钢结构课程设计豪式屋架.docx
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钢结构课程设计豪式屋架
《钢结构》屋架设计计算书
一、设计资料及说明
某车间厂房总长度为45m车间设有两台30吨中级工作制吊车。
车间无腐蚀性介质。
该车间为单跨双坡封闭式厂房,屋架采用三角形桁架式钢屋架(见图1),无吊顶,屋架下弦标高为10m
其两端铰支于钢筋混凝土柱上,上柱截面尺寸为400mmX400伽,混凝土强度等级为C2(。
1、单跨屋架,平面尺寸为45论21ms=7.5m即单跨屋架结构总长度为45m跨度为21m柱距为7.5m。
2、屋面采用彩色压型钢板加保温层屋面,C型檩条。
3、屋面坡度i=1:
2.5。
恒载(包括屋面板、保温层、檩条、屋架及支撑等)为0.50kN/叭雪荷载为0.7kN/m2,活荷载标准值为0.20kN/m20
4、屋架钢材采用Q235B钢,焊条采用E43型,结构重要性系数为丫0=1.0o
5、内力组合为“恒+全”和“恒+半”两种组合值。
(“全”一一全跨雪荷载;“半”一一半跨雪荷载)
二、屋架杆件几何尺寸的计算
采用豪(单向斜杆式)式三角形屋架如图示。
屋面坡度为i=1:
2.5,屋面倾角a=arctg(1/2.5)
=21.8°sina=0734,cosa=9285。
屋架计算跨度l0l3002100030020700mm(当屋架简支于钢筋混凝土柱且柱网采
用封闭结合时,考虑屋架支座处的构造尺寸,一般可取I。
丨-(300~400mm)。
当柱网架用非封闭
结构时,计算跨度等于标志跨度,即I。
丨)
屋架跨中高度:
hl0i/2207004140mm上弦长度:
Lcos11147mm
/(22・5)2
节间长度:
a-11147/42786.75mm
4
根据几何关系,得屋架各杆件的几何尺寸如图示:
三、屋架支撑布置
1、屋架支撑
上弦横向水平支撑设置在屋架的纵向的两端第一柱间。
因为设有两台30T中级工作制吊车,为了防止屋架水平方向振动,必须设置下弦横向水平支撑,且与上弦横向水平支撑设在同一柱间,即在屋架纵向两端第一柱间设置下弦横向水平支撑,以形成空间稳定体。
还需在屋架下弦端节间设置纵向水平支撑。
纵向水平支撑与横向水平支撑形成闭合框,加强了屋架结构的整体性并能提高房屋纵、横向的刚度。
因为是三角形屋架,且跨度L=21m<24m故仅需在跨度中央设置一道垂直支撑。
因为屋架是有檩体系,为了与其他支撑相协调,在屋架下弦跨中设置一根通长水平柔性系杆,
上弦横向水平支撑在交叉点处与檩条相连,檩条可代替上弦系杆。
同时在屋脊节点和上弦两端设置刚性系杆。
2、屋面檩条及其支撑
屋面采用彩色压型钢板加保温层屋面,C型檩条,檩条间距为2.787m。
因为檩条跨度为7.5m>6m应在檩条跨度三分点处各设置一道拉条,防止檩条侧向变形和扭转,并且提供X轴方向的中间支点。
又因为用卷边槽钢(C型钢)时,横向力指向下方,需要在屋脊处设置斜拉条和刚性撑杆。
在上弦节点处设置檩条,檩条及拉条的布置如下图:
四、荷载计算
1、永久荷载(恒荷载)(对水平投影面)
Gk0.5kN/m2(包括屋面板、保温层、檩条、屋架及支撑等)
2、可变荷载(活荷载)(对水平投影面)
荷载规范规定屋面活荷载与雪荷载不同时考虑,而采用其中较大者。
本设计中活荷载均小于雪荷载,故只需考虑恒载和雪荷载的组合。
雪荷载基本雪压:
So0.3kN/m2
五、荷载组合
1、恒荷载+全跨雪荷载
2、恒荷载+半跨雪荷载
上弦的集中恒荷载及节点恒荷载
由檩条传给屋架上弦节点恒荷载分别如下图:
507^0
由檩条传给屋架上弦节点活荷载分别如下图:
具体计算过程如下:
1)全跨屋面恒荷载作用下
上弦节点恒荷载标准值:
R=0.52.7877.5/cos0.52.7877.5/0.928511.256kN
2)全跨雪荷载作用下
上弦节点雪荷载:
F2=0.72.7877.5/cos0.72.7877.5/0.928515.758kN
假定基本组合由可变荷载效应控制,则上弦节点荷载设计值
1.211.2561.415.75835.569kN;若基本组合由永久荷载效应控制,则上弦节点荷载设计值为
1.3511.2561.40.715.75830.638kN。
综上可知,本工程屋面荷载组合由可变荷载效应控制。
六、内力计算
内力组合见下表:
规定杆件受拉符号为正,受压符号为负。
七、截面选择
1、上弦杆截面选择(ABBCCDDE
上弦杆采用相同截面,以节间AB的最大轴力Nab来选择:
Nab335.05kN
上弦杆在屋架平面外的计算长度等于其节间几何长度;下弦杆在屋架平面外的计算长度为屋架跨度
的一半。
故上弦杆在平面内计算长度为l°x=278.7cm,平面外计算长度l°y=278.7cm;山/山=1,若
获得等稳定条件xyz,则应有iy=ix,选用两等肢角钢相并比较合适。
屋架杆件内力组合表
杆件名称
杆件编号
全跨何载
半跨何载
内力组合
最不利
内力
内力系数
恒荷载标准值
P仁11.256
全跨活荷载标准值
P2=15.758
内力系数
半跨活荷载标准值
P2=15.758
1.2恒
何载
+1.4活
何载
1.2恒
何载
+1.4半跨活荷
载
上弦
AB
-9.42
-106.03
-148.44
-6.73
-106.05
-335.05-
275.71-3
35.05
BC
-8.08
-90.95
-127.32
-5.39
-84.94
-287.39-
228.05-2
87.39
CD
-6.73
-75.75
-106.05
-4.04
-63.66
-239.38-
180.03-2
39.38
DE
-5.39
-60.67
-84.94
-2.70
-42.55
-191.71-
132.37-1
91.71
下弦
AI
8.75
98.49
137.88
6.25
98.49
311.22
256.07
311.22
IH
8.75
98.49
137.88
6.25
98.49
311.22
256.07
311.22
HG
7.50
84.42
118.19
5.00
78.79
266.76
211.61
266.76
GF
6.25
70.35
98.49
3.75
59.09
222.30
167.15
222.30
腹杆
BI
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
BH
-1.35
-15.20
-21.27
-1.35
-21.27
-48.02
-48.02
-48.02
CH
0.50
5.63
7.88
0.50
7.88
17.78
17.78
17.78
CG
-1.60
-18.01
-25.21
-1.60
-25.21
-56.91
-56.91
-56.91
DG
1.00
11.26
15.76
1.00
15.76
35.57
35.57
35.57
DF
-1.95
-21.95
-30.73
-1.95
-30.73
-69.36
-69.36
-69.36
EF
3.00
33.77
47.27
1.50
23.64
106.71
73.61
106.61
双角钢截面属于轴心压杆的b类,假定入=100,由上册书附表17查得0.555。
强度设计值
f215N/mm2,根据所设入,截面应该有
329
ANab/
335.0510/0.55521510=28.08cm2;ixI*/=278.7/100=2.787cm
由于Nab335.05kN,故由下册书P76页表2-8查得支座处节点板厚度为12mm中间节点处节点板比支座处节点板厚度减少2mm为10mm
根据假设的A,ix及iy并注意到节点板厚=12mm
选择截面2L9010
截面面积:
A=217.2=34.4cm2,
回转半径:
ix=2.74cm,iy=4.20cm,用实际截面验算。
yloy/iy278.7/4.20=66.4对两等肢角钢相并截面,b/t=90/10=9<0.58l°y/b=0.58278.7/9=17.96,可取
yz
0475b4
y
(1)=69.06,由max(x,yz)=x=101.7,查表得0.544
loyt
NAB
A
3
355.05102=179.60.69434.410
2、下弦杆截面选择(AI、IH、HGGF)
下弦杆也采用相同截面,以节间AH的最大轴力来选择:
NAH=311.22kN
lox=258.75cm,l°y=1035cm
选用截面2L1006
截面面积:
A=211.9=23.8cm2
回转半径:
ix=3.10cm,iy=4.44cm
长细比:
xlox/ix258.75/3.10=83.2Nah
A
311.2210322
2130.76N/mm23.8102
下弦杆强度及长细比满足要求,所选下弦杆截面适用
3、腹杆BHCGDF截面选择
NbhNdfNcg-69.36kN
选用截面L805
loylox0.9l0.940403636cm(单系腹杆在斜平面的计算长度为:
支座处斜杆和支座竖杆为I,
其他腹杆处为0.9l)
截面积:
A=15.82cm2
回转半径:
iy=3.56cm,ix=2.48cm
通过用yz和x中大的一个查表得,yz0.320
N
yzA
69360
0.32015.82102
2
=137.0N/mm20.95215204.3N/mm2,满足要求。
4、腹杆CHBI、DG截面选择
两者均为拉杆,NohNbiNdg35.57kN,
仍选用截面2L564
截面面积:
A=8.78cm2
回转半径:
ix=1.73cm,iy=2.59cm
验算如下:
N35.5710322
亍40.5N/mmA8.7810
yloy/iy3105/2.59=119.85、杆件EF截面选择
Nef106.61o
采用2L503组成十字形截面,味=iox=1.96cm
截面积:
A=23.9=7.8cm2单角钢L504,imin=0.99cmlo=0.9l=4140.9=372.6cm
o=l。
/imin=310.5/1.96=190.1<200
3
136.67N/mm2
Nef106.6110
A7.8102
满足截面要求。
将以上计算结果汇总列表如下:
八、屋架节点设计
1、一般杆件连接焊缝
设焊脚尺寸hf=4mm由以下公式求得焊缝计算长度lw
桁架杆件截面选用表
杆件名称
杆件编号
最大内力
(K
N)
截面规
格(mm
截面
面积
2
cm
计算
长度
lox
(cm)
计算
长度
loy
(cm)
回转
半径
ix
(cm)
回转半径
iy
(cm)
长
细
比
x
长
细
比
y
长细
比
yz
稳定系数
min
强度
N/
A
稳定性
N/(mm*mm)
容许长细比
[入]
强度设
计
值
N/(mm*
mm
上弦杆
AB
-335
2L90*10
34.4
278.7
278.7
2.74
4.2
101
.7
66.
4
69
0.554
179.6
150
204
下弦杆
AI
311.
2
2L100*6
23.8
258.7
1035
3.10
4.44
83.
2
233
.1
131
250
204
腹杆
BH
CG
DF
311.
2
2L50*5
15.8
3636
2.48
3.56
146
.6
102
.1
108
0.32
1
3
7
150
204
BI
DG
CH
-69.
4
2L56*4
8.78
3105
3105
1.73
2.59
179
.4
119
.8
40.
5
250
204
EF
106.
6
2L50*3
十字
7.40
3726
3726
1.96
1.96
190190
.1.1
136.6
7
150
204
焊缝实际长度lwlw2hf
(本设计中角钢均为等肢角钢,故分配系数肢背k仁0.7,肢尖k2=0.3)
同时按规定,角焊缝强度设计值应予以折减,再考虑轻型钢结构乘以折减系数0.95
具体计算汇总如下表:
屋架杆件连接焊缝表
杆件名称
杆件编号
截面规格
(mm)
杆件内力
(kN)
肢背焊脚尺寸
hf1(mm)
肢背焊缝长度
1
lw(mm)
肢尖焊脚尺寸
hf2(mm)
肢尖焊缝长度
1
lw(mm)
下弦杆
AI
2L1006
311.22
4
265
4
120
BH
-48.02
50
4
45
CG
2L805
56.91
4
55
4
45
斜腹杆
DF
-69.36
70
4
45
BI
0
45
4
45
CH
2L564
17.78
4
45
4
45
DG
35.57
45
4
45
竖腹杆
EF
2L503
106.61
4
100
4
50
注:
表中焊缝长度由公式计算不足45mm勺按45mn设计。
2、支座节点A(见附图)
为了便于施焊,下弦杆肢背与支座底板顶面的距离取125mm锚栓用2M20螺栓位置尺寸下图。
在
节点中心线上设置加劲肋,加劲肋高度与节点板高度相等。
(1)支座底板计算
支座反力:
R6P(1.20.51.40.75)0.747.5222.5715kN
设a=b=120mma142120169.7mmb1=84.8mm
1
支座底板承压面积为A240240220224050=52300mm2
2
板下压应力:
q—222.5715=4.26N/mm2<10N/mm2
A52300
底板弯矩(按两相邻边支承板计算),按如下公式计算:
由色8480.5,查钢结构设计手册得=0.06。
q169.7
Mqa;0.064.26169.727360.79Nmm
支座底板厚度J67360.7914.7mm取16mm
vfY0.95215
(2)加劲肋与连接板的连接焊缝
假定一块加劲肋承受屋架支座反力的四分之一,即:
-222.5755.6425kN
44
焊缝受剪力V=55.6kN,偏心距e为加劲肋宽度的一半
12020弯矩MVe55.62782.125kNmm,
2
设焊缝hf=6mm焊缝计算长度lw1602022hf=160-40-12=108mm
f—正面角焊缝强度设计值增大系数,对承受静力荷载和间接动力荷载的屋架
承受动力荷载的屋架f=1.0.
f=1.22,对直接
R
0.7fhflw
焊缝应力由公式得
可见,肢尖焊缝安全。
3、上弦节点B(见下图)
节点板与上弦角钢肢背采用槽焊缝连接,假定槽焊缝只承受屋面集中荷载P。
节点板与上弦角钢肢
尖采用双面贴角焊缝连接,承担上弦内力差N。
节点B的塞焊缝不控制,仅需验算肢尖焊缝。
上弦采用等边角钢,肢尖角焊缝的焊脚尺寸hf2=5mm则角钢肢尖角焊缝的计算长度
心弯矩MNe47.6610365=N-mm
则由公式得:
可见,肢尖焊缝安全。
4、上弦节点D(见附图)
因上弦杆间内力差小,节点板尺寸大,故不需要再验算
5、屋脊节点E(见附图)
上弦杆件节点荷载P假定由角钢肢背的塞焊缝承受,同上按构造要求即可满足,无需验算
(1)上弦杆件与拼接角钢之间,在接头一侧的焊缝实际长度为:
采用拼接角钢长l2250(10~20mm)213010270mm,实际拼接角钢总长可取为300mm
(2)上弦杆角钢与节点板的连接焊缝,以上述轴心力的15%按如下公式计算:
hf=4mme=55mm
316
则角钢肢尖角焊缝的计算长度lw240〒2410235mm,N=15%191.71=28.7565kN,
偏心弯矩MNe28756.565=1869172.5N-mm
由公式得:
可见,肢尖焊缝满足要求。
&下弦拼接节点F(见附图)
(1)拼接角钢与下弦杆,用相同规格,选用2L1006,下弦杆与拼接板角钢之间的角焊缝的焊脚
尺寸采用hf=4mm由如下公式求得下弦杆件与拼接角钢之间在接头一侧的焊缝长度为:
当采用等强拼接时,NAf
1W--2hfAf-2hf23.8100.9521524293.5mm取300mm拼接角
40.7hfff-40.7hfff-40.740.95160
钢的长度丨21-10=2300+10=610mm接头位置视材料长度而定,最好设在跨中节点处,当接头不在节点时,应增设垫板。
(2)下弦杆与节点板,连接焊缝按杆件内力的15%+算。
肢背焊缝的焊脚尺寸hf=4mm由公式得焊缝长度为:
肢尖焊缝的焊脚尺寸hf=4mm由公式得焊缝长度为:
100mm
由以上计算可知,下弦角钢与节点板的连接焊缝长度是按构造要求确定的,取
九、设计图
1、屋架、支撑平面布置图(见附图)
2、安装节点图(见附图)
3、屋架详图(见详图)
62782103
20.71.2261082
=139.64N/mm20.95160152N/mm2
(3)支座底板的连接焊缝
假定焊缝传递全部支座反力R=222.575kN,设焊缝hf=8mm支座底板的连接焊缝长度为
lw2(2402hf)4(1204102hf)2(24028)4(12041028)808mm
由公式得
=40.319N/mm20.71.228808
(4)上弦杆与节点板的连接焊缝
N=-335.05kN,节点板与上弦角钢肢尖采用双面角焊缝连接,承担上弦内力。
节点板与上弦角钢肢背采用槽焊缝连接,hf10.5t10.5105mm,其中右为节点板厚度。
因塞焊缝一般不需控制,因此只验算肢尖焊缝。
肢尖角焊缝的焊脚尺寸hf2=5mm则角钢肢尖角焊缝的计算长度lw16036025510mm,上弦杆内力差N=-335.05kN,偏心弯矩MNe335.05103(9025)=Nmm