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金属结构设计课程设计
轻型屋面三角形钢屋架设计说明书
学生:
权峰
学号:
2011138245
指导教师:
付建科
(三峡大学机械与动力学院)
1设计资料及主要参数
设计一位于杭州市近郊的单跨屋架结构(封闭式)要求结构合理,制作方便,
安全经济。
屋架支承在钢筋混凝土柱顶。
其主要参数如下:
1、单跨屋架平面尺寸:
36mX18m;
2、柱距:
S=4m;
3、屋面坡度:
i=1:
2.5;
4、屋面恒载:
0.9kN/m2;
5、活(雪)载:
0.6kN/m2;
6、屋面材料:
波形石棉瓦(1820>725^8);
7、混凝土标号:
C20;
&柱顶标高:
6m;
9、钢材标号:
Q235-B.F(其设计强度f=215N/mm2);
10、焊条型号:
E43型;
11、载荷分项系数:
Y=1.2;Y=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和跨度参数,采用芬克式十二节间三角形屋
1
架。
屋架坡度为1:
2.5,屋面倾角atan丄21.8。
2.5
所以sin0.3714,cos0.9285
屋架计算跨度:
L0L3001800030017700mm
节间长度:
a
66
1588mm
节间水平投影长度:
aacos1470mm
根据《轻型钢结构设计手册》查得各杆长度系数,然后计算各杆件几何尺寸杆件各尺寸如图1所示。
图1屋架各杆件几何尺寸
3屋盖支撑设计
3.1屋架的支撑布置(如图2所示)
(1)在房屋两侧第二开车间各设置一道上弦平面横向水平支撑和下弦平面横向水平支撑;并在同一开车两榀相邻屋架的腹杆间设置两道垂直支撑。
(2)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柔性系杆,此外,在厂房两端第一开车间下弦各设三道刚性系杆。
(a)上弦横向支撑;(b)下弦横向支撑;(c)垂直支撑
(b)图2屋架的支撑布置图
所以3.2屋面檩条及其支撑布置
波形石棉瓦长1820mm,要求搭接长度>150mm,且每张石棉瓦需要有不少于三
个支撑点,因此最大檩条间距:
apmax
考虑到上弦平面横向支撑节点处必须设置檩条,则实际中取半跨屋面的檩条数
恒载:
gk0.90.794cos0.664kN/m
活(雪)载:
sk0..60.794cos0.476kN/m
檩条均匀荷载设计值为qgkySky1.46kN/m
为求杆件轴力,把载荷转化为节点载荷,其公式如下。
Q2511.4645.84kN
2
檩条选用槽钢18,查表得:
W25.3cm[Wy58cm,lx1013cm
(1)载荷计算
则檩条均匀荷载设计值为:
qgkYSkY1.46kN/m:
qxqcosa1.460.92851.434kN/m
qyqsina1.460.37140.431kN/m
(2)强度验算
121
Mx-qxS2-1.46162.92kNm
88
Mylqy(S)21043140.2155kNm
828(由于檩条跨中设置了一拉条)
檩条弯矩设计值如图3所示
樓条x方向標条y方向
图3檩条弯矩设计值
所以檩条的最大应力(拉应力)位于槽钢下翼缘肢尖处:
(故此处满足要求)
(3)刚度计算
在沿屋面方向有拉杆,可只验算垂直屋面方向的挠度。
(故此处满足要求)
4屋架杆件内力计算
4.1杆件的内力
杆件内力计算可根据图解法或分法计算,本设计采用芬克式三角钢屋架可直接查表得出其
内力系数,然后乘以节点荷载即为各杆内力,由前面的计算得下式。
Q2ql1.4645.84kN
2
Lo17700匚
n5
h3540
节点荷载设计值F=2Q11.68kN按照课题要求,根据《建筑结构静力计算手册》查
得内力系数和计算出的内力见表1和图4所示。
表1杆件内力系数及内力值
杆件名称
杆件
内力系数
内力计算值(kN)
AB
-14.81
-131.51
上
BC
-13.66
-121.30
CD
-14.07
-124.94
DE
-13.70
-121.66
弦
EF
-12.55
-111.44
FG
-12.95
-115.00
下
AH
13.75
121.10
HI
11.25
99.9
弦
IJ
7.50
66.6
DI
-2.77
-24.60
BHCH
-1.21
-10.75
腹
EKFK
-1.21
-10.75
HDDK
2.5
22.2
IK
3.75
33.3
杆
KG
6.25
55.5
GJ
0
0
0.6M。
0
图4杆件内力值
由《钢结构设计手册》查得
p
(1.2
0..91.40.6)
147
43.76kN
上弦杆节间集中载何:
3
M。
11
Pa3.76
1.4702.12kN/m
上弦杆的局部最大弯矩:
33
上弦杆端节间最大正弯矩:
M1
0.8M0
4.2上弦杆弯矩
由前面计算已知:
上弦杆节间集中载荷P=11.68kN
中间节间,节点处最大正弯矩和节点负弯矩为
M2
1.28kN/m
上弦杆节间最大正弯矩:
M10.8Mo1.70kN/m
中间节间,节点处最大正弯矩和节点负弯矩为M206M05屋架杆件截面计算
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,根据杆件的最大内应力Nmax131.51kN,查《钢结构设计指导与实例精选》钢屋架节点板厚选用表,(参考文献10)节点板厚的选择如表2所示,选择支座节点板厚为8mm,其他节点板厚为6mm。
表2钢屋架节点板厚度参考选用表
确定节点板厚
的最大内力/kN
160
160~
300
301~
500
501~
700
>
701
中间节点板厚
6mm
8mm
10mm
12mm
14mm
支座节点板厚
8mm
10mm
12mm
14mm
16mm
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形界面压弯构件,
以避免采用不同截面时的杆件拼接。
上弦杆取AC段,按最大内应
Nab131.51kNNcd124.94kN以及皿!
0.8Mo1.70kN/m
M2°6M01.28kN/m计算。
参考《钢结构设计指导与实例精选》(参考文献
10)
首先,试选上弦杆截面为2L80X7
An=18.79cm2;ix=2.48cm;iy=3.65,Wxmax=48.8cm3,Wxmin=22.8cm3
1.强度检验
—Mxf215kN/mm2
条件:
代*Wnx;x1=1.05;x2=1.2;[入]=150
取A-B段上弦杆(最大内应力杆)验算:
轴心压力N=131.51kN
最大正弯矩Mx=M1=1.70kNm,最大负弯矩Mx=M2=1.28kNm
正
弯
矩
截
面
n
Mx
131.51
103
1.70106
93.5kN/mm2f
215kN/mm2
An
Y^Vnmax
21.80
102
3
1.0548.810
负
弯
矩
界
面
n
Mx
124.94
103
1.28106
104.1kN/mm2f
215kN/mm2
片
X2^Vnmin
21.80
102
1.222.8103
上弦杆强度满足要求。
2.
弯矩作用平面内稳定性计算应按下列规定计算:
x0.783
欧拉临界应力:
满足要求
3.弯矩作用平面外的稳定性计算
-txM^f215N/mm2
验算条件yAbWx
因侧向无支撑长度l1=317.6mm,故验算上弦杆的A-B-C段在弯矩作用平面外的稳定性。
等弯系数:
tx=伽x=0.85.
轴心压力N1=131.51kN,N2=124.96kN
弯矩作用的平面计算长度I。
=158.8m
侧向无支撑长度=2xi58.8=317.6mm
所以=(0.75+0.25N2/Ni)=318.35cm
旦318.3586.74[]150
长细比:
iy3.67
属b类截面,查表得y=0.825
用最大正弯矩进行计算:
Mx=Mi=1.76kNm,Wix=Wxmax=48.8cm3
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b可
用最大负弯矩进行计算:
Mx=M2=1.28kNm,W,xWxmin22.8cm3
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b可
按下式进行计算:
所以平面外长细比和稳定性均可满足要求。
4.局部稳定性验算
5.
翼缘自由外伸宽厚比:
b;
15
15
t
V
fy
腹板高厚比:
当a
1.0时:
h0
tw
15
235
验算条件:
15
高度另一边缘相应的应力
翼缘:
b'
btr
80
7
9
9.143V15
t
t
7
b'
btr
80
7
9
腹板:
一
9.143V15
t
t
7
因此满足要求。
所以,上弦杆截面完全满足各项要求,截面适用。
5.2下弦杆
下弦杆为轴心受压构件,整个下弦杆不改变截面,采用等截面通长杆。
按最大内力Nah121.10kN
轴心拉力为N=121.10kN。
长细比容许值:
[入]=350
下弦杆在屋架平面内计算长度按最大节间距计算,下弦杆的计算长度为:
l°=371.6cm.因为下弦杆在屋架平面外计算长度只在跨中有一道系杆,故
=885cm
要满足:
An—121.101010-25.63cm2
215215
所以,可以查表可以选用2L75505短肢相拼的T形截面,查表得:
A12.26cm2,取连接支撑的螺栓孔位于节点板内距离a100mm,ix1.44cm,
iy3.68cm1•强度计算
杆AH:
An=A=12.26cm2
所以此时以最大内力N=121.1kN计算
下弦杆强度满足要求
2长细比验算
5242.5[]350
iy
满足要求,所以所选下弦杆截面适用。
5.3腹杆
1.短压杆BH,CH,EK,FK,其内力均为N=-10.75kN,其长度丨=124.3cm,故选
择截面相同的杆件
查表选用匚504,A3.9cm2,iy0.99cm,斜平面计算强度:
=0.9l111.87cm
此截面属于b类截面,查表得=0.413。
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:
0.60.00150.786
满足要求,所选截面适用
2.长压杆DI
杆件内应力N=24.6kN,=190.8cm
计算长度lox0.8l152.6cm,g190.8cm
根据上述条件,拟选用2L504,查角钢表:
A=6.98cm2,ix1.54cm,
iy2.35cm
yzx,因此由x查表得x0.552
3.短拉杆DH和DK
N=22.2kN,l=256.7cm
短拉杆DH和DK由于内力相同,故选择相同截面,拟利用单面连接的单角钢截面(截面无削弱),角钢号为L454查表得:
2
A=3.49cm,iy0.89cm,l00.9l231.0cm
单角钢单面连接计算构件强度时设计值折减系数为0.85
n22
51.6N/mmf182.75N/mm(满足要求)An
4.长拉杆IK,KJ
对于IK,KJ杆,两杆采用等截面,最大内力按N=55.5kN计算
lox
256.7cm,
loy256.72cm513.4cm
选用
2L454,
查角钢表:
2
A6.98cm,ix1.38cm,iy2.16cm
x
虫186.0
ix
[]350
y
Q237.7
[]350
(刚度满足要求)
iy
5.GJ杆
N=0,l354.0cm
由于连接为垂直支撑的屋架,采用2L564组成十字截面,并按照受压支撑计
算其长细比
5.4填板设置与尺寸选择
填板的间距与杆件的受力形式有关,对压杆填板间距=40i,对拉杆填板间距
=80i。
填板厚度与节点板厚相同。
表3双角钢杆件的填板设置与尺寸选择
杆件
名称
杆件
截面
杆件几
何长度
i
(cm)
填板间
距(cm)
受力
状态
每节
填板
数量
填板尺
寸
(bXX)
上弦杆
L80X7
158.8
2.46
98.4
压力
1
80X7X9
下
弦
杆
AH
L75X50X5
256.7
2.46
196.8
拉力
1
80X7X9
HI
L75X50X5
256.7
2.46
196.8
拉力
1
80X7X9
IJ
L75X50X5
371.6
2.46
196.8
拉力
2
80X7X9
腹
板
DI
L50X4
190.8
2.46
98.4
压力
2
80X7X9
GI
L50X4
513.4
2.46
196.8
拉力
2
80X7X9
GJ
L56X4
354.0
2.46
196.8
0
2
80X7X9
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ffw160N/mm2
6.1支座点A
1.下弦杆与节点板间连接焊缝计算
N=121.1kN,查表,等边角钢的角焊缝内力分配系数ki=0.75,k2=0.25.
取角钢肢背焊脚尺寸hf15mm( 按焊缝连接强度的要求: 肢背: Iwik1N亦2hfi81.09mm 20.7hf1ffw kN 肢尖: Iwi丄w2hf227.03mm 20.7hf2ff 实际焊缝长度采用每根角钢肢背=85mm,肢尖=30mm。 2.按下列所列方法、步骤和要求画节点样图,并确定节点板尺寸。 (1)严格按照几何关系画出汇交于节点A的各杆件轴线。 (2)下弦杆与支座底板之间的净距取140mm。 (3)按构造要求,预设置底板平面尺寸为220X220,使节点A的垂直轴线通过底板的形心。 (4)节点板上缩进上弦杆的角钢背面长度为七26mm。 2 3.上弦杆与节点之间的连接焊缝计算 N131.51kN,节点荷载: 片-5.84kN 2 节点与角钢肢背采用塞焊缝连接,取hf15mm,设仅有肢背受节点荷载P, 因为P1很小,焊缝强度一定能满足要求,不必计算。 图5节点图 令角钢肢尖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MN110Z0103131.511103010310.51kNm 取肢尖焊脚尺寸hf25mm,取实际焊缝长度J600mm(全长焊满时远大 于330mm),计算长度: lw2l21059060hf2300mm 取最大lw260hf2300mm计算。 因此焊缝强度满足要求。 4.底板计算 支座反力: Rf6F611.6870.08kN 采用C20混凝土: fc10N/mm2 (1)底板面积的确定 底板与钢筋混凝土柱顶面间的接触面面积 152 代2222-2(45)424.37 24 接触面上所受的压应力: Mqa;0.061.25150.621701.83Nmm 可以满足混凝土轴心抗压强度要求,底板尺寸为220&20mm适用。 (2)底板厚度t 底板被节点板和加劲肋划分成四块相同的相邻边支撑的小板,底板厚度由两 边支撑的矩形板确定。 bi虫75.3mm;0.5 2 4 查表得: =0.06 板的最大弯矩为: M 22 qa10.061.25150.61701.83Nmm 按底板抗弯强度设计条件,需要底板厚度: 丄,'6M;61701.83…t——」6.89mm Vf\215 由于考虑到各种不确定因素,可取厚一点的板,所以取t=20mm 底板选用尺寸为: -220>20&20 5.节点板、加劲肋与底板间水平连接焊缝计算 6. 因底板是正方形,故节点板和加劲肋与底板的连接焊缝各承受支座反力的一半。 (1)节点板与底板间水平连接焊缝 承受轴心力: N Rf -26.64kN 2 焊缝计算长度: lw2(22010)420mm hf 取hf8mm,满足要求。 (2) 加劲肋与底板水平连接焊缝 取hf8mm,满足要求 7.加劲肋与节点板间竖向连接焊缝计算 加劲肋厚度采用10mm,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: 0.73kN V1R-13.32kN,M 22 焊缝强度计算长度: lw14510135mm 需要满足: hf6M2V4.8mm 20.71: f20.7lw 构造要求: hf1.5.t1.5.104.74mm 采用hf6mm满足要求。 由以上计算知,底板和加劲肋及其连接焊缝均满足要求。 6.2上弦一般节点B、E、C、F、D 1.按以下方法和步骤绘制节点详图 (1)画出汇交节点B的各杆件轴线 (2)节点板上部缩进上弦杆的角钢背面为6mm (3)标出节点详图所需的各种尺寸 2.上弦杆与节点板间连接焊缝的计算 N1=-131.51kN,N2=-124.96kN,F=8.88kN 节点载荷P假定全部由上弦杆角钢肢背塞焊缝承受,取焊脚尺寸为5mm,因 为P值很小,其强度要求必满足,不必计算。 上弦杆肢尖角焊缝假定承受节点两侧弦杆内力差NN1N2及其偏心弯 矩M的共同作用 其中: NN1N26.55kN MN80Z010312.98501030.328kNm 图6节点图 取焊缝计算长度: 12170mm,计算长度lw2170-10160mm 需要hf1——J6MN20.34mm 2O.7lwffw\hf 构造要求: hf15,仁1.5.104.74mm 采用hf5mm满足要求。 6.3屋脊拼接点G 其中N=-115.0N,F=8.88kN,拼接角钢的构造和计算 为便于紧贴和保证施焊质量,拼接角钢采用与上弦杆截面相同的2L80X7,拼接角钢与上弦杆间连接焊缝尺寸取hf5mm,为便于紧贴和施焊质量的保证,铲除拼接角钢角顶棱角: 1r9mm 切断拼接角钢竖肢: 2thf517mm,取20mm 拼接接头每侧的连接焊缝共有四条,连接强度条件需要每条焊缝的计算长度 115 40.7hfffw40.7516051.36mm取70 拼接处左右弦杆端部空隙20mm,需要拼接的角钢长度: I2Iw2hfa270102—100240mm 2.5 为保证拼接处的刚度,实际采用拼接角钢长度I300mm.此外,因屋面坡度 2绘制节点图 为便于工地拼接,拼接处工地的弦杆与拼接角钢和受拉主斜杆的布置如图7 图8节点图 2.下弦杆与节点板间连接焊缝计算 轴心受力: Ni=121.1kN,N2=99.9kN,NN1N221.2kN 实际焊缝长度为: liI2370mm. 需要满足: hfk2Nw°2521・21030.066mm 20.7lw2fT20.7360160 其计算长度: lwi lw237010360mm 构造要求: hfl.^tmaX1.5.104.74mm 取hf1hf25mm满足要求。 6.5下弦杆节点I N1=99.9kN,N2=66.6kN 1. 拼接角钢的构造和计算 接焊缝的焊角尺寸取hf25mm 为了保证拼接处的刚度,实际采用拼接角钢长度L=400mm 6.6受拉主斜杆中间节点4 设计计算与下弦一般节点1相同。 7施工图 见图纸。 8对于本设计的一些说明 (1)此轻型钢屋架跨度为18m,选用芬克式12节间屋架; (2)因该屋架下没有悬(重)挂起重机设备,故不需要验算绕度,但因跨 度L=18m>15m,故制作时宜起拱; (3)相关数据计算公式参照《钢结构基本原理》 9参考文献 1.黄呈伟,《钢结构基本原理》,重庆大学出版社,2005.08 2.徐占发,《钢结构与组合结构》,人民交通出版社,2008.03 3.肖亚明,《建筑钢结构设计》,合肥工业大学出版社,2006.04 4.沈祖炎等,《房屋钢结构设计》,中国建筑工业出版社,2008.02 5.陈扬骥等,《钢结构基本原理》,中国建筑工业出版社,2002.02 6.陈绍蕃等,《钢结构基础》,中国建筑工业出版社,2003.02 7.刘传春等,《建筑结构静力计算手册》,中国建筑工业出版社,1998.09 8.李和华等,《钢结构设计手册》,中国建筑工业出版社,1982.06 9.汪一骏等,《轻型钢结构设计手册》,中国建筑工业出版社,1996.05 10.周绪红,《钢结构设计与实例精选》,中国建筑工业出版社,2007 11.王静峰,《钢结构课程设计指导与设计范例》,武汉理工大学出版社,2010.9 12.崔佳,《建筑钢结构设计》,中国建筑工业出版社,2009 1设计资料及主要参数1 2屋架形式及几何尺寸1 3屋盖支撑设计2 3.1屋架的支撑布置2 3.2屋面檩条机器支撑布置3 4屋架杆件内力计算4 4.1杆件的内力5 4.2上弦杆弯矩6 5屋架杆件截面计算6 5.1上弦杆7 5.2下弦杆10 5.3腹杆11 5.4填板设置与尺寸选择13 6屋架节点设计13 6.1支座点A13 6.2上弦一般节点B、E、C、F、D17 6.3屋脊拼接点G18 6.4下弦杆节点H19 6.5下弦杆节点I20 6.6受拉主斜杆中间节点420 7施工图20 8对于本设计的一些说明2
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