1、目录1 任务书 .31.1 设计题目 .31.2 设计目的 .31.3 设计条件 .31.4 设计内容 .41.5 设计要求 .41.6 设计进度与考核 .41.7 参考资料 .41.8 附图 .52 选择钢屋架的材料 .63 确定屋架形式及几何尺寸 .64 屋盖及支撑的布置 .65 钢屋架的结构设计 .75.1 荷载计算 .75.1.1 荷载标准值 85.1.2 荷载组合 85.2 内力计算 .95.3 杆件截面设计 105.3.1 上弦杆 .105.3.2 下弦杆 .115.3.3 斜腹杆 .115.4 节点设计 155.4.1 下弦节点 c .155.4.2 上弦节点 B .165.4.
2、3 屋脊节点 .185.4.4 支座节点 .196 绘制钢屋架施工图 201 任务书1.1 设计题目某厂房钢屋架设计。1.2 设计目的 课程设计是本课程教学的实践教学环节之一,通过设计使学生进一步掌握钢屋架的设计原理、方法、步骤,提高综合分析、解决问题的能力。1.3 设计条件 某厂房总长度 90m,跨度根据不同的学号从附表中取,屋盖体系可从以下所给的类型中选取。纵向柱距 6m 。1. 结构形式:钢筋混凝土柱,梯形钢屋架。柱的混凝土强度等级为 C30,屋面坡度i=L/10;L (21m)为屋架跨度。地区计算温度高于 -200C,无侵蚀性介质,地震设防烈度为 8 度,屋架下弦标高为 18m;厂房内
3、桥式吊车为 2 台 150/30t(中级工作制) 。2. 屋架形式及荷载:屋架形式、几何尺寸及内力系数(节点荷载 P=1.0 作用下杆件的内力)如附图所示。屋架采用的钢材、焊条为:学号为单号的同学用 Q235 钢,焊条为E43 型;双号的同学用 Q345 钢,焊条为 E50 型。3. 屋盖结构及荷载(1)永久荷载:三毡四油(上铺绿豆砂)防水层 0.4 kN/m 2水泥砂浆找平层 0.4 kN/m 2保温层 0. 5 kN/m 2一毡二油隔气层 0.05 kN/m 2水泥砂浆找平层 0.3 kN/m 2预应力混凝土大型屋面板 1.4 kN/m 2屋架及支撑自重:按经验公式 计算: 0.351 K
4、N/m 2Lq01.2悬挂管道: 0.15 kN/m 2(2)可变荷载:屋面活荷载标准值: 0.7kN/m 2雪荷载标准值: 0.35kN/m2积灰荷载标准值: 1.1 kN/m 21.4 设计内容1. 确定屋盖结构及支撑的布置图;2. 选择钢材及焊接材料,并明确提出对保证项目的要求;3. 对钢屋架进行内力、杆件截面尺寸的计算;设计一个下弦节点、一个上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点;4. 屋架施工图(1)手工绘制运送单元的施工图,用铅笔绘制白纸图。设计的节点应尺寸齐备、书写规范、满足构造要求;(2)施工图内容屋架简图(比例 1100) ,左半跨标明杆件长度,右半跨注明杆件最不利内力,
5、以及超拱度。 屋架正面图,上、下弦平面图(有二个比例) 。 侧面图,剖面图及零件详图。 注明全部零件的编号,规格及尺寸(包括加工尺寸和定位尺寸)孔洞位置,孔洞及螺栓直径,焊缝尺寸以及对工厂加工和工地施工的要求。 材料表。 说明。1.5 设计要求1. 设计内容完整、计算准确、保证经济;图纸整洁、布图合理;2. 计算书须用打印并装订(A4) ,插图应按一定比例绘制,做到眉目清晰,文图配合;3. 图纸应符合 房屋建筑制图统一标准( GB/T 500012001) 和建筑结构制图标准(GB/T 501052001) 的要求;4. 屋架跨度、保温层及积灰荷载取值见分组附表所示。请将自己的取值填入设计任务
6、书中;1.6 设计进度与考核:1. 进度设计时间一周;2. 考核根据设计内容的完整性、结构合理性、计算准确性以及图纸的质量、口试、考勤等方面为评分标准;1.7 参考资料1 夏志斌钢结构原理与设计M北京:中国建筑工业出版社,2008.7.2 刘声扬钢结构原理与设计M北京:中国建筑工业出版社,2008.7.3 夏志斌,姚谏 .钢结构设计M北京:中国建筑工业出版社.2005.9.4 GB50017-2002 钢结构设计规范 S北京:中国计划出版社.2002.5 GB50009-2012 建筑结构荷载规范 S北京: 中国建筑工业出版社.2012.1.8 附 图a. 21 米跨屋架几何尺寸 b. 21
7、米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值c. 21 米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值2 选择钢屋架的材料根据荷载性质,钢材可采用 Q345,要求保证屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯试验及碳、硫、磷含量合格。屋架连接方法采用焊接,焊条可选用 E50 型,手工焊。3 确定屋架形式及几何尺寸钢筋混凝土柱,梯形钢屋架。柱的混凝土强度等级为 C30,屋面坡度i=L/10=2.1;L(21 米)为屋架跨度。地区计算温度高于-20 0C,无侵蚀性介质,地震设防烈度为 8 度,屋架下弦标高为 18m;厂房内桥式吊车为 2 台150/30t(中级工作制) 。如下图:4 屋盖及支撑的布置根据车间长度,屋架
8、跨度,荷载情况,以及吊车设置情况,布置下弦横向水平支撑和系杆,屋架下弦沿跨中通长设两道柔性系杆。上弦支撑布置下弦支撑布置5 钢屋架的结构设计5.1 荷载计算屋面活荷载与雪载一般不会同时出现,可取其中较大者进行计算。屋架沿水平投影面积分布的自重(包括支撑)可按经验公式计算。21 米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值21 米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值5.1.1 荷载标准值荷载计算中,因屋面坡度较小,风荷载对屋面为吸力,对重屋盖可不考虑,所以各荷载均按水平投影面积计算。永久荷载:三毡四油(上铺绿豆砂)防水层 0.4 kN/m 2水泥砂浆找平层 0.4 kN/m 2保温层 0. 5 k
9、N/m 2一毡二油隔气层 0.05 kN/m 2水泥砂浆找平层 0.3 kN/m 2预应力混凝土大型屋面板 1.4 kN/m 2屋架及支撑自重:按经验公式 计算: 0.351 KN/m 2Lq01.2悬挂管道: 0.15 kN/m 2合计: 3.551kN/m 2可变荷载:屋面活荷载标准值: 0.7kN/m 2雪荷载标准值: 0.35kN/m2积灰荷载标准值: 1.1 kN/m 2合计: 2.15kN/m 25.1.2 荷载组合设计屋架时,应考虑以下三种荷载组合:(1) 全跨永久荷载+全跨可变荷载屋架上弦节点荷载(端点荷载取半)P(3.51.21.4)56.4kN(2) 全跨永久荷载+半跨可变
10、荷载永久荷载作用屋架上弦节点相处的荷载:1P3.5.21638.5k可变荷载作用屋架上弦节点相处的荷载:2.4.7.09N(3) 全跨屋架与支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载: kN3.7961.520.3P作用于半跨的屋面板及活载产生的节点荷载:取屋面可能出现的活载 N2.94k61.540.712.4P)(5.2 内力计算计算结果如下表:内力系数P=1左半跨右半跨全跨杆件名称 全跨永久荷载+全跨可变荷载 P65.4kN全跨永久荷载+半跨可变荷载138.k2709N左 21P右全跨屋架支撑+半跨可屋面载+半跨可变荷载N3.79k24 左 43P 右 计算
11、内力/kNAB 0 0 0 0 0 0 0 0 0BC/CD -5.310 -2.162 -7.472 -488.96 -430.39 -357.22 -155.44 -80.08 -488.96DE/EF -7.339 -3.923 -11.262 -736.98 -630.71 -556.41 -218.38 -136.60 -736.98上弦杆FG/GH -6.861 -5.319 -12.18 -797.05 -652.96 -630.92 -210.41 -173.50 -797.05ac 3.010 1.090 4.100 268.30 238.77 193.40 87.60 41
12、.63 268.30ce 6.663 3.081 9.744 637.64 554.18 472.93 196.44 110.69 637.64下弦杆 eg 7.326 4.636 11.962 782.79 657.20 603.71 220.72 156.32 782.79gh 5.884 5.884 11.768 770.09 610.70 629.76 185.46 185.46 770.09aB -5.641 -2.043 -7.684 -502.84 -447.49 -362.47 -164.17 -78.03 -502.84Bc 3.96 1.848 5.808 380.07 3
13、30.01 282.20 116.81 66.25 380.07cD -2.633 -1.776 -4.409 -288.52 -240.41 -224.33 -79.74 -59.71 -288.52De 1.222 1.570 2.792 182.70 140.17 154.12 39.84 48.17 182.70eF -0.047 -1.525 -1.572 -102.87 -61.55 -104.14 -7.08 -42.42 -102.87Fg -1.039 1.367 0.32821.46 -15.56 50.14-23.63 33.97 50.14 (-23.63)斜腹杆gH
14、1.913 -1.200 0.71346.65 79.16 -4.0048.63 -26.03 79.16 (-26.03)Aa -0.5 0 -0.5 -32.72 -32.72 -19.98 -13.96 -1.90 -32.72Cc -1.0 0 -1.0 -65.44 -65.44 -39.97 -27.73 -3.79 -65.44Ee -1.0 0 -1.0 -65.44 -65.44 -39.97 -27.73 -3.97 -65.44竖杆Gg -1.0 0 -1.0 -65.44 -65.44 -39.97 -27.73 -3.79 -65.44先求出单位荷载作用于各节点时的内
15、力,即内力系数,然后可求出当荷载作用于全跨及半跨各节点时的杆件内力,并求出三种荷载组合下的杯件内力取其中不利内力(正、负最大值)作为设计屋架的依据。跨中附近斜腹件的内力发生变号,由于考虑了施工阶段荷载的不利分布。如果按照正确的施工方法,屋面板采用对称吊装,就不会出现杆件内力的变号。5.3 杆件截面设计由于屋架跨度不大于 30m,上弦、下弦可不改变截面,按最大内力设计。上弦杆计算长度,在屋梁平面内,为节间轴线长度。在屋梁平面外,根据支撑布置和内力变化情况(按大型屋面板与屋梁保证三点焊,故取两块屋面板宽度) ,其计算长度大于屋架平面内计算长度,故截面宜选用两个不等肢角钢,短肢相并。节点板厚度需按腹
16、杆的最大内力选用。轴心拉杆,可按强度要求选择截面。对轴心压杆,可先假定长细比(弦杆=80100,腹杆 100120)选择截面再进行验算。屋架所有的杆件还应满足长细比限值的要求。按腹杆最大内力 ,查表 7-5,选中间节点板厚度为 ,502.84aBNk m10支座节点板厚度为 。m15.3.1 上弦杆整个上弦杆采用等截面,按最大受压杆件 FG、GH 内力设计,。FHN-79.05k, 。因为 ,截面选取两不等肢角钢,短肢cmlx10 cmly5.301yxl02相并。假定 ,查附表 1.20 得,8,则0.632279.0517.m37.68NAcf, ,由附表 H 中型钢表,选cmlix1.8
17、750liy.0用 2 L ,短肢相并拼(如094右图), , ,2.5cAcix6.5。iy6.7验算: ,952.6710xil,满足长细比 的要求。46.7530yil 1509,maxy由于 只需求出 ,查轴心受压构件的稳定性系数表,yx xmin, 所选0.82x3222x79.051.31084NNfNmA截面适合。5.3.2 下弦杆整个下弦杆采用等截面,按最大内力计算。 , ,因 ,选用不等边角钢,e782.9gNk0xl3cmcly1035xyl0短肢相拼,如图所示:所需截面32278.9.10NAcf由附录 H 中型钢表选用 2 L , , ,870129.7cmAcix98
18、.1。cmiy41.5验算: 350.1598.30xil 350.194.503yil满足长细比 的要求。.,amyx,满足要求。32227.108.673109NNmfNmA5.3.3 斜腹杆 杆:aB, 。-502.84Nkcmllyx.02530假定 , 查附录 D,1.,选用322.9.0510Acf2 ,长肢相 85并,如图:查附表 H, , ,21.983cmAcix4.01ciy3.27,满足长细比58.64.01xil7.43.250yil的要求。17,max y查附录 D2,得, ,满足678.0322250.841.9310679NNmfNmA要求。 杆:Bc, , 。3
19、80.7Nk cmllx 40.293.618.00 cmly3.2610,选322.1.Acmf用 2 ,查附录570H, , , . 213.75c16.xi324yi验算: ,9.8.40xil,满足长细比.63.2410yil的要5039.8,maxy求。,满足要求。32220.716.43105NNmfNmA 杆:cD, , 。28.k cllx 1.294.86.00cmly4.2860假定 , 查附表 1.20,15.,选用 2 ,查附录 H,322.516.700NAcmf 675,217.59cm, 。ix3ciy45.验算 : , ,满足长细比9.2.310xil 80.3
20、45.260yil的要求。5019.2,maxy故由 ,查附录 D2,得.ax 537.满足要求。32228505.4100.71.9NNmA 杆:De, , 。82.k cllx 1.294.86.00cmly4.2860,选用 ,则 ,3221.75.9NAcmf 57.9Acm, .54.xiiy验算: , ,满足长细比148.5.290xil 17.943.2860yil的要求。3,max y,满足要求.322218.704.53109NNmfNmA 杆:eF, ,102.87kcllx 2504.318.00cly4.3120假定 , 查附录 D2,.,选用 2 ,查附录 H,322
21、.6.0051NAcmf 463, cm, .29.6cm.9xiiy94验算: , ,满足长细比27.6.13.106.的要求。5,amx yx故由 ,查附录 D2,得. 8.,满足要求。 3222108769.7310.9.NNmA 杆:Fg, ,50.14Nkcmllx 2504.318.00 cmly4.3120将 杆按 的拉杆设计,选用屋架需采用的最小角钢 2.FgN都可满足要求。但考虑该杆在其他荷载组合时可能产生内力变形,故宜按压杆的容许长细比进行控制,现选用 2 ,查附录 H, ,46329.6cAcm, 961xicmiy942验算: , ,满足长细比176.50x.1094.
22、2y的要求。5,amx y,满足要求。322250.40.310961NNmfNmA 杆:gH, ,7.kcllx 2.71398.00cmly390同理,亦按压杆容许长细比进行控制,选用 ,查附录 H,46, cm, .29.6cmA.961xicmiy42验算: , ,满足长细比3870xil 15.349.20yil的要求。5014,amx y,满足要求。322279.6079.31NNmfNmA(4)竖杆:, ,其内力值大小相同,选用长3.aAk65.4cCeEgGk细比较大的竖杆进行设计,则可保证其它竖杆的安全可靠性。, , .因内力较小,65.4gGNcmllx 2.3189.00
23、cly890选用 ,则 , cm, .221.83cmA.7xiiy6验算: , ,满足长细比134.72.0xil 107.469.280yil的要求。50,max y故由 ,查附录 D02 得:34.1x34.,满足要求.32226516.01008NNmfNmA各杆件截面选择如下表:屋架杆件一览表计算长度cm回转半径(cm )长细比杆件名称内力KN xl0y截面规格(均为 2 个拼接)截面面积cm xiyxyminNA上弦FG -797.05 150.75 301.5 1409010 44.52 2.56 6.77 59 45 150 0.802 223.2下弦eg 782.79 300
24、 1035 11070827.89 1.98 5.41 151.5 191.3 350 280.67aB-502.84253 253 12580831.98 4.01 3.27 58.6 77.4 150 0.678 231.9Bc 380.07 209.4 261.3 705 13.75 2.16 3.24 96.8 80.6 150 276.41cD-288.52229.1 286.4 756 17.59 2.31 3.45 99.2 80.3 150 0.537 305.4De 182.70 229.1 286.4 504 7.79 1.54 2.43 148.8 117.9 350 2
25、34.5eF-102.87250 312.4 634 9.96 1.96 2.94 127.6 106.3 150 0.383 269.7Fg 50.14 250 312.4 634 9.96 1.96 2.94 129.5 106.3 150 50.3斜腹杆gH 79.16 271.2 339 634 9.96 1.96 2.94 138.4 115.3 150 79.5竖杆aA -32.72 199 199 565 10.83 1.72 2.69 115.7 74.0 150 0.428 107.95.4 节点设计5.4.1 下弦节点 c角焊缝的抗拉、抗压和抗弯强度设计值, .20mNfw
26、设 杆的肢背和肢尖焊缝为 和 .所需焊缝长度为:cBmhf85肢背 取 3w0.7.10.72l lw150肢尖 ,取 .3.38.8.45l ml设 杆的肢背与肢尖的焊缝为 和 .cDmhf6肢背 ,取30.728.109.2wl lw01肢尖 ,取 。35.6 l ml8cC 杆件内力很小,焊缝尺寸可以按照构造要求确定,取 。hf5肢背 ,取30.754102wl mlw0肢尖 ,取3.6l l5根据以上焊缝长度,并考虑杆件之间的间隙以及制作和装配等误差,按照比例会出节点详图(如下图) ,确定节点板尺寸为 。2703Cc -65.44 183.2 229 565 10.83 1.72 2.
27、69 106.5 85.1 150 0.495 122.1Ee -65.44 207.2 259 565 10.83 1.72 2.69 120.5 96.3 150 0.411 147.0Gg -65.44 231.2 289 565 10.83 1.72 2.69 134.4 107.4 150 0.364 166.0下弦与节点板连接的焊缝长度为 , ,焊缝所受的力为左右m023hf8下弦杆的内力差 ,受力较大的肢背处焊缝应力637.48.69.4 NkN为所以,焊缝强度满足要求。5.4.2 上弦节点 B上弦节点 B 如下图。 杆与节点板的焊缝尺寸为和节点 c 相同, 杆与节c aB点板的
28、焊缝尺寸为 和 . 。mhf106kNaB7.50380.07KN 288.52KN637.64KN268.30KN 3220.79.105.028(26)f肢背 ,取30.752.84105.7wl mmlw051肢尖 ,取3.3.9.6l l为了便于搁置屋面板,上弦节点板的上边缘缩进上弦肢背 ,用塞焊缝8把上弦角钢与节点连接起来。塞焊缝作为两条焊缝计算,设计强度乘以 0.8 的折减系数。考虑到屋面坡度较小,可假设集中荷载 P 与上弦垂直。肢背和肢尖焊缝 和 ,上弦与节点板间焊缝长度为 。mhf68 m340上弦肢背塞焊缝应力:322322112265.410)()(0.348.910)()
29、.0.77-54N/86/ ( fwfPkhlmNm上弦肢尖塞焊缝应力:488.96KN502.84KN 380.07KN3223222265.410)()(0.748.910)()1.0.7 -946N/.86/ ( fwfPkhlmNm焊缝满足要求。5.4.3 屋脊节点弦杆的拼接,一般都采用同号角钢作为拼接角钢,为了使拼接角钢在拼接处能紧贴被连接的弦杆并便于施焊,将角钢的尖角削去。设焊缝 ,拼mhf8接角钢与弦杆的连接焊缝的最大内力 ,每条焊缝长度为:N79.05GHkmfhNlwGHw17.04拼接角钢的总长度为: ,取406m28)(172)(2ahlfw。l1上弦杆角钢肢尖与节点板的
30、连接焊缝,应取上弦内力的 15%进行计算,即:,其产生的偏心弯矩 N0.5.79.051.kN3eM186m节点板尺寸如图:设肢尖焊脚尺寸 ,则焊缝计算长度 。mhf82w2l085179m验算肢尖焊缝强度: 22ffwfw6MN()()20.7hl0.7hl3322851195()()1 .8,焊缝满足要求。22970wfNmNm5.4.4 支座节点为便于施焊,底板上表面至下弦角钢净距离为 125mm,如图所示:支座节点图 底板计算支座反力 R7P65.48.0kN根据构造需要,取底板尺寸为 。锚栓采用 2M24,并用 U 形m42缺口,柱采用 C25 混凝土,其轴心抗压强度设计值 。作用与
31、地2/5.1Nfc板的压应力为:满足22458.07././21cnRqNfA底板被节点板和加劲肋分成 4 块两相邻边支承板,最大弯矩: ma2.1670)2(21 b.8.673401,查表得92.1a053.则底板单位宽度上的最大弯矩mNqM/8.140.67.053.221 取 (按厚 取值)/9mNf 35-t则需要底板厚度: ,取mfMt 2.1598.40620t加劲肋计算对加劲肋和节点板间的两条竖直焊缝进行验算。设 ,焊缝长度 取焊缝最大计算长度fh6mlw402843,lfw402305.1.RVkN.67Mem焊缝应力为 222 2f6145068710()()0.70.7.7633( ) ( )fwfwVhlhl22493N/fmNm焊缝满足要求。加劲肋、节点板与底板的连接焊缝计算假设焊缝传递全部支座反力 R,每块加劲肋传递 ,节点板传递 。4R2R,取 8mm。m7.6205.1.hmin f t每块加劲肋与底板的连接焊缝的总计算长度: 2)(wl满322/414.5016.500.778 wf fffRNNmhl足。节点板与底板的连接焊缝长度 36)280(wl3 2/29.0416.500.77wf fffwRNmNmhl满足。6 绘制钢屋架施工图见附图。