钢结构钢屋架课程设计-跨度21m-长度102m

('一、设计资料1、题号53的已知条件：梯形钢屋架跨度21m，长度102m，柱距6m。该车间内设有两台200/50kN中级工作制吊车，轨顶标高为8.000m。冬季最低温度为－20℃，地震设计烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g。采用1.5m×6m预应力混凝土大型屋面板，80mm厚泡沫混凝土保温层，卷材屋面，屋面坡度i＝1/10。屋面活荷载标准值为0.7kN/m2，雪荷载标准值为0.2kN/m2，积灰荷载标准值为0.6kN/m2，风荷载标准值0.55kN/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为400mm×400mm，混凝土标号为C20。钢材采用Q235B级，焊条采用E43型。2、屋架计算跨度：l0=21m－2×0.15m=20.7m3、跨中及端部高度：该屋架为无檩体系屋盖方案，屋面材料为大型屋面板，故采用平坡梯形屋架；由于L<24m，不考虑起拱，端部高度取H0=1990mm，屋架的中间高度h=3.040m（约l0/6.8）。二、结构形式与布置屋架几何尺寸如图(1)所示。图(1)：21米跨钢屋架型式和几何尺寸根据厂房长度（102m>60m）、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支撑的规格有所不同。在上弦平面设置了刚性系杆与柔性系杆，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（2）所示。SC－上弦支撑；XC－下弦支撑；CC－垂直支撑；GG－刚性系杆；LG－柔性系杆图（2）梯形钢屋架支撑布置三、荷载计算屋面活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。因此，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gк=（0.12＋0.011×l）kN/㎡计算，跨度单位为米（m）。荷载计算详见表（1）。荷载名称标准值（kN/㎡)设计值（kN/㎡)永久荷载预应力混凝土大型屋面板1.41.4×1.35=1.89三毡四油防水层0.40.4×1.35=0.54找平层（厚20mm）0.02×20=0.40.4×1.35=0.5480mm厚泡沫混凝土保温层0.08×6=0.480.48×1.35=0.648屋架和支撑自重0.12+0.011×21=0.3510.351×1.35=0.474管道荷载0.10.1×1.35=0.135永久荷载总和3.1314.227可变荷载屋面活荷载0.70.7×1.4=0.98积灰荷载0.60.6×1.4=0.84可变荷载总和1.31.82表（1）荷载计算设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合，在组合时，偏于安全不考虑屋面活荷载和积灰荷载的组合值系数。（1）全跨节点永久荷载＋全跨可变荷载。全跨节点永久荷载及全跨可变荷载为F=（4.227＋1.82）×1.5×6=54.423kN（2）全跨节点永久荷载＋半跨节点可变荷载。全跨节点永久荷载为F1=4.227×1.5×6=38.043kN半跨节点可变荷载为F2=1.82×1.5×6=16.38kN（3）全跨节点屋架（包括支撑）自重＋半跨节点屋面板自重＋半跨屋面活荷载。全跨节点屋架自重为F3=0.474×1.5×6=4.266kN半跨节点屋面板自重及活荷载为F4=（1.89＋0.7）×1.5×6=23.31kN上述计算中，（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。四、屋架杆件内力计算屋架在上述三种内力荷载组合作用下的计算简图如图2.1所示。由图解法或数解法解得F=1的屋架各杆件的内力组合系数（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，计算结果如表（2）所示。杆件名称杆内力系数（F=1）第一种组合第二种组合第三种组合计算杆件内力F(kN)全跨①左半跨②右半跨③F×①F1×①+F2×②F1×①+F2×③F3×①+F4×②F3×①+F4×③上弦杆AB0.000.000.000.000.000.000.000.000.00BD-7.47-5.31-2.16-406.54-371.16-319.56-155.64-82.21-406.54DF-11.26-7.33-3.92-612.80-548.43-492.57-102.34-139.41-612.80FH-12.18-6.86-5.31-662.87-575.73-550.34-211.86-175.73-662.87下弦杆ac4.103.011.09223.13205.28173.8387.6542.89223.13ce9.746.663.08530.08479.63420.99196.79113.34530.08eg11.967.324.63630.90574.89530.83221.65158.94630.90gh11.765.885.88640.01543.70543.70187.23187.23640.01斜腹杆aB-7.68-5.64-2.04-417.97-384.55-325.58-164.23-80.31-417.97Bc5.803.961.84315.65285.51250.79117.0567.63315.65cD-4.40-2.63-1.77-239.46-210.47-196.38-80.07-60.03-239.46De2.791.221.57151.84126.12131.8540.3448.49151.84eF-1.57-0.04-1.52-85.44-60.38-84.62-7.63-42.12-85.44Fg0.32-1.031.3617.42-4.6934.45-22.6433.0634.45/-22.64gH0.711.91-1.238.6458.297.3547.55-24.9458.29/-24.94竖杆Aa-0.5-0.50-27.21-27.21-19.02-13.78-2.133-27.21Cc-1-10-54.42-54.42-38.04-27.57-4.26-54.42Ee-1-10-54.42-54.42-38.04-27.57-4.26-54.42Gg-1-10-54.42-54.42-38.04-27.57-4.26-54.42表（2）屋架杆件内力组合五、杆件设计（1）上弦杆。整个上弦采用等截面，按FH杆件的最大设计内力设计，即N=-662.87kN。上弦杆计算长度计算如下。在屋架平面内：为节间轴线长度，即：在屋架平面外：屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面能起到一定的支撑作用，取上弦横向水平支撑的节间长度：=2=3.015m。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。如图七所示。腹杆最大内力N＝-417.97kN，查表8-4，中间节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。设=80，查轴心受力稳定系数表（b类截面），=0.688（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：A=需要回转半径为：根据需要的A、、查附录14、附录15，初选2∠125×80×12，肢背间距a=10mm，则由附录14查得；由附录15查得A=46.702，。按所选角钢进行验算：由于>，只需求。由查附表12-2得＝0.768，则所选截面合适。(2)下弦杆。整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的gh杆计算，则：N=640.01kN=640010Nl0x=3000mm，l0y=10350mm,所需截面积为：选用2∠100×63×10，因，故用不等肢角钢，短肢相并，查附表14、附表15可得A=30.934>29.77，，。按所选角钢进行验算：因此，所选截面合适。见下图8：（3）端斜杆aB。杆件轴力已知为N=-417.97kN=417970N，计算长度==2530mm。因为=，故采用不等肢角钢，长肢相并，使。设=80，查轴心受力稳定系数表，=0.688（由双角钢组成的T型和十字形截面均属于b类）。需要截面面积：A=需要回转半径：根据需要的A、、，选用2∠100×80×10，则查附表14、附表15可得A=34.334㎝，，。按所选角钢进行验算：因为>只需求出，由查附表12-2得=0.680，则因此，所选截面合适。见图8所示。（4)腹杆Bc设计。杆件轴力已知为N=315.65kN=315650N。屋架平面内取节间轴线长度：=0.8l=0.8×261.3=209.04cm屋架平面外根据支撑布置取：=l=261.3㎝计算需要净截面面积：根据需要的A，选用2∠75×5等边角钢。则查附录14、附录15得A=14.824㎝，，。截面验算所选截面合适。如图九所示。（5）竖杆Aa设计。杆件轴力已知为N=-27.21kN=27210N。屋架平面内取节间轴线长度：=0.8l=0.8×199.0=159.2cm屋架平面外根据支撑布置取：=l=199.0㎝因为杆件内力较小，按选择截面，所需要的回转半径为：根据、，选用2∠50×6等边角钢。查附录14、附录15可得A=11.376㎝，，。截面验算：由于>,只需求出，由查附表12-2得=0.519所选截面合适。如图10所示。其余各杆截面选择过程不一一列出，计算结果见下表（3）：杆件计算内力（KN）截面规格截面面积（cm）计算长度（cm）回转半径（cm）长细比容许长细比确定系数应力（N/mm）名称编号llii上弦杆全部-662.87短肢相并2∠125×80×1246.702150.75301.52.246.2367.31500.767192.6下弦杆全部640.01短肢相并2∠100×63×1030.93430010351.745.09203.3250206.9斜腹杆aB-417.97长肢相并2∠100×80×734.3342532533.123.6081.091500.680179.02Bc315.65T型2∠75×514.824209.04261.32.333.5289.72250212.93cD-239.46T型2∠75×720.320229.12286.42.303.5599.191500.558211.19De151.84T型2∠50×611.376229.12286.41.522.56150.74250133.47eF-85.44T型2∠56×816.734249.92312.41.682.83148.761500.312163.65Fg34.45/-22.64T型2∠56×510.830249.92312.41.722.77145.31500.32597.8864.32gH58.29/-24.94T型2∠63×1023.314271.2339.01.883.15144.261500.32876.2332.61竖杆Aa-27.21T型2∠50×611.376159.21991.522.56104.71500.51946.08Cc-54.42T型2∠50×35.942183.22291.552.48118.191500.446205.35Ee-54.42T型2∠50×611.376207.22591.522.56136.321500.362132.15Gg-54.42T型2∠50×611.376231.22891.522.56152.111500.301158.93表（3）屋架杆件截面选择表六、杆件节点设计6.1下弦节点“c”采用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和剪切强度设计值=160N/mm,最小焊缝长度不应小于8和40mm。（1）斜杆Bc与节点板的连接焊缝计算N=315.65kN=315650N按等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算。设焊缝尺寸为=6mm,所需焊缝长度为：肢背：取实际焊缝长度200mm肢尖：取实际焊缝长度100mm（2）斜杆cD与节点板的连接焊缝计算N=-239.46kN=239460N设焊缝尺寸为=6mm,所需焊缝长度为：肢背：取实际焊缝长度150mm肢尖：取实际焊缝长度80mm（3）竖杆Cc与节点板的连接焊缝计算N=-54.42KN=54420N设焊缝尺寸为=6mm,所需焊缝长度为：肢背：<8取实际焊缝长度60mm肢尖：取实际焊缝长度60mm(4)节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作配装等误差，按比例作出构造详图，从而定出节点尺寸340×230mm。如图11所示:图11.下弦节点c设计图(5)下弦杆与节点板连接焊缝验算：焊缝受力为左右下弦杆内力差△N=530.08-223.13=306.95kN设焊缝尺寸为=6mm,肢背焊缝验算：满足要求，故所选节点板符合。6.2上弦节点“B”(1)斜杆Bc与节点板的连接焊缝计算N=315.65kN=315650N设焊缝尺寸为=6mm,所需焊缝长度为：肢背：取实际焊缝长度200mm肢尖：取实际焊缝长度80mm(2)斜杆Ba与节点板的连接焊缝计算N=-417.97kN=417970N按不等肢角钢长肢连接的角焊缝内力分配系数计算设焊缝尺寸为=6mm,所需焊缝长度为：肢背：取实际焊缝长度220mm肢尖：取实际焊缝长度130mm(3)节点板尺寸：由腹板焊缝长度及构造要求暂定尺寸450×300mm，如图12所示：图12.上弦节点B设计图(4)上弦杆CDE与节点板的连接焊缝验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可缩进上弦肢背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，计算时略去屋架上弦坡度的影响，假定集中荷载F=54.423KN肢背焊缝验算：=0.5t=5mm满足要求。肢尖焊缝验算：△N=406.54KN。偏心距80-20=60设=8mm，l-2=450-16=434mm满足要求，故所选节点板符合要求。6.3屋脊节点“H”图13.屋脊节点H设计图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，需将拼接角钢尖角削除，可以靠节点板补偿。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=8mm，则一条焊缝所需的焊缝计算长度为：取拼接角钢长度为：，竖肢需切去10+8+5=23mm，取上弦杆与节点板之间槽焊承受节点荷载，强度足够，上弦杆肢尖与节点板的连接焊逢，按上弦杆内力的15%计算，并考虑此力产生的弯矩。根据放样情况，可定节点板尺寸为500×200mm。取，节点一侧的焊缝长度为：焊缝应力验算：因此，满足要求。6.4支座节点“a”(1)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=-27.21kN=27210N，设焊缝=6mm肢背：取实际焊缝长度50mm肢尖：取实际焊缝长度50mm②斜杆Ba与节点板的连接焊缝计算：N=-417.97kN=417970N，设焊缝=6mm肢背：取实际焊缝长度220mm肢尖：取实际焊缝长度130mm③下弦杆与节点板的连接焊缝计算：N=223.13kN=223130N，设焊缝=6mm肢背：取实际焊缝长度140mm肢尖：取实际焊缝长度60mm。（2）节点板尺寸：由腹板及下弦杆焊缝长度及构造要求定尺寸。如图14所示。（3）底板尺寸及厚度支座反力R=7×F=7×54.423KN=380.961kN=380961N底板承压面积为。构造要求底板的平面尺寸最小约为240mm×240mm，故先假定底板尺寸为250mm×250mm，设底板上开口锚栓的直径为40mm底板平面净面积：底板下平均应力：板中单位宽度的弯矩为=qa=0.058×6.34×177×177=11520.30Pa由=1/2查表确定其中=250=177mm，=2=89mm板的厚度为t故取t=20mm。（4）加劲肋板与节点板的连接焊缝设一个加劲肋承受四分之一屋架支座反力焊缝内力为:，，设焊缝，焊缝计算长度：焊缝应力验算：加劲肋高度满足要求。(5)底板与节点板、加劲肋板底端的角焊缝连接验算：底板与节点板、加劲肋板底端的角焊缝总长度,设焊缝尺寸为6mm满足要求。6.5节点“A”（1）竖杆Aa与节点板的连接焊缝计算N=-27.21kN=27210N设焊缝尺寸为=6mm,所需焊缝长度为：肢背：<8取实际焊缝长度60mm肢尖：取实际焊缝长度60mm（2）由于斜杆AB力的大小为N=0，设焊缝尺寸=6mm，所以取实际焊缝最小长度，肢背、肢尖的实际焊缝长度均取大于临界最小值为60mm。（3）节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作配装等误差，按比例作出构造详图，从而定出节点尺寸如图15所示，为一个不规则图形。图15.节点A（4）上弦杆AB与节点板的连接焊缝验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可缩进上弦肢背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，计算时略去屋架上弦坡度的影响，假定集中荷载F=54.423KN。肢背焊缝验算：=0.5t=5mm满足要求。肢尖焊缝验算：△N=0kN设=6mm，l-2=200-12=188mm满足要求，故所选节点板符合。七、屋架施工图钢屋架施工图见附A1图纸。八、参考文献1、钢结构设计规范（GB50017-2003）.北京：中国计划出版社，20032、建筑结构荷载规范（GB50009-2001）.北京：中国建筑工业出版社，20023、《土木工程专业钢结构课程设计指南》.周俐俐，姚勇.北京：中国水利水电出版社、知识产权出版社，20064、《钢结构》.周俐俐、王汝恒.北京：中国水利水电出版社、知识产权出版社，2009',)