梯形鋼屋架課程設計任務書11級要點

1、鋼結構設計原理課程設計任務書與指導書華中科技大學土木工程與力學學院建工系鋼結構教研室二 0 一三年十二月任務書一、題目：廠房XX m鋼屋架設計二、目的通過鋼結構課程設計，進一步了解鋼結構的結構型式、結構布置和受力特點，掌握 鋼結構的計算簡圖、荷載組合和內(nèi)力分析，掌握鋼結構的構造要求等。綜合應用鋼結構 的材料、連接和基本構件的基本理論、基本知識，進行整體鋼結構設計計算，并繪制鋼 結構施工圖。三、設計資料某車間跨度為24(27, 30) m，廠房總長度102m,柱距6m，車間內(nèi)設有兩臺50/10t 中級工作制軟鉤橋式吊車，地區(qū)計算溫度高于-20E，無侵蝕性介質(zhì)，地震設防烈度為6 度，屋架下弦標高為

2、18m采用1.5 X m預應力鋼筋混凝土大型屋面板，U級防水，卷 材屋面，桁架采用梯形鋼桁架，兩端鉸支在鋼筋混凝土柱上，上柱截面尺寸為 450X450mm,混凝土強度等級為C25,屋架采用的鋼材及焊條為：學號為單號的同學用 Q235B鋼，焊條為E43型；學號為雙號的同學用 Q345鋼，焊條為E50型。屋架形式四、設計任務及要求1. 完成設計計算書一份內(nèi)容：(1) 設計資料、設計依據(jù)(2) 選擇鋼屋架的材料，并明確提出對保證項目的要求；(3) 確定屋架形式及幾何尺寸，屋蓋及支撐布置；(4) 進行荷載匯集、桿件內(nèi)力計算、內(nèi)力組合，選擇各桿件截面；(5) 節(jié)點設計：設計下弦節(jié)點、上弦節(jié)點、再分式腹桿

3、節(jié)點、支座節(jié)點、屋 脊節(jié)點及下弦中央節(jié)點等。（6）填板設計（7）材料統(tǒng)計要求：（1）書寫工整（不能用圓珠筆或鉛筆），表示要清楚，計算步驟明確，計算公 式和數(shù)據(jù)來源應有依據(jù)；（2）圖表應用得當（應附有與設計有關的插圖和說明），各種圖形應按比例并 用儀器繪制。2. 繪制鋼屋架施工圖（A1 一張）（1）屋架幾何尺寸和內(nèi)力簡圖（1:100）;（2） 構件詳圖：屋架正立面圖（軸線圖比例 1:20,節(jié)點及桿件比例1:10）, 上、下弦平面圖，端部側面圖、跨中及中間部位剖面圖；（3）零件或節(jié)點大樣圖（1:5）；（4）材料表；（5）設計說明。要求：圖紙應符合房屋建筑制圖統(tǒng)一標準（GB/T 50001 2001

4、 ）和建筑結構 制圖標準（GB/T 50105 2001 ）的要求;五、設計題目排列1. 每人單獨設計一榀屋架。屋架的跨度 L（ m）、端部高度H0 （m）、屋面坡度i及荷載形式按下面列表的序號選擇（按班級、學號依次選題）。1104班：按學號次序選題（具體可按記分冊上次序選題）荷載一屋面坡度i=1/10屋面坡度i=1/11屋面坡度i=1/12跨度 高度2124273021242730212427301.701234567891011121.741314151617181920212223241.782526272829303132333435361.8037383940414243444546

5、474813荷載二屋面坡度i=1/10屋面坡度i=1/11屋面坡度i=1/12跨度咼度2124273021242730212427301.881234567891011121.901314151617181920212223241.942526272829303132333135361.981105班：按學號次序選題（具體可按記分冊上次序選題）荷載一（標準值）永久荷載：改性瀝青防水層20厚1:2.5水泥砂漿找平層80厚泡沫混凝土保溫層預應力混凝土大型屋面板（包括灌縫）懸掛管道屋架和支撐自重為0.4kN/m220.40kN/m20.6kN/m21.5kN/m0.15N/m2(0.120+0.01

6、1L) kN/m2可變荷載基本風壓：0.35 kN/m2基本雪壓：（不與活荷載同時考慮）0.5kN/m2積灰荷載0.5kN/m2不上人屋面活荷載0.7kN/m2（可變荷載可按水平投影面積計算）荷載二（標準值）永久荷載：改性瀝青防水層20厚1:2.5水泥砂漿找平層150厚加氣混凝土保溫層預應力混凝土大型屋面板（包括灌縫）懸掛管道屋架和支撐自重為20.4kN/m20.4kN/m0.9kN/m21.4kN/m20.10N/m2(0.120+0.011L) kN/m2可變荷載基本風壓：0.40 kN/m2基本雪壓：（不與活荷載同時考慮）0.5kN/m2積灰荷載0.7kN/m2不上人屋面活荷載0.7kN

7、/m2（可變荷載可按水平投影面積計算）注意事項1節(jié)點設計的基本要求（參見教材 P322324）（1）各桿件的形心線位置盡量與屋架幾何軸線重合，并交于節(jié)點中心，以避免由于偏心所產(chǎn)生的附加彎距。（焊接桁架中應調(diào)整稱5mm的倍數(shù)）（2）節(jié)點強度一般應高于相連接的桿件的承載力。（3）節(jié)點的傳力路線明確，構造形式便于制作和安裝。（4）角鋼的切斷面一般與其軸線垂直，需要斜切時只能切肢尖。2節(jié)點板設計行桿10 15a，在卜節(jié)點板的形狀和尺寸在繪制施工圖時決定， 節(jié)點板的形狀應簡單，如矩形、梯形等, 必要時也可以繪制成其它形狀，但至少應有2條平 邊；節(jié)點板厚度按表9.6.3選定，同一榀屋架中除支座節(jié)點 板比其

8、它節(jié)點板厚2mm夕卜，其余厚度均一致。按比例畫出各 件尺寸，考慮構造要求后（各桿件之間應留有空隙 承受靜力荷載時a20mm在承受動力荷載時 a>50mm；畫出各桿件在節(jié)點處角鋼切斷位置。3施工圖繪制施工圖需明確屋架幾何尺寸，各部分詳圖，相關尺寸，構件所用鋼材的鋼號、材料 規(guī)格，連接材料的強度指標、規(guī)格，焊條型號，焊縫長度、厚度，防腐處理等。起拱：跨度較大的屋架，特別是荷載較大時，中間撓度較大，因此為確保安全使用 和外部美觀，一般跨度24m的梯形屋架中間起拱約為跨度的1/500。1）通常在圖紙的左上角用合適的比例畫以屋架簡圖。一半標出幾何長度，另一半 桿件的計算內(nèi)力值。2） 屋架的正面圖。

9、其軸線圖與節(jié)點圖可取不同比例，如軸線可用1:20，桿件截面 和節(jié)點尺寸可用1:10,以使節(jié)點畫清楚些。3）屋架上下弦桿的平面圖、屋架端部和跨中的側面圖及必要的剖面圖4）標注尺寸，要全部注明各桿件和板件的的定位尺寸和孔洞位置等。5）編制材料表，對所有零件應進行詳細編號，編號應按零件的主次、上下，左右 定的順序逐一進行。6）文字說明包括所用鋼材的鋼號及保證項目；焊條型號，焊接方法和質(zhì)量要求；圖紙上未注明的焊縫和栓孔尺寸要求；油漆、加工和運輸要求等。指導書一、教學要求1. 了解普通鋼屋架設計的全過程；2. 學習結構施工圖的繪制和結構計算書的編制方法3. 了解鋼屋蓋支撐體系的作用并能正確布置支撐；4.

10、 掌握鋼屋架的內(nèi)力計算、桿件截面選擇，節(jié)點設計的方法；5. 掌握焊接連接的構造要求。二、屋架形式及主要尺寸的確定 在確定鋼屋架外形時，應滿足適用、經(jīng)濟和制造安裝方便的原則。腹桿和節(jié)點數(shù)盡 量少，應使短桿受壓，長桿受拉，桿件夾角宜在 30°60°之間。屋架的主要尺寸包括屋架的跨度、高度、節(jié)間寬度?？缍纫话阋?m為模數(shù)。計算跨度：Lo=L-2 X50mm 卷材防水屋面上弦坡度為： 1/8 1/12 時，跨中高度一般為：（ 1/6 1/10） L； 端部高度常用：Ho= 1.82.2m；上弦節(jié)間長度應等于大型屋面板的寬度。三、屋架的內(nèi)力計算1. 計算的基本假定 節(jié)點均為鉸接；所有

11、桿件的軸線均位于同一平面內(nèi)，且同心交匯于節(jié)點；荷載均作用于節(jié)點。2. 內(nèi)力計算按結構力學得方法進行。3. 內(nèi)力組合（ 1 ）全跨永久荷載 +全跨屋面活荷載或雪荷載（兩者中的較大值） +全跨積灰荷載（ 2）全跨永久荷載 +半跨屋面活荷載或雪荷載（兩者中的較大值） +半跨積灰荷載（ 3）全跨屋架重 +半跨屋面板和施工時活荷載（施工活荷載或雪荷載的較大值）由于屋面夾角較小，風載為吸力，起卸載作用，一般不考慮。施工時要求屋面 板對稱安裝，因此也不考慮組合（3）。四、桿件的計算長度和長細比1.桿件的計算長度表1桁架弦桿和單系腹桿的計算長度10項次彎曲方向弦桿腹桿支座斜桿和支座豎桿其它腹桿1在桁架平面內(nèi)l

12、l0.8l2在桁架平面外l1ll3斜平面-l0.9 l注：1. l為構件的幾何長度（節(jié)點中心間距離）；li為桁架弦桿側向支承點之間的距離。2斜平面系指與桁架平面斜交的平面，適用于構件截面兩個主軸均不在桁架平面內(nèi)的單角鋼腹 桿和十字形截面的腹桿。當桁架弦桿側向支承點之間的距離為節(jié)間長度的2倍（見教材P291），且兩節(jié)間的弦桿軸心壓力不相同時，弦桿（包括再分式腹桿體系中的受壓腹桿）在平面外的計算 長度應按下式計算：N2I。*（0.75 0.25-）Ni2.長細比壓桿：v=150拉桿：<=350有重級工作制吊車時 w=250四、桿件截面形式和截面選擇 原則： x Q y1.上下弦桿上、下弦桿l

13、0x = l，Ioy=l1, 一般loy>> l°x （ 2倍以上）故通常采用短肢相并的不等邊角鋼T形截面（iy/ixQ 2.8。2. 支座腹桿支座腹桿l0x = loy =l，故通常采用長肢相并的不等邊角鋼T形截面（iy/ix0）。3. 一般腹桿般腹桿loy =l , lox= 0.8 l , loy/lox= 1.25，故通常米用等邊角鋼T形截面(iy/ix 1.5。4.再分式腹桿再分式主斜桿一般是loy/lox二2,因桿件通常較短故通常采用等邊角鋼T形截面(iy/ix1.5)必要時可用短肢相并的不等邊角鋼T形截面(iy/ix- 2.8)再分式腹桿lox二loy=l，

14、但一般是桿件短內(nèi)力小，故常較小規(guī)格的等邊角鋼T形截面(iy/ix- 0.9。5.跨中腹桿桁架正中豎桿，為保證屋架在運輸和安裝的方便，以及與正中垂直支撐和系桿連接 不偏心，并獲得較大的剛度，通常采用等邊角鋼組成十形截面。6 填板的設置雙角鋼T形或十形截面是組合截面，應每隔一定間距在兩角鋼間放置填板， 以保證 兩個角鋼能整體共同受力。填板間距對壓桿用ldW40,對拉桿用IdW 80，ii 一個角鋼 對11形心軸的回轉半徑，一般桿件，每個節(jié)間的填板數(shù) 2 個(T形截面)和3個(十形截面)；在側向支承點間距2間的連續(xù)直通弦桿或腹桿中，每節(jié)間的填板數(shù)一般不得少于1個7截面選擇普通鋼屋架中所采用的角鋼規(guī)格

15、不宜小于L45X5或L56X36>4。為了便于鋼材備料,在同一榀屋架中，角鋼規(guī)格不宜過多，一般為 56種(1) 軸心受拉：軸心受壓：從丄"對于壓桿可先假定長細比 = 60100 （弦桿）或，二80120 （腹桿），查表得值，即可計算所需面積 A五、節(jié)點設計1節(jié)點設計的基本要求（參見教材 P292295）（1）各桿件的形心線位置盡量與屋架幾何軸線重合，并交于節(jié)點中心，以避免由于偏心所產(chǎn)生的附加彎距。（焊接桁架中應調(diào)整稱5mm的倍數(shù)）（2）節(jié)點強度一般應高于相連接的桿件的承載力。（3）節(jié)點的傳力路線明確，構造形式便于制作和安裝。（4）角鋼的切斷面一般與其軸線垂直，需要斜切時只能切肢

16、尖。2節(jié)點板設計節(jié)點板的形狀和尺寸在繪制施工圖時決定，節(jié)點板的形狀應簡單，如矩形、梯形等,a10 15必要時也可以繪制成其它形狀，但至少應有 2條平行邊；節(jié)點板厚度按表 9- 1選定， 同一榀屋架中除支座節(jié)點板比其它節(jié)點板厚 2mm外，其余厚度均一致。按比例畫出各 桿件尺寸，考慮構造要求后（各桿件之間應留有 a，在承受靜力荷載時a> 120mm，在承受動力荷載 a>50mm；畫出各桿件在節(jié)點處角鋼切斷位置。 桁架節(jié)點板在斜腹桿壓力作用下的穩(wěn)定應符合： 對有豎腹桿的節(jié)點板，當c/t乞15、235/ fy時，可不計算穩(wěn)定，否則應進行穩(wěn)定計算。且 c/t22.,、235/ fy。（t節(jié)點

17、板厚度） 對無豎腹桿的節(jié)點板，當c/r<1<235Tf；時，可不計算穩(wěn)定，否則應進行穩(wěn)定計算。且 c/t 乞175 235/ fy。3節(jié)點的計算與構造（1） 上弦節(jié)點（有集中力作用）腹桿與節(jié)點板的連接焊縫按各腹桿的內(nèi)力w1kiN2 0.7hf1ffw1 w2k2N20.7hf2 ffw1wi、Iw2 角鋼肢背和肢尖的焊縫計算長度二1-2hfki、k2角節(jié)點板的連接焊縫鋼肢背和肢尖的焊縫內(nèi)力分配系數(shù)。上弦桿與節(jié)點板的連接焊縫的計算假定節(jié)點荷載P由塞焊縫來承受，則上弦肢背塞焊縫計算：上弦肢尖角焊縫只傳遞弦桿內(nèi)力差值，則上弦肢尖焊縫考慮偏心距的計算:-fP20.7hfil wi<

18、0.8ff6M2 0.7h2fl2w恂 N220-7h2f l2wM =(Ni - N2)e（2）下弦一般節(jié)點（無節(jié)點集中荷載）腹桿與節(jié)點板的連接與（i）相同。下弦桿與節(jié)點板的連接焊縫只傳遞弦桿內(nèi)力差值= Ni-N2,則:1 wi匕N2 0.7hfi ffwlw2k220.7hf2 ffw由于較小，一般所需焊縫可安構造要求在節(jié)點板范圍內(nèi)進行滿焊。（3）上弦跨中拼接節(jié)點構造上弦桿在屋脊斷開處應采用上弦桿截相等的角鋼進行拼接，采用冷彎或熱彎成適面當坡度；拼接角鋼應切肢削棱。切肢 X=t+hf+5mm計算ii弦桿與連接角鋼連接一側的焊縫長度為:11N4 O.7hfffw2hf可取:N=Af22拼接角

19、鋼的長度L: L=2li+b, b為間隙，常取b = 50mm左右。15 %計算，即訕二計算弦桿與節(jié)點板的連接焊縫時，假定節(jié)點荷載P由上弦角鋼肢背處的塞焊縫承受（滿焊可不驗算），肢尖與節(jié)點板的連接計算則按上弦內(nèi)力的0.15Nmax，且考慮該力所產(chǎn)生的彎距 M=0.15Ne0.15Nmax2 0.7hflw_ M 6 0.15Nmaxe二 f2 0.7hflw（4）下弦拼接節(jié)點構造：一般用與下弦桿相同的角鋼來拼接，拼接角鋼要削棱、切肢：L=t+hf+5mm當下弦肢寬大于130mm時，應將接觸面斜切（為了傳力均勻）。弦桿與連接角鋼連接一側的焊縫長度為:l1N4 0.7hfffw2hf可?。篘=Af

20、拼接角鋼的長度L: L=2l1+b，b為間隙，一般取1020mm。內(nèi)力較大一側的下弦桿與節(jié)點板之間的焊縫傳遞弦桿內(nèi)力之差厶N，如 > N過小則取弦桿較大內(nèi)力的15%。弦桿與節(jié)點連接一側的焊縫強度按下式計算：肢背焊縫:0.15k1Nmax2 0.7hf1lw1乞ffw肢尖焊縫:0.15k2Nmax2 0.7hf2lw2(5) 支座節(jié)點屋架支承于鋼筋混凝土柱上，與柱子的連接一般按鉸接設計 構造支座由底版、節(jié)點板、加勁肋和錨栓組成，加勁肋的高度和厚度與節(jié)點板相同。為了便于節(jié)點焊縫施焊，下弦角鋼水平肢與支座底板間的凈距 c應不小于下弦水平肢的寬度(同時c> 130mm。錨栓d=20-24m

21、m,底板上錨栓孔的直徑一般取錨栓直徑的22.5倍，開成半圓帶矩形開口孔。計算底板面積和厚度的確定底板所需面積為：A承n+AoRAnAo實際采用的錨栓孔面積。fcR支座反力fc混凝土軸心抗壓強度設計值a底板平行于屋架平面的邊長尺寸，通常取 b底板垂直于屋架平面的邊長尺寸，通常取 底板厚度：240360240400。不得小于200。底板厚度按均不荷載下板的抗彎計算。其單位寬度的彎距為:M 二：qa2M 兩相鄰支承邊支座底板單位寬度上的最大彎矩;1系數(shù)，按下表選用；q 底板單位面積的壓力；q = R/An遼仁ai 兩相鄰支承邊對角線長度；b1 支承邊交點至對角線的垂直距離b1 /a10.30.40.

22、50.60.70.80.91.0P0.0260.0420.0580.0720.0850.0920.1040.111則底板的厚度為：t ；底板不宜太薄，一般t > 16mm加勁肋與支座節(jié)點板連接焊縫可假定按傳遞支座反力的1/4計算，并考慮焊縫為偏心受力則：焊縫所受的剪力：V =R/4焊縫所受的彎距：R Me4每塊加勁肋與支座節(jié)點板的連接焊縫計算公式為:2 0.7hflW 1.226M節(jié)點板、加勁肋與支座底板的水平連接焊縫的計算公式為:R1.22 O.flw2W節(jié)點板、加勁肋與支座底板的水平焊縫總長度。六、施工圖繪制施工圖需明確屋架幾何尺寸，各部分詳圖，相關尺寸，構件所用鋼材的鋼號、材 料規(guī)

23、格，連接材料的強度指標、規(guī)格，焊條型號，焊縫長度、厚度，防腐處理等。起拱：跨度較大的屋架，特別是荷載較大時，中間撓度較大，因此為確保安全使 用和外部美觀，一般跨度24m的梯形屋架和跨度15m的三角形屋架，中間起拱約為 跨度的1/500。1、通常在圖紙的左上角用合適的比例畫以屋架簡圖。一半標出幾何長度，另一半 桿件的計算內(nèi)力值。2、 屋架的正面圖。其軸線圖與節(jié)點圖可取不同比例，如軸線可用1:301:20,桿 件截面和節(jié)點尺寸可用1:151:10，以使節(jié)點畫清楚些。3、屋架上下弦桿的平面圖、屋架端部和跨中的側面圖及必要的剖面圖。4、標注尺寸，要全部注明各桿件和板件的的定位尺寸和孔洞位置等。5、編制

24、材料表，對所有零件應進行詳細編號，編號應按零件的主詞、上下，左右 一定的順序逐一進行。6、文字說明包括所用鋼材的鋼號及保證項目； 焊條型號，焊接方法和質(zhì)量要求； 圖紙上未注明的焊縫和栓孔尺寸要求；油漆、加工和運輸要求等。 桿件截面選擇 （ 上下弦桿不等邊角鋼短肢相拼，支座豎桿、斜桿不等邊角鋼 短肢相拼長肢相拼，其余腹桿采用等邊角鋼相拼的 T 形截面，跨中豎桿等邊角 鋼十字拼接， ）第一節(jié) 鋼屋架設計計算一、材料選擇根據(jù)荷載性質(zhì)，鋼材可采用 Q235-A.F，要求保證屈服強度、抗拉強度、伸長率、 冷彎試驗及碳、硫、磷含量合格。屋架連接方法采用焊接，焊條可選用E43型，手工焊。二、屋架形式及幾何尺

25、寸因屋面采用混凝土大型屋面板，屋面坡屋 i = 1/10，故宜采用梯形屋架。屋架計算跨度應取 I。=1-2 X 150=24000-300=23700mm屋架端部高度H。與屋架中部高度及屋面坡度相關，我國常將耳取為1.82.1m等較整齊的數(shù)值，以利多跨屋架時的屋面構造?？扇。 =1990mm。為使屋架上弦只受節(jié)點荷載，腹桿體系采用節(jié)間為 3m的人字形式，屋面板傳來的 荷載，正好作用在節(jié)點上，使之傳力更好。屋架跨中起拱 I /500 ，可取 50mm。三、支撐布置根據(jù)車間長度，屋架跨度，荷載情況，以及吊車設置情況，宜布置三道上、下弦橫 向水平支撐，垂直支撐和系桿，屋脊節(jié)點及屋架支座處沿廠房通長

26、設置剛性系桿，屋架 下弦沿跨中通長設一道柔性系桿。 凡與支撐連接的屋架可編號為 GWJ 2，其它編號均為 GWJ I 。四、荷載和內(nèi)力計算1 、荷載計算 屋面活荷載與雪載一般不會同時出現(xiàn)，可取其中較大者進行計算。 屋架沿水平投影面積分布的自重（包括支撐）可按經(jīng)驗公式計算。荷載計算中，因屋面坡度較小，風荷載對屋面為吸力，對重屋蓋可不考慮，所 以各荷載均按水平投影面積計算。2荷載組合設計屋架時，應考慮以下三種荷載組合：（1 ） 全跨永久荷載 +全跨可變荷載2） 全跨永久荷載 +半跨可變荷載3） 全跨屋架與支撐自重 +半跨屋面板自重 +半跨屋面活荷載3. 內(nèi)力計算 按圖解法、解釋法、電算法均可計算屋

27、架各桿內(nèi)力。 先求出單位荷載作用于各節(jié)點時的內(nèi)力， 即內(nèi)力系數(shù)， 然后可求出當荷載作用于全 跨及半跨各節(jié)點時的桿件內(nèi)力，并求出三種荷載組合下的杯件內(nèi)力取其中不利內(nèi)力 （正、負最大值）作為設計屋架的依據(jù)?？闪斜碛嬎恪？缰懈浇备辜膬?nèi)力發(fā)生變號， 由于考慮了施工階段荷載的不利分布。 如果按照 正確的施工方法，屋面板采用對稱吊裝，就不會出現(xiàn)桿件內(nèi)力的變號。五、桿件截面設計屋架跨度不大于30m時，上弦、下弦可不改變截面，按最大內(nèi)力設計。 上弦桿計算長度，在屋梁平面內(nèi)，為節(jié)間軸線長度。在屋梁平面外， 根據(jù)支撐布置 和內(nèi)力變化情況（按大型屋面板與屋梁保證三點焊，故取兩塊屋面板寬度），其計算長 度大于屋架

28、平面內(nèi)計算長度，故截面宜選用兩個不等肢角鋼，短肢相并。節(jié)點板厚度需按腹桿的最大內(nèi)力選用。軸心拉桿，可按強度要求選擇截面。對軸心壓桿，可先假定長細比（弦桿入=80100,腹桿100120）選擇截面再進行驗算。屋架所有的桿件還應滿足長細比限值的要求。六、節(jié)點設計節(jié)點的設計一般步驟是： 先根據(jù)腹桿的內(nèi)力計算腹桿與節(jié)點板連接焊縫的焊腳尺寸 和焊縫長度，然后根據(jù)此焊縫長度的大小按比例繪出節(jié)點板的形狀和大小，最后驗算弦 桿與節(jié)點板的連接焊縫。用作圖法求節(jié)點板的形狀和大小時， 應按角度準確畫出各桿件的軸線和輪廓線， 各 桿件的形心線應盡量與桿件軸線重合并取 5mm勺整數(shù)，再考慮桿件之間應有的間隙以及 制作、裝配等誤差，按比例