土木工程三角形鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)

1、三角形鋼屋架課程設(shè)計(jì)1 三角形鋼屋架課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1 設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)某市郊區(qū)某機(jī)械加工單層單跨廠房的三角形屋架1.2 設(shè)計(jì)資料某機(jī)械加工廠房，設(shè)有兩臺(tái)工作級(jí)別A4的軟鉤吊車，建筑平面示意圖如圖1所示，屋面材料采用上下兩層多波形壓型鋼板，中間用20mm厚礦渣棉板保溫層，屋面離地面高度約為20m。屋架兩端支撐于截面為400mm×400mm的鋼筋混凝土柱上，柱子的混凝土等級(jí)為C20。 圖1 建筑平面示意圖1.3 設(shè)計(jì)題號(hào)設(shè)計(jì)題目如表1所示。表1 三角形鋼屋架課程設(shè)計(jì)題號(hào)建筑地點(diǎn)北京南寧上海重慶沈陽拉薩跨 度18m12345621m78910111224m13141516171827m19

2、202122232430m25262728293033m313233343536各建筑地點(diǎn)的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：北京0.40；南寧0；上海0.20；重慶0；沈陽0.50；拉薩0.15。各建筑地點(diǎn)的基本風(fēng)壓：北京0.45；南寧0.35；上海0.55；重慶0.40；沈陽0.55；拉薩0.30。1.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）選擇鋼屋架的材料；（2）確定鋼屋架的幾何尺寸；（3）屋架及屋蓋支撐的布置；（4）檁條的設(shè)計(jì)；（5）鋼屋架的設(shè)計(jì)；（6）繪制鋼屋架施工圖。1.5 參考資料（1）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500172003）。（2）建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB500092001）。（3）建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB5001120

3、01）。（4）建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB500682001）（5）建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)（GBT501012001）（6）建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)術(shù)語和符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（GBT5008397）（7）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)，羅邦富等，中國建筑工業(yè)出版社，1988。（8）鋼結(jié)構(gòu)（第二版），魏忠明主編，武漢理工大學(xué)出版社，2002。2、三角形鋼屋架課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書參見梯形鋼結(jié)構(gòu)屋架課程實(shí)際指導(dǎo)書3、三角形鋼屋架課程設(shè)計(jì)實(shí)例3.1 設(shè)計(jì)資料 三角形（芬克式）屋架跨度24m，間距6m，屋面材料為壓型鋼板（自重0.12），屋面坡度12.5，廠房長度為60m?；撅L(fēng)壓0.40，雪荷載為0，屋面高度為（平均約）20m，屋架支撐于鋼筋混凝土

4、柱上。鋼材采用Q235B,焊條采用E43型。3.2 屋架尺寸和檁條、支撐布置1、屋架尺寸屋架計(jì)算跨度：=300=27000300=26700mm屋面傾角： 屋架跨中的高度為：上弦長度：節(jié)間長度： 節(jié)間水平投影長度：a=2127×0.9285=1975mm屋架幾何尺寸見圖2。 圖2 屋架幾何尺寸（單位：mm）2.檁條和支撐布置根據(jù)屋面材料的最大容許檁距，可將檁條布置于上弦節(jié)點(diǎn)上（見圖2），檁距為節(jié)間長度。在檁條的跨中設(shè)置一道拉條。根據(jù)廠房總長度60m，跨度為24m，有中級(jí)工作制吊車及第一開間尺寸5.5m等因素，可在廠房兩端的第二開間設(shè)置一道上弦橫向水平支撐和下弦橫向水平支撐，并在同一開

5、間兩榀相鄰屋架的腹桿間設(shè)置兩道垂直支撐（在跨度13左右處各一道，見圖3）。上弦檁條可兼做系桿，故不另設(shè)系桿，在下弦跨中央設(shè)置一道通長的柔性系桿。此外，在廠房兩端的第一開間下弦各設(shè)置三道剛性系桿（見圖3）。3.3 檁條的設(shè)計(jì)選用【12.6槽鋼截面，由型鋼表查得，自重12.32kgm0.12，=62.1，=10.2，=391。1.荷載計(jì)算（對(duì)輕屋面，可只考慮可變荷載效應(yīng)控制的組合）永久荷載：（坡面）壓型鋼板：0.12×2.127=0.26檁條和拉條： 0.12=0.38可變荷載：（檁條受荷水平投影面積為2.217×6=12.76，沒有超過60,故屋面均布活荷載取0.5，大于雪荷

6、載，故不考慮雪荷載。）=0.5×2.217=0.5×2.217×0.9285=0.99圖3 屋架支撐布置（單位;mm） （a）上弦橫向水平支撐；（b）下弦橫向水平支撐；（c）垂直支撐 檁條均布荷載設(shè)計(jì)值：=+=1.2×0.38+1.4×0.99=1.84 =1.84×0.9285=1.71 =1.84×0.3714=0.682.強(qiáng)度驗(yàn)算 彎矩設(shè)計(jì)值（見圖4）： 圖4 彎矩圖=×1.71×=8.00=×0.68×=0.77（因?yàn)樵跈_條的垮中設(shè)置了一道拉條）檁條的最大應(yīng)力（拉應(yīng)力）位于槽鋼

7、下翼緣的肢尖處。+=+=186f=2153.剛度驗(yàn)算只驗(yàn)算垂直于屋面方向的撓度。荷載標(biāo)準(zhǔn)值： +=0.38+0.99=1.37 = （+）=1.37×0.9285 =1.27=×=因有拉條，不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。故選用【12.6槽鋼檁條能滿足要求。3.4屋架節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算1.永久荷載（水平投影面）壓型鋼板 0.120.9285=0.13檁條和拉條 0.121.975=0.06屋架和支撐自重 0.12+0.11L=0.12+0.011×24=0.38 =0.572.屋面活荷載屋面活荷載為0.5。3.風(fēng)荷載 風(fēng)荷載高度變化系數(shù)為1.25，屋面迎風(fēng)面的體型系數(shù)為0.328，

8、背風(fēng)面為0.5，所以負(fù)風(fēng)壓的設(shè)計(jì)值為（垂直于屋面） 迎風(fēng)面：=1.4×1.25×0.328×0.4=-0.129 背風(fēng)面：=1.4×1.25×0.5×0.4=-0.265 和均小于永久荷載（荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0）垂直與屋面的分量0.57×0.9285=0.53，所以永久荷載與風(fēng)荷載聯(lián)合作用下不會(huì)使桿件的內(nèi)力變號(hào)，故風(fēng)荷載產(chǎn)生的內(nèi)力的影響不予考慮。4.屋架上弦在檁條處的集中荷載屋架上弦在檁條處的集中荷載設(shè)計(jì)值由可變荷載效應(yīng)控制的組合為F=（1.2×0.57+1.4×0.5）×6×1.97

9、5=16.43.5 屋架桿件內(nèi)力計(jì)算 由于屋面坡度較小，風(fēng)荷載為吸力，且遠(yuǎn)小于屋面永久荷載，故其與永久荷載組合時(shí)不會(huì)增大桿件的內(nèi)力，因此不予考慮。芬克式屋架在半跨活荷載作用下，腹桿內(nèi)力不會(huì)變號(hào)，故只需按全跨永久荷載與全跨可變荷載組合計(jì)算屋架桿件的內(nèi)力。屋架桿件內(nèi)力計(jì)算可用圖解法或數(shù)解法進(jìn)行。本例屋架為標(biāo)準(zhǔn)屋架，可直接由建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)查得各桿件的內(nèi)力系數(shù)，然后乘以節(jié)點(diǎn)荷載即為各相應(yīng)桿件的內(nèi)力。分別如表2和圖5 所示。 圖5 桿件內(nèi)力圖（單位：kN）表2 屋架桿件內(nèi)力計(jì)算表?xiàng)U件名稱桿件內(nèi)力系數(shù)內(nèi)力設(shè)計(jì)值（）上 弦AB-14.81-242.9BC-13.66-224.0CD-14.07-230.8

10、DE-13.70-224.7EF-12.55-205.8FG-12.95-212.4下 弦AH+13.75+225.5HI+11.25+184.5IJ+7.50+123腹 桿DI-2.79-45.8BH、CH-1.21-19.8EK、FK-1.21-19.8HD、DK+2.50+41IK+3.75+61.5KG+6.25+102.5GJ0.000注：負(fù)為受壓，正為受拉。3.6 桿件截面的選擇弦桿端節(jié)間最大內(nèi)力為242.9，由焊接屋架節(jié)點(diǎn)板厚度選用表，可選用屋架中間節(jié)點(diǎn)板厚度為8mm，支座節(jié)點(diǎn)板厚度為10mm。1.上弦桿整個(gè)上弦桿不改變截面，按最大內(nèi)力計(jì)算。=242.9，=212.7cm，=2=

11、2×212.7=425.4cm。選用290×7組成的T形截面，節(jié)點(diǎn)板厚為8mm，查型鋼表得A=2×12.3=24.6，=2.78cm，=4.0cm = =150 = = =150根據(jù)=106.4查表得=0.515，則 = =2 =215故選擇截面合適。2.下弦桿下弦桿也不改變截面，按最大內(nèi)力計(jì)算。=+225.5，屋架平面內(nèi)的計(jì)算長度取最大節(jié)間長度，即=497.6cm。因屋架下弦在跨中央設(shè)有一道通長的系桿，故屋架平面外的計(jì)算長度取側(cè)向固定點(diǎn)間的距離，即=1185cm。所需截面面積為：=1049=10.49選用275×50×5短肢相連的T形截面，由

12、型鋼表查得 =2×6.13=12.26,=1.44cm，=3.86cm=183.9=215 = =346=350= =322=350故所選截面合適。3.腹桿（1） DI桿 =45.8,=0.8=0.8×255.5=204.4cm，=255.5cm 選用250×4，A=2×3.9=7.8，=1.54cm，=2.35cm。=133=150=108.7=150根據(jù)=133，查表得=0.375，則=156.6=215所選截面合適。（2）BH、CH、EK、FK桿N=-19.8，=166.4cm選用50×4單角鋼截面，A=3.9，=0.99cm，則=0.9

13、=0.9×166.4=149.8cm=151=150由=151，查表得=0.304。單角鋼單面連接計(jì)算構(gòu)件穩(wěn)定性時(shí)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值折減系數(shù)為=0.6+0.0015=0.6+0.0015×151=0.83=167=0.83×215=178.5故所選截面滿足要求。（3）HD、DK桿N=+41，=343.7cm選用45×4單角鋼截面，A=3.49，=0.89cm，=0.9=0.9×343.7=309cm=347.2=350單角鋼單面連接計(jì)算構(gòu)件強(qiáng)度時(shí)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值折減系數(shù)=0.85，則=117.5=0.85×215=182.8故所選擇的截面合適。（

14、4）IK、KG桿兩根桿件采用相同的截面，用按最大內(nèi)力=102.5計(jì)算，=343.7cm，=2=2×343.7=687.4cm 選用245×4，A=2×3.49=6.98，=1.38cm，=2.16cm。=249.1=350=318.2=350=146.8=215所選截面合適。（5）GJ桿。N=0, =474cm對(duì)有連接垂直支撐的屋架WJ2，采用256×4組成十字形截面，并按受壓支撐驗(yàn)算其長細(xì)比。=0.9=0.9×474=426.6cm，=2.18cm= =195.7=200故滿足要求。對(duì)不連接垂直支撐的屋架WJ1，選用56×4單角鋼，

15、并按受拉支撐驗(yàn)算其長細(xì)比，=1.11cm。= =384.3=400故滿足要求。屋架各桿件截面選擇情況見表3。表3 屋架桿件界面選擇桿件名稱桿件編號(hào)內(nèi)力設(shè)計(jì)值（kN）計(jì)算長度（mm）選用截面截面面積A（cm2）桿件受力類型長細(xì)比容許長細(xì)比計(jì)算應(yīng)力(N/mm2)桿件端部的角鋼肢背和肢尖焊縫（mm）填板數(shù)(每節(jié)間)上弦AB、BC、CD、DE、EF、FG-242.521274254290×724.6壓桿76.5106.41500.515191.71下弦AH、HI、IJ225.549761185275×50×512.26拉桿346322350183.961504802腹桿D

16、I-45.820442555250×47.8壓桿133108.71500.375156.64504502BH、CH、EK、FK-19.81498149850×43.9壓桿=1511500.304167450450HD、DK413090309045×43.49拉桿=347.2350117.5580450IK、GK+102.534376874245×46.98拉桿249318.2350146.85804502GJ0（壓）42664266256×48.78壓桿=195.720045045070（拉）4266426656×44.39拉桿=38

17、4.34004504503.7 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)本例只選擇幾個(gè)有代表性的、重要的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，其余節(jié)點(diǎn)的計(jì)算過程從略，可參見屋架施工圖。1. 屋脊節(jié)點(diǎn)（見圖6）腹桿GK與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫，查表得=160（以下同），取肢背和肢尖的焊腳尺寸分別為=5mm和=4mm，則桿端所需的焊縫長度分別為肢背：=+10=+10= 10=71.3mm故取=80mm。 圖6 屋脊節(jié)點(diǎn)（單位：mm）故肢尖：=+8=+8=8=45.8mm取=50mm。拼接角鋼采用與上弦桿等截面，肢背處削棱，豎肢切去V=t+5=17mm，取V=20mm，并將豎肢切口后經(jīng)熱彎成型用對(duì)接焊縫焊接。拼接接頭一側(cè)所需的焊縫計(jì)算長度為 =95mm拼接角鋼

18、的總長度為 =2（+10）+d=2（95+10）50=260mm上弦桿與節(jié)點(diǎn)板的塞焊縫，假定承受節(jié)點(diǎn)荷載F2，驗(yàn)算從略。上弦肢尖與節(jié)點(diǎn)板的焊縫連接按弦桿內(nèi)力的15%計(jì)算，且考慮由此產(chǎn)生的偏心彎矩作用（偏心距e=65mm）。設(shè)肢尖焊縫焊腳尺寸=5mm，節(jié)點(diǎn)板總長度為660mm，則節(jié)點(diǎn)一側(cè)弦桿焊縫的計(jì)算長度為 =（6602）-20-10（660/2）/0.92852010=325mm焊縫應(yīng)力為 =14=16.8=20.3=160由以上計(jì)算結(jié)果可知，因弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫受力不大，且連接長度較大，故可按照構(gòu)造進(jìn)行滿焊，不必計(jì)算。2.下弦拼接節(jié)點(diǎn)（見圖7） 圖7 下弦拼節(jié)點(diǎn)（單位：mm）屋架跨度24

19、m超過運(yùn)輸界限，故將屋架分為兩個(gè)運(yùn)輸單元，在屋脊節(jié)點(diǎn)G和下弦節(jié)點(diǎn)I處設(shè)置工地拼接。腹桿桿端與節(jié)點(diǎn)板的焊縫連接按IK和ID中最大內(nèi)力=61.5計(jì)算。設(shè)肢背和肢尖的焊腳尺寸均取=4mm，則桿端所需的焊縫長度分別為肢背：=+8=+8=+8=54mm故取60mm。肢尖：=+8= +8=+8=30.7mm故按構(gòu)造取50mm。弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫按弦桿內(nèi)力與的內(nèi)力差計(jì)算，因?yàn)閮?nèi)力差較小，按構(gòu)造布置焊縫即可滿足要求，不必計(jì)算。拼接角鋼采用與下弦桿相同截面，肢背處削棱，豎肢切去V=t+5=15mm。按拼接焊縫與桿件等強(qiáng)度原則，接頭一側(cè)所需的焊縫計(jì)算長度為 = =117mm故取120mm。拼接角鋼所需總長度為

20、=2（+10）+10=2（120+10）+10=270mm3.上弦節(jié)點(diǎn)D（見圖8） 圖8 上弦節(jié)點(diǎn)D（單位：mm）各腹桿桿端與節(jié)點(diǎn)板的焊縫計(jì)算從略，節(jié)點(diǎn)板的形狀和尺寸如圖8所示。上弦肢背塞焊縫承受檁條傳來的集中荷載（節(jié)點(diǎn)荷載）F，取節(jié)點(diǎn)板縮進(jìn)肢背5mm，=t2=4mm，則=3.50.8=128肢尖與節(jié)點(diǎn)板的焊縫承受弦桿的內(nèi)力差為=-=-230.8+224.7=-6.1偏心距e=65mm，且節(jié)點(diǎn)板長度較大，故可不作計(jì)算，按構(gòu)造要求布置焊縫進(jìn)行滿焊即可滿足條件。2. 支座節(jié)點(diǎn)。（見圖9） 圖9 支座節(jié)點(diǎn)（單位：mm）屋架支撐與鋼筋混凝土柱上，混凝土強(qiáng)度為C20，=10為便于施焊，取下弦軸線至支座底板上表面的距離為160mm，并設(shè)置圖3.10所示加勁肋。下弦桿端與節(jié)點(diǎn)板的焊縫取肢背和肢尖的焊縫尺寸分別為=6mm和=4mm，則所需焊縫長度為肢背：=+12= +12=+