30m焊接钢屋架设计图和计算书.docx

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30m焊接钢屋架设计图和计算书

焊接钢屋架设计

焊接钢屋架设计

1.设计资料

⑴钢屋架跨度为30m.屋架间距b=6m;屋架支座高度Ho=2m,屋架坡度i=1/12；屋架上弦节间长度d=3m.

⑵屋面采用1.5m×6.0m,预应力钢筋混凝土屋面板和卷材屋面（由二毡三油防水层，2cm厚水泥砂浆找平层及8cm厚的泡沫混凝土保温层组成）。

屋面坡度i=1/12.屋架选用梯形钢屋架，跨中高度H=3.25m，屋架简支在钢筋混凝土柱顶上，上柱截面取为400mm×400mm,混凝土标号为C20,当地基本雪压为0.7KN/.钢材采用Q235，B级，焊条采用E43型，手工焊.

屋架上弦平面利用屋面板，用埋固的小钢板和上弦杆焊住，代替水平支撑，在屋架下弦平面的端部及两侧面端面布置水平及竖直支撑.

设计规范：

《钢结构设计规范》（GB50017-2003）;《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）.

⑶屋架计算跨度：

lo=30m－2×0.15m=29.7m.

⑷跨中及端部高度，此设计为无檩屋盖方案，采用平板梯形屋架，取屋架在30m轴线处的端部高度ho=2.0m.屋架的中间高度h=3.25m.则屋架在29.7m处，两端的高度ho=2.0125m.屋架跨中起拱按lo/500考虑，取60mm.

2.结构形式与布置

屋架形式及几何尺寸附图－1所示

根据厂房长度取84m＞60m,跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑，因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间，设水平支撑的规格与中间柱网的支撑的规格有所不同，在所有柱间的上弦平面设置了刚性与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载，在设置横向水平支撑的柱间，于是屋架跨中和两端各设一道垂直支梯.

梯形钢屋架支撑布置附图—1所示.

3.荷载计算

恒载标准值：

防水层（二毡三油上铺小石子）0.35KN/,沿屋面坡向分布。

找平层（20mm厚水泥砂浆）0.4KN/沿屋面坡向分布.

保温层（8cm泡沫混凝土）0.45KN/沿屋面坡向分布.

预应力混凝土屋面板（包括灌缝）1.4KN/沿屋面坡向分布

屋架自重（包括支撑）按经验公式计算

l=0.12＋0.011L=0.12＋0.011×30=0.45KN/沿水平投影面分布.

活荷载标准值：

屋面均部活荷载（不上人的屋面）0.7KN/沿水平投影面分布.

雪载S=μSo（因屋面与水平面的倾角α=arctan1/12=4.76＜15,故屋面积雪分布系数μ=1.0）

风载：

因α=4.76＜15，风载体型系数μ=对屋面为吸力，故可不考虑风载影响.

屋面荷载与雪荷载不会同时出现，计算时取较大荷载标准值进行计算，因二者均为0.KN/故可取其一，如屋面活荷载0.7KN/进行计算.

荷载计算如表－1

表-1荷载计算表

荷载名称

计算式

标准值kN/m2

设计值kN/m2

备注

防水层（二毡三油上铺小石子）

0.35

0.42

沿屋面坡向分布

水泥砂浆找平层（20mm厚）

0.02×20

0.4

0.48

沿屋面坡向分布

泡沫混凝土保温层（80mm厚）

0.45

0.54

沿屋面坡向分布

预应力混凝土屋面板（含灌缝）

1.4

1.68

沿屋面坡向分布

屋架和支撑自重

（0.12+0.011×21）

0.45

0.0.54

沿水平分布

恒载总和

3.05

3.66

屋面均布活荷载

0.7

0.7

沿水平面分布，计算中取二者中的较大值

雪荷载

0.7

0.7

可变荷载总和

0.7

0.98

注：

由于屋面坡度不大，对荷载的影响较小，未予考虑。

风荷载为吸力，重屋盖可不考虑。

荷载计算及汇总表

设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：

⑴全跨永久荷载＋全跨可变荷载

=（3.66＋0.98）×3×6=83.52KN

⑵全跨永久荷载＋半跨可变荷载

全跨节点永久荷载：

=3.66×3×6=65.88KN

半跨节点可变荷载：

=0.98×3×6=17.64

⑶全跨屋架（包括支撑）自重＋半跨屋面板自重＋半跨屋面活荷载：

全跨节点屋架自重：

=0.54×3×6=9.72

半跨节点屋面板自重及活荷载：

=（1.68＋0.54＋0.98）×3×6=57.6KN

⑴、⑵为使用节点荷载情况.⑶为施工阶段荷载情况.

4.内力计算

屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图－1所示.

（a）

（b）

（c）

图-1屋架的计算简图

由图解法或数解法解得F=1的屋架的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨），然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果如表－2所示：

表－2屋架构件内力组合表

杆件名称

内力系数（F=1）

第一种组合

×①

第二种组合

第三种组合

计算杆件内力

（KN）

全跨①

左半跨②

右半跨③

×①＋

×②

×①＋

×③

×①＋

×②

×①＋

×③

上

弦

AB

BC

CD

DE

EF

0

-9.41

-9.45

-11.91

-11.92

0

-7.06

-7.10

-7.94

-7.95

0

-3.52

-3.52

-5.95

-5.95

0

-785.92

-789.26

-994.72

-995.56

0

-744.47

-747.81

-924.69

-925.53

0

-682.02

-684.66

-889.59

-890.25

0

-498.12

-500.81

-573.11

-573.78

0

-294.22

-294.61

-458.49

-458.58

0

-785.92

-789.26

-994.72

-995.56

下

弦

ab

bc

cd

5.91

11.32

11.42

4.60

8.09

6.85

1.97

4.85

6.85

493.60

945.45

953.80

470.49

888.47

873.18

424.10

831.32

873.18

322.41

576.01

505.56

170.92

389.39

505.56

493.60

945.45

953.80

斜

腹

杆

aB

Bb

bD

Dc

cF

-7.43

4.40

-2.56

0.75

0.67

-5.78

3.10

-1.36

-0.23

1.58

-2.48

1.96

-1.80

1.47

1.37

-620.55

367.49

-213.81

62.64

55.96

-591.45

344.56

-192.64

45.35

72.01

-533.24

255.30

-200.40

75.34

68.31

-4.5.15

221.33

-103.22

-5.96

97.52

-215.07

155.66

-128.56

91.96

78.98

-620.55

367.49

-213.81

91.96

97.52

竖

杆

Aa

Cb

Ec

Fd

-0.50

-1.00

-1.00

-0.02

-0.50

-1.00

-1.00

0

0

0

0

0

-41.76

-83.52

-83.52

1.67

-41.76

-83.52

-83.52

1.32

-32.94

-65.88

-65.88

1.32

-33.66

-67.32

-67.32

0.19

-5.35

-9.72

-9.72

0.19

-41.76

-83.52

-83.52

1.67

屋架上弦杆除了承受轴心压力外，尚承受节点间集中荷载而产生的弯矩，其值为：

第一节间：

M=0.8Mo=0.8×41.76×3/4=25.06KNm

中间节间：

M=0.6Mo=0.6×41.76×3/4=18.80KNm

中间节点：

M=-0.6Mo=-18.80KNm

在全跨恒载和全跨活载作用下，屋架弦杆，竖杆和靠近支座斜杆的内力均比较大，在屋架及支撑自重和半跨屋面板与活荷载作用下，靠近跨中的斜杆的内力可能发生变号.

5.杆件设计

5.1上弦杆

按受力最大的弦杆设计，沿跨度全长截面保持不变。

上弦杆EF为压弯杆件：

N=－995.56KN

M=18.80KN.m

lox=3000mm,loy=1500mm（由于上弦杆和屋面板埋设小钢板并牢固焊接，可代替水平支撑，故上弦杆平面外的计算长度loy=1500mm）

腹杆最大内力N=－620.55KN，查表得，中间节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm.

设λ=90，查Q235钢的稳定系数表，可得φ=0.621，b类截面，则所需截面积为：

A=

=

=7456.5

需要的回转半径：

=3000/90=33.3mm,

=1500/90=16.67mm

根据需要A，

查角钢规格表，选用2∟160×14,肢背间距a=12mm,则

A=43.3×2=86.6

W

=234.4×2=468.8

W

=90.95×2=181.9

=4.92cm,

=7.07cm

=3000/49.2=61.0,

=1500/70.7=21.2

=61.0

满足长细比

=150的要求.查得

=0.801，则

=143.52MPa<215MPa

⑴ 按公式验算弯矩作用平面内的稳定性.

查表得截面塑性发展系数

=

=

=4105.6KN

此处节间弦杆相当于两端支撑有端弯矩和横向荷载同时作用，使构件产生反向曲率的情况，根据规范等效弯矩系数

=0.85.

将以上数据代入下式验算作用平面内的稳定性;

=183.8N/

对于这种T形截面压弯杆件，还应验算截面另一侧，即

=

=

=5.1N/

所以可保证弦杆弯矩作用平面内的稳定性.

⑵．按下式验算弯矩作用平面外的稳定性：

=1500/70.7=21.2mm

=150，查表得

=0.966

对于双角钢T形截面的整体稳定性系数：

将以上数据代入下式验算作整体稳定性

N/

所以可保证弯矩作用平面外的稳定性.

⑶强度验算.

由于上弦杆两端的弯矩比较大，同时W

较小，因此，需按下式验算节点负弯矩截面无翼缘一边的强度；

=114.96+86.13=201.09N/

因BC，CD，DE的弯矩值和EFd相同，而轴心力均小于EF，为了简化制造工作，故用EF相同的截面尺寸而不必验算。

上弦杆AB，N=0，M=25.06KNm.

=114.8N/

5.2.下弦杆

按轴心拉杆设计，沿全长截面不变，截面采用等肢角钢拼合，最大设计拉力；

N=953.8KN

=44.36

选用2∟100×12,A=22.8×2=45.6

可满足要求。

=3.03cm.，

=600/3.03=198.02

=350

由于此屋架不受动力作用，故可反验算在竖直平面内的长细比.

5.3.斜腹杆

⑴端斜腹杆aB

N=-620.55KN

因为

，故采用不等肢角钢，长肢相并，使

，

选用2∟160×100×10，则

A=2×25.3