21米梯形鋼屋架設(shè)計書

/一、設(shè)計資料天津地區(qū)一單跨物資倉庫,長96米,跨度為21米,鋼筋混泥土柱〔400×400,柱距6米,混凝土標(biāo)號為C30,采用無檁屋蓋體系,梯形鋼屋架。屋面檐口離地面高度13.5米,設(shè)計溫度高于-20℃。屋面坡度i=1:10,采用1.5m×6.0m預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板,標(biāo)準(zhǔn)值為1.4kN/m2；20厚水泥砂漿找平層,標(biāo)準(zhǔn)值為0.4kN/m2；泡沫混凝土保溫隔熱層,標(biāo)準(zhǔn)值為0.3kN/m2；八層做法卷材屋面防水層,標(biāo)準(zhǔn)值為0.35kN/m2。屋面積灰荷載0.45kN/m2,雪荷載為0.40kN/m2,風(fēng)荷載為0.5kN/m2。屋架鉸支在鋼筋混凝土柱上,上柱截面為400mm×400mm。其他資料參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。根據(jù)天津地區(qū)的計算溫度和荷載性質(zhì)及連接方法,鋼材選用Q235-B。焊條采用E43型,手工焊。二、屋架形式及尺寸無檁屋蓋,i＝1/10,采用平坡梯形屋架。屋架計算跨度為L0＝L-300＝20700mm,端部高度取H0＝1990mm,中部高度取H＝H0+1/2iL＝1990+0.1×2100/2＝3040mm,屋架桿件幾何長度見附圖1所示,屋架跨中起拱42mm〔按L/500考慮。為使屋架上弦承受節(jié)點荷載,配合屋面板1.5m的寬度,腹桿體系大部分采用下弦間長為3.0m的人字式,僅在跨中考慮到腹桿的適宜傾角,采用再分式。屋架桿件幾何長度〔單位：mm三、屋蓋支撐布置根據(jù)車間長度、屋架跨度和荷載情況,設(shè)置四道上、下弦橫向水平支撐。因柱網(wǎng)采用封閉結(jié)合,為統(tǒng)一支撐規(guī)格,廠房兩端的橫向水平支撐設(shè)在第二柱間。在第一柱間的上弦平面設(shè)置剛性系桿保證安裝時上弦桿的穩(wěn)定,第一柱間下弦平面也設(shè)置剛性系桿以傳遞山墻風(fēng)荷載。在設(shè)置橫向水平支撐的柱間,于屋架跨中和兩端共設(shè)四道垂直支撐。在屋脊節(jié)點及支座節(jié)點處沿廠房縱向設(shè)置通長的剛性系桿,下弦跨中節(jié)點處設(shè)置一道縱向通長的柔性系桿,支撐布置見附圖2。附圖2：屋面支撐布置圖〔單位：mm四、荷載計算與組合1、荷載計算永久荷載設(shè)計值：防水層〔八層做法0.35kN/㎡×1.2=0.42kN/m2找平層〔20mm厚水泥砂漿0.4kN/㎡×1.2=0.48kN/m2泡沫混凝土保溫層0.35kN/㎡×1.2=0.42kN/m2預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板1.40kN/㎡×1.2=1.68kN/m2鋼屋架和支撐自重〔0.12+0.011×21×1.2=0.42kN/㎡共3.387kN/㎡可變荷載設(shè)計值：雪荷載0.40kN/㎡×1.4=0.56kN/m2積灰荷載0.45kN/㎡×1.4=0.63kN/m2共1.19kN/㎡由于屋面坡度不大,對荷載的影響較小,未予考慮。風(fēng)荷載為吸力,重屋蓋可不考慮。2、荷載組合計算屋架桿內(nèi)力時,應(yīng)考慮如下三種荷載組合：使用階段"全跨恒荷載+全跨屋面均布活荷載"和"全跨恒荷載+半跨屋面均布活荷載"。恒荷載和活荷載引起的節(jié)點荷載設(shè)計值及分別為：＝3.18×1.5×6＝28.62kN＝1.19×1.5×6＝10.71kN施工階段"屋架及支撐自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載"。這時只有屋架及支撐自重是分布于全跨的恒荷載,而屋面板自重及施工荷載〔取屋面活荷載數(shù)值即可能出現(xiàn)在左半跨,也可能出現(xiàn)在右半跨,取決于屋面板的安裝順序。當(dāng)從屋架兩端對稱安裝屋面板時,則不必考慮此種荷載組合。施工階段恒荷載和活荷載引起的節(jié)點荷載設(shè)計值和分別為：＝0.42×1.5×6＝3.78kN＝〔1.68+0.63×1.5×6＝20.79kN五、內(nèi)力計算采用圖解法計算屋架在左半跨單位集中荷載作用下的桿力系數(shù)。根據(jù)算得的節(jié)點荷載和桿力系數(shù),進行桿件內(nèi)力組合并求出各桿的最不利內(nèi)力。桿力組合表桿件名稱桿力系數(shù)內(nèi)力值計算桿內(nèi)力組合項目P＝1使用階段施工階段P恒×3P活×1P活×2P恒×3P活×1P活×2在左半跨在右半跨全跨全跨恒載在左半跨在右半跨全跨恒載在左半跨在右半跨123456789上弦AB-0.02-0.01-0.03-0.86-0.21-0.11-0.11-0.42-0.21-1.184+5+6BC-5.33-2.17-7.5-214.65-57.08-23.24-28.35-110.81-45.11-294.984+5+6CD-5.33-2.17-7.5-214.65-57.08-23.24-28.35-110.81-45.11-294.984+5+6DE-7.35-3.94-11.29-323.12-78.72-42.20-42.68-152.81-81.91-444.044+5+6EF-7.35-3.94-11.29-323.12-78.72-42.20-42.68-152.81-81.91-444.044+5+6FG-6.86-5.32-12.18-348.59-73.47-56.98-46.04-142.62-110.60-479.044+5+6GH-6.86-5.32-12.18-348.59-73.47-56.98-46.04-142.62-110.60-479.044+5+6下弦ab3.021.094.11117.6332.3411.6715.5462.7922.66161.654+5+6bc6.683.099.77279.6271.5433.0936.93138.8864.24384.254+5+6cd7.334.6411.97342.5878.5049.6945.25152.3996.47470.784+5+6de5.895.8811.77336.8663.0862.9744.49122.45122.25462.914+5+6斜桿aB-5.62-2.03-7.65-218.94-60.19-21.74-28.92-116.84-42.20-300.874+5+6Bb3.931.845.77165.1442.0919.7121.8181.7038.25226.934+5+6bD-2.62-1.77-4.39-125.64-28.06-18.96-16.59-54.47-36.80-172.664+5+6Dc1.191.562.7578.7112.7416.7110.4024.7432.43108.164+5+6cF-0.05-1.51-1.56-44.65-0.54-16.17-5.90-1.04-31.39-61.354+5+6Fd-1.061.350.298.30-11.3514.461.10-22.0428.07-20.9429.177+87+9dH2.11-1.330.7822.3222.60-14.242.9543.87-27.65-24.7046.827+87+9豎桿Aa-0.53-0.01-0.54-15.45-5.68-0.11-2.04-11.02-0.21-21.244+5+6Cb-0.990-0.99-28.33-10.600.00-3.74-20.580.00-38.944+5+6Ec-0.980-0.98-28.05-10.500.00-3.70-20.370.00-38.544+5+6Gd-0.970-0.97-27.76-10.390.00-3.67-20.170.00-38.154+5+6He-0.06-0.06-0.12-3.43-0.64-0.64-0.45-1.25-1.25-4.724+5+6六、桿件截面選擇1、上弦FG、GH整個上弦不變截面,取上弦最大設(shè)計桿力計算。N＝-479.04kN,l0x＝1508mm,l0y＝l1＝3016mm〔按大型屋面板與屋架保證三點焊接考慮,取l1為兩塊屋面板寬。根據(jù)腹桿最大設(shè)計桿力NaB＝-300.87kN,取中間節(jié)點板厚度t＝10mm,支座節(jié)點板厚t＝12mm。先由非對稱軸選擇截面,假設(shè)λ＝60,由附表4-2查得＝0.807〔由雙角鋼組成的T形和十字形截面均屬b類,需要的截面面積：As＝＝2761mm2＝27.61cm2一般角鋼厚度≤15mm,屬第一組,故取＝215N/mm2。需要的回轉(zhuǎn)半徑為cmcm上弦應(yīng)采用兩不等邊角鋼以短邊相連組成的T形截面。根據(jù)需要的、、查附表7-5,選用2L140×90×10〔短邊相連：A＝42.4cm2,＝2.56cm,＝6.77cm〔節(jié)點板厚10mm,[λ]＝150。驗算≤[λ],＝0.810故N/mm2≤＝215N/mm2。驗算對稱軸y的穩(wěn)定承載力：b1/t＝14/1＝14＞0.56換算長細比＜[λ]＝150,查附表4-2,＝0.836；故,N/mm2≤＝215N/mm2。滿足要求。墊板每節(jié)間放置一塊〔滿足l1范圍內(nèi)不少于兩塊,ld＝150.8/2＝75.4cm＜40i＝40×4.47＝178.8cm〔i為4.47cm。2、下弦cd下弦也不改變截面,采用最大設(shè)計桿力計算,N＝470.78kN,l0x＝3000mm,l0y＝20700/2＝10350mm,需要的凈截面面積為An＝＝2190mm2＝21.9cm2選用2L140×90×10〔短邊相連：A＝42.4cm2,＝2.56cm,＝6.77cm。驗算：在節(jié)點設(shè)計時,將位于下弦桿連接支撐的螺栓孔包在節(jié)點板內(nèi),且使栓孔中心到節(jié)點板近端邊緣距離不小于100cm,故截面驗算中不考慮栓孔對截面的削弱,按毛截面驗算〔[λ]＝350≤[λ]≤[λ]故N/mm2≤＝215N/mm2。滿足要求。墊板每節(jié)間放置一塊,ld＝150cm＜80i＝80×4.47＝357.6cm〔i為4.47cm。3、端斜桿aBN＝-300.87kN,l0x＝2524mm,l0y＝2524mm,需要的凈截面面積為An＝＝1399mm2＝13.99cm2選用2L140×90×8〔長邊相連：A＝36.08cm2,＝4.5cm,＝3.62cm,[λ]＝150驗算：≤[λ]b2/t＝90/8＝11.25＜0.48,換算長細比＜[λ]＝150,查附表4-2,＝0.675；故,N/mm2≤＝215N/mm2。滿足要求。設(shè)兩塊墊板,ld＝84.1cm＜40i＝40×2.59＝103.6cm〔i為2.59cm。4、斜腹桿dHN＝46.82kN,l0x＝3395mm,l0y＝3395mm,需要的凈截面面積為An＝＝218mm2＝2.18cm2選用2L80×5：A＝15.82cm2,＝2.48cm,＝3.56cm,[λ]＝150驗算：≤[λ]b/t＝80/5＝16＜0.58,換算長細比＜[λ]＝150,查附表4-2,＝0.549；故,N/mm2≤＝215N/mm2。滿足要求。設(shè)兩塊墊板,ld＝84.9cm＜40i＝40×3.56＝142.4cm〔i為3.56cm。5、豎桿dG豎桿不改變截面尺寸,N＝-38.15kN,l0x＝0.8l＝0.8×2888＝2310mm,l0y＝2888mm選用2L80×5：A＝15.82cm2,＝2.48cm,＝3.56cm,[λ]＝150驗算：≤[λ]b/t＝80/5＝16＜0.58,換算長細比＜[λ]＝150,查附表4-2,＝0.628；故,N/mm2≤＝215N/mm2。滿足要求。設(shè)兩塊墊板,ld＝72.2cm＜40i＝40×3.56＝142.4cm〔i為3.56cm。其余各桿的截面選擇見表。需注意連接垂直支撐的中央豎桿采用十字形截面,其斜平面計算長度為l0＝0.9l,其它腹桿除Aa和Ba外,l0x＝0.8l。屋架桿件截面選擇表桿件名稱內(nèi)力〔kN計算長度〔cm截面形式和規(guī)格截面面積〔cm2回轉(zhuǎn)半徑〔cm長細比容許長細比[λ]穩(wěn)定系數(shù)φ計算應(yīng)力〔N/mm2l0xl0yixiyλxλyλyz上弦AB-1.14150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.810BC-285.53150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.8183CD-285.53150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.8183DE-429.81150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.81125EF-429.81150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.81125FG-463.69150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.81135GH-463.69150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.81135下弦ab156.4730010352L140×90×1042.42.566.7711715335036bc371.9430010352L140×90×1042.42.566.7711715335087cd455.7030010352L140×90×1042.42.566.77117153350107de448.0830010352L140×90×1042.42.566.77117153350106斜桿aB-291.24252.4252.42L140×90×836.084.53.6256821500.675120Bb219.66259.8259.82L140×90×836.084.53.6258841500.66192bD-167.13286.2286.22L140×90×836.084.53.6264901500.62175Dc104.69285.2285.22L140×90×836.084.53.6264901500.62148cF-59.39312.5312.52L80×515.822.483.56126951500.58832Fd-20.9429.17311.5311.52L80×515.822.483.56126951500.58832dH-24.7046.82339.5339.52L80×515.822.483.561371011500.54954豎桿Aa-20.56159.21992L80×515.822.483.5664511500.85615Cb-37.69182.3227.92L80×515.822.483.5674741500.72633Ec-37.31206.6258.32L80×515.822.483.5683821500.67535Gd-36.93231288.82L80×515.822.483.5693891500.62837He-4.57243.23042L80×515.822.483.5698921500.6085注：角鋼規(guī)格共3種七、節(jié)點設(shè)計在確定節(jié)點板的形狀和尺寸時,需要斜腹桿與節(jié)點板間連接焊縫的長度。先算出各腹桿桿端需要的焊縫尺寸。其計算公式為：角鋼肢背所需焊縫長度：角鋼肢尖所需焊縫長度：如腹桿aB,設(shè)計桿力N＝300.87kN,設(shè)肢背與肢尖的焊腳尺寸各為hf1＝8mm,hf2＝6mm。因aB桿系不等邊,角鋼與長肢相連,故K1＝0.65,K2＝0.35。則：mmmm其它腹桿所需焊縫長度的計算結(jié)果見表4。未列入表中的腹桿均因桿力很小,可按構(gòu)造取hf≥,l1＝l2＝8hf+10＝8×5+10＝50mm表4腹桿桿端焊縫尺寸桿件名稱設(shè)計內(nèi)力〔kN肢背焊縫肢尖焊縫l1〔mmht〔mml2〔mmht〔mmaB-300.871258906Bb226.931008706bD-172.66808606Dc108.16558406表中1l、12為取整后數(shù)值1、下弦節(jié)點"b"按表4所列Bb、bD桿所需焊縫長度,按比例繪制節(jié)點詳圖,從而確定節(jié)點板的形狀和尺寸〔附圖4。由圖中量出下弦與節(jié)點板的焊縫長度為480mm,焊腳尺寸hf＝5mm,焊縫承受節(jié)點左、右弦桿的內(nèi)力差△N＝Nbc-Nab＝384.25-161.65＝222.6kN。驗算肢背焊縫的強度：51N/mm2<<為160N/mm2>滿足要求。肢尖的焊縫應(yīng)力更小,定能滿足要求。豎桿bC下端應(yīng)伸至距下弦肢尖為20mm處,并沿肢尖和肢背與節(jié)點板滿焊。附圖4：下弦節(jié)點"b"2、上弦節(jié)點"B"按表4所列腹桿Ba、bB所需焊縫長度,確定節(jié)點板形狀和尺寸,如附圖5所示。量得上弦與節(jié)點板的焊縫長度為400mm,設(shè)hf＝5mm,因節(jié)點板伸出上弦肢背15mm,故由弦桿與節(jié)點板的四條焊縫共同承受節(jié)點集中荷載P＝28.62+10.71＝39.33kN和弦桿內(nèi)力差△N＝NBC-NAB＝294.98-1.18＝293.8kN的共同作用。忽略P對焊縫的偏心并視其與上弦垂直,則上弦肢背的焊縫應(yīng)力為：附圖5：上弦節(jié)點"B"＝＝81N/mm2<<為160N/mm2>滿足要求。由于肢尖的焊縫hf也為5mm,故應(yīng)力更小,定能滿足要求。3、下弦中央拼接節(jié)點"e〔附圖6附圖6：下弦中央拼接節(jié)點"e"〔1拼接角鋼計算因節(jié)點兩側(cè)下弦桿力相等,故用一側(cè)桿力Ned＝462.91kN計算。拼接角鋼采用與下弦相同的截面2L140×90×10,設(shè)與下弦的焊縫的焊腳尺寸hf＝8mm,豎直肢應(yīng)切去△＝t+hf+5＝10+8+5＝23mm,節(jié)點一側(cè)與下弦的每條焊縫所需計算長度為：mm拼接角鋼需要的長度為：L＝2〔lw+16+10＝2×〔129+16+10＝300mm為保證拼接節(jié)點處的剛度取,L＝500mm。〔2下弦與節(jié)點板的連接焊縫計算下弦與節(jié)點板的連接焊縫按0.15Ned計算。取焊腳尺寸hf＝5mm,節(jié)點一側(cè)下弦肢背和肢尖每條焊縫所需長度l1、l2分別為：mmmm在附圖6中,節(jié)點板寬度是由連接豎桿的構(gòu)造要求所決定的,從圖中量得每條肢背焊縫長度為155mm,每條肢尖焊縫長度為120mm,滿足要求。4、屋脊節(jié)點"H"〔附圖7〔1拼接角鋼計算附圖7：屋脊節(jié)點"H"拼接角鋼采用與上弦相同的截面2L140×90×10。設(shè)兩者間的焊腳尺寸hf＝8mm,豎直肢應(yīng)切去△＝t+hf+5＝10+8+5＝23mm。按上弦桿力NGH＝479.04kN計算拼接角鋼與上弦的焊縫,節(jié)點每側(cè)每條焊縫需計算長度為：mm拼接角鋼需要的長度為：L＝2〔lw+16+10＝2×〔134+16+20＝320mm為保證拼接節(jié)點處的剛度取,L＝700mm?！?上弦與節(jié)點板間焊縫計算上弦與節(jié)點間在節(jié)點兩側(cè)共8條焊縫,共同承受節(jié)點荷載P與兩側(cè)上弦內(nèi)力的合力。近似地取sinα＝tanα＝0.1,該合力的數(shù)值為：2Nsinα-P＝2×479.04×0.1-39.33＝56.48kN設(shè)焊腳尺寸hf＝5mm,每條焊縫所需要長度為：mm由圖量得焊縫長度為220mm。滿足要求。5、支座節(jié)點"a"〔附圖8〔1底板計算附圖8：支座節(jié)點"a"底板承受屋架的支座反力R＝7P＝7×39.33＝275.31kN,柱采用C20混凝土,混凝土的軸心抗壓強度設(shè)計值fc＝10N/mm2。底板需凈面積An為：mm2錨栓直徑d＝25mm,錨栓孔布置見附圖8,栓孔面積為：△A＝50×40×2+π×252＝5963mm2底板需面積為A