钢屋架专业课程设计二十七米综合项目施工图改完.doc

一、题目：设计某车间钢屋架
二、设计资料
某地一机械加工车间，长90m，跨度L，柱距6m，车间内设有两台40/10T中级工作制桥式吊车，轨顶标高18.5m，柱顶标高27m，地震设计烈度7度。采用梯形钢屋架，封闭结合，1.5×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板（1.4KN/m2），上铺100mm厚泡沫混凝土保温层（容重为1KN/m3），三毡四油（上铺绿豆砂）防水层（0.4KN/m2），找平层2cm厚（0.3KN/m2），卷材屋面，屋面坡度i=1/10，屋架简支于钢筋混凝土柱上，混凝土强度级别C20，上柱截面400×400mm。屋面活荷载原则值0.7KN/m2，积灰荷载原则值0.6KN/m2，雪荷载0.3 KN/m2及风荷载0.35KN/m2。
钢材和焊条选用
依照北京地区计算温度、荷载性质和连接办法，屋架刚材采用 Q235沸腾钢，规定保证屈服强度 fy、抗拉强度 fu、伸长率δ和冷弯实验四项机械性能及硫（S）、磷（P）、碳（C）三项化学成分合格含量。焊条采用 E43型，手工焊。
一、 屋架形式和几何尺寸
屋面材料为预应力混凝土大型屋面板，采用无檩屋盖体系，平坡梯形钢屋架。屋面坡度
屋架计算跨度
屋架端部高度取：。
跨中高度：。
屋架高跨比：。
屋架跨中起拱取50 mm。
为了使屋架节点受荷,配合屋面板1.5m宽，腹杆体系大某些采用下弦节间水平尺寸为3.0m人字形式，上弦节间水平尺寸为 1.5m，屋架几何尺寸如图 1 所示。
图1：27米跨屋架几何尺寸
二、 屋盖支撑布置
依照车间长度、跨度及荷载状况，在车间两端 5.5m 开间内布置上下弦横向水平支撑，在设立横向水平支撑同一开间屋架两端及跨中布置三道竖向支撑，中间各个屋架用系杆联系，在屋架两端和中央上、下弦设三道通长系杆，其中：上弦屋脊节点处及屋架支座出系杆为刚性系杆（图2），安装螺栓采用 C 级，螺杆直径：d=20mm，螺孔直径：d0=21.5mm。

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、 荷载计算
屋面活荷载与雪荷载不会同步浮现，计算时，取较大荷载原则值进行计算。故取屋面活荷载0.7kN/进行计算。屋架沿水平投影面积分布自重（涉及支撑）按经验公式计算，跨度L单位为m,荷载计算成果见表1。
表 1 荷 载 计 算 表
荷载名称
原则值（kN/）
设计值（kN/）
预应力混凝土大型屋面板
1.4
1.4×1.2＝1.68
三毡四油上铺小石子防水层
0.4
0.4×1.2＝0.48
水泥砂浆找平层
0.3
0.4×1.2＝0.48
厚泡沫混凝土保温层
0.1
0.1×1.2＝0.12
找平层
0.5
0.5×1.2＝0.6
屋架和支撑自重
0.12+0.011×27=0.417
0.417×1.2＝0.50
永久荷载总和
3.217
3.805
屋面活荷载
0.7
0.7×1.4＝0.98
积灰荷载
0.6
0.6×1.4＝0.84
可变荷载总和
1.3
1.82
设计屋架时应考虑如下三种荷载组合状况：
6.1.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：

6.2.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：

6.3.全跨屋架（涉及支撑）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载:
全跨节点屋架自重：

半跨节点屋面板自重及活荷载：

6.1、6.2为使用节点荷载状况，6.3为施工阶段荷载状况。
四、 内力计算
由图解法或数解法解得F＝1屋架各杆件内力系数（F＝1作用于全跨、左半跨和右半跨）。然后求出各种荷载状况下内力进行组合，计算成果见表2。
表2 屋架杆件内力组合表
杆件名称
内力系数（F=1）
内力组合值
计算杆内力(kN)
全跨①
左半跨②
右半跨③
第一种组合F×①
第二种组合
第三种组合
F1×①+ F2×②
F1×①+ F2×③
F3×①+ F4×②
F3×①+ F4×③
上弦
AB
0
0
0
0
0
0
0
0
0.0
BC
-9.97
-7.19
-2.79
-446.9
-418.8
-374.5
-120.4
-74.2
-446.9
CD
-9.97
-7.19
-2.79
-446.9
-418.8
-374.5
-120.4
-74.2
-446.9
DE
-15.8
-10.75
-5.06
-708.2
-657.3
-599.9
-184.0
-124.2
-708.2
EF
-16.38
-11.33
-5.06
-734.2
-683.2
-620.0
-192.7
-126.8
-734.2
FG
-16.38
-11.33
-5.06
-734.2
-683.2
-620.0
-192.7
-126.8
-734.2
GH
-18.67
-11.05
-7.62
-836.8
-760.0
-725.4
-200.0
-164.0
-836.8
HI
-19.17
-11.05
-7.62
-859.2
-777.3
-742.8
-202.3
-166.3
-859.2
IJ
-19.17
-11.54
-7.62
-859.2
-782.3
-742.8
-207.4
-166.3
-859.2
下弦
ab
5.36
3.96
1.41
240.2
226.1
200.4
65.7
38.9
240.2
bc
13.31
9.34
3.97
596.6
556.5
502.4
158.0
101.6
596.6
cd
18.24
11.42
6.82
817.5
748.8
702.4
202.0
153.7
817.5
de
17.81
8.9
8.9
798.2
708.4
708.4
173.6
173.6
798.2
斜
腹杆
aB
-10.05
-7.42
-2.63
-450.4
-423.9
-375.6
-123.1
-72.8
-450.4
Bb
7.95
5.57
2.38
356.3
332.3
300.2
94.3
60.8
356.3
bD
-6.47
-4.18
-2.29
-290.0
-266.9
-247.9
-73.0
-53.2
-290
Dc
4.61
2.59
2.02
206.6
186.3
180.5
47.9
42.0
206.6
cf
-3.5
-1.01
-2.49
-156.9
-131.8
-146.7
-26.4
-41.9
-156.9
fG
-2.69
-0.21
-2.49
-120.6
-95.6
-118.5
-14.3
-38.3
-120.6
Ef
0.73
0.73
0
32.7
32.7
25.4
11.0
3.3
32.7
Gd
0.72
-0.93
1.66
32.3
15.6
41.7
-6.5
20.7
-6.5
41.7
dg
1.15
3.13
-1.97
51.5
71.5
20.1
38.0
-15.5
-15.5
71.5
gJ
1.89
3.87
-1.97
84.7
104.7
45.8
49.1
-12.2
-12.2
104.7
Hg
0.67
0.67
0
30.0
30.0
23.3
10.1
3.0
30
竖杆
Aa
-0.5
-0.5
0
-22.4
-22.4
-17.4
-7.5
-2.3
-22.4
Cb
-1
-1
0
-44.8
-44.8
-34.7
-15.0
-4.5
-44.8
Ec
-1.5
-1.5
0
-67.2
-67.2
-52.1
-22.5
-6.8
-67.2
Ff
-1
-1
0
-44.8
-44.8
-34.7
-15.0
-4.5
-44.8
Hd
-1.5
-1.5
0
-67.2
-67.2
-52.1
-22.5
-6.8
-67.2
Ig
-1
-1
0
-44.8
-44.8
-34.7
-15.0
-4.5
-44.8
Je
0
0
0
0
0
0
0
0
0
五、 杆件设计
8.1上弦杆
整个上弦采用等截面，按HI、IJ杆件最大设计内力设计。
N＝-859.2kN
上弦杆计算长度：
在屋架平面内：为节间轴线长度
在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且以为大型屋面板只起到刚性系杆作用，依照支撑布置和内力变化状况，取为支撑点间距离，即

依照屋架平面外上弦杆计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。
腹杆最大内力N＝-450.4kN，查表得，中间节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。
设，查Q235钢稳定系数表，可得（由双角钢构成T型和十字形截面均属于b类），则需要截面积：

需要回转半径：
依照需要A、查角钢规格表，选用2L160×100×10，肢背间距a＝12mm，则A＝36，，
按所选角钢进行验算：
，
满足长细比规定。
由于，只需求，查表＝0.763，则

所选截面适当，上弦截面如图所示：

图7：上弦截面
8.2下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在cd杆计算。
N=817.5kN
，
所需截面积为（因跨中有通长系杆）:

选用2L160×100×10，因故用不等肢角钢，短肢相并。
A＝36，，
，
，因此满足规定。
下弦截面如图：

图8.下弦截面
8.3斜杆
按端斜杆aB最大设计内力设计。
杆件轴力：
计算长度：
由于，故采用等肢角钢，使。选用2L100×10。则:
A＝38.52，，
，
由于，只需求。查表＝0.668，则:
，故所选截面适当。
端斜杆截面如图：

图9.端斜杆截面
8.4腹杆
腹杆cf-fG在f节点处不断开，采用通长杆件。
,
再分式桁架中斜腹杆，在桁架平面内计算长度取节点中心间距，在桁架平面外计算长度：

选用2L110×10，查角钢规格表得
A＝16.32，，
，
由于，只需求。查表＝0.458，则:

再分腹杆截面如图：

图9：再分腹杆截面
8.5竖杆Hd
，，
由于杆件内力较小，按选取，需要回转半径为
，
查型钢表，选截面和较上述计算和略大些。选用2L63×5，其几何特性为：
A＝12.29，，
，
由于，只需求。查表＝0.406，则:

竖杆截面如图：

图10：竖杆截面
别的各杆件截面选取成果见表3。

表3 屋 架 杆 件 截 面 选 择 表
名称
杆件编号
内力/kN
计算长度/cm
截面规格
截面面积/
回转半径/cm
长细比
容许长细比
稳定系数
计算应力

上弦
HI、IJ
-859.2
150.8
452.2
140×90×8
36
2.57
6.67
58.2
66.6
150

0.818
207.6
下弦
cd
817.5
450
1335
140×90×8
36
2.57
6.67
157.9
171.6
350

0.246
161.6
腹
杆
aB
-450.4
253
253
100×10
38.52
3.05
4.60
83.0
55.0
150
0.668

175.0
Bb
356.3
262.2
262.2
100×10
38.52
3.05
4.60
85.9
57.0
150
0.648

142.7
bD
-290
287.3
287.3
100×10
38.52
3.05
4.60
94.2
62.5
150
0.594

126.7
Dc
206.6
287.3
287.3
100×10
38.52
3.05
4.60
94.2
62.5
150
0.594

90.3
cf
-156.9
208.7
393.3
110×10
45.52
3.38
5.00
115.9
78.65
150
0.458

72.3
fG
-120.6
208.7
393.3
110×10
45.52
3.38
5.00
115.9
78.65
150
0.458

57.85
Ef
32.7
189
189
63×5
12.29
1.94
3.04
97.4
62.2
150
0.575

46.3
Gd
-6.5
41.7
326.5
326.5
63×5
12.29
1.94
3.04
168.3
107.4
150
0.254

133.6
dg
-15.5
71.5
224.9
425.9
63×5
12.29
1.94
3.04
115.9
140.1
150

0.341
85.2
gJ
-12.2
104.7
224.9
425.9
63×5
12.29
1.94
3.04
115.9
140.1
150

0.341
85.2
Hg
30
203.5
203.5
63×5
12.29
1.94
3.04
104.9
66.9
150
0.523

46.67
竖
杆
Aa
-22.4
161.2
201.5
63×5
12.29
1.94
3.04
83.1
66.3
150
0.668

27.3
Cb
-44.8
184
230
63×5
12.29
1.94
3.04
94.8
75.7
150
0.588

62.0
Ec
-67.2
208
260
63×5
12.29
1.94
3.04
107.2
85.5
150
0.511

107.0
Ff
-44.8
104
130
63×5
12.29
1.94
3.04
53.6
42.8
150
0.838

43.5
Hd
-67.2
244
305
63×5
12.29
1.94
3.04
125.8
100.3
150
0.406

134.7
Ig
-44.8
122
152.5
63×5
12.29
1.94
3.04
62.9
50.2
150
0.791

46.1

六、 节点设计
采用E43 焊条时，角焊缝抗拉、抗压和抗剪强度设计值为200mpa
9.1下弦节点“b”
设 bB 杆肢背和肢尖焊缝 ，所需焊缝长度为：
肢背：
肢尖：
取，。
设 bD杆肢背和肢尖焊缝 ，所需焊缝长度为：
肢背：
肢尖：
取，。
bC杆内力很小，焊缝尺寸可按构造拟定，取。
依照以上求得焊缝长度，并考虑杆件之间间隙以及制作、装配等误差，按比例作出节点详图（见图11），从而拟定节点板尺寸为280×340mm。下弦与节点板连接到焊缝长度为340mm，，焊缝承受节点左、右弦杆内力差△N＝Nbc-Nab＝596.6-240.2＝356.4kN。验算肢背焊缝强度：

图11：下弦节点“b”
9.2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Ba与节点板连接焊缝计算：N=-450.4kN。
设 “aB”杆肢背与肢尖焊脚尺寸分别为10mm和6mm。所需焊缝长度为
肢背：
肢尖：
取，。
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。槽焊缝作为两条角焊缝计算，槽焊缝强度设计值乘以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P与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内应力由下面计算得到：

肢尖焊缝承担弦杆内力，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载。上弦与节点板间焊缝长度为460mm，则

节点如图：

图12：上弦节点“B”
9.3屋脊节点“J”
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。
N=-859.2kN。设肢尖、肢背焊脚尺寸为 10mm。则需焊缝长度为
,取
拼接角钢长度取 600>2×220=440mm
上弦与节点板间槽焊，假定承受节点荷载，验算略。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,节点板长度为500mm，节点一侧弦杆焊缝计算长度为。
焊缝应力为：

节点形式如图:

图12：屋脊节点“J”
9.4下弦跨中节点“e”
跨中起拱 50mm，下弦接头设于跨中节点处，连接角钢取与下弦杆相似截面2L160×100×10，，焊缝长度：
，取=300mm。
拼接角钢长度。
弦杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力15%计算。
设肢背、肢尖焊脚尺寸为8mm，弦杆一侧需焊缝长度为
肢背：，取=90mm
肢尖，按构造规定，取焊缝长度50mm，取=60mm
节点板宽度是由连接竖杆构造规定所决定，按比例绘出节点详图，从而拟定节点板尺寸。

焊缝强度满足规定。
节点形式如图:

图13：下弦跨中节点“e”
9.5端部支座节点“a”
为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢底面与支座底板净距离取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等，厚度14mm。
（1）支座底板计算
支座反力：
设支座底板平面尺寸采用，如仅考虑有加劲肋某些底板承受支座反力，则承压面积为。验算柱顶混凝土抗压强度：

式中：－混凝土强度设计值，对C20混凝土，。
支座底板厚度按屋架反力作用下弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由板，每块板单位宽度最大弯矩为：

式中：－底板下平均应力，即=8.49。
－两边支承之间对角线长度，即
－系数，由查表拟定。
为两边支承相交点到对角线垂直距离。由此得：

查表得＝0.0546。则单位宽度最大弯矩为：

底板厚度：
，取t＝22mm
因此底板尺寸为mm。
（2）加劲肋与节点板连接焊缝计算
焊缝长度等于加劲肋高度，也等于节点板高度。由节点图得焊缝长度为440mm，计算长度lw＝440-12-15＝413（mm）（设焊脚尺寸hf＝8mm），每块加劲肋近似按承受R/4计算，R/4作用点到焊缝距离为e＝（140-8）/2＝66 mm。则焊缝所受剪力V及弯矩M为：

焊缝强度验算

＝
＝7.99N/mm2＜
满足规定。
（3）节点板、加劲肋与底板连接焊缝计算
设焊缝传递所有支座反力，其中每块加劲肋各传，节点板传递。
节点板与底板连接焊缝长度，所需焊脚尺寸为
，取。
每块加劲肋与底板连接焊缝长度为
所需焊缝尺寸
因此取。
节点形式如图:

图14：端部支座节点“a”
9.6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。
七、 附图
屋架施工图绘制