普通钢屋架设计计算书

刚结构课程设计- 1 -课 程 设 计 计 算 书学 院：建筑与土木工程学院系 别： 土木工程系 专 业： 土木工程 课 程： 建筑钢结构设计 设计内容： 普 通 钢 屋 架 学生姓名： 鲁晓鹏 学 号： 25320062205025 指导老师： 刘 丽 君 2010 年 1 月刚结构课程设计- 2 -一 、设计资料某厂房跨度 30m，总长 90m，柱距 6 m，采用梯形钢屋架、1.56.0m 预应力混凝土大型屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面 400400，混凝土强度等级为C30，屋面坡度为 。地区计算温度高于-20 0C，无侵蚀性介质，抗震设防烈度为 710:i度，屋架下弦标高为 18m；厂房内桥式吊车为 2 台 150/30t（中级工作制） ，锻锤为 2 台5t。 永久荷载：三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4 KN/m 2水泥砂浆找平层 0.4 KN/m 2保温层 0.55 KN/m 2一毡二油隔气层 0.05 KN/m 2水泥砂浆找平层 0.3 KN/m 2预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m 2屋架及支撑自重：按经验公式 q=0.12+0.011L 计算：0.45KN/m 2悬挂管道： 0.15 KN/m 2 可变荷载：屋面活荷载标准值： 0.7 kN/m 2雪荷载标准值： 0.35 kN/m 2积灰荷载标准值： 1.0 KN/m 2 钢材采用 Q235-B。焊条采 E43 型，手工焊。桁架计算跨度：lo=30-2 0.15=29.7m跨中及端部高度： 桁架中间高度： h=3.490m在 29.7m 处的两端高度： ho=2.005m在 30m 处轴线处端部高度： ho=1.990m桁架跨中起拱 60mm（L/500） 。1. 结构形式与布置桁架形式及几何尺寸如图 1 所示。刚结构课程设计- 3 -桁架支撑布置如图 2 所示刚结构课程设计- 4 -2、荷载计算由于 i=1/10，则：=5.71，cos=0.995。计算竖向节点荷载时，按水平投影面计算。节点荷载即为 1.5m*6m 内的荷载。桁架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（P W=0.12+0.011跨度）计算，跨度单位为米。恒载计算： 防水层（三毡四油）： 0.4/0.995=0.402 kN/m2预应力钢筋混凝土大型屋面板： 1.4/0.995=1.407 kN/m2隔气层、找平层： 0.35/0.995=0.3518 kN/m2保温层、找平层： 0.95/0.995=0.9548 kN/m2 屋架自重： 0.12+0.01130=0.45 kN/m2悬挂管道： 0.15/0.995=0.1508 kN/m2以上合计： 3.7164kN/m2活载计算：屋面均布活荷载（上人屋面）： 0.7 kN/m 2积灰荷载： 1.0kN/m 2共 1.7 kN/m 2设计桁架应考虑以下三种组合：（1） 全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载为主控制的组合）全跨节点荷载设计值：F=（1.353.716+1.40.70.7+1.40.91）1.56=62.6634 KN（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载设计值：对结构不利时：F1,1 =1.353.7161.56=45.1494 KN（按永久荷载为主的组合）F1,2 =1.23.71641.56=10.7032KN（按可变荷载为主的组合）对结构有利时：F 1,3 =1.03.71641.56=33.4476KN半跨节点可变荷载设计值：F2,1=1.4(0.70.7+0.91)1.56=17.514KN(按永久荷载为主的组合)F2,2 =1.4（0.7+0.91）1.56=20.16KN（按可变荷载为主的组合）（3）全跨桁架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载（按可变荷载为主的组合）全跨节点桁架自重设计值：对结构不利时：F 3,1 =1.2*0.45*1.5*6=4.86KN对结构有利时：F 3,2 =1.0*0.45*1.5*6=4.05KN半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：刚结构课程设计- 5 -F4 =（1.2*1.4+1.4*.0.5）*1.5*6=21.42Kn（1） ， （2）为使用阶段荷载情况， （3）为施工阶段荷载情况。屋架在上述三种荷载组合作用下的相关计算简图如图 3 所示：4.内力计算由电算先解得 F=1 的桁架各杆件的内力系数（F=1 作用于全跨，左半跨和右半跨） 。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表 1：123456789102345678192034567289031( ) () ( )( ) () () (4) 5 123456789102345678192034567289031( ) () ( )( ) () () (4) 5 123456789102345678192034567289031( ) () ( )( ) () () (4) 5 图 3 桁架计算简图 从上自下的顺序 a,b,c 分别是 F=1 作用于全跨、左半跨、右半跨的情况；刚结构课程设计- 6 -表 1 桁架杆件内内力组合表内力系数 第二种组合 第三种荷载杆件名称全跨（1）左半跨（2）右半跨（3）第一种组合 (1)F,2,()i1,2,()3iF,4(1)i3,4()iF计算杆件内力/KN上弦 23、76、1412、171921、220-11.17-17.91-21.16-22.01-23.070-8.09-12.34-13.58-12.85-13.710-3.08-5.57-7.53-9.15-9.360-466.91-748.64-884.49-920.02-964.330 0 0 0 0-466.91-748.64-884.49-920.02-964.33下弦 56575859605.9814.9819.7922.0720.734.4210.6013.2213.6010.361.564.386.578.4710.36249.96626.16827.22922.53866.51249.96626.16827.22922.53866.51斜腹杆 55859111516182526-11.228.96-7.435.44-4.152.63-2.31-0.621.673.39-8.306.33-4.903.22-1.990.70-0.11-1.963.705.02-2.932.63-2.532.23-2.161.93-2.201.35-2.03-1.62-469.00374.53-310.57227.39-173.47109.93-96.56-25.9269.81141.70-50.591,F2-38.031,3291.381,2123.221,F2-71.661,20.331,215.311,256.281,2-13.583,F4-45.003,486.023,14F121.263,14-58.353,1425.903,14-36.723,24-20.973,24-469.00374.53-310.57227.39-173.47109.93-71.66-13.580.33-45.0091.38-36.72123.22-20.97刚结构课程设计- 7 -24 1.57 1.25 0.33 65.63 65.63 65.63竖杆 14、1013202327-0.50-1.00-0.24-0.74-2.380-0.50-1.00-0.51-1.09-1.820000.270.35-0.550-20.90-41.80-21.32-30.9399.480-20.90-41.80-21.32-30.9399.480注： F=62.6634KN；F 1，1 =45.1494 KN；F 1，2 =10.7032KN；F 1，3 =33.4476； F2，1 =17.514； F2，2 =20.16； F3，1 =4.86； F3，2 =4.05； F4=21.42. 5 . 杆件设计(1) 上弦杆整个上弦采用等截面，按 21，22 杆件之最大内力设计N=964.33 kN =964330N上弦杆计算长度：在桁架平面内，为节间轴线长度： 015.8xlcm在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取： 3.42.oyl因为 =3 ，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并，如图 4oyl0x腹杆最大内力 N=469.00kN，查材料表 9.6.4 可得，中间节点板厚度选用 10mm，支座节点板厚度选用 12mm。设 =60，查教材附录 4 得 =0.807。需要截面积： 29643057.9mf.8721/NA需要的回转半径： 0y0x ll15. 42.i ., 7.5466cmci根据所需要的 A、 查角钢规格表（附录 8） ，选用 218011010，A=5675xyi、， 、 ，按所选角钢进行验算：2m3.1,8.71xicc1/0/15btc刚结构课程设计- 8 -图 4：上弦截面按所选角钢进行验算，015.8347.9xxli052.871.9yyli满足长细比： 的要求。0 0.56 =0.564524cm/180cm=14.071/2btcm01/ylb 01413.7()58.6.yyzlttb5截面 x 和 y 平面截属于 b 类，由于 ,只需求 。查表得 =0.816yzxyy322964.08./15/8157xNNmfNmA所选截面合适。2、下弦杆整个下弦采用同一截面，按最大内力计算， =922.53kN （拉力）59计算长度 屋架平面内取节间轴线长度 cmlx30屋架平面外根据支撑布置取 0148yl计算需要净截面面积 3292.59.1nNAf选用 21409010（短肢相并） ，见图 5 所示，A =44.52c , i x = 2.561 cm , iy =6.85cm 按所选角钢进行截面验算，取 。n图 5 下弦截面刚结构课程设计- 9 -0317.3502.56xli01485273506.yli32290/4NNmfNmA所选截面满足要求。3、斜杆截面计算 端斜杆（55 ）图 6 所示N = -469kN (压力)，l 0x = l0y = l =253.5 cm.因为 l0x = l0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，使 ix i y 选用 21409010，见图 6 所示，A = 44.522 c , ix = 4.47cm , iy = 3.74cm图 6 斜杆 55 截面0253.6.714xli 202/9.8/.453/9013.52ybtlbm42 2201.()(1)7.37.yzy clt 150满足长细比： 的要求。5由于 ，只求yzx.18y322469047/15/.752yNNmfNmA所选截面合适。 腹杆杆（25）-（26）图 7此杆在 16 节点处不断开，采用通长杆件；最大拉力： ，另一端2613.Nk2591.38Nk最大压力： ，另一端57607在分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距：l 0x =230.1cm刚结构课程设计- 10 -在桁架平面外的计算长度 可求得：0yl2011 20.97(.75)467541.85cm36yNl cm（ ）选用 2705，由教材附录 8 可得：, ix = 2.16cm , iy = 3.31cm, 23.cmA/9bt0.106.51xli 0/4.8/.437./9037.6ybtlbm4 42 22075.5(1)(1)10.2.yzy cmlt 150满足长细比： 的要求。由于 ，只求yzx.345y2236.7210./15/yNNmfNmA拉应力：322.89.6/175f所选截面合适。图 74、竖杆截面设计竖杆（20）截面计算，图 8N =-30.93kN (压力)，l0x =0.8l=0.8319cm=255.2cml0y =l=319cm 内力较小，按 =150 选择，需要的回转半径为：25. 3191.70, 2., 50oyox llcmcmi i刚结构课程设计- 11 -查型钢表，选截面的 和 较上述计算值略大些。 xiy选用 2635，得截面几何特性：A =12.286 c , ix = 1.94cm , iy = 3.04cm b/t=63mm/5mm=12.602513.450.9xli 0/68/.319/629.37ybtlbm4 42 220.750.5(1)()108.9.yzy clt 150满足长细比： 的要求。由于 ，只求yzx.381y220.97.56/15/2.yNNmfNmA所选截面合适。图 8 边竖杆（1）截面设计如图 9N =-20.90kN (压力)， l0x = l0y =l=1990mm 选用 2635， A =12.286c , ix = 1.94cm , iy = 3.04cm属于 b 类截面0912.65.4xli属于 b 类截面.03.yi满足长细比： 的要求。15图 9 由于 只需求出 ，查轴心受压构件的稳定系数表，yxxmin 0.538x32220.9.6/15/581.xNNfNmA所选截面合适。竖杆（4）和杆（10）如图 10刚结构课程设计- 12 -N =-41.80kN (压力), l0x =183.2cm l0y =229.0cm 选用 2505， A =9.606 c , ix = 1.53cm , iy = 2.53cm属于 b 类截面0183.29.7155xli属于 b 类截面0yi满足长细比： 的要求。10由于 只需求出 ，查轴心受压构件的稳定系数表，yxxmin 0.439x3224.89./15/6.xNNfNmA所选截面合适。如图 10 竖杆（27 ）如图 11N =0kN (拉力)， l0x =314.1cm l0y =314.1cm 选用 2635， A =12.286 c , i=2.45314.28.5li满足长细比： 的要求。所选截面合适。图 11 中竖杆（27）截面图其余各杆的界面选择计算过程不一一列出，现将计算结果列于表 2 中6. 节点设计重点设计“1” 、 “5”、 “18”、 “13”、 “17”五个典型节点，其余节点设计类同。下弦 5 节点（图 12）刚结构课程设计- 13 -各杆件的内力由表 2 查得：这类节点的设计步骤是：先根据腹杆的内力计算腹杆与节点连接焊缝的尺寸，即 hf 和lw 。然后根据 lw 的大小比例绘出节点板的形状和大小，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。选用 E43 焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值 160N/m，实际所需的fwt焊脚尺寸可由构造确定。 （1） 设杆（8）的肢背和肢尖焊缝分别 hf 为 8mm 和 6mm，所需要的焊缝长度为： 肢背 ，加 2 =16mm 后取 16cm30.7.74.510 6228wwfNl mh fh肢尖 ，加 2 =12mm 后取 10cm3.3 4flf（2）设（5）杆的肢背肢尖焊缝分别 hf 为 8mm 和 6mm，所需要的焊缝长度为：肢背 ，加 2 =16mm 后取 14cm30.7.10.57 12286wwfNl m fh肢尖 ，加 2 =12mm 后取 8cm3.3 9flhf表 2 杆件截面选择表计算长度 cm 回转半径 长细比稳定系数(N/m)杆件杆内力kNlox loy截面形式及角钢规格截面积（c）ix(cm)iy(cm)xyz容许长细比 xy上弦 -964.33 150.8 452.4 短肢相并L18011010 56.75 3.13 8.71 51.94 58.46 150 0.816 208.2下弦 922.53 3000 6000 短肢相并L1409010 44.52 2.56 6.85 117.1 217 350 207（55） -469 253.5 253.5 长肢相并L1409010 44.522 4.47 3.74 56.71 75.32 150 0.718 146.7（8） 374.53 208.6 208.6 L1007 27.592 3.09 4.53 67.51 57.57 350 135.7（5） -310.57 229.5 286.9 L1007 27.592 3.09 4.53 74.3 70.75 150 0.724 155.5（9） 227.39 228.7 285.9 L805 15.824 2.48 3.71 92.22 77.06 350 143.7（11） -173.47 250.3 312.9 L906 21.274 2.79 4.13 89.7 82.50 150 0623130.9斜腹杆（15）109.93 249.5 311.9 L505 9.606 1.53 2.53 167 123.3 350 114.4刚结构课程设计- 14 -杆（4）的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取 。5fhm根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件肢尖应有间隙以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 360m460mm。（16） -71.66 271.6 339.5 L805 15.824 2.48 3.71 109.52 97.69 150 0.496 91.3（18） -450.33270.8 338.5 L635 12.286 1.94 3.04 139.6 114.31 150 0.347 105.6（25）-36.7291.38230.1 452.2 L705 13.75 2.16 3.31 106.5 140.12 150 0.345 77.4（26）-20.97123.22230.1 452.2 L705 13.75 2.16 3.31 106.5 140.12 150 0.345 89.6（24）65.63 166.3 207.9 L505 9.606 1.53 2.53 108.7 82.2 350 68.32（23）99.48 127.6 159.5 L505 9.606 1.53 2.53 83.4 65.94 150 0.665 155.7（1） -20.9 199 199 L635 12.286 1.94 3.04 102.6 65.5 150 0.538 31.6（4） -41.8 183.2 229.0 L505 9.606 1.53 2.53 119.7 92.55 150 0.439 99.1（10）-41.8 207.2 259.0 L635 12.286 1.94 3.04 106.8 89.00 150 0.512 66.8（13） -21.32 231.2 289 L635 12.286 1.94 3.04 119.2 98.48 150 0.441 39.3（20） 30.93255.2 319.0L635 12.286 1.94 3.04 131.5 108.09 160 0.381 66.1竖杆(27) 0 314.1 314.1十字形2L635 12.286 i=2.45 128.2 200 0.345 0刚结构课程设计- 15 -下节点与节点板连接的焊缝长度为 46cm，h f=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差：N626.16kN-249.56kN=376.6kN f 160N/mm2320.756.1075.1/2(42)Nmm焊缝强度满足要求。上弦节点“3” （图 13）杆（8）与节点板的焊缝尺寸和节点“5”相同，杆（8）的肢背和肢尖焊缝分别 hf 为 8mm和 6mm，所需要的焊缝长度为： 肢背 ，加 2 =16mm 后取 16cm30.7.74.510 6228wwfNl mh f肢尖 ，加 2 =12mm 后取 10cm3.3 4flfh杆（55）与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算： ,(5)69.0NK肢背肢尖焊缝分别 hf 为 10mm 和 8mm，所需要的焊缝长度为：肢背 ，加 2 =20mm 后取 16cm30.65.469102727wwfNl m fh肢尖 ，加 2 =16mm 后取 11cm3.3. 8flhf刚结构课程设计- 16 -为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背 8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来（图 13） 。槽焊缝作为两条角焊缝计算，焊缝强度设计之应乘以 0.8 的折减系数。计算时可略去行加上弦坡度的影响，而假定集中荷载 F 与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：f11 0m5h10m22fh节 点 板 厚 度 ，上弦节点与中间节点板间焊缝长度为 470mm。2 2212 2()(/.)(.469)(4180/.).7 79.5/08.1608/f fwfKNFNhl mm上弦肢尖角焊缝的剪应力为 22 2221 2()(/.)(.546910)(480/1.).7 .78.7/08.1608/f fwfhlNNm下弦跨中拼接节点“18”设计（图 16）弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，连接角钢取与下弦杆相同截面 2 ，1409为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，且便于施焊，需要将拼接角钢的尖角削除（如图 14）并截去垂直肢的一部分宽度（一般为 t+hf+5mm） 。拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设焊缝 hf=10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）：刚结构课程设计- 17 -86.5193.4240.710/wKNl mm拼接角钢长度 540mm2193.42mm=387mm下弦与节点板间的焊槽，假定承受节点荷载，验算略。下弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按下弦内力的 15%计算，设肢尖焊缝 hf=10mm，节点板长度为 472mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为 lw=46cm/2-1cm-2m=20cm，焊缝应力为：fN=（0.15866.510 3）/（20.710200mm）=46.62N/mm 2，fM=(0.15866.510365mm5)/(20.710mm2002)=75.4 N/mm2，160kN/mm 222275.4(6./)8.67/1.1fmNm如图： 屋脊节点“17” （图 14）弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，且便于施焊，需要将拼接角钢的尖角削除（如图 14）并截去垂直肢的一部分宽度（一般为 t+hf+5mm） 。拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设焊缝 hf=10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）：9643021571/wNl mm拼接角钢长度 600mm2215.23mm=431mm上弦与节点板间的焊槽，假定承受节点荷载，验算略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的 15%计算，设肢尖焊缝 hf=10mm，节点板长度为 472mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为 lw=47.2cm/2-1cm-2m=20.6cm，焊缝应力为：fN=（0.15964.3310 3）/（20.710206mm）=50.16N/mm 2，fM=(0.15964.3310395mm6)/(20.710mm2062)=69.39N/mm2，160kN/mm 222269.(50.16/)7.84/1.fmNm刚结构课程设计- 18 -中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=47.03KN 此杆内力较小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊缝尺寸 hf=8 mm，焊缝长度 lw50 mm，节点图如下图所示。因桁架的跨度较大，需将桁架分成两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左边的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊接，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊接。腹杆与节点板连接焊缝计算方法与以上几个节点相同。 支座节点 1（如图 15）为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取 160mm。在节点中心线上设置加劲肋。加