三角形钢屋架设计.docx

1、三角形钢屋架设计1.设计资料 22屋架杆件几何尺寸的计算 23屋架支撑布置 24屋架的内力计算 55屋架杆件截面设计 66屋架节点设计 107.参考资料 20钢屋盖课程设计1.设计资料1) .车间为单跨厂房，全长90m屋架支撑在钢筋混凝土柱上，柱距为 6m上柱截 面尺寸为400x400mm混凝土强度等级为 C30,车间内设有一台起重重量 300kN的桥式 吊车。2) .屋架跨度： 18m3) .屋面坡度： 1 : 32屋架杆件几何尺寸的计算根据所用屋面材料的排水需求及跨度参数，采用芬克式三角形屋架。屋面坡度为i=1：屋架计算跨度 屋架跨中高度 上弦长度 节间长度3,屋面倾角 a =arctg(

2、1/3) =18.435 sin a =0.3162cos a =0.9487b =1 300= 18000- 300=17700mmh= lXi/2=17700/(2 3*2950mma=L/6=9329/6 1555rmL=l 0/2cos a 9329mm节间水平段投影尺寸长度 az =acos a =1555X 0.9487=1475mm根据几何关系，得屋架各杆件的几何尺寸如图 1所示图1屋架形式及几何尺寸3屋架支撑布置3.1屋架支撑1 、因为屋架是有檩屋架，为了与其他支撑相协调，在屋架的下弦节点设计三道柔性水平系杆，上弦节点处的柔性水平系杆均用该处的檩条代替。2、根据厂房长度90m,

3、跨度为6m在厂房两端第二柱间和厂房中部设置三道上弦横 向水平支撑和下弦横向水平支撑，中间设置一道垂直支撑。如图 2所示。3.2屋面檩条及其支撑波形石棉瓦长1800mm,要求搭接长度 羽50mm,且每张瓦至少要有三个支撑点，因此最大檩条间距为a pmax1800 -150825mm3-1半跨屋面所需檩条数考虑到上弦平面横向支撑节点处必须设置檩条，为了便于布置，实际取半跨屋面檩 条数13根，则檩条间距为：1555 6a p 13 _1 778 ： a pm ax = 825 mm可以满足要求图3屋面檩条及其支撑布置示意图3.2.1截面选择试选用普通槽钢10,查表 m=0.098kN/m lx=19

4、8.3cm4,Wx=39.7cm3,Wy=7.8cm3;截面 塑性发展系数为y=1.05, yYl.2。恒载石棉瓦 0.2 0.778/0.9487=0.148( kN/m2)木丝板檩条和拉条自重架和支撑自重合计可变荷载檩条的均布荷载设计值0.25 .778/0.9487=0.185 ( kN/m)0.098 (kN/m)0.12+0.011X 18=0.318 (kN/m)gk=0.749 (kN/m)qk=0.500 .778/0.9487=0.369 ( kN/m)q= Ggk+ Qqk=1.2 X.749+1.4 X369=1.415kN/mqx=qsin j =1.415 X.316

5、2=0.448kN/mqy=qcos： =1.415 .9487=1.3424kN/m322强度计算檩条的跨中弯距=- 1.342 62 =6.039kN m8檩条的最大拉力（拉应力）位于槽钢下翼缘的肢尖处满足要求。323强度验算载荷标准值qx =(gk+qk)apCO0=(0. 74-90. 3 6 9)0. 7 7B0. 94870. 825kN/m沿屋面方向有拉条，所以只验算垂直于屋面方向的挠度:能满足刚度要求 3.2.4荷载计算恒载石棉瓦 0.2 0.778/0.9487=0.148( kN/m2)木丝板 0.25 .778/0.9487=0.185 ( kN/m2)檩条和拉条自重 0

6、.098 (kN/m2)架和支撑自重 0.12+0.011X 18=0.318 (kN/m2)合计gk=0.749 (kN/m2)可变荷载檩条的均布荷载设计值节点何载设计值4屋架的内力计算2qk=0.500 .778/0.9487=0.369 ( kN/m )2q= Ggk+ Qqk=1.2 X.749+1.4 X369=1.415kN/mP=qaz s=1.415 X.475 X=12.52kN4.1杆件的轴力芬克式三角形桁架在半跨活（雪）荷载作用下，腹杆内力不变号，故只按全跨雪荷 载和全跨永久荷载组合计算桁架杆件内力。根据建筑结构静力计算手册，对于十二 节间芬克式桁架，n=17700/29

7、50=6o先查得内力系数，再乘以节点荷载 P=12.52kN,屋架 及荷载是对称的，所以只需计算半个屋架的杆件轴力。计算出的内力如表 1所示。表1桁架杆件内力组合设计值杆件内力系数内力设计值/kN(P=12.52kN)AB-17.39-217.72BC-16.13-2O1.95上弦杆CD-16.76-2O9.84DE-16.44-2O5.83EF-15.18-19O.O5FG-15.81-197.94AH+16.5O+2O6.58下弦杆HI+13.5O+169.O2IJ+9.OO+112.68DI-2.85-35.68BH、CH-1.34-16.78EK、FK-1.34-16.78腹杆HD、D

8、K+3.OO+37.56IK+4.5O+56.34KG+7.5O+93.9GJOO注：负为压杆，正为拉杆。4.2上弦杆的弯矩由钢结构与组合结构查的，上弦杆端节间最大正弯矩： M仁O.8Mo，其它节间最大正弯矩和节点负弯矩为 M2=0.6Mo。上弦杆节间集中载荷节间最大弯矩端节间中间节间及节点P=12.52kNMo= Pl/4 =12.52 1X75/4=4.617kN mM1=O.8Mo=O.8 4.617=3.694kN mM2=0.6MO=O.6 X2.77OkN m5屋架杆件截面设计在设计屋架杆件截面前，首先要确定所选节点板的厚度。在三角形屋架中，节点板厚度与弦杆的最大内力有关。根据弦杆

9、最大内力 Nmax=217.72kN,查钢结构设计原理P336页表9.6.4单节点板桁架节点板厚度选用表可选择支座节点板厚为 1Omm,其它节点板厚应大于8mm。选所有节点板厚1Omm5.1上弦杆整个上弦杆采用等截面通长杆，由两个角钢组成 T形截面压弯构件，以避免采用不同截面时的杆件拼接。弯矩作用平面内的计算长度 Iox=l555mm侧向无支撑长度 Ii=2X1555=311Omm首先试选上弦截面为2L11OX7OX1O,查钢结构得其主要参数A=34.334cm,i x=1.96cm,填板 1Omm i y=5.45cm, Wxmin=24.96cm，,WXma=76.6cm 截面 塑性发展系

10、数 Y1=1.O5, xy1.2。5.1.1强度验算取AB段上弦杆（最大内力杆段）验算:轴心压力： N=217.72kNMx=M i=3.694kN m； M y=M2=2.770kN m最大正弯矩（节间）： 截面强度验算由负弯矩控制 上弦采用等截面，lox = 155.5cmly =2lx=311.1cm根据 Amax =79.34查9 - =0.691故截面选截面选符合要求0 l oy1 =11 0.56=0.56 3110/110=1.583 t th查得 y -0.866截面符合要求5.2下弦杆（轴心受拉杆件）整个下弦钢不改变截面，采用等截面通长杆。在下弦节点 I处，下弦杆角钢水平肢上

11、开有直径为17.5mm的安装螺栓扩孔。因此，计算下弦杆强度时，必须考虑及此。此 外，选截面时还要求角钢水平肢（开孔肢）的边长 63mm以便开d0=17.5mm的安装螺 栓孔。首先按段AH的轴心拉力N=206.58kN下弦杆的计算长度lox=393.4cm （取下弦杆IJ段的长度）|oy=2X393.4=786.8cm需要ix 393 1.124cm.,350杆段HI杆段IJ5.2.2长细比验算下弦杆长细比满足要求，所以所选下弦杆截面适用5.3腹杆5.3.1中间竖腹杆JG对于中间竖腹杆，N=0， l =295cm对连接垂直支撑的桁架，采用 2L 50X4组成十字形截面，imin Jx = 1.9

12、4cm 单个角钢匚50X4 imin =0.99cml0=0.9 l =0.9 29X=265.5cm可满足要求。5.3.2主斜腹杆IK、KG主斜腹杆 IK、KG 两杆采用相同截面，lox=245.8cm, loy=2X245.8=491.6cm, 内力设计值 N=+93.9kN所需净截面面积选用2L40X4, T形截面，填板10mm2A=6.17mm ix=1.22cm 0.7cm, iy=1.88 1.40cm 可以使用5.3.3腹杆 DINDi=-35.68kN, lox=0.8 loy=0.8X 155.5=124.4cm, loy=l =155.5cm2选用匚40X4 A=3.09c

13、m , ix=1.22cm, iy=1.96cm刚度验算：以空=79V150iy 1.96可满足要求。5.3.4腹杆 BH、CH、EK、FK4根杆均为压杆，受力及长度均有小于 DI杆，故可按DI杆选用L40X4不采用填 板5.3.5腹杆 HD、DK、lx 0&245.8 x 161.18 ： 1 J - 350ix 1.22两者均为拉杆。验算如下：N=+37.56kN, l=24.58cm.选用匚40X4 A=3.09cm2,ix=1.22cm, iy=1.96cm37.56 103309= 121.55 ： 215N/mm2可满足要求。5.4填板设置与尺寸选择双角钢杆件的填板设置与尺寸选择如

14、表 2表2填板设置与尺寸选择杆件名称杆件截面节间杆件几何长度(mm)i(mm)40i(压 杆)或 80i(拉杆)(mm)实际填板 间距(mm)每一节间填板数量(块)填板尺寸bX tx h(mm)上弦杆2L110X70X0155519.6784778160x 10X 70下弦杆AH、HI2L70X3245821.517201229160x 10X 90IJ393413112腹杆GJ2L 50X429509.9792658560x 10X 80IK、KG2L40X4245812.29761153560x 10X 606屋架节点设计角焊缝强度设计(E43型焊条)ffw =160N/mm2屋架各杆件轴

15、线至各杆件角钢背面的距离 Z。/如表3,表中Zo为杆件重心线至角钢 背面的距离。表3屋架各杆件轴线至角钢背面的距离 Zo杆件名称杆件截面重心距离Z0(mm)轴线距离Zo，(mm)备注上弦杆2L 110X70 X1017.220下弦杆2 L70619.520腹杆JG2 L 50X413.815IK、KG2 L40X48.910DI2 L 40X411.315单面连接BH、CH、EK、FK2 L 40X411.315单面连接DH、DK2 L40X411.315单面连接6.1支座节点A6.1.1下弦杆与节点板间连接焊缝计算N=206.58kN 匕=0.7 k2 =0.3按焊缝连接强度要取角钢背部焊脚

16、尺寸hfi=5mm，角钢趾部焊脚尺寸hf5mm , 求得背部Bimn220图4支座节点A6.1.3上弦杆与节点板间连接焊缝计算N=217.72kN, Pi=P/2=12.52/2=6.26kN节点板与角钢背部采用塞焊缝连接(取 hfi= t/2=5 mm)，设仅承受节点荷载Pi。因Pi值很小，焊缝强度不必计算，一定能满足要求。令角钢趾部角焊缝承受全部轴心力 N及其偏心弯矩M的共同作用：其中M 二 N(70-Z) 10 217.72 (70 - 20) 10 “ = 10.886 kN m取焊脚尺寸hf2=5mm，由节点图中量得实际焊缝长度l=474mm(全长焊满时)，计算长度 lw2=l-10

17、mm=474-10=464mm 60hf2=240mm,取最小 lw2=60hf2=240mm 计算，6M 60.886灯062 0.7 hf2l爲 2 0.7 5 2402N _ 217.72I03= 161.99N / mm=129.59N / mm斜边220一10一8叮=123.49mm2 0.7 hf2lw2 2 0.7 5 240 二 0.447日1查表得1 =0.06，代入(j)M 二 七仁 0.06 1.77 123.492 “619.52N mm所需底板厚度t狂=畀；52 = 6.72mm，取t=16mm底板选用-220 16 220hf _1.5 也 T.5 16=5.61m

18、m6.1.5节点板、加劲肋与底板间的水平连接焊缝的计算(1)节点板与底板间水平连接焊缝承受轴心力 N=R/2=75.12/2=37.56kN焊缝计算长度 、lw=2 (220 -10) = 420mm采用hf=8mm，满足要求。6.1.6加劲肋与节点板间竖向连接焊缝计算加劲肋厚度采用10mm，中间节点板厚10,mm。每块加劲肋与节点板间竖向连接焊缝受力：V 二丄 iR J 37.56 =18.78kN2 2 2M : V b =18.78 65 10“ =1.221kN.mm4构造要求采用 hf=8mm,满足要求。hf _1.5 tmax =1.5 .16= 5.61mm由以上计算可见，底板和

19、加劲肋及其连接焊缝均是构造控制。6.2上弦一般节点 B、C、E、F、D6.2.1按一下方法、步骤和要求绘制节点详图(1)严格按几何关系画出汇交于节点 B的各杆件轴线(轴线至杆件角钢背面的距 离Zo /按表3);(2)节点板上部缩进上弦杆角钢背面10m m、取上弦杆与短压杆轮廓间距离为15mm 和根据短压杆与节点板间的连接焊缝尺寸等，确定节点板尺寸如图 5所示；(3)标注节点详图所需各种尺寸。6.2.2上弦杆与节点板间连接焊缝计算N1=217.72kN N2=201.95kN P=12.52kN节点荷载P假定全部由上弦杆角钢背部塞焊承受，取焊脚尺寸 hf =5mm,( t2为节点板厚度)，因P值

20、很小，焊缝强度不必计算。上弦杆角钢趾部角焊缝假定承受节点两侧弦杆内力差 丄N = 2 - 2及其偏心弯矩M的共同作用，其中/ N - N2=217.72-201.95=15.77kNM；N(70-Z0) 1015.77 (70 -20) 10； =0.7885kN m(a)节点B、E (b)节点C、F (c)节点D由图中量得实际焊缝长度 b=141mm,计算长度lw2=b-10mm=141-10=131mm需要采用hf=8mm,满足要求节点板尺寸：因内力较小，焊缝尺寸需满足 40mm或8hf =64mm其他上弦一般节点(节点C、D、E和F)的设计方法、步骤等与节点B相同，节点详图 见图5所示。

21、因节点E和节点B的几何关系、受力等完全相同，故节点详图也完全相同。 节点C和节点F的详图也完全相同。6.3屋脊拼接节点GN=197.94kN P=12.52kN6.3.1拼接角钢的构造和计算拼接角钢采用与上弦杆截面相同的21110X700。拼接角钢与上弦杆间连接焊缝的焊脚尺寸取hf=8mm。拼接接头每侧的连接焊缝共有四条，按连接强度条件需要每条焊缝的计算长度拼接处左右弦杆端部空隙40mm,需要拼接角钢长度Iw = 2 55.2 40 16 = 166.4mm为了保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度 La=350mm6.3.2绘制节点详图 .,绘制方法、步骤和要求与上弦一般节点 B基本相同，腹

22、杆与节点板间连接焊缝尺寸按表4采用。节点详图如图6所6.3.3拼接接头每侧上弦杆与节点板间连接焊缝!拼接接头每侧上弦轴力的竖向分力 Nsina与节点荷载P/2的合力V=Nsina - P /2=197.34X 0.3162 -12.52/2=49.88kN设角钢背部的塞焊缝承受竖向合力 V的一半，取hf1 =5mm,需要焊缝计算长度（因P/2很小，不计其偏心影响）、 V/2 49.8803/2 “ 1 w1w 22.267mm2 0.7 hf1f； 2 0.7 5 160由图量得实际焊缝长度远大于，因此槽 内焊缝满足计算要求。在计算需要的Iw1时没有考虑斜焊缝的强度设计值增大系数。节点板尺寸：

23、93.9 1030.7N 93.9 103lw -w 52.39mm2 0.7hfffw 2 0.7 8 160按构造要求 hf _15.tmax =1.5 10=4.74mm6.4下弦一般节点H6.4.1绘制节点详图（如图所示）Ni =169.02kN N2 =112.68kN6.5.1下弦杆与节点板间连接焊缝计算拼接角钢采用与下弦杆截面相同的2170X10。拼接角钢与下弦杆间连接焊缝的焊脚 尺寸取hf =8mm。拼接头每侧的连接焊缝共有四条，按连接强度条件需要每条焊缝的计算长度lN maxl w _169.02 103-= =47.15mm4 0.7hf 4 0.7 8 160拼接处弦杆端

24、部空隙取为20m m,需要拼接角钢长度La =2 lw 20 16 =2 47.15 20 16 =150.3mm为保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度 La = 250 mm6.5.2绘制节点详图采用人门二hf? =8mm，满足要求。hf _1.5 tmax 1.5 ?10 4.74mm6.6下弦中央节点J均按构造要求确定各杆与节点板间的连接焊缝。节点详图如图 9所示图9下弦中央节点J6.7受拉主斜杆中间节点K 设计计算与下弦一般节点H相同.参考文献1钢结构-原理与设计 （中国建筑工业出版社）2建筑荷载规钢结构设计原理 （高等教育出版社）3钢结构（清华大学出版社）4建筑荷载规范GB50009-2012