钢屋架设计计算书.docx
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钢屋架设计计算书
钢屋架设计计算书
一、设计资料
北京地区某单层跨工业厂房机加工车间,跨度24m,长度72m,
柱距6m。
钢筋混凝土柱(混凝土等级为C30,上柱截面400×400);
钢屋架:
1.5×6.0m预应力钢筋混凝土大型屋面板,钢屋架铰支于
柱上;
屋面坡度i=1/10
车间内设有两台中级工作制吊车。
钢屋架选用Q235B钢,焊条为E43型。
荷载(标准值):
三毡四油防水层:
0.4kN/m2
20mm水泥砂浆(20kN/m3):
0.40kN/m2
保温层:
0.4kN/m2
1.5×6m大型屋面板:
1.4kN/m2
屋架和支撑重:
q=0.12+0.011L=0.384kN/m2
悬挂管道:
0.1kN/m2
屋面活荷载标准值:
0.50kN/m2
雪荷载标值:
0.40kN/m2
屋面积灰荷载:
0.30kN/m2
二、屋架型式、尺寸、材料选择和支撑布置
由于采用大型屋面板和油毡防水屋面,故选用平坡梯形钢屋架,
未考虑起拱时的上弦坡度i=1/10。
屋架坡度l=24m,每端支座中线缩
进0.15m,计算跨度l0=l-2×0.15m=23.7m;端部高度取H0=2m,中部高度H=3.2m(≈l0/7.4);起拱按f=l0/500,取50mm,起拱后的上弦坡度为1/9.6。
配合大型屋面板尺寸(1.5×6m),采用屋架间距B=6m,上弦节
间尺寸1.5m。
选用屋架的杆件布置和几何尺寸如图-1。
1508
15
081508
1508
1508
1508
I
1509
1508
F
G
H
D
A
B
C
0
9
0
6
0
5
9
3
0
0
2
9
2
3
9
39
9
0
3
2
9
5
5
1
8
3
3
1
9
5
2
8
8
2
3
1
2
7
3
5
9
2
6
2
5
1
0
1
0
2
9
9
拱
a
8
起
150
1350
c
e
g
I
1500×8=12000
图-1屋架尺寸
根据屋架荷载和地区计算温度情况,钢材采用Q235B,要求保证
抗拉强度fu、伸长率δ、屈服强度fy、冷弯试验4项机械性能S、P、
C三项化学成分的含量合格。
焊条采用E43型焊条,手工焊。
C级(粗
制)螺栓和锚栓采用Q235-A·F钢,螺栓M20和锚栓M24。
支撑布置:
由于房屋长度为72m〉60m,所以在房屋两端、中间
布置上、下弦横向水平支撑以及两端和中央垂直支撑。
中间各屋架用
系杆联系,上、下弦各在两端和中央设三道系杆,其中上弦屋脊处与
下弦支座处共三道为刚性系杆。
所有屋架采用同一规格,但因支撑孔和支撑连接板的不同,分为
三个编号:
WJ1a,WJ1b,WJ1c。
2
三、荷载和杆件内力计算
(1)屋架荷载
屋面活动荷载按雪荷载(0.40kN/m2×1.4)和活荷载(0.50kN/m2
×1.4)的较大值,取0.50kN/m2×1.4。
屋架和支撑重按(0.12+0.011L)
×1.2=0.384kN/m2×1.2;因屋架下弦无其他荷载,为方便认为屋架和支撑重全部作用于上弦节点。
屋面做法和屋面板荷载按屋面倾斜面积计算,但因屋面坡度娇小(起拱后tgα=1/9.6,secα=1.0054),故近似取全部荷载均按水平投影面积计算。
屋架全部荷载的设计值为:
三毡四油防水层:
0.4kN/m2×1.35
20mm水泥砂浆(20kN/m3):
0.40kN/m2×1.35
保温层:
0.4kN/m2×1.35
×
6m
大型屋面板:
1.4kN/m
2×1.35
1.5
屋架和支撑重:
0.384kN/m2×1.35
悬挂管道:
0.1kN/m2×1.35
3.084kN/m2×1.35=4.16kN/m2
屋面活荷载:
(0.30+0.50)kN/m2×1.4=1.12kN/m2
5.82kN/m2
3
2
c
1
J
W
1
C1
C8
C8
C3
C6
C3
C2
C7
C7
0
0
0
C3
4
2
C6
C3
C1
C8
C8
上弦平面
C1
C7
C7
C4
C6
C5
C2
C8
C8
a
a
a
a
a
a
a
b
2
C5ba
a
c
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
J
J
J
J
J
J
J
J
J
J
J
J
C2
WWWWWWWWWWW
W
C6
C4
C1
C7
C7
1
12×6000=120000
下弦平面
C1C8C8
C7C7
1-1
C2C7C7
C8C8
2-2
屋架支撑设置
图—二屋架支撑布置
(2)屋架杆件内力系数
屋架上弦左半跨单位节点荷载作用下的杆件内力系数经计算如
图。
各节点的单位节点荷载按1.5m水平节间比例推算:
节间C~H:
1
节点A:
(1.15+1.35/2)/1.5=0.55
节点B:
[(1.35+1.5)/2]/1.5=0.95
节点I:
(1.5/2)/1.5=0.5
4
图-3屋架的杆件长度和内力系数
图—三屋架计算简图及内力系数
由于k=kR+kL,所以可仅建立半跨的计算模型,先计算半跨内
力系数,然后利用半跨与全跨的关系求出全跨内力系数,屋架上弦左半跨单位节点荷载、右半跨单位节点荷载、全跨单位节点荷载作用下的屋架左半跨赶件的内力系数kL、kR、k=kL+kR按图,并已归入表中。
(3)杆件内力组合
①组合1——全部恒、活荷载:
全部恒、活荷载:
q=5.82kN/m2,F=5.82×1.5×6=47.52kN,
减去半跨活荷载):
活荷载:
q=1.12kN/m2,F=1.12×1.5×6=10.08kN,
③组合3——全跨屋架和支撑重、半跨屋面板重和活荷载:
屋架和支撑重:
q=0.384×1.2=0.46kN/m2,F=0.46×1.5×6=4.14kN,
屋面板重和活荷载:
q=1.4×1.2+0.5=2.18kN/m2,F=2.18×1.5×
6=19.62kN,
内力计算详见表-1
5
四、杆件截面选择
1、上弦杆
(1)确定内力及已知条件
整个上弦采用等截面,按
FG、GH杆件的最大设计内力设计,即
N-721.3KN,
Q235钢f=215N/mm2;压杆[λ]=150;Loy/Lox
2;
(2)上弦杆计算长度:
屋架平面内(取节间轴线长度)
:
LoxL0
1508mm
屋架平面外(取支撑节点间距离)
:
Loy
2
15083016mm
(3)截面选择
选用两个不等肢角钢,短肢相并(如图所示)
整体稳定系数Ф按b类
N
-721.3KN,查表,中间节点板厚度选用
14mm,制作节点板厚度选用
16mm
设
65
,查Q235钢稳定系数表,可得
0.780
则需要的截面面积:
A
N
721.3103
4301.1mm2
f
0.780
215
需要的回转半径:
ix
Lox/
1508/65
23.2mm,iy
Loy/
3016/65
46.4mm
根据需要(A、ix、iy
)查角钢规格表,选用┐┏
140×90×10,肢背间距a
12mm,
A
4452mm2,ix
25.6mm,iy67.7mm,
(4)截面验算
L0x
1508
L0y
3016
44.55,均满足:
长细比[]150
x
58.9
,y
67.7
ix
25.6
iy
x
y,仅求y
查表y
0.813,则:
N
721.3
103
y
0.813
199.3MPa215MPa
yA
5280
故所选截面合适
6
2、下弦杆
(1)确定内力及已知条件
整个上弦采用等截面,按最大设计内力杆件的内力值设计,即
N717.6KN,
Q235钢f
215N/mm2;压杆[]
150;Loy/Lox
2;
(2)上弦杆计算长度:
屋架平面内(取节间轴线长度):
LoxL03000mm
屋架平面外(取支撑节点间距离):
Loy24000/215011850mm
(3)截面选择
选用两个不等肢角钢,短肢相并(如图所示),整体稳定系数Ф按b类
N717.6KN,查表:
中间节点板厚度选用14mm,制作节点板厚度选用16mm
因跨中有通长系杆,所以
所需截面面积:
AN717.61033337.7mm2
f215
需要的回转半径:
ix
Lox/
3000/65
46.15mm
iy
Loy/
11850/65
182.31mm
根据需要(A、ix、iy)查角钢规格表,选用┛┗
140×90×8,肢背间距a
12mm,
(A
3608mm2,ix
25.9mm,iy67.3mm
,)
(4)截面验算
L0x
3000
74.8[]350,
L0y
11850
x
25.9
y
176.3[]350,
ix
iy
67.3
x
y,
仅求
y
N
717.6
103
215MPa
y
198.89MPa
yA
3608
故不考虑截面削弱,所选截面合适
7
3、端斜杆aB
(1)杆件轴力:
N-418.8KN
(2)上弦杆计算长度:
LoxL0yL2543mm
(3)截面选择
Lox
L0y,选用两个不等肢角钢,长肢相并(如图所示)
使ixiy。
选用┐┏125×80×8,肢背间距a
12mm,
A
3198mm2,ix
40.1mm,
iy
32.7mm,
(4)截面验算
x
L0x
2543
126.6
[
]
150,
ix
40.1
y
L0y
2543
88.3
[
]
150,
iy
32.7
x
y,仅求
y
0.703,则:
N
418.8
103
215MPa
查表
y
y
yA
0.703
186.5MPa
3198
故所选截面合适
4、腹杆Fg
(1)杆件轴力:
最大拉力:
N157.8KN
最大压力:
N2-8.89KN
(2)计算长度
L03127mm
屋架平面内:
Lox0.8L00.831272502mm
屋架平面外:
LoyL03127mm
(3)截面选择
选用两个不等肢角钢,短肢相并(如图所示),整体稳定系数Ф按b类
8
选用2┗56×5,(A
1083mm2
,ix
17.2mm,iy
26.9mm,)
(4)截面验算
L0x
2502
[
]
150,
x
144.6
ix
17.2
L0y
3127
[
]
150,
y
117.1
iy
26.9
x
y,仅求
y
查表y
0.324,则:
y
N
8.89
103
25.3MPa215MPa
yA
0.324
1083
拉应力:
N
57.8
103
53.37MPa215MPa
y
1083
yA
故所选截面合适
5、竖杆Gg
(1)杆件内力:
N-47.52KN,
Q235钢f=215N/mm2;压杆[λ]=150;Loy/Lox
2;
(2)上弦杆计算长度:
L02900mm
屋架平面内:
Lox0.8L00.829002320mm
屋架平面外:
LoyL0
2900mm
(3)截面选择
选用两个不等肢角钢,短肢相并(如图所示)
整体稳定系数Ф按b类
因杆件内力较小,取
[]150,
ix
Lox/[]
2320/150
16.6mm
iy
Loy/
2900/150
20.7mm
根据需要(A、ix、iy)查角钢规格表,选用
2┏56×5,
9
A
1083mm2,ix
17.2mm,
iy
26.9mm,
(4)截面验算
L0x
2320
[
]
150,
x
ix
134.1
17.2
y
L0y
2900
108.6
[
]
150,
iy
26.9
x
y,仅求
x
0.366,则:
y
N
47.52
103
查表
y
yA
0.366
119.9MPa215MPa
1083
故所选截面合适
其余各杆件的截面选择过程不再一一列出详见表1-2
五、焊缝计算
节点处杆件焊缝计算见后附腹杆焊缝计算表。
焊缝最小构造尺寸
用5~80mm。
下弦杆焊缝计算表为下弦杆焊缝计算表。
由腹杆焊缝要求确定的
节点板宽度较大,故下弦杆hf均用构造最小值5mm(一般节点)或6mm
(端节点和中央拼接接点),表列lw为满足计算的最低要求。
上弦杆角钢尖焊缝计算表为上弦杆焊缝计算表。
先画节点图,按
腹杆焊缝要求确定节点板宽度l填入表中,再按此求出相应需要的
hf2;但中央拼接接点的l比构造要求略予放大,使求得的hf2太大。
上弦节点A、C、E、G的N=0,表中不列,焊缝按构造确定(hf2=5mm
满焊)。
上弦杆角钢背槽焊缝按两条hf2=t/2=5mm角焊缝承受上弦节
点荷载考虑,强度十分富裕,故计算书不再列出。
10
六、节点设计
节点设计的任务是根据杆件间隙的要求和焊缝要求,画1/2~1/5
比例尺节点图,以确定杆端切断点位置和节点板尺寸,并将结果抄入
屋架施工图中。
由于所有焊缝尺寸已在附表中确定,一般节点可直接
按此画图;只有下弦、上弦中央拼接节点和支座节点需作补充计算,
如下:
(1)下弦拼接节点i
下弦杆为140×90×8,拼接角钢用相同规格。
角钢t=10mm,拼接角钢焊缝位于角钢尖,用hf=t-2=6mm。
焊缝按等强度设计:
3
[N]=Af=3608×215=775.7×10
l=[N]/(4×0.7h
f
w
3
f
)=775.7
×10/(4×0.7×6×160)=288mm
w
f
采用拼接角钢半长300mm,扣除半焊缝4mm和正反面焊口各8mm,焊缝计算长度为纵向288mm,考虑斜向后约290mm〉288mm,略有富裕。
拼接角钢水平肢宽140mm,故采用斜切,尺寸见图。
安装螺栓位置考虑连横向水平支撑时可应用,其与斜切边的边距经检查足够。
拼接角钢竖肢原宽90mm,为焊缝需切肢:
=t+hf+5=8+6+5=19mm
实用=20mm,切肢后剩余高度h-=70mm,端部采用直切。
因高度已较小,竖肢上不再用安装螺栓。
11
(2)上弦拼接节点I:
上弦杆起拼后坡度为1/9.6,截面为┐┌140×90×10,端部取直切;拼接角钢采用相同规格,热弯型。
角钢t=10mm,角焊缝用hf=t-2=8mm,按轴心受压等强度设计:
3
[N]=φAf=0.813×4452×215=778.2×10N
l=[N]/(4×0.7h
f
w
3
t
)=778.2
×10/(4×0.7×10×160)=173.7mm
w
f
采用拼接角钢半长250mm,扣除上口半缝隙14mm(下口半缝隙5mm,上口5+90/9.6≈14mm)和焊口10mm后,焊缝计算长度为226mm>173.7mm,略有富裕。
拼接角钢水平肢宽140mm,但考虑在较长范围内开设横向水平支撑连接螺栓孔的需要,只能采用直切。
拼接角钢竖肢原宽90mm,为焊缝需切肢:
=t+hf+5=10+8+5=23mm
实用=25mm,切肢后剩余高度h-=65mm,端部采用直切。
因高度已较小,竖肢上不再用安装螺栓。
12
(3)支座节点a
为便于施焊,下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm。
在节
点中心线上设置加劲肋,加劲肋的高度与节点板的高度相等,厚度14mm。
1、支座底板的计算
支座反力:
R380.16103KN
设支座底板平面尺寸采用280192mm2,如仅考虑有加劲肋的底板部分承受支
座反力,则承压面积为28019253760mm2。
验算柱顶混凝土的抗压强度:
R
380.16103
A
7.07MPafc12.5MPa
53760
支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算
节点板和加劲肋将板分为四块,每块尺寸为:
14096mm2,
均为两相邻边支承而另两相邻边自由,
每块板的单位宽度的最大弯矩:
M
2
a22
其中:
7.08MPa,a21402
962
169.8mm2,
140
96
b2
79.2mm
169.8
13
由b2/a279.2/169.8
0.446
,查表得
0.0548
则单位宽度的最大弯矩:
M
0.0548
7.08
169.82
11.186103Nmm
底板厚度:
t6M/f
6
11.186
103/
21517.67mm,取t20mm
2、加劲肋与节点板的连接焊缝计算
加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝计算相似。
偏于安全,取加劲肋的受力为屋架支座反力的1/4,即:
380.16
103/4
95.04
103KN
则焊缝内力为:
V
95.04
103KN,
e15
75/2
52.5mm,M
Ve
95.04
52.5
4989.6KNmm
设焊缝hf
6
mm,焊缝计算长度:
lw
360mm
则焊缝应力:
0.7hflw)
2
0.7hflf
2
f
V/
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