专业课程设计梯形钢屋架设计跨.doc

梯形钢屋架设计（21m跨）

一、设计资料
某地区某金工车间。采用无檩屋盖体系，梯形钢屋架。跨度为21 m，柱距6 m,厂房长度为144 m，厂房高度为15.7 m。车间内设有两台150/520 kN中级工作制吊车，计算温度高于 -20 ℃。采用三毡四油防水屋面上铺小石子设计荷载原则值0.4 kN/m2，水泥砂浆找平层设计荷载原则值0.4 kN/m2，泡沫混凝土保温层设计荷载原则值0.1 kN/m2，水泥砂浆找平层设计荷载原则值0.5 kN/m2， 1.5 m×6.0 m预应力混凝土大型屋面板设计荷载原则值1.4 kN/m2。屋面积灰荷载0.35 kN/m2，屋面活荷载0.35 kN/m2，雪荷载为0.45 kN/m2，风荷载为0.5 kN/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，柱截面为400 mm×400 mm，砼标号为C20。

二、屋架形式、尺寸、材料选取及支撑布置
1、钢材及焊条选取
依照建造地区（北京）计算温度和荷载性质及连接办法，钢材选用Q235-B。焊条采用E43型，手工焊。
2、屋架形式及尺寸
本设计采用无檩屋盖，＝1/10，采用梯形屋架。
屋架跨度为=21000 mm
屋架计算跨度为＝-300＝20700 mm，
端部高度取＝ mm ，（1/16 ～ 1/12），（普通取为2.0 ～2.5 m）
中部高度取＝+0.5＝ + 0.1×21000/2＝3050 mm，

屋架杆件几何长度见附图1所示，屋架跨中起拱42 mm（ = /500考虑）。
为使屋架上弦承受节点荷载，配合宽度为1.5 m屋面板，采用上弦节间长度为3.0 m。

附图1：屋架杆件几何长度（单位：mm）
3、屋盖支撑布置
依照车间长度、屋架跨度和荷载状况，设立四道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，为统一支撑规格，厂房两端横向水平支撑设在第二柱间。在第一柱间上弦平面设立刚性系杆保证安装时上弦杆稳定，第一柱间下弦平面也设立刚性系杆以传递山墙风荷载。在设立横向水平支撑柱间，于屋架跨中和两端共设四道垂直支撑。在屋脊节点及支座节点处沿厂房纵向设立通长刚性系杆，下弦跨中节点处设立一道纵向通长柔性系杆，支撑布置见附图2。图中与横向水平支撑连接屋架编号为GWJ-2，山墙端屋架编号为GWJ-3，其她屋架编号均为GWJ-1。

附图2：屋面支撑布置图（单位：mm）

三、荷载和内力计算
1、荷载计算
屋架和支撑自重按照经验公式=(0.12+0.011)=(0.12+0.011×21)≈0.35 kN/m2

荷载计算汇总表

项目名称
原则值kN/m2
设计值kN/m2
备注
1
防水层（三毡四油）
0.4
0.48
沿屋面坡向分布
2
水泥砂浆找平层
0.4
0.48
沿屋面坡向分布
3
泡沫砼保温层
0.1
0.12
沿屋面坡向分布
4
水泥砂浆找平层
0.5
0.6
沿屋面坡向分布
5
预应力混凝土大型屋面板
1.4
1.68
沿屋面坡向分布
6
屋架和支撑自重
0.35
0.42
沿水平分布

恒荷载合计
3.15
3.78

7
屋面均布活荷载
0.35
0.49
沿水平面分布，计算中取两者中较大值
8
雪荷载
0.45
0.63
9
积灰荷载
0.35
0.49

活荷载合计
0.8
1.12

由于屋面坡度不大，对荷载影响较小，未予考虑。风荷载为吸力，重屋盖可不考虑。

2、荷载组合
计算屋架杆内力时，应考虑如下三种荷载组合：
①正常使用阶段：
“全跨恒荷载+全跨屋面均布活荷载”和“全跨恒荷载+半跨屋面均布活荷载”，恒荷载和活荷载引起节点荷载设计值及分别为：
＝3.78×1.5×6＝34.02 kN
＝1.12×1.5×6＝10.08 kN
②施工阶段：
“全跨屋架及支撑自重+半跨屋面板+半跨屋面活荷载”，这时只有屋架及支撑自重是分布于全跨恒荷载，而屋面板自重及施工荷载（取屋面活荷载与雪载数值较大）即也许出当前左半跨，也也许出当前右半跨，取决于屋面板安装顺序。当从屋架两端对称安装屋面板时，则不必考虑此种荷载组合。施工阶段恒荷载和活荷载引起节点荷载设计值和分别为：

＝0.42×1.5×6＝3.78 kN
＝（1.68+0.63）×1.5×6＝20.79 kN

3、内力计算
一方面计算出荷载作用下各杆力系数。依照算得节点荷载（、）和杆力系数，计算各杆件内力并组合得出各杆件最不利内力组合。

杆力系数计算模型

四、杆件截面选取
1、上弦某些：
最大内力杆件：FG = -537.14 KN、GH = -537.14 KN
屋架上弦截面统一不变，取上弦最大设计杆力计算。l0x＝1508 mm(屋架平面内)，l0y＝l1＝3000 mm(屋架平面外)（考虑大型屋面板能起到一定支撑作用，故普通取两块屋面板宽度，但不不不大于3.0 m，未考虑屋面板之间灌缝解决宽度）。依照计算，腹（斜）杆最大设计内力NaB＝ -337.37 kN，查表（课程设计指引书 表5）,得中间节点板厚度t＝10 mm，支座节点板厚t＝12 mm。选取跨中斜腹杆截面时均按压杆考虑并控制长细比不不不大于150,即：[λ]＝150。
按稳定条件计算所需毛截面面积：查（《钢构造》第二版 武汉理工大学出版社）表5.3知由双角钢构成T形和十字形截面均属b类。角钢厚度16 mm，取＝215 N/mm2 ，假设λ＝80，由附表4-2查得＝0.710，需要截面面积：

需要回转半径为

上弦采用两不等边角钢以短边相连构成T形截面。依照需要、、查附表7-5，选用2∟140×90×10（短边相连）：＝44.6 cm2，＝2.56 cm，＝6.77 cm（节点板厚10 mm）。
验算 ，=0.826
故
验算对称轴y稳定承载力：

换算长细比
查附表4-2，＝0.794；故，
因此满足规定。

填板间距为，，

2、下弦某些：
最大内力杆件：cd = -527.88 KN
屋架下弦截面统一不变，取下弦最大设计杆力计算。＝3000 mm，＝20700/2＝10350 mm，需要净截面面积为：

选用2∟140×90×10（短边相连）：＝44.6 cm2，＝2.56 cm，＝6.77 cm
验算：在节点设计时，将位于下弦杆连接支撑螺栓孔设立在节点板范畴内且使螺栓孔中心距节点板边沿距离≥100 mm，故计算杆件强度可不考虑截面削弱，按毛截面验算（[λ]＝350，查表5.1）

故
因此满足规定。
填板间距为，，

3、端斜杆某些：
最大内力杆件：aB = -337.37 KN

＝2575 mm，＝2575 mm，需要净截面面积为

选用2∟140×90×8（长边相连）：＝36 cm2，＝4.50 cm，＝3.63 cm ，[λ]＝150（查表5.2）
验算：

换算长细比
查附表4-2，＝0.692；故
因此满足规定。
设2块填板，间距为，，

4、斜腹杆某些：
杆件内力：dH = -46.82 KN
＝3399 mm，＝3399 mm，需要净截面面积为

选用2∟80×5：＝15.82 cm2，＝2.48 cm，＝3.63 cm ，[λ]＝150（查表5.2）
验算：

换算长细比，查附表4-2，

＝0.584；故

因此满足规定。
设2块填板，间距为，，

5、竖杆某些：
杆件内力：Gd = -42.78 KN
杆件截面统一不变，＝0.8＝0.8×2898 = 2318 mm，＝＝2898 mm，
选用2∟80×5：＝15.82 cm2，＝2.48 cm，＝3.63 cm ，[λ]＝150（查表5.2）
验算：

换算长细比，查附表4-2，

＝0.665；故
因此满足规定。
设2块填板，间距为，，

别的各杆详细参数选取见下表。连接垂直支撑竖腹杆，使连接不偏心，宜采用两个等边角钢构成十字形截面，其斜平面计算长度为＝，其他腹杆除A a和B a外，＝。

共有3种规格角钢。

五、节点设计
在拟定节点板形状和尺寸时，需要腹杆与节点板间连接焊缝长度。先算出各腹杆杆端需要焊缝尺寸。其计算公式为：
角钢肢背所需焊缝长度：
角钢肢尖所需焊缝长度：
如斜腹杆a B，设计杆力N＝337.37 kN，设肢背与肢尖焊脚尺寸各为，。因a B杆系为2∟140×90×8不等边角钢，并长肢相连，取，。则：

其他腹杆所需焊缝长度计算成果见下表。

因其她腹杆受力较小，焊缝长度可以按照构造取值：，

1、下弦节点“b”
按计算B b、b D杆所需焊缝长度，按比例绘制节点详图，从而拟定节点板形状和尺寸（附图）。焊脚尺寸，焊缝承受节点相邻弦杆内力差。
肢背焊缝长度：
肢尖焊缝长度：
即可满足规定。填板宽度需满足，还需满足斜腹杆焊缝长度规定，故取填板宽度为510 mm。
验算肢背焊缝强度：

满足规定。
肢尖某些焊缝应力更小，也可满足规定。竖杆b C下端应伸至距下弦肢尖20 mm处，并沿肢尖和肢背与节点板满焊。

下弦 b节点

2、上弦节点“B”
按上表所列腹杆B a、b B所需焊缝长度，节点板缩进上弦角钢背，缩进7 mm，按比例绘制节点详图，从而拟定节点板形状和尺寸（附图）。焊脚尺寸，焊缝承受节点集中荷载垂直于屋面分量及相邻弦杆内力差，事实上因不大，可按构造满焊。假设

验算焊缝强度：查表得出

满足规定。

上弦节点“B”

3、下弦中央拼接节点“e”
（1）拼接角钢计算
因节点两侧下弦杆内力相等，使用一侧弦杆内力代入计算即可。拼接角钢采用与下弦相似截面2∟140×90×10，设与下弦焊缝焊脚尺寸，竖直肢应切去，节点一侧与下弦每条焊缝所需计算长度为：

拼接角钢需要长度为：

为保证拼接节点处刚度，故取。
（2）下弦与节点板连接焊缝计算
下弦与节点板连接焊缝按代入计算。取焊脚尺寸，节点一侧下弦肢背和肢尖每条焊缝所需长度、分别为：
肢背焊缝长度：

肢尖焊缝长度：

下弦节点“e”

4、屋脊节点“H”
（1）拼接角钢计算
按上弦杆内力计算拼接角钢与上弦焊缝。拼接角钢采用与上弦相似截面2∟140×90×10，设与上弦焊缝焊脚尺寸，竖直肢应切去，节点每侧与上弦每条焊缝所需计算长度为：

拼接角钢需要长度为：

为保证拼接节点处刚度,故取。
（2）上弦与节点板间焊缝计算
上弦与节点间在节点两侧共8条焊缝，共同承受节点荷载P与两侧上弦内力合力。由于屋架采用1：10放坡，坡度过小可以近似地以为，该合力数值为：

设焊脚尺寸，每条焊缝所需要长度为：

屋脊节点“H”

5、支座节点“a”
（1）底板计算：
底板承受屋架支座反力,柱采用C20砼，砼轴心抗压强度设计值，所需底板净面积为：

锚栓直径，锚栓孔布置为50 mm，栓孔面积为：

所需底板面积为
按构造规定采用底板面积为，锚栓垫板采用-100×100×20，孔径26 mm 。
底板承受实际应力：

，查表5.8，则

所需底板厚度：

按照构造取，底板尺寸为 -400×400×20。
（2）加劲肋与节点板焊缝计算：
焊缝长度等于加劲肋高度，也是节点板高度，厚度取节点板厚度。拟定加劲板断面为-532×195×12，设焊脚尺寸，焊缝计算长度，每个加劲肋近似传递支座反力1/4。则焊缝所受剪力V及弯矩M为：

焊缝强度验算

满足规定。

（3）加劲肋、节点板与底板焊缝计算：
设，实际焊缝总长度：

验算：

满足规定。

支座节点“a”

6、节点板计算
（1）节点板在受压腹杆压力作用下计算
所有无竖杆相连节点板，受压腹杆杆端中点至弦杆净距离c与节点板厚度t之比，均不大于或等于10。所有与竖杆相连节点板，c/t均不大于或等于15，因而节点板稳定均能保证。
（2）所有节点板在拉杆拉力作用下，也都满足规定，因而节点板强度均能保证。此外，节点板边沿与腹杆轴线间夹角均不不大于15°，斜腹杆与弦夹角均在30°~ 60°之间，节点板自由边长度与厚度之比均不大于60，都满足构造规定，节点板均安全可靠。

7、屋架施工图见附图
各零件尺寸及所需长度详见附图。