1、精選優質文檔-傾情為你奉上鋼結構設計第一節 鋼屋架課程設計任務書 一、設計題目 24m跨鋼屋架設計。 二、設計任務 1材料選擇。 2屋架形式及屋架幾何尺寸的確定。 3屋架及屋蓋支撐的布置。 4屋架的結構設計。 5繪制屋架施工圖。 三、設計資料 西安某廠一車間長度為72m，跨度24m，柱距6 m。內設兩臺205t中級工作制橋式吊車和兩臺5t鍛錘，冬季計算溫度為20C°，設防烈度為8度，近震。屋面采用15×60m大型屋面板，卷材防水屋面（其具體構造已由建筑設計確定），屋面坡度i=110。屋活荷載標準值07kNrn2，雪荷載標準值05kNm2，積灰荷載標準值075kNm2。第二節

2、 鋼屋架設計計算 一、屋架類型 由于車間內部設有M臺5t鍛錘，又具有加熱設備爐。擬采用鋼屋架，鋼筋混凝土柱，混凝土采用 C25（fc= 125Nmm2）。 二、鋼材及焊條 根據該地區的冬季計算溫度和荷載性質，鋼材采用AY3F(甲類頂吹氧氣轉爐3號沸騰鋼)，要求保證抗拉強度，伸長率。屈服強度，冷彎試驗及碳、硫、磷含量合格。屋架連接方法采用焊接，焊條選用E43型，手工焊，根據結構的重要性，焊縫質量要求達到一級標準。 三、屋架形式及幾何尺寸 因屋面采用預應力混凝土大型屋面板，屋面坡屋i=110，故采用梯形屋架。屋架計算跨度取支柱軸線間的距離減去300mm。=2×150=24000300=2

3、3700mm。 屋架端部高度H0=1990mm（H0與屋架中部高度及屋面坡度相關，我國常將H0取為182lm等較整齊的數值，以利多跨屋架時的屋面構造。當屋架與柱剛結時，H0有足夠的大小，亦能較好地傳遞支座彎矩而不使端部弦桿產生過大內力）。 屋架中部高度 H=H0i1990十0.1×=3190mm 屋架的高跨比H=319024000=l75，在經濟范圍（16110）內，為使屋架上弦只受節點荷載，腹桿體系采用節間為3m的人字形式，15×6m屋面板傳來的荷載，正好作用在節點上，使之傳力更好。 屋架跨中起拱50mm（l500）幾何尺寸如圖l所示。圖1圖2GWJ一屋架；SC一水平支撐

4、；LG一系桿；CC垂直支撐 四、支撐布置 根據車間長度72m，屋架跨度=24m荷載情況，以及吊車、鍛錘設置情況，布置三道上、下弦橫向水平支撐，二道縱向水平支撐，垂直支撐和系桿（如圖2）屋脊節點及屋架支座處沿廠房通長設置剛性系桿，屋架下弦沿跨中通長設一道柔性系桿。凡與支撐連接的屋架（兩端和中間共6榀屋架），編號為GWJ2，其它編號均為GWJ1。 五、荷載和內力計算 1荷載計算 屋面活荷載與雪載一般不會同時出現，從前面可知屋面活荷載大于雪荷載，故取屋面活荷載進行計算。 屋架沿水平投影面積分布的自重（包括支撐）按經驗公式pw=（0120011×跨度）計算，跨度單位為m。 永久荷載標準值：三

5、氈四油綠豆砂 035kNm220厚1：3水泥砂漿找平層 002×20=040kNm2泡沫混凝土保溫層80厚 008×6=048kNm2大型屋面板（含灌縫） 140kNm2屋架和支撐自重 0120011×24=038kNm2管道自重 01kNm2 311kNm2可變荷載標準值屋面活載 07kNm2積灰荷載 075kNm2 145kNm2 以上荷載計算中，因屋面坡度較小，風荷載對屋面為吸力，對重屋蓋可不考慮，所以各荷載均按水平投影面積計算。 永久荷載設計值：12×311=373kNm2 可變荷載設計值：14×145=203kNm2 2荷載組合 設計

6、屋架時，應考慮以下三種荷載組合： （1）全跨永久荷載十全跨可變荷載 屋架上弦節點荷載： P=（373203）×15×6=5184kN 支座反力：RA=5184×（12×27）=41472kN =RA（屋架另一端支座） （2）全跨永久荷載十半跨可變荷載 屋架上弦節點荷載：P半=373×15×6=3357kN P半203×15×61827kN （3）全跨屋架與支撐十半跨屋面板十半跨屋面活荷載 全跨屋架和支撐自重產生的節點荷載： P全=12×038×15×6=410kN 作用于半跨的屋面板及

7、活載產生的節點荷載。取屋面可能出現的活載（即不利活載） P全=（12 ×14 l4 ×07）×15×6=2394kN以上（1），（2）為使用階段荷載組合，（3）為施工階段荷載組合。圖3（注）全跨節點作用單位荷載時各桿內力圖解；（b）半跨，節點作用單位荷載時各桿內力圖解 3內力計算 按圖解法，解析法或電算法均可計算屋架各桿件內力。 本設計采用圖解法計算內力。應用圖解法求得單位荷載作用于全跨及半跨各節點的各桿內力，即內力系數，然后可求出當荷載作用于全跨及半跨各節點時的桿件內力，并求出三種荷載組合下的桿件內力，取其中不利內力（正、負最大值）作為設計屋架的依據。

8、具體計算見圖3。屋架各桿件內力組合見表1。全跨永久荷載十全跨可變荷載組合各桿件計算內力圖 由上述計算可見，跨中附近斜腹桿的內力發生變號，是由于考慮了施工階段荷載的不利分布，如果按照正確的施工方法，屋面板采用對稱吊裝，就不會出現桿件內力的變號。 六、桿件截面設計 1上弦 整個上弦不改變截面，按最大內力設計（見內力圖），NkM= 79056kN。 上弦桿計算長度：在屋架平面內，為節間軸線長度= 1508m m；在屋架平面外，根據支撐布置和內力變化情況取=2×1508=3016mm（按大型屋面板與屋架保證三點焊，故取兩塊屋面板寬度）。 因為=2，故截面宜選用兩個不等肢角鋼，短肢相并。 腹桿

9、最大內力N= 45876kN（壓力需穩定計算），查（上一章）表4，節點板厚度選用10mm，支座節點板厚度選用12mm。 （上一章）表4 桁架節點板用度選用表梯形屋架腹桿最大內力或三角形屋架弦桿最大內力（kN）節點板鋼號Q235180190300310490500680690900Q345250260370380550560740750980中間節點板厚度（mm） 6 8 10 12 14支座節點板厚度（mm） 8 10 12 14 16上弦桿截面：（T型軸心受壓構件應計算yz） 設= 6 0，按 3號鋼（Q235），軸心受壓構件屬 b類載面。查附表 44，得=0807。 需要截面積A=4556

10、mm2，需要的回轉半徑： 根據A、ix、iy查附表325，p396頁，選用2L140×90×10，A=44522mm2，ix=256m iy677mm。 按所選角鋼進行驗算： （滿足要求） 由于x>y，只需求x，查附表44得，x=0813 所選截面合適，如 圖4所示。 墊板每個節間設一塊。 2下弦 整個下弦也不改變截面，按最大內力NDE=78797kN設計（拉力不需穩定計算）。按下弦支撐布置情況：=3000mm，=6000mm計算所需下弦截面凈面積： 根據A 查附表325, 選用2L125×80×10（短肢相并），A=39424mm2，ix=226

11、mm，iy=611mm，截面如圖5所示。圖4 圖5 驗算：如果連接支撐的螺栓孔中心至節點板邊緣距離不小于100mm，螺栓孔對下弦截面的削弱可不考慮，所以An=A。 （滿足要求）每個節間設一塊墊板。 3、端斜桿AG（T型軸心受壓構件應計算yz） NAG= 45878kN，= 2535mm。查附表325,節點板厚度選用10mm，如選用 2L125×80×8，長肢相并，則 A=31978mm2，ix=401mm，iy327mm。驗算， 由于y>x，只需求y，查附表44有min=y=0704 滿足要求，截面如圖6所示。 圖6 圖7 4斜腹桿GB NGB= 3577kN，拉桿，

12、幾何長度，為=2608mm，=08·=08×2608=20864mm，=2608mm。 所需截面面積： 查附表324（等邊角鋼組合表）,節點板厚度選用10mm，選用2 L80×6，則A=1880mm2，ix=247mm，iy=365mm驗算： 滿足要求，截面如圖7所示。5豎桿AF、BH、CJ、DL、EN（T型軸心受壓構件應計算yz） NAF=NBH=NCJ=NPL=NEN= 5184kN，其內力大小相同，選用長細比較大的豎桿進行設計，則可保證其他豎桿的安全可靠性。NDL= 5184kN，=08=08×2890=2312mm，=2890mm。內力較小，按各

13、桿允許長細比而150選擇角鋼，所需回轉半徑為: 根據A、ix、iy查附表324，節點板厚度選用10mm，選用2L56×5，則 A1083mm2，ix172mm，iy269rnm 滿足要求。 根據布置螺栓的要求，端豎桿及中間豎桿最小應當選用2L63×5的角鋼，采用十字形截面，由附表324知， A=1229mm2，iox=245mm，因十字形截面x0主軸與桁架平面斜交，故計算長度= 09 端豎桿AF：= 09=09×1990=1791mm 查附表 44有：x=0749 中間豎桿EN：= 09=09×3190=2871mm 由2L63×5組成的十字形

14、截面，iox=245mmis=1914mm，滿足要求，截面如圖8所示。（軸心受壓構件穩定計算？）圖8 圖9 6斜腹桿BI NBI= 28512kN，=08=08×2869=22952，=2869 mm 查附表324，如選用2L90×6，則A=2127mm2，ix=279mm，iy=405mm 驗算： “ 查附表44有：min=x=0669 滿足要求，截面如圖9所示。 7斜腹桿IC NIC19233kN，0808×285922872mm，2859mm 選用2 L63×5，A=1229mm2，ix=194mm，iy=297mm 驗算： 滿足要求。 8斜腹桿C

15、K Nck1296kN，0808×312925032mm，=3129mm， 選用 2L75×5，則 A=1473mm2，ix=233mm，iy=345mm 驗算： 查附表4一4得min=x=0508 滿足要求。 9斜腹桿 KD、DM、ME ，NME= 7918kN，三桿可以選擇內力較大桿件進行計算。67kN較大，按67kN選截面積。 08 08 ×311924952mm，3119mm 選用 2 L63×5，A=1229mm2，ix=194mm，iy=297mm 驗算： 滿足要求按N=NME= 7918kN驗算： 0808 ×33852708mm

16、，3385mm 選用 2L63×5，則 A=1229mm2，ix=194mm，iy=297mm 驗算： 查附表44得min=x=0392 滿足要求。各桿件選用見表 2屋架桿件一覽表 表42七、節點設計1下弦節點B 各桿的內力由計算表 1查得 這類節點的設計步驟是：先根據腹桿的內力計算腹桿與節點板連接焊縫的尺寸，即hf和，然后根據的大小按比例繪出節點板的形狀和大小，最后驗算下弦桿與節點板的連接焊縫。 用E43焊條時，角焊縫的抗拉、拉壓和抗剪強度設計值=160Nmm2。設BG桿的肢背和肢尖焊縫hf=6mm和5mm，所需焊縫長度由式（819）為： 肢背（K1查表81） 肢尖（K2查表81）

17、 肢背=，取=220mm 肢尖=，取=120mm 設BI桿的肢背與肢尖的焊縫hf分別為6mm和5mm 肢背=，取=180mm 肢尖=，取=100mm BH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，并考慮桿件之間應有的間隙以及制作、裝配等誤差，按比例作出節點詳圖（見圖10），從而確定節點板尺寸為360×410mm。 圖10 B節點 下弦與節點板連接的焊縫長度為410mm，hf=5mm，焊縫所受的力為左右下弦桿的內力差N=59616（AB桿力）24365（BC桿力）=35251kN=N（焊縫受軸力），受力較大的肢背處焊縫應力為 f= 焊縫強度滿足要求。 2

18、上弦節點 GB桿與節點板的焊縫尺寸和節點B相同，AG桿與節點板的焊縫尺寸按上述方法計算。 NAG45878kN肢背：hf=10mm，= 實際取=160mm肢尖：hf=6mm，= 實際取=140mm圖11G節點 為了便于擱置屋面板，上弦節點板的上邊緣縮進上弦肢背8mm，上弦角鋼與節點板間用槽焊連接，計算時可略去屋架上弦坡度的影響，認為集中力P與上弦垂直。P=5184kN，hf=5mm。根據斜桿焊縫長度確定節點板尺寸，置得節點板長度440mm（見圖11）焊縫計算長度=44010=430mm，設上側焊縫負擔垂直焊縫的全部力（見例92），則肢背焊縫應力為： 122×160=1952Nmm2肢

19、尖焊縫承受弦桿內力差N及偏心力彎距M。N=NGHNGF=4510kN 偏心距e=90212=688mm（查附表35得L140×90×10的x0=212mm） 偏心力距M=N·e=4510×103×688=310×107N·mm，采用hf=8mm則 f=N2he=4510×1032×07×8×430=936Nmm2 3屋脊節點N 弦桿一般都采用同號角鋼進行拼接，為使拼接角鋼與弦桿之間能夠密合，且便于施焊，需將拼接角鋼的尖角削除，并截去垂直肢的一部分寬度（一般為thf5mm）。拼接角鋼的部

20、分削弱，可以借助節點板來補償。接頭一邊的焊縫長度按弦桿內力計算。 設焊縫高度hf=8mm，則所需焊縫計算長度為： ，取=230mm。 拼接角鋼長度取 500mm2×230=460mm上弦與節點板間的槽焊，假定承受節點荷載，驗算略（可用公式計算焊縫長度，宜將 乘 以08）。上弦肢尖與節點板的連接焊縫，應按上弦內力的15計算。設肢尖焊縫hf=8mm，節點板長度為430mm（見下圖），節點一側弦桿焊縫的計算長度為=5（弦桿端頭的間隙）10=200mm，焊縫應力為： 圖12 屋脊節點N4下弦跨中節點設計 跨中起拱50mm，下弦接頭設于跨中節點處，連接角鋼取與下弦桿相同截面2L125×

21、;80×10，焊縫高度hf=8mm，焊縫長度，取=230mm連接角鋼長度=2×23010=470mm，取=480mm。 肢尖切去=thf+5=1085=23mm，截面削弱A=23×10=230mm2。 (滿足要求) 下弦桿與節點板，斜桿與節點板之間的連接焊縫均按構造設計。 因屋架的跨中高度較大，需將屋架分成兩個運輸單元，在屋脊和下弦跨中設置工地拼接節點，左半邊的上弦、斜桿和豎桿與節點連接采用工廠焊，而右半邊的上弦，斜桿與節點板的連接采用工地焊。 腹桿與節點板連接焊縫的計算方法與以上幾個節點相同。圖13 節點E（以上各個節點板缺節點板強度、穩定驗算，及具體尺寸） 5

22、支座節點 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。加勁助取460×80×10mm，節點板取460×380×12mm的鋼板。 （1）支座底板的計算。 支座反力R=5184×17=41472kN 按構造要求采用底板面積為 a×b=280×340mm2，若僅考慮加勁助部分底板承受支座反力R，則承壓面積為280×（2×8012）=48160mm2 驗算柱頂混凝土的抗壓強度。 <fc=125N/mm2 （滿足） 底板的厚度按屋架反力作用下的彎距計算，節點板

23、和加勁肋將底板分成四塊，每塊板為兩相鄰邊支承，而另兩相鄰邊自由的板，每塊板單位寬度的最大彎距為：M··a12式中，底板下的平均應力，=861Nmm2； a1兩支承邊之間的對角線長度 a1= 系數由b1a1決定。 b1a1=713715692=043，查得=00452 表6 值表b1/a10.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.10 1.2 1.40.026 0.042 0.058 0.072 0.085 0.092 0.104 0.111 0.120 0.125故M=a12 =00452×861×156922=95829N·

24、mm 底板厚t，取t=20 mm （2）加勁肋與節點板的連接焊縫計算 加勁肋高度取與支座節點板相同，厚度取與中間節點板相同（即80×10×460），一個加勁肋的連接焊縫所承受的內力為四分之一的支反力： M=V·e10368×103×505184×106N·mm 設焊縫hf=6mm，焊縫計算長度=4601015=435mm，則焊縫應力為： f=V2he =10368×1032×07×6×435=2837Nmm2（3）節點板，加勁肋與底板的連接焊縫。 設焊縫傳遞全部支座反力R=41472k

25、N，其中每塊加勁助各傳R=10368kN，節點板傳遞R=20736kN。 節點板與底板的連接焊縫長度 =2×（30010）=580mm，所需焊腳尺寸為，取hf=6mm 每塊加勁肋與底板的連接焊縫長度為 （10015-10）×2150mm 所需焊縫尺寸為，取hf=8mm其它節點設計方法與上述方法類似，此處從略。具體見屋架施工圖；屋架的施工圖如圖14所示。第三節 鋼屋架設計中應注意的問題 鋼屋架一般由角鋼作為弦桿和腹桿，以鋼板作為連接各桿的節點板，用焊接加以結合組成的鋼結構。可以跨越很大的空間，強度高，在豎向平面內剛度大，受力性能好，構造簡單，施工方便，輕，廣泛應用于工業與民用

26、建筑的屋蓋結構中。但由于鋼材易于銹蝕，往往需要一定的維修費用。 在鋼屋架的結構設計中，應當注意以下幾點。 一、屋架的形式 屋架的外形主要有三角形，梯形和平行弦屋架三種。在確定屋架外形時應當考慮房屋的用途，建筑造型和屋面排水的要求。從受力角度出發，屋架外形應當考慮在制造簡單條件下，盡量與梁的彎距圖相近，以便弦桿（上、下弦桿）全長受力接近，腹桿受力較小。腹桿的布置應使桿件受力合理，節點構造易于處理尺量使長桿受拉，短桿受命腹桿數量少而總長度短。弦桿不產生局部彎矩，腹桿與弦桿的交角宜在35°55°之間，最好在45°左右。要同時滿足上述要求是很困難的，應當根據具體情況，全面

27、考慮，確定合理的屋架形式。 梯形屋架的外形與彎矩圖比較接近，受力較三角形屋架要好，且腹桿較短，屋面坡度小，采用柔性防水屋面，卷材不易滑移，所以，是一種較好形式的屋架。可作成有檁屋蓋和無檁屋蓋。如屋蓋采用大型屋面板的無檁體系時，其上弦節點，應當與屋面板寬配合，使屋面板的荷載作用在屋架上弦節點上，使上弦桿不致產生局部彎矩。如果上弦節點間長度過大，可用再分式腹桿，使屋面板荷載直接傳到節點上。 梯形屋架與柱的連接，可以鉸接，也可以剛接。 二、屋蓋的支撐體系 屋架是屋蓋結構中最主要的承重構件。雖然屋架之間有檁條或屋面板聯系，但仍然是一不穩定的空間體系。通過合理設置支撐，將屋蓋變成幾何不變體系；支撐還可保

28、證屋蓋的剛度和空間的整體性，以減少屋蓋在水平力作用下的變形；支撐為屋架弦桿提供了側向支點，以減少桿的計算長度，使受壓桿保證側向的穩定，使受拉桿具有足夠的剛度；支撐還能傳遞水平荷載；并能保證屋架在施工安裝時的穩定與方便。所以屋蓋支撐體系是屋蓋結構中必不可少的組成部分。 根據支承設置的位置，屋蓋支撐可分為； 1上弦橫向水平支撐； 2下弦橫向水平支撐； 3縱向水平支撐； 4垂直支撐； 5系桿。 關于屋蓋支撐如何布置，請參閱鋼結構教材，或各種鋼結構設計手冊。 三、荷載組合 對屋架的作用荷載，既有永久荷載，也有可變荷載。其中可變荷載可能這樣也可能那樣作用于屋架。所以屋架的內力應根據使用和施工階段可能出現

29、的最不利荷載組合計算。一般考慮以下三種組合。 1永久荷載十可變荷載； 2永久荷載十半跨可變荷載； 3屋架，支撐和天窗架自重十半跨屋面板重十半跨屋面板活荷載。 在梯形屋架中，屋架的上、下弦桿和靠近支座處的腹桿，常按第一種荷載組合計算；而跨中附近的腹桿，在第二、三種荷載組合作用下，可能內力最大，而且可能變號。如果在屋面施工安裝時，在屋架兩側對稱均勻的鋪設屋面板，側第三種組合可以不考慮。 四、桿件的計算長度 在理想的鉸接屋架中，桿件的計算長度在屋架平面內指的是節點中心間的距離。但實際上屋架各桿件是通過節點板焊接在一起的，節點本身具有一定的剛度；節點還受到拉桿的約束作用，故屋架節點不是真正的絞接，而是介于剛接與絞接之間的彈性嵌固節點。節點處拉桿越多，約束作用越強，壓桿的計算長度越小。弦桿、支座堅桿因內力較大，截面亦大，其它桿件對它的約束作用小，同時考慮到這些桿件在屋架中比較重要，所以這些桿在屋架平面內的計算長度取節點間的軸線長度，即=；其它的受壓腹桿考慮到節點處受其它受拉桿件的約束作用，計算長度=08（指定節點間軸線長度）。 屋架弦桿在平面外的計算長度，等于橫向支撐間的距離。在無橫向支撐的開間，則由縱向系桿作為支承點。系桿間的距離與橫向支撐節點間的距離相同，因此，弦桿平面外的計算長度取支撐節點間或系桿之間的距離。腹桿在平面外的計算長度等于桿兩端節點間的距離。 五、桿件的截面形式 普通鋼