鋼結構設計梯形屋架

1、 鋼結構課程設計21m跨鋼屋架設計計算書 1 設計資料 某廠房總長度90m，跨度L=21m，屋蓋體系為無檁體系，縱向柱距6m。 1.結構形式:鋼筋混凝土柱，梯形鋼屋架。柱的混凝土強度等級為C30，屋面坡度i=L/10；L為屋架跨度。地區(qū)計算溫度高于-200C，無侵蝕性介質，不考慮地震設防，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。 2. 屋架形式及荷載:屋架形式、幾何尺寸及內(nèi)力系數(shù)（節(jié)點荷載P=1.0作用下桿件的內(nèi)力）如附圖所示。屋架采用的鋼材、焊條為：用Q345鋼，焊條為E50型。 3.屋蓋結構及荷載 無檁體系：采用1.5×6.0m預應

2、力混凝土屋板（考慮屋面板起系桿作用） 荷 載： 屋架及支撐自重：按經(jīng)驗公式q=0.12+0.011L，L為屋架跨度，以m為單位，q為屋架及支撐自重，以kN/m2為單位； 屋面活荷載：施工活荷載標準值為0.7kN/m2，雪荷載的基本雪壓標準值為S0=0.35kN/m2，施工活荷載與雪荷載不同時考慮，而是取兩者的較大值；積灰荷載 0.6kN/m2。 屋面各構造層的荷載標準值： 三氈四油（上鋪綠豆砂）防水層 0.4kN/m2 水泥砂漿找平層 0.4kN/m2 保溫層 0.7kN/m2 一氈二油隔氣層 0.05kN/m2 水泥砂漿找平層 0.3kN/m2 預應力混凝土屋面板 1.45kN/m2 2 結

3、構形式與布置 屋架形式及幾何尺寸如圖7.30所示。 屋架支撐布置如圖7.31所示。 1990 1350229025902890304026132864312425302864312433901507.51507.51507.51507.51507.51507.51507.5150AaceghBCDFGH15007=10500× 圖7.30 屋架形式及幾何尺寸 3 荷載計算 屋面活荷載與雪荷載不會同時出現(xiàn)，從資料可知屋面活荷載大于雪荷載，故取屋面活荷載計算。 屋架沿水平投影面積分布的自重（包括支撐）按經(jīng)驗公式計算，跨度單位為m。 荷載 永久荷載： 預應力混凝土屋面板 958.135.1

4、45.1?2/mkN 屋架及支撐自重 474.035.1)21011.012.0(?2/mkN 三氈四油（上鋪綠豆砂）防水層 54.035.14.0?2/mkN 水泥砂漿找平層 54.035.14.0?2/mkN 保溫層 945.035.17.0?2/mkN 一氈二油隔汽層 068.035.105.0?2/mkN 水泥砂漿找平層 405.035.13.0?2/mkN 總計 4.9292/mkN 可變荷載： 屋面活荷載 98.04.17.0?2/mkN 積灰荷載 0.61.40.8?2/mkN 總計 1.822/mkN 設計屋架時，應考慮以下3種荷載組合： (1) 全跨永久荷載+全跨可變荷載 全

5、跨節(jié)點永久荷載及可變荷載： (4.9291.82)1.56F?kN （2）全跨永久荷載+半跨可變荷載 全跨節(jié)點永久荷載：14.9291.5644.36F?kN 半跨節(jié)點可變荷載：21.821.5616.38F?kN （3）全跨屋架包括支撐+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載 全跨節(jié)點屋架自重：30.4741.564.266F?kN 半跨節(jié)點屋面板自重及活荷載：4(1.95750.98)1.5626.44F?kN （1） 、（2）為使用階段荷載情況，（3）為施工階段荷載情況。 4內(nèi)力計算 屋架在上述3種荷載組合作用下的計算簡圖見圖7.32所示。 由已知得F=1的屋架各桿件的內(nèi)力系數(shù)（F=1作用于全跨

6、、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，計算結果見表7.6。 （a） F/2FFFFFFFFFFFFFF/21990207003040A2850300030003000300030002850HGFEDCBdcba (b)F/2F/2FFFFFFFFFFFFFFFFHGEFFCFBAFD F/F/2F(c)AHGFEDCBF/2FFFFFFF3FFFFFFFFFFFF/2F/2F/2 屋架支撐布置如圖7.31所示。 12500GG1LG2LG2GG2CC2LG5GG2LG2LG2GG1LG2GG22CCCC52GG2LG2GG21210001LG4LG3SC1LG1SC11

7、2LGSC3LG3LG3CC4LG262C2LG2LGLGSCLG2LG12SCSCC1SC2CC11GGC61GGSCSC2LG1C6GG2LG2LG2LG5LG5LG42GG5LGSC2S2LGS2LGCC2LG1LG1CC2C2C6SC1SC2SCC2LG12LGS2LGC1C4S2GGSCC52GGCC2LG5屋架下弦支撐布置圖CC5LG5LG1LG5GG2LG4LG34LG111XCXCXCLG12LG6C5LG12XCXXCCC2LG1LG1CC3CC32LG3LG3CC6CC6C5CC32XCXXC363LG1CC3XCLG4XCLG4XC252XCXCXC252XCXC5LG1

8、XC141XCLG5CC5CCXCLG5CC2CC2XCCC22GG屋架下弦支撐布置圖2GGLG5LG55LG垂直支撐2-2CC3GG3LG4CC6CC3GG3GG3GG3垂直支撐1-14LG4LG4LG6000*15=90000 符號說明：SC上弦支撐 XC下弦支撐 CC垂直支撐 GG剛性系桿 LG柔性系桿 圖7.31 屋架支撐布置 桿件名稱 內(nèi)力系數(shù)（F=1） 第1種組合F ?第2種組合 第3種組合 計算桿件內(nèi)力（kN） 全跨 左半跨 右半跨 + + + + 1F?2F?1F?2F?3F?4F?3F?4F?上弦 AB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BC/CD -7.472 -5.31

9、 -2.162 -453.84928 -418.43572 -366.87148 -172.272 -89.0388 -453.85 DE、EF -11.262 -7.339 -3.923 -684.05388 -619.79514 -563.84106 -242.087 -151.768 -684.05 FG/GH -12.18 -6.861 -5.319 -739.8132 -652.68798 -627.43002 -233.365 -192.594 -739.81 下弦 ab 4.1 3.01 1.09 249.034 231.1798 199.7302 97.075 46.3102

10、249.03 bc 9.744 6.663 3.081 591.85056 541.38378 482.71062 217.7376 123.0295 591.85 cd 11.962 7.326 4.636 726.57188 650.6342 606.572 244.7293 173.6057 726.57 dd' 11.768 5.884 5.884 714.78832 618.4084 618.4084 205.7752 205.7752 714.79 斜腹桿 aB -7.684 -5.641 -2.043 -466.72616 -433.26182 -374.32658 -1

11、81.928 -86.7969 -466.73 Bb 5.808 3.96 1.848 352.77792 322.50768 287.91312 129.4793 73.63805 352.78 bD -4.409 -2.633 -1.776 -267.80266 -238.71178 -224.67412 -88.4253 -65.7662 -267.8 Dc 2.792 1.222 1.57 169.58608 143.86948 149.56972 44.22035 53.42147 169.59 cF -1.572 -0.047 -1.525 -95.48328 -70.50378

12、-94.71342 -7.94883 -47.0272 -95.48 Fd 0.328 -1.039 1.367 19.92272 -2.46874 36.94154 -26.0719 37.54273 37.54 dH 0.713 1.913 -1.2 43.30762 62.96362 11.97268 53.62138 -28.6863 62.96 豎直桿 Aa -0.5 -0.5 0 -30.37 -30.37 -22.18 -15.353 -2.133 -30.37 Cb/Ec -1 -1 0 -60.74 -60.74 -44.36 -30.706 -4.266 -60.74 Gd

13、 -1 -1 0 -60.74 -60.74 -44.36 -30.706 -4.266 -60.74 注：F=60.74kN；1F=44.36kN；2F=16.38kN；3F=4.26kN；4F=26.44kN。 5 桿件設計 （1） 上弦桿 整個上弦采用等截面，安FG、GH桿件之最大設計內(nèi)力設計。 N=-739.810kN= -739810N， 上弦桿計算長度 0150.75xl?cm 在屋架平面外： 根據(jù)支撐布置和內(nèi)力變化情況03150.75452.25ylcm?。 因為003yxll?，故截面宜選用兩個等肢角鋼短肢相并（圖7.35）。 腹桿最大內(nèi)力N= -486.09kN，查表7.5，

14、節(jié)點板厚度選10mm支座節(jié)點板厚度用12mm。 設60?，查附錄中附表2.2得0.807?。 需要截面積 27705070.8072957.230.807310NAmmf? 需要得回轉半徑： 0150.752.512560xxlicm? 0452.257.537560yylicm? 根據(jù)需要的A、xi、yi查角鋼規(guī)格表（附表6），選用2140908?， A=36.0762cm，xi=2.59cm，yi=6.73cm，按所選角鋼進行驗算： ?0150.7558.221502.59xxxli?， ?0452.2567.21506.73yyyli? 滿足長細比的要求。 由于yx?，只需求y?。查表得

15、0.768y?。 22770507267.013100.7683607.6yNNNmmmmA? 所需截面合適。 （2） 下弦桿 整個下弦采用同一截面，按最大內(nèi)力所在的eg桿計算。 max726570NN? 0300xlcm?，0yl?1035cm 所需截面為272657023.4377310nNAcmf? 選用2140908?，因為 00xyll?，故選用不等肢角鋼短肢相并。 A=36.0762cm>24.932cm，xi=2.59cm，yi=6.73cm ，01035153.83506.73yyyli? 0300115.83502.59xxxli? （3）端斜桿aB 桿件軸力 4667

16、30NN? 計算長度00253xyllcm?，因為00xyll?，故采用不等肢角鋼長肢相并，使2140908? xyii?。選用2110708L?，則 227.888Acm?，3.51xicm?，2.92yicm? 025372.083.51xxxli? ，025386.642.92yyyli? 因為yx?，只求y?=0.645。 2466730259.473100.6452788.8yNkNmmA? 所需截面合適。 （4） 豎桿 Gd 60740NN?，l0x =289×0.8=231.2cm, l0y =289cm 內(nèi)力較小，按=150選擇，需要的回轉半徑為： ix=l0x/=2

17、31.2/150=1.54cm iy=l0y/=289/150=1.93cm 查型鋼表，選截面的回轉半徑較計算的要略大些，選用256×5 ix=1.72cm ，iy=2.69cm，A=1083mm2 x= l0x/ ix=231.2/1.72=134.42150 y= l0y/ iy=289/2.28=107.43150 xy，只求?x=0.368 ?=N/?xA=60740/(0.368×1083)=152.4 N/ mm2<310 N/ mm2 其余各桿件的截面選擇計算過程不一一列出，現(xiàn)將計算結果列于表2中。 應力 （N/ mm2) 267.0 201.4 81.

18、69 259.5 126.5 108.9 127.9 138.0 136.2 197.8 39.08 152.4 148.1 穩(wěn)定系數(shù) ?y 0.768 KN 0.645 B ?x 0.387 2L90×810 0.514 0.751 100.411 0.393 0.368 0.346 容許長細比 150 350 150 8-1206-702L110×70×8150 350 150 2L56×5150 8-1006-60350 2150 90×150 350 150 150 長細比 y 67.2 153.8 78.7 86.04 63.9 85

19、.1 170.0 74.2 96.3 102.8 127 107.4 111.5 x 58.2 115.8 130.1 72.08 75.7 106.5 103.8 118.1 120.5 128.9 163.3 134.4 139.8 回轉半徑（cm） iy 6.73 6.73 2.46 2.82 4.09 2.69 4.09 3.04 2.69 3.04 2.46 2.69 3.04 ix 2.59 2.59 1.53 3.51 2.76 1.72 2.76 1.94 1.72 1.94 1.53 1.72 2.94 計算長度（cm） l0y 452.3 1035 199 253 261.

20、3 229 286.4 286.4 259 312.4 312.4 289 339 l0x 150.8 300 159.2 253 209.0 183.2 229.1 229.1 207.2 249.9 249.9 231.2 271.2 截面面積 36.076 36.076 9.606 27.888 27.888 10.85 27.888 12.286 10.85 12.286 9.606 10.85 12.286 截面規(guī)格 140×90×8 140×90×8 50×5 110×70×8 90×8 56×

21、;5 90×8 63×5 56×5 63×5 50×5 56×5 63×5 計算內(nèi)力（kN） -739.81 726.57 -30.37 -466.73 352.78 -60.74 -267.8 169.6 -60.74 -95.5 -26.07 37.54 -60.74 -28.7 62.96 桿件 編號 FG、Gde Aa aB Bb Cb bD Dc Ec cF Fd Gd dH 名稱 上弦 下弦 腹桿 桿件截面選擇表 桿件截面選擇表 6節(jié)點設計 （1） 下弦節(jié)點“b” (圖7.37) 2L140×90

22、15;8下弦點b 591.85KN 用焊條為E50型的抗拉，抗壓，抗剪強度為fwf=200 N/ mm2。設“Bb”桿的肢背和肢尖焊縫hf=8mm和6mm，則所需的焊縫長度為： 肢背:lw'=0.7N/2hefwf=0.7×325780/（2×0.7×8×200）=102mm 取12cm 肢尖:lw=0.3N/2hefwf=0.3×325780/（2×0.7×6×200）=58.2mm 取 7 cm 設“bD”桿的肢背和肢尖焊縫hf=8mm和6mm，則所需的焊縫長度為： 肢背: lw' =0.7N/

23、2hefwf=0.7×267800/（2×0.7×8×200）=83.7mm取10cm 肢尖: lw=0.3N/2hefwf=0.3×267800/（2×0.7×6×200）=47.8mm取6cm “Cb”桿的內(nèi)力很小，焊縫尺寸可按構造確定，取hf=5mm.。 根據(jù)上面的計算結果及相應的構件之間應有的制作和裝配誤差，確定節(jié)點板的尺寸為260 mm×350 mm. 下弦與節(jié)點板的焊縫長度為250 mm，hf=6mm。焊縫所受的力為左右兩下弦桿的內(nèi)力差?N=591.85-249.03=342.82KN，受力較

24、大的肢背處的焊縫應力為 ?f=0.75×342820/(2×0.7×6×(350-12)=90.6 N/ mm2<200 N/ mm2 (2)上弦節(jié)點“B”(圖 7.38) A 10-1308-1008-1205-70453.85KN466.73KN352.78 KN 上弦節(jié)點B 0KN “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=10mm和8mm，則所需的焊縫長度為： 肢背:l w'=0.7N/2hefwf=0.65×466730/（2×0.7×10×200）=1

25、08.3mm 取13cm 肢尖:lw=0.3N/2hefwf=0.35×466730/（2×0.7×8×200）=72.9mm 取 10cm 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8.用槽焊縫把上弦角鋼和節(jié)點板連接起來。曹焊縫作為兩條角焊縫計算，焊縫強度設計值剩以0.8的折減系數(shù)。計算時可略去屋架上弦坡度的影響，而假定集中荷載p與上弦垂直。上弦肢背槽焊縫的內(nèi)應力為 hf=1/2×節(jié)點板厚度=1/2×10=5mm, hf=10mm 上弦與節(jié)點板間焊縫長度為 480mm. ?''222117.02)22.

26、12/()(wflhPNNK?=22(0.75453850)(60740/(21.22)20.75(40010)?=125.02N/ mm2 <0.8 fwf=0.8?200=160 N/ mm2 上弦肢尖角焊縫的剪應力為 ?''''222127.02)22.12/()(wflhPNNK?=22(0.25453850)(60740/(21.22)20.710(40020)?=21.83N/ mm2<200N/ mm2 （3） 屋脊節(jié)點“H” 屋脊節(jié)點H 7.39 2L140×90×8 12L140×90×8 7

27、39.81739.81KN62.96KN62.96KN2L63×52L63×56-905-80 1-1 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，并便于施焊，需將拼接角鋼的尖角削除，且截去垂直直肢的一部分寬度。拼接角鋼的這部分削弱，可以靠節(jié)點板來補償。街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 lw=739810/(4×0.7×10×200)=132.11mm 拼接角鋼的長度取460mm>2×132.11mm=264.22mm. 上弦與節(jié)點板之間的槽焊，假定承受節(jié)點荷載，

28、上弦肢尖與節(jié)點板的連接焊縫，按上弦內(nèi)力的15%計算。設肢尖焊縫hf=10，節(jié)點板長度為 45cm ，則節(jié)點一側弦桿焊縫的計算長度為lw=45/2-1-2=19.5cm ，焊縫應力為： 0.1573981020.710195nf? 40.65N/ m20.1573981080620.710195mf?= 100.06N/ m22)22.1()(mfnf?=91.54N/ mm2<200N/ mm2 因屋架的跨度較大，需將屋架分成兩個單元，在屋脊節(jié)點和下弦跨中節(jié)點設置工地拼接，左半邊的上弦，斜桿和豎桿與節(jié)點板連接用工廠焊接，而右半邊的上弦，斜桿與節(jié)點板的連接用工地焊接。 腹板與節(jié)點板連接焊接計算方法與以上幾個節(jié)點相同 （4）支座節(jié)點“a” 6 630.37KN466.73KN249.03KN10-2106-150 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地板的凈距離取160mm。在節(jié)點中心線設置加勁肋，加勁肋的高度與節(jié)點板的高度相等，厚度為12mm。 支座底板的計算 支