钢屋架设计计算.docx

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钢屋架设计计算

钢屋架设计计算

一、设计资料

屋面采用梯形钢屋架、预应力钢筋混凝土屋面板。

钢屋架两端支撑于钢筋混凝土柱上（砼等级

C20）。

钢屋架材料为Q235钢，焊条采用E43型，手工焊接。

该厂房横向跨度为24m,房屋长度为

240m,柱距（屋架间距）为6m,房屋檐口高为2.0m，屋面坡度为1/12。

二、屋架布置及几何尺寸

屋架几何尺寸图

屋架计算跨度=24000-300=23700mm

屋架端部高度H）=2000mm

二、支撑布置

IXXI

论XIXXIX

j^XXXXl

IXXIXDO

IX1X1

（

rr

H

rr

II

rr

11^1X1

i丄L

rxixi

-1

n

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：

P=（4.457+0.98）X1.5X6=48.93kN

（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载

屋架上弦节点荷载：

P1=4.457X1.5X6=40.11kNP2=0.98X1.5X6=8.82kN

（3）全跨屋架与支撑+半跨屋面板+半跨屋面活荷载

全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载：

P3=1.2X（0.384+0.08）X1.5X6=5.01kN

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

P4=（1.2X1.5+1.4X0.7）X1.5X6=25.02kN

以上1）,2）为使用阶段荷载组合;3）为施工阶段荷载组合。

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。

全跨荷载布置图

（1

（I

14

00

V

V

Cl'

14

fl

10

26

37

§4

30

10

00

15

V

V

IS

22

（I

10

3?

㈣）

3

i0

67

10

L

n

14

00.

It

¥

0^?

T~（JJ

砂L应

）64>r

00/1:

泅蚊如•

卫

C3）

全跨荷载内力图

右半跨荷载布置图

右半跨荷载内力图

左半跨荷载内力图

左半跨荷载布置图

■4jS4_

-4.64

H」

14

杆件名称

杆内力系数

全跨永久荷载+全跨可变荷载

P=48.93kN

N=PX③

全跨永久荷载+半跨可变荷载

P1=40.11kN

P2=8.82kN

N左=P1X③+P2X①

N右=P1X③+P2X②

全跨屋架支撑+半跨屋面板+半跨可变荷载

Pa=5.01kN

P4=25.02kN

N左=P3X③+P4X①

N右=P3X③+P4X②

计算内力

KN

P=1

在左

半跨

在右

半跨

全跨

①

②

③

上

弦

杆

10-11

0

0

0

0

0

0

0

11-13

-6.35

-2.51

-8.86

-424.57

-393.55

-346.13

-253.62

-132.50

-393.55

13-15

-9.35

-4.65

-14.00

-670.88

-613.42

-555.38

-379.18

-230.94

-613.42

15-17

-9.62

-6.39

-16.01

-767.20

-688.25

-648.36

-399.80

-297.92

-688.25

17-18

-7.84

-7.84

-15.68

-751.39

-654.53

-654.53

-341.67

-341.67

-654.53

下

弦

杆

1-2

3.51

1.25

4.76

228.10

212.65

184.74

139.36

68.08

212.65

2-3

8.22

3.62

11.84

567.37

522.64

465.83

330.54

185.45

522.64

3-4

9.75

5.54

15.29

732.70

664.25

612.25

399.56

266.78

664.25

4-5

8.92

7.12

16.04

768.64

680.67

658.44

377.90

321.13

680.67

斜

腹

杆

1-11

-6.54

-2.35

-8.89

-426.01

-396.97

-345.22

-259.79

-127.64

-396.97

11-2

4.89

2.17

7.06

338.32

311.50

277.91

196.73

110.94

311.50

2-13

-3.54

-2.09

-5.63

-269.79

-243.97

-226.06

-145.54

-99.81

-243.97

13-3

2.06

1.89

3.95

189.28

165.93

163.84

88.75

83.90

165.93

3-15

-0.86

-1.83

-2.69

-128.90

-106.30

-118.28

-43.82

-73.91

-118.28

15-4

-0.32

1.67

1.35

64.69

44.06

68.39

-1.97

60.80

68.39

-1.97

4-17

1.44

1.63

-0.19

-9.10

11.03

13.37

44.27

50.27

50.27

17-5

-2.40

1.50

-0.90

-43.13

-61.65

-13.49

-81.11

41.89

-81.11

竖

杆

1-10

-0.50

0

-0.50

-23.96

-23.96

-17.78

-21.79

-3.01

-23.96

2-12

-1.00

0

-1.00

-47.92

-47.92

-35.57

-37.56

-6.02

-47.92

3-14

-1.00

0

-1.00

-47.92

-47.92

-35.57

-37.56

-6.02

-47.92

4-16

-1.00

0

-1.00

-47.92

-47.92

-35.57

-37.56

-6.02

-47.92

5-18

0.80

0.80

1.60

76.67

47.03

47.03

34.86

34.85

47.03

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=-688.25kN（压力），查《钢结构设计手册》，节点板

厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。

计算长度屋架平面内取节间轴线长度l0x=150.5cm

屋架平面外根据支撑和内力变化取l0y=2150.^301.0cm

1所示。

因为2l0X=l0y，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并。

如图

:

匚

1

]

[

y

x

x

y

图1上弦截面

设，=60，查轴心受压构件的稳定系数表=0.807

3

N688.2510

需要截面积

N68825102

A3967mm

肝0.807疋215需要回转半径

l0y

3016

60

=5.03cm

根据需要的A、ix、iy,查角钢型钢表，选用

2L16010010,

A=50.6cm2,ix=2.85cm,iy

=7.78cm。

-301.07.78=39

按所选角钢进行验算

=l°x.ix=150.52.85=53,、=l°y.iy

所选截面合适。

2、下弦杆截面计算

N=680.67kN（拉力）

整个杆件采用同一截面，按最大内力计算,

0x

计算长度屋架平面内取节间轴线长度l0x=300cm

屋架平面外根据支撑布置取l°y=600cm

计算需要净截面面积

3

680.6710

2

=3166mm

选用2L160X100>10（短肢相并），见图2所示，A=50.60cm,ix=2.85cm,iy=7.78cm

按所选角钢进行截面验算，取An二A。

y12

3

680.67105o6o

所选截面满足要求。

3、斜杆截面计算

1斜杆1-11

N=-396.97kN（压力）,lox=loy=l=251.6cm

因为lox=loy,故米用不等肢角钢，长肢相并，使ix=iy

选用2L140X90X10,见图3所示，A=44.6cm2,ix=2.56cm,iy=6.84cm

x—

y

图3斜杆1-11截面

满足长细比：

「]=150的要求。

由于\■-y只需求出：

min二-，查轴心受压构件的稳定系数表，：

：

x=0.568

所选截面合适。

2斜杆11-2

N=311.50kN（拉力），lox=0.8l=208.1cm,loy=l=260.1cm

计算需要净截面面积

215

2

=1449mm

选用2L63X8，见图4所示，A=19.02cm2,ix=1.90cm,iy=3.10cmy

f*

12

xx

验算:

y

图5斜杆2-13截面

l0047

二哑91<[']=150属于b类截面

ix2.46

l2809

"廿MT7""150属于b类截面

满足长细比：

[■]=150的要求。

所选截面合适。

@斜杆13-3

•N=165.93kN（拉力），lox=0.81=224.7cm,loy=l=280.9cm

计算需要净截面面积

3

2

二772mm

AN165.93X10An

f215

选用2L56X5，见图6所示，A=10.82cm2,ix=1.72cm,iy=2.77cm

图6斜杆13-3截面

验算:

所选截面满足要求。

3斜杆3-15

N=-118.28kN（压力）,l0x=241.8cml0y=l=302.3cm

选用2L80X7，见图7所示，A=21.72cm2,ix=2.46cm,iy=3.75cm

y

ff

712

I'1

x■x

liI

y

图7斜杆3-15截面

l2418

'x598：

：

[]=150属于b类截面

ix2.46

l3023

'y0281”：

[■]=150属于b类截面

iy3.75

满足长细比：

「］=150的要求。

由于•-y只需求出：

minV，查轴心受压构件的稳定系数表,

x=0.568

-X」8.2810l153N/mm2"215N/mm：

®xA0.568x2172

所选截面合适。

⑥斜杆15-4

N=68.39kN（拉力）,lox=0.8I=2418mm,loy=I=3023cm

计算需要净截面面积

3

AN68.39X10c一2

A,!

321mm

y

图8斜杆15-4截面

验算:

12

y

图9斜杆4-17截面

f215

满足长细比：

［订=350的要求。

所选截面合适。

③斜杆17-5

N=-81.11kN（压力）,l0x=259.5cmby=l=324.3cm

选用2L63>6，见图10所示，A=14.58cm2,ix=1.93cm,iy=3.06cm

y

图10斜杆17-5截面

验算

=0.365

由于\■-y只需求出：

min二「x，查轴心受压构件的稳定系数表，\

所选截面合适。

4、竖杆截面计算

。

边竖杆1-10

N=-23.96kN（压力），，l°x=by=l=201.25cm

选用2L63X10,,A=23.32cm2,ix=1.88cm,iy=3.07cml20125

'x■—106"：

［'］=150属于b类截面

ix1.88

20125

="31F=6^：

：

［J=150属于b类截面

满足长细比：

[]=150的要求。

0.517

由于■-y只需求出爲山=沐，查轴心受压构件的稳定系数表,

xA

23.96103

0.5172332

2

=20N/mm

2

=215N/mm

所选截面合适。

囤竖杆2-12

N=-47.92kN（压力），，l0x=1800mml0y=2250mm

选用2L63X10,A=23.32cm2,ix=1.88cm,iy=3.07cm

选用2L63X10,A=23.32cm2,ix=1.88cm,iy=3.07cm

x二唤240=128\J=350

ix1.88

满足长细比：

［订=350的要求。

所选截面合适。

中竖杆截面图

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

（mma）

回转半径

长细比

容许长

细比

系数

©min

（T

（N/mm2）

lox

loy

ix（mm）

iy（mm）

入max

上弦

-688.25

1505

3010

」L短肢相并

2L160X100X

10

5060

28.5

77.8

53

150

0.842

162

下弦

680.67

3000

6000

」匚短肢相并

2L160X100X

10

5060

28.5

77.8

105

350

—

135

斜腹杆

1-11

-396.97

2516

2516

」*~长肢相并

2L140X90X10

4460

25.6

68.4

98

150

0.568

-157

11-2

311.50

2081

2601

2L63X8

1902

19.0

31.0

110

350

—

164

2-13

-243.97

2247

2809

2L80X7

2172

24.6

37.5

91

150

0.614

-183

13-3

165.93

2247

2809

2L56X5

1082

17.2

27.7

131

350

—

153

3-15

-118.28

2418

3023

2L80X7

2172

24.6

37.5

98

150

0.568

-153

15-4

68.39

2418

3023

2L56X5

1082

17.2

27.7

141

350

—

63

4-17

50.27

2595

3243

2L56X5

1082

17.2

27.7

151

350

—

47

17-5

-81.11

2595

3243

2L63X6

1458

19.3

30.6

135

150

0.365

-152

竖杆

1-10

-23.96

2012.5

2012.5

十字形

2L63X10

2332

18.8

30.7

106

150

0.517

-20

2-12

-47.92

1800

2250

十字形

2L63X10

2332

18.8

30.7

96

150

0.581

-35

3-14

-47.92

2000

2500

十字形

2L63X10

2332

18.8

30.7

106

150

0.517

-40

4-16

-47.92

2200

2750

十字形

2L63X10

2332

18.8

30.7

117

150

0.453

-45

5-18

47.03

2400

3000

十字形

2L63X10

2332

18.8

30.7

128

350

—

-51

六、节点设计

重点设计“1”、“2”、“11”、“18”“5”五个典型节点，其余节点设计类同。

1.下弦2节点

这类节点的设计步骤是：

先根据腹杆的内力计算腹杆与节点连接焊缝的尺寸，即hf和lw。

然后根

据lw的大小比例绘出节点板的形状和大小，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。

选用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值f：

=160N/m怦，实际所需的焊脚尺寸可由

构造确定。

（1）11-2杆的内力N=311.5KN，采用三面围焊，肢背和肢尖焊缝hf=6mm，所需要的焊缝长度为：

l：

3=63mm

N3=0.7h「lw3=0.766321.22160=103299.84N

肢背Iw1

0.7N—N3/2

20.7hfffw

3

0.7311.510-51649-92d^147mm，取150mm

20.76160

肢尖Iw

0.3N—Ns/2

20.7hfffw

0.3311.5103-5164992.化70mm，取80mm

20.76160

（2）2-13杆的内力N=243.97KN，采用三面围焊，肢背与肢尖的焊缝hf=6mm，所需要的焊缝长度

为：

G=80mm

N3=0.7hf'lw3J=0.768021.22160-131174.4N

（4）竖杆2-12杆的内力N=-47.92KN，采用三面围焊，焊缝尺寸可按构造确定取hf=8mm。

N3=0.7hf'Iw31fffw=0.786321.22160=137733.12N

因为2k2N=20.347.9210^28752NN3，所以按两面侧焊缝计算。

杆件

hf（mm）

肢背（mm）

hf（mm）

肢尖（mm）

11-2

6

147mm取150mm

6

70mm取80mm

2-13

6

90mm取100mm

6

18mm取60mm

13-3

5

114mm取120mm

5

55mm取70mm

3-15

6

74mm取80mm

6

38mm取60mm

15-4

5

53mm取60mm

5

28mm取60mm

4-17

6

38mm取60mm

6

23mm取60mm

17-5

6

54mm取60mm

6

30mm取60mm

2.上弦11节点：

11-2杆节点板连接的焊缝计算与下弦节点2中11-2杆计算相同。

1-11杆N=-396.97kN，采用三面围焊，设肢背和肢尖hf=8mm,

N3=0.7hf'lw3f=0.7814021.22160=306073.62N

因为2k2N=20.35396.97103=277879N:

:

N3，所以按两面侧焊缝计算。

3

0.35396.9710

20.78160

上弦节点各杆肢尖、肢背尺寸

杆件

hf（mm）

肢背（mm）

hf（mm）

肢尖（mm）

1-11

8

144mm取150mm

8

78mm取80mm

11-2

6

174mm取180mm

6

82mm取90mm

2-13

6

139mm取150mm

6

66mm取70mm

13-3

5

114mm取120mm

5

55mm取70mm

3-15

6

74mm取80mm

6

38mm取60mm

15-4

5

53mm取60mm

5

28mm取60mm

4-17

6

38mm取60mm

6

23mm取60mm

17-5

6

54mm取60mm

6

30mm取60mm

考虑搁置檩条，节点板缩进上弦肢背7mm,用槽焊缝连接，槽焊缝按两条角焊缝计算

hf=t/2=10/2=5mm,p=47.92kN。

节点板尺寸为285417设肢尖焊缝hf=5mm，假定集中荷载P与上弦垂直，忽略屋架上弦坡度影响。

肢背焊缝验算：

〒JC^N）2+（P/2灯.22）2J（0.75^393.5）2+（47.92/2".22）2

/f

20.7hflw20.75407

=115N/mm2：

：

0.8ffw=0.8160=128N/mm2

肢尖焊缝验算：

J（K2也N）2+（P/2汉1.22）2J（0.25汉393.5）2+（47.92/2".22）2

\f

20.7hflw20.75407

=40N/mm2：

0.8ffw=0.8160=128N/mm2

节点图如下图所示。

3、屋脊18节点

（1）弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，且便于施焊，需要将

拼接角钢的尖角削除，并截去垂直肢的一部分宽度（一般为t+hf+5mm）。

拼接角钢的部分削弱，可

以借助节点板来补偿。

接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。

设5-18杆与节点板的焊缝尺寸为：

肢背hf=8mm,lw1=（0.6547.03K03）/（2>0.78X160）+16=33mm,

取lw1=40mm,

3

肢尖hf=8mm,Iw2=（0.3547.0310）/（2>0.7>8X160）+16=25mm。

取lw2=40mm。

设焊缝高度hf=8mm,则所需要焊缝计算长度为：

lw=（654.53103）/（4X0.7>8X160）+16=199mm。

取lw=210mm。

拼接角钢长