24m梯形钢屋架.pdf

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中南大学钢结构基本原理
课程设计任务书
学院:土木工程学院
专业班级:土木工程1203
姓名:****
学号:********
指导老师:****
第一篇设计资料
,跨度24m,长度102m。:.
,钢筋混凝土柱,混凝土强度C20,上柱截面尺寸400×400mm,
钢屋架支承在柱顶。
,一台20T,中级工作制桥式吊车(软钩),。
:
(1)永久荷载
屋面材料自重:m2
屋架(包括支撑)自重+=m2
(2)可变荷载
屋面活载标准值kN/m2
雪荷载标准值kN/m2
积灰荷载标准值kN/m2
、计算跨度及几何尺寸见图1(屋面坡度1:10)。
图1梯形屋架示意图(单位:mm)
,角钢、钢板各种规格齐全,有各种类型的焊条和C级螺栓
可供选用。
、运输和安装条件:在金属结构厂制造,运往工地安装,最大运
输长度16m,,工地有足够的起重安装设备。
第二篇设计计算
一、屋架支撑系统的设置
屋架支撑的种类有横向支撑、纵向支撑、垂直支撑和系杆。在本设计中,屋
架支撑系统设计如下::.
厂房柱距6m,屋架间距取为6米。
在房屋两端第一个柱间各设置一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑。房
屋长度较大,为102m,其两端横向支撑间距超过了60m,为增加屋盖的刚性,
在长度方向正中间的柱间加设一道横向支撑。
房屋是厂房,且厂房内有吊车,高度较高,对房屋整体刚度的要求较高,设置
纵向支撑,对梯形屋架,纵向支撑设置在屋架的下弦平面。
在屋架中和两端各布置一道垂直支撑。垂直支撑的形式根据高度与柱距的比值
确定。在此屋架结构中,h/l=3085/6000=,故取如下图垂直支撑形式:
垂直支撑图样
在屋架上弦平面,屋架跨中和两端各布置一道通长的刚性系杆,其他结点设通
长的柔性系杆;下弦平面,仅在跨中和两端布置通长的柔性系杆。
屋架支撑系统设置如图2所示。:.
梯形屋架支撑布置图
1—垂直支撑;2—系杆;3—上弦横向支撑;4—下弦横向支撑;5—下弦纵向支撑
二、杆件内力的计算
先定出屋架所有杆件的尺寸,画出屋架示意图如图3:
5081508
15081
81508
508150HI
5081G
15091F
D
BC
A060
0999
5992339
00810
395251333
95288327035
2221
926519拱
10829
a起
ceg
1350I
150
1500×8=12000
屋架几何尺寸图:.
荷载计算
恒载设计值=恒载标准值
活载设计值=活载标准值
(1)永久荷载设计值
屋面材料自重:×=m2

屋架(包括支撑)自重
q
合计1
(2)可变荷载设计值
由于积雪时人不大可能大量拥上屋面等原因,对屋面均布可变荷载和雪荷
载,只取其较大者。
屋面活载:

雪荷载:

积灰荷载:
q
合计2
荷载组合
设计屋架时应考虑三种组合:
使用阶段
+全跨可变荷载
结点荷载设计值:
P()6
a种荷载组合屋架受力图
+半跨可变荷载:.
节点荷载设计值:
P6
1
P6
2
b种荷载组合屋架受力图
施工阶段
(包括支撑)自重+半跨屋面板+半跨活载
节点荷载设计值:
P6
3
P()6
4
c种荷载组合屋架受力图
内力计算
实际采用pf程序计算杆件在单位节点作用下各杆件的内力系数,见下表(全
跨和左半跨相关数据见附录)。由表内三种组合可见:组合一,对杆件计算主要
起控制作用;组合二和组合三,可能引起跨中几根斜腹杆发生内力变号。如果施
工过程中,在屋架两侧对称均与铺设面板,则可避免内力变号而不用组合三。
杆件及节点编号::.
节点编号示意图
屋架节点编号,如下图所示:
节点编号图示
根据电算所得各荷载组合下杆件内力系数,即可求得其对应控制内力,结果
见下表:
屋架杆件内力组合表
第一种组
内力系数(P=1)第二种组合第三种组合
合
P1=P3=
P=
杆件名P2=P2=计算内力
称全跨左半跨右半跨P1×③
P1×①+P1×①+P1×①+
P×①+P2×
P2×②P2×③P2×②
③
①②③KNKNKNKNKNKN
上A
0
弦B00000000
杆B:.
C
C
D-6..25
D
E
EF
F
G
G
H
HI
ac
下
ce
弦
eg
杆
gi
a
B
Bc
c
斜D
腹D
杆e
eF
Fg
g
H:.
Hi
A
a0
竖Cc0
腹Ee0
杆G
g0
Ii
屋架杆件内力组合表
三、杆件截面设计
、节点板厚选择
支座斜杆最大内力设计值N=,查《钢结构原理与设计》课本表:选取中间
节点板厚t=8mm,支座结点板厚t=10mm。
、上弦杆(压弯构件)
整个上弦杆采用同一截面,免去不同截面杆件间的拼接。截面按受力最大的
部位F-G-H节间选用,最大内力为:N-
max
计算长度:屋架平面内取节间轴线长度l=㎝.屋架平面外根据支撑,考虑到
ox
大型屋面能起到一定的支撑作用,取上弦横向水平支撑的节间长度l=㎝。由
oy
于2l=l,故选用两个不等肢角钢,且短肢并联。
oxoy
设=80,查轴心受力稳定系数表,=
则需要截面特性为:
103
A
215

iox
x80
x:.

ioy
y80
y
查附表得:选用2∠100×80×8(短肢相并)。
截面特性为:A
i
x
i
y

ox
则:
xx

oy150

y
由,
y
故
103
f215N/mm2
102
下弦杆(轴心受拉构件)
整个下弦杆采用等截面。截面按受力最大的部位g-i节间
选用,最大内力为:N
max
计算长度:l3000mm,l=23700/2=11850mm(因下弦有纵向支撑和系
oxoy
杆)
103
截面选择:A
f215
根据所需截面特性,查附表选用2∠80×50×8不等边角
钢,且短肢相连。
截面特性为:A
xy
截面验算::.
l300
ox350

x
l1185
oy350

y
N
215N/mm2
A
故下弦杆满足要求。
腹杆(轴心受力构件)
(1)端斜杆aB
计算内力:N=
计算长度:ll2535mm
oxoy
由于l=l,故选用两个不等肢角钢,且长肢并联,使ii
oxoyoxoy
截面选择:选取2∠100×63×8
截面特性:A
xy

截面验算:ox350

x

oy
350

y
查附表得:
y
N210017
215N/mm2

y
故端斜杆aB符合要求。
(2)斜腹杆Bc
计算内力:N=
计算长度:l
ox
l
oy
截面选择::.
103
需要截面积A
f215
选取2∠56×4,截面特性:A
xy

截面验算:ox350

x

oy350

y
N162889
215N/mm2
A878
(3)斜腹杆cD
计算内力:N=
计算长度:l
ox
l
oy
截面选择:设65,查附表得,.
xy
103
则需要截面积:A768mm2
215
选取2∠75×5,
截面特性:A
xy

截面验算:ox98150

x

oy
85150

y
由98查附表得:,
xx
N128804
215N/mm2

x
(4)斜腹杆eF
计算内力:N=:.
计算长度:l
oxoy
截面选择:设80,查附表得,.
xy
103
则需要截面积:A(cm2)
估215
选取2∠70×4,
截面特性:A
xy

截面验算:ox150

x

oy
99150

y
由:,
xx

215N/mm2
1114
x
(5)竖腹杆Ii
计算内力:N=
计算长度:l319
ox
ll319cm
oy
截面选择:
103
需要截面积A
f215
选取2∠56×3(两角钢间距为6mm)
截面特性:A2
xy

截面验算:ox146350oy350

xy
其它几根竖向腹杆的截面选择可根据同样的方法求算出来。
杆件截面选择列表:.
上弦杆和下弦杆采用等截面通长杆,腹杆截面形式有多种截面形式。各杆件
截面选择表汇总如下
四、节点设计
容
许
计算内截面回转半径稳定
杆件计算长度(cm)长细比长应力
力截面规格面积(cm)系数
细
(KN)(cm2)
比
名称编号lliiλλλφσN/mm2
0x0yxyxy
上弦杆FG/GH100×80×8150
下弦杆gi80×50×83001185350
Aa45×3**********
Cc45×3229150
竖
腹Ee45×3259148150
杆
Gg56×3289150
Ii56×3319146350
aB100×63×7150
腹
Bc56×4350
杆
cD75×49885150
斜
De45×5
腹
杆
选取下弦端节点及其下弦相邻节点、跨中上弦与下弦节点、上弦典型受力位:.
置节点(屋脊节点)5个节点作为主要节点进行设计,其余节点类同。其5个节
点位置见下图:
下弦节点c
先计算腹杆焊缝长度,然后定出节点板的形状和尺寸,最后计算下弦杆与节
点板之间的连接焊缝。
(1)斜杆Bc与节点板的连接焊缝计算
N,
角焊缝强度设计值fw160N/mm2,设焊缝h6mm,则焊缝所需长度:
ff
角钢背:
103
计算长度:l85mm60h360mm
w2hfw26160f
ef
实际长度:852697mm,取l100mm
1
角钢趾::.
103
计算长度:l8h48mm据构造
w2hfw26160f
ef
要求取为48mm
实际长度:482660mm,取l60mm
2
(2)竖杆Cc与节点板的连接焊缝计算
N-,
角焊缝强度设计值fw160N/mm2,设焊缝h6mm,则焊缝所需长度:
ff
角钢背:
103
计算长度:l8h48mm据构
w2hfw26160f
ef
造要求取为48mm
实际长度:482660mm,取l60mm
1
角钢趾:
103
计算长度:l8h48mm据构
w2hfw26160f
ef
造要求取为48mm
实际长度:482660mm,取l60mm
1
(3)斜杆cD与节点板的连接焊缝计算cD杆焊缝计算
N,
角焊缝强度设计值fw160N/mm2,设焊缝h6mm,则焊缝所需长度:
ff
角钢背:
103
计算长度:l60h360mm
w2hfw26160f
ef
实际长度:682680mm,取l80mm
1
角钢趾::.
103
计算长度:l29mm8h48mm
w2hfw26160f
ef
按构造要求取为48mm
实际长度:482660mm,取l60mm
1
(4)下弦杆焊缝验算
下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻内力之差:
△N=根据节点放样,得节点板尺寸为400×300mm。
肢背焊缝验算,设h6mm,
f
103
fw160N/mm2
f26(40012)f
fw
上弦节点F
(1)Fe杆焊缝计算
N,
角焊缝强度设计值fw160N/mm2,设焊缝h6mm,则焊缝所需长度:
ff
角钢背:
103
计算长度:l8h48mm
w2hfw26160f
ef
按构造要求取为48mm
实际长度:482660mm,取l60mm
1
角钢趾::.
103
计算长度:l13mm8h48mm据构造要
w2hfw26160f
ef
求取为48mm
实际长度:482660mm,取l60mm
1
(2)Fg杆焊缝计算
N,
角焊缝强度设计值fw160N/mm2,设焊缝h6mm,则焊缝所需长度:
ff
角钢背:
103
计算长度:l8h48mm据构造
w2hfw26160f
ef
要求取为48mm
实际长度:48×2+6=60,取l60mm
1
角钢趾:
103
计算长度:l8h48mm据构
w2hfw26160f
ef
造要求取为48mm
实际长度:482660mm,取l60mm
1
(3)上弦杆焊缝验算
上弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻内力之差:
△N=根据节点放样,得节点板尺寸为260×230mm。
考虑搁置屋面板的需要,节点板缩进上弦肢背10mm,用槽焊缝连接,槽焊
缝按两条角焊缝计算,取h't/25mm。焊缝设计强度应乘以折减系数,假定集
f
中荷载P与上弦杆垂直,忽略屋架上弦坡度的影响。
肢背焊缝验算:
:.

()2()2
(KN)2[P/(2)]2
2
'1
f2`l`25(26010)103
fw
160128N/mm2
f
肢尖焊缝验算:

()2()2
(KN)2[P/(2)]2
2
''2
f2``l``25(26010)103
fw
fw160N/mm2
f
屋脊节点I
(1)拼接角钢与弦杆的连接计算及拼接角钢总长度的确定
拼接角钢与受压弦杆的连接可按弦杆中的实际压力设计值N进行计算,每
边共有4条寒风平均承受此力,因而得焊缝长度为
103
l130mm
w46160
ff
Ne103506
M
f2hl2281702
fw

(n)2(N)2()2()2fw160N/mm2

由此可得拼接角钢总长度为:

l2l2h弦杆杆端空隙
swf
取l=600mm
s
(2)弦杆与节点板的连接焊缝计算
由于屋脊节点的节点板宽度相对较大且焊缝连接需抵抗的力一般不大,故上
弦杆与节点板之间槽焊强度足够,不需计算。
考虑焊缝必须有一必要的最小承载力,需对此进行补充验算。上弦杆角钢趾
部与节点板之间连接焊逢,按上弦杆内力15%计算
设h8mm,节点板尺寸取为400×200mm,节点一侧焊缝:
f:.
400
l2010170mm
w2
焊缝应力验算:
349475
N
f2hl28170
fw
Ne103506
M
f2hl2281702
fw

(n)2(N)2()2()2fw160N/mm2

跨中下弦拼接点i
(1)下弦杆拼接及长度计算(设焊缝h=8mm)
f
下弦杆双角钢截面选用同样大小的角钢作为拼接件,为使拼接角钢与原来的
角钢相紧贴,对拼接角钢顶部截去棱角,宽度为r(r为角钢内圆弧半径),对其
竖直边应割去:ht588521mm
f
拼接接头一侧的连接焊缝长度按下弦杆强度计算,每条焊缝所需长度为:
215
l2
w4fw48160
ff
由连接焊缝的强度条件可求出拼接拼接角钢的总长度为:

l2l2h弦杆杆端空隙1620289mm
swf
取拼接角钢长度L=600mm,节点板尺寸为450×350mm。
(2)下弦节点与节点板连接角焊缝
节点一侧的连接焊缝按下弦杆内力的15%验算,焊缝长度按构造决定,因此
不再计算。
支座节点a
(1)支座底板计算
支座反力:R8R8
R
所需底板净面积:A
nf
c
设底板尺寸为250×250mm,底板锚栓孔径为50mm:.
底板平面净面积
502
A(2a)(2b)锚栓孔缺口面积250250258573cm2
n4
R
底板下平均应力:
A
n
底板为两相邻边支撑板,单位宽度弯矩为:Mqa2
1
2
a250177mm
12
a
b189mm
12
b
由1,查表得
a
1
M1772mm
6M6
所需底板厚度:t,取t14mm
f215
(2)加劲肋与节点板的连接焊缝计算
设一个加劲肋承受四分之一屋架支座反力,即
V189340/447335N
焊缝内力为:
V47335N
M473353247181N•mm
设焊缝h=6mm,焊缝计算长度:l4201510395mm
fw:.
焊缝应力验算:
473352324718162

160N/mm2
26395263952
(3)底板与节点板、加劲肋板底端的角焊缝连接计算
设焊缝传递全部支座反力R=,其中每块加劲肋各传R/4=,节点板传递R/2=.

节点板与底板的连接焊缝长度l213012236mm,所需焊脚尺寸为
w
R/294670
h
lfw236160
wf
故取h6mm
f
每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为:
l2105-15-12156mm
w
所需焊缝尺寸为
R/447340
h
lfw156160
wf
故取h6mm
f
其它节点的计算不再一一列出。