普通鋼屋架課程設計

1、 目 錄1、 主要設計參數(shù)12、 鋼材和焊條的選用13、 屋架形式、尺寸及支撐布局14、 載荷和內(nèi)力計算25、 桿件截面選擇46、 節(jié)點設計97、 焊接工藝128、 檢驗及質(zhì)量標準149、 參考文獻15一 、設計資料 某車間跨度30m，長度90m，柱距6m，車間設有30/5t 中級制橋式吊車，使用溫度-29，采用1.5*6.0m混凝土鋼筋大型屋面板，10cm厚瀝青珍珠巖保溫層，卷材屋面，屋面坡度1/10，屋架制成在鋼筋混凝土柱上，上截面400*400mm，混凝土型號C20。2、 鋼材和焊條的選用根據(jù)設計資料參數(shù)、使用溫度-29、連接方法及載荷性質(zhì)（靜載荷），屋架鋼材應選用Q235，焊條應選E4

2、303型，焊接方法應選擇手工焊。3、 屋架形勢、尺寸及支撐布局1、由于屋面材料為預應力混凝土大型層面板，所以采用無檀層蓋體系平緩坡度型鋼屋架，屋架尺寸如下：屋面坡度: i=1/10 屋架計算跨度: L0=L2*150=300002*150=29700mm屋架端部高度取: H0=2000mm跨中高度： H=H0+L0/2*i=2000+29700/2*0.1=34853490mm屋架高度比： H/L0=3490/297001/8.512、屋架示意圖 3、梯形鋼屋架支撐布置 四、載荷和內(nèi)力計算 1、荷載計算 荷載名稱標準值（KN/m2）設計值（KN/m2） 永久荷載預應力混凝土大型屋面板1.401

3、.68三氈四油防水層 0.400.48找平層（厚20mm）0.400.48100mm厚瀝青珍珠巖保溫層0.300.36屋架及支撐自重0.450.54管道荷載0.100.12永久荷載總和3.053.66 可變荷載屋面活荷載3.050.98積灰荷載0.700.84可變荷載總和0.601.82 設計屋架應考慮以下三種組合：（1）全跨節(jié)點永久荷載+全跨可變荷載。全跨界點永久荷載及全跨可變荷載為 F=（3.66+1.82）×1.5×6=49.32KN（2）全跨節(jié)點永久荷載+半跨節(jié)點可變荷載 全跨節(jié)點永久荷載：F1=3.66×1.5×6=32.94KN 半跨節(jié)點可變

4、荷載：F2=1.82×1.5×6=16.38KN （3）全跨節(jié)點屋架（包括支撐）+半跨節(jié)點屋面板自重+半跨屋面活荷載 全跨節(jié)點屋架自重：F3=0.54×1.5×6=4.86KN 半跨節(jié)點屋面板自重及活荷載：F4=(1.68+0.98)×1.5×6=23.94KN 上述計算中，（1）、（2）為使用階段荷載情況，（3）為施工階段荷載情況。2、內(nèi)力計算 由電算先解得F=1的桁架各桿件的內(nèi)力系數(shù)（F=1作用于全跨，左半跨和右半跨）。 然后求出各種荷載情況下的內(nèi)力進行組合,并表示出最大內(nèi)力。 計算結(jié)果如下表所示： 五、桿件截面選擇 (1) 上弦

5、桿 整個上弦采用等截面，按IJ，JK桿件的最大內(nèi)力設計，即 N=-1121.0436KN 上弦桿計算長度計算如下： 在屋架平面內(nèi)，為節(jié)間軸線長度，即 lox=l0=1.508m在屋架平面外：本屋架為無檁體系，并且認為大型屋面板只起到剛性系桿作用，根據(jù)支撐布置和內(nèi)力變化情況，取lo y為支撐點間的距離，即 loy=3×1.508=4.524m根據(jù)屋架平面外上弦桿的計算長度，上線截面選用兩個不等肢角鋼，短肢相并，如下圖所示 腹桿最大內(nèi)力N=-559.2888kN，查材料表可得，中間節(jié)點板厚度選用12mm，支座節(jié)點板厚度選用14mm。設=60，查教材附錄得=0.807。（有雙角鋼組成的T形

6、和十字形界面均屬于b類）需要截面積：A=N/*f=1121043.6/(0.807×215)=6461.16mm需要的回轉(zhuǎn)半徑： ix=lox/=1.508/60=75.4mm根據(jù)所需要的A、查角鋼規(guī)格表，選用2180×110×12， ix=31.0mm,iy=87.6mm,A=6742.4mm2 按所選角鋼進行驗算： x=lox/ix=1508/31.0=48.65=150 y=loy/iy=4524/87.6=51.64=150滿足長細比：=150的要求。截面x和y平面截屬于b類，由于>,查表得=0.847則 N/A=1121043.6/(0.847&#

7、215;67.42.4)=196.3MPa<215MPa經(jīng)驗算所選截面合適。（2） 下弦桿整個下弦采用同一截面，按最大內(nèi)力所在桿de桿計算，則 N=1090.9584KN=1090958.4N lox=3000m, loy=29700/2=14850mm(因跨中有通長系桿)，需要截面面積： A=N/f=10909584/215=5074.23mm2=50.74cm2選用不等肢角鋼2180×110×12（短肢相并），見圖所示， A =67.424cm2 , ix = 3.10 cm , iy =8.75cm 下弦截面按所選角鋼進行截面驗算， x=lox/ix=300/3

8、.10=96.77<=350 y=loy/iy=1485/8.75=169.91<=350所選截面滿足要求。（3） 端斜桿aB桿件軸力N = -559.2888kN ， 計算長度l0x = l0y = 2534mm.因為l0x = l0y，故采用不等肢角鋼，長肢相并，使ix iy 選用2140×90×10，見下圖所示，A = 44.522 cm2 , ix = 4.47cm, iy = 3.74cm 斜桿截面按所選角鋼進行驗算： x=lox/ix=253.4/4.47=56.68<=150 y=loy/iy=253.4/3.73=67.94<=150

9、由于y>x，只需求y=0.764 N/A=559288.8/(0.764×4452.2)=185.46MPa<215MPa所選截面合適。（4） 腹桿eg-gk此桿在g點處不斷開，采用通長桿件；最大拉力：Ngk=137.817kN, Neg=106.0902kN最大壓力：Neg=-47.147kN, Ngk=-45.0432kN在分式桁架中的斜腹桿，在桁架平面內(nèi)的計算長度取節(jié)點中心間距：l0x =2301mm在桁架平面外的計算長度可求得： loy=l1(0.75+0.25N2/N1)=460.2×(0.75+0.25×45.0432/47.1474)=4

10、55.07cm選用263×5，由教材附錄可得：A=12.286cm2 , ix = 1.94cm , iy = 3.04cm角鋼驗算 x=lox/ix=230.1/1.94=118.6<=150 y=loy/iy=455.07/3.04=149.69<=150由于y>x，只求y=0.310則N/A=47147.4/(0.310×1228.6)=123.79MPa<215MPa拉應力為：N/A=137817/1228.6=112.17MPa<215MPa所選截面合適。 （5） 豎桿Ie N =-70.1982KN=-79160N, lox=0.8

11、l=0.8×319.1=255.2cm loy=l=319.1cm由于桿件內(nèi)力較小，按=150選擇，需要的回轉(zhuǎn)半徑為： ix=lox/=255.2/150=1.70cm ly=loy/=319.1/150=2.13cm 查表，選截面ix和iy較上述計算略大，選用263×5得截面幾何特性：A =12.286cm2 , ix = 1.94cm , iy = 3.04cm x=lox/ix=255.2/1.94=131.54<=150 y=loy/iy=319.1/3.04=104.97<=150滿足長細比：=150的要求。由于x>y，只求x=0.383則 N/

12、xA=70198.2/(0.383×1228.6)=149.98MPa<215MPa所選截面合適 在此，其他各桿件的截面選擇計算過程不再一一列出，現(xiàn)將計算結(jié)果列于下表桿件桿內(nèi)力kN計算長度cm截面形式及角鋼規(guī)格截面積（c）回轉(zhuǎn)半徑長細比容許長細比穩(wěn)定系數(shù)(N/m)loxloyix(cm) iy(cm)xy 上弦 -1264.45150.8452.4短肢相并L180×110×1267.423.108.7648.6551.641500.847196.30下弦1090.963001485.0短肢相并L180×110×1267.423.108.7

13、696.77169.91350161.82 腹桿以及豎桿 Aa-30.60199199L63×512.2861.943.04102.665.51500.53841.04aB-559.2888253.4253.4長肢相并L140×90×1044.5224.473.7456.7167.781500.764164.43Ba434.51208.6260.8L100×623.8643.104.5167.2957.83350182.08 Cb-49.32183.2229.0L50×59.6061.532.53119.790.51500.439116.95b

14、D-372.37229.5287L100×727.5923.094.5374.363.31500.724186.40 Dc265.83228.7285.8L70×616.322.153.33106.3785.83350162.89Ec-49.32207.2259.0L50×59.6061.532.53135.4102.41500.363141.44cF-208.62250.8312.6L90×621.2742.794.1389.8975.691500.621138.40 Fd129.22249.5311.8L50×59.6061.532.531

15、67123.3350134.52 Gd-49.32231.2289.0L50×59.6061.532.53151.1114.21500.304168.89dH-84.47271.6 339.5L70×616.322.153.33151.1101.951500.304170.26He46.67-28.52270.8 338.4L63×512.2861.943.04139.59111.321500.34766.90Ie-70.20255.2 319.1L63×512.2861.943.04131.5104.91500.381149.97eg106.09-47

16、.15230.1453.73L63×512.2861.943.04118.6149.251500.31123.80gk137.82-45.04230.1453.73L63×512.2861.943.04118.6149.251500.31118.26 Kf0.9864314.1314.1十字形L63×512.2862.452.45128.2128.22000gI24.9858165.9207.4L50×59.6061.532.53108.782.235026.01Jg-42.741127.6158.9L50×59.6061.532.5383.4

17、631500.66566.91 六、節(jié)點設計 (1)下弦節(jié)點“b” 各桿件的內(nèi)里由內(nèi)力表可以查得。設計步驟：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hf和lw，然后根據(jù)lw大小比例繪出節(jié)點板的形狀和尺寸，最后驗算下弦桿與節(jié)點板的連接焊縫。采用E43型焊條角焊縫的抗拉、抗壓和抗剪強度設計值. 設“Bb”桿的肢背和肢尖焊縫分別采用hf1=8mm，hf2=6mm，則所需的焊縫長度為：肢背lw1=0.7N/(2×0.7×hf1*ffw)+2hf1= 0.7*434509.2/(2*0.7*8*160)=185.73mm 故取190mm肢尖：lw2=0.3N/(2×0.

18、7*hf2*ffw)+2hf2=0.3*434509.2/(2*0.7*6*160)=108.99mm 故取110mm設“bD”桿的肢背和肢尖焊縫分別為9mm和7mm，則所需的焊縫長度為：肢背： lw1=0.7N/(2*0.7*hf1*ffw)+2hf1= 0.7*372366/(2*0.7*8*160)+16=161.46mm 故取180mm肢尖: lw2=0.3N/(2*0.7*hf2*ffw)+2hf2=0.3*372366/(2*0.7*6*160)+12=95.12mm 故取100mm“Cb”桿的內(nèi)力很小，焊縫尺寸可按構造確定，取hf=5mm。根據(jù)上面求得的焊縫長度，并考慮桿件之間應

19、有間隙以及制作和裝配等誤差，按比例繪出節(jié)點詳圖，從而確定節(jié)點板尺寸為360×445mm。下弦與節(jié)點板連接的焊縫長度為44.5cm(滿焊)，hf=6mm。焊縫所受的力為左右兩下弦桿的內(nèi)力： N=Nbc-Nab=757.5552-312.1956=445.3596kN，受力較大的肢背處的焊縫應力為： f=0.75*445359.6/2*0.7*6*4（445-12）=91.83MPa<160MPa 因此，焊縫強度滿足要求。（2）上弦節(jié)點“B” “Bb”桿與節(jié)點板的焊縫尺寸和節(jié)點“b”相同，aB桿的肢背和肢尖焊縫hf分別為10mm和6mm，所需要的焊縫長度為：肢背lw1=0.65N/

20、(2*0.7*hf1*ffw)+2hf1=0.65*559288.8/(2*0.7*10*160)+20=182.30mm 取190mm肢尖lw2=0.3N/(2*0.7*hf2*ffw)+2hf2= 0.3*559288.8/(2*0.7*6*160)+12=157.65mm取160mm 為了便于在上弦上擱置屋面板，節(jié)點板的上邊緣可縮進上弦肢背8mm。用槽焊縫把上弦角鋼和節(jié)點板連接起來。槽焊縫作為兩條角焊縫計算，焊縫強度設計之應乘以0.8的折減系數(shù)。計算時可略去行加上弦坡度的影響，而假定集中荷載F與上弦垂直。上弦肢背槽焊縫內(nèi)的應力計算如下： Hf1=1/2*節(jié)點板厚度=1/2*12=6mm上

21、弦節(jié)點與中間節(jié)點板間焊縫長度為460mm。則=48780/2*0.7*6*(460-12)*1.22=10.62MPa<0.8ffw=0.8*160MPa=128MPa肢尖焊縫承受弦桿內(nèi)力差N=559.782-0.1638=559.62KN，偏心距e=110-25=85mm，偏心力矩M=Ne=559.62*0.085=47.567kn·m,按構造要求取肢尖hf2=10mm,則上弦桿肢尖角焊縫的剪應力為f=559620/2*0.7*10*448=89.23MPa有偏心力矩引起的正應力為f=6M/2hel2w=6*47567000/2*0.7*10*4482=101.57MPa則焊

22、縫強度為 所以焊縫強度滿足要求（3）屋脊節(jié)點“K” 弦桿一般都采用同號角鋼進行拼接，為使拼接角鋼與弦桿之間能夠密合，且便于施焊，需要將拼接角鋼的尖角削除并截去垂直肢的一部分寬度（一般為t+hf+5mm）。拼接角鋼的部分削弱，可以借助節(jié)點板來補償。接頭一邊的焊縫長度按弦桿內(nèi)力計算。設焊縫hf=10mm，則所需焊縫計算長度為（一條焊縫）： 則 lw=1121043.6/4*0.7*10*160=250.23mm 拼接角鋼長度ls=2(lw+2hf)+弦桿桿端空隙，拼接角鋼長度取620mm。上弦與節(jié)點板間的焊槽，假定承受節(jié)點荷載，焊縫驗算方法與節(jié)點“B”出槽焊縫驗算方法類似，此處驗算過程略。上弦肢尖

23、與節(jié)點板的連接焊縫，應按上弦內(nèi)力的15%計算，并考慮此內(nèi)力產(chǎn)生的彎矩。設肢尖焊縫hf=10mm，節(jié)點板長度為500mm，節(jié)點一側(cè)弦桿焊縫的計算長度為lw=500/2-10-20=220mm，焊縫應力為： fN=（0.15×1121043.6）/（2×0.7×10×220）=54.60MPa fM=(6×0.15×1121043.6×84.1)/(2×0.7×10×2202)=125.22MPa 因此，焊縫強度滿足要求。（4） 支座節(jié)點“a” 為了便于施焊，下弦桿角鋼水平肢的底面與支座底板的凈距離

24、取160mm。在節(jié)點中心線上設置加勁肋。加勁肋的高度與節(jié)點板的高度相等，厚度取14mm。 1）支座底板的計算支座反力 R=487800N按構造要求采用底板面積為a×b=280×400mm2，如僅考慮加勁肋部分底板承受支座反力R，則承壓面積為280mm×234mm=65520mm2驗算柱頂混凝土的抗壓強度為： =R/An=487800/65520=7.45MPafc=9.8N/mm2滿足。 底板的厚度按桁架反力作用下的彎距計算，節(jié)點板和加勁肋將底板分成四塊，每塊板為兩相鄰邊支承，而另兩相鄰邊自由的板。每塊板單位寬度的最大彎距為：M=2q式中q底板下的平均應力，q=7

25、.45MPa； 2兩支承邊之間的對角線長度，2= 2系數(shù)，由b2/a2決定。b2為兩支承邊的相交點到對角線a2的垂直距離。由相似三角形的關系得： b2=110×133/172.6=84.8mm， b2/a2=84.8/172.6=0.49，查表得2=0.0586 故Mmax=M=2q=0.0586×7.45×172.62=13005.75N·mm。 底板厚度t=19.05mm，取t=22mm。 2）加勁肋與節(jié)點的連接焊縫計算 加勁肋與節(jié)點板的連接焊縫計算與牛腿焊縫相似。偏于安全地假定一個加勁肋的受力為屋架支座反力的1/4,即487800/4=121950

26、N,則焊縫應力為: V=121950N M=121950N×65=7926750N·mm設焊縫hf=6mm，焊縫計算長度lw=528-20-12=496mm，則焊縫應力為 3)節(jié)點板、加勁肋與底板的連接焊縫計算。設焊縫傳遞全部支座反力R=487800N，其中每塊加勁肋各傳R/4=121950N，節(jié)點板傳遞R/2=243900N。 節(jié)點板與底板的連接焊縫長度lw=2×（280-12）=536mm，所需焊腳尺寸為： 故取hf=6mm 每塊加勁肋與底板的連接焊縫長度為； 所需焊縫尺寸為 故取hf=8mm。其他節(jié)點的計算不再一一列出，詳細的施工構造如大圖所示。7、 焊接工

27、藝 桁架為大型構架，其焊接裝配工藝應采用隨裝隨焊的工藝，即先將若干個零件組合起來，隨之焊接相應的焊縫，然后再裝配若干個零件，再進行焊接，甚至等全部零件裝完再進行焊接，成為符合要求的構件。1、焊前須知： 1）施焊前，焊工應復查拼裝質(zhì)量和坡口及間隙是否符合圖紙和焊接要求，如不符合要求，應修整合格后方能施焊。2）焊劑使用前，必須按照質(zhì)量保證書的規(guī)定進行烘焙。埋弧焊的焊劑，應按照工藝確定的型號和牌號 相匹配；堿性焊劑一般在250300烘焙2小時，其含水量不得大于0.1%，不得含灰塵、鐵屑和其它雜物。焊接區(qū)應保持干燥，不得有油污、銹和其它污物。焊條、焊絲、焊劑均應儲存在干燥、通風良好的地方，并設專人保管

28、。3）施焊前必須將焊接處的鐵銹、油污、溶渣等清除干凈，氧化渣須打磨直至露出金屬表面。 4）焊接時，不允許在焊縫以外的母材上打火引弧。 5）定位點焊，必須由持焊工合格證的工人施焊。嚴禁在交叉點施定位焊。定位焊用的焊接材料，應與 正式施焊用的材料相同。點焊高度不宜超過母材厚度的2/3，點焊長度一般不小于50mm，并應填滿弧坑。如發(fā)現(xiàn)定位點焊上有氣孔或裂紋，必須清除干凈后重焊。 6）氣體保護焊所用的氣瓶上，必須裝有預熱器和流量計，氣體純度不得低于99.5%。使用前應做放水 處理。當氣瓶的壓力低于1.0Mpa時，應停止使用。對細焊絲（直徑小于等于2.0mm）的氣體流量宜控制在1025l/min；焊絲直

29、徑大于2.0mm的氣體流量為3050l/min。 7）要求焊透的對接雙面焊縫的背面，可用碳弧氣刨或砂輪機清除焊根后施焊。 8）埋弧焊每道焊縫熔敷金屬橫斷面的成型系數(shù)（寬度與深度之比）應大于1.3。采用多層焊時，應將前一道焊縫表面清理干凈后再繼續(xù)施焊。 9）角焊縫焊腳尺寸K值由設計圖紙或技術文件注明；當圖紙或技術文件未注明時，非熔透焊縫，焊腳尺寸按兩相鄰零件板厚較薄的1.2t計，H型鋼焊縫焊腳尺寸等于腹板的厚度；根部熔透焊接時，焊角尺寸為板厚的1/2，且不大于10mm。焊腳尺寸的允許偏差為04mm。 10）焊縫出現(xiàn)裂紋時，焊工不得擅自處理，應及時向質(zhì)量部門報告，查明原因，定出修補措施后方可處 理

30、。Q345材料在同一處返修不得超過兩次。 11）焊縫焊接完畢，焊工應檢查焊縫外觀質(zhì)量，檢查合格后，應在工藝規(guī)定的焊縫及部位打上焊工鋼印。 12） 鋼結(jié)構產(chǎn)品的焊接。 1）坡口底層焊道一般采用CO2氣體保護焊打底，底層根部焊道的最小尺寸不少于45mm，以防止產(chǎn)生裂紋。 2）焊縫在焊接時，其兩端必須配置引弧板和滅弧板，自動焊引弧板和滅弧板長度宜為板厚的2倍且不小于100mm，寬度應大于80mm；焊縫引出長度應不小于80mm。 3）焊接完畢后，必須用切割法切除被焊工件上引弧板和引出板，并沿受力方向修磨平整，嚴禁用錘擊落。2、焊接工藝選擇1）鋼結(jié)構焊接部分的熱處理工藝分為：預熱，為減緩焊接接頭加熱時間

31、的溫度梯度和冷卻速度，減少和避免淬硬組織，對焊接部位采用局部加熱，適當延長800500區(qū)間的冷卻速度。焊后熱處理，在焊后立即進行，利用預熱處理裝置在焊接停止后繼續(xù)加熱，以防止延遲裂紋。焊后熱處理其目的是消除和降低焊接殘余應力，軟化焊接熱影響區(qū)淬硬組織，提高焊接接頭的韌性，使斷裂韌性提高。2）焊接方式：采用手工焊法。3）弧焊電源選擇：選擇交流焊接機。4）焊條以及焊接電流選擇：根據(jù)桁架焊接的特點，桁架所用的鋼種Q235，服役溫度-29，以及應力大小，焊條采用E4303酸性焊條，根據(jù)桁架工作厚度大于等于12mm，焊條直徑選用4mm。根據(jù)焊條直徑4mm選擇焊接電流160-210 A之間。 5）備料時的

32、工藝選擇：包括材料的存放、校正、表面處理、劃線、放樣、號料、切割下料、坡口及邊沿加工等。在校正時應注意局部撓度的容許偏差值14mm，f1mm/m。<14mm,f1.5mm/m,直線度f1/100。角鋼兩肢的垂直容許偏差b/100mm。在清理金屬表面時應注意對所選桁架而言，每升水中Re容許量最大值為600uQ。 6）裝配環(huán)節(jié)的工藝選擇：不應該把不合格的零件投入裝配，避免強力裝配，在焊接時先進行點固焊，此時所用的焊條與正式焊條相同，按正式焊條的工藝施焊，施焊電流比正式焊接時高10%15%。在交叉焊接處或焊縫方向急劇變化處不進行定位焊，應離開50mm左右。8、 檢驗及質(zhì)量標準1、 焊接材料應符合設計要求和有關標準的規(guī)定，應檢查質(zhì)量證明書及烘焙記錄。2、焊工必須經(jīng)考試合格，檢查焊工相應施焊條件的合格證及考核日期。3、級焊縫必須經(jīng)探傷檢驗，并應符合設計要求和施工及驗收規(guī)范的規(guī)定，