21m跨度-90m长厂房钢屋架设计计算书.doc

目录
1、设计资料 1
2、屋架尺寸及结构形式与选型 2
3、檩条设计 2
3.1、檩条布置 3
3.2、刚度验算 4
4、 屋架的内力计算 5
5、杆件设计 7
5.1、上弦杆 7
5.2、下弦杆 8
5.3、斜腹杆 10
六、节点设计 11
6.1、屋脊节点G 11
6.2、下弦节点C 13
6.3、上弦节点B 14
6.4、支座节点A 15
6.4.2参考资料 17
致谢 20

钢屋架设计计算书
1设计资料及屋架形式与材料
1.1某单跨厂房，长度为90m，跨度21m，车间内设有一台50KN的中级工作制的吊车，计算温度高于-20℃。采用三角形钢屋架的屋面,坡度i=1：3，采用石棉水泥波形瓦屋面（重量200N/m2），规格：1820×725×8,轻钢檩条及拉条（重量100N/m2）.
钢屋架简支于钢筋砼柱上，上柱截面为400×400，砼强度等级为C30，基本风压W0=350N/m2，屋面均布活载或雪载为500N/m2，积灰荷载为100~500N/m2，无抗震要求。钢材标号：Q345钢，其设计强度为f=310KN/m2,焊条采用E50型，手工焊接，荷载分项系数去：γG=1.2,γQ=1.4.
1.2屋架形式及几何尺寸
根据所用屋面材料的排水需要几跨度参数，采用人字形六节间三角形屋架。屋架坡度为1：3，屋面倾角。
,
屋架计算跨度：.
屋架跨中高度：
上弦长度：
节间长度：.
节间水平方向尺寸长度：.
根据几何关系得屋架各杆件的几何尺寸如图1所示。

图1 杆件的几何尺寸

2屋盖支撑设计
2.1 屋架的支撑（如图1所示）
根据厂房长度为90m>60m,跨度l=21m和有桥式吊车的情况，在厂房两端地二柱和厂房中部设置三道上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑及垂直支撑；并在上弦及下弦设三道系杆。上弦有檩条亦可不设系杆如图2所示。

图 2 屋架的支撑

（a)

(b)

(c)
(a)上弦支撑系统 （b)下弦支撑系统 （c）竖向支撑系统
3檩条设计
3.1 檩条布置
檩条采用槽钢檩条，每节间布置两根，檩距为1818/2=909m，檩条跨中设一跟柱体。
荷载计算
屋面坡度，雪荷载按不均匀分布最不利情况考虑，雪荷载与活荷载不同时取较大值，按雪荷载计算。
施工荷载
石棉瓦重

合计
活荷载
檩条均布荷载设计值

内力计算：

强度验算

试选槽钢[12，自重12.05kg/m,

截面受力情况如图所示：

验算点A：

验算B点：
整体稳定性验算
因在檩条跨中设有一道钢拉条，故可不进行该项验算。
刚度验算
验算与屋面垂直平面的相对挠度，按短期荷载效应组合进行。

3.2刚度验算
当檩条间设有拉条时，檩条只需计算垂直于屋面方向的最大挠度，计算挠度时，荷载应取其标准值。
荷载标准值：
则

能满足刚度要求。

4屋架的内力计算
4.1荷载计算
因檩条沿节间布置，先将檩条作为屋架集中荷载计算，再按经验公式计算屋架和支撑自重最后折算为屋架上弦节点荷载。因为屋面坡度较小，风荷载为吸力，课不考虑风荷载和积灰荷载影响。
檩条作用在屋架上弦的集中力为：

屋架和支撑自重，按轻屋盖估算：

节点荷载设计值为：

屋架杆件内力计算
芬克式三角形屋架在半跨雪荷载作用下，腹杆内力不变号，故只需按全跨雪荷载和全跨永久荷载组合就是那屋架杆件内力。根据力学求解器，二节间芬克式屋架先求得杆件内力系数，再乘以节点荷载,即可得到杆件内力。最不利组合设计值。见表

。
表 1 杆件内力系数及内力值

杆件
内力系数
内力设计值(KN)
全跨
屋面
荷载
P的
内力
系数
AB
-20.72
-66304
BC
--18.97
-607.04
CD
-9.16
-607.04
DE
-22.01
-704.32
EF
-19.02
-477.44
FG
-13.87
-443.84
AH
+19.85
+635.2
HI
+16.5
+528
IJ
+10.25
+328
DI
-4.43
-141.76
BH
CH
EK
FK
HD
IK
KG
GJ
-1.75
-1
-7.94
1.82
2.25
4.17
4.3
0
-56
-32
-254.08
58.24
72
133.44
137.6
0
注：负为受压，正为受拉

全跨荷载布置图

全跨荷载内力图
上弦杆局部弯矩计算。按两跨连续梁计算，如图所示

端节间：
中间节间及节点：
5杆件截面的选择
5.1上弦杆
按弦杆最大内力-704.32KN，选出中间节点板厚度为10mm，支座节点板厚度为12mm。
上弦杆内力计算：，,
；故按压弯杆计算。
选组成的T形截面：，，，，，

强度验算：截面强度验算由负弯矩控制

弯矩作用平面内的稳定性验算：
按b类截面查附表

按有端弯矩和横向荷载同时作用是弦杆产生反向曲率，故取等效弯矩系数为，采取正弯矩验算：

补充验算：

弯矩平面外的稳定性验算
由负弯矩控制：

查附表得：，，

5.2下弦杆
下弦杆也采用等截面，按最大内力计算。屋架平面内的计算长度取最大节间长度，。因屋架下弦在跨中央设有一道通长的系杆，故屋架平面外的计算长度取侧向固定点间的距离，

=635.2
=3450mm =1035mm

所需截面面积为：==
选用2∟100×63×10，短肢相并，短肢相距12mm。
由型钢表查得
=31,=17.5mm，=50.2mm
= =＜=350
= ==206.18＜=350
==＜=315

故所选截面合适。

JG杆
中间竖腹杆JG，N=0，L=345cm
=-103.6,==1870mm
选用2∟56×4，长肢相并，长肢相距12mm
由型钢表查得
A=812mm，=21.8mm，=11.1mm
===142＜=150

所选截面合适。

IK,GK杆
杆IK,GK杆端部相连故采用通杆
=133.44
=3450mm =6900mm

选用2∟45×5，短肢相并，短肢相距12mm。
由型钢表查得
=620.65,=13.7mm，=22.4mm

= ==251.8＜=350
= ==308＜=350
===155＜=310
故所选截面合适。
DI杆
FC、CK杆因内力较小故按=350选择需要的回转半径
=-141.76
=195.2cm
=244cm
选用2∟60×8，长肢相并，长肢相距12mm
由型钢表查得
A=18.04cm，=18.1mm，=53mm
= =＜=350
===155.7＜=310
故所选择的截面合适。
5.3腹杆HD DK杆
=72
=243.9cm
选用2∟60×8，长肢相并，长肢相距12mm
由型钢表查得
A=18.04cm，=18.1mm，=53mm
= =＜=350
===39.9＜=310
故所选择的截面合适。

屋架各杆件截面选择情况见表。

屋架杆件界面选择
杆件
截面规格
截面面积
mm
计算长度
回转半径
长细比
容许长细比

稳定系数
名称
编号

mm

mm

mm

mm

上弦杆
ABBCCDDE
2∟100×14
5252
1818
2383
30
50
60.6
35.1
150
0.575

下弦杆
AHHI
2∟56×4
3100
3450
8850
17.5
50.2
197.1
206.2
350
1

腹杆
DI
2∟60×8
1804
1952
2440
18.1
53
107.8
104
150
0.508

BH
2∟60×8
1804
1952
2440
18.1
53
107.8
104
150
0.508

CH
2∟60×8
1804
1952
2440
18.1
53
107.8
104
150
0.508

EK
2∟60×8
1804
1952
2440
18.1
53
107.8
104
150
0.508

FK
2∟60×8
1804
1952
2440
18.1
53
107.8
104
150
0.508

DKHD
2∟60×8
1804
1952
2440
18.1
53
107.8
104
150
0.508

竖杆
EH
2∟63×4
995
3540
3540
=24.6
143.9
200
0.508

6节点设计
本例只选择几个有代表性的、重要的节点进行计算，其余节点的计算过程从略，可参见屋架施工图。
6.1屋脊节点
腹杆EG与节点板的连接焊缝，取肢背和肢尖的焊脚尺寸分别为=6mm和=5mm，则杆端所需的焊缝长度分别为
=200（以下同）
肢背：== ＋10=112mm
故取=120mm。

屋脊节点（单位：mm）
故肢尖：== ＋10=50.1mm
取=55mm。
拼接角钢采用与上弦杆等截面，肢背处削棱，竖肢切去V=t++5=18mm，取V=20mm，并将竖肢切口后经热弯成型用对接焊缝焊接。拼接接头一侧所需的焊缝计算长度为
===142mm
拼接角钢的总长度为
=2（+12）+d=2（142+12）＋50=358mm
取=450mm
上弦杆与节点板的塞焊缝，假定承受节点荷载F／2，验算从略。上弦肢尖与节点板的焊缝连接按弦杆内力的15%计算，且考虑由此产生的偏心弯矩作用（偏心距e=84mm）。设肢尖焊缝焊脚尺寸=5mm，节点板总长度为700mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为
=（700／2）／-20-10＝（700/2）/0.9285－20－10=347mm
焊缝应力为
===29.5
===42.8
==42.8＜=200
由以上计算结果可知，因弦杆与节点板的连接焊缝受力不大，且连接长度较大，故可按照构造进行满焊，不必计算。

6.2下弦节点G
下弦节点（单位：mm）

EG杆焊缝长度与屋背节点相同
腹杆CG与节点板的连接焊缝，取肢背和肢尖的焊脚尺寸分别为=6mm和=5mm，则杆端所需的焊缝长度分别为
肢背：== ＋12=52.1mm
故取60mm。
肢尖：== ＋10=35.9mm
故取40mm。
根据上述求得焊缝长度，确定节点板尺寸为360mm250mm
下弦与节点板连接焊缝长度为600mm，=5mm

其肢背应力较大

故满足要求
6.3上弦节点C
上弦节点C（单位：mm）

CG杆与下弦节点相同
腹杆FC与节点板的连接焊缝，取肢背和肢尖的焊脚尺寸分别为=6mm和=5mm，则杆端所需的焊缝长度分别为
肢背：== ＋12=38.9mm
故取45mm。
肢尖：== ＋10=27.4mm
故取40mm。
腹杆KC与节点板的连接焊缝，取肢背和肢尖的焊脚尺寸分别为=6mm和=5mm，则杆端所需的焊缝长度分别为
肢背：== ＋12=45mm
故取50mm。
肢尖：== ＋10=31.45mm
故取40mm。
上弦肢槽焊缝承受檩条传来的集中荷载（节点荷载）F，取节点板缩进肢背8mm，
=t／2=6mm，则===13.5＜0.8=160
肢尖与节点板的焊缝承受弦杆的内力差为
=-=504.1-498.5=-5.6
偏心距e=85mm，因内力很小且节点板长度较大，故可不作计算，按构造要求布置焊缝进行满焊即可满足条件。

6.4支座节点A
支座节点（单位：mm）
屋架支撑与钢筋混凝土柱上，混凝土强度为C30，=14.3为便于施焊，取下弦轴线至支座底板上表面的距离为160mm，并设置加劲肋。

6.4.1支座节点焊缝计算
下弦杆端与节点板的焊缝取肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为=8mm和=5mm，则所需焊缝长度为
肢背：== ＋16=179.2mm
故取180mm。
肢尖：== ＋10=97mm
故取100mm。
上弦杆端与节点板的焊缝，由于焊缝长度较大，可不必计算，按构造要求即可。

6.4.2 支座底板计算
支座反力为
R=4F=4×55.7=222.8 =14.3
底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算。支座节点板和加劲肋将支座底板分成四块，每块板均为两相邻边固定支撑而另两相邻边自由的板。
=155.8cm
锚栓直径取d=25mm，锚栓孔径50mm，并开U型孔。

底板采用25cm25cm=625cm>215.4cm
实际底板面积：

底板实际应力：

两支撑边之间的对角线长度：

=／2=83.5mm
／=85／170=0.5，查表得=0.056，则
M==0.056×4×166.9=6239.7
底板所需厚度（按厚度t在16~35范围取值）：
=295
t===11.3mm
故取t=20mm

6.4.3加劲肋与节点板的连接焊缝

加劲肋的计算简图（单位：mm）
加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似。假定一块加劲肋的受力为屋架支座反力的1／4，即
==55.7
==
加劲肋厚度采用14mm，焊脚尺寸取6mm，焊缝计算长度为
=180-15×2-2×6=138mm
则焊缝应力为：
=
=
=111.9＜=200

6.4.4加劲肋、节点板与支座底板的连接焊缝
切口宽度为15mm，两条节点板和四条加劲肋焊缝的总长度为
=2（250-2×6）+2×（250-14-2×15-4×6）=840mm
==
故满足要求。
其余各节点的计算过程从略。

致谢
在这次设计中，吴老师在此次设计中给予了很多帮助和指点，还有同学也提供了部分帮助，故在此向他们表示由衷的感谢。另外设计过程中还参考了一些规范、标准，在此特向有关作者致谢。

参考资料
[1] 夏志斌．钢结构原理与设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008.7.
[2] 刘声扬．钢结构原理与设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008.7.
[3] 夏志斌，姚谏.钢结构设计[M]．北京：中国建筑工业出版社.2005.9.
[4] GB50017-2002钢结构设计规范[S]．北京：中国计划出版社.2002.
[5] GB50009-2001建筑结构荷载规范 [S]．北京:中国建筑工业出版社.2002.