單跨封閉式鋼屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書

1、單跨封閉式鋼屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書1設(shè)計(jì)資料及屋架形式與材料設(shè)計(jì)一位于北京市郊的單跨封閉式屋架結(jié)構(gòu)，單跨屋架結(jié)構(gòu)總長度為36m，柱距為4m，跨度為l=9m，屋面材料為波形石棉瓦，規(guī)格：1820×725×8.其他主要參數(shù)：坡度i=1：3，恒載為0.3KN/m2,活載為0.6KN/m2，屋架支撐在鋼筋混凝土柱頂，混凝土標(biāo)號C20，柱頂標(biāo)高為6m，鋼材標(biāo)號：Q235-B.F，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為f=215KN/m2,焊條采用E43型，手工焊接，荷載分項(xiàng)系數(shù)去：G=1.2,Q=1.4.2屋架形式及幾何尺寸 根據(jù)所用屋面材料的排水需要幾跨度參數(shù)，采用人字形六節(jié)間三角形屋架。屋架坡度為1：3，屋面

2、傾角。 , 屋架計(jì)算跨度：. 屋架跨中高度： 上弦長度： 節(jié)間長度：. 節(jié)間水平方向尺寸長度：. 根據(jù)幾何關(guān)系得屋架各桿件的幾何尺寸如圖1所示。圖1 桿件的幾何尺寸3屋蓋支撐設(shè)計(jì)3.1 屋架的支撐（如圖1所示） 在房屋兩側(cè)第一個(gè)柱間各設(shè)置一道上弦平面橫向支撐和下弦平面橫向支撐。 在屋架的下弦節(jié)點(diǎn)2處設(shè)置一通長柔性水平系桿。圖 2 屋架的支撐3.2屋面檁條及其支撐波形石棉瓦長為1820mm，要求搭接長度150mm，且每張瓦至少需要有三個(gè)支撐點(diǎn)，因此，最大檁條間距為：.半跨屋面所需檁條條數(shù)為：根。考慮到上弦平面橫向支撐節(jié)點(diǎn)處必須設(shè)置檁條，實(shí)際取半跨屋面檁條數(shù)為: =7根，檁條間距. 可以滿足要求。

3、檁條水平間距：.檁條選用槽鋼6.3，查表得相關(guān)數(shù)據(jù)：。 荷載計(jì)算恒載：0.3KN/m2, 活載：0.6KN/m2.檁條截面受力圖如圖3所示。檁條線載荷為：=(0.3+0.6)×0.725=0.6525KN/m =(1.2×0.3+1.4×0.6)×0.725=0.87KN/m =P×sin=0.87×0.3162=0.275KN/m =P×cos=0.87×0.9487=0.825KN/m圖 3 檁條截面力系圖 強(qiáng)度驗(yàn)算 檁條支撐如圖4所示。柱間距為=4m，所以彎矩設(shè)計(jì)值為： 屋面能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)時(shí)，可不計(jì)

4、算整體穩(wěn)定性,只需計(jì)算其強(qiáng)度。 檁條的最大應(yīng)力處： 檁條y方向： 檁條x方向：圖 4 剛度驗(yàn)算在沿屋面方向有拉桿，可只驗(yàn)算垂直于屋面方向的繞度。繞度：4屋架的內(nèi)力計(jì)算4.1桿件的軸力 ; 為求桿件軸力，把節(jié)間荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載p：p=（1.2×0.3+1.4×0.6）×1.449×4=6.96KN按課題要求，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊查的內(nèi)力系數(shù)和計(jì)算內(nèi)力如表1和圖5所示。表 1 桿件內(nèi)力系數(shù)及內(nèi)力值桿件名稱桿件內(nèi)力系數(shù)內(nèi)力設(shè)計(jì)值（KN）上弦AB-7.91-52.92BC-6.64-44.42CD-7.27-48.64下弦A-17.550.181-24.5

5、30.12腹板B-1、C-1-1.34-8.96D-1320.07D-200圖5 桿件內(nèi)力圖4.2上弦桿彎矩上弦桿端節(jié)間的最大正彎矩：M1=0.8M0；其他節(jié)間的最大正彎矩和節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩為:M2=±0.6M0；上弦桿集中荷載：P=(1.2×0.3+1.4×0.6) ×0.725×4=3.84KN;節(jié)間最大彎矩：M0=P·a/4=3.48×1.449/4=1.26KN·m則：M1=0.8M0=0.8×1.26=1.008KN·m, M2=±0.6M0=±0.6×1.26

6、=±0.756KN·m5屋架桿件截面設(shè)計(jì)在三角形屋架中，根據(jù)桿件最大內(nèi)力N=Nmax=52.92KN,查焊接屋架節(jié)點(diǎn)板厚參考選用表，選擇端支座節(jié)點(diǎn)板厚為8mm，其他節(jié)點(diǎn)板厚為6mm。節(jié)點(diǎn)板厚的選擇如表2所示。表 2 鋼屋架節(jié)點(diǎn)板厚度參考選用表確定節(jié)點(diǎn)板厚度的桿件最大內(nèi)力/KN15015125025140040160060110001010140014101800>18000節(jié)點(diǎn)板厚度/mm68101214161820端支座節(jié)點(diǎn)板厚度/mm8101214161820245.1上弦桿整個(gè)上弦桿采用等截面通長桿，以避免采用不同的截面時(shí)的桿件拼接。桿BC的內(nèi)力為N1=44.4

7、2，為壓應(yīng)力。彎矩作用的平面計(jì)算長度=152.8cm,側(cè)向無支撐長度=2×152.8=305.6cm.所以= (0.75+0.25N1/N)=293.3cm.設(shè)=130，查軸心受力穩(wěn)定系數(shù)表，=0.555需要截面積需要回轉(zhuǎn)半徑，首先，試選上弦桿截面為250×5：A=9.61cm2, r=5.5mm, ix=1.53cm, iy=2.38cm Wxmax=15.79cm3, Wxmin=6.26cm3 強(qiáng)度檢驗(yàn)桿件單向受彎，按拉彎和壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算：查表知: =1.05, =1.2， =150條件：取AB段上弦桿（最大內(nèi)力桿段）驗(yàn)算：軸心壓力N=52.92KN.最大

8、節(jié)間正彎矩：Mx=M1=1.008KN·m最大負(fù)彎矩：Mx=M2=0.756 KN·m正彎矩截面： 負(fù)彎矩截面：所以上弦桿的強(qiáng)度滿足要求。 彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)按下列規(guī)定計(jì)算：對角鋼水平肢1：對角鋼水平肢2：因桿段相當(dāng)于兩端支撐的構(gòu)件，桿上同時(shí)作用有端彎矩和橫向荷載并使構(gòu)件產(chǎn)生反向曲率，故按規(guī)范取等效彎矩: 。長細(xì)比：該截面屬于b類截面，查表得歐拉臨界應(yīng)力： 所以：用最大正彎矩進(jìn)行計(jì)算：Mx=M1=1.008KN·m 用最大負(fù)彎矩進(jìn)行驗(yàn)算：Mx=M2=0.756KN·m， 滿足要求 彎矩作用平面外的穩(wěn)定性計(jì)算 驗(yàn)算條件： 因側(cè)向無支撐長度l1為3

9、05.6cm，故驗(yàn)算上弦桿的ABC段在彎矩作用平面外的穩(wěn)定性。 等彎系數(shù):tx=mx=0.85.桿BC的內(nèi)力為N1=44.42，為壓應(yīng)力。彎矩作用的平面計(jì)算長度=152.8cm,側(cè)向無支撐長度=2×152.8=305.6cm.所以=(0.75+0.25N1/N)=293.3cm. 長細(xì)比：屬b類截面，查表得=0.422用最大正彎矩進(jìn)行計(jì)算：Mx=M1=1.008KN·m， ，對彎矩使用角鋼水平肢受壓的雙角鋼T形截面，規(guī)范規(guī)定整體穩(wěn)定系數(shù)可按下式進(jìn)行計(jì)算： 得用最大負(fù)彎矩進(jìn)行計(jì)算：Mx=M2=0.756KN·m， ，對彎矩使用角鋼水平肢受拉的雙角鋼T形截面，規(guī)范規(guī)定

10、整體穩(wěn)定系數(shù)可按下式進(jìn)行計(jì)算： 得所以平面外長細(xì)比和穩(wěn)定性均可滿足要求 局部穩(wěn)定性驗(yàn)算驗(yàn)算條件：翼緣自由外伸寬厚比：腹板高厚比：當(dāng)時(shí)： 當(dāng)時(shí)：，為腹板計(jì)算高度邊緣的最大壓應(yīng)力。為腹板計(jì)算高度另一邊緣相應(yīng)的應(yīng)力。b=b-t=50-5=45mm h0=b-t=50-5=45 tw=t=5mm翼緣： 腹板： 滿足要求所以，上弦桿截面完全滿足各項(xiàng)要求，截面適用5.2下弦桿下弦桿為軸心受壓構(gòu)件，整個(gè)下弦桿不改變截面，采用等截面通常桿。首先按桿段A-1的強(qiáng)度條件和下弦桿的長細(xì)比條件選擇截面。軸心拉力為N=50.18KN。長細(xì)比容許值：=350下弦桿的計(jì)算長度為：=241.7cm. =2=483.4cm要滿

11、足：， 選用240×5：A=7.58cm; =1.21cm; =1.98cm 強(qiáng)度驗(yàn)算 桿段A-1：An=A=7.58cm2 所以： 長細(xì)比驗(yàn)算 ，滿足要求，所以所選下弦桿截面適用5.3腹板 腹板為軸心受壓構(gòu)件，=150 短壓桿B-1,C-1.軸心壓力N=8.96KN, =108.1cm斜平面計(jì)算長度：=0.9l=97.29cm需要滿足：選用單角鋼：40×5：A=3.79cm2, =1.21cm 長細(xì)比： 屬于b類截面，查表得=0.685單面連接的等邊單角鋼構(gòu)件按軸心受壓計(jì)算穩(wěn)定性時(shí)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值拆減系數(shù)為：. 滿足要求，所選截面適用 長壓桿D-2軸心壓力N=20.07KN,

12、 =214.7cm斜平面計(jì)算長度：=0.9l=193.23cm需要滿足：選用單角鋼：45×5：A=4.29cm2, =1.37cm 長細(xì)比： 屬于b類截面，查表得=0.341單面連接的等邊單角鋼構(gòu)件按軸心受壓計(jì)算穩(wěn)定性時(shí)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值拆減系數(shù)為：. 滿足要求5.4中間吊桿N=0, =145cm因吊桿不連垂直支撐，故按拉桿長細(xì)比條件選擇截面。按單面連接單角鋼計(jì)算所需截面：=0.9=130.5cm需要: 選用兩個(gè)單角鋼40×5，按十字形布置。5.5填板設(shè)置與尺寸選擇 填板的間距與桿件的受力形式有關(guān)，對壓桿填板間距=40i,對拉桿填板間距l(xiāng)=80i。填板厚度與節(jié)點(diǎn)板厚相同。雙角鋼桿

13、件的填板設(shè)置與尺寸選擇見表2：表 2 填板設(shè)置及尺寸桿件名稱桿件截面桿件幾何長/cmi/cm填板間距l(xiāng)/cm實(shí)際填板間距/cm每一節(jié)填板數(shù)量填板尺寸b×t×h上弦桿50×5158.21.5361.279.1160×6×70下弦桿桿A-140×5241.71.29680.6260×6×60桿1-2193.396.61腹板桿D-240×51451.29672.5160×6×706屋架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，采用E43型焊條，手工電弧焊時(shí)為6.1支座點(diǎn)A6.1.1 下弦桿與節(jié)點(diǎn)板間連接焊

14、縫計(jì)算。 N=50.18KN，查表知，等邊角鋼的角焊縫內(nèi)力分配系數(shù)k1=0.7,k2=0.3.取角鋼肢背焊腳尺寸(<t=8mm)，角鋼肢尖焊腳尺寸。按焊縫連接強(qiáng)度的要求：肢背：肢尖：實(shí)際焊縫長度采用角鋼肢背=50mm,肢尖=30mm。6.1.2 按下列所列方法、步驟和要求畫節(jié)點(diǎn)樣圖，并確定節(jié)點(diǎn)板尺寸，如圖。 嚴(yán)格按照幾何關(guān)系畫出匯交于節(jié)點(diǎn)A的各桿件軸線。 下弦桿與支座底板之間的凈距取90mm。 按構(gòu)造要求，預(yù)設(shè)置底板平面尺寸為200×200，使節(jié)點(diǎn)A的垂直軸線通過底板的形心。 節(jié)點(diǎn)板上縮進(jìn)上弦桿的角鋼背面長度為。圖 6 節(jié)點(diǎn)、肋板和地板的尺寸6.1.3 上弦桿與節(jié)點(diǎn)之間的連接焊

15、縫計(jì)算N=52.92KN，節(jié)點(diǎn)荷載：P1=P/2=3.48KN節(jié)點(diǎn)與角鋼肢背采用塞焊縫連接，取，設(shè)僅有肢背受節(jié)點(diǎn)荷載P1，因?yàn)镻1很小，焊縫強(qiáng)度一定能滿足要求，不必計(jì)算。令角鋼肢尖角焊縫承受全部軸心力N及其偏心彎矩M的共同作用。M=(N-0)×e，其中e為肢尖焊縫偏心距，是肢尖至弦桿的軸線距離。e=50-Z0=50-14.2=35.8。所以 M=N×e=52.92×35.8=1.89KN·m取肢尖焊腳尺寸，取實(shí)際焊縫長度（全長焊滿時(shí)遠(yuǎn)大于330mm），計(jì)算長度：所以： 滿足要求6.1.4 底板的計(jì)算支座反力：R=3P=3×6.96=20.08K

16、N采用C20混凝土： 底板面積的確定所需底板面積：，現(xiàn)采用A=200×200=40000mm2, An=40000-2××252=360.75cm2.接觸面上所受的壓應(yīng)力：可以滿足混凝土軸心抗壓強(qiáng)度要求，底板尺寸為200×200mm適用。 底板厚度t的確定底板被節(jié)點(diǎn)板和加勁肋劃分成四塊相同的相鄰邊支撐的小板，底板厚度由兩邊支撐的矩形板確定。矩形板相關(guān)數(shù)據(jù)為： ，查表得：=0.0602板的最大彎矩為: 按底板抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件，需要底板厚度：， 取t=5mm.所以底板選用尺寸為：-200×5×2006.1.5 節(jié)點(diǎn)板、加勁肋與底板間水平連

17、接焊縫計(jì)算因底板是正方形，故節(jié)點(diǎn)板和加勁肋與底板的連接焊縫各承受支座反力的一半。 節(jié)點(diǎn)板與底板間水平連接焊縫 承受軸心力：N=R/2=20.88/2=10.44KN 焊縫計(jì)算長度：需要：構(gòu)造要求：取，滿足要求。 加勁肋與底板水平連接焊縫軸心力：N=R/2=10.44KN 需要滿足：取，滿足要求6.1.6 加勁肋與節(jié)點(diǎn)板間豎向連接焊縫計(jì)算加勁肋尺寸采用-140×40×8，與中間節(jié)點(diǎn)板等厚。每一對加勁肋傳遞總反力的一半，每塊加勁肋與節(jié)點(diǎn)板間豎向連接焊縫受力： 焊縫強(qiáng)度計(jì)算長度：需要滿足：構(gòu)造要求：取，滿足要求由以上計(jì)算知，底板和加勁肋及其連接焊縫均滿足要求。6.2上弦節(jié)點(diǎn)B、C

18、的計(jì)算6.2.1按以下方法和步驟繪制節(jié)點(diǎn)詳圖 畫出匯交節(jié)點(diǎn)B的各桿件軸線 節(jié)點(diǎn)板上部縮進(jìn)上弦桿的角鋼背面為5mm, 標(biāo)出節(jié)點(diǎn)詳圖所需的各種尺寸 其尺寸如圖7所示。圖 7 節(jié)點(diǎn)板C的尺寸6.2.2上弦桿與節(jié)點(diǎn)板間連接焊縫的計(jì)算軸心受力：N1=52.92KN, N2=44.42KN, P=6.96KN節(jié)點(diǎn)載荷P假定全部由上弦桿角鋼肢背塞焊縫承受，取焊腳尺寸為4mm,因?yàn)镻值很小，其強(qiáng)度要求必滿足，不必計(jì)算。上弦桿肢尖角焊縫假定承受節(jié)點(diǎn)兩側(cè)弦桿內(nèi)力差及其偏心彎矩M的共同作用，取肢尖焊腳尺寸為。， e=50-Z0=50-14.2=35.8mm=0.304KN.取焊縫計(jì)算長度，由圖知其實(shí)際尺寸遠(yuǎn)大于10

19、0mm所以： 滿足要求6.2.3桿B-1、C-1與節(jié)點(diǎn)板的連接計(jì)算：桿B-1、C-1為單角鋼，角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以折減系數(shù)0.85。軸心受力：N=8.96KN肢背和肢尖焊縫焊腳尺寸都采用=肢背焊縫：可取肢尖焊縫：可取滿足要求6.2.4桿件D-1與節(jié)點(diǎn)板的連接計(jì)算桿D-1為單角鋼，角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以折減系數(shù)0.85。軸心受力：N=20.07KN肢背和肢尖焊縫焊腳尺寸都采用=肢背焊縫：可取肢尖焊縫：可取滿足要求6.3屋脊拼接點(diǎn)D6.3.1拼接角鋼的構(gòu)造和計(jì)算為便于緊貼和保證施焊質(zhì)量，拼接角鋼采用與上弦桿截面相同及250×5，拼接角鋼與上弦桿間連接焊縫尺寸取鏟除拼接角鋼角頂棱角：1=r=5.5切短拼接角鋼豎肢：2=t+5=14mm，取2=15mm拼接接頭每側(cè)的連接焊縫共有四條，連接強(qiáng)度條件需要每條焊縫的計(jì)算長度為：拼接處左右弦桿端部空隙取20mm，需要拼接的角鋼長度：為保證拼接處的剛度，實(shí)際采用拼接角鋼長度=150mm.此外，因屋面坡度較大，應(yīng)將拼接角鋼的豎肢開出剖口.拼接按母材等強(qiáng)考慮，拼接材料的面積大于母材，不再作拼材強(qiáng)度驗(yàn)算，但其構(gòu)造應(yīng)盡量減少傳力偏心。6.3.2繪制節(jié)點(diǎn)詳圖為便于工地拼接，拼接處工地的弦桿與拼接角鋼和受拉主斜桿的布置尺寸如圖8所示。圖 8 節(jié)