1、三角形钢屋架课程设计1 三角形钢屋架课程设计任务书1.1 设计题目设计某市郊区某机械加工单层单跨厂房的三角形屋架1.2 设计资料某机械加工厂房，设有两台工作级别 A4 的软钩吊车，建筑平面示意图如图 1 所示，屋面材料采用上下两层多波形压型钢板，中间用 20mm 厚矿渣棉板保温层，屋面离地面高度约为 20m。屋架两端支撑于截面为 400mm400mm 的钢筋混凝土柱上，柱子的混凝土等级为C20。图 1 建筑平面示意图1.3 设计题号设计题目如表 1 所示。表 1 三角形钢屋架课程设计题号建筑地点 北京 南宁 上海 重庆 沈阳 拉萨18m 1 2 3 4 5 621m 7 8 9 10 11 1
2、224m 13 14 15 16 17 1827m 19 20 21 22 23 2430m 25 26 27 28 29 30跨 度33m 31 32 33 34 35 36各建筑地点的雪荷载标准值为：北京 0.40 ；南宁 0；上海 0.20 ；重庆2kNm2kNm0；沈阳 0.50 ；拉萨 0.15 。2kNm2k各建筑地点的基本风压：北京 0.45 ；南宁 0.35 ；上海 0.55 ；2k2k重庆 0.40 ；沈阳 0.55 ；拉萨 0.30 。2kNm2kN2kNm1.4 设计内容（1）选择钢屋架的材料；（2）确定钢屋架的几何尺寸；（3）屋架及屋盖支撑的布置；（4）檩条的设计；（5
3、）钢屋架的设计；（6）绘制钢屋架施工图。1.5 参考资料（1） 钢结构设计规范 （GB500172003） 。（2） 建筑结构荷载规范 （GB500092001） 。（3） 建筑抗震设计规范 （GB500112001） 。（4） 建筑结构可靠度设计统一标准 （GB500682001）（5） 建筑结构制图标准 （GBT501012001）（6） 建筑结构设计术语和符号标准 （G BT5008397）（7） 钢结构设计手册 ，罗邦富等，中国建筑工业出版社，1988。（8） 钢结构 （第二版） ，魏忠明主编，武汉理工大学出版社，2002。2、三角形钢屋架课程设计指导书参见梯形钢结构屋架课程实际指导书
4、3、三角形钢屋架课程设计实例3.1 设计资料三角形（芬克式）屋架跨度 24m，间距 6m，屋面材料为压型钢板（自重0.12 ） ，屋面坡度 12.5，厂房长度为 60m。基本风压 0.40 ，雪荷载为 02kNm 2kNm，屋面高度为（平均约）20m ，屋架支撑于钢筋混凝土柱上。钢材采用 Q235B,焊条采用 E43 型。3.2 屋架尺寸和檩条、支撑布置1、屋架尺寸屋架计算跨度： = 300=27000300=26700mm0l屋面倾角： 1arctn248,sin0.3714,cos0.9285.5屋架跨中的高度为： 37hm上弦长度： 0162cosl节间长度： 7a节间水平投影长度：a=
5、 =21270.9285=1975mms屋架几何尺寸见图 2。图 2 屋架几何尺寸（单位：mm）2.檩条和支撑布置根据屋面材料的最大容许檩距，可将檩条布置于上弦节点上（见图 2） ，檩距为节间长度。在檩条的跨中设置一道拉条。根据厂房总长度 60m，跨度为 24m，有中级工作制吊车及第一开间尺寸 5.5m 等因素，可在厂房两端的第二开间设置一道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，并在同一开间两榀相邻屋架的腹杆间设置两道垂直支撑（在跨度 13 左右处各一道，见图 3） 。上弦檩条可兼做系杆，故不另设系杆，在下弦跨中央设置一道通长的柔性系杆。此外，在厂房两端的第一开间下弦各设置三道刚性系杆（见图 3
6、） 。3.3 檩条的设计选用【12.6 槽钢截面，由型钢表查得，自重 12.32kgm0.12 ， =62.1 ，kNmxW3c=10.2 ， =391 。yW3cmxI4c1.荷载计算（对轻屋面，可只考虑可变荷载效应控制的组合）永久荷载：（坡面）压型钢板：0.122.127=0.26 kNm檩条和拉条： 0.12=0.38kg可变荷载：（檩条受荷水平投影面积为 2.2176=12.76 ，没有超过 60 ,故屋面均布2m2活荷载取 0.5 ，大于雪荷载，故不考虑雪荷载。 ）2kNm=0.52.217 =0.52.2170.9285=0.99kqcoskN图 3 屋架支撑布置（单位;mm） （
7、a）上弦横向水平支撑；（b）下弦横向水平支撑；（c ）垂直支撑 檩条均布荷载设计值：= + =1.20.38+1.40.99=1.84qGkgQkNm= =1.840.9285=1.71xcos= =1.840.3714=0.68yink2.强度验算弯矩设计值（见图 4）：图 4 弯矩图= = 1.71 =8.00xM218ql26kNm= = 0.68 = 0.77y()y182()（因为在檩条的垮中设置了一道拉条）檩条的最大应力（拉应力）位于槽钢下翼缘的肢尖处。+ = +XnxWyn6310.52.63.7102=186 f=215Nm3.刚度验算只验算垂直于屋面方向的挠度。荷载标准值：+
8、 =0.38+0.99=1.37kgqk= （ + ） =1.370.9285 =1.27()ykgqcoskNm= = vl5383()KyxEI 4310906.2784526150因有拉条，不必验算整体稳定性。故选用【12.6 槽钢檩条能满足要求。3.4 屋架节点荷载计算1.永久荷载（水平投影面）压型钢板 0.120.9285=0.13 2kNm檩条和拉条 0.121.975=0.06屋架和支撑自重 0.12+0.11L=0.12+0.01124=0.38 2k=0.57kg2Nm2.屋面活荷载屋面活荷载为 0.5 。2kNm3.风荷载风荷载高度变化系数为 1.25，屋面迎风面的体型系数
9、为0.328，背风面为0.5，所以负风压的设计值为（垂直于屋面）迎风面： =1.41.250.3280.4=-0.12912kNm背风面： =1.41.250.50.4=-0.2652和 均小于永久荷载（荷载分项系数取 1.0）垂直与屋面的分量 0.570.9285=0.531，所以永久荷载与风荷载联合作用下不会使杆件的内力变号，故风荷载产生的内力2kNm的影响不予考虑。4.屋架上弦在檩条处的集中荷载屋架上弦在檩条处的集中荷载设计值由可变荷载效应控制的组合为F=（1.20.57+1.40.5）61.975=16.4 kN3.5 屋架杆件内力计算由于屋面坡度较小，风荷载为吸力，且远小于屋面永久荷
10、载，故其与永久荷载组合时不会增大杆件的内力，因此不予考虑。芬克式屋架在半跨活荷载作用下，腹杆内力不会变号，故只需按全跨永久荷载与全跨可变荷载组合计算屋架杆件的内力。屋架杆件内力计算可用图解法或数解法进行。本例屋架为标准屋架，可直接由建筑结构设计手册查得各杆件的内力系数，然后乘以节点荷载即为各相应杆件的内力。分别如表2 和图 5 所示。图 5 杆件内力图（单位：kN）表 2 屋架杆件内力计算表杆件名称 杆件 内力系数 内力设计值（ ）kNAB -14.81 -242.9BC -13.66 -224.0CD -14.07 -230.8DE -13.70 -224.7EF -12.55 -205.8
11、上 弦FG -12.95 -212.4AH +13.75 +225.5HI +11.25 +184.5下 弦IJ +7.50 +123DI -2.79 -45.8BH、 CH -1.21 -19.8EK、FK -1.21 -19.8HD、DK +2.50 +41IK +3.75 +61.5KG +6.25 +102.5腹 杆GJ 0.00 0注：负为受压，正为受拉。3.6 杆件截面的选择弦杆端节间最大内力为242.9 ，由焊接屋架节点板厚度选用表，可选用屋架中间kN节点板厚度为 8mm，支座节点板厚度为 10mm。1.上弦杆整个上弦杆不改变截面，按最大内力计算。=242.9 ， =212.7c
12、m， =2 =2212.7=425.4cm。选用 2907 组成的 TmaxNkoxloylx形截面，节点板厚为 8mm，查型钢表得A=212.3=24.6 ， =2.78cm， =4.0cm2cmxiyi= = =150xoli1.78 = = =150yoli425.06.根据 = =106.4 查表得 =0.515，则maxy= = 2 =215NA324.910.7/56Nm f2Nm故选择截面合适。2.下弦杆下弦杆也不改变截面，按最大内力计算。 =+225.5 ，屋架平面内的计算长度取maxk最大节间 长度，即 =497.6cm。因屋架下弦在跨中央设有一道通长的系杆，故屋架平IJox
13、l面外的计算长度取侧向固定点间的距离，即 =1185cm。oyl所需截面面积为： = = =1049 =10.49nANf325.102m2c选用 275505 短肢相连的 T 形截面，由型钢表查得= =26.13=12.26 , =1.44cm， =3.86cmn2cxiyi= = =183.9 =215nNA325.1062Nmf2m= = =346 =350xoli497.= = =322 =350yoli1853.故所选截面合适。3.腹杆（1） DI 杆=45.8 , =0.8 =0.8255.5=204.4cm， = =255.5cmDINkoxl oyl选用 2504，A=23.9
14、=7.8 ， =1.54cm， =2.35cm。2cmxii= =133 =150x204.15oli= =108.7 =150y.oli根据 = =133，查表得 =0.375，则max= =156.6 =215NA3245.81072Nmf2m所选截面合适。（2）BH、CH、EK、FK 杆N=-19.8 ， =166.4cmkl选用504 单角钢截面，A=3.9 ， =0.99cm，则2cyoi=0.9 =0.9166.4=149.8cmol= = =151 =1500yoi149.8由 =151，查表得 =0.304。单角钢单面连接计算构件稳定性时强度设计值折减系数为=0.6+0.001
15、5 =0.6+0.0015151=0.83r= =167 =0.83215=178.5NA3219.8042Nmrf 2Nm故所选截面满足要求。（3）HD、DK 杆N=+41 ， =343.7cmkl选用454 单角钢截面，A=3.49 ， =0.89cm，2cyoi=0.9 =0.9343.7=309cmol= = =347.2 =3500yoi39.单角钢单面连接计算构件强度时的强度设计值折减系数 =0.85，则 = =rnNA=117.5 =0.85215=182.832410.92Nmrf 2Nm故所选择的截面合适。（4）IK、KG 杆两根杆件采用相同的截面，用按最大内力 =102.5
16、 计算，NKGk= =343.7cm， =2 =2343.7=687.4cmoxloylx选用 2454，A=23.49=6.98 ， =1.38cm， =2.16cm。2cmxiyi= =249.1 =350x34.718oli= =318.2 =350y6.2oli= = =146.8 =215nNA3210.56982Nmf2m所选截面合适。（5）GJ 杆。N=0, =474cml对有连接垂直支撑的屋架 WJ2，采用 2564 组成十字形截面，并按受压支撑验算其长细比。 =0.9 =0.9474=426.6cm， =2.18cmol yoi= = =195.7 =2000yoi426.1
17、8故满足要求。对不连接垂直支撑的屋架 WJ1，选用564 单角钢，并按受拉支撑验算其长细比，=1.11cm。 = = =384.3 =400 故满足要求。yoi0yoli426.屋架各杆件截面选择情况见表 3。表 3 屋架杆件界面选择计算长度（mm）长细比杆件名称杆件编号内力设计值（kN） oxlyl选用截面 截面面积A（cm2）杆件受力类型 xy容许长细比min计算应力(N/mm2)杆件端部的角钢肢背和肢尖焊缝（mm）填板数(每节间)上弦AB、 BC、CD、DE 、EF、 FG-242.5 2127 4254 2907 24.6 压杆76.5 106.4 150 0.515 191.7 1下
18、弦AH、HI、IJ225.5 4976 1185 27550512.26 拉杆346 322 350 183.9 61504802DI -45.8 2044 2555 2504 7.8 压杆133 108.7 150 0.375 156.6 4504502BH、 CH、EK、FK-19.8 1498 1498 504 3.9 压杆=151yo150 0.304 167 450450HD、DK41 3090 3090 454 3.49 拉杆=347.2yo350 117.5 580450IK、GK+102.5 3437 6874 2454 6.98 拉杆249 318.2 350 146.8 5
19、8045020（压） 4266 4266 2564 8.78 压杆=195.7yo200 4504507腹杆GJ0（拉） 4266 4266 564 4.39 拉杆=384.3 400 4504503.7 节点设计本例只选择几个有代表性的、重要的节点进行计算，其余节点的计算过程从略，可参见屋架施工图。1. 屋脊节点（见图 6）腹杆 GK 与节点板的连接焊缝，查表得 =160 （以下同） ，取肢背和肢尖的焊脚wf 2Nm尺寸分别为 =5mm 和 =4mm，则杆端所需的焊缝长度分别为1fh2f肢背： = +10= +10= 10=71.3mm1lw10.7GKwfh30.6712.50故取 =80
20、mm。1l图 6 屋脊节点（单位：mm）故肢尖： = +8= +8= 8=45.8mm2lw20.7GKwfNh30.312.50746取 =50mm。2l拼接角钢采用与上弦杆等截面，肢背处削棱，竖肢切去 V=t+ +5=17mm，取fhV=20mm，并将竖肢切口后经热弯成型用对接焊缝焊接。拼接接头一侧所需的焊缝计算长度为= = =95mmwl40.7wfNh321.40756拼接角钢的总长度为=2（ +10）+d=2（95+10 ）50=260mmlw上弦杆与节点板的塞焊缝，假定承受节点荷载 F2，验算从略。上弦肢尖与节点板的焊缝连接按弦杆内力 的 15%计算，且考虑由此产生的偏心弯矩作用（
21、偏GKN心距 e=65mm） 。设肢尖焊缝焊脚尺寸 =5mm，节点板总长度为 660mm，则节点一fh侧弦杆焊缝的计算长度为=（6602） -20-10（660/2）/0.92852010=325mmwlcos焊缝应力为= = =14f.157fwNhl3.21.40752Nm= = =16.8f20.6fel3262= =20.3 =1602()ff2214()(6.8).2Nmwf 2Nm由以上计算结果可知，因弦杆与节点板的连接焊缝受力不大，且连接长度较大，故可按照构造进行满焊，不必计算。2.下弦拼接节点（见图 7）图 7 下弦拼节点（单位：mm）屋架跨度 24m 超过运输界限，故将屋架分
22、为两个运输单元，在屋脊节点 G 和下弦节点 I 处设置工地拼接。腹杆杆端与节点板的焊缝连接按 IK 和 ID 中最大内力=61.5 计算。IKNk设肢背和肢尖的焊脚尺寸均取 =4mm，则杆端所需的焊缝长度分别为fh肢背： = +8= +8= +8=54mm1lw120.7KwfN30.671.5024故 取 60mm。1l肢尖： = +8= +8= +8=30.7mm2lw210.7Kwfh30.61.50274故 按构造取 50mm。2l弦杆与节点板的连接焊缝按弦杆内力 与 的内力差计算，因为内力差较小，按IHNIJ构造布置焊缝即可满足要求，不必计算。拼接角钢采用与下弦杆相同截面，肢背处削棱
23、，竖肢切去 V=t+ +5=15mm。按拼接fh焊缝与杆件等强度原则，接头一侧所需的焊缝计算长度为= = =117mmwl40.7wfAh21.401576故 取 120mm。l拼接角钢所需总长度为 =2（ +10）+10=2 （120+10 ）+10=270mmlw3.上弦节点 D（见图 8）图 8 上弦节点 D（单位：mm ）各腹杆杆端与节点板的焊缝计算从略，节点板的形状和尺寸如图 8 所示。上弦肢背塞焊缝承受檩条传来的集中荷载（节点荷载）F，取节点板缩进肢背 5mm，=t2=4mm，则fh= = =3.5 0.8 =128f20.7ffwhl316.40.27（ -8） 2NmfhNm肢
24、尖与节点板的焊缝承受弦杆的内力差为= - =-230.8+224.7=-6.1DCEkN偏心距 e=65mm，且节点板长度较大，故可不作计算，按构造要求布置焊缝进行满焊即可满足条件。2. 支座节点。 （见图 9）图 9 支座节点（单位：mm）屋架支撑与钢筋混凝土柱上，混凝土强度为 C20， =10 为便于施焊，取下cef2Nm弦轴线至支座底板上表面的距离为 160mm，并设置图 3.10 所示加劲肋。下弦杆端与节点板的焊缝取肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为 =6mm 和 =4mm，则所需焊缝长1fh2f度为肢背： = +12= +12= +12=125mm1lw120.7AHwfkNh30.6725
25、.0故 取 130mm。1l肢尖： = +8= +8= +8=83mm2lw20.7AHwfkh30.325.10746故 按构造取 90mm。2l上弦杆端与节点板的焊缝，由于焊缝长度较大，可不必计算，按构造要求即可。（1） 支座底板计算。支座反力为R=6F=616.4=98.4kN支座底板尺寸取 ab=250mm250mm,采用 M22 锚栓，并用图示 U 形缺口。柱顶混凝土的压应力为= = =22.3 =160f0.7ffwRhl398.4102762Nmwf2Nm底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算。支座节点板和加劲肋将支座底板分成四块，每块板均为两相邻边固定支撑而另两相邻边自由的板。两
26、支撑边之间的对角线长度为= =170mm1a2201(5)()两支撑边之间的交点到对角线的垂直距离为= 2=85mm1b =85170=0.5，查表得 =0.058，则aM= =0.0581.79170170=3000.421qNmA底板所需厚度（ 按厚度 t 在 1640 范围取值）：ft= =9.4mm6Mf故取 t=20mm（2）加劲肋与节点板的连接焊缝图 10 加劲肋的计算简图（单位：mm）加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似，如图 10 所示。假定一块加劲肋的受力为屋架支座反力的 14，即V=R4= =24.694.8kNM= = =147.6Ve1250CM2.6k加劲肋厚度采用 10mm，焊脚尺寸 取 6mm，焊缝计算长度为 =180-152=138mmfhwl则焊缝应力为：=f226()()0.70.7ffwfwVll=43221. 4.61()().26388=50.1 =160NmwfNm（2） 加劲肋、节点板与支座底板的连接焊缝。图 10 所示切口宽度为 15mm，两条节点板和四条加劲肋焊缝的总长度为=2（250-10）+4 （125-5-15-10 ）=860mmwl= = =22.3 =160f0.7ffwRhl398.4102762Nmwf 2Nm故满足要求。其余各节点的计算过程从略。
