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1、一、基本资料1.课程设计题目某车间梯形钢屋架结构设计2.设计资料1、车间柱网布置图（L240m），柱距6m。2、屋架支承于钢筋混凝土柱顶（砼等级为C20），采用梯形钢屋架。3、屋面采用1.56m的预应力钢筋混凝土大型屋面板（屋面板不考虑作为支撑用）。3.设计要求1)屋架自重（120+11L）N/m2；2)屋面基本荷载表：荷载类型序号荷载名称重量永久荷载1预应力钢筋混凝土屋面板（包括嵌缝）1.50kN/m22防水层0.38 kN/m23找平层20mm厚0.40 kN/m25支撑重量0.80k N/m2可变荷载1活载0.70kN/m22积灰荷载0.80k N/m22. 依檐口高度：III：H0=2
2、.0m 3. 屋架坡度i：1/114. 厂房跨度L=24m二、屋架形式、尺寸、材料选择及支撑布置本题为无檩屋盖方案，i=1/11，采用梯形屋架。屋架计算跨度为L0=L-300=23700mm，端部高度取H0=2000mm，中部高度取H=3100mm,屋架杆件几何长度见附图1（跨中起拱按L/500考虑）。根据计算温度和荷载性质，钢材选用Q235-B。焊条采用E43型，手工焊。根据车间长度、屋架跨度和荷载情况，设置上、下、弦横向水平支撑、垂直支撑和系杆。屋架支撑布置如图：符号说明：SC：上弦支撑； XC：下弦支撑； CC：垂直支撑GG：刚性系杆； LG：柔性系杆三、荷载和内力计算1、荷载计算：恒荷
3、载预应力混凝土大型屋面板（含灌缝） 1.4KN/m2 防水层 0.35 KN/m2 找平层（20mm厚） 0.4KN/m2支撑重量 0.38 KN/m2管道自重0.1KN/m2保温层（8cm厚） 0.5KN/m2 恒载总和 3.13KN/m2 活荷载 活荷载 0.5KN/m2积灰荷载 0.6KN/m2 荷载总和 1.1KN/m22、荷载组合：永久荷载荷载分项系数：=1.2:；屋面荷载荷载分项系数=1.4；组合系数：=0.7；积灰荷载分项系数：=1.4，=0.91）节点荷载设计值=（3.131.2+1.40.5+1.40.90.6）1.56=46.9KN2）考虑以下三种荷载组合（1）全跨永久荷载
4、+全跨可变荷载（按永久荷载效应控制的组合）全跨节点荷载设计值：=（3.131.2+1.101.4）1.56=47.66KN（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载全跨节点永久荷载=3.131.561.2=33.80KN半跨可变荷载：=1.101.561.4=13.86KN（3）全跨屋架包括支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载全跨节点屋架自重设计值：=0.381.21.56=4.10KN半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：=（1.41.35+0.51.4）1.56=23.31KN四、内力计算荷载组合（1）计算简图如图3.1，荷载组合（2）计算简图如图3.2，荷载组合（3）计算简图如图3.3.图 3.1
5、 荷载组合（1）图 3.2 荷载组合（2）图 3.3 荷载组合4.3由结构力学求解器先解得F=1的屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、走半跨和右半跨）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见附表1 18 / 18F =47.66 F1=33.80 F2=13.86 F3=4.1 F4=23.31杆件名称内力系数（F=1）第一种组合第二种组合第二种组合杆件计算内力全跨左半跨右半跨FF1+ F2F1+ F2F3+ F4F3+ F4（kN）上弦杆AB000000000BC-9.662-7.135-2.528-460.49-425.47-361.61-205.93-98.54-460.4
6、9CD-9.712-7.184-2.528-462.87 -427.84 -363.30 -207.28 -98.75 -462.87 DE-15.35-10.72-4.621-731.58 -667.41 -582.88 -312.82 -170.65 -731.58 EF-7.69-5.38-2.31-366.51 -334.49 -291.94 -156.94 -85.38 -366.51 FG-17.753-11.452-6.3-846.11 -758.78 -687.37 -339.73 -219.64 -846.11 GH-17.779-11.479-6.3-847.35 -760
7、.03 -688.25 -340.47 -219.75 -847.35 HI-16.796-9.118-7.678-800.50 -694.08 -674.12 -281.40 -247.84 -800.50 下弦杆ab5.634.2453.684268.33 249.13 241.35 122.03 108.96 268.33 bc13.1249.445.512625.49 574.43 519.99 273.85 182.29 625.49 cd16.87911.3687804.45 728.07 667.53 334.19 232.37 804.45 de17.43710.4388.75
8、831.05 734.04 710.65 314.80 275.45 831.05 斜腹杆aB-9.885-7.452-2.433-471.12 -437.40 -367.83 -214.23 -97.24 -471.12 Bb7.45.3032.097352.68 323.62 279.18 153.95 79.22 352.68 bD-6.265-4.148-2.117-298.59 -269.25 -241.10 -122.38 -75.03 -298.59 Dc4.292.4691.821204.46 179.22 170.24 75.14 60.04 204.46 cF-3.124-
9、1.306-1.818-148.89 -123.69 -130.79 -43.25 -55.19 -148.89 Fd1.6850.0751.60980.31 57.99 79.25 8.66 44.41 80.31 dH0.5822.176-1.59327.74 49.83 -2.41 53.11 -34.75 -34.75 He-1.596-3.0381.442-76.07 -96.05 -33.96 -77.36 27.07 -96.05 竖杆Aa-0.5-0.50-23.83 -23.83 -16.90 -13.71 -2.05 -23.83 Cb-1.006-1.0060-47.95
10、 -47.95 -34.00 -27.57 -4.12 -47.95 Ec-1.003-1.0030-47.80 -47.80 -33.90 -27.49 -4.11 -47.80 Gd-2.003-2.0030-95.46 -95.46 -67.70 -54.90 -8.21 -95.46 Ie2.1051.1850.919100.32 87.57 83.89 36.25 30.05 100.32 五、截面选择腹杆最大轴力为471.12KN，查表7.4，选用中间节点板厚t=10mm，支座节点板厚t=12mm。1.上弦整个上弦不改变截面，按最大内力计算。Nmax=-847.35KN，lox=1
11、50.6cm，loy=300.0cm (l1取两块屋面板宽度)。选用2L14010，A=54.7cm2，=4.34cm，=6.05cm双角钢T型截面绕对称轴（y）轴应按弯扭屈曲计算长细比由于所以由查b类截面的填板每节间放一块（满足范围内不少于两块）2.下弦整个下弦也不改变截面，按最大内力计算。Nmax=831.05KN， ，连接支撑的螺栓孔中心至节点板边缘的距离约为100mm（de节间），可不考虑螺栓孔的削弱。选用2L18011010，因，故用不等肢角钢，短肢相并，A=56.8cm2，=3.13cm，=8.56cm填板每节间放一块3.腹杆 杆件a-B：NaB=-471.12KN，lox= lo
12、y=2528mm；NBb=348.69KN，lox= loy=2528mm选2L1409010,（长支相接） A=44.6cm2，=4.47cm，=3.73m 由于所以由查b类截面的填板放两块 杆件B-b：N=352.68KN ，lox=0.8 l=0.82601=2081,loy=2601mm选用2L806 , A=18.8 cm2，3.84, 3.65。 杆件D-b：N=298.59KN ，lox=0.8 l=0.82601=2081,loy=2601mm选用2L806 , A=21.2 cm2，3.84, 3.65。 杆件F-d：N=-574.56KN，lox=366.3cm，loy=3
13、66.3cm。选用2L18011010（长肢相并），A=56.8cm2，=5.81cm，=4.23cm由于 ， 故由查表得，填板放两块。 杆件B-G：N=301.06KN，lox=302.4cm，loy=378cm。选用2L636，A=14.58cm2，=1.93cm，=2.91cm填板放两块。 杆件d-G、d-H：N=-119.36KN，lox=333.6cm，loy=417.3cm。选用2L806，A=18.8cm2，=2.47cm，=3.58cm由于 ， 故由查表得（b类截面）填板四块屋架杆件截面选择表杆 件名 称杆件号内力设计值N(KN)计算长度(cm)选用截面截面积A(cm2)计算应
14、力（N/mm2）容许长细比稳定系数杆件端部的角钢肢背和肢尖焊缝（mm）填板数l0xl0y上弦杆G-HH-I-847.35150.6300.021401054.7188.91500.8102下弦杆d-e821.63300.01185021801101056.8133.73501腹杆Aa-23.56200.0200.0263512.327.81500.6912aB-465.78252.8252.82140901044.6174.61500.5982bB348.69208.12601280618.8185.53504bC-47.401772221525059.684.41500.5852bD-29.
15、519852481280618.8231.61500.6782cD202.1428312265290621.295.33504cE-47.262040255025059.698.31500.501cF-147.2024543068270513.7201.81500.5324dF79.4245430682170513.757.8350dG-94.3822602825270513.7121.51500.565dH-69.1926573321263512.3119.21500.436eH-105.26483310270513.7159.81500.481eI99.1931003100270513.7
16、72.2350六、节点设计1.下弦节点“b”有E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压、和抗剪强度设计值。设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：B-b为长支相接，取角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数为。 肢背：，取16cm 肢尖： ，取12cm设“Db”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为，Db为等肢相接，取角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数为。所需的焊缝长度为： 肢背：，取14cm 肢尖： ，取8cm“Cb”杆的内力很小，只需要按构造确定焊缝，取。 根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作和装备等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为310mm400mm。 下弦与节点板的连接
17、的焊缝长度为400mm，。焊缝所受的左右两下弦杆的内力差为，肢背的力最大，取肢背进行计算，则肢背处的焊缝应力为： 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。“Bb”杆的肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为，B-b为长支相接，取角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数为所需的焊缝长度为： 肢背： ，取16cm 肢尖： ，取10cm考虑焊缝长度，同时为了在上弦搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm，选择节点板尺寸为295mm480mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。验算上弦杆的焊缝： 忽略屋架上弦坡度的影响，假定集中荷载F与上弦杆垂直。上弦肢背承受集中荷载，肢尖承受
18、左右弦杆的内力差。槽焊缝的计算焊角尺寸为 ，=8mm由节点板的长度确定槽焊缝的长度为480mm，承受荷载为Q=Fd=50.6KN肢尖由焊缝承担弦杆内力差N=455.27-0=455.27KN，偏心距e=14-2.5=11.5cm，偏心力矩M=Ne=455.2711.5=56.15KNm，采用hf=10mm，则对N：对M：故焊缝强度满足要求。3.下弦节点“c”设“Dc”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为： 肢背：，加后取12cm 肢尖： ，加后取6cm设“Fc”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为，所需的焊缝长度为： 肢背：，加后取10cm 肢尖： ，由于焊缝计算长度不得小于和40mm，肢尖焊缝长度
19、取6cm。“Cb”杆的内力很小，只需要按构造确定焊缝，取。节点板取265mm315mm，取，下弦杆与节点板的焊缝长度为315mm，焊缝受左右弦杆的内力差为，受力较大的肢背处的剪应力为：焊缝强度满足要求。4.下弦节点“d”设“F-d”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为： 肢背：，计算长度取48mm，加后取7cm 肢尖： ，计算长度取48mm，加后取6cm设“Hd”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为，所需的焊缝长度为： 肢背： ，计算长度取48mm，加后取7cm 肢尖： ，计算长度取48mm，加后取6cm。“Cb”杆的内力为-47400N，。肢背：，焊缝长度取6cm，肢尖的力比肢背的小，肢尖焊缝长度
20、取6cm。节点板取255mm285mm，由于d点左右两端的拉力值相差不大，可只按构造确定其焊角尺寸为。5.下弦节点“e”腹杆“eH”计算内力为-105640N，肢背的焊缝长度为：，加后取7cm肢尖：2220.8mm+48mm+152=503.6mm，合适。2）弦杆与节点板的连接焊缝计算根据腹杆的内力，取节点板尺寸为300mm550mm，上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载，计算长度为550mm-2x15mm-4，=5mm，故计算长度为500mm，节点荷载为50.6kN，焊缝承受的剪应力：，满足。上弦肢尖与节点板的连接焊缝的内力计算值为上弦内力的15%，设肢尖的焊缝=8mm，则节点一侧弦杆的
21、计算长度为：，焊缝应力为：（对杆H-I）偏心距为：e=140-25=115mm 8.支座节点“a” 腹杆“aB”的焊缝尺寸同节点“B”肢背：，肢尖：。节点板的厚度为12cm，所确定的节点板尺寸如图6.8.1，下弦杆焊脚尺寸为肢背：，肢尖：，竖杆焊脚尺寸肢背和肢尖均为 ，经验算焊缝满足要求。为了便于施焊，下弦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，加劲肋与节点板的高度相等，厚度为12mm。 支座底板的计算支座反力： R=8F=850.6kN=404.8kN,混凝土强度为C20，=9.6N/mm2 支座所需的净截面为：选择的支座底板的尺寸如图6.8.2。仅考虑有加
22、劲肋的部分承受支座反力，按照构造要求，取底板面积为ab=290mmx232mm由于290mmx232mm=42166.7mm42166.7mm，故底板的面积合适。 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四块，每块为两相邻边支撑而另两边自由的板。根据底板尺寸确定 ，/=0.474查表得的值为0.054。底板下的平均应力为：每块板的单位宽度的最大弯矩为：底板厚度：取t=18mm。加劲肋与节点板的焊接焊缝计算。 计算简图如图6.8.3假定一个加劲肋承受的力为支座反力的1/4，即加劲肋的计算内力为，则焊缝的内力为 设焊缝，焊缝的计算长度为：图6.8.1 加劲肋计算简图，则焊缝的应力：，满足。 节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。设焊缝传递全部的支座反力，每块加劲肋各传力为R/4=105780N，节点板传递的力为R/2=211560N。设节点板与焊缝的焊脚尺寸，则焊缝的计算长度我为：节点板的应力： 强度满足。加劲肋焊脚尺寸每块加劲肋与地板的连接焊缝长度为：加劲肋焊缝的应力为： 强度满足。
