1、課程設計名稱梯形鋼屋架設計二、課程設計資料北京地區某金工車間，采用無楝屋蓋體系，梯形鋼屋架。跨度為 27m柱 距6nl廠房高度為15.7m,長度為156m車間內設有兩臺200/50kN中級工作 制吊車，計算溫度高于-20 C。采用三氈四油，上鋪小石子防水屋面，水泥砂 漿找平層，厚泡沫混凝土保溫層，1.5mx 6m預應力混凝土大型屋面板。屋面 積灰荷載為0.4kN/ itf,屋面活荷載為0.4kN/ itf,雪荷載為0.4kN/ itf,風荷載 為0.45 kN/itf。屋架較支在鋼筋混凝土柱上，柱截面為 400m忻400mm混凝 土標號為C2Q設計荷載標準值見表1 （單位：kN/itf）。表1

2、防水層找平層保溫層找平層混凝土屋面板0.40.40.10.51.4三、鋼材和焊條的選用根據北京地區的計算溫度、荷載性質和連接方法，屋架剛材采用Q235沸騰鋼，要求保證屈服強度fy、抗拉強度fu、伸長率5和冷彎實驗四項機械性 能及硫（S）、磷（P）、碳（C）三項化學成分的合格含量。焊條采用 E43型， 手工焊。四、屋架形式和幾何尺寸屋面材料為預應力混凝土大型屋面板，采用無楝屋蓋體系，平坡梯形鋼屋架。屋面坡度i = 1/10。屋架計算跨度 lo = l 一 2 150 = 27000 - 2 150 = 26700mm。屋架端部高度取：H0 = 2000mm。跨中高度：H = H。卜 i = 20

3、00 26700/2 0.1 = 3335 3350mm。2屋架高跨比：H =坐0 =。1026700 8.0屋架跨中起拱f = 1/500 = 54mm,取50 mm為了使屋架節點受荷，配合屋面板1.5m寬，腹桿體系大部分采用下弦節間 水平尺寸為3.0m的人字形式，上弦節間水平尺寸為1.5m,屋架幾何尺寸如圖五、屋蓋支撐布置根據車間長度、跨度及荷載情況，在車間兩端5.5m開間內布置上下弦橫向水平支撐，在設置橫向水平支撐的同一開間的屋架兩端及跨中布置三道豎向 支撐，中間各個屋架用系桿聯系，在屋架兩端和中央的上、下弦設三道通長系 桿，其中：上弦屋脊節點處及屋架支座出的系桿為剛性系桿（圖 2）,安

4、裝螺栓采用C級，螺桿直徑：d=20mm螺孔直徑：d0=21.5mmK； , i11 1 -'itCC1 0G1GG1CCS GG2LG2GG1GG11vM .GG1GG1GGE CC4 GG2XXLG2LG2GG1GG1CC1GG2 CC2LG2K5=Mt«E-2CC-（垂直支撐）;符號說明：GWJ-（ffiW）; SC-（上弦支撐）：XC-（下弓ti#）； GG-（剛性系桿）；LG-（柔性系桿）六、荷載計算屋面活荷載與雪荷載不會同時出現，計算時，取較大的荷載標準值進行計 算。故取屋面活荷載0.4kN/ m2進行計算。屋架沿水平投影面積分布的自重（包 括支撐）按經驗公式g =

5、 （0.12 + 0.011L）kN/m2計算，跨度L單位為m,荷載計 算結果見表1。表1荷載計算表荷載名稱 2標準彳t ( kN/ m )、一一 ，一2設計值（kN/ m ）預應力混凝土大型屋囿板1.41.4 X 1.2 = 1.68三氈四油上鋪小石子防水層0.40.4 X 1.2 = 0.48水泥砂漿找平層0.40.4 X 1.2 = 0.48厚泡沫混凝土保溫層0.10.1 X 1.2 = 0.12找平層0.50.5 X1.2= 0.6屋架和支撐自重0.12+0.011 X 27=0.4170.417X1.2= 0.50永久何載總和3.2173.86屋血活何載0.40.4 X 1.4 =

6、0.56積灰布載0.40.4 X 1.4 = 0.56口受柿載總和0.81.12設計屋架時應考慮以下三種荷載組合情況:6.1, 全跨永久荷載+全跨可變荷載全跨節點永久荷載及可變荷載：F= （3.86 1.12） 1.5 6= 44.82kN6.2, 全跨永久荷載+半跨可變荷載全跨節點永久荷載：Fi = 3.86 2.5 6 = 34.74kN半跨節點可變荷載：F2 = 1,12 1.5 6 = 10.08kN6.3, 全跨屋架（包寸§支撐）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載：全跨節點屋架自重：F3 = 0,50 1.5 6 = 4.5kN半跨節點屋面板自重及活荷載：F4 = 1.6

7、8 0.56 1.5 6 = 10.5kN6.1、6.2為使用節點荷載情況，6.3為施工階段荷載情況。七、內力計算由圖解法或數解法解得F= 1的屋架各桿件的內力系數4=1作用于全跨、 左半跨和右半跨）。然后求出各種荷載情況下的內力進行組合，計算結果見表2。表2屋架桿件內力組合表桿件名 稱內力系數（F=1）內力組合值計算桿 內力 （kN）全跨左半跨 右半跨 第一種 組合FX第二種組合第三種組合RX+ F2XRX+ F2XF3X+ F4 XF3X+ F4X 上 弦AB000000000.0BC-9.97-7.19-2.79-446.9-418.8-374.5-120.4-74.2-446.9CD-

8、9.97-7.19-2.79-446.9-418.8-374.5-120.4-74.2-446.9DE-15.8-10.75-5.06-708.2-657.3-599.9-184.0-124.2-708.2EF-16.38-11.33-5.06-734.2-683.2-620.0-192.7-126.8-734.2FG-16.38-11.33-5.06-734.2-683.2-620.0-192.7-126.8-734.2GH-18.67-11.05-7.62-836.8-760.0-725.4-200.0-164.0-836.8HI-19.17-11.05-7.62-859.2-777.3-

9、742.8-202.3-166.3-859.2IJ-19.17-11.54-7.62-859.2-782.3-742.8-207.4-166.3-859.2下 弦ab5.363.961.41240.2226.1200.465.738.9240.2bc13.319.343.97596.6556.5502.4158.0101.6596.6cd18.2411.426.82817.5748.8702.4202.0153.7817.5de17.818.98.9798.2708.4708.4173.6173.6798.2斜 腹 桿aB-10.05-7.42-2.63-450.4-423.9-375.6-1

10、23.1-72.8-450.4Bb7.955.572.38356.3332.3300.294.360.8356.3bD-6.47-4.18-2.29-290.0-266.9-247.9-73.0-53.2-290Dc4.612.592.02206.6186.3180.547.942.0206.6cf-3.5-1.01-2.49-156.9-131.8-146.7-26.4-41.9-156.9fG-2.69-0.21-2.49-120.6-95.6-118.5-14.3-38.3-120.6Ef0.730.73032.732.725.411.03.332.7Gd0.72-0.931.6632.

11、315.641.7-6.520.7-6.541.7dg1.153.13-1.9751.571.520.138.0-15.5-15.571.5gJ1.893.87-1.9784.7104.745.849.1-12.2-12.2104.7Hg0.670.67030.030.023.310.13.030豎桿Aa-0.5-0.50-22.4-22.4-17.4-7.5-2.3-22.4Cb-1-10-44.8-44.8-34.7-15.0-4.5-44.8Ec-1.5-1.50-67.2-67.2-52.1-22.5-6.8-67.2Ff-1-10-44.8-44.8-34.7-15.0-4.5-44

12、.8Hd-1.5-1.50-67.2-67.2-52.1-22.5-6.8-67.2Ig-1-10-44.8-44.8-34.7-15.0-4.5-44.8Je000000000八、桿件設計8.1上弦桿整個上弦采用等截面，按HI、IJ桿件的最大設計內力設計N= -859.2kN上弦桿計算長度：在屋架平面內：為節間軸線長度iox =lo= 1508mm在屋架平面外：本屋架為無楝體系，并且認為大型屋面板只起到剛性系桿作用，根據支撐布置和內力變化情況，取10y為支撐點間的距離，即10y = 1507 2 1508= 4522mm根據屋架平面外上弦桿的計算長度，上弦截面選用兩個不等肢角鋼，短肢相并腹桿

13、最大內力N= -450.4kN,查表得,中間節點板厚度選用12mm支座節點板厚度選用 14mm設九二60 ,查Q235鋼的穩定系數表,可得平=0.807 （由雙角鋼組成的T型和十字形截面均屬于b類），則需要的截面積:一 -3A ;n二場2 10 - 4952.0mm2f 0.807 215需要的回轉半徑：ix =應=儂8 = 25.1仃1仃1孔='=4522= 75 4mm60-60-根據需要A、ix、iy查角鋼規格表，選用2L160X 100X 10,肢背間距a=12mm則A=50.6cm2, ix = 2.85cm, iy= 7.78cm按所選角鋼進行驗算:_ l ox x -ix

14、150828.5=52.9,l oyy 二i y452277.858.1滿足長細比 EJ= 150的要求。由于兒y限，只需求中y,查表Cpy =0.818,則3859.2 10yA 0.818 5060MPa = 207.6MPa 215MPa所選截面合適，上弦截面如圖所示:1_. +_ +圖7:上弦截面8.2下弦桿整個下弦桿采用同一截面，按最大內力所在的cd桿計算N=817.5kNlox = 4500mm, 10y = I0 = 26700/2 = 13350mm所需截面積為（因E§中有通長系桿）：N 817.5 10322A = 7 = -215- = 3802.3mm = 38

15、.02cm選用2L160X 10OX 10,因loy”l°x,故用不等肢角鋼，短肢相并。A= 50.6cm2，ix = 2.85cm，iy = 7.78cm乜=450 = 157.9 : 350 ,ix 2.85l oy71335 = 171.6 3507.78O"8175005060= 161.6MPa< 215MPa,所以滿足要求下弦截面如圖:圖8.下弦截面8.3斜桿按端斜桿aB最大設計內力設計。桿件軸力：N = -450.4kN計算長度：lox = loy = 2530mm因為lox=loy，故采用等肢角鋼，使ix劃iy。選用2L100X 10。則:A= 38.

16、52cm2, ix = 3.05cm , iy = 4.60cm x由于，丫xA端斜桿截面如圖:l oxIx遜= 83.0 一 y30.5只需求cpx。查表甲x = 0.668,則:l oy2530=55.046.0450400= 175.0MPa < 215MPa，故所選截面合適。0.668 3852T-二 2 |_100米 10圖9.端斜桿截面8.4腹桿腹桿cf-fG在f節點處不斷開，采用通長桿件。Ncf = -156.9kN，Ng = -120.6kN再分式桁架中的斜腹桿，在桁架平面內的計算長度取節點中心間距lox = 2087mm，在桁架平面外的計算長度:搟: 39326mm5.

17、00cml°y= 1i(0.75 0.25Np = 4174 (0.75 0.25選用2L110X 10,查角鋼規格表得A= 45.52 cm2, ix = 3.38cm,l ox也= 115.9<150,大 y 19.4l oy3932.678.65 15050.0由于.y< Zx,只需求甲x。查表甲x = 0.458,則:156900= 72.3MPa 215MPayA 0.458 4552再分腹桿截面如圖:圖9:再分腹桿截面8.5豎桿HdN = -67.2kN ,lox = 0.8l = 0.8父 3050= 2440mm, loy = 3050mm由于桿件內力較小

18、,按九=九=150選擇，需要的回轉半徑為ixl ox2440 = 16.3mm, iy ="1503050=20.3mm 150選用2L63X5,其幾何特性為:=3.04cm查型鋼表，選截面的ix和iy較上述計算的ix和iy略大些A= 12.29cm2, ix = 1.94cm, iyl ox2440 =125.8 150, yl oyix19.43050 =100.3 15030.4只需求cpx。查表中x = 0.406,貝h67200 = 134.7MPa 215MPaxA0.406 1229豎桿截面如圖:圖10：豎桿截面其余各桿件的截面選擇結果見表3屋架桿件截面選擇表名稱桿件

19、編R內力/kN計算長度/cm截面規格截回卸積/ cm2回轉半徑/cm長細比容許長細比捫穩定系數中計算應力為a2(N mm )Iox10yixiyX. xAy邛X中y上弦HI、IJ-859.2150.8452.2160X 100X 1050.62.857.7852.958.11500.818207.6下弦cd817.54501335160X 100X 1050.62.857.78157.9171.63500.246161.6腹桿aB-450.4253253100X 1038.523.054.6083.055.01500.668175.0Bb356.3262.2262.2100X 1038.523

20、.054.6085.957.01500.648142.7bD-290287.3287.3100X 1038.523.054.6094.262.51500.594126.7Dc206.6287.3287.3100X 1038.523.054.6094.262.51500.59490.3cf-156.9208.7393.3110X 1045.523.385.00115.978.651500.45872.3fG-120.6208.7393.3110X 1045.523.385.00115.978.651500.45857.85Ef32.718918963X512.291.943.0497.462.2

21、1500.57546.3Gd-6.541.7326.5326.563X512.291.943.04168.3107.41500.254133.6dg-15.571.5224.9425.963X512.291.943.04115.9140.11500.34185.2gJ-12.2104.7224.9425.963X512.291.943.04115.9140.11500.34185.2Hg30203.5203.563X512.291.943.04104.966.91500.52346.67豎 桿Aa-22.4161.2201.563X512.291.943.0483.166.31500.6682

22、7.3Cb-44.818423063X512.291.943.0494.875.71500.58862.0Ec-67.220826063X512.291.943.04107.285.51500.511107.0Ff-44.810413063X512.291.943.0453.642.81500.83843.5Hd-67.224430563X512.291.943.04125.8100.31500.406134.7ig-44.8122152.563X512.291.943.0462.950.21500.79146.1九、 節點設計采用E43焊條時，角焊縫的抗拉、抗壓和抗剪強度設計值f：= 160

23、Mpa9.1下弦節點“ b”設bB桿的肢背和肢尖焊縫hf =8mm和6mm,所需焊縫長度為:3肢背 11 : 11 =_KN_ + 2hf2 0.7hf1ff0.65 356.3 102 8 = 145.23mm2 0.7 8 160肢尖l2： l2K2Nw2 0.7hf2 f f2hf0.35 356.3 1032 0.7 6 1602 6= 104.79mm取1i = 160mm L = 120mm設bD桿的肢背和肢尖焊縫 hf = 8mm和6mm,所需焊縫長度為:肢背1i :1iK1Nw2 0.7hf1 f f2hf30.65 290 10-22 0.7 8 1608 = 121.19m

24、m肢尖 12： 12 = K2Nw + 2hf2 0.7hf2ff_ _ _30.35 290 102 0.7 6 1602 6= 87.52mm取 11=130mm 12 = 90mmbC桿的內力很小，焊縫尺寸可按構造確定，取 hf =5mm根據以上求得的焊縫長度，并考慮桿件之間的間隙以及制作、裝配等誤差，按比例作出節點詳圖（見圖11）,從而確定節點板的尺寸為280X340mm下弦與節點板連接到焊縫長度為340mm hf =5mm,焊縫承受節點左、右弦桿的內力差 N = N）c-Nab= 596.6-240.2 =356.4kN。驗算肢背焊縫的強度:2 0.7hf1w30.65 356.4

25、102 0.7 5 340- 2 5=100.3N / mm 160mm圖11:下弦節點“ b”9.2上弦節點" B'斜中f Bb與節點板連接焊縫計算，與下弦節點b中Bb桿計算相同。斜桿Ba與節點板連接焊縫計算：N=-450.4kNo設“aB桿的肢背與肢尖的焊腳尺寸分別為10m滸口 6mm所需焊縫長度為 3KiN0.65 450.4 10肢目 11 ： I1 =-+ 2hf = + 2父 10= 150.70mm2 0.7hf1 f f2 0.7 10 1603K2N0.35 450.4 10肢尖 l2： l2 = 2hf = 2 6 = 129.29mm2 0.7hf2ff

26、2 0.7 6 160取1i = 180mm L = 150mm ) 0為了便于在上弦上擱置大型屋面板，上弦節點板的上邊緣可縮進上弦肢背8mm用槽焊縫將上弦角鋼和節點板連接起來。槽焊縫作為兩條角焊縫計算，槽焊縫強度設計值乘以0.8的折減系數。計算時可略去屋架上弦坡度的影響，而假定集中荷載P與上弦垂直。上弦肢背槽焊縫內的應力由下面計算得到：1 1hf1 = 父下點板厚頭度 = M12 = 6mm, hf2 =6mm。2 2肢尖焊縫承擔弦桿內力N=446.9kN,肢背采用塞焊縫，承受節點荷載F=44.*N。上弦與節點板間焊縫長度為460mm則0.65 4469002 0.7 6 (460 -12)

27、=77.2MPa448002 0.7 6 (460 -12)=11.9MPa二 f11.9 22()77.2 = 77.8MPa 160MPa1.22節點如圖:圖12:上弦節點“ B”9.3屋脊節點“ J”弦桿一般用與上弦桿同號角鋼進行拼接，為使拼接角鋼與弦桿之間能夠密合，并便于 施焊，需將拼接角鋼進行切肢、切棱。拼接角鋼的這部分削弱可以靠節點板來補償。拼接 一側的焊縫長度可按弦桿內力計算。N=-859.2kN0設肢尖、肢背焊腳尺寸為 10mm則需焊縫長度為Iw = 一859200 + 10= 249.7mm，取 lw = 260mm4 0.7 8 160拼接角鋼長度取600>2X260

28、=520mm上弦與節點板間的槽焊，假定承受節點荷載，驗算略。上弦肢尖與節點板的連接焊縫應按上弦內力的15%+算。設月J尖焊縫hf =l0mm,節點板長度為500mm節點一側弦桿焊縫的計算長度為lw= (500/2-10-20) = 220mm。焊縫應力為:n 0.15 859200f 二二 41.8MPaf 2 0.7 10 220二 Mf6 0.15 859200 78.12- = 89.1MPa 160MPa2 0.7 10 220一 ：1-11.9 2J(-PT)(石)+ 4182 = 84.1MPa<160MPa節點形式如圖：圖12:屋脊節點“ J”9.4 下弦跨中節點“ e”跨

29、中起拱50mmF弦接頭設于跨中節點處，連接角鋼取與下弓g桿相同截面2L160X 100X 1。，hf =8mm ,焊縫長度：lw =N + 16= 798200 + 16= 222.7mm,取lw=300mm。4 0.7 hf ff4 0.7 8 160拼接角鋼長度l =2父300+ 10= 610mm。弦桿與節點板連接焊縫計算：按下弦桿內力的15%計算。N = 798.2父15% = 119.7kN設肢背、肢尖焊腳尺寸為8mm,弦桿一側需焊縫長度為3肢背：lw1 = 0.65父119.7父10 +12 = 69.9mm,取 lw1=90mm2 0.7 6 1603肢尖lw2 = 0.35*1

30、19.7><10 +12 = 43 2mm,按構造要求，取焊縫長度lw2之50mm, 2 0.7 6 160取 lw2 =60mm節點板寬度是由連接豎桿的構造要求所決定的，按比例繪出節點詳圖，從而確定節點板尺寸。.0.65 798200=105.0MPa f；= 160MPa2M 0.7父6x (600 12)焊縫強度滿足要求。節點形式如圖：圖13:下弦跨中節點“ e”9.5 端部支座節點“ a”為了便于施焊，下弦桿角鋼水平肢的底面與支座底板的凈距離取160mm在節點中心線上設置加勁肋，加勁肋的高度與節點板的高度相等，厚度14mm(1)支座底板的計算支座反力:R=44820N設支座

31、底板的平面尺寸采用280mmM 400mm,如僅考慮有加勁肋部分的底板承受支座反力，則承壓面積為280 x 234 = 65520mm2 o驗算柱頂混凝土的抗壓強度:C = = 477810 = 7.29MPa 二 fc = 9.6MPaAn 65520式中:fc混凝土強度設計值，對C20混凝土，fc=9.6MPa。支座底板的厚度按屋架反力作用下的彎矩計算，節點板和加勁肋將底板分為四塊，每 塊板為兩相鄰邊支承而另兩相鄰邊自由的板，每塊板的單位寬度的最大彎矩為:式中：仃一底板下的平均應力，即 仃=8.49 MPa。a2 兩邊支承之間的對角線長度，即 氏=J(140-14)2 +1102 =172.6mm盟一系數，由b2/a2查表確定。b2為兩邊支承的相交點到對角線a2的垂直距離。由此得：u 110 133b284.8b2 = = 84.8mm, = = 0.49172.6a2 172.6查表得B2 = 0.0546。則單