钢结构课程设计-焊接梯形钢屋架设计.doc

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淮北广播电视大学
《钢结构课程设计》

专业：2013土木工程春
学号：1334001205422
姓名：唐旭

一、设计题目：焊接梯形钢屋架设计
二、目的：通过课程设计掌握屋盖系统结构布置方法。运用有关力学和本课程所学的知识，对钢屋架进行内力分析、杆件截面设计和节点设计。培养学生解决实际问题的能力。
三、设计资料：
1. 某单层单跨工业厂房，跨度L(18 m，21 m，24 m)，长度102 m。
2. 厂房柱距6 m，钢筋混凝土柱，混凝土强度等级C20，上柱截面尺寸400400，钢屋架支承在柱顶。
3. 吊车一台150 T，一台30 T，吊车平台标高+12.000 m。
4. 荷载标准值（水平投影面计）
5. 屋架计算跨度，几何尺寸及屋面坡度见附图1。
6. 钢材3号钢、角钢、钢板各种规格齐全；有各种类型的焊条荷C级螺栓可供选用。
7. 钢屋架的制造、运输荷安装条件：在金属结构厂制造，运往工地安装，最大运输长度16 m，运输高度3.85 m，工地有足够的起重安装条件。

结构形式与布置
屋架几何尺寸及屋架全跨上弦节点单位荷载作用下构件内力系数见图1

图1(a) 18米跨屋架几何尺寸

图1(b) 18米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值

图1(c) 18米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值
屋盖支撑布置
根据支撑布置原则，有桥式吊车且吊车平台较高时应布置上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑以及垂直支撑。具体支撑位置如下页图2所示。

支撑代号：
屋架上弦横向水平支撑 sc 屋架下弦横向水平支撑 xc
屋架下弦纵向水平支撑 zc 垂直支撑 cc
刚性系杆 LG1 柔性系杆 LG2
四、荷载和内力计算
1、荷载计算
按屋面做法，以知各荷载标准值算出永久荷载设计值：对于永久性荷载，按公式 设计值=1.2X荷载标准值；对于可变荷载，按公式 设计值=1.4X荷载标准值。同时按屋面活载及雪荷载两者中取大值的原则，算出可变荷载的设计值。计算可列表1进行。
序号
荷载名称
标准值（KN/㎡）
设计值（KN/㎡）
备 注
1
防水层（三毡四油，上铺绿豆沙）
0.5
0.6

2
找平层（2㎝厚水泥砂浆）
0.8
0.96

3
预应力钢筋砼大型屋面板（1.5×6.0 m）
1.3
1.56

4
屋架自重（包括支撑重）
0.318
0.3816
q=0.12+0.011L（L=21m）
5
保温层
0.4
0.48

6
一毡二油隔气层
0.05
0.06

永久荷载总重g
3.418
4.1016

7
屋面活载
0.7
0.98

8
雪荷载
0.35
0.49

9
积灰荷载
1.3
1.82

可变荷载总重p
2.35
2.80
取7、8中大值+9值
表1 荷载汇集表
2、荷载组合
设计屋架时应考虑三种组合：
(1) 全跨永久荷载+全跨可变荷载；
P=(4.1016+2.8)×1.5×6=62.29KN
(2) 全跨永久荷载+半跨可变荷载；
P =4.1016×1.5×6=36.9144KN
P=2.8×1.5×6=25.2KN
(3) 全跨屋架支撑自重+半跨屋面板重+半跨可变荷载重；
P=0.3816×1.5×6=3.4344KN
P=（1.56+2.8）×1.5×6=39.24KN
3、内力计算
本实际采用程序计算杆件在单位节点作用下各杆件的内力系数，见表2。由表内三种组合可见：组合一，对杆件计算主要起控制作用；组合二和组合三，可能引起跨中几根斜腹杆发生内力变号。如果施工过程中，在屋架两侧对称均与铺设面板，则可避免内力变号而不用组合三。

22

杆件名称
编号
内力系数（F=1）
第一种组合
第二种组合
第三种组合
选定内力(KN)
左半跨（1）
右半跨（2）
全跨（3）
P×（3）
P×（3）+ P×（2）
P×（3）+ P×（1）
P×（3）+ P×(1)
P×（3）+ P×（2）
上
弦
杆
AB
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.00
BD
-4.371
-1.850
-6.221
-386.414

-386.414
DF
-5.636
-3.357
-8.993
-558.595

-558.595
FG
-6.861
-5.319
-12.180
-758.692

-565.365
下
弦
杆
ac
2.537
0.933
3.470
215.537

215.537
ce
5.325
2.637
7.962
495.555

495.555
eg
5.312
3.967
9.279
576.360

576.360
斜腹杆
aB
-4.757
-1.748
-6.502
-403.868

-403.868
Bc
3.158
1.581
4.739
294.360

294.360
cD
-1.862
-1.520
-3.382
-210.071

-210.071
De
0.540
1.344
1.884
117.024
83.155
103.416

117.024
eF
0.615
-1.305
-0.690
-42.859
-9.973
-32.886
21.763
-53.578
-53.578
Fg
-1.632
1.170
-0.462
-28.697
-58.181
12.430
-65.626
44.324
-65.626
竖
杆
Aa
-0.500
0.000
-0.500
-31.057

-31.057
Cc
-1.000
0.000
-1.000
-62.114

-62.114
Ee
-1.000
0.000
-1.000
-62.114

-62.114
Gg
0.406
0.406
0.812
50.437

50.437

表2 屋架杆件内力组合表
五、杆件截面设计
节点板厚：
支座斜杆的最大内力设计值，N=-403.868KN，由屋架节点板厚度参考可知：支座节点板厚t=12mm;中间节点板厚t=10mm.
1、上弦杆
整个上弦杆采用相同截面，按最大内力计算。杆FG内力最大：N=-565.365KN
计算长度：屋架平面内取节间轴线长度=150.75㎝.屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面能起到一定的支撑作用，取上弦横向水平支撑的节间长度=301.5㎝ 。由于2=，故选用两个不等肢角钢，且短肢并联。
设=80，查轴心受力稳定系数表，=0.688
需要截面面积A=
需要回转半径

根据需要的A、、 查角型钢表，初选2∠100×80×7（短肢相并），见图3

图3上弦杆截面

A=49.204㎝
按所选角钢进行验算

由于b/t=140/10=14>0.56=0.56×3015/140=12.06
则：
由于>>,只需求出，查轴心受力稳定系数表，=0.791

所选截面合适
2、下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算.杆eg内力最大，N=576.360 KN
计算长度：屋架平面内取节间轴线长度=300㎝
屋架平面外根据支撑布置取=885㎝
计算需要净截面面积
选用2∠100×80×7(短肢相并），见上图3
A=49.024㎝
按所选角钢进行截面验算，取=A
（若螺栓孔中心至节点板边缘距离大于100mm，则可不计截面削弱影响）

所选截面满足要求。
3、端斜杆aB
已知N=-403.868KN
计算长度==253cm
由于=，故选用两个不等肢角钢，且长肢并联。
设=80，查轴心受力稳定系数表，=0.688
需要截面面积A=
需要回转半径

根据需要的A、、 查角型钢表，初选2∠100×80×70（长肢相并），见上图3
A=34.334㎝
按所选角钢进行验算

由于b/t=80/10=8<0.48/b=0.48×2530/80=15.2
则：
由于>>,只需求出，查轴心受力稳定系数表，=0.517

所选截面合适
4、斜腹杆Bc
已知N=294.360KN
计算长度：屋架平面内取节间轴线长度
=0.8l=0.8×261.3=209.04cm
屋架平面外根据支撑布置取=l=261.3㎝
计算需要净截面面积
选用2∠75×7 见图4

图4 斜腹杆Bc截面
A=20.32㎝
截面验算

5、竖杆Gg
已知N=50.437KN
计算长度：屋架平面内取节间轴线长度
=0.9l=0.9×289=260.1cm
屋架平面外根据支撑布置取=l=289㎝
选用2∠63×8 见图5

图5 竖杆Gg截面
A=19.03㎝

所选截面合适

其余各杆截面选择过程不一一列出，计算结果见下表2

杆件
计算内力（KN）
截面
规格
截面面积（cm）
计算长度（cm）
回转半径（cm）
长细比
容许长细
比
确定系数
应力（N/mm）
填板（块）
名称
编号
l
l
i
i

上弦杆
FG
-565.365
短肢相并2∠100×80×7
49.204
150.75
301.5
2.39
4.79
62.9

0.791
145.26

下弦杆
eg
576.360
短肢相并2∠100×80×7
49.204
300
885
2.39
4.79
184.8

117.14

斜腹杆
aB
-478.636
长肢相并2∠100×80×7
34.334
253
253
2.39
4.79
105.9

0.517
158.76

Bc
294.360
T型2∠75×7
20.32
209.04
261.3
2.30
3.48
90.9

144.86

cD
-210.071
T型2∠75×7
20.32
229.12
286.4
2.30
3.48
99.6

0.558
185.27

De
117.024
T型2∠56×8
16.73
229.12
286.4
1.68
2.75
104.2

69.93

eF
-53.578
T型2∠90×8
27.888
249.92
312.4
2.76
4.09
83.0

0.668
62.82

Fg
-65.626
T型2∠63×8
19.03
249.92
312.4
1.90
3.02
131.5

0.380
90.75

竖杆
Aa
-31.057
T型2∠63×8
19.03
199
199
1.90
3.02
104.7

0.526
37.02

Cc
-62.114
T型2∠63×8
19.03
183.2
229
1.90
3.02
196.4

0.579
56.37

Ee
-62.114
T型2∠63×8
19.03
207.2
259
1.90
3.02
109.1

0.499
65.41

Gg
50.437
T型2∠63×8
119.03
260.1
260.1
1.90
3.02
136.8

26.50

表3 屋架杆件截面选择表

六、杆件节点设计
重点设计“a”、“c ”、“E”、“H”四个典型节点，其余节点设计类同。采用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和剪切强度设计值=160N/mm,最小焊缝长度不应小于8和40mm.
1、下弦节点“c”（图6）
图6 下弦节点c
（1）斜杆Bc与节点板的连接焊缝计算
N=294.360KN
设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：
肢背：
取实际焊缝长度200mm
肢尖：
取实际焊缝长度100mm
（2）斜杆cD与节点板的连接焊缝计算
N=-210.071KN
设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：
肢背：
取实际焊缝长度150mm
肢尖：
取实际焊缝长度80mm
（3）竖杆Cc与节点板的连接焊缝计算
N=-62.114KN
设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：
肢背：<
取实际焊缝长度60mm
肢尖：
取实际焊缝长度60mm
(4)节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的
间隙和制作配装等误差，按比例作出构造详图，从而定出节点尺寸410×320 mm。如图6所示
(5)下弦杆与节点板连接焊缝验算：焊缝受力为左右下弦杆内力差
△N=495.555-215.337=280.218KN
设焊缝尺寸为=5mm,
肢背焊缝验算：
满足要求，故所选节点板符合。
2、 上弦节点B

图7 上弦节点B

(1)斜杆Bc与节点板的连接焊缝计算
与下弦节点c中Bc杆计算相同。焊缝尺寸为5mm,肢背实际焊缝长度150mm,肢尖实际焊缝长度80mm。
(2)斜杆Ba与节点板的连接焊缝计算
N=-403.868KN
设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：
肢背：
取实际焊缝长度270mm
肢尖：
取实际焊缝长度150mm
(3) 节点板尺寸：由腹板焊缝长度及构造要求暂定尺寸360×260mm(如图7)
(4)上弦杆CDE与节点板的连接焊缝验算
为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背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，计算时略去屋架上弦坡度的影响，假定集中荷载P=62.1144弦垂直。
肢背焊缝验算：=0.5t=5mm
肢尖焊缝验算：设=8mm l-2=450-12=438mm
△ N=386.414KN

满足要求，故所选节点板符合
3、 屋脊节点G
（1）中竖杆Gg与节点板的连接焊缝验算
N=50.437KN
设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：
肢背：
取实际焊缝长度50mm
肢尖：

取实际焊缝长度50mm
（2）上弦杆与拼接角钢连接焊缝计算
上弦杆一般用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的棱角削圆并切去垂直肢的一部分宽度△=t++5=10+6+5=21mm。角钢这部分削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力计算。
N=-565.365KN
设肢背、肢尖焊缝尺寸=6mm，则所需焊缝长度为
取250mm
拼接角钢长度取2×250+50=550mm
（3）上弦杆与节点板的连接焊缝计算
肢背焊缝验算：按槽焊缝计算 =0.5t=5mm P=62.29KN
由得

故弦杆一侧角钢背部取实际焊缝长度130mm
肢尖焊缝验算：设=6mm △N=0.15N=0.15×565365=84.80475KN
由及 代入
解得，=180mm
故弦杆一侧角钢趾部取实际焊缝长度200mm
(4) 节点板尺寸：由腹板及上弦板焊缝长度及构造要求定尺寸 (如下图)

图8 屋脊节点G
4、端部支座节点
(1)下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算
①竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=-31.057KN，设焊缝=6mm
肢背：

取实际焊缝长度50mm
肢尖：

取实际焊缝长度50mm
②斜杆Ba与节点板的连接焊缝计算，N=478.636KN 设焊缝=6mm
肢背：

取实际焊缝长度270mm
肢尖：

取实际焊缝长度120mm
③下弦杆与节点板的连接焊缝计算，N=255.389KN 设焊缝=8mm
肢背：

取实际焊缝长度130mm
肢尖：
取实际焊缝长度60mm。
（2）节点板尺寸：
由腹板及下弦杆焊缝长度及构造要求定尺寸。(如图9)

（3）底板尺寸及厚度
支座反力R=（62..1144×13+0.5×62.1144×2）/2=372.6864KN，设底板上开口锚栓的直径为40mm，底板承压面积为A。
构造要求底板的平面尺寸最小约为240mm×240mm，故先假定底板尺寸为25mm×250mm。
底板厚度可按相邻两边支承的矩形板a×b由柱顶的均布反力q=R/A=确定。板中单位宽度的弯矩为
M=qa=0.058×6.08× (由=1/2查表确定)
其中=2502=177mm ，=2=89mm
板的厚度为t
又t最小厚度为20mm故取t=20mm（如图9）

图9 端部支座节点“a”和底板尺寸
(4)底板与节点板、加劲肋板底端的角焊缝连接验算：
底板与节点板、加劲肋板底端的角焊缝总长度,设焊缝尺寸为10mm

满足要求。
（5）加劲肋板与节点板的连接焊缝
取加劲肋厚度与节点板厚度一样t=12mm，取其高度与节点板高度一样h=500mm
加劲肋板与节点板的竖向连接焊缝同时承受剪力V和弯矩M，可近似取
V=
M=V×b/2=93171.6×62.5=5823225N.mm
设焊缝尺寸为=6mm

加劲肋高度满足要求。
5、跨中节点g
弦杆一般用于下弦杆同号角钢进行拼接，并采取削圆棱角各切去垂直宽度等构造处理，拼接接头一侧的连接焊缝长度按下弦杆等强度计算，设焊缝＝6mm。取拼接角钢长度L＝700mm。
（1）斜杆Fg与节点板的连接焊缝计算
N=-65.626KN
设焊缝尺寸为=5mm,所需焊缝长度为：
肢背：
取实际焊缝长度60mm
肢尖：
取实际焊缝长度60mm
（2）斜杆Gf’与节点板的连接焊缝计算与斜杆Fg相同，肢背肢尖均取实际焊缝长度60mm。
（3）中竖杆Gg与节点板的连接焊缝验算
N=50.437KN
设焊缝尺寸为=6mm,所需焊缝长度为：
肢背：

取实际焊缝长度50mm
肢尖：

取实际焊缝长度50mm
(4)下弦杆与节点板连接焊缝验算：焊缝受力为左右下弦杆内力差
N=576.360KN
设焊缝尺寸为=6mm,
肢背焊缝验算：

(5)节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的
间隙和制作配装等误差，按比例作出构造详图，从而定出节点尺寸200200 mm。如图10所示：

图10 节点g(单位：cm)