钢结构专业课程设计梯形钢屋架计算报告书.doc

成绩：

钢构造课程设计

梯形钢屋架计算书

所在学院 建筑工程学院
所属专业 土木工程
班级学号 土木10-3
学生姓名 郑春旭
指引教师 黄雪芳 王晓东
设计时间 .11.26

－、设计资料
1、 某工厂车间，采用梯形钢屋架无檩屋盖方案，厂房跨度取27m，长度为102m，柱距6m。采用1.5m×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板，保温层、找平层及防水层自重原则值为1.3kN/m2。屋面活荷载原则值为0.5kN/m2，雪荷载原则值0.5kN/m2，积灰荷载原则值为0.6kN/m2，轴线处屋架端高为1.90m，屋面坡度为i=1/12，屋架铰接支承在钢筋混凝土柱上，上柱截面400mm×400mm，混凝土标号为C25。钢材采用Q235B级，焊条采用E43型。
2、屋架计算跨度：
Lo=27m－2×0.15m=26.7m
3、跨中及端部高度：
端部高度：h′=1900mm（端部轴线处），h=1915mm（端部计算处）。
屋架中间高度h=3025mm。
二、构造形式与布置
屋架形式及几何尺寸如图一所示:

图一 屋架形式及几何尺寸
屋架支撑布置如图二所示:

图二-1 屋架上弦支撑布置图

图二-2 屋架下弦支撑分布图

图二-3 屋架垂直支撑
符号阐明：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）。
三、荷载与内力计算
1、荷载计算
荷载与雪荷载不同步考虑，故计算时取两者较大荷载原则值计算。由资料可知屋面活荷载等于雪荷载，因此取0.5 kN/㎡计算。
原则永久荷载:
防水层、找平层、保温层 1.30kN/㎡
预应力混凝土大型屋面板 1.40kN/㎡
钢屋架和支撑自重 0.12+0.011×27=0.42kN/㎡
总计：3.12kN/㎡`
原则可变荷载:
屋面活荷载 0.50 kN/㎡
积灰荷载 0.60kN/㎡
总计：1.1kN/㎡
2、荷载组合
设计桁架时，应考虑如下三种组合：
① 全跨永久荷载+全跨可变荷载 (按永久荷载为主控制组合) ：
全跨节点荷载设计值：
F=(1.35×3.12+1.4×0.7×0.5+1.4×0.9×0.6) ×1.5×6
=49.122kN
② 全跨永久荷载+半跨可变荷载：
全跨节点永久荷载设计值：
对构造不利时：
F1.1=1.35×3.12×1.5×6=37.908 kN（按永久荷载为主组合）
F1.2=1.2×3.12×1.5×6=33.696kN（按可变荷载为主组合）
对构造有利时：
F1.3=1.0×3.12×1.5×6=28.080kN
半跨节点可变荷载设计值：
F2.1= 1.4×(0.7×0.5+0.9×0.6)×1.5×6
=11.214kN（按永久荷载为主组合）
F2.2=1.4×（0.7+0.9×0.6）×1.5×6
=17.325kN（按可变荷载为主组合）
③ 全跨屋架涉及支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载(按可变荷载为主组合)：
全跨节点屋架自重设计值：
对构造不利时：F3.1=1.2×0.45×1.5×6=4.86kN
对构造有利时：F3.2=1.0×0.45×1.5×6=4.05kN
半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：
F4=(1.2×1.4+1.4×0.5) ×1.5×6= 21.42kN
其中①②为使用阶段荷载状况，③施工阶段荷载状况。计算详图见图三。

图三 桁架计算简图
3、 内力计算
本设计采用程序计算构造在单位节点力作用下各杆件内力系数，见表一。

表一
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
全跨①
左半跨②
右半跨③
F1×①
+F2×②
F1×① +F2×③
F3×① +F4×②
F3×① +F4×③
内力（KN)
上弦
AB
0
0
0
0
0
0
0
0
0
BC，CD
-10.82
-8.15
-2.67
-531.50
-551.36
-456.42
-227.16
-109.78
-551.36
DE，EF
-17.85
-12.87
-4.98
-876.83
-899.63
-762.94
-362.43
-193.42
-899.63
FG，GH
-21.55
-14.66
-6.89
-1058.58
-1070.90
-936.29
-418.75
-252.32
-1070.90
HJ
-22.72
-14.23
-8.49
-1116.05
-1107.80
-1008.36
-415.23
-292.28
-1116.05
IJ，JK
-23.2
-14.72
-8.48
-1139.63
-1134.49
-1026.38
-428.05
-294.39
-1139.63
下弦
ab
5.99
4.59
1.4
294.24
306.59
251.32
127.43
59.10
306.59
bc
14.77
10.89
3.88
725.53
748.57
627.12
305.05
154.89
748.57
cd
19.99
14.03
5.96
981.95
1000.85
861.04
397.67
224.81
1000.85
de
22.34
14.64
7.7
1097.39
1100.50
980.27
422.16
273.51
1100.50
ef
21.86
12.04
9.82
1073.81
1037.26
998.80
364.14
316.58
1073.81
斜腹杆
aB
-11.23
-8.6
-2.63
-551.64
-574.70
-471.27
-238.79
-110.91
-574.7
Bb
8.99
6.62
2.37
441.61
455.48
381.85
185.49
94.46
455.48
bD
-7.71
-5.37
-2.34
-378.73
-385.31
-332.81
-152.50
-87.59
-385.31
Dc
5.85
3.74
2.11
287.36
286.56
258.32
108.54
73.63
287.36
cF
-4.59
-2.52
-2.07
-225.47
-217.66
-209.86
-76.29
-66.65
-225.47
Fd
3.1
1.21
1.89
152.28
138.48
150.26
40.98
55.55
152.28
dH
-1.92
-0.07
-1.85
-94.31
-74.00
-104.83
-10.83
-48.96
-104.83
He
0.67
-1.02
1.69
32.91
7.73
54.68
-18.59
39.46
54.68
-18.59
eg
1.18
3.22
-2.04
57.96
100.52
9.39
74.71
-37.96
100.52
-37.96
gK
1.91
3.95
-2.04
93.82
140.84
37.06
93.89
-34.41
140.84
-34.41
gI
0.67
0.67
0
32.91
37.01
25.40
17.61
3.26
37.01
竖杆
Aa
-0.5
-0.5
0
-24.56
-27.62
-18.95
-13.14
-2.43
-27.62
Cb Ec
-1
-1
0
-49.12
-55.23
-37.91
-26.28
-4.86
-55.23
Gd
-1
-1
0
-49.12
-55.23
-37.91
-26.28
-4.86
-55.23
Jg
-1
-1
0
-49.12
-55.23
-37.91
-26.28
-4.86
-55.23
Ie
-1.5
-1.5
0
-73.68
-82.85
-56.86
-39.42
-7.29
-82.85
Kf
0
0
0
0
0
0
0
0
0

四、杆件截面设计
1、上弦杆：
整个上弦杆采用相等截面，按最大设计内力IJ、JK计算，依照表得：
N= -1139.63KN，屋架平面内计算长度为节间轴线长度，即：=1355mm,本屋架为无檩体系，以为大型屋面板只起刚性系杆作用，不起支撑作用，依照支撑布置和内力变化状况，取屋架平面外计算长度为支撑点间距离，即：=3=4065mm。依照屋架平面外上弦杆计算长度，上弦截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并，如图四所示：

图四 上弦杆

腹杆最大内力N=-574.7KN，查表可知，中间节点板厚度取12mm，支座节点板厚度取14mm。设=60，依照《规范》由双边角钢构成T行和十字形截面均属于b类，查Q235钢轴心受力稳定系数表，=0.807，
则需要截面积：
需要回转半径，
依照A、、查角钢规格表，初选用2∟180×110×12，肢背间距a=12mm，
该截面特性如下：
A=67.42， =3.10cm ， =8.75cm。
按所选角钢进行验算：
＜[]=150
∵＞
∴
=57.89＜
截面在x和y平面皆属b类，由于 ，只需求出，查轴心受压杆稳定系数表得＝0.819,则有:
＜
所需截面适当。
2 、下弦杆:
整个下弦杆采用同一截面，按最大设计值计算，依照表得杆de内力最大N=1100.50KN。计算长度又有:=2700mm,=26700/2=13350mm。
需要截面面积，选用
2∟16010012，采用短肢相并，如图五所示：

图五 下弦杆
该截面特性如下：A= 6011 >5118.60， =28.2mm，=78.2mm。
长细比计算：

满足规定。
3、端斜杆aB：
已知杆件轴力N＝-574.70kN，＝2390mm。由于，故采用不等肢角钢，长肢相并，使≈，选用角钢2 ∟ 1258010 ，如图六所示：

图六 端斜杆
则其截面特性如下：
A＝3942，＝39.8mm，＝33.9mm
对该截面验算如下：，
又由于：
因此：取
由于： ，只需求，查轴心受压杆稳定系数表得=0.692，于是有：
N/<215 N/
所需截面适当。
4、腹杆eg-gK：
此杆在g节点处不断开，采用通长杆件。
最大拉力： ，；
最大压力： ，；
再分式桁架中斜腹杆，在桁架平面内计算长度取节间中心间距：
=2027mm
在桁架平面外计算长度：

选用 2 ∟10010，如图七所示。

图七 腹杆eg-gK
查角钢规格表得:A=3852， =30.5mm，=46.0mm。
对此截面验算如下：
，
又由于：
因此取：
由于： 只需求，查表得=0.630，于是有：
压应力：，满足规定。
拉应力：，满足规定。
5.竖杆Ie：
该杆件N＝-82.85KN， ＝0.8 2801＝2241mm，
由于杆件内力较小，按=[ ]=150选取，需要回转半径为：
， ，
查型钢表，选用2 L 63×8,如图八所示：

图八 中竖杆
其截面特性为：
A=1902 ， =19.0mm ， =31.0mm
对此截面验算如下：
，
由于：b/t=63/8=7.875<0.58/b=0.582801/63=25.787
因此：
由于 ，只需求，查表得=0.463，于是有：

别的各杆件截面选取过程不一一列出，计算成果见表二：

屋架杆件截面选取表 表二
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

上弦
IJ JK
-1139.63
135.50
406.50
2L180×110×12
67.42
3.10
8.75
43.71
57.89
150.00

0.819
206.45
下弦
de
1100.50
270.00
1335.00
2L160×100×12
60.10
2.82
7.82
95.74
170.72
350.00

183.08
腹杆
Aa
-27.62
191.50
191.50
2L63×8
19.02
1.90
3.10
100.79
61.77
150.00
0.463

94.10
aB
-574.70
239.00
239.00
2L125×80×10
39.42
3.98
3.39
60.05
70.50
150.00

0.692
210.68
Bb
455.48
239.00
298.75
2L100×10
38.52
3.05
4.60
78.36
64.95
350.00

118.25
Cb
-55.23
212.70
265.88
2L63×8
19.02
1.90
3.10
111.95
85.77
150.00
0.487

59.63
bD
-385.31
261.50
326.88
2L100×10
38.52
3.05
4.60
85.74
71.06
150.00
0.650

153.89
Dc
287.36
261.50
326.88
2L100×10
38.52
3.05
4.60
85.74
71.06
350.00

74.60
Ec
-55.23
235.20
294.00
2L63×8
19.02
1.90
3.10
123.79
94.84
150.00
0.417

69.64
cF
-225.47
280.90
351.13
2L100×10
38.52
3.05
4.60
92.10
76.33
150.00
0.607

96.43
Fd
152.28
280.90
351.13
2L63×8
19.02
1.90
3.10
147.84
113.27
350.00

80.06
Gd
-55.23
257.60
322.00
2L63×8
19.02
1.90
3.10
135.58
103.87
150.00
0.363

79.99
dH
-104.83
300.80
376.00
2L63×8
19.02
1.90
3.10
158.32
121.29
150.00
0.281

196.14
He
54.68 -18.59
300.80
376.00
2L63×8
19.02
1.90
3.10
158.32
121.29
150.00
0.281

102.31
Ie
-82.85
280.10
350.13
2L63×8
19.02
1.90
3.10
147.42
112.94
150.00
0.317

137.41
eg
100.52 -37.96
202.70
253.38
2L100×10
38.52
3.05
4.60
66.46
55.08
150.00
0.772

33.80
gk
140.84 -34.41
202.70
253.38
2L100×10
38.52
3.05
4.60
66.46
55.08
150.00
0.772

47.36
Kf
0.00
302.50
302.50
2L63×8
19.02
1.90
1.90
159.21
159.21
200.00

0.00
gI
37.01
186.60
233.25
2L63×8
19.02
1.90
3.10
98.21
75.24
350.00

19.46
Jg
-55.23
140.00
175.00
2L63×8
19.02
1.90
3.10
73.68
56.45
150.00
0.728

39.89

五、节点设计
用E43焊条时，角焊缝抗拉、抗压和抗剪强度设计值 。
1、下弦节点“b”：
设“Bb”杆肢背和肢尖焊缝8mm和6mm，各杆件内力由表1查得 ，
则所需焊缝长度为：
肢背：，取＝210mm；
肢尖：，取＝130mm；
设“Db”杆肢背与肢尖焊缝分别为8mm和6mm，则所需焊缝长度为：
肢背：，取＝180mm；
肢尖：，取＝110mm；
竖杆“Cb”，因其内力很小，焊缝尺寸可按构造缝拟定，取焊脚尺寸=5mm。
依照上面求得焊缝长度，并考虑杆件之间应有间隙及制作和装配等误差，按比例绘出接点详图，从而拟定节点板尺寸为390mm×500mm。
下弦杆与节点板连接焊缝长度为500mm，6mm。焊缝所受力在左右两下弦杆内力差△N=748.57-306.59=441.98KN，受力较大肢背处焊缝应力为：

焊缝强度满足规定。
节点板尺寸：依照以上求得焊缝长度，并考虑杆件之间应有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。如图九所示

图九 节点板b尺寸
2 、上弦节点“B”：
斜杆Bb与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b中Bb杆计算相似。
斜杆aB与节点板连接焊缝计算。设“aB”杆肢背与与肢尖焊缝分别为10mm和8mm。又N=574.70KN，则所需焊缝长度为：
肢背:，取＝200mm；
肢尖:，取＝140mm；
为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板上边沿可缩进上弦肢背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，焊缝强度设计值应乘以0.8折减系数，计算时可略去屋架上弦坡度影响，而假定集中荷载F与上弦垂直（节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝必然是安全，因而可不必验算）。
上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆内力差：△N=574.70-0=574.70KN。
设需焊缝长度为530mm，则肢尖：

故焊缝强度满足规定。
节点板尺寸如图十所示：

图十 节点板B尺寸
3 、屋脊节点“K”:
弦杆普通用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间可以密合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。拼接角钢这某些削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧焊缝长度可按弦杆内力计算。
设肢尖、肢背焊缝为10mm，则所需焊缝计算长度为：（一条焊缝）

拼接角钢总长度取700>264.37×2=528.74。
上弦肢尖与节点板连接焊缝，应按上弦内力15%计算。设肢尖焊缝10mm，节点板长度为600mm，则节点一侧弦杆焊缝计算长度为，则焊缝应力为：

故满足规定。
节点板尺寸如图十一所示：

图十一 节点板K尺寸
4 、端部支座节点“a“：如图十二所示：

图十二 支座节点a
为便于施焊，下弦角钢水平肢底面与支座底板距离普通不不大于下弦伸出肢宽度，故可取为160mm。在节点中心线上设立加劲肋，加劲肋高度与节点板高度相似，厚度同端部节点板为14mm。
（1） 支座底板计算：
支座反力R=491.2KN，混凝土强度C25，，所需底板净面积为：

锚栓直径取d=25mm，锚栓孔直径为50mm，则所需底板面积：

按构造规定取底板面积为：，垫板采用
505012，孔径为26mm，
实际底板净面积为： =961-=901.38
底板实际应力：

，查表得：=0.058，则：
=0.0588.69=18004
所需底板厚度，取t=24mm，则底板尺寸为：31031024。
（2）加劲肋与节点板连接焊缝计算：
一种加劲肋连接焊缝所承受内力取为：

加劲肋高度、厚度取与中间节点板相似，设焊缝尺寸为6mm，验算焊缝应力如下

（3）节点板，加劲肋与底板连接焊缝计算：
设底板连接焊缝传递所有支座反力R=491200N，=8mm，则实际焊缝长度为：

焊缝设计应力为：

故满足规定。
六、 梯形屋架施工图（见施工图纸）