单层厂房钢结构梯形屋架课程设计.docx

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单层厂房钢结构梯形屋架课程设计

1设计资料

梯形屋架,建筑跨度为21m,端部高度为2.00m,跨中高度为3.05m,屋架坡度i=1/10,屋架间距为6m,屋架两端支撑在钢筋混凝土柱上,上柱截面400mm×400mm,混凝土采用20

C。

屋架上、下弦布置有水平支撑和竖向支撑（如图1-1所示。

屋面采用1.5×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板,15mm厚1:

2.5水泥砂浆保护层,SBC120聚乙烯丙纶双面复合防水卷材防水层,水泥与5%107胶粘结层,20mm厚1:

3水泥砂浆基层,塑料袋装珍珠岩80厚,上压一层芦苇的保温层,SBC120聚乙烯丙纶单面复合防水卷材隔气层,20mm厚1:

3水泥砂浆找平层,屋面雪荷载为0.45KN/m2

2荷载计算

2.1永久荷载

预应力钢筋混凝土大型屋面板:

2/68.14.12.1mkN=⨯保护层:

2/36.03.02.1mkN=⨯防水层:

2/007.0006.02.1mkN=⨯基层:

2/480.040.02.1mkN=⨯保温层:

2/422.036.02.1mkN=⨯隔气层:

2/003.00025.02.1mkN=⨯找平层:

2/480.040.02.1mkN=⨯

屋架自重和支撑自重按经验公式（跨度l=21m

2/1.35211.12.11.12.1mkglPw≈⨯+=+=2/4212.0351.02.1mkN=⨯

总计:

g=3.852/mkN

2.2可变荷载

屋面雪荷载:

q=2/63.045.04.1mkN=⨯

2.3荷载组合

永久荷载可变荷载为主要荷载组合,屋架上弦节点荷载为:

kN

qgF32.4065.163.085.3（65.1（=⨯⨯+=⨯⨯+=

3

内力计算

桁架杆件的内力,在单位力作用下用图解法（图2-1求得表3-1。

杆件

轴线单位荷载内力F荷载内力（kN上

弦杆

B-①135700C-③1508-7.475-301.392D-④1508-7.475-301.392E-⑥1508-11.249-453.560F-⑦1508-11.249-453.560G-⑨1508-12.147-489.767H-⑩

1508-12.147

-489.767

下弦杆

②-Q2850

+4.106+165.544⑤-Q3000+9.739+392.676⑧-Q

3000+11.936+481.260○

11-Q3000+11.730+472.954

斜

①-②2528-7.688-309.980②-③

2611

+5.798+233.775

杆

④-⑤2865

-4.396-177.247⑤-⑥2865+2.776+111.928⑦-⑧3129-1.557-62.778⑧-⑨

3129+0.312+12.580⑩-○113399+0.808+32.579竖杆

A-①2000-0.500-20.160③-④2289-1.000-40.320⑥-⑦2593-1.000-40.320⑨-⑩2898+0.812+40.320○11-○12305000

4截面选择

4.1上弦杆截面选择

上弦杆采用相同截面,以最大轴力G-⑨或H-⑩杆来选择:

kNN767.489max-=在屋架平面内的计算长度cmlox8.150=,屋架平面外的计算长度cmloy5.301=。

选用两个不等肢角钢10801002⨯⨯L,长肢水平。

截面几何特性（长肢水平双角钢组成T形截面,节点板根据腹杆最大内力选用板厚10mm:

2334.34cmA=cmicmiyx78.4,35.2==

15017.6435.28

.150<===

xoxxilλ785.0=xϕ15010.6378

.48

.150<==

=

y

oyyilλ790.0=yϕ截面验算:

22min/215/72.1814

.34337854.0489767

mmNfmmNA

N

=<=⨯=

ϕ

大型屋面板与上弦焊牢,起纵横向水平支撑作用,上弦杆其他节间的长细比和稳定验算均未超过上述值。

4.2下弦杆截面选择

下弦杆也采用相同截面,以最大轴力⑧-Q杆来选择:

kNN260.481max+=在屋架平面内的计算长度:

cmlox300=,屋架平面外的计算长度:

cmloy300=。

所需截面面积为:

24.2238215

481260

mmfNAn===

选择两个不等肢角钢8631002⨯⨯∠,长肢水平。

截面几何特点:

22384.22168.25cmcmA>=

cmix77.1=cmiy97.4=3505.16977.1300<==

xλ3504.6097

.4300

<==yλ另两个节点的下弦杆内力较小,但cmloy600=,故须验算其屋架平面外的长细比:

3508.12097

.4600

<==

yλ4.3

支座竖杆截面选择杆轴力:

kN

N160.20-

=

计算长度:

cmlloyox200==,采用两个等肢角钢5632⨯∠,组成T型截面截面几何特性:

2286.12cmA=cmix94.1=cmiy96.2=

1501.10394.1200<==

xλ,535.0=xϕ1506.6796

.2200

<==yλ,756.0=yϕ截面验算:

22min/215/67.306

.1228535.020160

mmNfmmNA

N

=<=⨯=

ϕ

4.4支座斜杆截面选择

杆轴力:

kNN980.309-=计算长度:

cmlloyox8.252==采用两个不等肢角钢8801002⨯⨯∠,长肢相拼。

截面几何特性:

2888.27cmA=cmix14.3=cmiy48.3=

1505.8014.38.252<==

xλ685.0=xϕ1506.7248

.38

.252<==yλ735.0=yϕ截面验算:

2min/2153.1628

.2788685.0248702

mmNA

N

<=⨯=

ϕ

4.5斜杆②③截面选择杆轴力:

kNN77

5.233+=

计算长度:

cmllox88.2081.2618.08.0=⨯==cmloy1.261=所需截面:

23.1087215

233775cmfNAn===

选用两个等肢角钢5632⨯∠,组成T形截面

截面特性:

22873.10286.12cmcmAn>=cmix94.1=cmiy96.2=

3507.10794.188.208<==

xλ3502.8896.21.261<==yλ4.6竖杆③④截面选择

杆轴力:

kNN320.40-=

计算长度:

cmllox12.1839.2288.08.0.

=⨯==cmloy9.228=

采用两个等肢角钢5502⨯∠,组成T形截面。

截面几何特性:

2606.9cmA=cmix53.1=cmiy45.2=

1507.11953.112.183<==xλ438.0=xϕ1504.9345

.299.228<==cmyλ580.0=yϕ

..4.7斜杆④⑤截面选择

杆轴力:

kNN247.117-=

计算长度:

cmllox2.2295.2868.08.0=⨯==cmloy5.286=

采用两个等肢角钢5752⨯∠,组成T形型截面

截面几何特性:

2824.14cmA=cmix33.2=cmiy43.3=

1504.9833.22.229<==xλ565.0=xϕ1505.8343

.35.286<==yλ664.0=yϕ截面验算:

22min/215/6.2114

.1482565.0177247mmNfmmNAN=<=⨯=ϕ4.8斜杆⑤⑥截面选择

杆轴力:

kNN247.177--=

计算长度:

cmllox2.2295.2868.08.0=⨯==cmloy5.286=

所需截面:

26.520215

177247mmfNAn===采用两个等肢角钢5502⨯∠,组成T形型截面

截面几何特性:

22206.5606.9cmcmA>=cmix53.1=cmiy45.2=

3508.14953.12.229<==

xλ3509.11645

.24.286<==yλ4.9竖杆⑥⑦截面选择

杆轴力:

kNN320.40-=计算长度:

cmllox44.2073.2598.08.0=⨯==cmloy3.259=

采用两个等肢角钢5502⨯∠,组成T形截面

截面几何特性:

22352.3606.9cmcmA>=cmix53.1=cmiy45.2=1506.13553.14.207<==xλ363.0=xϕ1508.10545.2259<==yλ518.0=yϕ

截面验算:

22min/215/6.1156

.960363.040320mmNfmmNAN

=<=⨯=ϕ4.10斜杆⑦⑧截面选择

杆轴力:

kNN778.62-=

计算长度:

cmllox32.2509.3128.08.0=⨯==cmloy9.312=采用两个等肢角钢5632⨯∠,组成T

截面几何特性:

y1500.12994.132.250<==xλ392.0=xϕ1508.10596

.29.312<==yλ518.0=yϕ截面验算:

22min/215/3.1306

.1228392.062778mmNfmmNAN=<=⨯=ϕ4.11斜杆⑧⑨截面选择

杆轴力:

kNN580.12+=

计算长度:

cmllox32.2509.3128.08.0=⨯==cmloy9.312=

所需截面面积为:

25.58215

12580mmfNAn===选择两个等肢角钢5502⨯∠,组成T形截面。

截面几何特点:

22585.0606.9cmcmA>=

cmix53.1=cmiy45.2=3506.16353.132.250<==xλ3507.12745

.2300<==yλ4.12竖杆⑨⑩截面选择

杆轴力:

kNN320.40-=

计算长度:

cmllox84.2318.2898.08.0=⨯==cmloy8.289=

采用两个等肢角钢5562⨯∠,组成T形截面

截面几何特性:

2830.10cmA=cmix72.1=cmiy69.2=

1504.13872.184.231<==xλ366.0=xϕ1507.10769

.28.289<==yλ507.0=yϕ截面验算:

22min/215/8.1100

.1083366.040320mmNfmmNAN=<=⨯=ϕ4.11斜杆⑩○

11截面选择杆轴力:

kNN579.32+=

计算长度:

cmllox92.2719.3398.08.0=⨯==cmloy9.339=

所需截面面积为:

25.151215

32579mmfNAn===选择两个等肢角钢5562⨯∠,组成T形截面。

截面几何特点:

22515.1830.10cmcmA>=

cmix72.1=cmiy69.2=3501.15872.132579<==xλ3504.12669

.29.339<==yλ

5节点设计

各节点的节点板厚一律取10mm,各杆内力如图5-1所示

。

5.1下弦节点j设计（如图所示

首先,计算腹杆与节点板连接焊缝尺寸,然后按比例绘出节点板形状和尺寸,最后验算下弦与节点板的连接焊缝。

已知焊缝的抗拉、抗压和抗剪的强度设计值:

2/160mmNffw=

设杆②③的肢背和肢尖焊缝分别是mmhf6=,则所需焊缝长度为:

肢背:

mmhefNlwf

w8.12116067.022337757.027.0/=⨯⨯⨯⨯==取135mm肢尖:

mmhefNlwfw

2.5216067.022337757.027.0//=⨯⨯⨯⨯==取80mm设杆④⑤的肢背和肢尖焊缝分别是mmhf6=,则所需焊缝长度为肢背:

mmhefNlwf

w3.9216067.021772477.027.0/=⨯⨯⨯⨯==取110mm肢尖:

mmhefNlwfw

6.3916067.021772477.027.0//=⨯⨯⨯⨯==取

80mm

设杆③④的肢背和肢尖焊缝均为mmhf5=,则所需焊缝长度为肢背:

mmhefNlwf

w2.2516057.02403207.027.0/=⨯⨯⨯⨯==取180mm肢尖:

mmhefNlwfw

8.1016057.02403207.027.0//=⨯⨯⨯⨯==取180mm根据上述腹杆焊缝长度,并考虑杆件之间应留有间隙,按比例绘出节点大祥图,从而确定节点板尺寸为mm10280345⨯⨯。

下弦与节点板连接的焊缝长度为345mm,mmhf6=,焊缝所受的力为左右两下弦杆内力差kNN112.227544.165676.392=-=∆所受较大的肢背处焊缝应力为:

22/160/49.56

10345（67.022271127.0275.0mmNfmmNhelNwfwf=<=-⨯⨯⨯⨯=∆=τ5.2下弦节点k的设计（如图

设节点所有焊缝为mmhf5=,所需焊缝长度如下:

杆⑤-⑥kNN928.111+=

肢背:

mmhefNlwfw0.70160

57.021119287.027.0/=⨯⨯⨯⨯==取100mm肢尖:

mmhefNlwfw

0.3016057.021119283.023.0//=⨯⨯⨯⨯==取80mm杆⑥-⑦kNN320.40-=肢背:

mmhefNlwfw2.25160

57.02403207.027.0/=⨯⨯⨯⨯==取80mm肢尖:

mmhefNlwfw

8.10

16057.02403203.

023

.0//=⨯⨯⨯⨯==取80mm杆⑦-⑧N.62-=肢背:

mmhefNlwfw2.39160

57.02627887.027.0/=⨯⨯⨯⨯==取80mm肢尖:

mmhefNlwfw

8.1616057.02627883.023.0//=⨯⨯⨯⨯==取80mm根据上述腹杆焊缝长度,并考虑杆件之间应留有间隙,按比例绘出节点大祥图

5-2,从而确定节点板尺寸为mm10250285⨯⨯。

下弦与节点板连接的焊缝长度为285mm,mmhf5=,焊缝所受的力为左右两下弦杆内力差kNN584.88676.392260.481=-=∆所受较大的肢背处焊缝应力为:

22/160/2.32

10285（57.02885847.0275.0mmNfmmNhelNwfwf=<=-⨯⨯⨯⨯=∆=τ焊缝强度满足要求。

5.3下弦节点l的设计（如图所示

设节点所有焊缝为mmhf5=,所需焊缝长度如下:

杆⑧-⑨kNN580.12+=肢背:

mmhefNlwf

w9.716057.02125807.027.0/=⨯⨯⨯⨯==肢尖:

mmhefNlwfw

4.316057.02125803.023.0//=⨯⨯⨯⨯==杆⑥-⑦kNN320.40-=肢背:

mmhefNlwf

w2.2516057.02403207.027.0/=⨯⨯⨯⨯==

肢尖:

mmhefNlwfw8.10160

57.02403203.023.0//=⨯⨯⨯⨯==杆⑩-○

11kNN579.32+=肢背:

mmhefNlwf

w4.2016057.02325797.027.0/=⨯⨯⨯⨯==肢尖:

mmhefNlwfw

7.816057.02325793.023.0//=⨯⨯⨯⨯==所有焊缝均按构造（节点板尺寸确定,焊缝长度均需大于60mm。

下弦与节点板连接的焊缝长度为270mm,mmhf5=,焊缝所受的力为左右两下弦杆内力差kNN315.9945.472260.481=-=∆所受较大的肢背处焊缝应力为:

22/160/58.3

10270（57.0293157.0275.0mmNfmmNhelNwfwf=<=-⨯⨯⨯⨯=∆=τ焊缝强度满足要求。

5.4下弦节点m的设计（如图所示

下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,并便于施焊,需将拼接角钢的尖角削除,且截去垂直肢的一部分宽度（一般mmhthff5++==20mm,拼接角钢这部分削弱,可以靠节点板来补偿。

接头一

边的焊缝长度按弦杆内力计算

设焊缝mmhf6=,则所需一条焊缝计算长度为:

mmlw0.176160

67.04472954=⨯⨯⨯=拼接角钢的长度取400mm>176.0×2=352.0mm

屋架分成两个运输单元,设置工地焊缝长度拼接,左半边的弦杆和腹杆与节点板连接用工厂焊缝,而右半边的弦杆与腹杆与节点板连接用工地焊缝。

中间竖杆跟左半边在工厂焊牢再出厂,为便于工地拼接,在拼接的角钢与右半边斜杆上,设置螺栓孔5.21Φ。

作为安装施焊前的定位之用。

下弦杆与节点板之间用mmhf6=焊缝满焊。

采用节点板210×180×90×10mm,所有焊缝均满焊。

5.5支座节点h设计

为了便于施焊,下弦焊与支座底板的距离取115mm,在节点中心设置加劲肋,加

劲肋高度与节点板高度相等。

5.5.1支座底板计算

支座反力:

kNFR24.282320.4076=⨯==

支座底板的平面尺寸取21mm=⨯,如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力,则实承面积为:

21mm=⨯验算柱顶混凝土的抗压强度:

22/10/8.2100800

282240mmNfmmNARcn=<==式中cf——钢筋混凝土轴心抗压强度的设计值。

底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算,节点板和加劲肋将底板分成4块。

每块板是两相邻为固定支承而另两相邻边自由的板,每块板的单位宽度最大弯矩为:

21qaMβ=

式中q——底板所受的均布反力,2/8.2100800

282240mmNARqn===1α——两支承之间的对角线长度,mm0.2215180（5140（221=-+-=αβ——系数,由11/ab查课本表5-6确定,1b为两支承边的相交点到对角线1α的垂线距离,由相似三角形的关系得:

mmb0.1120

.2111751351=⨯=51.00.221/0.112/11==ab查表5-5得059.0=β

mmNqaM/8.73542118.2059.0221=⨯⨯==β

底板厚度:

mmfMt3.14215/8.73546/6=⨯==取20mm

5.5.2加劲肋与节点板的连接焊缝计算

加劲肋与节点板的链接焊缝计算与牛腿焊缝相似,假定一个加劲肋的受力为屋架

支座反力的四分之一,即:

kN56.7024.2824

1=⨯焊缝受剪力kNV56.70=,弯矩:

mkNM⋅=⨯=4.28224056.70,设焊缝mmhf5=,焊缝计算长度mmlw35310363=-=

焊缝应力为:

wNhelV2=τhe

lMwM226=σ22.1=fβ6.2835357.0270560=⨯⨯⨯=Nτ4.1335357.

=⨯⨯⨯⨯=Mσ

2222222/160/64.3096.8176.1206.2822

.14.13（（mmNfmmNwfNfM=<=+=+=+τβσ5.5.3节点板,加劲肋与底板的连接焊缝计算

设焊缝传递全部支座反力R=282.24kN,其中每块加劲肋各传kNR56.7024.2824141=⨯=,节点板传kNR12.14124.2822

121=⨯=节点板与底板的连接焊缝mmlw54010280（2=-⨯=,所需焊脚尺寸为mmflRhwf

wf33.21605407.01411207.02/=⨯⨯=∑=采用mmhf5=每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为:

mmlw12022080（=⨯-=∑,所需焊脚尺寸为mmflRhwfwf25.5160

1207.0705607.04/=⨯⨯=∑=取mmhf6=5.5.4下弦杆与支座斜杆和竖杆焊缝计算

下弦杆kNN554.165+=肢背和肢尖焊缝均为mmhf6=,则所需焊缝长度为:

肢背:

mmhefNlwfw4.92160

67.0216555475.0275.0/=⨯⨯⨯⨯==取110mm肢尖:

mmhefNlwfw

8.3016067.0216555425.0225.0//=⨯⨯⨯⨯==取80mm支座斜杆kNN98.309-=肢背焊缝长度为mmhf6=,肢尖焊缝长度为mmhf5=,则所需焊缝长度为:

肢背:

mmhefNlwf

w15016067.0230998065.0265.0/=⨯⨯⨯⨯==取165mm肢尖:

mmhefNlwfw

7.5716067.0213307235.0235.0//=⨯⨯⨯⨯==取80mm支座竖杆kNN160.20-=肢背和肢尖焊缝均为mmhf5=,则所需焊缝长度为:

肢背:

mmh