兩個屋架組成一個空間桁架體系。一般情況下，應設置下弦橫向水平支撐，但當跨度大于18m且未設懸掛起重運輸設備和吊車，或者雖有吊車但噸位不大，也沒有較大的振動設備，可不設置下弦橫向水平支撐。 3、下弦縱向支撐 下弦縱向水平支撐的主要作用是與橫向水平支撐一起形成封閉體系，以提高房屋的整體剛度。當廠房內(nèi)設有較大噸位的重級、中級工作制橋式吊車、壁行式吊車或有鍛錘等較大震動設備以及廠房較高，跨度較大、空間剛度要求較高時，均應在屋架下弦端節(jié)間內(nèi)設置縱向水平支撐。單跨廠房一般沿兩縱向柱列設置，多跨廠房則根據(jù)具體情況沿全部或部分縱向柱列設置，有托架的房屋為了保證托架的側(cè)向穩(wěn)定在有托架處也設置縱向水平支撐。 4、豎向支撐所有房屋均應設置豎向支撐。它的作用主要是使相鄰屋架和上下弦橫向水平支撐所組成的四面體形成空間幾何不變體系，以保證屋架在使用和安裝時的整體穩(wěn)定。故在設有橫向支撐的開間內(nèi)，均應設置豎向支撐。對于梯形屋架，當跨度30m，一般只需在屋架兩端及跨中豎桿平面內(nèi)布置三道豎向支撐，當跨度30m時，應在兩端和跨度的1/3處或天窗架側(cè)處各布置一道豎向支撐。對于三角形屋架，當跨度18m，一般只需在跨中布置一道豎向支撐，當跨度18m時，根據(jù)具體情況設置兩道。 5、系桿為了保證未設橫向水平支撐屋架的側(cè)向穩(wěn)定以及傳遞水平荷載，應在橫向水平支撐或豎向支撐的節(jié)點處，沿房屋縱向通長地設置系桿。系桿分為剛性系桿和柔性系桿，只能承受拉力的為柔性系桿，一般采用單角鋼；能承受壓力的為剛性系桿，一般由兩個角鋼組成的十字形截面。剛性系桿主要是在三角形屋架的兩端、梯形屋架的主要支撐處的系桿，屋架上弦脊節(jié)點處的系桿以及其他的能受壓的系桿，其余地方設置柔性系桿。三、桿件規(guī)格及受力表2 桿件截面選擇表 桿件內(nèi) 力/KN截 面 規(guī) 格面 積/cm2計算長度/cm回轉(zhuǎn)半徑/cm應力/(N/mm2)上弦-486.96短肢相并2L125X80X1039.42150.75301.52.266.11132.741500.771160.22下弦496.43短肢相并2L125X80X728.19300.00600.002.2986.04130.55150-176.1aB-347.86長肢相并2L125X80X728.19253.00253.004.023.3375.981500.714172.83Bc253.54T形截面2L63X512.29209.04261.301.942.96107.75150-206.30cD-180.94T形截面2L75X514.82229.12286.402.323.4390.101500.620196.92De100.79T形截面2L50X52.96229.12286.401.532.45149.75150-104.88eF-47.76T形截面2L63X512.29249.92312.401.942.96128.821500.39398.8812.34Fg-45.36T形截面2L63X512.29249.92312.401.942.96128.821500.39393.914.07Aa-26.75T形截面2L70X512.29199.00199.001.532.45130.071500.38771.93Cc-53.50T形截面2L56X510.83183.20229.001.722.69106.511500.51496.11Ee-53.50T形截面2L56X510.83207.20259.001.722.69120.471500.435113.56Gg43.44T形截面2L63X512.29260.10260.101.942.96134.07150-35.35四、 節(jié)點設計（一）節(jié)點設計的一般原則：1、屋架是通過各節(jié)點板把匯交于各節(jié)點的桿件連接在一起，各桿件的內(nèi)力通過節(jié)點板上的角焊縫互相平衡。節(jié)點板內(nèi)的應力分布比較復雜，節(jié)點板的厚度通常不作計算，一般情況下可根據(jù)腹桿(梯形屋架)或弦桿(三角形屋架)的最大內(nèi)力按表3選用。 表3 節(jié)點板厚度選用表節(jié)點板鋼號Q235梯形屋架腹桿或三角形屋架弦桿最大內(nèi)力1601613003015005017007019509511200Q345240241360351570570780781105010511300中間節(jié)點板厚度（mm）6810121416支座節(jié)點板厚度（mm）810121416182、為了避免桿件偏心受力，各桿件的重心線應與屋架的軸線重合，但考慮制造上的方便，通常把角鋼肢背到屋架軸線的距離調(diào)整為5mm的倍數(shù)。在上弦，為了便于擱置屋面構(gòu)件，應使肢背齊平，并取兩角鋼重心線之間的中線作為弦桿軸線，如軸線變動不超過較大弦桿截面高度的5時，可不考慮其影響。3、為了避免焊縫過于密集導致節(jié)點板材質(zhì)變脆，節(jié)點板上各板件端緣之間須留1520mm的空隙。節(jié)點板一般伸出弦桿角鋼肢背1015mm（圖4）以便施焊，在屋架上弦，為了支承屋面構(gòu)件，可將節(jié)點板縮進弦桿背510mm，并用塞縫連接。（圖5）圖4圖54、角鋼端部的切斷面宜垂直于桿件軸線，當角鋼較寬為了減少節(jié)點板尺寸，也可采用斜切。5、節(jié)點板的形狀應力求簡單而規(guī)則，至少有兩邊平行，如矩形、平行四邊形和直角梯形等，以便切割鋼板時能充分利用材料和減少切割次數(shù)。節(jié)點板不應有凹角，以免產(chǎn)生嚴重的應力集中現(xiàn)象。此外，確定節(jié)點板外形時，應注意使其受力情況良好，節(jié)點板邊線對桿件邊線間的擴散角宜1:41:3（約1520），強度用足的桿件宜1:2（約25）（圖6），還應考慮使連接焊縫中心受力。 圖6（二）節(jié)點的計算和構(gòu)造節(jié)點設計時，根據(jù)腹桿截面和內(nèi)力確定連接焊縫的焊腳尺寸和長度，然后再根據(jù)焊縫的長度和施工的誤差確定節(jié)點板的形狀和尺寸。1、下弦的一般節(jié)點：這類節(jié)點的設計步驟是：先根據(jù)腹桿的內(nèi)力計算腹桿與節(jié)點板連接焊縫的尺寸，即和，然后根據(jù)的大小按比例繪出節(jié)點板的形狀和大小，最后驗算下弦桿與節(jié)點板的連接焊縫。腹桿與節(jié)點板的連接焊縫計算：肢背：； 肢尖：； 弦桿與節(jié)點板的連接焊縫，由于弦桿在節(jié)點板處是連續(xù)的，它僅將下弦相鄰節(jié)間的內(nèi)力差（、分別為相鄰節(jié)間桿件的內(nèi)力）傳遞給節(jié)點板，其焊腳尺寸為：肢背： 肢尖： 、為角鋼肢背和肢尖焊縫分配系數(shù)。通常弦桿與節(jié)點板連接焊縫所需要的焊腳尺寸很小，一般由構(gòu)造確定。2、上弦一般節(jié)點：腹桿與節(jié)點板的連接焊縫計算同上弦節(jié)點。屋架上弦節(jié)點受有屋面?zhèn)鱽淼募泻奢dP的作用，所以在計算上弦與節(jié)點板的連接焊縫時，應考慮節(jié)點荷載P與上弦桿相鄰的內(nèi)力差的作用。上弦節(jié)點因需要擱置屋面板或檁條，常將節(jié)點板縮進角鋼肢背而采用塞焊縫(圖5-6)。塞焊縫近似地按兩條焊腳尺寸( 為節(jié)點板厚度)的角焊縫來計算，節(jié)點板縮進角鋼背的距離不少于（）mm，但不大于。計算時假定集中荷載與上弦桿垂直，略去上弦桿坡度的影響。這樣在的作用下，角鋼肢背與節(jié)點板角焊所受剪應力為： 這里是角鋼肢背的分配系數(shù)。在P的作用下，上弦桿與節(jié)點板連接的四條焊縫平均受力。若焊腳的尺寸相同，則應力為： ) 肢背焊縫受力最大，其合應力應按下式進行驗算： 考慮到角鋼背與節(jié)點板的塞焊縫質(zhì)量不易保證，常假設塞焊只承受P的作用。由于P力一般不大，縫可按構(gòu)造滿焊不必計算。角鋼肢尖與節(jié)點板的連接焊縫承受及其產(chǎn)生的偏心力矩 (為角鋼肢尖至弦桿軸線的距離)。肢尖焊縫強度按下式進行計算： ， 3、弦桿拼接節(jié)點 弦桿的拼接分為工廠拼接和工地拼接兩種，因角鋼長度不夠而接長的工廠拼接接頭，常設于內(nèi)力較小的節(jié)間內(nèi)；工地拼接是由于運輸條件的限制，屋架分成兩個或兩個以上的運輸單元而設的工地安裝接頭。這里敘述的是工地拼按接頭。工地拼接通常設在節(jié)點處。圖7雙角鋼弦桿采用拼接角鋼拼接，拼接角鋼宜采用與弦桿相同的規(guī)格熱彎成形，以保證弦桿在拼接處保持原有的強度和剛度。為了使拼接角鋼能貼緊被連接的弦桿和便于施焊，應將拼接角鋼的棱角削去并將豎肢切去5mm，這里是拼接角鋼的肢度，是角焊縫的焊腳尺寸。當角鋼肢寬在130mm以上時，應將拼接角鋼肢斜切，使傳力均勻。為了便于工地拼裝，拼接節(jié)點要設立安裝螺拴。拼接角鋼與弦桿的連接焊縫通常按被連接弦桿的最大內(nèi)力計算，并平均地分配給兩個拼接角鋼肢的四條焊縫，每條焊縫的計算長度： 拼接角鋼的長度L=2(+mm)+b，這里b是兩弦桿端間的空隙，一般取b=1020mm，屋脊拼接節(jié)點如屋面坡度較大，可取b=50mm。下弦桿與節(jié)點板的連接焊縫，以下弦與節(jié)點板的連接焊縫按下弦較大內(nèi)力的15和兩側(cè)下弦的內(nèi)力差兩者中的較大者進行計算。這樣，下弦桿肢背與節(jié)點板的連接焊縫長度計算如下： 對于上弦，屋脊處弦桿與節(jié)點板的連接焊縫承受接頭兩側(cè)弦桿的豎向分力與節(jié)點荷載P的合力，兩側(cè)連接焊縫共八條，每條焊縫長度按下式進行計算：圖84、支座節(jié)點 簡支屋架的支座節(jié)點，由節(jié)點板、加勁肋、支座底板和錨栓等部分組成。它的設計和軸心受壓柱腳相似。加勁肋的作用是加強底板的剛度，提高節(jié)點板的側(cè)向剛度，加勁肋高度與節(jié)點板相同，厚度等于或略小于節(jié)點板的厚度，加勁肋厚度的中線應與各桿件合力線重合。為便于節(jié)點焊縫的施焊，下弦角鋼底面和支座底板之間的距離一般不小于下弦角鋼水平肢的寬度，也不應小于130mm。角鋼邊緣與加勁板中線距離不宜小于50mm。錨栓預埋于柱中，其直徑一般取1824mm；為便于屋架安裝就位和調(diào)置位置，底板上的錨栓孔直徑應為錨栓直徑的22.5倍，通常采用4060mm。 屋架安裝完畢后，在錨栓上套上墊圈，并與底板焊牢以固定屋架，墊圈的孔徑比錨栓直徑大12mm。支座底板需要的凈面積按下式計算： 式中 屋架的支座反力； 混凝土的抗壓設計強度設計值?；炷辆植砍袎簳r的提高系數(shù)，見混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB50010-2010）；錨栓孔的面積。通常按計算需要的底板面積較小，底板的平面尺寸主要根據(jù)構(gòu)造要求確定，且短邊b不宜小于200mm。 底板的厚度按均布荷載下板的抗彎強度計算。 式中 是兩鄰邊支承板單位板寬的最大彎矩，； 底板單位面積的壓力，兩相鄰支承邊的對角線長度； 系數(shù)，按查表4； 支承邊的交點至對角線的垂直距離。表4 三邊支承及兩鄰邊支承的矩形板的彎矩系數(shù)值0.30.40.50.60.70.80.91.00.0270.0440.0600.0750.0870.0970.1050.112為了使柱頂壓力分布較為均勻，底板厚度不宜太薄，一般16mm。加勁肋的計算：加勁肋與節(jié)點板間的連接焊縫可近似地按傳遞支座反力四分之一計算，并考慮焊縫偏心受力。每塊加勁肋的兩條焊縫承受的內(nèi)力為：及，加勁肋與節(jié)點板間的連接焊縫按下式計算：屋架支座節(jié)點板和垂直加勁肋與支座底板連接的水平焊縫按均勻傳遞支座反力計算，焊縫強度按下式計算：實際的焊縫計算長度為這里為節(jié)點板厚度，c為加勁肋切角寬度。此外還應按懸臂板驗算加勁肋的強度。圖9五、設計說明書的編制（一） 說明書內(nèi)容設計說明書按照以下順序來編制：設計題目：目錄：（一） 設計資料（二） 結(jié)構(gòu)形式與布置（三） 荷載計算（四） 內(nèi)力計算（五） 桿件設計（六） 節(jié)點設計（二） 說明書編制要求1、 內(nèi)容完整、詳細：按照說明書內(nèi)容的要求，詳細闡述設計、計算方法；內(nèi)力組合表、屋架計算簡圖、截面選擇表、節(jié)點計算簡圖等圖表完整清晰。2、 層次清楚、簡明扼要。3、 用A4紙張，黑色筆書寫。第二部分：屋架施工詳圖構(gòu)件的施工詳圖是結(jié)構(gòu)設計的最后成果之一，是施工的主要依據(jù)，圖中應包括預定鋼材、制造和安裝等工序所需的一切尺寸和資料。各種構(gòu)件的施工詳圖與結(jié)構(gòu)安裝圖等共同組成整個鋼結(jié)構(gòu)的施工圖。鋼屋架的施工詳圖中應包括下列內(nèi)容：1屋架桿件的軸線長度及起拱，桿件的內(nèi)力設計值。通常在圖紙左上角以單線繪制一屋架簡圖。左半圖上標出起拱后的桿件節(jié)點間的幾何長度(mm)，右半圖上標出桿件的內(nèi)力設計值。當屋架跨度較大時，在自重及外荷載作用下將產(chǎn)生較大的撓度，影響結(jié)構(gòu)的使用和有損建筑物的外觀，因此當跨度24m的梯形屋架和跨度15m的三角形屋架，在制作時需要起拱，起拱值約l500跨度。起拱值應在屋架簡圖上標出來，在屋架詳圖上不必表示。2繪制屋架的正面圖（主視圖），上下弦桿的俯視圖，左右端視圖及必要的剖面圖和特殊的零件圖。這是屋架施工詳圖的主體。屋架對稱時可只畫左半屋架，但需表明其與右半屋架的拼接方式。為了不使圖紙?zhí)蠖帜鼙砻鞴?jié)點