普通钢屋架课程设计.docx
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普通钢屋架课程设计.docx
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普通钢屋架课程设计
一、主要设计参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
二、钢材和焊条的选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
三、屋架形式、尺寸及支撑布局⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
四、载荷和内力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
五、杆件截面选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4
六、节点设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
七、焊接工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12
八、检验及质量标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14
九、参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15
精选
、设计资料
某车间跨度30m,长度90m,柱距6m,车间设有30/5t中级制桥式吊车,使用温度-29℃,采用1.5*6.0m混凝土钢筋大型屋面板,10cm厚沥青珍珠岩保温层,卷材屋面,屋面坡度1/10,屋架制成在钢筋混凝土柱上,上截面400*400mm,混凝土型号C20。
、钢材和焊条的选用
根据设计资料参数、使用温度-29℃、连接方法及载荷性质(静载荷),屋架钢材应选用Q235,焊条应选E4303型,焊接方法应选择手工焊。
三、屋架形势、尺寸及支撑布局
1、由于屋面材料为预应力混凝土大型层面板,所以采用无檀层盖体系平缓坡度型钢屋架,屋架尺寸如下:
屋面坡度:
i=1/10屋架计算跨度:
L0=L—2*150=30000—2*150=29700mm屋架端部高度取:
H0=2000mm
跨中高度:
H=H0+L0/2*i=2000+29700/2*0.1=3485≈3490mm屋架高度比:
H/L0=3490/29700≈1/8.51
2、屋架示意图
3、梯形钢屋架支撑布置
四、载荷和内力计算
1、荷载计算
-2-
荷载名称
标准值(KN/m2)
设计值(KN/m2)
永久荷载
预应力混凝土大型
屋面板
1.40
1.68
三毡四油防水层
0.40
0.48
找平层(厚20mm)
0.40
0.48
100mm厚沥青珍珠
岩保温层
0.30
0.36
屋架及支撑自重
0.45
0.54
管道荷载
0.10
0.12
永久荷载总和
3.05
3.66
屋面活荷载
3.05
0.98
可变荷载
积灰荷载
0.70
0.84
可变荷载总和
0.60
1.82
设计屋架应考虑以下三种组合:
(1)全跨节点永久荷载+全跨可变荷载。
全跨界点永久荷载及全跨可变荷载为
F=(3.66+1.82)×1.5×6=49.32KN
(2)全跨节点永久荷载+半跨节点可变荷载
全跨节点永久荷载:
F1=3.66×1.5×6=32.94KN
半跨节点可变荷载:
F2=1.82×1.5×6=16.38KN
(3)全跨节点屋架(包括支撑)+半跨节点屋面板自重+半跨屋面活荷载全跨节点屋架自重:
F3=0.54×1.5×6=4.86KN半跨节点屋面板自重及活荷载:
F4=(1.68+0.98)×1.5×6=23.94KN上述计算中,
(1)、
(2)为使用阶段荷载情况,(3)为施工阶段荷载情况。
2、内力计算
由电算先解得F=1的桁架各杆件的内力系数(F=1作用于全跨,左半跨和右半跨)。
然后求出各种荷载情况下的内力进行组合,并表示出最大内力。
计算结果如下表所示:
杆件名称
杆内力系数P=1
第一种组合F×
第二种组合
第三种组合
计算内力/KN
全跨
左半跨
右半跨
F1×+F2×
F1×+
F2×
F3×+
F4×
F3×+
F4×
上弦
AB
0
0
-0.01
0
0
-0.1638
0
-0.2394
-0.1638
BC、CD
-11.35
-8.49
-3.45
-559.782
-512.9352
-430.38
-258.412
-137.754
-559.782
DE、EF
-18.19
-13.1
-6.25
-897.1308
-813.429
-701.554
-401.539
-238.028
-897.1308
FG、GH
-21.53
-14.6
-8.46
-1061.86
-948.6738
-847.773
-454.639
-307.168
-1061.8596
HI
-22.36
-14
-10.25
-1102.795
-965.5308
-904.433
-443.351
-354.055
-1102.7952
IJ、JK
-22.73
-14.4
-10.2
-1121.044
-984.4344
-915.802
-454.964
-354.656
-1121.0436
ab
6.33
4.84
1.83
312.1956
287.7894
238.4856
146.6334
74.574
312.1956
下
bc
15.36
11.3
4.98
757.5552
691.0524
587.5308
345.1716
193.8708
757.5552
弦
cd
20.21
14.14
7.43
996.7572
897.3306
787.4208
436.7322
276.0948
996.7572
de
22.12
14.44
9.39
1090.9584
965.16
882.441
453.1968
332.2998
1090.9584
ef
21.23
11.68
11.68
1047.0636
890.6346
890.6346
382.797
382.797
1047.0636
aB
-11.34
-8.66
-3.27
-559.2888
-515.3904
-427.102
-262.433
-133.396
-559.2888
Bb
8.81
6.47
2.87
434.5092
396.18
337.212
197.7084
111.5244
434.5092
bD
-7.55
-5.23
-2.84
-372.366
-334.3644
-295.216
-161.899
-104.683
-372.366
Dc
5.39
3.39
2.44
265.8348
233.0748
217.5138
107.352
84.609
265.8348
cF
-4.23
-2.25
-2.43
-208.6236
-176.1912
-179.14
-74.4228
-78.732
-208.6236
Fd
2.62
0.88
2.13
129.2184
100.7172
121.1922
33.8004
63.7254
129.2184
dH
-1.51
0.22
-2.12
-74.4732
-46.1358
-84.465
-2.0718
-58.0914
-84.465
He
0.29
-1.25
1.89
14.3028
-10.9224
40.5108
-28.5156
46.656
46.656
-28.5156
eg
1.53
3.4
-2.28
75.4596
106.0902
13.0518
88.8318
-47.1474
106.0902
-47.1474
gk
2.16
4.07
-2.32
106.5312
137.817
33.1488
107.9334
-45.0432
137.817
-45.0432
gI
0.49
0.54
-0.06
24.1668
24.9858
15.1578
15.309
0.945
24.9858
竖腹杆
Aa
-0.55
-0.54
0
-27.126
-26.9622
-18.117
-15.6006
-2.673
-27.126
Cb、Ec
-1
-0.99
0
-49.32
-49.1562
-32.94
-28.5606
-4.86
-49.32
Gd
-0.98
-0.98
0
-48.3336
-48.3336
-32.2812
-28.224
-4.7628
-48.3336
Jg
-0.85
-0.9
0
-41.922
-42.741
-27.999
-25.677
-4.131
-42.741
Ie
-1.42
-1.43
0
-70.0344
-70.1982
-46.7748
-41.1354
-6.9012
-70.1982
Kf
0.02
0
0
0.9864
0.6588
0.6588
0.0972
0.0972
0.9864
五、杆件截面选择
(1)上弦杆
整个上弦采用等截面,按IJ,JK杆件的最大内力设计,即N=-1121.0436KN
上弦杆计算长度计算如下:
在屋架平面内,为节间轴线长度,即
lox=l0=1.508m
在屋架平面外:
本屋架为无檩体系,并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用,根据支撑布置和内力变化情况,取loy为支撑点间的距离,即
loy=3×1.508=4.524m
根据屋架平面外上弦杆的计算长度,上线截面选用两个不等肢角钢,短肢相并,如下图所示
腹杆最大内力N=-559.2888kN,查材料表可得,中间节点板厚度选用12mm,支座节点板厚度选用14mm。
设=60,查教材附录得=0.807。
(有双角钢组成的T形和十字形界面均属于b类)需要截面积:
A=N/*f=1121043.6/(0.807×215)=6461.16mm
需要的回转半径:
ix=lox/λ=1.508/60=75.4mm
根据所需要的A、ix、iy查角钢规格表,选用2∟180×110×12,
2
ix=31.0mm,iy=87.6mm,A=6742.4mm2
按所选角钢进行验算:
λx=lox/ix=1508/31.0=48.65[λ]=150
λy=loy/iy=4524/87.6=51.64[λ]=150满足长细比:
[λ]=150的要求。
截面x和y平面截属于b类,由于yz>x,查表得y=0.847
则N/yA=1121043.6/(0.847×67.42.4)=196.3MPa<215MPa经验算所选截面合适。
(2)下弦杆整个下弦采用同一截面,按最大内力所在杆de杆计算,
则N=1090.9584KN=1090958.4Nlox=3000m,loy=29700/2=14850mm(因跨中有通长系杆),需要截面面积:
A=N/f=10909584/215=5074.23mm2=50.74cm2
选用不等肢角钢2∟180×110×12(短肢相并),见图所示,2
A=67.424cm2,ix=3.10cm,iy=8.75cm
下弦截面按所选角钢进行截面验算,
λx=lox/ix=300/3.10=96.77<[λ]=350λy=loy/iy=1485/8.75=169.91<[λ]=350
所选截面满足要求。
(3)端斜杆aB
杆件轴力N=-559.2888kN,计算长度l0x=l0y=2534mm.
因为l0x=l0y,故采用不等肢角钢,长肢相并,使ix≈iy
选用2∟140×90×10,见下图所示,A=44.522cm2,ix=4.47cm,iy=3.74cm
0x
x≈
斜杆截面
按所选角钢进行验算:
λx=lox/ix=253.4/4.47=56.68<[λ]=150
λy=loy/iy=253.4/3.73=67.94<[λ]=150
由于λy>λx,只需求y=0.764
N/yA=559288.8/(0.764×4452.2)=185.46MPa<215MPa
所选截面合适。
(4)腹杆eg-gk
此杆在g点处不断开,采用通长杆件;
最大拉力:
Ngk=137.817kN,Neg=106.0902kN
最大压力:
Neg=-47.147kN,Ngk=-45.0432kN
在分式桁架中的斜腹杆,在桁架平面内的计算长度取节点中心间距:
l0x=2301mm在桁架平面外的计算长度l0y可求得:
loy=l1(0.75+0.25N2/N1)=460.2×(0.75+0.25×45.0432/47.1474)=455.07cm选用2∟63×5,由教材附录可得:
2
A=12.286cm2,ix=1.94cm,iy=3.04cm
角钢验算
λx=lox/ix=230.1/1.94=118.6<[λ]=150
λy=loy/iy=455.07/3.04=149.69<[λ]=150
由于λy>λx,只求y=0.310
则N/yA=47147.4/(0.310×1228.6)=123.79MPa<215MPa
拉应力为:
N/A=137817/1228.6=112.17MPa<215MPa所选截面合适。
(5)竖杆Ie
N=-70.1982KN=-79160N,lox=0.8l=0.8×319.1=255.2cm
loy=l=319.1cm由于杆件内力较小,按[]=150选择,需要的回转半径为:
ix=lox/[λ]=255.2/150=1.70cm
ly=loy/[λ]=319.1/150=2.13cm
查表,选截面ix和iy较上述计算略大,选用2∟63×5得截面几何特性:
2
A=12.286cm2,ix=1.94cm,iy=3.04cmλx=lox/ix=255.2/1.94=131.54<[λ]=150λy=loy/iy=319.1/3.04=104.97<[λ]=150满足长细比:
[λ]=150的要求。
由于λx>λy,只求x=0.383
N/xA=70198.2/(0.383×1228.6)=149.98MPa<215MPa
所选截面合适
在此,其他各杆件的截面选择计算过程不再一一列出,现将计算结果列于下表
杆件
杆内力kN
计算长度cm
截面形式及
角钢规格
截面积(c㎡)
回转半径
长细比
容许长细比
稳定系数
xy
σ(N/m
㎡)
lox
loy
ix(cm)
iy(cm
)
λx
λy
上弦
-1264.45
150.8
452.4
┛┗短肢相并
L180×110×12
67.42
3.10
8.76
48.65
51.64
150
0.847
196.30
下弦
1090.96
300
1485.0
┛┗短肢相并
L180×110×12
67.42
3.10
8.76
96.77
169.91
350
161.82
腹杆以及竖杆
Aa
-30.60
199
199
┛┗L63×5
12.286
1.94
3.04
102.6
65.5
150
0.538
41.04
aB
-559.2888
253.4
253.4
┛┗长肢相并
L140×90×10
44.522
4.47
3.74
56.71
67.78
150
0.764
164.43
Ba
434.51
208.6
260.8
┛┗
L100×6
23.864
3.10
4.51
67.29
57.83
350
182.08
Cb
-49.32
183.2
229.0
┛┗L50×5
9.606
1.53
2.53
119.7
90.5
150
0.439
116.95
bD
-372.37
229.5
287
┛┗
L100×7
27.592
3.09
4.53
74.3
63.3
150
0.724
186.40
Dc
265.83
228.7
285.8
┛┗L70×6
16.32
2.15
3.33
106.37
85.83
350
162.89
Ec
-49.32
207.2
259.0
┛┗L50×5
9.606
1.53
2.53
135.4
102.4
150
0.363
141.44
cF
-208.62
250.8
312.6
┛┗L90×6
21.274
2.79
4.13
89.89
75.69
150
0.621
138.40
Fd
129.22
249.5
311.8
┛┗L50×5
9.606
1.53
2.53
167
123.3
350
134.52
Gd
-49.32
231.2
289.0
┛┗L50×5
9.606
1.53
2.53
151.1
114.2
150
0.304
168.89
dH
-84.47
271.6
339.5
┛┗
L70×6
16.32
2.15
3.33
151.1
101.95
150
0.304
170.26
He
46.67
-28.52
270.8
338.4
┛┗L63×5
12.286
1.94
3.04
139.59
111.32
150
0.347
66.90
Ie
-70.20
255.2
319.1
┛┗L63×5
12.286
1.94
3.04
131.5
104.9
150
0.381
149.97
eg
106.09
-47.15
230.1
453.73
┛┗L63×5
12.286
1.94
3.04
118.6
149.25
150
0.31
123.80
gk
137.82
-45.04
230.1
453.73
┛┗L63×5
12.286
1.94
3.04
118.6
149.25
150
0.31
118.26
Kf
0.9864
314.1
314.1
十字形
L63×5
12.286
2.45
2..45
128.2
128.2
200
0
gI
24.9858
165.9
207.4
┛┗L50×5
9.606
1.53
2.53
108.7
82.2
350
26.01
Jg
-42.741
127.6
158.9
┛┗
L50×5
9.606
1.53
2.53
83.4
63
150
0.665
66.91
六、节点设计
(1)下弦节点“b”
各杆件的内里由内力表可以查得。
设计步骤:
根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸hf和lw,然后根据lw大小比例绘出节点板的形状和尺寸,最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。
采用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ffw160N/mm2.
设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝分别采用hf1=8mm,hf2=6mm,则所需的焊缝长度为:
肢背lw1=0.7N/(2×0.7×hf1*ffw)+2hf1=0.7*434509.2/(2*0.7*8*160)=185.73mm故取190mm
肢尖:
lw2=0.3N/(2×0.7*hf2*ffw)+2hf2=0.3*434509.2/(2*0.7*6*160)=108.99mm故取110mm
设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝分别为9mm和7mm,则所需的焊缝长度为:
肢背:
lw1=0.7N/(2*0.7*hf1*ffw)+2hf1=0.7*372366/(2*0.7*8*160)+16=161.46mm
故取180mm
肢尖:
lw2=0.3N/(2*0.7*hf2*ffw)+2hf2=0.3*372366/(2*0.7*6*160)+12=95.12mm故取100mm
“Cb”杆的内力很小,焊缝尺寸可按构造确定,取hf=5mm。
根据上面求得的焊缝长度,并考虑杆件之间应有间隙以及制作和装配等误差,按比例绘出节点详图,从而确定节点板尺寸为360×445mm。
下弦与节点板连接的焊缝长度为44.5cm(满焊),hf=6mm。
焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力:
△N=Nbc-Nab=757.5552-312.1956=445.3596kN,受力较大的肢背处的焊缝应力为:
τf==0.75*445359.6/2*0.7*6*4(445-12)=91.83MPa<160MPa因此,焊缝强度满足要求。
(2)上弦节点“B”
“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同,aB杆的肢背和肢尖焊缝hf分别为10mm和6mm,所需要的焊缝长度为:
肢背
lw1=0.65N/(2*0.7*hf1*ffw)+2hf1=0.65*559288.8/(2*0.7*10*160)+20=182.30mm取190mm肢尖
lw2=0.3N/(2*0.7*hf2*ffw)+2hf2=0.3*559288.8/(2*0.7*6*160)+12=157.65mm取160mm
为了便于在上弦上搁置屋面板,节点板的上边缘可缩进上弦肢背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,焊缝强度设计之应乘以0.8的折减系数。
计算时可略去行加上弦坡度的影响,而假定集中荷载F与上弦垂直。
上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下:
Hf1=1/2*节点板厚度=1/2*12=6mm上弦节点与中间节点板间焊缝长度为460mm。
则
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