轻型屋面三角形钢屋架设计的结构设计 25页

'轻型屋面三角形钢屋架设计的结构设计1设计资料及说明设计一位于杭州市近郊的单跨屋架结构（封闭式），主要参数如下：1、单跨屋架，平面尺寸为36m×15m，S=4m，即单跨屋架结构总长度为36m，跨度为15m，柱距为4m。2、屋面材料为规格1820×725×8的波形石棉瓦。3、屋面坡度i=1：2.5，恒载为0.9KN/m2,活载为0.6KN/m2。4、屋架支承在钢筋混凝土柱顶，混凝土标号C20，柱顶标高6m。5、钢材标号为Q235-B.F，其设计强度值为f=215KN/m2。6、焊条型号为E43型，手工焊接。7、荷载计算按全跨永久荷载+全跨可变荷载（不包括风荷载）考虑，荷载分项系数取：γG=1.2,γQ=1.4。2屋架形式及几何尺寸根据所用屋面材料的排水需要及跨度参数，采用芬克式十节间三角形屋架。图1：杆件几何尺寸屋架坡度为1：2.5，屋面倾角。，屋架计算跨度：.屋架跨中高度： 上弦长度：节间长度：.节间水平方向尺寸长度：.根据《建筑结构静力学计算手册》查得各杆长度系数，然后计算各杆件几何尺寸如图1所示。3屋盖支撑布置3.1屋架的支撑（如图1所示）（1）在房屋两侧第一个柱间各设置一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑。（如图2）；（2）在屋架的下弦节点2和2′各设置一道长柔性系杆。（3）因为屋架的跨度小于18m，所以在位于屋架的长压杆B-1、B′-1′、E-4和E′-4′处各设置一道垂直支撑。图2：屋架的支撑3.2屋面檩条及其支撑波形石棉瓦长为1820mm，要求搭接长度≥150mm，且每张瓦至少需要有三个支撑点，因此，最大檩条间距为：. 半跨屋面所需檩条条数为：根。考虑到上弦平面横向支撑节点处必须设置檩条，实际取半跨屋面檩条数为:=11根，檩条间距.可以满足要求。檩条水平间距：.檩条选用槽钢[8，查表得相关数据：Wx=25.3cm3、Wy=5.8cm3、Ix=101.3cm3⑴荷载计算恒载：0.9KN/m2,活载：0.6KN/m2.檩条截面受力图如图2-1所示。檩条线载荷为：Pk=(0.9+0.6)×0.668=1.002KN/mP=(1.2×0.9+1.4×0.6)×0.668=1.28KN/mPx=P×sinα=1.28×0.3714=0.475KN/mPy=P×cosα=1.28×0.9285=1.188KN/m⑵强度验算檩条支撑如图2-2所示。柱间距为=4m，所以弯矩设计值为： 图2-1檩条截面力系图屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可不计算整体稳定性,只需计算其强度。檩条的最大应力处位于槽钢下翼缘肢尖处：檩条y方向：檩条x方向：图2-2⑶刚度验算载荷标准值：.在沿屋面方向有拉杆，可只验算垂直于屋面方向的绕度。绕度： 满足刚度要求。4屋架的内力计算4.1杆件的轴力载荷计算恒载0.9KN/m2，活载0.6KN/m2为求杆件轴力，把节间荷载转化为节点荷载p：p=（1.2×0.9+1.4×0.6）×1.502×4=11.54KN按课题要求，根据建筑结构静力计算手册查的内力系数和计算内力如表1和图3所示。表1杆件名称杆件内力系数内力设计值（KN）上弦AB-12.12-139.86BC-11.75-136.00CD-9.52-109.86DE-11.00-126.94EF-10.63-122.67下弦A-111.25129.831-210.00115.402-36.2572.13 腹杆B-1,E-4-0.93-10.73C-2,D-2-1.56-18.00C-1,D-41.2013.852-43.7543.28F-45.0057.74.2上弦杆弯矩由《钢结构与组合结构》查得，上弦杆端节间的最大正弯矩：M1=0.8M0；其他节间的最大正弯矩和节点负弯矩为:M2=±0.6M0；上弦杆集中荷载：P′=(1.2×0.9+1.4×0.6)×0.668×4=5.13KN;节间最大弯矩：M0=P′·a/4=5.13×1.502/4=1.93KN·m则：M1=0.8M0=0.8×1.93=1.544KN·m,M2=±0.6M0=±0.6×1.93=±1.158KN·m5屋架杆件截面设计在设计屋架杆件截面前，首先要确定所选节点板的厚度。在三角形屋架中，节点板厚度与弦杆的最大内力有关。根据弦杆的最大内力Nmax=139.86KN.查《钢结构与组合结构》P177页表7-2-焊接屋架节点板厚度选用表可选择支座节点板厚8mm，其它节点板厚6mm。5.1上弦杆整个上弦杆采用等截面通长杆，由两个角钢组成T形截面压弯杆件，以避免采用不同的截面时的杆件拼接。弯矩作用的平面计算长度=158.3cm,侧向无支撑长度=2×158.3=316.6cm.首先，试选上弦杆截面为2L70×6,查《钢结构设计与计算》得其主要参数：A=16.32cm2,r=8mm,ix=2.15cm,iy=3.19cmWxmax=38.8cm3,Wxmin=14.96cm3⑴强度检验（截面无削弱）杆件单向受弯，按拉弯和压弯构件的强度计算公式计算：查表知:=1.05,=1.2，[λ]=150 条件：取AB段上弦杆（最大内力杆段）验算：轴心压力N=139.86KN.最大节间正弯矩：Mx=M1=1.544KN·m最大负弯矩：Mx=M2=1.158KN·m正弯矩截面：负弯矩截面：所以上弦杆的强度满足要求。⑵弯矩作用平面内的稳定性计算应按下列规定计算：对角钢水平肢1：对角钢竖直肢2：因杆段相当于两端支撑的构件，杆上同时作用有端弯矩和横向荷载并使构件产生反向曲率，故按规范取等效弯矩:。长细比：该截面属于b类截面，查表得欧拉临界应力：杆段A-B轴心压力N=139.86KN所以： 用最大正弯矩进行计算：Mx=M1=1.544KN·m用最大负弯矩进行验算：Mx=M2=1.158KN·m，满足要求⑶弯矩作用平面外的稳定性计算验算条件：因侧向无支撑长度l1为316.6cm，故验算上弦杆的ABC段在弯矩作用平面外的稳定性。等弯系数:βtx=βmx=0.85.轴心压力N1=139.86KN，N2=136.00KN弯矩作用的平面计算长度=158.3cm,侧向无支撑长度=2×152.8=316.6cm.所以=(0.75+0.25N1/N)=314.8cm.长细比：属b类截面，查表得=0.564用最大正弯矩进行计算：Mx=M1=1.544KN·m，，对弯矩使用角钢水平肢受压的双角钢T形截面，规范规定整体稳定系数 可按下式进行计算：得用最大负弯矩进行计算：Mx=M2=1.158KN·m，，对弯矩使用角钢水平肢受拉的双角钢T形截面，规范规定整体稳定系数可按下式进行计算：得所以平面外长细比和稳定性均可满足要求⑷局部稳定性验算验算条件：翼缘自由外伸宽厚比：腹板高厚比：当时：当时：，为腹板计算高度边缘的最大压应力。为腹板计算高度另一边缘相应的应力。b`=b-t-r=70-8-8=54mmh0=b-t-r=70-8-8=54tw=t=8mm翼缘：腹板：满足要求所以，上弦杆截面完全满足各项要求，截面适用5.2下弦杆(轴心受力杆件） 下弦杆为轴心受压构件，整个下弦杆不改变截面，采用等截面通常杆。在下弦节点‘2’处，下弦杆角钢水平肢上开有直径为17.5mm的安装螺栓孔。因此，计算下弦杆强度时，必须考虑及此。此外，选截面时还要求角钢水平肢（开孔肢）的边长≥63mm，以便开d0=17.5mm的安装螺栓孔。首先按杆段A-1（该截面上无孔）的强度条件和下弦杆的长细比条件选择截面。杆段A-1轴心拉力为N=129.83KN。长细比容许值：[λ]=350下弦杆的计算长度为：=308.8cm.（取下弦杆2-3段的长度）=2=617.6cm要满足：，选用2∟56×36×4，短边相连：A=7.18cm2;=1.02cm;=2.77cm⑴强度验算杆段A-1：An=A=7.18cm2杆1-2：⑵长细比验算，满足要求，所以所选下弦杆截面适用5.3腹板腹板为轴心受压构件，[λ]=150（1）短压杆B-1,E-4.因N值较小，杆件太短，拟采用单角钢截面，通过节点板单面连接。先按长细比要求试选截面，然后进行验算。 轴心压力N=10.73KN,=63.3cm斜平面计算长度：=0.9l=56.97cm需要满足：选用单角钢：1∟36×4：A=2.76cm2,=0.7cm长细比：属于b类截面，查表得=0.678单面连接的等边单角钢构件按轴心受压计算稳定性时的强度设计值拆减系数为：.满足要求，所选截面适用（2）长压杆C-2,D-2轴心压力N=18.00KN,=ly=176.9cm斜平面计算长度：=lx=0.8l=141.52cm按稳定性条件试选长压杆截面，采用等边双角钢组成的T形截面。假定长压杆的长细比为，则查表可得（b类截面），需要满足：选用2∟40×4：A=6.18cm2,=1.22cm，验算 由，查的故所选截面适合。（3）短拉杆C-1,D-4N=13.85KN，l=170.5cm垂直支撑连在预先焊于长压杆和弦杆的连接板上，杆件截面无削减。拟采用单面连接的单角钢截面（截面无削减）计算长度l0=0.9l=0.9×170.5=153.45cm需要式中的0.85是单面连接的单角钢构件按轴心受力计算强度时的强度设计值折减系数。选用1L30×4，，可满足使用要求（4）长拉杆F-4-2N=57.5KN，l=255.7cm计算长度需要 选用2L36×4，，，，可满足使用要求。5.4中间吊杆F-3N=0,=294cm因吊杆不连垂直支撑，故按拉杆长细比条件选择截面。按单面连接单角钢计算所需截面：=0.9=264.6cm需要:选用两个单角钢2∟36×4，按十字形布置。，，可满足使用要求。5.5填板设置与尺寸选择两杆所受载荷较小，中间可不设置填板。6屋架节点设计角焊缝强度设计值，采用E43型焊条，手工电弧焊时为屋架各杆件轴线至杆件角钢背部的距离一般取5mm的倍数，则根据各角钢的参数可得杆件轴线至杆件角钢背部的距离表 表2-杆件轴线至杆件角钢背部的距离表杆件名称杆件截面中心距离/mm轴线距离/mm备注上弦杆2L70×620.320下弦杆2L56×36×418.720短压杆B-1、E-41L36×410.410单面连接长压杆C-2、D-22L40×410.910短拉杆C-1、D-41L30×48.510单面连接长拉杆F-4-22L36×410.410中央吊杆F-32L36×410.4106.1支座点A6.1.1下弦杆与节点板间连接焊缝计算。N=129.83KN，下弦杆为短边相连的不等边角钢，查表知角焊缝内力分配系数k1=0.75，k2=0.25取角钢肢背焊脚尺寸(