米跨度钢结构设计计算书梯形钢屋架.doc

米跨度钢结构设计计算书梯形钢屋架.doc

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一、设计资料

1、某车间的跨度27m，柱距为6m，厂房总长度为240m，屋面采用1.5m*6m的预应力钢筋混凝土大型屋面板（屋面板不考虑作为支撑用），屋面的坡度为i=1/10

2、屋面永久荷载标准值为2.8kN/m（不含屋架自重），屋面可变荷载标准值为0.5kN/m，屋架采用梯形钢屋架，其屋架支承于钢筋混凝土柱顶

3、屋架的计算跨度：

lo=27-2*0.15=26.7m

4、屋架的中间高度：

h=3.340m

5、在26.7m的两端高度为：

ho=2.005m

6、在27m轴线处端部高度为：

ho=1.990m

7、混凝土强度等级为C25，钢材采用Q235-B级，焊条采用E43型，手工焊

8、车间的柱网布置图如下：

柱网布置图

备注：

某车间所设计的屋盖无吊车、无天窗、无振动设备，不必进行有关这些的计算。

二、结构形式与布置

屋架形式及尺寸如下图所示

屋架支撑布置图请见A3图纸。

三、荷载计算

永久荷载：

预应力钢筋混凝土大型屋面板：

2.8*1.35=3.78

屋架和支撑自重：

（0.12+0.011*27）*1.35=0.56

总计：

4.34

可变荷载：

0.5*1.4=0.7

总计：

0.7

设计屋架时，应考虑以下3种荷载组合：

（1）第一种荷载组合：

全跨永久荷载及可变荷载：

F=（4.34+0.7）*1.5*6=45.36 kN

（2）第二种荷载组合：

全跨永久荷载+半跨可变荷载：

全跨节点永久荷载：

=4.34*1.5*6=39.06kN

半跨节点可变荷载：

=0.7*1.5*6=6.3kN

（3）第三种荷载组合：

全跨屋架包括支撑+半跨屋面自重+半跨屋面活荷载：

全跨节点屋面自重：

=0.56*1.5*6=5.04kN

半跨节点屋面板自重及活荷载：

=（3.78+0.7）*1.5*6=40.32kN

备注：

上述三种荷载组合，其中

（1）、

（2）种组合为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。

四、内力计算

屋架在上述3种荷载组合作用下的计算简图如下图三个图所示。

用电算先解得F=1的屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨、右半跨），

然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果详细见表：

屋架杆件内力组合表

五、杆件设计

（1）上弦杆

整个上弦采用等截面，按IJ、JK截面最大内力进行设计：

内力N=-871.728kN=-871728N

上弦杆计算长度

在屋架平面内：

为节点间轴线的长度：

=150.7cm

在屋架平面外：

根据支撑布置和内力变化变化情况，=150.7*3=452.1cm

因为=3，故截面宜选用两个不等肢角钢短肢相并（如图所示）

腹杆最大内力，N=463.62kN，查表可知，节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm（详见建筑钢结构设计书第169页）

设=60，查表可知=0.807

所需面积A===5024.2

需要的回转半径：

===2.51cm===7.54cm

根据所需要的A，，查角钢表（附录中附D-18），先用2L160*100*12，A=60.11,=2.82cm,=7.82cm，现在对所选用的角钢进行验算：

===53.44<[]=150

===57.81<[]=150

满足长细比要求，且对于短肢相并的不等边双角钢截面，可近似地取=，所以我们只需对进行验算便可

由于>,只需求，查表可知=0.833

根据公式：

==174.1<215

所以所选用的截面2L160*110*12符合上弦杆的要求

（2）下弦杆

整个下弦杆采用同一截面，按所在内力最大值cd杆计算

Nmax=830.179kN=830179N

=450cm,=1335cm

所用截面面积

An===3861.3=38.61

选用2L160*100*10，因为>>，可用不等边角钢肢角短肢相并，近似取=，只需算便可

截面几何特征：

A=50.63>47.65

=2.85cm=7.70cm

===157.89<[]=350

===173.38<[]=350

选用截面满足要求

（3）端斜杆aB

杆件轴力：

N=-463.625kN=-463625N

计算长度：

==257.0cm，因为=，所以采用不等肢角钢长肢相并，使得和相近，故选用2L140*90*10

截面几何特征：

A=44.52

=4.47cm=3.73cm

===57.63<[]=150

===68.88<[]=150

由于其连接方式为长肢相并的不等边，需验算（>）

由于==14>0.48*=0.48*=8.8

所以=5.1**（1+）=78.49>

所以用来计算，=0.697

===149.4<215

选用2L140*90*10作为端杆aB满足要求

（4）腹杆ef-fJ

此杆在g点处不断开，采用通长杆件

最大拉力：

Nef=132.975kNNfJ=166.743kN

最大压力：

Nef=-73.302kNNfJ=-69.371kN

再分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点的中心间距

=224.5cm

在桁架平面外的计算长度按下列式子计算：

=l*（0.75+0.25）=449*（0.75+0.24）=444.51cm

选用2L70*5（建筑钢结构设计书D-17），可知两等边角钢进行组合

A=13.75=2.16cm=3.31cm

===103.94<[]=150

===134.29<[]=150

由于>，应考虑的影响

且==14<0.58*=0.58*=36.83

=*（1+）=137.39>

所以用来计算，查表得=0.381

===139.9<215

拉应力：

===121.3<215

所以所选用的2L70*5的角钢符合截面要求

（5）竖杆Ec、He

N=-67.903kN=-67903kN

=0.8l=0.8*259=207.2cm

=l=259cm

由于内力比较小，所以按[]=150计算，所求的回转半径为

===1.38cm===1.73cm

查表可知，选用截面，应略大些，先用2L63*10

截面几何特征：

A=23.31=1.88cm=3.07cm

===110.2<[]=150

===84.36<[]=150

由于>，让你以不必难处，查表可知=0.521

===55.9<215

所以选用的截面2L63*10符合要求

其它杆件的截面选择具体请详见附表：

六、节点设计

（1）下弦节点“b”

各杆件的内力图由上表可以求出：

这类节点的设计步骤是：

先根据腹杆的内力计算腹杆与节点中连接焊缝的尺寸，即和，然后根据的大小按比例给出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点的连接焊缝。

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160，设“Bb”的肢背和肢尖焊缝=8mm和6mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===138.24取16cm

肢尖：

===79.00mm取10cm

设“bD”杆肢背和肢尖焊缝分别为=8mm和6mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===114.23mm取14cm

肢尖：

===65.28mm取8\cm

由于“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定：

即=5mm

根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配误差，按比例给出节点详图，从而确定节点板的尺寸为：

450mm*360mm

下弦与节点板连接的焊缝长度为45cm，=6mm，焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，即=607.60-257.46=350.14KN

受力较大的肢背处焊缝应力为：

==71.38<160

所以焊缝满足条件

（2）下弦节点“c”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160，设“Dc”的肢背和肢尖焊缝=5mm和6mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===129.9mm取14cm

肢尖：

===46.4mm取6cm

设“cd”杆肢背和肢尖焊缝分别为=5mm和6mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===98.35mm取11cm

肢尖：

===35.1mm取5cm

设“cE”杆肢背和肢尖焊缝分别为=5mm和6mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===42.4mm取6cm

肢尖：

===15.2mm取3cm

根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配误差，按比例给出节点详图，从而确定节点板的尺寸为：

450mm*240mm

下弦与节点板连接的焊缝长度为45cm，=6mm，焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，即=830.18-607.6=222.58KN

受力较大的肢背处焊缝应力为：

==45.37<160

所以焊缝满足条件

（3）下弦节点“e”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160，设“Ge”的肢背和肢尖焊缝=5mm和6mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===43.7mm取6cm

肢尖：

===15.59mm取3cm

由于“eH”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定：

即=5mm

设“ef”杆肢背和肢尖焊缝分别为=5mm和6mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===83.1mm取10cm

肢尖：

===29.68mm取5cm

根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配误差，按比例给出节点详图，从而确定节点板的尺寸为：

360mm*260mm

下弦与节点板连接的焊缝长度为36cm，=6mm，焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，即=830.18-808.68=21.5KN

受力较大的肢背处焊缝应力为：

==5.52<160

所以焊缝满足条件

（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，厚度为14mm

①支座底板的计算

支座反力：

R=408240N

支座底板的平面尺寸采用300mm*380mm，如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压柱顶混凝土的抗压强度为

===6.36<=12.5

式中：

——混凝土强度设计值，对C25混凝土，=12.5。

底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成4块，每块板为两人相邻边支承而另两相邻自由的板，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，==3.58

——两支承边之间的对角线长度，==174.5mm

——系数，由查表可知（详见课本第48页），为两支承边的相交点到对角线的垂直距离，由相似三角形的关系，每日出

==81.95mm，==0.47

所以查表可知：

=0.0553

所以M==0.0553*3.58*=6028.36

底板厚度

T===12.97mm取t=14mm

②加劲肋与节点板的连接焊缝计算

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=102060N

则焊缝内力为：

V=102060N

M=102060*60=6123600N.mm

设焊缝=6mm，焊缝计算长度=520-20-12=488mm

焊缝应力为：

=

=29.1<160

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=408240N，其中每块加劲肋各传R=102060N，节点板传递R=204120N

节点板与底板的连接焊缝长度为=2*（360-12）=696mm，则所需焊腿尺寸：

===2.14mm，取=6mm

每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为：

=（110-20-12）*2=156mm

则所需焊缝尺寸为：

≥==4.78mm

取=6mm

（5）下弦跨中节点“g”

下弦跨中节点采用同号角钢拼接，为便于拼接角钢与弦杆之间密合，并便于施焊，需将拼接角钢尖角消除，且截去垂直肢一部分宽度，拼接角钢这部分削弱，可以靠节点板来补偿。

接头一边的焊缝长度可以按弦杆内力来计算。

由于杆件的内力足够小，所以按照构造来取焊缝长度取=5mm，满足构造要求。

弦杆一般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，并便于施焊，需将拼接角钢的夹角削除且截去垂直肢角的一部分宽度，拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点来补偿，接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。

设焊缝=10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）

===57.46mm

拼接角钢的长度取750mm>2*57.46=114.94mm

（6）上弦节点“B”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160，设“Bb”的节点板焊缝尺寸与节点“b”相同，设“Bb”的肢背和肢尖焊缝=8mm和6mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===138.24mm取16cm

肢尖：

===79.0mm取10cm

“aB”杆的焊缝尺寸也是按照上述方法,则需煹缝长度为：

肢背：

=10mm

===134.5mm取16cm

肢尖：

=8mm

===90.6mm取11cm

为了方便在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进和弦肢背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，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。

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。

上弦肢背槽焊缝内的应力为：

=*节点板厚度=*10=5mm取=10mm

上弦和节点板间焊缝长度为440mm

=

=114.3<0.8=128

上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

=

=18.8<=160

所以所选的截面符合要求

（7）上弦节点“D”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160，设“bD”的节点板焊缝尺寸与节点“b”相同，设“bD”的肢背和肢尖焊缝=8mm和6mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===114.23mm取14cm

肢尖：

===65.27mm取8cm

设“Dc”的节点板焊缝尺寸与节点“c”相同.，设“Dc”的肢背和肢尖焊缝=5mm和6mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===129.87mm取14cm

肢尖：

===46.38mm取6cm

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。

上弦肢背槽焊缝内的应力为：

=*节点板厚度=*10=5mm取=10mm

上弦和节点板间焊缝长度为360mm

=

=81.68<0.8=128

上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

=

=14.36<=160

所以所选的截面符合要求

（8）上弦节点“G”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160，设“Ge”的节点板焊缝尺寸与节点“d”相同，设“Ge”的肢背和肢尖焊缝=5mm和6mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===43.6mm取6cm

肢尖：

===15.59mm取4cm

设“Gd”的肢背和肢尖焊缝=5mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===75.2mm取10cm

肢尖：

===32.24mm取5cm

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。

上弦肢背槽焊缝内的应力为：

=*节点板厚度=*10=5mm取=10mm

上弦和节点板间焊缝长度为350mm

=

=33.2<0.8=128

上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

=

=5.9<=160

所以所选的截面符合要求

（9）上弦节点“C”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160，由于“Cb”杆的内力比较小，所以按照构造来布置，取=5mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===28.4mm取4cm

肢尖：

===12.2mm取4cm

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。

上弦肢背槽焊缝内的应力为：

=*节点板厚度=*10=5mm取=10mm

上弦和节点板间焊缝长度为200mm

=

=14.61<0.8=128

上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

=

=7.69<=160

所以所选的截面符合要求

（10）上弦节点“E”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160

设“Ec”杆的肢背和肢尖焊缝=10mm和8mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===21.2mm取5cm

肢尖：

===11.37mm取4cm

设“Ed”杆的肢背和肢尖焊缝=6mm和5mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===17.4mm取4cm

肢尖：

===7.45mm取4cm

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。

上弦肢背槽焊缝内的应力为：

=*节点板厚度=*10=5mm取=10mm

上弦和节点板间焊缝长度为290mm

=

=14.04<0.8=128

上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

=

=5.3<=160

所以所选的截面符合要求

（11）上弦节点“F”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160，由于“Fd”杆的内力比较小，所以按照构造来布置，取=5mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===28.4mm取4cm

肢尖：

===12.2mm取4cm

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。

上弦肢背槽焊缝内的应力为：

=*节点板厚度=*10=5mm取=10mm

上弦和节点板间焊缝长度为185mm

=

=14.5<0.8=128

上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

=

=14.2<=160

所以所选的截面符合要求

（12）上弦节点“H”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160，设“He”的节点板焊缝尺寸与节点“E”相同，设“He”杆的肢背和肢尖焊缝=10mm和8mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===21.2mm取5cm

肢尖：

===11.37mm取4cm

设“Hf”的肢背和肢尖焊缝=6mm和5mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===15.91mm取4cm

肢尖：

===8.18mm取4cm

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。

上弦肢背槽焊缝内的应力为：

=*节点板厚度=*10=5mm取=10mm

上弦和节点板间焊缝长度为260mm

=

=12.1<0.8=128

上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

=

=9.4<=160

所以所选的截面符合要求

（13）上弦节点“I”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160

由于“If”杆的内力比较小，所以按照构造来布置，取=5mm则需煹缝长度为：

肢背：

===28.4mm取4cm

肢尖：

===12.2mm取4cm

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。

上弦肢背槽焊缝内的应力为：

=*节点板厚度=*10=5mm取=10mm

上弦和节点板间焊缝长度为155mm

=

=17.9<0.8=128

上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

=

=9.48<=160

所以所选的截面符合要求

（14）上弦节点“d”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160

由于“dE”杆的内力比较小，所以按照构造来布置，取=5mm则需煹缝长度为：

肢背：

===20.85mm取4cm

肢尖：

===8.9mm取4cm

设“dF”的焊缝=5mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===28.37mm取4cm

肢尖：

===12.15mm取4cm

验算：

取=6mm，焊缝长度为150mm

受力较大的肢背处焊缝应力为：

==23.9<160

所以所选的截面符合要求

（15）上弦节点“f”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160

由于“fH”杆的内力比较小，所以按照构造来布置，取=5mm则需煹缝长度为：

肢背：

===19.1mm取4cm

肢尖：

===8.2mm取4cm

设“fI”的焊缝=5mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===28.37mm取4cm

肢尖：

===12.15mm取4cm

验算：

取=6mm，焊缝长度为170mm

受力较大的肢背处焊缝应力为：

==19.08<160

所以所选的截面符合要求

（16）上弦节点“A”

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160

由于“AB”杆和“Aa”杆的内力比较小，所以按照构造来布置，取=5mm

验算：

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。

上弦肢背槽焊缝内的应力为：

=*节点板厚度=*10=5mm取=10mm

上弦和节点板间焊缝长度为150mm

=

=9.6<0.8=128

上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

=

=5.11<=160

所以所选的截面符合要求

（17）上弦节点“J”（屋脊节点）

用E43型焊条角焊缝的抗拦、抗压和抗剪强度设计值=160

“Jg”杆的内力为0，所以按照构造来布置，取=5mm，“Jf”与“Jh”的力相同，所以焊缝尺寸相同。

设“Jf”的肢背和肢尖焊缝=6mm和5mm，则需煹缝长度为：

肢背：

===86.84mm取10cm

肢尖：

===44.66mm取6cm

弦杆一般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，并便于施焊，需将拼接角钢的夹角削除且截去垂直肢角的一部分宽度，拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点来补偿，接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。

设焊缝=10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）

===194.58mm

拼接角钢的长度取740mm>2*194.58=389.17mm

上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载，验算略。

上弦肢尖与节点板的连接焊缝应按上弦内力的15%来计算。

设肢尖焊缝=10mm，节点板长度为46cm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为：

=-1-2=20cm,则焊缝应力为：

==46.70

==135.06

==120.15<160

因屋架的跨度较大，需将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。

腹杆与节点板连接焊缝计算方法与以上几个节点相同。