15米跨度三角形钢屋架设计的毕业设计 27页

'15米跨度三角形钢屋架设计的毕业设计一、设计资料屋面采用三角形钢屋架、石棉水泥波形瓦屋面（重量200N/m2），轻钢檩条及拉条（重量100N/m2）。钢屋架两端支撑于钢筋混凝土柱上，上柱截面为400×400（砼等级C25）。基本风压W0=350N/m2，屋面均布活载或雪载为500N/m2，积灰荷载为100~500N/m2，无抗震要求。钢屋架材料为Q235-B钢，焊条采用E43型，手工焊接。该厂房横向跨度为15m，房屋长度为120m，柱距（屋架间距）为7.5m，屋面坡度为1/3。二、屋架布置及几何尺寸屋面坡度为i=1：3,屋面倾角α=arctg（1/3）=18.435°，sinα=0.3162，cosα=0.9487屋架计算跨度l0=l－300＝15000－300=14700mm屋架跨中高度h=l0×i/2=14700/(2×3)=2450mm上弦长度L=l0/2cosα≈7747mm节间长度a=L/6=7747/6≈1291mm节间水平段投影尺寸长度a＇=acosα=1291×0.9487=1225mm根据几何关系，得屋架各杆件的几何尺寸如图1所示屋架几何尺寸图三、（1）支撑布置-27- （2）屋面檩条及其支撑波形石棉瓦长1520mm，要求搭接长度150mm，且每张瓦至少要有三个支撑点，因此最大的檩条间距为-27- a=半跨屋面所需檩条数n=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：a=可以满足要求。三、荷载计算1、荷载永久荷载石棉水泥波形瓦屋面200N/m2=0.2KN/m2轻钢檩条及拉条100N/m2=0.1KN/m2屋架及支撑自重282N/m2=0.282KN/m2小计∑0.582KN/m2可变荷载均布活载或雪载500N/m2=0.50KN/m2积灰荷载175N/m2=0.175KN/m21)全跨屋面恒荷载作用下上弦集中恒荷载标准值P=0.582×7.5×0.6455×=2.67KN上弦节点恒荷载P=2P=2×2.67=5.34KN2）全跨雪荷载和灰荷载作用下上弦节点雪荷载和灰荷载P=0.675×7.5×0.6455×=3.10KN上弦集中雪荷载和灰荷载标准值P=2P=2×3.10=6.20KN假定基本组合由可变荷载效应控制，则上弦节点荷载设计值为1.2×5.34+1.4×6.2=15.09KN若基本组合由永久荷载效应控制，则上弦节点荷载设计值为1.35×5.34+1.4×0.7×6.2=13.29KN。综上可知，本工程屋面荷载组合由可变荷载效应控制。3）风压高度变化系数=1.0坡度为i=1/3α=18.435°风压高度变化系数为1.0风载体系系数：背风面=-0.5迎风面=-0.5迎风面:w1=1.0×（-0.5）×1.0×0.35=0.175KN/m2垂直于屋面，为风吸力-27- 背风面:w2=1.0×（-0.5）×1.0×0.35=0.175KN/m2垂直于屋面，为风吸力由檩条传给屋架上弦的集中风荷载标准值W=-0.175×0.675×7.5=-0.89KN，上弦节点风荷载标准值P=2W=2×（-0.89）=-1.78KN。全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载：P=0.282×7.5×0.6455×=1.30KN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P=（1.2×0.2+1.4×0.675）×7.5×0.6455×=5.44kN4)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=0.8M，其它节间最大正弯矩和节点负弯矩为M=±0.6M。上弦杆节间集中载荷P=15.09kN节间最大弯矩M=Pl/4=15.09×1.291/4=4.870kN·m端节间M=0.8M=0.8×4.870=3.896kN·m中间节间及节点M=±0.6M=±0.6×4.870=2.922kN·m2、荷载组合设计屋架时，应考虑以下四种荷载组合：（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载（3）全跨永久荷载+风荷载（4）全跨屋架与支撑+半跨屋面板+半跨屋面活荷载四、内力计算按力学求解器计算杆件内力，然后乘以实际的节点荷载，屋架要上述第一种荷载组合作用下，屋架的弦杆、竖杆和靠近两端的斜腹杆内力均达到最大值，在第二和第三种荷载作用下，靠跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生变号，因此，在全跨荷载作用下所有杆件的内力均应计算，而在半跨荷载作用下，仅需计算近跨中的斜腹杆内力，取其中不利内力（正、负最大值）作为屋架的依据。具体计算见图屋架各杆内力组合见表。-27- 全跨荷载布置图全跨荷载轴力图左半跨荷载布置图左半跨荷载轴力图-27- 右半跨荷载布置图右半跨荷载轴力图左风荷载布置图-27- 上弦左风荷载轴力图右风荷载布置图上弦右风荷载轴力图内力计算表表1杆件名称全跨荷载全跨永久荷载+全跨可变荷载P=1.2P+1.4PN=P×③全跨永久荷载+半跨可变荷载N左=1.2P×③+1.4P×①N右=1.2P×③+1.4P×②全跨永久荷载+风荷载P=1.2P+1.4PN=P×③全跨屋架支撑+半跨屋面板+半跨可变荷载N左=1.2P×③+P×①计算内力KN-27- N右=1.2P×③+P×②在左半跨在右半跨全跨①②③上弦杆1-18-12.66-4.75-17.41-262.68-221.45-152.79-68.18-96.03-53.00-221.4518-17-11.39-4.74-16.13-243.37-202.23-144.50-63.17-87.12-50.95-202.2317-16-12.02-4.74-16.76-252.88-211.73-148.54-65.63-91.53-51.93-211.7316-15-11.72-4.75-16.42-247.75-206.95-146.45-64.30-89.37-51.46-206.9515-14-10.45-4.74-15.20-229.34-188.11-138.55-59.52-80.56-49.50-188.1114-13-11.09-4.74-15.83-238.84-197.70-142.58-61.99-85.02-50.48-197.70下弦杆1-212.014.5016.51249.10210.04144.8664.6591.0950.24210.042-39.004.5013.50203.69164.63125.5752.8770.0245.54164.633-44.504.509.00135.7996.7396.7335.2438.5238.5296.73腹杆2-18-1.350-1.36-20.52-8.715-20.43-5.33-2.12-9.47-20.432-17-1.340-1.33-20.07-8.52-20.15-5.21-2.07-9.36-20.152-163.0003.0045.2619.2245.2611.754.6821.0045.263-16-2.850-2.85-43.00-18.26-43.00-11.16-4.45-19.95-43.003-194.5204.5268.2028.9668.2017.707.0531.6468.2016-193.0103.0145.4119.2945.4111.794.7021.0745.4115-191.3501.3620.528.7120.435.332.129.4720.4314-19-1.340-1.33-20.07-8.52-20.15-5.21-2.07-9.36-20.1513-197.5207.51113.3148.12113.4029.4011.7252.62113.404-130000000000P1=5.34kNP2=6.2kNP3=-1.78kNP=1.30KNP=5.44kN五、杆件截面设计1、上弦杆截面计算整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算N=-221.45kN（压力），查《钢结构设计手册》，节点板厚度选用8mm，支座节点板厚度选用10mm。上弦杆1-18计算长度屋架平面内取节间轴线长度屋架平面外根据支撑和内力变化取因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并。如图1所示。yyxx8图1上弦截面设，查轴心受压构件的稳定系数表-27- 需要截面积=12.76c㎡需要回转半径根据需要的A、ix、iy，查角钢型钢表，选用2∟，A=34.4c㎡,ix=2.35cm,iy=4.70cm。按所选角钢进行验算，满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。2、下弦杆截面计算①下弦杆1-2按最大内力计算，N=210.04kN（拉力）计算长度屋架平面内取节间轴线长度屋架平面外根据支撑布置取计算需要净截面面积选用2∟63×40×7（短肢相并），见图2所示，A=13.6c㎡,ix=1.10cm,iy=3.24cm按所选角钢进行截面验算，取。8xxyy图2下弦截面-27- 所选截面满足要求。②下弦杆3-4按最大内力计算，N=96.73kN（拉力）计算长度屋架平面内取节间轴线长度屋架平面外根据支撑布置取计算需要净截面面积选用2∟63×40×7（短肢相并），见图2所示，A=13.6c㎡,ix=1.10cm,iy=3.24cm按所选角钢进行截面验算，取。8xxyy图2下弦截面所选截面满足要求。3、斜杆截面计算①斜杆2-18N=-20.43kN(压力)，l0x=0.8l=72.7cm,l0y=l=90.9cm计算需要净截面面积选用2∟40×4，见图3所示，A=6.18c㎡,ix=1.22cm,iy=1.96cm-27- xxyy8属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。②斜杆17-2N=-20.15kN(压力)，l0x=0.8l=73.2cm,l0y=l=91.5cm计算需要净截面面积选用2∟40×4，见图3所示，A=6.18c㎡,ix=1.22cm,iy=1.96cmxxyy8属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，-27- 所选截面合适。斜杆2-16N=45.26kN(拉力)，l0x=0.8l=163.6cm,l0y=l=204.5cm计算需要净截面面积选用2∟40×4，见图3所示，A=6.18c㎡,ix=1.22cm,iy=1.96cmxxyy8属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。所选截面合适。斜杆3-16N=-43.00kN(压力)，l0x=0.8l=163.6cm,l0y=l=204.5cm计算需要净截面面积选用2∟40×4，见图3所示，A=6.18c㎡,ix=1.22cm,iy=1.96cm-27- xxyy8属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。斜杆16-19N=45.41kN(拉力)，l0x=0.8l=163.0cm,l0y=l=203.8cm计算需要净截面面积选用2∟40×4，见图3所示，A=6.18c㎡,ix=1.22cm,iy=1.96cmxxyy8属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。-27- 所选截面合适。斜杆15-19N=20.43kN(拉力)，l0x=0.8l=72.7cm,l0y=l=90.9cm计算需要净截面面积选用2∟40×4，见图3所示，A=6.18c㎡,ix=1.22cm,iy=1.96cmxxyy8属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。所选截面合适。斜杆14-19N=-20.15kN（压力），l0x=0.8l=73.2cm,l0y=l=91.5cm计算需要净截面面积选用2∟40×4，见图3所示，A=6.18c㎡,ix=1.22cm,iy=1.96cm-27- xxyy8属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。由于只需求出，查轴心受压构件的稳定系数表，所选截面合适。斜杆3-19N=68.20kN(拉力)，l0x=0.8l=163.6cm,l0y=l=204.5cm计算需要净截面面积选用2∟40×4，见图3所示，A=6.18c㎡,ix=1.22cm,iy=1.96cmxxyy8属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。-27- 所选截面合适。4、竖杆截面计算竖杆4-13N=0kN(拉力)，l0x=0.8l=196cm,l0y=l=245.0cm选用2∟40×4，见图3所示，A=6.18c㎡,ix=1.22cm,iy=1.96cm中竖杆截面图属于b类截面属于b类截面满足长细比：的要求。-27- 屋架杆件一览表杆件杆内力kN计算长度截面形式及角钢规格截面积（m㎡）回转半径长细比容许长细比系数φminσ(N/m㎡)loxloyix(mm)iy(mm)λmax上弦1-18-221.4512912582┛┗短肢相并2L100×80×10344023.547.0551500.83277下弦1-2210.0420374074┛┗短肢相并2L63×40×7136011.032.4185350—1543-496.7332756550┛┗短肢相并2L63×40×7136011.032.4298350—69斜腹杆2-18-20.43727909┛┗2L40×461812.219.6601500.807412-17-20.15732915┛┗2L40×461812.219.6601500.807412-1645.2616362045┛┗2L40×461812.219.6134350—733-16-43.0016362045┛┗2L40×461812.219.61341500.37018816-1945.4116302045┛┗2L40×461812.219.6134350—7315-1920.43727909┛┗2L40×461812.219.660350—3314-19-20.15732915┛┗2L40×461812.219.6601500.807403-1968.2016362045┛┗2L40×461812.219.6134350—110竖杆4-13019602450十字形2L40×461812.219.6160200——六、节点设计6.1支座节点16.1.1下弦杆与节点板间连接焊缝计算N=210.04kN取角钢北部焊脚尺寸，角钢趾部焊脚尺寸，按焊缝连接强度要求得背部趾部-27- 实际焊缝长度采用角钢背部l1=140mm趾部l2=60mm6.1.2绘制节点详图按以下方法、步骤和要求画节点大样，并确定节点板尺寸（1）严格按几何关系画出汇交于节点A的各杆件轴线（轴线至杆件角钢背面的距离Z0＇按表3采用）。（2）下弦杆与支座底板之间的净距取140mm（符合大于130mm和大于下弦杆角钢水平肢宽的要求）。（3）按构造要求预定底板平面尺寸为a×b=220×220mm，使节点A的垂直轴线通过底板的形心。（4）节点板上部缩进上弦杆角钢背面t1/2+2mm=6mm(式中t1=8mm为节点板厚度），取上、下弦杆端部边缘轮廓线间的距离为20mm和根据下弦杆与节点板间的连接焊缝长度等，确定节点板尺寸如图所示。图支座节点16.1.3上弦杆与节点板间连接焊缝计算N=221.45kN，P1=P/2=15.09/2=7.55kN节点板与角钢背部采用塞焊缝连接（取hf1=t/2=4），设仅承受节点荷载P1。因P1值很小，焊缝强度不必计算，一定能满足要求。-27- 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：其中取焊脚尺寸=6，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-8mm=474-8=466mm＞60hf2=360mm，取最小lw2=240mmhf2=4mm计算，。焊缝强度可满足要求。6.1.4底板计算支座反力R=6P=6×15.09=90.54kN，采用C20混凝土柱=9.6N/。锚栓直径采用20，底板上留矩形带半圆形孔，尺寸-220×220，锚栓套板用-40×10×40，孔径22。（1）底板面积A底板与钢筋混凝土柱面间的接触面面积A=22×22-2×（4×5+0.5××/4）=424.4；接触面压应力：可满足混凝土轴心抗压强度要求，预定底板尺寸a×b=220mm×220mm适用。（2）底板厚度t底板被节点板和加劲肋划分成四块相邻边支承德小板，板中最大弯矩（取单位板宽计算）（j）斜边-27- 斜边上之高，查表得=0.06，代入（j）所需底板厚度，取t=12mm。底板选用-22012220。6.1.5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=90.05/2=45.03kN焊缝计算长度需要构造要求采用hf=6mm，满足要求。（2）加劲肋与底板间水平连接焊缝N=R/2=90.05/2=45.03kN需要采用hf=6mm，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8mm，与中间节点板等厚。每块加劲肋与节点板间竖向连接焊缝受力：焊缝计算长度lw=(40+63)-10=93mm需要-27- 构造要求采用hf=8mm，满足要求。由以上计算可见，底板和加劲肋及其连接焊缝均是构造控制。6.2上弦一般节点18、17、16、15、146.2.1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18的各杆件轴线（轴线至杆件角钢背面的距离Z0＇按表3）；（2）节点板上部缩进上弦杆角钢背面10mm、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=221.45kNN2=202.23kNP=15.09kN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=3mm，（为节点板厚度），因P值很小，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及其偏心弯矩M的共同作用，其中⊿=221.45-202.23=19.22kN-27- 图5上弦杆一般节点详图(a)节点18、15(b)节点17、14(c)节点16由图中量得实际焊缝长度l2=141mm,计算长度lw2=l2-8mm=141-8=133mm需要构造要求采用hf=6mm，满足要求。其他上弦一般节点（节点17、16、15和14）的设计方法、步骤等与节点18相同，节点详图见图5所示。因节点15和节点18的几何关系、受力等完全相同，故节点详图也完全相同。节点17和节点14的详图也完全相同。6.3屋脊拼接节点13N=197.7kNP=15.09kN6.3.1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2L100×80×10。拼接角钢与上弦杆间连接焊缝的焊脚尺寸取hf=6mm。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-27- 拼接处左右弦杆端部空隙40mm，需要拼接角钢长度为了保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度La=350mm。此外，因屋面坡度较大，应将拼接接角钢的竖肢剖口△3=2×（100-10-18）/2.5=72mm采用80mm，如图6所示，先钻孔在切割，然后冷弯对齐焊接。6.3.2绘制节点详图绘制方法、步骤和要求与上弦一般节点18基本相同，腹杆与节点板间连接焊缝尺寸按表采用。为便于工地拼接，拼接处工地焊一侧的弦杆一拼接角钢和受拉主斜杆与跨中吊环杆上分别设置直径为17.5mm和13mm的安装螺栓孔，节点详图如图6所示。图6屋脊拼接节点136.3.3拼接接头每侧上弦杆与节点板间连接焊缝计算拼接接头每侧上弦轴力的竖向分力Nsin与节点荷载P/2的合力V=Nsin-P/2=197.7×0.3162-15.09/2=55.0kN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）由图量得实际焊缝长度远大于=24.55mm，因此热内焊缝满足计算要求。在计算需要的时没有考虑斜焊缝的强度设计值增大系数。6.4下弦一般节点26.4.1绘制节点详图（如图所示）-27- 图7下弦一般节点26.4.2下弦杆与节点板间连接焊缝计算N1=210.04kNN2=164.63kN⊿=210.04-164.63=45.41kN由节点详图中量得实际焊缝长度,其计算长度需要构造要求采用，满足要求。6.5下弦拼接节点I6.5.1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2L63×40×7。拼接角钢与下弦杆间连接焊缝的焊脚尺寸取。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拼接处弦杆端部空隙取为10mm，需要拼接角钢长度为保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度。6.5.2绘制节点详图汇交于节点3的屋架各杆轴线至角钢背面的距离按表采用，腹杆与节点板间的连接焊缝尺寸按表采用。为便于工地拼接，拼接处弦杆和拼接角钢的水平肢上设置直径为17.5mm的安装螺栓孔。节点详图如图8所示。-27- 图8下弦拼接节点36.5.3拼接接头一侧下弦杆与节点板间连接焊缝计算取接头两侧弦杆的内力差△N和0.15Nmax两者中的较大值进行计算。取△N=69.90kN进行计算。△N由内力较大一侧的下弦杆传给节点板，由图中量得实际焊缝长度，其计算长度需要采用，满足要求。6.6下弦中央节点4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46.7受拉主斜杆中间节点19设计计算与下弦一般节点2相同，节点详图如图所示。-27- 受拉主斜杆中间节点28参考资料1.《钢结构设计例题集》（中国建筑工业出版社）2.《钢结构设计与计算》（机械工业出版社）3.《钢结构》（中国建筑工业出版社）4.《钢结构设计指导与实例精选》（中国建筑工业出版社）5.《钢结构设计及实用计算》（中国电力出版社）-27- 修正内力计算表表1杆件名称全跨荷载全跨永久荷载+全跨可变荷载P=1.2P+1.4PN=P×③全跨永久荷载+半跨可变荷载N左=1.2P×③+1.4P×①N右=1.2P×③+1.4P×②全跨永久荷载+风荷载P=1.2P+1.4PN=P×③全跨屋架支撑+半跨屋面板+半跨可变荷载N左=1.2P×③+P×①N右=1.2P×③+P×②计算内力KN在左半跨在右半跨全跨①②③上弦杆1-18-12.66-4.75-17.41-262.68-221.45-152.79-68.18-96.03-53.00-262.6818-17-11.39-4.74-16.13-243.37-202.23-144.50-63.17-87.12-50.95-243.3717-16-12.02-4.74-16.76-252.88-211.73-148.54-65.63-91.53-51.93-252.8816-15-11.72-4.75-16.42-247.75-206.95-146.45-64.30-89.37-51.46-247.7515-14-10.45-4.74-15.20-229.34-188.11-138.55-59.52-80.56-49.50-229.3414-13-11.09-4.74-15.83-238.84-197.70-142.58-61.99-85.02-50.48-238.84下弦杆1-212.014.5016.51249.10210.04144.8664.6591.0950.24249.102-39.004.5013.50203.69164.63125.5752.8770.0245.54203.693-44.504.509.00135.7996.7396.7335.2438.5238.52135.79腹杆2-18-1.350-1.36-20.52-8.715-20.43-5.33-2.12-9.47-20.522-17-1.340-1.33-20.07-8.52-20.15-5.21-2.07-9.36-20.152-163.0003.0045.2619.2245.2611.754.6821.0045.263-16-2.850-2.85-43.00-18.26-43.00-11.16-4.45-19.95-43.003-194.5204.5268.2028.9668.2017.707.0531.6468.2016-193.0103.0145.4119.2945.4111.794.7021.0745.4115-191.3501.3620.528.7120.435.332.129.4720.4314-19-1.340-1.33-20.07-8.52-20.15-5.21-2.07-9.36-20.1513-197.5207.51113.3148.12113.4029.4011.7252.62113.404-130000000000P1=5.34kNP2=6.2kNP3=-1.78kNP=1.30KNP=5.44kN-27-'