0227m钢屋架设计例题.docx

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0227m钢屋架设计例题

钢屋架设计例题

－、设计资料

某一单层单跨工业长房。

厂房总长度为120m，柱距6m，跨度为27m。

车间内设有两台中级工作制桥式吊车。

该地区冬季最低温度为－20℃。

屋面采用×预应力大型屋面板，屋面坡度为i=1:

10。

上铺120mm厚泡沫混凝土保温层和三毡四油防水层等。

屋面活荷载标准值为㎡，雪荷载标准值为㎡，积灰荷载标准值为㎡。

屋架采用梯形钢屋架，其两端铰支于钢劲混凝土柱上。

柱头截面为400mm×400mm，所用混凝土强度等级为C20。

根据该地区的温度及荷载性质，钢材采用Q235―A―F，其设计强度f=215kN/㎡,焊条采用E43型，手工焊接。

构件采用钢板及热轧钢劲，构件与支撑的连接用M20普通螺栓。

屋架的计算跨度：

Lo=27000－2×150=26700mm，端部高度：

h=2000mm（轴线处），h=2015mm

（计算跨度处）。

二、结构形式与布置

屋架形式及几何尺寸见图1所示。

图1屋架形式及几何尺寸

屋架支撑布置见图2所示。

符号说明：

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）

图2屋架支撑布置图

三、荷载与内力计算

1.荷载计算

荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的活荷载计算。

永久荷载标准值

放水层（三毡四油上铺小石子）㎡找平层（20mm厚水泥砂浆）×20=㎡

保温层（120mm厚泡沫混凝土）*6=㎡

预应力混凝土大型屋面板㎡

钢屋架和支撑自重+×27=㎡管道设备自重kN/㎡

总计㎡

可变荷载标准值

雪荷载㎡

积灰荷载㎡

总计㎡

永久荷载设计值×=kN/㎡（由可变荷载控制）可变荷载设计值×=㎡

2.荷载组合

设计屋架时，应考虑以下三种组合：

组合一全跨永久荷载+全跨可变荷载

屋架上弦节点荷载P=+××6=kN

组合二全跨永久荷载+半跨可变荷载

屋架上弦节点荷载

P=××6=kN

P=××6=kN

组合三全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面活荷载

屋架上弦节点荷载

3.内力计算

P=×××6=kN

P=×+×××6=kN

本设计采用程序计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数，见表1。

由表内三种组合可见：

组合一，对杆件计算主要起控制作用；组合三，可能引起中间几根斜腹杆发生内力变号。

如果施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设面板，则可避免内力变号而不用组合三。

屋架杆件内力组合表表1

杆件名称

全跨⑴

左半跨⑵

右半跨⑶

P×⑴

P1×⑴＋P2×⑵

P1×⑴＋P2×⑶

P3×⑴＋P4×⑵

P3×⑴＋P4×⑶

计算内力（KN）

AB

BCD

DE

EFG

GHIJ

a-b

b-c

c-d

d-e

Aa

Ba

Bb

Cb

Db

Dc

Ec

E1

c1

F1

G1

Gd

Hd

H2

I2

J2d

Je

注：

表内负责表示压力；正值表示拉力

图3屋架接点图

四、杆件截面设计

腹杆最大内力，N=，由屋架节点板厚度参考可知：

支座节点板刚度取14mm；其余节点板与垫板厚度取12mm。

1.上弦杆

整个上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算，N=

计算长度：

屋架平面内取节间轴线长度l=

屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面板能起一定的支撑作用，取上弦横向水平支撑的节间长度：

l=3000cm

因为l≈l，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并，见图4

图4上弦截面

设=60，查轴心受力稳定系数表，=

需要截面积A

=N

.f

=10=6440mm

215

需要回转半径i=l

1508=cm

il

=

60

3000=cm

60

i

根据需要的A、i、

查角钢型钢表，初选2L16010014，A=6940mm，i=，

i=。

按所选角钢进行验算

=l==＜[λ]=150

i

=l=300=38＜[λ]=150

i

由于b/t160/14＞b3000/160

则：

lt

b（1

）16（1300

）＜[λ]=150

t

16

由于，只需求出，查轴心受力稳定系数表，＝

N

A

6940

=192N/

mm

<215N/

mm

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，N=

计算长度：

屋架平面内取节点间轴线长度l=4500mm

屋架平面外根据支撑布置取l=13350mm

计算需要净截面面积A=N10

=mm

f215

选用2L1409014（短肢相并），见图5。

A=6940

mm，

图5下弦截面

i=，i=。

按所选角钢进行截面验算，取AA

（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）

N10

A6100

=N/mm<215N/mm

=l

i

450=<[]=250

=l1335<[]=350所选截面满足要求。

i

3.端斜杆Ba

已知N＝，l＝l＝因为l＝l，故采用等肢角钢，使i＝i选用角钢2L10012,见图6

A＝4560

mm

图6端斜杆Ba

，i＝，i＝

截面刚度和稳定验算

=

l=<[]=150

i

=

l=<[]=150

i

由于b

/t10/b/10=

（1

）（1

10

）

N

A

10

4560

205N/mm<215N/mm

所选截面满足要求。

填板放两块，a=cm＜40i=40×=cm

4.斜杆Bb

已知N=

计算长度：

屋架平面内取节点间轴线长度l=×l=×2622=

屋架平面外根据支撑布置取l=2622mm

选用2L1006，见图7。

图7斜杆Bb

A=2386

mm，

i=，i=。

N10

A2368

=N/

mm

<215N/

mm

=l

i

=<[]=350

=l<[]=350所选截面满足要求。

i

填板放两块，a=＜80i=80×=248cm5.再分腹杆c1G

NN=，

NN=，1=4174mm

计算长度：

屋架平面内取节点间轴线长度l=×l=×2087=

屋架平面外根据支撑布置取

l=1（+N）=4174（+）=4396mm

N

选用2L1006，见图8。

腹杆c1G图9中竖杆Je

图8再分

A=2386

mm，

i=，i=。

=l

i

=<[]=350

=l99<[]=350

i

由于b

/t10/b/10=

（1

）99（1

10

）

N

A

10

2386

mm<215N/mm所选截面满足要求

填板放两块，a=＜40i=40×=124cm6.中竖杆Je

已知N＝0，l＝335＝

中间竖杆选用2L756的角钢，并采用十字形截面，见图9

A=cm,i

cm,

li

=<[]=150所选截面满足要求

填板放五块，a=＜40i=40×=98cm

其余各杆件截面选择过程不一一列出，计算结果见表2

杆件名称

内力设计值N

（KN）

计算长度（cm）

选用截面

截面积

A（cm）

回转半径（cm）

[λ]

计算应力

（N/mm）

填板

（块）

l

l

i

i

上弦杆

300

短肢相并2L160*100*14

150

-192

2（3）

下弦杆

450

1335

短肢相并2L140*90*14

61

350

/

1

（2）

Aa

T型截面2L50*5

150

2

Ba

T型截面2L100*12

150

-205

2

Bb

T型截面2L100*6

350

/

2

Cb

184

230

T型截面2L50*5

150

2

Db

T型截面2L100*12

150

2

Dc

T型截面2L75*6

350

/

2

Ec

208

260

T型截面2L75*6

150

2

E1

189

T型截面2L50*5

350

/

1

F1

104

130

T型截面2L50*5

68

150

1

c1

T型截面2L100*6

150

2

G1

Gd

T型截面2L75*6

113

150

/

2

250

2

Hd

244

305

T型截面2L75*6

105

150

2

H2

T型截面2L50*5

150

2

I2

T型截面2L50*5

150

1

J2-d2

T型截面2L75*6

350

/

2

150

2

Je

十字型截面2L75*6

i

=

i

=

150

/

2

9

五、节点设计

用E43焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值各杆件内力由表2查得，最小焊缝长度不应小于8h

1.下弦节点b见图10

f160N/mm

图10下弦节点b

（1）斜杆Bb与节点的连接焊缝计算：

N=

设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。

所需焊缝长度为：

210

肢背：

l

3

26160

110

+12=，取l＝270mm

肢尖：

l

325160

+10=158mm，取l＝170mm

（2）斜杆Db与节点的连接焊缝计算：

N=

设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。

所需焊缝长度为

210

肢背：

l3

26160

110

+12=，取l＝250mm

肢尖：

l

325160

+10=，取l＝150mm

（3）竖杆Cb与节点板连接焊缝计算：

N=

因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸h=5mm

焊缝长度l40mm，取l=60mm

（4）下弦杆与节点板连接焊缝计算：

焊缝受力为左右下弦杆的内力差

△N=＝，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm，所需焊缝长度为：

210

肢背：

肢尖：

l

l3

26160

110

3

+12=260，取l＝300mm

+12=136，取l＝150mm

26160

（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装配等误差，

按比列作出构造详图，从而定出节点尺寸。

如图11所示

图11节点板b尺寸

图12上弦节点B

2.上弦节点B

（1）斜杆Bb与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b中Bb杆计算相同。

（2）斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，N=。

设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为10mm和6mm。

所需焊缝长度为

210

肢背：

肢尖：

l

l3

210160

110

3

+20=，取l＝200mm

+12=，取l＝180mm

26160

（3）上弦杆与节点板连接焊缝计算：

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，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直。

假定集中荷载P由槽焊缝承受，P=，焊脚尺寸为5mm

所需槽焊缝长度为:

l

P

2h

f

+10=

10

25160

+10=,取l=65mm

上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差△N=偏心距e=＝

设肢尖焊脚尺寸8mm，设需焊缝长度为480mm，则

N

2hl

1028（48016）

/mm

M

W

o

61028（48016）

/mm

o

（

）（

）

（）/mm160N/mm

（4）节点板尺寸：

方法同前，如图13所示

图13节点板B尺寸

3.屋脊节点J见图14

图14屋脊节点J

（1）弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：

弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。

拼接角钢的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=，设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为

lN

16

10

16

327.8

mm，取l=375mm

4h

f

28

160

拼接角钢长度取2375+50＝800mm

（2）弦杆与节点板的连接焊缝计算：

上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15%计算。

N=15%＝，设焊脚尺寸为8mm，弦杆一侧焊缝长度为250mm，

N

10

64N/mm

2h

l28（25016）

M

W

o

610

28（25016）

/mm

o

（

）（

）

（）64/mm160N/mm

（3）中竖杆与节点板的连接焊缝计算：

N=0kN此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸h=5mm

焊缝长度l40mm，取l=60mm

（4）斜杆J2与节点板连接焊缝的计算N=，设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为：

210

肢背：

l3

26160

110

12，取l=100mm

肢尖：

l

325160

1050mm，取焊缝长度l=60mm

（4）节点板尺寸：

方法同前，如图15所示

图15节点板J尺寸

4.下弦跨中节点e见图16

图16下弦跨中节点e

（1）弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：

拼接角钢与下弦杆截面相同，传递内力N=

设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为

lN

16

10

16

，取l=300mm

4h

f

28160

拼接角钢长度不小于2300+12=612mm

（2）弦杆与节点板连接焊缝计算：

按下弦杆内力的15%计算。

N15%

设肢背、肢尖焊脚尺寸为6mm，弦杆一侧需焊缝长度为

210

肢背：

l

3

26160

12，取l=90mm

肢尖l

110

326160

12：

，按构造要求，取焊缝长度l

48mm，

取l

=60mm

（4）节点板尺寸：

方法同前，如图17所示

图17节点板e尺寸

5.端部支座节点a

图18支座节点a

（1）为便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的距离一般不小于下弦伸出肢的宽度，故可取为160mm。

在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相同，厚度同端部节点板为14mm。

支座底板计算：

支座反力

R2/2

取加劲肋的宽度为80mm，考虑底板上开孔，按构造要求取底板尺寸为280mm400mm，偏安全地取有加劲肋部份的底板承受支座反力，则承压面积为

A280（28012）59920mm

验算柱顶混凝土的抗压强度：

oRA

10

59920

/mmf

/mm

（满足）

底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算,节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两边支承而另两块相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为

M

式中--------底板下的平均应力，=mm

--------两边支承对角线长，

=

（14014/2）100

--------系数，由b/决定。

b为两边支承的焦点到对角线的垂直距离。

由相似三角形

的关系，得

b

140100

=

b/=，查表得＝M=＝Nmm

底板厚度

6M/f

=,取t=25mm

（2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算：

偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座反力的1/4，则焊缝受力

V10

4

13810N

MVe13810

设焊缝尺寸为6mm，焊缝长度210mm，

N

13810

/mm

2hl

26（21016）

M

610

/mm

W26（20016）

o

（

）（

）

/mm160N/mm

加劲肋高度不小于210mm即可

（3）节点板加劲肋与底板的连接焊缝计算：

设底板连接焊缝传递全部支座反力R=

节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度:

l2（30016）4（1001620）824mm

设焊缝尺寸8mm，验算焊缝应力

R

o

10

/mm，满足要求

hl

8824

（4）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=，焊缝尺寸可按构造确定，焊脚尺寸

h5mm，焊缝长度l40mm。

①斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，同上肢背：

l=170mm，肢尖：

l＝140mm

②下弦杆与节点板连接焊缝计算：

N=，设焊缝尺寸8mm，需要焊缝长度为

210

3

肢背：

l

肢尖：

l

26160

110

3

26160

12，取l=140mm

12，l＝80mm

六、施工图（略）