15m跨度鋼屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書

1、輕型屋面三角形鋼屋架設(shè)計說明書1 設(shè)計資料及說明設(shè)計一位于杭州市近郊的單跨屋架結(jié)構(gòu)（封閉式），主要參數(shù)如下：1、單跨屋架，平面尺寸為36m15m，S=4m，即單跨屋架結(jié)構(gòu)總長度為36m，跨度為15m，柱距為4m。2、屋面材料為規(guī)格18207258的波形石棉瓦。3、屋面坡度i=1：2.5，恒載為0.9KN/m2,活載為0.6KN/m2。4、屋架支承在鋼筋混凝土柱頂，混凝土標(biāo)號C20，柱頂標(biāo)高6m。5、鋼材標(biāo)號為Q235-B.F，其設(shè)計強(qiáng)度值為f=215KN/m2。6、焊條型號為E43型，手工焊接。7、荷載計算按全跨永久荷載+全跨可變荷載（不包括風(fēng)荷載）考慮，荷載分項系數(shù)?。篏=1.2,Q=1.4

2、。2 屋架形式及幾何尺寸根據(jù)所用屋面材料的排水需要及跨度參數(shù)，采用芬克式十節(jié)間三角形屋架。 圖1：桿件幾何尺寸屋架坡度為1：2.5，屋面傾角。， 屋架計算跨度：.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)建筑結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計算手冊查得各桿長度系數(shù)，然后計算各桿件幾何尺寸如圖1所示。3 屋蓋支撐布置3.1 屋架的支撐（如圖1所示）（1） 在房屋兩側(cè)第一個柱間各設(shè)置一道上弦平面橫向支撐和下弦平面橫向支撐。（如圖2）；（2） 在屋架的下弦節(jié)點(diǎn)2和2各設(shè)置一道長柔性系桿。（3） 因?yàn)槲菁艿目缍刃∮?8m，所以在位于屋架的長壓桿B-1、B-1、E-4和E-4處各設(shè)置一道垂直支撐。圖

3、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?？紤]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: =11根，檁條間距. 可以滿足要求。檁條水平間距：.檁條選用槽鋼8，查表得相關(guān)數(shù)據(jù)：Wx=25.3cm3、Wy=5.8cm3、Ix=101.3cm3 荷載計算恒載：0.9KN/m2, 活載：0.6KN/m2.檁條截面受力圖如圖2-1所示。檁條線載荷為：Pk =(0.9+0.6)0.668=1.002KN/m P=(1.20.9+1.40.6)0.668=1.2

4、8KN/m Px=Psin=1.280.3714=0.475KN/m Py=Pcos=1.280.9285=1.188KN/m 強(qiáng)度驗(yàn)算 檁條支撐如圖2-2所示。柱間距為=4m，所以彎矩設(shè)計值為： 圖 2-1 檁條截面力系圖 屋面能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)時，可不計算整體穩(wěn)定性,只需計算其強(qiáng)度。 檁條的最大應(yīng)力處位于槽鋼下翼緣肢尖處： 檁條y方向： 檁條x方向：圖 2-2 剛度驗(yàn)算載荷標(biāo)準(zhǔn)值：.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： 滿足剛度要求。4 屋架的內(nèi)力計算4.1 桿件的軸力 載荷計算恒載 0.9KN/m2 ， 活載 0.6KN/m2 為求桿件軸力，把節(jié)間荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)

5、荷載p：p=（1.20.9+1.40.6）1.5024=11.54KN按課題要求，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊查的內(nèi)力系數(shù)和計算內(nèi)力如表1和圖3所示。表 1桿件名稱桿件內(nèi)力系數(shù)內(nèi)力設(shè)計值（KN）上弦AB-12.12-139.86BC-11.75-136.00CD-9.52-109.86DE-11.00-126.94EF-10.63-122.67下弦A-111.25129.831-210.00115.402-36.2572.13腹桿B-1,E-4-0.93-10.73C-2,D-2-1.56-18.00C-1,D-41.2013.852-43.7543.28F-45.0057.74.2 上弦桿彎矩由

6、鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)查得，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=(1.20.9+1.40.6) 0.6684=5.13KN;節(jié)間最大彎矩：M0=Pa/4=5.131.502/4=1.93KNm則：M1=0.8M0=0.81.93=1.544KNm, M2=0.6M0=0.61.93=1.158KNm5 屋架桿件截面設(shè)計 在設(shè)計屋架桿件截面前，首先要確定所選節(jié)點(diǎn)板的厚度。在三角形屋架中，節(jié)點(diǎn)板厚度與弦桿的最大內(nèi)力有關(guān)。根據(jù)弦桿的最大內(nèi)力Nmax=139.86KN.查鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)P177頁表7-2-焊接屋架節(jié)點(diǎn)板厚度選

7、用表可選擇支座節(jié)點(diǎn)板厚8mm，其它節(jié)點(diǎn)板厚6mm。5.1 上弦桿整個上弦桿采用等截面通長桿，由兩個角鋼組成T形截面壓彎桿件，以避免采用不同的截面時的桿件拼接。彎矩作用的平面計算長度=158.3cm,側(cè)向無支撐長度=2158.3=316.6cm.首先，試選上弦桿截面為2L706, 查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算得其主要參數(shù)： A=16.32cm2, r=8mm, ix=2.15cm, iy=3.19cm Wxmax=38.8cm3, Wxmin=14.96cm3 強(qiáng)度檢驗(yàn)（截面無削弱）桿件單向受彎，按拉彎和壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度計算公式計算：查表知: =1.05, =1.2， =150條件：取AB段上弦桿（最大內(nèi)力

8、桿段）驗(yàn)算：軸心壓力N=139.86KN.最大節(jié)間正彎矩：Mx=M1=1.544KNm最大負(fù)彎矩：Mx=M2=1.158 KNm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)定性計算應(yīng)按下列規(guī)定計算：對角鋼水平肢1：對角鋼豎直肢2：因桿段相當(dāng)于兩端支撐的構(gòu)件，桿上同時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：桿段A-B軸心壓力 N=139.86KN 所以：用最大正彎矩進(jìn)行計算：Mx=M1=1.544KNm 用最大負(fù)彎矩進(jìn)行驗(yàn)算：Mx=M2=1.158KNm， 滿足要求 彎矩作用平面外的穩(wěn)定性

9、計算 驗(yàn)算條件： 因側(cè)向無支撐長度l1為316.6cm，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.軸心壓力 N1=139.86KN， N2=136.00KN彎矩作用的平面計算長度=158.3cm,側(cè)向無支撐長度=2152.8=316.6cm.所以=(0.75+0.25N1/N)=314.8cm. 長細(xì)比：屬b類截面，查表得=0.564用最大正彎矩進(jìn)行計算：Mx=M1=1.544KNm， ，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)行計算： 得用最大負(fù)彎矩進(jìn)行計算：Mx=M2=1.158KNm， ，對彎矩使用角鋼水平肢受拉的雙

10、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： 當(dāng)時：，為腹板計算高度邊緣的最大壓應(yīng)力。為腹板計算高度另一邊緣相應(yīng)的應(yīng)力。b=b-t-r=70-8-8=54mm h0=b-t-r=70-8-8=54 tw=t=8mm翼緣： 腹板： 滿足要求所以，上弦桿截面完全滿足各項要求，截面適用5.2 下弦桿(軸心受力桿件）下弦桿為軸心受壓構(gòu)件，整個下弦桿不改變截面，采用等截面通常桿。在下弦節(jié)點(diǎn)2處，下弦桿角鋼水平肢上開有直徑為17.5mm的安裝螺栓孔。因此，計算下弦桿強(qiáng)度時，必須考慮及此。此外，選

11、截面時還要求角鋼水平肢（開孔肢）的邊長63mm，以便開d0=17.5mm的安裝螺栓孔。首先按桿段A-1（該截面上無孔）的強(qiáng)度條件和下弦桿的長細(xì)比條件選擇截面。桿段A-1軸心拉力為N=129.83KN。長細(xì)比容許值：=350下弦桿的計算長度為：=308.8cm. （取下弦桿2-3段的長度） =2=617.6cm要滿足：， 選用256364，短邊相連：A=7.18cm2; =1.02cm; =2.77cm 強(qiáng)度驗(yàn)算 桿段A-1：An=A=7.18cm2 桿1-2： 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（1） 短壓桿B-1,E-4. 因N值較小，桿

12、件太短，擬采用單角鋼截面，通過節(jié)點(diǎn)板單面連接。先按長細(xì)比要求試選截面，然后進(jìn)行驗(yàn)算。軸心壓力N=10.73KN, =63.3cm斜平面計算長度：=0.9l=56.97cm需要滿足：選用單角鋼：1364：A=2.76cm2, =0.7cm 長細(xì)比： 屬于b類截面，查表得=0.678單面連接的等邊單角鋼構(gòu)件按軸心受壓計算穩(wěn)定性時的強(qiáng)度設(shè)計值拆減系數(shù)為：. 滿足要求，所選截面適用（2） 長壓桿C-2,D-2軸心壓力N=18.00KN, =ly=176.9cm斜平面計算長度：=lx=0.8l=141.52cm按穩(wěn)定性條件試選長壓桿截面，采用等邊雙角鋼組成的T形截面。假定長壓桿的長細(xì)比為，則查表可得（b

13、類截面），需要滿足： 選用2404：A=6.18cm2, =1.22cm， 驗(yàn)算 由，查的 故所選截面適合。（3） 短拉桿C-1,D-4 N=13.85KN， l=170.5cm 垂直支撐連在預(yù)先焊于長壓桿和弦桿的連接板上，桿件截面無削減。擬采用單面連接的單角鋼截面（截面無削減） 計算長度 l0=0.9l=0.9170.5=153.45cm 需要 式中的0.85是單面連接的單角鋼構(gòu)件按軸心受力計算強(qiáng)度時的強(qiáng)度設(shè)計值折減系數(shù)。 選用1L304， 可滿足使用要求（4） 長拉桿F-4-2 N=57.5KN， l=255.7cm 計算長度 需要 選用2L364， ，可滿足使用要求。5.4 中間吊桿F-

14、3N=0, =294cm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算所需截面：=0.9=264.6cm需要: 選用兩個單角鋼2364，按十字形布置。，可滿足使用要求。5.5 填板設(shè)置與尺寸選擇 兩桿所受載荷較小，中間可不設(shè)置填板。6 屋架節(jié)點(diǎn)設(shè)計角焊縫強(qiáng)度設(shè)計值，采用E43型焊條，手工電弧焊時為屋架各桿件軸線至桿件角鋼背部的距離一般取5mm的倍數(shù)，則根據(jù)各角鋼的參數(shù)可得桿件軸線至桿件角鋼背部的距離表表2-桿件軸線至桿件角鋼背部的距離表桿件名稱桿件截面中心距離/mm軸線距離/mm備注上弦桿2L70620.320下弦桿2L5636418.720短壓桿B-1、E-41L364

15、10.410單面連接長壓桿C-2、D-22L40410.910短拉桿C-1、D-41L3048.510單面連接長拉桿F-4-22L36410.410中央吊桿F-32L36410.4106.1 支座點(diǎn)A 下弦桿與節(jié)點(diǎn)板間連接焊縫計算。 N=129.83KN，下弦桿為短邊相連的不等邊角鋼，查表知角焊縫內(nèi)力分配系數(shù)k1=0.75，k2=0.25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：背部：趾部：實(shí)際焊縫長度采用角鋼肢背=100mm,肢尖=60mm。 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

16、與支座底板之間的凈距取150mm。 按構(gòu)造要求，預(yù)設(shè)置底板平面尺寸為220220，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。t1=8mm為節(jié)點(diǎn)板厚度，取上下弦桿之間的輪廓線距離為25mm，則根據(jù)下弦桿與節(jié)點(diǎn)板之間的距離可畫出下圖4：圖4：節(jié)點(diǎn)板圖6.1.3 上弦桿與節(jié)點(diǎn)之間的連接焊縫計算N=139.86KN，節(jié)點(diǎn)荷載：P1=P/2=5.77KN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=Ne，其中e為肢尖焊縫偏心距，是肢尖至弦桿的軸線距離。

17、e=70-Z0=70-20.3=49.7。所以 M=Ne=139.8649.7=6.95KNm取肢尖焊腳尺寸，取實(shí)際焊縫長度（全長焊滿時遠(yuǎn)大于330mm），計算長度：所以： 焊縫強(qiáng)度滿足要求 底板的計算支座反力：R=6P=611.54=69.24KN采用C20混凝土：錨栓直徑采用，底板上留矩形帶半圓形孔；錨栓套板采用-702070，孔徑為，如圖所示 底板面積的確定底板與鋼筋混凝土之間的接觸面積 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，預(yù)定底板尺寸220220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)

18、為： ，查表得：=0.06板的最大彎矩為: 按底板抗彎強(qiáng)度設(shè)計條件，需要底板厚度：， 取t=8.所以底板選用尺寸為：-2208220 節(jié)點(diǎn)板、加勁肋與底板間水平連接焊縫計算因底板是正方形，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=69.24/2=34.62KN 焊縫計算長度：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=34.62 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算加勁肋厚度采用6mm，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

19、力： 焊縫強(qiáng)度計算長度：需要滿足：構(gòu)造要求：取，滿足要求由以上計算知，底板和加勁肋及其連接焊縫均滿足要求。6.2 上弦節(jié)一般節(jié)點(diǎn)B、E、C、D 按以下方法、步驟和要求繪制節(jié)點(diǎn)詳圖：（1） 嚴(yán)格按幾何關(guān)系畫出匯交于節(jié)點(diǎn)B的各桿件軸線。（2） 節(jié)點(diǎn)板縮進(jìn)上弦桿背面6mm，取上弦桿和短壓桿的輪廓間距為15mm，根據(jù)短壓桿和節(jié)點(diǎn)板間的連接焊縫尺寸，確定節(jié)點(diǎn)板的尺寸。（3） 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)板詳圖和各種尺寸。 上弦桿B/E與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫的計算 N1=139.86KN，N2=136.00KN，P=11.54KN節(jié)點(diǎn)載荷P假定全部由上弦桿角鋼背部塞焊縫承受，取焊腳尺寸為4mm，因P值很小，焊縫強(qiáng)度不用計算。上弦桿

20、角鋼趾部角焊縫假定承受節(jié)點(diǎn)兩側(cè)弦桿內(nèi)力差及其偏心彎矩M的共同作用，其中由圖測得實(shí)際焊縫長度為L2=150mm，計算長度為 需要 構(gòu)造要求，可采用，滿足要求。圖5：節(jié)點(diǎn)C的布置其它上弦桿一般節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)C、D、E和F）的設(shè)計方法步驟等與節(jié)點(diǎn)B相同，見節(jié)點(diǎn)圖示。因節(jié)點(diǎn)E和節(jié)點(diǎn)B的幾何關(guān)系、受力情況完全相同，故節(jié)點(diǎn)詳圖也完全相同。節(jié)點(diǎn)C和D也相同。6.3 屋脊拼接點(diǎn)F N=122.67KN P=11.54KN 拼接角鋼的構(gòu)造和計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2708，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=8mm切短拼接角鋼豎肢：2=t+5=14mm，

21、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算長度為： ，取拼接處左右弦桿端部空隙取40mm，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=400mm.此外，因屋面坡度較大，應(yīng)將拼接角鋼的豎肢開出剖口.取60mm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。 繪制節(jié)點(diǎn)詳圖為便于工地拼接，拼接處工地焊一側(cè)的弦桿與拼接角鋼和受拉主斜桿與跨中吊桿上分別設(shè)置直徑為17.5mm和13mm的安全螺栓孔，如圖示。圖6：節(jié)點(diǎn)F的設(shè)計 拼接接頭每側(cè)上弦桿與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫計算弦桿軸力的豎向分力與節(jié)點(diǎn)載荷P/2的合力 設(shè)角鋼背部塞焊縫承受豎向合力V的一半，取，需要焊縫計算長度（因P/2很小，不計其偏心影響） 由圖知，實(shí)際焊縫長度遠(yuǎn)大于17.8mm，認(rèn)為焊縫設(shè)計滿足計算要求。再設(shè)角鋼趾部與節(jié)點(diǎn)板間的角焊縫承受余下的V/2以及當(dāng)屋脊兩側(cè)屋面活載不對稱作用可能引起的弦桿內(nèi)力差和彎矩M的共同作用，取取，由圖中得趾部實(shí)際焊縫長度為180mm，其計算長度為： 由經(jīng)驗(yàn)可知，焊縫長度滿足要求。6.4 下弦桿一般節(jié)點(diǎn)1 繪制節(jié)點(diǎn)詳圖，如圖7所示圖7：節(jié)點(diǎn)1的設(shè)計 下弦桿與節(jié)點(diǎn)板間連接焊縫的計算軸心受力： 由節(jié)點(diǎn)詳圖中知實(shí)際焊縫長度為其計算長度需要滿足：