土木工程梯形钢屋架课程设计

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1、单层工业厂房屋盖结构梯形钢屋架设计1.设计资料：11由设计任务书的已知条件：某地一机械加工车间，长102m，跨度30m，柱距 6m，车间内设有两台40/10T中级工作制桥式吊车，轨顶标高18.5m，柱顶标高27m，地震设计烈度7度。采用梯形钢屋架，封闭结合，1.56m预应力钢筋混凝土大型屋面板（1.4），上铺100mm厚泡沫混凝土保温层（容重为1），三毡四油（上铺绿豆砂）防水层（0.4），找平层2cm厚（0.3），卷材屋面，屋面坡度i=1/10，屋架简支与钢筋混凝土柱上，混凝土强度等级C20，上柱截面400400mm。钢筋选用Q235B，焊条采用E43型。屋面活荷载标准值0.7，积灰荷载标准值

2、0.6，雪荷载为：0.35，风荷载为：0.45。1.2屋架计算跨度：1.3跨中及端部高度：本题设计为无檩屋盖方案，采用平坡梯形屋架，取屋架在30m轴线处的端部高度，屋架的中间高度：（为），则屋架在29.7处，两端的高度为。屋架跨中起拱按考虑，取60mm。2.结构形式与布置：屋架形式及几何尺寸如图所示：图1.梯形钢屋架形式和几何尺寸 根据厂房长度（102m60m）、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间，该水平支撑的规格与中间柱间支撑的规格有所不同。在所有柱间的上弦平面设置了刚性与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平面的

3、跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载。在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端各设一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置如图下图所示：图2.桁架上弦支撑布置图桁图3.架下弦支撑布置图图4.垂直支撑1-1图5.垂直支撑2-2SC-上弦支撑；XC-下弦支撑；CC-垂直支撑；GC-刚性系杆；LG-柔性系杆3.荷载计算屋面和荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准值进行计算。故取屋面活荷载0.7kN/进行计算。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式计算，跨度单位为m。表 1 荷 载 计 算 表荷载名称标准值（kN/）设计值（kN/）预应力混凝土大型屋面板1.41.41.351.

4、89三毡四油防水层0.40.41.350.54找平层（厚2cm）0.30.31.350.40510mm厚泡沫混凝土保温层0.10.11.350.35屋架和支撑自重0.117+0.01130=0.4470.4471.350.603永久荷载总和2.6473.573屋面活荷载0.70.71.40.98积灰荷载0.60.61.40.84可变荷载总和1.31.82设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：3.1.全跨永久荷载 + 全跨可变荷载全跨节点永久荷载及可变荷载：3.2.全跨永久荷载 + 半跨可变荷载全跨节点永久荷载：半跨节点可变荷载：3.3.全跨屋架（包括支撑）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载:全

5、跨节点屋架自重：半跨节点屋面板自重及活荷载：1、2为使用节点荷载情况，3为施工阶段荷载情况。4.内力计算屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图所示： 图6.屋架计算简图由图解法或数解法解得F1的屋架各杆件的内力系数（F1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，计算结果见杆件名称内力系数（F=1）第一种组合F第二种组合第三种组合计算杆件内力（kN）全跨左半跨右半跨+上弦ABBC、CDDE、EFFG、GHHIIJ、JK0-11.35-18.19-21.53-22.36-22.730-8.49-13.08-14.62-13.98-14.39-0.01-3.45-6.2

6、5-8.46-10.25-10.200-542.31-869.14-1028.72-1068.38-1086.060-504.05-799.19-931.82-948.02-966.64-0.17-421.49-687.31-830.92-886.93-898.010-280.89-436.57-494.47-482.45-495.05-0.26-150.71-260.16-335.37-386.11-386.82-0.26-542.31-869.14-1028.72-1068.38-1086.06下弦abbccddeef6.3315.3620.2122.1221.234.8411.3014.

7、1414.4411.681.834.987.439.3911.68302.45733.92965.651056.921014.39282.83679.03881.51947.84874.01233.53575.50771.60865.12874.01159.37375.24474.92493.03416.9181.62211.99301.60362.59416.91302.45733.92965.651056.921014.39斜腹杆aBBbbDDccFFddHHeeggKgI-11.348.81-7.555.39-4.232.62-1.510.291.532.160.49-8.666.47-

8、5.233.39-2.250.880.22-1.253.404.070.54-3.272.87-2.842.44-2.432.13-2.121.89-2.28-2.32-0.06-541.84420.95-360.75257.54-202.11125.19-72.1513.8673.10103.2123.41-506.51389.28-328.45228.85-172.8898.67-44.95-11.15104.89136.1324.60-418.22330.31-289.31213.29-175.83119.14-83.2840.2811.8531.4614.77 -285.23214.9

9、3-176.07116.82-81.0736.95-2.51-30.7196.13116.8516.61-146.01121.94-114.3392.28-85.7269.24-62.9550.39-50.59-48.201.11-541.84420.95-360.75257.54-202.11125.19-83.2850.39-30.71104.89-50.59136.13-48.2024.60竖杆AaCb、EcGdJgIeKf-0.55-1.00-0.98-0.85-1.420.02-0.54-0.99-0.98-0.90-1.430000000-26.28-47.78-46.83-40.

10、61-67.850.96-26.53-48.37-47.57-42.08-69.090.64-17.69-32.16-31.51-27.33-45.660.64-16.93-31.00-30.63-27.86-44.640.11-2.98-5.43-5.32-4.61-7.710.11-26.53-48.37-47.57-42.08-69.090.96表2 屋 架 构 件 内 力 组 合 表5.杆件设计5.1上弦杆：整个上弦采用等截面，按IJ、JK杆件的最大设计内力设计。N-1086.06kN上弦杆计算长度：在屋架平面内：为节间轴线长度在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚

11、性系杆作用，根据支持布置和内力变化情况，取为支撑点间的距离，根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。腹杆最大内力N-541.84kN，查表得，中间节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。设，查Q235钢的稳定系数表，可得（由双角钢组成的T型和十字形截面均属于b类），则需要的截面积：需要的回转半径：，根据需要A、查角钢规格表，选用2L18011012，肢背间距a12mm，则A67.42，按所选角钢进行验算： 满足长细比150的要求。由于，只需求。查表0.847，则所选截面合适，上弦截面如图所示：图7.上弦截面5.2下弦杆：整个下弦杆采用同一截面，按最大内

12、力所在的de杆计算。，（因跨中有通长系杆），所需截面积为:选用2L18011010，因，故用不等肢角钢，短肢相并。A56.849.16，取 j=1，则：所以满足要求。下弦截面如图：图8.下弦截面5.3端斜杆aB:杆件轴力： 计算长度： 因为，故采用不等肢角钢，长肢相并，使。选用2L140908。则:A36.00，由于，只需求。查表0.760，则:所选截面合适。5.4腹杆eggK:此杆在g节点处不断开，采用通长杆件。最大拉力： 最大压力： 再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，在桁架平面外的计算长度：选用2L635，查角钢规格表得A12.29，由于，只需求。查表0.31，则

13、拉应力： 5.5竖杆Ie： ，由于杆件内力较小，按选择，需要的回转半径为查型钢表，选截面的和较上述计算的和略大些。选用2L634，其几何特性为：A9.96，由于，只需求。查表0.39，则:其余各杆件的截面选择列于如表：表3 屋 架 杆 件 截 面 选 择 表名称杆件编号内力/kN计算长度/cm截面规格截面面积/回转半径/cm长细比容许长细比稳定系数计算应力上弦IJ、JK-1086.06150.8452.21801101267.423.108.7448.6551.761500.847190.19下弦de1056.923001485.01801101056.83.108.7496.77169.91

14、350156.77腹杆Aa-26.281991996349.961.963.02101.565.91500.54648.33aB-541.84253.0253.014090836.004.503.7756.2268.381500.760198.02Bb420.95166.88261.3901220.312.714.2561.5861.48350207.26Cb-48.37183.2229.05047.81.542.51118.9691.21500.443140.04bD-360.75229.1286.4100727.5923.094.5374.363.31500.724182.51Dc257.

15、54229.1286.470513.762.163.31106.0686.53350187.17Ec-48.37207.2259.05047.801.542.51134.5103.21500.368168.47cF-202.11249.92312.490621.282.794.1289.5875.831500.623152.49Fd125.19249.92312.45047.801.542.51162.29124.46350160.5Gd-47.57231.2289.05047.801.542.51140.13115.141500.308198.28dH-83.28271.2339.07041

16、1.142.183.29124.40103.041500.415176.03He50.39-30.71271.2339.06349.961.963.02138.37112.251500.35287.59Ie-79.09255.2319.06349.961.963.02130.20105.631500.386205.72eg104.89-44.78230.1454.7663512.2861.943.04118.6149.591500.31132.79gK151.44-42.26230.1454.7663512.2861.943.04118.6149.591500.31126.55Kf0.9631

17、4.1314.16349.961.963.02160.26104.012000gI24.06166.6208.35047.801.542.51108.283.035030.85Jg-42.08127.6159.55047.801.542.5182.8663.551500.66980.516.节点设计6.1支座设计：6.1.1支座节点“a”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，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度14mm。（1）支座底板的计算：支座反力： 设支座底板的平面尺寸采用，如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为。验算柱

18、顶混凝土的抗压强度：式中：混凝土强度设计值，对C25混凝土，。 支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：式中：底板下的平均应力，即=8.49， 两边支承之间的对角线长度，即 系数，由查表确定。为两边支承的相交点到对角线的垂直距离。由此得：查表得0.0546。则单位宽度的最大弯矩为：底板厚度：，取t22mm所以底板尺寸为。（2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算一个加肋的连焊缝风所承受的内力取为加劲肋高度、厚度取与中间节点板相同（）。采用，验算焊缝应力：对V:对M:应力验算:（3）节点板、加劲肋与底

19、板的连接焊缝计算 设焊缝传递全部支座反力，其中每块加劲肋各传，节点板传递。 节点板与底板的连接焊缝长度，所需焊脚尺寸为，取。 每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为所需焊缝尺寸所以取。节点如图:图9.下弦节点“a”6.1.2下弦节点b已知采用用E43型焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为（按等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）： 肢背： ，取180。肢尖： ，取120。设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：肢背： ，取160。肢尖： ，取110。“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取。根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应

20、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360mm445mm。 图10.下弦节点“b”下弦与节点板连接的焊缝长度为44.5cm，。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，受力较大的肢背处的焊缝应力为，焊缝强度满足要求。6.1.6下弦节点f（1）弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：下弦与节点板连接的焊缝长度为60cm，。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，则需焊缝长度为:，取=300mm拼接角钢长度不小于2300+12=612mm。（2）弦杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力的15%计算。设肢背、肢尖焊脚尺寸为6mm，弦杆一侧需焊缝长度为肢背：，取=90mm肢尖：，按构造要求，取

21、焊缝长度 50mm，取 =60mm（4）节点板尺寸： 按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸: 图14.下弦节点“f”焊缝强度满足要求。6.2.6屋脊节点K弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分宽度（一般为）。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）拼接角钢的长度弦杆杆端空隙，拼接角钢长度取600mm。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15计算，并考虑此力产生的弯矩。设肢尖焊缝，取节点板长度为500mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为焊缝应力为： 因屋架的跨度很大，需将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。节点形式如图:图19. 屋脊节点“K”