梯形屋架课程设计书11111

梯形屋架课程设计书

目 录

第一章：设计资料 ................................................................................................................... 2 第二章：结构形式与布置 .................................................................................................... 2

2.1 柱网布置 .......................................................................................................................... 2 2.2屋架形式及几何尺寸 ....................................................................................................... 2 2.3支撑布置 ........................................................................................................................... 3

第三章：荷载计算及杆件内力计算 ................................................................................. 4

3.1屋架荷载计算 ................................................................................................................... 4 3.2屋架杆件内力系数 ........................................................................................................... 4 3.3杆件内力组合 ................................................................................................................... 5

第四章：屋架杆件截面选型 ................................................................................................ 6

4.1杆件截面选型 ................................................................................................................... 6

第五章：屋架杆件焊缝计算 ................................................................................................ 8

5.1腹杆焊缝计算 ................................................................................................................... 8 5.2下弦杆焊缝计算 ............................................................................................................... 8 5.3上弦杆角钢尖焊缝计算 ................................................................................................... 8

第六章：屋架节点设计 ......................................................................................................... 9

6.1下弦拼接节点k ................................................................................................................ 9 6.2上弦拼接节点K ............................................................................................................... 9 6.3下弦一般节点c ................................................................................................................. 9 6.4上弦一般节点B .............................................................................................................. 10 6.5支座节点a....................................................................................................................... 10

第七章：角钢杆件填板间距与形心距计算 ................................................................. 12

第一章：设计资料

某单跨单层厂房，跨度L＝24m，长度54m，柱距6m，厂房内无吊车、无振动设备，屋架铰接于混凝土柱上，屋面采用1.5*6.0m太空轻质大型屋面板。钢材采用Q235－BF，焊条采用E43型，手工焊。柱网布置

如图2.1所示，杆件容许长度比：屋架压杆【?】＝150

屋架拉杆【?】＝350。

第二章：结构形式与布置 2.1 柱网布置

图2.1 柱网布置图

2.2屋架形式及几何尺寸

由于采用大型屋面板和油毡防水屋面，故选用平坡梯形钢屋架，未考虑起拱时的上弦坡度i＝1/10。屋架跨度l＝24m，每端支座缩进0.15m，计算跨度l0＝l－2*0.15m＝23.7m；端部高度取H0＝2m，中部高度H＝3.2m；起拱按f＝l0/500，取50mm，起拱后的上弦坡度为1/9.6。

配合大型屋面板尺寸（1.5*6m），采用钢屋架间距B＝6m，上弦节间尺寸1.5m。选用屋架的杆件布置和尺寸如施工图所示。

图2.2 屋架的杆件尺寸

2.3支撑布置

由于房屋较短，仅在房屋两端5.5m开间内布置上、下弦横向水平支撑以及两端和中央垂直支撑，不设纵向水平支撑。中间各屋架用系杆联系，上下弦各在两端和中央设3道系杆，其中上弦屋脊处与下弦支座共三道为刚性系杆。所有屋架采用统一规格，但因支撑孔和支撑连接板的不同分为三个编号：中部6榀为WJ1a ,设6道系杆的连接板，端部第2榀为WJ1b，需另加横向水平支撑的的连接螺栓孔和支撑横杆连接板；端部榀（共两榀）为WJ1c。

图2.3 上弦平面

2WJ1c2WJ1aWJ1aWJ1aWJ1aWJ1aWJ1bWJ1aWJ1bWJ1c111---12---2

图2.3下弦平面与剖面

第三章：荷载计算及杆件内力计算 3.1屋架荷载计算

表3.1 屋架荷载计算表

分类 荷载项目名称 1 太空轻质大型屋面板 恒 载 2 防水层 3 屋架及支撑自重 4 悬挂管道 和 ―― 活载 总荷载 屋面活荷载 ―― 荷载大小组合系数（KN/m2） 组合值（KN/m2） 2（KN/m） 0.85 0.10 0.15 0.05 1.15 0.5 ―― 1.4 ―― 1.35 1.148 0.135 0.203 0.068 1.553 0.70 2.25 3.2屋架杆件内力系数

屋架上弦左半跨单位节点荷载作用下的杆件内力系数经计算如图所示。屋架上弦左半跨单位节点荷

载、右半跨单位节点荷载、全跨单位节点荷载作用下的屋架左半跨杆件的内力 系数kL、kR、k（＝kL＋kR）按图3.1所示，并已抄入表3.2中。

图3.1

屋架内力系数图

3.3杆件内力组合

○1 组合一―――全部恒、活荷载

全部恒、活荷载：q=2.25KN/m，F=2.25*1.5*6=20.25KN,

2

杆件组合内力 N1=20.25k（KN）

○2 组合二―――全跨恒荷载、半跨活荷载（相应于全垮恒、活荷载减去半跨活荷载）活荷载：

q=0.7KN/m2，F=0.7*1.5*6=6.3KN,

杆件组合内力 N2= N1－6.3kL,R （KN）

3 组合三―――全跨屋架和支撑重、半跨屋面板重和活荷载： ○

屋架和支撑重：q=0.15*1.35＝0.20KN/m2，F=0.2*1.5*6=1.8KN,

活荷载：q=1.0*1.35+0.7＝2.05KN/m2，F=2.05*1.5*6=18.45KN,

杆件组合内力 N3= 1.8k+18.45 kL,R （KN）

杆件内力组合见表3.2，其中第二、三组合对个别kL 、kR正负号的杆件计算，因为这种情况下第二、三组合的弦杆左右节间内力差△N（设计弦杆焊缝用）将大于第一组合的△N。

表3.2 屋架杆件内力组合表

组合一 内力系数 杆件 K AB 上弦DF 杆 FH BD 全恒活 N1=20.2kL、kR 5k (1) 0 0 -6.253 -2.476 -9.036 -4.486 -9.152 -6.075 -7.362 -7.362 3.489 1.250 7.999 3.525 9.324 -176.762 -273.821 -308.347 -298.161 95.965 233.361 296.075 组合二 全恒＋半活 6.3kL(kR) (2) -57.658 -38.273 -46.381 -46.381 58.741 组合三 全垮屋架和支撑重 半跨屋面板重和活荷载 1.8k (3) -27.409 -26.503 26.318 内力设计值 N2 (1)-(2) -250.68 -27.074 -251.78-251.78 237.33 18.45 kL(kR) (4) -168.854 -112.084 -135.829 -135.829 172.028 N3 (3)+(4) -196.26 -139.49 -162.33 -162.33 198.346 N 0 -8.729 -13.522 -15.227 -14.724 4.739 11.524 14.621 0 -176.762 -273.821 -308.347 -298.161 95.965 233.361 296.075 HK 下弦ce 杆 eg ac

5.297 33.371 306.423 -179.658 137.275 -109.836 74.581 -50.342 22.295 0.7695 -22.194 -10.125 -20.25 39.812 162.00 53.021 42.311 -2.873 9.809 9.828 -9.589 -15.586 8.681 260.70 253.40 264.11 25.168 12.486 -9.059 10.358 -6.608 -30.875 27.238 1.982 0.068 -1.973 97.730 155.275 123.91 -8.413 28.727 28.782 -28.081 -45.645 25.424 124.047 182.513 151.148 -6.431 30.708 280.850 -28.013 -47.618 23.451 306.423 -179.658 137.275 -109.836 74.581 -50.342 -6.431 30.708 28.850 -28.013 -47.618 23.451 -10.125 -20.25 39.812 162.00 gk aB Bc cD 斜杆 eF De 15.132 -8.872 6.779 -5.424 3.683 -2.486 1.101 0.038 -1.096 -0.5 -1.0 1.966 8 8.416 6.716 -6.532 -2.340 4.667 2.112 -3.395 -2.029 1.892 1.791 -0.697 -1.789 -0.456 1.557 1.560 -1.522 -2.474 1.378 -0.5 0 -1.0 0 0.983 0.983 6.025 1.975 Fg gH Hk Aa 竖CcGgEe 杆 Kk 支座反力R 第四章：屋架杆件截面选型

由表3.2知，腹杆最大内力N＝-179.658KN，查得采用节点板厚t＝8mm，但支座节点板加厚为12mm。

4.1杆件截面选型

上弦杆AK为受压杆，先假设?max?90，b类截面?＝0.714，f＝215N/mm2， A＝N/?f＝308347N/0.714*215N/mm2＝2008.644mm2，

ix?l0x/?max=1508/90=16.75mm, iy?l0y/?max=3016/90=33.51mm

查课本上册附表四，选用L100*80*6，短肢相并双角钢。各杆件选型均按此法，计算数据如表4.1、4.2，选型见表4.3。

表4.1 受拉杆件截面选型及强度验算表

杆杆类 号 内力 所需截面积 l0x l0y ix iy 截面选型 截面积 ix 1760 1228 iy 应力＜215 ?x ?x ?max ? ?*A 满足要求 压 a B -179.658 杆 c D -109.836 -1694.887 2539 2539 23.082 23.082 L75*6 -1036.189 2298 2873 20.891 26.118 L63*5 23.1 34.6 109.913 73.382 109.913 0.493 867.680 -207.056 19.4 28.9 118.454 99.412 118.454 0.447 548.916 -200.096 等 e F -50.342 肢 H k -47.618 A a -10.125 C c -20.250 E e -20.250 G g -20.250 -474.925 2506 3132 22.782 28.473 L63*5 -449.226 2179 3399 19.809 30.900 L63*5 -95.519 2015 2015 18.318 18.318 L56*5 1228 1228 1082 1082 1082 1082 19.4 28.9 129.175 108.374 129.175 0.392 481.376 -104.579 19.4 28.9 112.320 117.612 117.612 0.453 556.284 17.2 26.2 117.151 76.908 117.151 0.453 490.146 17.2 26.2 106.977 87.786 106.977 0.511 552.902 17.2 26.2 120.930 99.237 120.930 0.432 467.424 17.2 26.2 134.884 110.687 134.884 0.365 394.930 -85.600 -20.657 -36.625 -43.323 -51.275 -191.038 1840 2300 16.727 20.909 L56*5 -191.038 2080 2600 18.909 23.636 L56*5 -191.038 2320 2900 21.091 26.364 L56*5 表4.2 受压杆件截面选型及强度验算表 杆类 杆号 内力 所需截面积 截面选型 638.488 346.888 142.828 134.186 185.172 L45*4 L45*4 L45*4 L45*4 L45*4 截面积 698 698 698 698 698 ix iy ?x ?x 应力＜215 满足要求 196.669 106.850 43.994 41.332 57.037 B c 137.275 拉 杆 等 肢 F g 30.708 D e 74.581 13.8 21.6 13.8 21.6 13.8 21.6 13.8 21.6 13.8 21.6 152.029 121.389 166.522 133.009 181.594 145.000 197.029 157.361 208.696 133.333 g H 28.850 K k 39.812 表4.3 屋架杆件截面选型表 内力设几何计值长度（KN） l(mm AK ak aB Bc cD De 斜杆 eF Fg gH Hk Aa 竖杆 Cc Ee Gg Kk

注：○1节点板t＝8mm，（腹杆最大内力Nmax＝-179.658KN）；

2f＝215N/mm；压杆【?】＝150，拉杆【?】＝350； ○

2杆件 计算长度（mm） l0x 1508 3000 2539 2098 2298 2298 2506 l0y 3016 11850 2539 2622 2873 2873 3132 截面形式及规格 L100*80*6 L90*56*5 L90*56*7 L45*4 L63*5 L45*4 L63*5 A 回转半径 长细比 mm ix iy 46.1 44.7 23.2 21.6 28.9 21.6 28.9 稳定系数 ?x 62.83 188.68 23.4 21.6 118.454 166.522 129.175 ?y 65.42 265.1 109.44 121.389 99.41 133.009 108.374 ?x ?y 0.499 0.447 0.392 0.780 应力设计值 186.47 212.50 -207.05 196.669 -200.09 106.850 -104.579 弦杆 -308.347 306.423 -179.658 137.275 -109.836 74.581 -50.342 -6.431 1508 3000 2539 2622 2873 2873 3132 2120 1442 1966 698 1228 698 1228 24.0 15.9 15.7 13.8 19.4 13.8 19.4 3132 30.708 28.850 3399 -28.013 -47.618 3399 23.451 -10.125 -20.25 -20.25 -20.25 39.812 2015 2300 2600 2900 3200 2506 3132 L45*4 698 13.8 21.6 181.594 145.00 43.994 2716 3399 L45*4 698 13.8 21.6 197.029 157.361 41.332 2719 3399 L63*5 1228 19.4 28.9 112.32 117.612 0.453 -85.6 2015 1840 2080 2320 2880 2015 2300 2600 2900 L56*5 L56*5 L56*5 L56*5 L45*4 1082 1082 1082 1082 698 17.2 17.2 17.2 17.2 13.8 26.2 26.2 26.2 26.2 21.6 117.151 106.977 120.930 134.884 208.696 76.91 87.786 99.237 110.687 133.33 0.453 0.511 0.432 0.365 -20.657 -36.625 -43.323 -51.275 57.037 第五章：屋架杆件焊缝计算 5.1腹杆焊缝计算

表5.1 腹杆焊缝计算表 内力设 计值 N(KN) 需要焊缝（mm2） hf1lw1= N/320 (N/344.6) 采用焊缝（mm）hf2lw2hf2lw2= 计算时lw按表值－10mm N/746.7 (N/640) hf1-lw1 hf2-lw2 240.603 183.842 147.095 ――― ――― 6－105 6－80 5－80 5－80 5－80 5－50 5－80 5－80 5－80 5－80 双角钢焊缝计算公式 （ffw=160N/mm2） 杆件 aB 斜 Bc 杆 cD 其他 竖杆 -179.658 561.431 137.275 428.984 -109.336 343.238 ＜112 ＜112 ――― ――― 5.2下弦杆焊缝计算

表5.2 下弦杆焊缝计算表 需要焊缝（mm2） 节N1 点 (KN) N2 (KN) △N (KN) hf1lw1= N/298.7 321.276 209.956 90.73 153.867 hf2lw2= N/896 107.104 153.344 69.993 30.247 51.295 采用焊缝≥（mm）计算时lw按表值－10mm hf1-lw1 5－110 5－110 5－110 5－110 5－95 hf2-lw2 5－110 5－110 5－110 5－110 5－95 △N组合和说明 “—”表示hflw＜500mm2，用角焊缝≥5－100或6－95 第一组合 第一组合 第一组合 第三组合 每侧焊缝按0.15Nmax（＞第三组合△N） a c e g k 0 95.965 95.965 95.965 233.361 137.396 459.980 233.361 296.075 62.714 124.047 151.148 27.101 306.423 306.423 45.96 5.3上弦杆角钢尖焊缝计算

表5.3 上弦杆角钢尖焊缝计算表 需要焊缝（mm2） 采用焊缝hf2（mm）=△N N2 节N1 (KN点 (KN) (KN) ) l lw=l-10 ?Ne1?24()2 224lwlw△N组合和说明 采用焊缝hf2“—”表示hflw＜（mm） 500mm2， 用角焊缝≥5－100或6－95 B D F H K 0 -176.762 -273.821 -196.263 -298.161 -176.762 -273.821 -308.347 -162.332 298.161 176.762 97.059 34.526 33.931 44.724 245 235 220 205 － 235 5.65 6 第一组合 225 3.34 5 第一组合 210 1.33 5 第一组合 195 1.49 5 第三组合 每侧焊缝按0.15Nmax（＞第三组合－ － － △N） 1 上弦杆L100*80*6，b=80mm, z0=21.2mm, e=b-z0=60.3mm,取用65mm； 注：○

2 焊缝长度l按画节点图时为满足腹杆焊缝长度所确定得节点板实际宽度 ○（中节点K的l略经放大使求得的hf2较为合理）。

第六章：屋架节点设计 6.1下弦拼接节点k

下弦杆为L90*56*5，拼接角钢用相同规格。角钢t＝5mm，拼接角钢焊缝位于角钢尖，用hf＝5mm，焊缝为：lw=[N]/4*0.7hf* ffw=491060 N/4*0.7*5mm*160N/mm2=219.22mm,取220mm，采用拼接角钢半长L=2(lw+2hf)+b=2*(220+2*5)+20=480mm,扣除半缝宽5mm和正反面焊口各10mm后，焊缝计算长度为纵向470mm＞220mm，满足要求。

拼接角钢水平肢宽90mm，故采用斜切，安装螺栓位置考虑以后连横向水平支撑时可以应用，其与斜切边的边距经检查足够。

拼接角钢竖肢原宽56mm，为焊缝需切肢：△＝t+hf+5=5+5+5=15mm,切后余高h－△＝56-15＝41mm，端部直切。因高度已较小，竖肢上不再用安装螺栓。

6.2上弦拼接节点K

上弦杆起拱后坡度1/9.6，端部取直切，截面为L100*80*6，拼接角钢用相同规格，热弯成型，角钢t＝5mm，拼接角钢焊缝位于角钢尖，用hf＝5mm，焊缝为：lw=[N]/4*0.7hf* ffw=308347 N/4*0.7*5mm*160N/mm2=137.655mm,取300mm，焊缝计算长度为300mm＞2*137.655＝275.31mm，满足要求。

拼接角钢竖肢原宽80mm，为焊缝需切肢：△＝t+hf+5=6+5+5=16mm,实用20mm，切后余高h－△＝80-15＝65m，端部直切。

6.3下弦一般节点c

Bc杆： hf1=6mm, hf2=6mm

焊缝长度：肢背：lw1=0.7N/2heffw=0.7*137.275*103/(2*0.7*6*160)=71.50mm,取80mm；

肢尖：lw2=0.3N/2heffw=0.3*137.275*103/(2*0.7*6*160)=30.64mm,取80mm；

cD杆： hf1=5mm, hf2=5mm

焊缝长度：肢背：lw1=0.7N/2heffw=0.7*109.836*103/(2*0.7*5*160)=68.64mm,取80mm；

肢尖：lw2=0.3N/2heffw=0.3*109.836*103/(2*0.7*5*160)=29.42mm,取80mm；

Cc杆为竖杆，N=-20.25KN很小，焊缝长度也按构造取80mm。

（其余下弦节点按此方法计算腹杆焊缝见表5.2 下弦杆焊缝计算表。）

由上求得长度确定节点板尺寸240mm*320mm,下弦节点连接焊缝长度为32.0cm，hf=5mm, △N＝233.361－95.965＝133.396KN, 受力较大的肢背处的剪应力为

22）】＝47.49N/mm＜ffw＝160 N/mm， 焊缝强度满足要求。 ?f?0.75*137396/【2*0.7*5*（320-10）

6.4上弦一般节点B

BC杆与节点板的焊缝尺寸和节点“c”相同：

aB杆： hf1=6mm, hf2=5mm

焊缝长度：肢背：lw1=0.7N/2heffw=0.7*179.658*103/(2*0.7*6*160)=93.57mm,取105mm；

肢尖：lw2=0.3N/2heffw=0.3*179.658*103/(2*0.7*5*160)=40.10mm,取50mm；

为了便于在上弦搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm，用塞焊缝把上弦角钢和节点板连接起来（详见施工图），塞焊缝做两条焊缝计算，焊缝设计强度值应乘以0.8的折减系数。计算时可略取屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直。

（其余上弦节点按此方法计算腹杆焊缝见表5.3 上弦杆角钢尖焊缝计算表。） 验算强度如下：

肢背塞焊缝 hf1=1/2*节点板厚＝00.5*8＝4mm,按构造取5mm，上弦与节点板间（满焊焊缝长度为245mm。

?f1?[K1(N1?N2)]2?(P/2*1.22)2/(2*0.7hf1lw1)＝

[0.75*176762]2?(50400/2*1.22)2/[2*0.7*5*(245?10]

＝82.73N/mm＜0.8*ffw＝128 N/mm， 焊缝强度满足要求。

肢尖焊缝 hf1=6mm,上弦与节点板间（满焊）焊缝长度为245mm。

2

2

?f1?[K1(N1?N2)]2?(P/2*1.22)2/(2*0.7hf2lw2)[0.25*176762]2?(50400/2*1.22)2/[2*0.7*6*(245?10]

＝27.27N/mm＜ffw＝160 N/mm， 焊缝强度满足要求。

2

2

＝

6.5支座节点a

屋架支座中线缩进轴线（柱外边线）150mm，柱宽400mm，支座底板三面与柱边留距离10 mm，内侧面按对称，故底板尺寸为2a*2b,a=140 mm,b=190 mm,锚栓采用2M24，位置和锚栓孔尺寸如图。支座中心处设加劲肋90*10，加劲肋外侧离锚栓垫板边c=14 mm.

6.5.1 底板计算

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高度相等，厚度为10mm。 计算时底板尺寸偏安全仅按节点板加劲肋范围，加劲肋以外部分底板刚度较差，认为受反力较小而忽略，故底板尺寸按2a=2*140 mm,2b1=2*95mm。支座反力

R=162.0KN,

22

底板压应力为：p＝R/（2a*2b1）=162.0*103/(280*190)=304 N/ mm＜fce=10 N/ mm； 上式中fce为柱混凝土强度等级为C20时的轴心抗压强度设计值。

节点板和加劲肋将底板分隔为四个a*b1=140*95 mm,两相邻边支承区格，确定底板厚度如下： a1=a2?b?2?1402?952?169.2mm2， b1?ab?/a1?140*95/169.2?78.61mm2

b1/a1?78.61/169.2?0.465 查设计指导书表4弯矩系数??0.0544；

两相邻支撑板单位板宽最大弯矩：M??pa12?0.0544*3.04*169.22?4.734*103N,

6M6*4.734*103N底板厚：t???11.5mm，选底板厚度15mm(安全考虑)。 2f215N/mm 6.5.2 节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算 ∑lw=2a+2(b-?-2c-)60mm=2*140+2(190-10-2*15)-60=280+300-60=580-60=520mm,

hf?R/(?f*0.7?lwffw)=162.0*103/(1.22*0.7*520*160)=2.28mm,

按构造hf?1.5t?1.515?5.81mm，因此hf＝6mm。

6.5.3加劲肋及其焊缝计算

加劲肋与连接板间的焊缝可近似的按照传递支座反力四分之一计算，并考虑焊缝偏心受力。节点板高度373mm，加劲肋90*10*373mm，切角后净高h0＝373－15＝358mm（通常情况这个高度都较大，故加劲肋强度和竖焊缝都可不必计算）。每块加劲肋的两条焊缝承受的内力为：V=R/4,合力作用于切角15mm后净宽90－15＝75mm的中点：

V= R/4=162.0/4=40.5KN; e＝15+75/2＝52.5mm； M=Ve＝40.5*52.5KN*mm 加劲肋与连接板的连接竖缝：lw?h0?10?358?10?348mm?60hf?60*6?360mm， 便于施工取350mm。焊缝应力：

22(V/2*0.7hflw)2?(6M/2*0.7?fhflw)?(40.5*103/2*0.7*6*350)2?(6*2126.25*103/2*0.7*1.22*6*3502)2 ?101.64N/mm2?ffw?160N/mm2,满足要求。第七章：角钢杆件填板间距与形心距计算

杆件双角钢间联系填板的最大间距的计算列与表中，杆件角钢背至轴线的距离按角钢表查得的形心距调整到5mm的倍数，也列与表中。

表7.1 杆件填板及形心距计算表 杆件 截面型式及规格 弦杆 L100*80*6 L90*56*5 L90*56*7 腹杆 L45*4 L63*5 L56*5 填板最大间距（mm） 单角钢 形心距z0（mm） i1（mm） 拉杆80 i1 压杆40 i1 31.7 29.0 28.6 13.8 19.4 17.2 2320 1104 1552 1376 1268 1144 19.7 12.5 30.0 12.6 17.4 15.7

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