普通钢屋架课程设计.docx
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普通钢屋架课程设计
一、主要设计参数…………………………………………………………………1
二、钢材和焊条的选用……………………………………………………………1
三、屋架形式、尺寸及支撑布局…………………………………………………1
四、载荷和内力计算………………………………………………………………2
五、杆件截面选择…………………………………………………………………4
六、节点设计………………………………………………………………………9
七、焊接工艺………………………………………………………………………12
八、检验及质量标准………………………………………………………………14
九、参考文献………………………………………………………………………15
一、设计资料
某车间跨度30m，长度90m，柱距6m，车间设有30/5t中级制桥式吊车，使用温度-29℃，采用1.5*6.0m混凝土钢筋大型屋面板，10cm厚沥青珍珠岩保温层，卷材屋面，屋面坡度1/10，屋架制成在钢筋混凝土柱上，上截面400*400mm，混凝土型号C20。
二、钢材和焊条的选用
根据设计资料参数、使用温度-29℃、连接方法及载荷性质（静载荷），屋架钢材应选用Q235，焊条应选E4303型，焊接方法应选择手工焊。
三、屋架形势、尺寸及支撑布局
1、由于屋面材料为预应力混凝土大型层面板，所以采用无檀层盖体系平缓坡度型钢屋架，屋架尺寸如下：
屋面坡度:
i=1/10
屋架计算跨度:
L0=L—2*150=30000—2*150=29700mm
屋架端部高度取:
H0=2000mm
跨中高度：
H=H0+L0/2*i=2000+29700/2*0.1=3485≈3490mm
屋架高度比：
H/L0=3490/29700≈1/8.51
2、屋架示意图
3、梯形钢屋架支撑布置
四、载荷和内力计算
1、荷载计算
荷载名称
标准值（KN/m2）
设计值（KN/m2）
永久荷载
预应力混凝土大型屋面板
1.40
1.68
三毡四油防水层
0.40
0.48
找平层（厚20mm）
0.40
0.48
100mm厚沥青珍珠岩保温层
0.30
0.36
屋架及支撑自重
0.45
0.54
管道荷载
0.10
0.12
永久荷载总和
3.05
3.66
可变荷载
屋面活荷载
3.05
0.98
积灰荷载
0.70
0.84
可变荷载总和
0.60
1.82
设计屋架应考虑以下三种组合：
（1）全跨节点永久荷载+全跨可变荷载。
全跨界点永久荷载及全跨可变荷载为
F=（3.66+1.82）×1.5×6=49.32KN
（2）全跨节点永久荷载+半跨节点可变荷载
全跨节点永久荷载：
F1=3.66×1.5×6=32.94KN
半跨节点可变荷载：
F2=1.82×1.5×6=16.38KN
（3）全跨节点屋架（包括支撑）+半跨节点屋面板自重+半跨屋面活荷载
全跨节点屋架自重：
F3=0.54×1.5×6=4.86KN
半跨节点屋面板自重及活荷载：
F4=（1.68+0.98）×1.5×6=23.94KN
上述计算中，
（1）、
（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。
2、内力计算
由电算先解得F=1的桁架各杆件的内力系数（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,并表示出最大内力。
计算结果如下表所示：
五、杆件截面选择
（1）上弦杆
整个上弦采用等截面，按IJ，JK杆件的最大内力设计，即
N=-1121.0436KN
上弦杆计算长度计算如下：
在屋架平面内，为节间轴线长度，即
lox=l0=1.508m
在屋架平面外：
本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据支撑布置和内力变化情况，取loy为支撑点间的距离，即
loy=3×1.508=4.524m
根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上线截面选用两个不等肢角钢
，短肢相并，如下图所示
腹杆最大内力N=-559.2888kN，查材料表可得，中间节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。
设
=60，查教材附录得
=0.807。
（有双角钢组成的T形和十字形界面均属于b类）
需要截面积：
A=N/
*f=1121043.6/（0.807×215）=6461.16mm
需要的回转半径：
ix=lox/λ=1.508/60=75.4mm
根据所需要的A、
查角钢规格表，选用2∟180×110×12，
ix=31.0mm,iy=87.6mm,A=6742.4mm2
按所选角钢进行验算：
λx=lox/ix=1508/31.0=48.65
[λ]=150
λy=loy/iy=4524/87.6=51.64
[λ]=150
满足长细比：
[λ]=150的要求。
截面x和y平面截属于b类，由于
>
查表得
=0.847
则
N/
A=1121043.6/（0.847×67.42.4）=196.3MPa<215MPa
经验算所选截面合适。
（2）下弦杆
整个下弦采用同一截面，按最大内力所在杆de杆计算，
则N=1090.9584KN=1090958.4N
lox=3000m,loy=29700/2=14850mm（因跨中有通长系杆），
需要截面面积：
A=N/f=10909584/215=5074.23mm2=50.74cm2
选用不等肢角钢2∟180×110×12（短肢相并），见图所示，
A=67.424cm2,ix=3.10cm,iy=8.75cm
下弦截面
按所选角钢进行截面验算，
λx=lox/ix=300/3.10=96.77<[λ]=350
λy=loy/iy=1485/8.75=169.91<[λ]=350
所选截面满足要求。
（3）端斜杆aB
杆件轴力N=-559.2888kN，
计算长度l0x=l0y=2534mm.
因为l0x=l0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ix≈iy
选用2∟140×90×10，见下图所示，A=44.522cm2,ix=4.47cm,iy=3.74cm
斜杆截面
按所选角钢进行验算：
λx=lox/ix=253.4/4.47=56.68<[λ]=150
λy=loy/iy=253.4/3.73=67.94<[λ]=150
由于λy>λx，只需求
y=0.764
N/
A=559288.8/（0.764×4452.2）=185.46MPa<215MPa
所选截面合适。
（4）腹杆eg-gk
此杆在g点处不断开，采用通长杆件；
最大拉力：
Ngk=137.817kN,Neg=106.0902kN
最大压力：
Neg=-47.147kN,Ngk=-45.0432kN
在分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距：
l0x=2301mm
在桁架平面外的计算长度
可求得：
loy=l1（0.75+0.25N2/N1）=460.2×（0.75+0.25×45.0432/47.1474）=455.07cm
选用2∟63×5，由教材附录可得：
A=12.286cm2,ix=1.94cm,iy=3.04cm
角钢验算
λx=lox/ix=230.1/1.94=118.6<[λ]=150
λy=loy/iy=455.07/3.04=149.69<[λ]=150
由于λy>λx，只求
y=0.310
则
N/
A=47147.4/（0.310×1228.6）=123.79MPa<215MPa
拉应力为：
N/A=137817/1228.6=112.17MPa<215MPa
所选截面合适。
（5）竖杆Ie
N=-70.1982KN=-79160N,
lox=0.8l=0.8×319.1=255.2cm
loy=l=319.1cm
由于杆件内力较小，按[
]=150选择，需要的回转半径为：
ix=lox/[λ]=255.2/150=1.70cm
ly=loy/[λ]=319.1/150=2.13cm
查表，选截面ix和iy较上述计算略大，选用2∟63×5
得截面几何特性：
A=12.286cm2,ix=1.94cm,iy=3.04cm
λx=lox/ix=255.2/1.94=131.54<[λ]=150
λy=loy/iy=319.1/3.04=104.97<[λ]=150
满足长细比：
[λ]=150的要求。
由于λx>λy，只求
x=0.383
则
N/
xA=70198.2/（0.383×1228.6）=149.98MPa<215MPa
所选截面合适
在此，其他各杆件的截面选择计算过程不再一一列出，现将计算结果列于下表
杆件
杆内力
kN
计算长度cm
截面形式及
角钢规格
截面积
（c㎡）
回转半径
长细比
容许长细比
稳定系数
σ
（N/m㎡）
lox
loy
ix（cm）
iy（cm）
λx
λy
上弦
-1264.45
150.8
452.4
┛┗短肢相并
L180×110×12
67.42
3.10
8.76
48.65
51.64
150
0.847
196.30
下弦
1090.96
300
1485.0
┛┗短肢相并
L180×110×12
67.42
3.10
8.76
96.77
169.91
350
161.82
腹杆以及竖杆
Aa
-30.60
199
199
┛┗
L63×5
12.286
1.94
3.04
102.6
65.5
150
0.538
41.04
aB
-559.2888
253.4
253.4
┛┗长肢相并
L140×90×10
44.522
4.47
3.74
56.71
67.78
150
0.764
164.43
Ba
434.51
208.6
260.8
┛┗
L100×6
23.864
3.10
4.51
67.29
57.83
350
182.08
Cb
-49.32
183.2
229.0
┛┗
L50×5
9.606
1.53
2.53
119.7
90.5
150
0.439
116.95
bD
-372.37
229.5
287
┛┗
L100×7
27.592
3.09
4.53
74.3
63.3
150
0.724
186.40
Dc
265.83
228.7
285.8
┛┗
L70×6
16.32
2.15
3.33
106.37
85.83
350
162.89
Ec
-49.32
207.2
259.0
┛┗
L50×5
9.606
1.53
2.53
135.4
102.4
150
0.363
141.44
cF
-208.62
250.8
312.6
┛┗
L90×6
21.274
2.79
4.13
89.89
75.69
150
0.621
138.40
Fd
129.22
249.5
311.8
┛┗
L50×5
9.606
1.53
2.53
167
123.3
350
134.52
Gd
-49.32
231.2
289.0
┛┗
L50×5
9.606
1.53
2.53
151.1
114.2
150
0.304
168.89
dH
-84.47
271.6
339.5
┛┗
L70×6
16.32
2.15
3.33
151.1
101.95
150
0.304
170.26
He
46.67
-28.52
270.8
338.4
┛┗
L63×5
12.286
1.94
3.04
139.59
111.32
150
0.347
66.90
Ie
-70.20
255.2
319.1
┛┗
L63×5
12.286
1.94
3.04
131.5
104.9
150
0.381
149.97
eg
106.09
-47.15
230.1
453.73
┛┗
L63×5
12.286
1.94
3.04
118.6
149.25
150
0.31
123.80
gk
137.82
-45.04
230.1
453.73
┛┗
L63×5
12.286
1.94
3.04
118.6
149.25
150
0.31
118.26
Kf
0.9864
314.1
314.1
十字形
L63×5
12.286
2.45
2..45
128.2
128.2
200
0
gI
24.9858
165.9
207.4
┛┗
L50×5
9.606
1.53
2.53
108.7
82.2
350
26.01
Jg
-42.741
127.6
158.9
┛┗
L50×5
9.606
1.53
2.53
83.4
63
150
0.665
66.91
六、节点设计
（1）下弦节点“b”
各杆件的内里由内力表可以查得。
设计步骤：
根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸hf和lw，然后根据lw大小比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。
采用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值
.
设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝分别采用hf1=8mm，hf2=6mm，
则所需的焊缝长度为：
肢背lw1=0.7N/（2×0.7×hf1*ffw）+2hf1=0.7*434509.2/（2*0.7*8*160）=185.73mm故取190mm
肢尖：
lw2=0.3N/（2×0.7*hf2*ffw）+2hf2=0.3*434509.2/（2*0.7*6*160）=108.99mm故取110mm
设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝分别为9mm和7mm，则所需的焊缝长度为：
肢背：
lw1=0.7N/（2*0.7*hf1*ffw）+2hf1=0.7*372366/（2*0.7*8*160）+16=161.46mm
故取180mm
肢尖:
lw2=0.3N/（2*0.7*hf2*ffw）+2hf2=0.3*372366/（2*0.7*6*160）+12=95.12mm
故取100mm
“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf=5mm。
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为360×445mm。
下弦与节点板连接的焊缝长度为44.5cm（满焊），hf=6mm。
焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力：
△N=Nbc-Nab=757.5552-312.1956=445.3596kN，
受力较大的肢背处的焊缝应力为：
τf==0.75*445359.6/2*0.7*6*4（445-12）=91.83MPa<160MPa
因此，焊缝强度满足要求。
（2）上弦节点“B”
“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同，aB杆的肢背和肢尖焊缝hf分别为10mm和6mm，所需要的焊缝长度为：
肢背lw1=0.65N/（2*0.7*hf1*ffw）+2hf1=0.65*559288.8/（2*0.7*10*160）+20=182.30mm
取190mm
肢尖
lw2=0.3N/（2*0.7*hf2*ffw）+2hf2=0.3*559288.8/（2*0.7*6*160）+12=157.65mm
取160mm
为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。
用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。
槽焊缝作为两条角焊缝计算，焊缝强度设计之应乘以0.8的折减系数。
计算时可略去行加上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。
上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：
Hf1=1/2*节点板厚度=1/2*12=6mm
上弦节点与中间节点板间焊缝长度为460mm。
则σ=48780/[2*0.7*6*（460-12）*1.22]=10.62MPa<0.8ffw=0.8*160MPa=128MPa
肢尖焊缝承受弦杆内力差△N=559.782-0.1638=559.62KN，偏心距e=110-25=85mm，偏心力矩M=△Ne=559..62*0.085=47.567kn·m,按构造要求取肢尖hf2=10mm,则上弦杆肢尖角焊缝的剪应力为
τf=559620/2*0.7*10*448=89.23MPa
有偏心力矩引起的正应力为
σf=6M/2hel2w=6*47567000/2*0.7*10*4482=101.57MPa
则焊缝强度为
所以焊缝强度满足要求
（3）屋脊节点“K”
弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，且便于施焊，需要将拼接角钢的尖角削除并截去垂直肢的一部分宽度（一般为t+hf+5mm）。
拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。
接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。
设焊缝hf=10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）：
则lw=1121043.6/4*0.7*10*160=250.23mm
拼接角钢长度ls=2（lw+2hf）+弦杆杆端空隙，拼接角钢长度取620mm。
上弦与节点板间的焊槽，假定承受节点荷载，焊缝验算方法与节点“B”出槽焊缝验算方法类似，此处验算过程略。
上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，并考虑此内力产生的弯矩。
设肢尖焊缝hf=10mm，节点板长度为500mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw=500/2-10-20=220mm，焊缝应力为：
τfN=（0.15×1121043.6）/（2×0.7×10×220）=54.60MPa
σfM=（6×0.15×1121043.6×84.1）/（2×0.7×10×2202）=125.22MPa
因此，焊缝强度满足要求。
（4）支座节点“a”
为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取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等，厚度取14mm。
1）支座底板的计算
支座反力R=487800N
按构造要求采用底板面积为a×b=280×400mm2，如仅考虑加劲肋部分底板承受支座反力R，则承压面积为280mm×234mm=65520mm2
验算柱顶混凝土的抗压强度为：
σ=R/An=487800/65520=7.45MPa＜fc=9.8N/mm2满足。
底板的厚度按桁架反力作用下的弯距计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两相邻边支承，而另两相邻边自由的板。
每块板单位宽度的最大弯距为：
M=β2q
式中q—底板下的平均应力，q=7.45MPa；
2—两支承边之间的对角线长度，
2=
β2—系数，由b2/a2决定。
b2为两支承边的相交点到对角线a2的垂直距离。
由相似三角形的关系得：
b2=110×133/172.6=84.8mm，
b2/a2=84.8/172.6=0.49，查表得β2=0.0586
故Mmax=M=β2q
=0.0586×7.45×172.62=13005.75N·mm。
底板厚度t=
=
=19.05mm，取t=22mm。
2）加劲肋与节点的连接焊缝计算
加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似。
偏于安全地假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的1/4,即487800/4=121950N,
则焊缝应力为:
V=121950N
M=121950N×65=7926750N·mm
设焊缝hf=6mm，焊缝计算长度lw=528-20-12=496mm，则焊缝应力为
3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。
设焊缝传递全部支座反力R=487800N，其中每块加劲肋各传R/4=121950N，节点板传递R/2=243900N。
节点板与底板的连接焊缝长度Σlw=2×（280-12）=536mm，所需焊脚尺寸为：
故取hf=6mm
每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为；
所需焊缝尺寸为
故取hf=8mm。
其他节点的计算不再一一列出，详细的施工构造如大图所示。
七、焊接工艺
桁架为大型构架，其焊接装配工艺应采用随装随焊的工艺，即先将若干个零件组合起来，随之焊接相应的焊缝，然后再装配若干个零件，再进行焊接，甚至等全部零件装完再进行焊接，成为符合要求的构件。
1、焊前须知：
1）施焊前，焊工应复查拼装质量和坡口及间隙是否符合图纸和焊接要求，如不符合要求，应修整合格后方能施焊。
2）焊剂使用前，必须按照质量保证书的规定进行烘焙。
埋弧焊的焊剂，应按照工艺确定的型号和牌号相匹配；碱性焊剂一般在250～300℃烘焙2小时，其含水量不得大于0.1%，不得含灰尘、铁屑和其它杂物。
焊接区应保持干燥，不得有油污、锈和其它污物。
焊条、焊丝、焊剂均应储存在干燥、通风良好的地方，并设专人保管。
3）施焊前必须将焊接处的铁锈、油污、溶渣等清除干净，氧化渣须打磨直至露出金属表面。
4）焊接时，不允许在焊缝以外的母材上打火引弧。
5）定位点焊，必须由持焊工合格证的工人施焊。
严禁在交叉点施定位焊。
定位焊用的焊接材料，应与正式施焊用的材料相同。
点焊高度不宜超过母材厚度的2/3，点焊长度一般不小于50mm，并应填满弧坑。
如发现定位点焊上有气孔或裂纹，必须清除干净后重焊。
6）气体保护焊所用的气瓶上，必须装有预热器和流量计，气体纯度不得低于99.5%。
使用前应做放水处理。
当气瓶的压力低于1.0Mpa时，应停止使用。
对细焊丝（直径小于等于2.0mm）的气体流量宜控制在10～25l/min；焊丝直径大于2.0mm的气体流量为30～50l/min。
7）要求焊透的对接双面焊缝的背面，可用碳弧气刨或砂轮机清除焊根后施焊。
8）埋弧焊每道焊缝熔敷金属横断面的成型系数（宽度与深度之比）应大于1.3。
采用多层焊时，应将前一道焊缝表面清理干净后再继续施焊。
9）角焊缝焊脚尺寸K值由设计图纸或技术文件注明；当图纸或技术文件未注明时，非熔透焊缝，焊脚尺寸按两相邻零件板厚较薄的1.2t计，H型钢焊缝焊脚尺寸等于腹板的厚度；根部熔透焊接时，焊角尺寸为板厚的1/2，且不大于10mm。
焊脚尺寸的允许偏差为0~4mm。
10）焊缝出现裂纹时，焊工不得擅自处理，应及时向质量部门报告，查明原因，定出修补措施后方可处理。
Q345材料在同一处返修不得超过两次。
11）焊缝焊接完
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