中国地质大学长城学院钢结构课程设计.doc

1、 1 设计计算资料 梯形屋架跨度为30m，屋架间距6m，铰支于钢筋混凝土柱上，混凝土等级为C30C40。厂房总长度为60m。屋面材料为长尺压型钢板，玻璃纤维保温层，屋面坡度i=1/81/10，轧制H型钢檩条，屋架、支撑、保温层等为0.3KN/m2，基本风压为0.5KN/m2，基本雪压0.55KN/m2，屋面均布活荷载为0.3KN/m2（计算负荷面积不超过60m2时，取0.5KN/m2）。2 屋架形式及屋架几何尺寸的确定 屋架计算跨度L0=30000-2150=29700mm，端部高度h0=1985mm，屋架在30000mm轴线处的端部高度h0=2000mm，跨中高度h=3500m(为L0/10

2、)，屋架跨中起拱按L0/500考虑，取60mm。配合屋面板1500mm的宽度，为使屋架上弦只受节点荷载，腹杆体系采用节间为3000m的人字形式，仅在跨中考虑到腹杆的适宜倾角，可能采用再分式杆。3 屋架及屋盖支撑的布置屋架形式及几何尺寸如图3-1所示：图3-1屋架几何尺寸屋架上、下弦横向水平支撑沿抗震缝分开的两部分的端柱间设置，当山墙采用封闭结合及考虑构件统一化，亦可将房屋两端的横向水平支撑设置在第二柱间。下弦纵向水平支撑根据具体情况可不设置，竖向支撑布置在横向水平支撑所在柱间，沿屋架两端及屋脊处共设三道，系杆亦沿屋架两端及屋脊处通长设置三道。凡与支撑连接的屋架编号为GWJ2，其它编号为GWJ1

3、。 梯形钢屋架支撑布置如图3-2所示：图3-2梯形刚屋架支撑布置4 荷载与内力计算4.1 荷载汇集配合屋面板1.5m的宽度为使屋架上弦只受节点荷载，腹杆体系采用节间为3m的人字形式，仅在跨中考虑腹杆倾角，可能采用再分式杆。永久荷载标准值：长尺压型钢板标准值 0.15KN/m2 保温层标准值 0.3KN/m2 找平层标准值 0.3KN/m2 屋架和支撑自重标准值 0.3KN/m2 檩条标准值 0.167KN/m2 永久荷载标准总和为 1.22KN/m2 可变荷载标准值：雪荷载标准值 0.55KN/m2 风荷载标准值 0.5KN/m2 屋面均布活荷载标准值 0.3KN/m2雪荷载屋面活荷载（取两者

4、较大值）0.55KN/m2积灰荷载，风荷载0.5KN/m2一般不予考虑。可变荷载标准值总和为 0.55KN/m2 永久荷载设计值 1.21.22 KN/=1.464KN/可变荷载设计值 1.40.55KN/=0.77KN/4.2 荷载组合设计屋架时应考虑以下三种组合：使用阶段组合一 全跨永久荷载+全跨可变荷载 屋架上弦荷载 组合二 全跨永久荷载+半跨可变荷载 屋架上弦荷载 施工阶段组合三 全跨屋架及支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载屋架上弦荷载 4.3内力计算（不考虑起拱） 屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如下图所示由节点法和截面法解F=1的屋架各杆的内力系数（F=1作用于全跨、左

5、半跨和右半跨）。 图4-1屋架计算简图先求出支座反力由力学方程得 解得 4.3.1 对截面1-1的计算图4-2 1-1截面计算简图由三个力学方程得： 4.3.2 对a节点的受力分析 图4-3 b节点计算简图4.3.3 对b节点的受力分析 图4-4 b节点计算简图 解方程得： 4.3.4 对d节点的受力分析 图4-5 d节点计算简图 4.3.5 对B节点的受力分析图4-6 B节点计算简图 解方程得： 4.3.6 对e节点的受力分析图4-7 e节点计算简图 解方程得： 4.3.7 对f节点的受力分析 4-8 f节点计算简图 4.3.8 对C节点的受力分析图4-9 C节点计算简图 解方程得： 4.3

6、.9 右跨各杆内力的计算 计算右跨时先进行零杆判断，、 、。当两个力不在同一直线上时，两个力都为零，所以、。右跨其他杆内力计算同左跨，计算结果如下： 、KN、。 经计算得表一，表一列出了各个杆件的内力系数和杆件内力值，由表中的三种组合可见：组合一，对杆件计算起主要控制作用；组合三可能引起中间几根斜腹杆发生内力变号，在施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设面板则可避免内力变号。表一杆件名称杆内力系数全跨永久荷载+全跨可变荷载N=P全跨永久荷载+半跨可变荷载N=+或全跨屋架和支撑自重半跨屋面板重半跨屋面活荷N=+或计算内力P=1在左半跨在右半跨全跨上弦杆ab0000000bd-6.2-4.06-10.

7、26-206.29-178.1560.03-206.29de-6.2-4.06-10.26-206.29-178.15-60.03-206.29ef-6.44-7.09-13.53-272.03-227.32-71.66-272.03fg-6.44-7.09-13.53-272.03-227.32-71.66-272.03下弦杆AB4.11.575.67114.00103.1236.08114.00BC6.785.2412.02241.67205.3668.23241.67CD6.3212.646.32127.07170.8768.26170.87斜腹杆Ab-5.2-2.0-7.2-144。7

8、6-130.90-45.79-144.76Bb2.62.575.17103.9586.1427.98103.95Be-0.88-2.29-3.17-63.74-57.64-14.07-63.74Ce-0.571.881.3126.3430.291.7826.34Cg0.79-1.72-0.93-18.70-24.170.40-18.70竖杆Aa0-0.5-0.5-10.05-10.05-3.7810.05Bd0-1-1-20.1-20.11-7.56-20.11Cf0-1-1-20.1-20.11-7.56-20.11gD0000000注：表内负值表示压力，正值表示拉。5 杆件截面设计5.1

9、上弦的计算 整个上弦不改变截面，是受压杆件，按ef、fg杆件的最大设计内力设计，即N=-272.03KN。上弦杆计算长度，在屋架平面内：为节间轴线长度，即。在屋架平面外：本屋架为有檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据支撑布置和内力变化情况，取为支撑点间的距离，即 根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面的选用两个不等角钢短肢相并，如下图所示：图5-1上弦杆截面 腹杆最大内力N=-144.76，由单壁式桁架节点板厚度选用表查得，中间节点板厚度选用6mm，支座节点厚度选用8mm。设=60，查Q235刚的稳定系数变，可得=0.807需要截面积=1567.9需要回转半径=mm需要回转半径

10、=根据需要的, , 查角钢型钢表，初选2L140908，肢背间距a=6mm。A=3607.8,=2.59cm,=6.58cm。 按所选角钢进行验算： =150 =150 由于，只需求出 查轴心稳定系数表=0.820 所选截面合适。5.2 下弦的计算 整个下弦不该边截面，是受拉杆件，按最大内力计算，N=241.67KN，选用两个不等边角钢短肢相并。 计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度 =3000mm。 屋架平面外根据支撑布置，取 =14850mm。 计算需要净截面面积=1124.04 选用2L140908(短肢相并)，见图所示：图5-2下弦杆截面 A=3607.81124.04,=2.59cm

11、,=6.58cm。 按所选角钢进行验算：取=A(若螺栓孔中心至节点板边缘距离大于100mm，则不计截面削弱影响) 5.3 端斜杆Ab的计算 已知N=-144.76KN 因为 故采用两个不等边角钢长肢相并，使= 选用2L100806见下图所示： 图5-3 Ab杆截面 A=2127.4,=2.4cm,=4.54cm。截面刚度和稳定验算： 故只需求=0.415 所选截面合适。5.4 斜腹杆Bb的计算 5.4.1 斜杆Bb的计算 已知：N=103.95KN，采用两个等边角钢相并。计算长度：屋架平面内取节点间轴线长=屋架平面外根据支撑布置，取 =2972mm。选用2L506 见下图所示：图5-4 Bb杆

12、截面 A=1137.6,=1.51cm,=2.32cm。 所选截面适合5.4.2 斜杆Be的计算 已知：N=-63.74，采用两个等边角钢相并。计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度=屋架平面外根据支撑布置，取。选用2L506 见下图所示： 图5-5 Be截面 A=1137.6,=1.51cm,=2.32cm。 所选截面合适。5.4.3 斜杆ce的计算已知：N=26.34KN，采用两个等边角钢相并。计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度= 屋架平面外根据支撑布置，取=333.44cm。 选用2L506见下图所示： 图5-6 ce杆截面 A=1137.6,=1.51cm,=2.32cm。 所选截面合

13、适。5.5 竖杆Bd的计算 已知N=-20.11，采用两个等边角钢相并。 计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度= 屋架平面外根据支撑布置，取。 选用2L506 见下图所示： 图5-7 Bd杆截面A=1137.6,=1.51cm,=2.32cm。 由于xy，只需求出 查轴心稳定系数表=0.355 所选截面合适5.6 屋脊处竖杆的计算 已知：N=0KN 中竖杆选用2L705的角钢，并采用十字形截面，见下图所示：图5-8 gD杆截面 满足要求。 其余各杆件的截面选择计算过程不一一列出，现将计算结果列于表二中。表二杆件名称内力设计值N(KN)计算长度(cm)选用截面截面积回转半径（cm）计算应力（N/

14、mm）填板块上弦杆-272.03150.8301.5短肢相并2L14090836.0782.596.5858.221500.820-92.002下弦杆241.67300148.5短肢相并2L14090836.0782.596.58225.7350/67.02Ab-144.76371.5201.5长肢相并2L10080621.2742.44.54125.61500.415-165.52Bb103.95297.2297.2T型截面2L50611.3761.512.32196.8350/91.42Be-63.74333.44333.44T型截面2L50611.3761.512.32220.8350/

15、-56.02Ce26.34333.44333.44T型截面2L50611.3761.512.32220.8350/23.22Cg-18.70368.8398.8T型截面2L50611.3761.512.32244.2350/-16.42Aa10.05161.2161.2T型截面2L4057.5841.211.90133.21500.376-13.32Bd-20.11208208T型截面2L50611.3761.512.32137.71500.355-49.82Cf-20.11256256T型截面2L70513.7502.163.09118.51500.448-41.72gD0315315十字型

16、截面2L70513.742.163.09145.81500.321026 屋架节点设计 用E43焊条时，角焊缝的抗拉，抗压和抗剪强度设计值各杆件内力由表二查得，最小焊缝长度不应小于8和40mm。6.1 下弦节点B的计算 图6-1 下弦节点B6.1.1 斜杆Bb与节点的连接焊缝计算 N=103.95KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为： 肢背： 取=80mm 肢尖： 取=60mm6.1.2 斜杆Be与节点的连接焊缝计算 N=63.74KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为： 肢背： 取=60mm 肢尖： 取=50mm6.1.3 斜杆Bd与节点

17、的连接焊缝计算 N=20.11KN 因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸 焊缝长度40mm 取=60mm。 根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间的应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为114mm178mm6.1.4 下弦杆与节点板连接的焊缝的计算 长度为11.4cm，=6mm：焊缝受力为左右下弦杆的内力差N=254.22-119.92=134.3KN;受力较大的角背出的焊缝应力为： 焊缝强度满足要求，该节点如图6-2所示：图6-2 节点B尺寸 6.2 上弦节点b的计算 图6-3 上弦节点6.2.1 斜杆Bb与节点板连接焊缝的计算 N=103.95 设

18、肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为： 肢背： 取=80mm 肢尖： 取=60mm6.2.2 斜杆Ab与节点板连接焊缝的计算 N=144.76KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为： 肢背： 取=100mm 肢尖： 取=60mm6.2.3 上弦杆与节点板连接焊缝计算 为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘的上肢背可缩进8mm，用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直。 假定集中荷载P由槽焊缝承受，P=21.15KN，焊角尺寸为5mm。 所需槽焊缝长度为： 取=

19、60mm 上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差：N=217.00-0=217.00KN 设肢尖焊角尺寸为8mm，设所需焊缝长度为200mm，则： =5.13 6.2.4 节点板尺寸 如图下图所示：图6-4 节点b尺寸6.3 屋脊节点g的计算 见图下图所示图6-5 屋脊节点g6.3.1 弦杆与角钢连接焊缝计算 弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。切棱长度为t+拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力来计算。 N=272.03KN 设肢尖、肢背焊角尺寸为8mm， 取=100mm 拼接角钢长度取 21

20、00+20=220mm。6.3.2 弦杆与节点板的连接焊缝计算 上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载，上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15计算:N=272.0315=40.8KN。设肢尖焊角尺寸为8mm，弦杆一侧焊缝长度为80mm。 6.3.3中竖杆与节点板的连接焊缝计算 N=0KN 此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸 焊缝长度40mm 取=60mm。6.3.4 斜杆Cg与节点板的连接焊缝计算 N=18.70KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为： 肢背： 取=60mm 肢尖： 取=60mm6.3.5 节点板尺寸 如下图所示： 图6-6 节点

21、g尺寸 6.4 下弦跨中节点D的计算 如下图所示：图6-7 下弦中节点D6.4.1 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算 拼接角钢与下弦杆截面相同，传递内力N=170.87KN 设肢尖、肢背焊角尺寸为8mm，则需焊缝长度为： 取=100mm 拼接角钢长度取 2100+20=220mm。6.4.2 弦杆与节点板连接焊缝计算 其内力按下弦杆内力的15计算: N=170.8715=25.6KN 设肢背与肢尖的焊角尺寸为6mm，弦杆一侧所需焊缝长度为： 肢背： 取=60mm 肢尖： 取=60mm6.4.3 节点板尺寸 如下图所示：图6-8 节点D尺寸 6.5 端部支座节点A的计算 6.5.1 节点板的地板厚度计

22、算：图6-9 支座节点A 为了便于施焊，下弦角钢水平肢的地面与支座地板的距离一般不小于下弦伸出肢的长度，故可取160mm，在节点板中心线左侧设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相同，厚度同端部节点板为12mm。支座底板计算：支座反力：R=3.76*20.106=75.60KN。取加劲肋的宽度为60mm，考虑底板上开孔，按构造需求取地板尺寸为120mm180mm,偏安全地取有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为：验算柱顶混凝土的抗压强度：C30混凝土 满足要求。 地板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算、节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两边支撑而另两边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯

23、矩为：式中-地板下的平均应力， -两边支撑对角长度， -系数 由决定，为两边支撑的焦点到对角线的垂直距离，由三角形面积关系得=0.47 查表得=0.057地板厚度 取t=12mm6.5.2 加劲肋与节点板的连接焊缝计算偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座反力的1/4，则焊缝受力： 设肢焊缝尺寸为6mm，设所需焊缝长度为80mm，则：所以加劲肋高度不小于80mm即可。6.5.3 节点板加劲肋与底板的连接焊缝计算 设底板连接焊缝传递全部支座反力R=75.60KN设焊缝尺寸为8mm，节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度： 满足要求。下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算: （1）竖杆与节点板的连接焊缝计算: N=10.05KN此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸焊缝长度40mm 取=60mm。 （2）下弦杆与节点板连接焊缝计算：N=114.00KN设焊缝尺寸为6mm，侧所需焊缝长度为：肢背： 取=80mm肢尖： 取=60mm （3）斜杆Ab与节点板连接焊缝的计算：N=144.76KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为：肢背: 取=100mm肢尖： 取=60mm 7 屋架施工图（详见施工图纸）8：参考文献1建筑结构荷载规范2钢结构设计规范3钢结构设计手册4钢结构教材5工民建专业课程设计指南6房屋建筑制图统一标准7建筑结构制图标准忽略此处. 25