梯形钢屋架钢33米课程设计计算书.doc

(完整word版)梯形钢屋架钢33米课程设计计算书
钢结构课程设计
－、设计资料
1、已知条件：梯形钢屋架跨度33m，长度120m，柱距6m。屋架铰接于混凝土柱上，屋面采用单层彩色钢板波形瓦，屋面坡度i＝1/10。屋面活荷载标准值为0.7 kN/m2，屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为400 mm×400 mm，混凝土标号为C20。钢材采用Q345B级，焊条采用E50型。
2、屋架计算跨度：
Lo=33－2×0.15=32.7m，
3、跨中及端部高度：
端部高度：h`=1900mm（轴线处），h=1915mm（计算跨度处）。
屋架的中间高度h=3400mm，屋架跨中起拱按Lo/500考虑，取60mm。
二、结构形式与布置
屋架形式及几何尺寸见图1所示，支撑布置见图2所示。
图1 屋架形式及几何尺寸

符号说明：GWJ-（钢屋架）；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 屋架支撑布置图
三、荷载与内力计算
1.荷载计算
荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的活荷载计算。
永久荷载标准值
钢屋架和支撑自重 0.12+0.011×30=0.45kN/㎡
单层彩色钢板波形瓦 0.12kN/㎡
总计 0.57kN/㎡`
可变荷载标准值
屋面活荷载 0.70 kN/㎡
总计 0.7kN/㎡
永久荷载设计值 1.2×0.57=0.684kN/㎡
可变荷载设计值 1.4×0.7=0.98kN/㎡
2.荷载组合
设计屋架时，应考虑以下三种组合：
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： F=(0.684+0.98) ×1.5×6=14.97kN
② 全跨永久荷载+半跨可变荷载
全跨节点永久荷载： F1=0.684×1.5×6=6.156kN
半跨节点可变荷载： F2=0.98×1.5×6=8.82 kN
③ 全跨屋架及支撑自重+屋面板重+半跨屋面活荷载
全跨节点屋架及支撑自重： F3 =0.45×1.2×1.5×6=4.86kN
半跨大型屋面板重及活荷载： F4=(1.4×0.12+0.7×1.4) ×1.5×6= 10.33kN
3.内力计算
本设计采用程序计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数，见表1。
杆件名称
内力系数（F=1）
第一种组合 F*①
第二种组合
第三种组合
计算杆件内力（KN)
全跨①
左半跨①
右半跨②
F1*①+F2*②
F1*① +F2*③
F3*① +F4*②
F3*① +F4*③
上弦
AB
0
0
-0.01
0.00
0.00
-0.16
0.00
-0.26
-0.26
BC CD
-11.35
-8.49
-3.45
-631.39
-584.54
-501.99
-281.38
-151.20
-631.39
DE EF
-18.19
-13.08
-6.25
-1011.89
-928.19
-816.31
-437.36
-260.94
-1011.89
FG GH
-21.53
-14.62
-8.46
-1197.69
-1084.51
-983.61
-495.40
-336.29
-1197.69
HJ
-22.36
-13.98
-10.25
-1243.86
-1106.60
-1045.50
-483.41
-387.07
-1243.86
IJ JK
-22.73
-14.39
10.2
-1264.45
-1127.84
-725.05
-496.03
139.13
-1264.45
下弦
ab
6.33
4.94
1.83
352.13
329.36
278.42
162.23
81.89
352.63
bc
15.36
11.3
4.98
854.46
787.96
684.44
375.90
212.65
854.46
cd
20.21
14.14
7.43
1124.26
1024.84
914.93
475.78
302.47
1124.26
de
22.12
14.44
9.39
1230.51
1104.72
1022.00
493.98
363.54
1230.51
ef
21.23
11.68
11.68
1181.00
1024.57
1024.57
417.82
417.82
1181.00
斜腹杆
aB
-11.34
-8.66
-3.27
-630.83
-586.93
-498.65
-285.72
-146.49
-630.83
Bb
8.81
6.47
2.87
490.09
451.76
392.79
215.31
122.32
490.09
bD
-7.55
-5.23
-2.84
-420.00
-382.00
-342.85
-176.39
-114.66
-420.00
Dc
5.39
3.39
2.44
299.84
267.08
251.52
117.05
92.51
299.84
cF
-4.23
-2.25
-2.43
-235.31
-202.88
-205.83
-81.26
-85.91
-235.31
Fd
2.62
0.88
2.13
145.75
117.25
137.72
37.06
69.35
145.75
dH
-1.51
0.22
-2.12
-84.00
-55.66
-93.99
-2.58
-63.02
-93.99
He
0.29
-1.25
1.89
16.13
-9.09
42.34
-30.70
50.41
50.41
-27.55
eg
1.53
3.4
-2.28
85.11
115.74
22.70
96.19
-50.25
115.74
-50.52
gK
2.16
4.07
-2.32
120.16
151.44
46.78
116.94
-48.11
151.44
-48.11
gI
0.49
0.54
-0.06
27.26
28.08
18.25
16.63
1.13
28.08
竖杆
Aa
-0.55
-0.54
0
-30.60
-30.43
-21.59
-16.96
-3.01
-30.60
Cb Ec
-1
-0.99
0
-55.63
-55.47
-39.25
-31.04
-5.47
-55.63
Gd
-0.98
-0.98
0
-54.52
-54.52
-38.46
-30.67
-5.36
-54.52
Jg
-0.85
-0.9
0
-47.28
-48.10
-33.36
-27.90
-4.65
-48.10
Ie
-1.42
-1.43
0
-78.99
-79.16
-55.73
-44.70
-7.77
-79.16
Kf
0.02
0
0
1.11
0.78
0.78
0.11
0.11
1.12

四、杆件截面设计
腹杆最大内力，N=-630.83KN，由屋架节点板厚度参考可知：支座节点板刚度取14mm；其余节点板与垫板厚度取12mm。
1.上弦杆
整个上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算，N=-1264.45KN
计算长度： 屋架平面内取节间轴线长度=1507mm
屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面板能起一定的支撑作用，取上弦横向水平支撑的节间长度：=4521mm
根据屋架平面外上弦杆的计算长度，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并，见图3
图 3 上弦截面
设=60，查轴心受力稳定系数表，=0.807
需要截面积 ===7287.7
需要回转半径= =
根据需要的、、 查角钢型钢表，初选 2 L 18011014，
A=7793， =308mm ， =88mm。
按所选角钢进行验算：
==＜[λ]=150
==＜[λ]=150
由于 ，只需求出，查轴心受力稳定系数表，＝0.847
MPa<215MPa 所选截面合适。
2 .下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=1230.51KN
计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度=3000mm
屋架平面外根据支撑布置取=29700/2=14850mm
计算需要净截面面积==5723.30，选用 2 L18011012，因为 > ,故用不等肢角钢，短肢相并，见图4。

图 4 下弦截面
A=6742， =31mm，=87.4mm。
=<[ ]=350
=<[]=350 所选截面满足要求。
3. 端斜杆Ba
已知N＝-630.83kN， ＝＝2456mm。因为＝，故采用不等肢角钢，长肢相并，使＝，选用角钢2 L 1409010
A＝4452.2，＝44.7mm，＝87.4mm
截面刚度和稳定验算：
= <[ ]=150
= <[ ]=150
因为 只需求，查表得=0.764
MPa<215 MPa 所选截面满足要求。
4.再分腹杆eg-gK
此杆在g节点处不断开，采用通长杆件。
拉力：KN， kN
压力： kN， KN
计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度 =0.8×2250=0.8×2250=1800mm
屋架平面外根据支撑布置取：
=（0.75+0.25）=450×（0.75+0.25）=4446.3mm
选用 2 L 635，见图5。

图5 再分腹杆egK 图6中竖杆Kf
A=1228.6， =19.4mm，=30.4mm。
==53.9<[ ]=150
=<[]=150
因为 只需求，查表得=0.32，则
MPa<215 MPa
拉应力：所选截面满足要求
5.竖杆Ie
N＝-79.16KN， ＝0.8 3052＝2442mm，
由于杆件内力较小，按=[ ]=150选择，需要的回转半
查型钢表，选用2 L 63×5,其几何特性为
A=1228.6

因为 只需求，查表得=0.406，则

其余各杆件截面选择过程不一一列出，计算结果见表2

20

名称
杆件编号
内力（KN）
计算长度（cm)
截面规格
截面面积（cm2）
回转半径（cm)
长细比
容许长细比[]
稳定系数
计算应力Mpa

上弦
IJ JK
-1264.45
150.8
452.4
2L180×110×14
77.93
3.08
8.8
48.96
51.41
150

0.847
191.59
下弦
de
1230.51
300
1485
2L180×110×12
67.42
3.1
8.74
96.77
169.91
350

182.51
腹杆
Aa
-30.6
199
199
2L63×5
12.286
1.94
3.04
102.6
65.5
150
0.538

46.29
aB
-630.83
253.4
253.4
2L140×90×10
44.522
4.47
3.74
56.71
67.78
150

0.764
185.46
Bb
490.09
208.6
260.8
2L100×6
23.864
3.1
4.51
67.29
57.83
350

205.37
Cb
-55.63
183.2
229
2L50×5
9.606
1.53
2.53
119.7
90.5
150
0.493

131.92
bD
-420
229.5
287
2L100×7
27.592
3.09
4.53
74.3
63.3
150
0.724

210.25
Dc
299.84
228.7
285.8
2L70×6
16.32
2.15
3.33
106.37
85.83
350

183.73
Ec
-55.63
207.2
259
2L50×5
9.606
1.53
2.53
135.4
102.4
150
0.363

159.54
cF
-235.31
250.8
312.6
2L90×6
21.274
2.79
4.13
89.89
75.69
350
0.621

178.12
Fd
145.75
249.5
311.8
2L50×5
9.606
1.53
2.53
167
123.3
350

151.73
Gd
-54.52
231.2
289
2L50×5
9.606
1.53
2.53
151.1
114.2
150
0.304

186.67
dH
-93.99
271.6
339.5
2L70×6
16.32
2.15
3.33
151.1
101.95
150
0.304

189.45
He
50.41 -27.55
270.8
338.4
2L63×5
12.286
1.94
3.04
139.59
111.32
150
0.347

64.62
Ie
-79.16
255.2
319.1
2L63×5
12.286
1.94
3.04
131.5
104.9
150
0.381

169.11
eg
115.74 -44.78
230.1
453.73
2L63×5
12.286
1.94
3.04
118.6
149.25
150

0.31
117.54
gk
151.44 -42.26
230.1
453.73
2L63×5
12.286
1.94
3.04
118.6
149.25
150

0.31
110.96
Kf
1.12
314.1
314.1
2L63×5
12.286
2.45
2.45
128.2
128.2
200

0
gI
28.08
165.9
207.4
2L50×5
9.606
1.53
2.53
108.7
82.2
350

29.23
Jg
-48.1
127.6
158.9
2L50×5
9.606
1.53
2.53
83.4
63
150
0.665

75.3
屋架杆件截面选择表
五、节点设计
用E50焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值 MPa
各杆件内力由表1查得
1. 下弦节点b
（1）斜杆Bb与节点的连接焊缝计算：
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm。所需焊缝长度为：
肢背：mm，取＝200mm
肢尖：，取＝120mm
（2） 斜杆Db与节点的连接焊缝计算：
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm。所需焊缝长度为：
肢背：，取＝180mm
肢尖：=93.75+12=105.75mm，取＝110mm
（3）竖杆Cb与节点板连接焊缝计算：
因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=5mm。
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出接点详图，从而确定节点板尺寸为457mm×340mm。
（4）下弦杆与节点板连接焊缝验算：
焊缝受力为左右下弦杆的内力差 △N=854.16-352.13=502.33KN，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm，所需焊缝长度为457mm,受力较大的肢背处的焊缝应力为： <160MPa
（5）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装配等误差，按比列作出构造详图，从而定出节点尺寸。如图7所示

图 7 节点板b尺寸
2 .上弦节点B
（1）斜杆Bb与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b中Bb杆计算相同。
（2）斜杆Ba与节点板连接焊缝计算
设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为10mm和6mm。所需焊缝长度为
肢背： ，取＝210mm
肢尖：，取＝180mm
（3）上弦杆与节点板连接焊缝计算：
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，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得
，
上弦与节点板间焊缝长度为470mm，则
MPa<0.8MPa
上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差 △N=631.39-0.26=631.13KN
偏心距 e =110-25.9＝84.1mm
设需焊缝长度为470mm，则

（4）节点板尺寸：方法同前，如图8所示

图 8 节点板B尺寸
3 .屋脊节点K
（1） 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：
弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力计算。
设肢尖、肢背焊脚尺寸为10mm，则需焊缝长度为
，取=300mm
拼接角钢长度取2(300+20)+24＝664mm
( 2 ) 斜杆与节点板连接焊缝的计算：
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为：
肢背：，取=100 mm
肢尖：，取焊缝长度=60mm
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出接点详图，从而确定节点板尺寸为500mm×240mm。
( 3 ) 弦杆与节点板的连接焊缝计算：
取节点板的长度为500mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为220 mm。上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载
上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15%计算，并考虑此力产生的弯矩设焊脚尺寸为10mm。

（4）中竖杆与节点板的连接焊缝计算
此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=5mm
（5）节点板尺寸：方法同前，如图9所示

图 9 节点板K尺寸
4 .下弦跨中节点f
（1）弦杆与拼接角钢连接焊缝计算
拼接角钢与下弦杆截面相同，设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为 ，取=404+16=420mm
拼接角钢长度2420+20=860mm
（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=110mm
肢尖，取 =60mm
（3）节点板尺寸：方法同前，如图10所示

图 10 节点板f尺寸
5 .端部支座节点a

图11 支座节点a
为便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的距离一般不小于下弦伸出肢的宽度，故可取为180mm。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同，厚度同端部节点板为14mm。
（1） 支座底板计算
支座反力
取加劲肋的宽度为110mm，考虑底板上开孔，锚栓直径取d=25mm，锚栓孔直径为60mm，则所需底板面积：按构造要求取底板尺寸为280mm 400mm，偏安全地取有加劲肋部份的底板承受支座反力，则
承压面积：
验算柱顶混凝土的抗压强度：满足
底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算,节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两边支承而另两块相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为

式中--------底板下的平均应力， =8.49MPa
--------两边支承对角线长， =
--------系数，由决定。为两边支承的焦点到对角线的垂直距离。由相似三角形的关系，得
=0.49，查表得＝0.0586，则单位宽度的最大弯矩为
M=0.0586
底板厚度=20.34mm, 取t=22mm
（2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算：
偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座反力的1/4，则焊缝受力

.
设焊缝尺寸为6mm，焊缝长度，
（3）节点板，加劲肋与底板的连接焊缝计算：
设底板连接焊缝传递全部支座反力R=556290N，其中每块加劲肋各传R/4=139072.5N，节点板传递R/2=278145N。
节点板与底板连接焊缝总长度：，所需焊角尺寸为 ，故取
每块加劲肋与底板的连接焊缝总长度为
所需焊缝尺寸为
故取焊缝
（4）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，焊缝尺寸可按构造确定，焊脚尺寸。
②斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，同上。
肢背：=210mm，肢尖：＝180mm
③下弦杆与节点板连接焊缝计算
N=352.13KN，设肢背焊缝尺寸8mm，肢尖焊缝尺寸6mm需要焊缝长度为
肢背：，取=200mm
肢尖：，＝90mm