钢屋架课程设计计算书.docx

钢屋架课程设计计算书

姓名：戴治
学号：13274026
班级：土木1304
指导教师：刘智敏

目录
一、设计资料及说明 3
二、屋架形式的选定和结构平面布置 3
三、屋架荷载和内力计算 5
四、杆件设计 9
五、节点设计 14

一、设计资料及说明
1．工程地点：北京，设计使用年限：50年
2．工程规模：单层单跨封闭式工业厂房，长度120m，屋架铰支于钢筋混凝土柱上；屋架跨度24m；柱距6m；屋面离地面高度约20m。室内正常环境，吊车起重量20/5t，工作制为A5，无较大的振动设备。
3．屋面作法：选用压型钢板轻型屋面；屋面坡度为1/10；无天窗。
4．自然条件：基本风压为0.45kN/m2，基本雪压为0.40kN/m2，积灰荷载标准值0.50kN/m2，地震设防烈度为8 度，基本地震加速度为0.2g。地面粗糙类别为B 类。
5．材料选用
（1）屋架钢材采用《碳素结构钢》GB/ T700-2006 规定的Q235B。
（2）焊条采用《碳钢焊条》GB/T5117-1999 中规定的E43 型焊条。
（3）普通螺栓应采用性能等级为4.6 级C 级螺栓。锚栓采用《碳素结构钢》GB/T700-2006 中规定的Q235B 级钢制成。
（4）角钢型号按《热轧等边角钢尺寸、外形、重量及允许偏差》GB/T9787-1988和《热轧不等边角钢尺寸、外形、重量及允许偏差》GB/T9788-1988选用。
（5）混凝土为C25。
6．结构及各组成构件形式
（1）钢屋架：梯形钢屋架
（2）屋面板：选用轻型屋面板，材料可选择夹芯板，选用长尺压型钢板、夹芯板时可按图集《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》01J925-1 选用。
（3）檩条及屋盖支撑：计算或从相关标准图集中选用。
7．主要建筑构造做法及建筑设计要求按轻屋面计算。
二、屋架形式的选定和结构平面布置
1．屋架形式和几何尺寸
由于，采用缓坡梯形屋架。
屋架计算跨度：
屋架端部高度取
跨中高度：
屋架高跨比，满足。
屋架起拱度，取50mm。
为使屋架上弦节点受荷，腹杆采用人字式，上弦节点水平间距取1.5m。屋架各杆件几何尺寸见图1。

图1 屋架的几何尺寸
2．屋盖支撑布置
根据车间长度120 米，跨度24 米及荷载情况，设置四道上、下弦横向水平支撑。屋脊处与檐口位置上、下弦处分别各设一道系杆。在屋盖两端开间内的屋脊处与两端支座处设屋架间的垂直支撑。由于有吊车，所以设置下弦纵向水平支撑。

图2 屋架上弦支撑布置

图3 屋架下弦支撑布置

3400

图4（a） 屋架1-1剖面垂直支撑布置
2215

图4（b） 屋架2-2剖面垂直支撑布置
三、屋架荷载和内力计算
1、荷载计算
屋架和支撑重根据经验公式估算，取 ，且因屋架下弦无其他荷载，可以认为屋架和支撑重量全部作用于上弦节点。
屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，从资料可知屋面活荷载为0.5kN/m2 大于雪荷载0.4kN/m2，故取屋面活荷载。由于是轻屋面，需要考虑风荷载的影响。
屋面板选择轻型屋面板，根据《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》01J925-1图集查询，选择夹芯板。先预估算屋面板的受力，恒荷载为0.3kN/m2。活荷载中屋面活荷载为0.5kN/m2，积灰荷载为0.5kN/m2，则活荷载标准值为1.0kN/m2。屋面板所承受的荷载设计值为。板型选为JXB42-333-1000，板厚s为60mm，有效宽度1000mm，檩距取1.5m，支撑条件为简支，则
永久荷载：
屋面板和檩条的自重
屋架和支撑重
共0.79kN/m2
可变荷载：
屋面活荷载
积灰荷载
共1.4kN/m2
2、檩条的设计：
檩条选用实腹式檩条，截面形式选用冷弯薄壁C 型钢C250X70X20X3.0，钢材钢号：Q345 钢。拉条设置：设置一道拉条，拉条作用：约束檩条上翼缘。由于设置了一道拉条，保证了檩条在竖向荷载的作用下的整体稳定性，故不用验算檩条的整体稳定性。檩条计算简图如图5。

图5 檩条计算简图
檩条所受的竖向荷载：
屋面板和檩条自重：0.31kN/m2
可变荷载：1.4kN/m2
则，
按简支梁计算，两个方向弯矩分别是：

跨中正弯矩：
支座负弯矩：
檩条的受弯强度验算：
冷弯薄壁C型钢C250X70X20X3.0 的截面特性为：Ix=1013.01cm4，Wnx=81.04cm3， Wny=12.82cm3，用Mx最大值及其同一截面的My进行计算。
所以，满足要求！
檩条的挠度验算：
由于设有拉条，只验算垂直于屋面坡度的挠度即可。
考虑荷载的组合系数，采用恒载+活载+0.9积灰荷载的荷载标准值组合，则

，满足要求！
3、荷载组合
（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

（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载：
全跨节点永久荷载：

半跨节点可变荷载：

（3）全跨屋架包括支撑+半跨屋面板重和半跨活荷载：
全跨节点屋架和支撑自重：

半跨节点屋面板重和活荷载：

（4）竖向地震作用效应和其他荷载效应组合：

全跨节点地震作用和其他荷载效应的组合：

（5）由于是轻屋面，考虑风吸力的作用：

图6 厂房体型系数
风荷载标准值：
考虑1.0 恒荷载+1.4 风荷载（风吸力）的荷载组合，风吸力结果为：

由于风吸力数值为，说明是压力，且小于竖向荷载组合，可以忽略。
工况（1）（2）为使用荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。
4、内力计算
桁架在上述四种荷载组合作用下的计算简图见图7。

图7 荷载组合作用下的计算简图
采用软件，先计算桁架各杆件的内力系数（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，计算结果见下表。

杆件名称
内力系数（）
第一种组合
第二种组合
第三种组合
第四种组合
计算杆件内力（）
全跨①
左半跨②
右半跨③

+

+

+

+

上弦杆
AB
0
0
0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0
BC、
CD
-8.684
-6.221
-2.463
-171.2
-140.1
-92.8
-94.1
-59.9
-73.6
-171.2
DE、
EF
-13.48
-9.008
-4.772
-265.7
-209.3
-156.0
-140.1
-101.6
-114.3
-265.7
FG、
GH
-15.205
-9.139
-4.472
-299.7
-223.3
-164.5
-148.8
-106.3
-128.9
-299.7
HK
-14.721
-7.361
-7.361
-290.2
-197.4
-197.4
-130.5
-130.5
-124.8
-290.2
下弦杆
ac
4.709
3.467
1.242
92.8
77.2
49.1
51.9
31.6
39.9
92.8
ce
11.480
7.968
3.512
226.3
182.0
125.9
122.0
81.5
97.4
226.3
eq
14.591
9.305
5.286
287.6
221.0
170.3
147.6
111.1
123.7
287.6
gk
15.123
8.411
6.712
298.1
213.5
192.1
141.8
126.3
128.2
298.1
斜腹杆
aB
-8.856
-6.521
-2.335
-174.6
-145.1
-92.4
-97.5
-59.5
-75.1
-174.6
Bc
6.872
4.759
2.113
135.4
108.8
75.5
72.9
48.9
58.3
135.4
cD
-5.436
-3.404
-2.032
-107.1
-81.5
-64.3
-54.4
-42.0
-46.1
-107.1
De
3.704
1.906
1.797
73.0
50.4
49.0
33.3
32.3
31.4
73.0
eF
-2.459
-0.713
-1.746
-48.5
-26.5
-39.5
-17.1
-26.5
-20.9
-48.5
Fg
1.124
-0.441
1.565
22.2
2.4
27.7
0.8
19.1
9.5
27.7
gH
0.014
1.546
-1.531
0.3
19.6
-19.2
14.1
-13.9
0.1
19.6,-19.2
Hk
-1.075
-2.463
1.388
-21.2
-38.7
9.8
-27.0
8.0
-9.1
9.8,-38.7
竖杆
Aa
-0.500
-0.500
0.000
-9.9
-9.9
-3.6
-6.7
-2.2
-4.2
-9.9
Cc、Ee、Gq
-1.000
-1.000
0.000
-19.7
-19.7
-7.1
-13.4
-4.3
-8.5
-19.7
Kk
1.930
0.965
0.965
38.0
25.9
25.9
17.1
17.1
16.4
38.0
支座反力
8
6
2
157.7

注：，，，，，
四、杆件设计
1、上弦杆截面设计
上弦杆的最大内力在FG、GH 节间，最大内力为。
上弦杆计算长度：在桁架平面内，节间轴线长度；在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化，取。

图8 上弦杆截面
因为，故截面选择两个不等肢角钢，短肢相拼，如图8所示。腹杆最大内力，查表可知，节点板厚度选用8mm，支座节点板厚度选用10mm（8mm+2mm，支座节点板比其他节点板厚2mm）。
设，，查表有。
则需要的截面面积为：

相应回转半径：

根据需要的，，，查角钢规格表，选用（短肢相距8mm），参数为：
，，
验算：

刚度要求满足！
由于，查表有

整体稳定性要求满足！
故所选截面合适
2、下弦杆截面设计
下弦杆均按最大内力设计，归并为一种截面。
下弦杆的最大内力在gk节间，最大内力为N= 298.1kN= 298100N
下弦杆计算长度：在桁架平面内，节间轴线长度；在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化，取。因为，故截面选择两个不等肢角钢，短肢相拼，如图9所示。

图9 下弦杆截面
则需要的截面面积为：

选用，参数为：
，，
验算：

刚度要求满足！
3、斜杆截面设计
（1）端斜杆aB截面设计
aB杆件的最大内力为N= -174.6kN= -174600N
斜杆计算长度：在桁架平面内，节间轴线长度；在桁架平面外，。因为，故截面宜选两个不等肢角钢，长肢相并，使。如图10 所示。

图10 端部斜杆截面
选用，参数为：
，，
按所选角钢进行验算：

刚度要求满足！
由于，查表有

整体稳定性要求满足！
（2）腹杆cD
cD 杆件的最大内力为N= -107.1kN= -107100N
斜杆计算长度：在桁架平面内，节间轴线长度；在桁架平面外，。因为，故截面宜选两个等肢角钢，使。如图11 所示。

图11 斜腹杆cD截面
选用，参数为：
，，
按所选角钢进行验算：

刚度要求满足！
由于，查表有

整体稳定性要求满足！
4、竖杆Cc截面设计
Cc 杆件的最大内力为N= -19.7kN= -19700N
斜杆计算长度：在桁架平面内，节间轴线长度；在桁架平面外，。因为，故截面宜选两个等肢角钢，使。如图12 所示。

图12 竖杆Cc截面
选用，参数为：
，，
按所选角钢进行验算：

刚度要求满足！
由于，查表有

整体稳定性要求满足！
其余杆件的截面选择过程类同，计算过程不一一列出，杆件截面选择结果如下表。
杆件
内力设计值/
几何长度/

计算长度/
截面
截面面积A/
回转半径/
长细比
稳定系数
应力
设计值

弦杆
AK
-299.7
1507
1507
4521

（短肢相并）
1727
25.1
75.35
85.2
93.8
-
0.596
199.97
ak
+298.1
3000
3000
6000

（短肢相并）
1387
15.8
43.4
189.6
138.1
-
-
-214.9
斜杆
aB
-174.6
2755
2755
2755

（长肢相并）
2318
23.3
21.6
118.4
128.9
-
0.393
191.9
Bc
+135.4
2755
2204
2755

694
13.8
20.9
159.2
134.2
-
-
195.2
cD
-107.1
3045
2436
3045

1229
19.4
28.2
125.4
111.6
0.409
-
213.0
De
+73.0
3045
2436
3045

694
13.8
20.9
175.9
147.9
-
-
105.2
eF
-48.5
3309
2647
3309

1229
19.4
28.2
136.3
120.7
0.360
-
109.7
Fg
+27.7
3309
2647
3309

694
13.8
20.9
191.2
160.4
-
-
39.9
gH
19.6,
-19.2
3579
2863
3579

1229
19.4
28.2
147.4
130.0
0.317
-
-49.3,
16.0
Hk
9.8,
-38.7
3579
2863
3579

1229
19.4
28.2
147.4
130.0
0.317

-99.4,
8.0
竖杆
Aa
-9.9
2215
2215
2215

668.6
17.5
24.9
126.9
98.2
0.402
-
36.8
Cc
-19.7
2500
2000
2500

668.6
17.5
24.9
114.6
108.6
0.466
-
63.2
Ee
-19.7
2800
2240
2800

668.6
17.5
24.9
128.3
119.7
0.395
-
74.5
Gg
-19.7
3100
2480
3100

668.6
17.5
24.9
142.0
131.0
0.337
-
87.5
Kk
38.0
3400
2720
3400

668.6
17.5
24.9
155.8
142.5
-
-
56.8
注：；（压杆）、350（拉杆）

5、垫板的截面选择
为了保证两个角钢组成的杆件共同作用，应在两角钢相并肢之间，每隔一定距离设置垫板，并与角钢焊住。垫板厚度与节点板相同，为8mm；宽度一般取50~80mm，本设计取60mm；长度应比角钢肢宽大15~20mm，以便于角钢焊接。垫板间距在受压杆件中不大于40i ，在受拉杆件中不大于80i（i为一个角钢最小回转半径）。在杆件的计算长度范围内至少设置两块垫板，如果只在中央设置一块，则垫板处剪力为零而不起作用。各杆件的垫板数量如下表。
杆件
内力设计值/
几何长度/

计算长度/
截面
截面面积A/
最小回转半径/
垫板的数量
垫板的间距/
垫板允许间距
弦杆
AK
-299.7
1507
1507

（短肢相并）
1727
25.1
8
750
1004
ak
+298.1
3000
3000

（短肢相并）
1387
15.8
4
1500
1264
斜杆
aB
-174.6
2755
2755

（长肢相并）
2318
21.6
2
500
864
Bc
+135.4
2755
2204

694
13.8
2
800
1104
cD
-107.1
3045
2436

1229
19.4
3
600
776
De
+73.0
3045
2436

694
13.8
2
800
1104
eF
-48.5
3309
2647

1229
19.4
3
600
776
Fg
+27.7
3309
2647

694
13.8
3
800
1104
gH
19.6,
-19.2
3579
2863

1229
19.4
4
700
776
Hk
9.8,
-38.7
3579
2863

1229
19.4
4
700
776
竖杆
Aa
-9.9
2215
2215

668.6
17.5
2
500
700
Cc
-19.7
2500
2000

668.6
17.5
3
500
700
Ee
-19.7
2800
2240

668.6
17.5
3
550
700
Gg
-19.7
3100
2480

668.6
17.5
3
600
700
Kk
+38.0
3400
2720

668.6
17.5
5
500
1400

五、节点设计
1、下弦一般节点“c”
如图13所示。

图13 下弦一般节点“c”
这类节点的设计步骤是：先根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，然后再根据的大小按比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。
“Bc”杆角钢的肢背和肢尖：
，则取，
，则取，
“cD”杆角钢的肢背和肢尖：
，则取，
，则取，
“Cc”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊缝焊脚尺寸。
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为340mmÍ250mm。
验算下弦杆与节点板连接焊缝强度：下弦与节点板连接的焊缝长度340mm，hf =5mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的各种组合下最大的内力差：

受力较大的肢背处焊缝应力为：

焊缝强度满足要求。
其余下弦节点计算见下表：

节点

放样焊缝

说明
c
92.8
226.3
133.5
340
43.3
hf =5mm
肢尖焊缝的应力变小，定能满足要求。

e
226.3
287.6
61.3
295
23.0
g
287.6
298.1
10.5
285
4.1

2、上弦一般节点“B”
上弦一般节点如图14所示。

“Bc”杆与节点板的焊缝尺寸与节点“c”相同。
“aB”杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算，则“aB”杆角钢的肢背和肢尖：
，则取，
，则取，
为了便于在上弦上搁置檩托，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用塞焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。塞焊缝作为两条角焊缝计算，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去桁架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直，节点荷载由塞焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受。
确定出节点板尺寸为240mmÍ210mm。则上弦与节点板焊缝长度为240mm。上弦肢背槽焊缝。
验算焊缝的强度，上弦肢背塞焊缝内的应力为：

肢尖焊缝内的应力为：

焊缝强度满足要求。
其余上弦节点计算见下表：
节点

放样焊缝

说明
B
171.2
240
12.4
106.3
133.2

D
94.5
220
13.6
64.3
88.2
F
34
195
15.4
26.3
40.9
H
9.5
205
14.6
7.0
10.3

3、下弦中央拼接节点
（1）拼接角钢计算
因节点两侧下弦杆力相等，故用一侧杆力计算。拼接角钢采用与下弦相同截面，下弦的焊缝焊脚尺寸 ，竖直肢应切去，节点一侧与下弦的每条焊缝所需要的计算长度为：=

拼接角钢需要的长度为：，取
（2）下弦与节点板的连接焊缝计算
下弦与节点板的连接焊缝按 15%N计算。取，节点一侧下肢弦肢背与肢尖每条焊缝所需的长度、分别为：
，取
，取
从图中量得肢背、尖焊缝长度为，均满足要求。
4、屋脊节点“K”
（1）拼接角钢计算
拼接角钢采用与上弦相同的截面。设，竖直肢应切去，按上弦杆力计算。

拼接角钢需要的长度为： ，取
（2）上弦与节点板的连接焊缝计算
上弦与节点板之间的塞焊，假定承受节点荷载，可不必验算。上肢肢尖与节点板的连接焊缝应按上弦内力的15%计算，设肢尖焊缝，节点板长度为150mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度>15cm，焊缝应力为：

满足要求！
5、上弦支座节点与竖杆节点
这两个节点的弦杆内力或节点两边弦杆内力差值均等于零，因此弦杆肢背焊缝节点力可不必验算，肢尖焊缝也不受力，采用构造焊缝。
6、支座节点“a”
底板承受屋架支座反力，柱采用 C25 混凝土的轴心抗压强度设计值 。底板需要净截面面积为：

锚栓直径采用d=50mm，栓孔面积为：
底板需要的总面积为：
底板面积取为：，满足要求。
底板承受的实际均布反力为：
节点板和加劲肋将底板分成四块相同的两边支承板，它们对角线长度a，及内角顶点到对角线的距离b分别为：
，
，查表得，两相邻边支撑板单位板宽的最大弯矩为：

所需的底板厚度为：，取20mm
实际底板尺寸为240Í240Í20。
（2）加劲肋与节点板的焊缝计算
焊缝长度等于加劲肋高度，也等于节点板高度。设焊脚尺寸，焊缝长度为400mm，焊缝计算长度，则每块加劲肋近似地按受R/4 计算。
焊缝所受剪力V和弯矩分别为M： --+=

焊缝强度计算：

满足要求！
（3）加劲肋和节点板与底板的焊缝计算
取每块加劲肋与底板的连接焊缝的焊脚尺寸为8mm，则上述零件与底板连接焊缝的总计算长度为：

焊缝应力为：

满足要求！