鋼屋架課程設(shè)計(jì)
鋼屋架課程設(shè)計(jì),屋架,課程設(shè)計(jì)
鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)
一、設(shè)計(jì)資料
溫州地區(qū)某一單跨廠房總長度60m，縱向柱距6m，跨度18m。建筑平面圖如圖1所示。
1.結(jié)構(gòu)形式:
鋼筋混凝土柱，梯形鋼屋架。柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，屋面坡度i=1/10；L為屋架跨度。地區(qū)計(jì)算溫度高于-200C，無侵蝕性介質(zhì)，屋架下弦標(biāo)高為18m；廠房內(nèi)橋式吊車為1臺(tái)30t（中級(jí)工作制）。
2. 屋架形式及材料:
屋架形式、幾何尺寸及內(nèi)力系數(shù)（節(jié)點(diǎn)荷載P=1.0作用下桿件的內(nèi)力）如附圖2所示。屋架采用的鋼材為Q235鋼，并具有機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服點(diǎn)、180℃冷彎試驗(yàn)和碳、硫、磷含量的保證；焊條為E43型，手工焊。
3. 荷載標(biāo)準(zhǔn)值（水平投影面計(jì)）
① 永久荷載：
三氈四油（上鋪綠豆砂）防水層 0.5 KN/m2
水泥砂漿找平層 0.5 KN/m2
保溫層 0.55 KN/m2
一氈二油隔氣層 0.05 KN/m2
水泥砂漿找平層 0.4 KN/m2
預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2
屋架及支撐自重：按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 0.318 KN/m2
懸掛管道： 0.15 KN/m2
② 可變荷載：
屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：
雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值： 0.35KN/m2
積灰荷載標(biāo)準(zhǔn)值： 1.2 KN/m2
廠房平面圖
a. 18米跨屋架幾何尺寸
b . 18米跨屋架全跨單位荷載作用下各桿件的內(nèi)力值
內(nèi)力系數(shù)圖
二、屋蓋支撐布置
1、上弦橫向水平支撐
上弦橫向水平支撐布置在房屋兩端的第二開間，沿屋架上弦平面在跨度方向全長布置?？紤]到上弦橫向水平支撐的間距大于60m,應(yīng)在中間柱間增設(shè)橫向水平支撐。
2、下弦橫向水平支撐
屋架跨度為18m,應(yīng)在上弦橫向水平支撐同一開間設(shè)置下弦橫向水平支撐，且沿屋架下弦在屋架跨度方向全長布置。
3、下弦縱向水平支撐
本廠房設(shè)有1臺(tái)30t(中級(jí)工作制)的橋式吊車，且未設(shè)柱梁，因此，可不設(shè)下弦縱向水平支撐。
4、垂直支撐
垂直支撐應(yīng)設(shè)在上、下弦橫向水平支撐同一開間內(nèi)的兩榀屋架之間。梯形屋架跨度L=18m時(shí)，可僅在跨中和兩端各設(shè)置一道，共三道。
5、系桿
屋脊節(jié)點(diǎn)以及屋架支座處沿廠房設(shè)置通常的剛性系桿，屋架下弦跨中通常設(shè)置一道柔性系桿。
屋蓋支撐布置如圖3所示：
上弦橫向水平支撐
1-1
2-2
下弦橫向水平支撐
三、荷載和內(nèi)力計(jì)算
1、荷載計(jì)算
(1)屋面永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值：
三氈四油（上鋪綠豆砂）防水層 0.5 KN/m2
水泥砂漿找平層 0.5 KN/m2
保溫層 0.55 KN/m2
一氈二油隔氣層 0.05 KN/m2
水泥砂漿找平層 0.4 KN/m2
預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2
屋架及支撐自重：按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 0.318 KN/m2
懸掛管道： 0.15 KN/m2
小計(jì) ∑3.89KN/ m2
(其中，tan a=1/10, cos a=﹚
(1)屋面可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值：
屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：
雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值： 0.35KN/m2
積灰荷載標(biāo)準(zhǔn)值： 1.2 KN/m2
=（屋面活荷載，屋面雪荷載）max +屋面積灰荷載=1.9KN/（沿水平方向分布）
2、荷載組合
﹙1﹚鋼屋架強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，僅考慮全跨荷載作用下工況，即全跨永久荷載+全跨可變荷載。
屋架上弦節(jié)點(diǎn)荷載（由永久荷載效應(yīng)控制的組合）：
F=[1.35×3.89+1.4×（0.7×0.7+1.2×0.9）] ×1.5×6.0=67.05 KN
（其中，1.5m×6m為預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板面積，含灌縫）
屋架上弦節(jié)點(diǎn)荷載（由可變荷載效應(yīng)控制的組合）：
F=﹙1.2×3.89+1.4×1.9﹚×1.5×6.0=65.95 KN
取F=67.05 KN
﹙2﹚屋架撓度計(jì)算時(shí)，僅考慮全跨永久荷載+全跨可變荷載組合：
屋架上弦節(jié)點(diǎn)荷載（由永久荷載效應(yīng)控制的組合）：
=﹙3.89＋1.9﹚×1.5×6.0=52.11 KN
3、桿件內(nèi)力計(jì)算
屋架在全跨滿載荷載作用下的計(jì)算簡圖如圖2所示。
則，全跨滿載作用下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見下表：
內(nèi)力計(jì)算表
桿件名稱
桿件內(nèi)力系數(shù)
全跨永久荷載+全跨可變荷載
F=67.05 KN
P=1
上弦桿
AB
0
0
BD
-6.221
-417.12
DF
-8.993
-602.98
FG
-9.102
-610.29
下弦桿
ac
3.470
232.66
ce
7.960
533.72
eg
9.279
622.16
斜腹桿
aB
-6.502
-435.96
cB
4.739
317.75
cD
-3.362
-225.42
eD
1.834
122.97
eF
-0.690
-46.26
gF
-0.462
-30.98
豎腹桿
aA
-0.5
-33.53
cC
-1.0
-67.05
eE
-1.0
-67.05
gG
0.812
54.44
四、桿件截面設(shè)計(jì)
1、上弦桿
整個(gè)上弦桿采用等截面，按FG桿件的最大設(shè)計(jì)值進(jìn)行內(nèi)力設(shè)計(jì)：
N=-610.29 KN。
計(jì)算長度 =1507.5mm，==2d=2×1507.5=3015mm(按大型屋面與屋架保證三點(diǎn)可靠焊縫考慮，取兩屋面板的寬度)。
最大腹敢壓力為-435.96 KN（aB腹桿），由屋架節(jié)點(diǎn)板厚度參考表可知，支座節(jié)點(diǎn)板厚度取t=12mm,中間節(jié)點(diǎn)板厚度取t=10mm.
因?yàn)?2，截面宜采用 兩個(gè)不等肢角鋼相并，截面類型為b類，如圖所示：
y
x
x
10mm
設(shè)λ=60，查表得，所需面積為:
需要回轉(zhuǎn)半徑為：
根據(jù)需要的A 、ix 、iy ，查角鋼型鋼表，選用2∟140×90×8（短肢相距10mm）,A =36.077 ,ix = 2.59cm, iy =6.73cm.
＜[λ]=150
＜[λ]=150
短肢相并的角鋼，可近似取 =（滿足長細(xì)比）
由=58.02 查得==0.817（b類），則
（滿足要求）
因此，所選截面合適。
2、下弦桿
整個(gè)下弦桿采用同一截面，最大內(nèi)力在eg桿，=622,16 KN 計(jì)算長度=3000mm, =9000mm(縱向水平支撐點(diǎn)系桿與系桿之間的距離)。
所需凈截面面積：
選用2∟125×80×8（短肢相距10mm）,A=31.978,ix =2.28cm, iy =6.07cm.如圖5所示：
10mm
x
x
y
y
(滿足要求)
3、斜桿
（1）aB桿
桿端軸力N=-435.96 KN,計(jì)算長度==2530mm，由于=，故采用不等肢角鋼，長肢相并，即使。所需的凈截面面積為：
選用2∟125×80×8（長肢相距10mm）A=31.978,ix =4.06cm, iy =3.27cm.
對(duì)于y軸要考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，采用換算長細(xì)比。對(duì)于長邊相連的不等肢角鋼：
∴
∵＞＞，只需求出=
∴由=85.8查得（b類），則
（滿足要求）
（2）cB桿
桿端軸力N=317.75 KN, 計(jì)算長度=0.8l=0.8×2613mm=2090.4 mm , =l=2613mm.所需凈截面面積：
選用2∟56×8等肢角鋼（肢相距10mm）A=16.734,ix =1.68cm, iy =2.75cm.
(滿足要求)
（3）cD桿
桿端軸力N=-225.42 KN, 計(jì)算長度 .所需凈截面面積：
選用2∟75×7等肢角鋼（肢相距10mm）A=20.32,ix =2.3cm, iy =3.48cm.
對(duì)于y軸要考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，采用換算長細(xì)比。對(duì)于兩肢相連的等肢角鋼：
∴
∵＞＞，只需求出=
∴ 由=99.62 查得==0.559（b類），則
（滿足要求）
（4）eD桿
桿端軸力N=122.97 KN, 計(jì)算長度 .所需凈截面面積為：
選用2∟56×8等肢角鋼（肢相距10mm）A=16.734,ix =1.68cm, iy =2.75cm.
（滿足要求）
（5）eF桿
桿端軸力N=-46.26 KN, 計(jì)算長度 .所需的截面面積為：
選用2∟56×8等肢角鋼（肢相距10mm）A=16.734,ix =1.68cm, iy =2.75cm.
對(duì)于y軸要考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，采用換算長細(xì)比。對(duì)于兩肢相連的等肢角鋼：
∴
∵＞＞，只需求出=
∴ 由=148.76 查得==0.314（b類），則
（滿足要求）（6）gF桿
桿端軸力N=-30.98 KN, 計(jì)算長度 .所需的截面面積為：
選用2∟56×8等肢角鋼（肢相距10mm）A=16.734,ix =1.68cm, iy =2.75cm.
對(duì)于y軸要考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，采用換算長細(xì)比。對(duì)于兩肢相連的等肢角鋼：
∴
∵＞＞，只需求出=
∴ 由=148.76 查得==0.314（b類），則
（滿足要求）
4、豎桿
cC 桿、eE桿的選用及驗(yàn)算。
（1）eE桿最長,N=-67.05KN,計(jì)算長度 所需的截面面積為：
選用2∟50×8等肢角鋼（肢相距10mm）A=11.375,ix =1.51cm, iy =2.48cm.
對(duì)于y軸要考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，采用換算長細(xì)比。對(duì)于兩肢相連的等肢角鋼：
∴
∵＞＞，只需求出=
∴ 由=137.22 查得==0.354（b類），則
（滿足要求）
（2）aA桿
N=-33.53KN，計(jì)算長度 .所需的截面面積為：
為了便于支撐，選用2∟56×8等肢角鋼（肢相距10mm）A=16.734,ix =1.68cm, iy =2.75cm
對(duì)于y軸要考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，采用換算長細(xì)比。對(duì)于兩肢相連的等肢角鋼：
∴
∵＞＞，只需求出=
∴ 由=94.76 查得==0.593（b類），則
（滿足要求）
（3）gG桿
N=54.44 KN，計(jì)算長度 ,選用2∟56×8等肢角鋼組成的十字型斜截面（肢相距10mm）A=16.734, ，則
（滿足要求）
（滿足要求）
桿件內(nèi)力組合
桿件名稱
桿內(nèi)力
計(jì)算長度
截面形式
規(guī)格
回轉(zhuǎn)半徑
截面積
系數(shù)
KN
弦桿
上弦（FG桿）
-610.29
1507.5
3015
┓│┏
2∟140×90×8
2.59
6.73
36.077
0.817
207.05
下弦（eg桿）
622.16
3000
9000
┛│┗
2∟125×80×8
2.28
6.07
31.978
——
194.56
斜腹桿
aB
-435.96
2530
2530
┓│┏
2∟125×80×8
4.06
3.27
31.978
0.661
206.25
cB
317.75
2090.4
2613
┓│┏
2∟56×8
1.68
2.75
16.734
——
189.88
cD
-225.42
2291.2
2864
┓│┏
2∟75×7
2.30
3.48
20.32
0.559
198.45
eD
122.97
2291.2
2864
┓│┏
2∟56×8
1.68
2.75
16.734
——
73.49
eF
-46.26
2499.2
3124
┓│┏
2∟56×8
1.68
2.75
16.734
0.314
88.04
gF
-30.98
2499.2
3124
┓│┏
2∟56×8
1.68
2.75
16.734
0.314
58.96
豎腹桿
Aa
-30.53
1592
1990
┓│┏
2∟56×8
1.68
2.75
16.734
0.314
33.79
Cc
-67.05
1832
2290
┓│┏
2∟50×6
1.51
2.48
11.376
0.354
166.50
Ee
-67.05
2072
2590
┓│┏
2∟50×6
1.51
2.48
11.376
0.314
166.50
Gg
54.44
2601
2∟56×8
1.68
2.75
16.734
0.314
32.53
五、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
1、腹桿桿端所需連接焊縫計(jì)算
（1）aB桿
N=-435.96KN ,按構(gòu)造要求，取肢背焊縫的焊腳尺寸.取肢尖焊縫的焊腳尺寸。
肢背： 取270mm.
肢尖： 取150mm.
均滿足大于8，小于60，滿足構(gòu)造要求。
（2）cB桿
N=317.75KN ,按構(gòu)造要求，取肢背焊縫的焊腳尺寸.取肢尖焊縫的焊腳尺寸。
肢背： 取210mm.
肢尖： 取100mm.
均滿足大于8，小于60，滿足構(gòu)造要求。
（3）cD桿
N=-225.42 KN ,按構(gòu)造要求，取肢背焊縫的焊腳尺寸.取肢尖焊縫的焊腳尺寸。
肢背：， 取160m.
肢尖：， 取80mm.
均滿足大于8，小于60，滿足構(gòu)造要求。
（4）eD桿
N=122.97 KN ,由于腹桿內(nèi)力較小，所以按構(gòu)造要求焊接，取==5mm，取，取60mm.
（5）eF桿
N=-46.26 KN ,由于腹桿內(nèi)力較小，所以按構(gòu)造要求焊接，取==5mm，取，取60mm.
（6）gF桿
N=-30.98 KN ,由于腹桿內(nèi)力較小，所以按構(gòu)造要求焊接，取==5mm，取，取60mm.
（7）gG桿
N=54.44 KN ,由于腹桿內(nèi)力較小，所以按構(gòu)造要求焊接，取==5mm，取，取60mm.
總上，腹桿端焊縫長度匯總?cè)缦拢?
腹桿桿端焊縫長度
桿件名稱
設(shè)計(jì)內(nèi)力
KN
肢背焊縫
肢尖焊縫
焊縫長度
焊腳尺寸
焊縫長度
焊腳尺寸
aB
-435.96
270
5
150
5
cB
317.75
210
5
100
5
cD
-225.42
160
5
80
5
eD
122.97
60
5
60
5
eF
46.26
60
5
60
5
gF
-30.98
60
5
60
5
gG
54.44
60
5
60
5
cC
-67.05
60
5
60
5
aA
-33.53
60
5
60
5
eE
-67.05
60
5
60
5
2、結(jié)點(diǎn)焊縫驗(yàn)算
（1）支座節(jié)點(diǎn)a
1)支座地板驗(yàn)算。支座處屋架反力：，C30混凝土，，鉚桿直徑取d=25mm,孔徑，
支座底板需要面積：
底板尺寸?。?
鉚栓墊板采用─100mm×100mm×20mm, 孔徑,底板實(shí)際應(yīng)力為：
節(jié)點(diǎn)板、加勁肋將底板分成四塊相同的相鄰兩邊支承板：
根據(jù)幾何關(guān)系，可得 查表得,
底板上的最大彎矩為：
底板厚度為
按照構(gòu)造要求，取底板厚度為t=20mm.
2）加勁肋與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫計(jì)算。加勁肋高度取與節(jié)點(diǎn)板相同，為410mm,厚度也與節(jié)點(diǎn)板相同，取12mm,采用兩側(cè)面角焊縫與節(jié)點(diǎn)板相連，焊腳尺寸取。
假定加勁肋受力為屋架反力的，即,則焊縫內(nèi)力 為：
焊縫應(yīng)力：
（滿足要求）
3）節(jié)點(diǎn)板、加勁肋和底板的連接焊縫計(jì)算。設(shè)焊縫傳遞全部支座反力R=536.4KN ,其中每塊加勁肋個(gè)傳遞R/4=134.1KN。節(jié)點(diǎn)板傳力為R/2=268.2KN.
節(jié)點(diǎn)板與底板的連接焊縫長度 取焊腳尺寸為, 則
（滿足要求）。
加勁肋與底板的焊縫長度，設(shè)焊腳尺寸為，則
（滿足要求）。
4）弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫計(jì)算。a－c桿內(nèi)力N=232.66KN,取肢背，肢尖，所需焊縫長度為：
肢背：，取170mm.
肢尖：，取70mm.
（2）下弦節(jié)點(diǎn)c
下弦與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫承受兩節(jié)間的桿力差為：
ΔN=(533.72-232.66)KN=301.06KN
假設(shè)焊腳尺寸滿足構(gòu)造要求。
一個(gè)角鋼與節(jié)點(diǎn)板之間的焊縫長度為：
肢背：，取220mm.
肢尖：，取90mm.
下弦桿與節(jié)點(diǎn)板滿焊，其實(shí)際長度，大于所需長度，滿足要求。
（3）下弦節(jié)點(diǎn)e
下弦與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫承受兩節(jié)間的桿力差為：
ΔN=(622.16-533.72)KN=88.44KN
假設(shè)焊腳尺寸滿足構(gòu)造要求。
一個(gè)角鋼與節(jié)點(diǎn)板之間的焊縫長度為：
肢背：，取220mm.
肢尖：，取90mm.
下弦桿與節(jié)點(diǎn)板滿焊，其實(shí)際長度l=420mm,滿足要求。
（4）下弦拼接節(jié)點(diǎn)g
下弦拼接桿處的最大桿力為622.16KN，設(shè)焊腳尺寸為5mm,接頭一側(cè)需要的焊縫長度為
拼接角鋼的總長度：
取600mm.
下弦與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫驗(yàn)算，設(shè)，
下弦桿與節(jié)點(diǎn)板滿焊，即實(shí)際焊縫長度尺寸為 200mm,滿足設(shè)計(jì)要求。
（5）上弦節(jié)點(diǎn)A
上弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫承受的荷載及桿件內(nèi)力：P=33.53KN, ΔN=0，上弦桿焊腳尺寸為5mm,因而采用大型屋面板，因此節(jié)點(diǎn)板可以伸出屋架上弦，按實(shí)際焊縫長度（節(jié)點(diǎn)板滿焊）.
肢背焊縫：
（滿足要求）
肢尖焊縫：
（滿足要求）
（6）上弦節(jié)點(diǎn)B
上弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫承受的荷載及桿件內(nèi)力：P=67.05KN,
ΔN=（417.12-0）=417.12KN，上弦桿焊腳尺寸為5mm,因而采用大型屋面板，因此節(jié)點(diǎn)板可以伸出屋架上弦，按實(shí)際焊縫長度（節(jié)點(diǎn)板滿焊）.
肢背焊縫：
（滿足要求）
肢尖焊縫：
（滿足要求）
（7）上弦節(jié)點(diǎn)C
上弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫承受的荷載及桿件內(nèi)力：P=67.05KN, ΔN=0，上弦桿焊腳尺寸為5mm,因而采用大型屋面板，因此節(jié)點(diǎn)板可以伸出屋架上弦，按實(shí)際焊縫長度（節(jié)點(diǎn)板滿焊）.
肢背焊縫：
（滿足要求）
肢尖焊縫：
（滿足要求）
（8）上弦節(jié)點(diǎn)D
上弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫承受的荷載及桿件內(nèi)力：P=67.05KN,
ΔN=(602.98-417.12)=185.86mm，上弦桿焊腳尺寸為5mm,因而采用大型屋面板，因此節(jié)點(diǎn)板可以伸出屋架上弦，按實(shí)際焊縫長度（節(jié)點(diǎn)板滿焊）.
肢背焊縫：
（滿足要求）
肢尖焊縫：
（滿足要求）
（9）上弦節(jié)點(diǎn)E
弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫承受的荷載及桿件內(nèi)力：P=67.05KN, ΔN=0，上弦桿焊腳尺寸為5mm,因而采用大型屋面板，因此節(jié)點(diǎn)板可以伸出屋架上弦，按實(shí)際焊縫長度（節(jié)點(diǎn)板滿焊）.
肢背焊縫：
（滿足要求）
肢尖焊縫：
（滿足要求）
（10）上弦節(jié)點(diǎn)F
上弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫承受的荷載及桿件內(nèi)力：P=67.05KN,
ΔN=(610.29-602.98)=7.31KN，上弦桿焊腳尺寸為5mm,因而采用大型屋面板，因此節(jié)點(diǎn)板可以伸出屋架上弦，按實(shí)際焊縫長度（節(jié)點(diǎn)板滿焊）.
肢背焊縫：
（滿足要求）
肢尖焊縫：
（滿足要求）
（11）上弦拼接節(jié)點(diǎn)G
上弦拼接處最大桿力N=610.29KN,上弦一側(cè)所需焊縫長度l,假設(shè)
每一側(cè)拼接角鋼與上弦所需的焊縫長度
拼接角鋼長度為: ,取620mm.
上弦與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫比較長，且屋脊節(jié)點(diǎn)的桿件內(nèi)力差較小，其焊縫可按構(gòu)
造滿焊。
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