土木工程三角形鋼結構課程設計

1、<p>　　三角形鋼屋架課程設計</p><p>　　1 三角形鋼屋架課程設計任務書</p><p><b>　　1.1 設計題目</b></p><p>　　設計某市郊區(qū)某機械加工單層單跨廠房的三角形屋架</p><p><b>　　1.2 設計資料</b></p>&l

2、t;p>　　某機械加工廠房，設有兩臺工作級別A4的軟鉤吊車，建筑平面示意圖如圖1所示，屋面材料采用上下兩層多波形壓型鋼板，中間用20mm厚礦渣棉板保溫層，屋面離地面高度約為20m。屋架兩端支撐于截面為400mm×400mm的鋼筋混凝土柱上，柱子的混凝土等級為C20。 圖1 建筑平面示意圖</p><p><b>　　1.3 設計題號&

3、lt;/b></p><p>　　設計題目如表1所示。</p><p>　　表1 三角形鋼屋架課程設計題號</p><p>　　各建筑地點的雪荷載標準值為：北京0.40；南寧0；上海0.20；重慶0；沈陽0.50；拉薩0.15。</p><p>　　各建筑地點的基本風壓：北京0.45；南寧0.35；上海0.55；重慶0.40；沈陽0.

4、55；拉薩0.30。</p><p><b>　　1.4 設計內容</b></p><p>　　（1）選擇鋼屋架的材料；</p><p>　　（2）確定鋼屋架的幾何尺寸；</p><p>　?。?）屋架及屋蓋支撐的布置；</p><p><b>　?。?）檁條的設計；</b>

5、</p><p>　?。?）鋼屋架的設計；</p><p>　　（6）繪制鋼屋架施工圖。</p><p><b>　　1.5 參考資料</b></p><p>　　（1）《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017~2003）。</p><p>　?。?）《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009~2001）。&

6、lt;/p><p>　?。?）《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011~2001）。</p><p>　?。?）《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB50068~2001）</p><p>　?。?）《建筑結構制圖標準》（GB—T50101—2001）</p><p>　?。?）《建筑結構設計術語和符號標準》（GB／T50083—97）</p&g

7、t;<p>　　（7）《鋼結構設計手冊》，羅邦富等，中國建筑工業(yè)出版社，1988。</p><p>　　（8）《鋼結構》（第二版），魏忠明主編，武漢理工大學出版社，2002。</p><p>　　2、三角形鋼屋架課程設計指導書</p><p>　　參見梯形鋼結構屋架課程實際指導書</p><p>　　3、三角形鋼屋架課程設計實例

8、</p><p><b>　　3.1 設計資料</b></p><p>　　三角形（芬克式）屋架跨度24m，間距6m，屋面材料為壓型鋼板（自重0.12），屋面坡度1／2.5，廠房長度為60m。基本風壓0.40，雪荷載為0，屋面高度為（平均約）20m，屋架支撐于鋼筋混凝土柱上。鋼材采用Q235—B,焊條采用E43型。</p><p>　　3.2

9、屋架尺寸和檁條、支撐布置</p><p><b>　　1、屋架尺寸</b></p><p>　　屋架計算跨度：=－300=27000－300=26700mm</p><p><b>　　屋面傾角： </b></p><p><b>　　屋架跨中的高度為：</b></

10、p><p><b>　　上弦長度：</b></p><p><b>　　節(jié)間長度： </b></p><p>　　節(jié)間水平投影長度：a==2127×0.9285=1975mm</p><p>　　屋架幾何尺寸見圖2。</p><p>　　圖2 屋架幾何尺寸（單位：mm）

11、</p><p><b>　　2.檁條和支撐布置</b></p><p>　　根據屋面材料的最大容許檁距，可將檁條布置于上弦節(jié)點上（見圖2），檁距為節(jié)間長度。在檁條的跨中設置一道拉條。</p><p>　　根據廠房總長度60m，跨度為24m，有中級工作制吊車及第一開間尺寸5.5m等因素，可在廠房兩端的第二開間設置一道上弦橫向水平支撐和下弦橫向水

12、平支撐，并在同一開間兩榀相鄰屋架的腹桿間設置兩道垂直支撐（在跨度1／3左右處各一道，見圖3）。</p><p>　　上弦檁條可兼做系桿，故不另設系桿，在下弦跨中央設置一道通長的柔性系桿。此外，在廠房兩端的第一開間下弦各設置三道剛性系桿（見圖3）。</p><p><b>　　3.3 檁條的設計</b></p><p>　　選用【12.6槽鋼截面

13、，由型鋼表查得，自重12.32kg／m≈0.12，=62.1，=10.2，=391。</p><p>　　1.荷載計算（對輕屋面，可只考慮可變荷載效應控制的組合）</p><p><b>　　永久荷載：（坡面）</b></p><p>　　壓型鋼板：0.12×2.127=0.26</p><p>　　檁條和拉條

14、： 0.12</p><p><b>　　=0.38</b></p><p>　　可變荷載：（檁條受荷水平投影面積為2.217×6=12.76，沒有超過60,故屋面均布活荷載取0.5，大于雪荷載，故不考慮雪荷載。）</p><p>　　=0.5×2.217=0.5×2.217×0.928

15、5=0.99</p><p>　　圖3 屋架支撐布置（單位;mm） </p><p>　?。╝）上弦橫向水平支撐；（b）下弦橫向水平支撐；（c）垂直支撐 </p><p>　　檁條均布荷載設計值：&l

16、t;/p><p>　　=+=1.2×0.38+1.4×0.99=1.84</p><p>　　==1.84×0.9285=1.71</p><p>　　==1.84×0.3714=0.68</p><p><b>　　2.強度驗算</b></p><p>　　彎

17、矩設計值（見圖4）：</p><p><b>　　圖4 彎矩圖</b></p><p>　　==×1.71×=8.00</p><p>　　==×0.68×=0.77</p><p>　　（因為在檁條的垮中設置了一道拉條）</p><p>　　檁條的最大應力

18、（拉應力）位于槽鋼下翼緣的肢尖處。</p><p><b>　　+=+</b></p><p>　　=186＜f=215</p><p><b>　　3.剛度驗算</b></p><p>　　只驗算垂直于屋面方向的撓度。</p><p><b>　　荷載標準值：&l

19、t;/b></p><p>　　+=0.38+0.99=1.37</p><p>　　= （+）=1.37×0.9285 =1.27</p><p><b>　　=×=＜</b></p><p>　　因有拉條，不必驗算整體穩(wěn)定性。故選用【12.6槽鋼檁條能滿足要求。</p><

20、;p>　　3.4屋架節(jié)點荷載計算</p><p>　　1.永久荷載（水平投影面）</p><p>　　壓型鋼板 0.12／0.9285=0.13</p><p>　　檁條和拉條 0.12／1.975=0.06</p><p>　　屋架和支撐自重 0

21、.12+0.11L=0.12+0.011×24=0.38</p><p><b>　　=0.57</b></p><p><b>　　2.屋面活荷載</b></p><p>　　屋面活荷載為0.5。</p><p><b>　　3.風荷載</b></p>

22、<p>　　風荷載高度變化系數為1.25，屋面迎風面的體型系數為－0.328，背風面為－0.5，所以負風壓的設計值為（垂直于屋面）</p><p>　　迎風面：=－1.4×1.25×0.328×0.4=-0.129</p><p>　　背風面：=－1.4×1.25×0.5×0.4=-0.265</p>&

23、lt;p>　　和均小于永久荷載（荷載分項系數取1.0）垂直與屋面的分量0.57×0.9285=0.53，所以永久荷載與風荷載聯合作用下不會使桿件的內力變號，故風荷載產生的內力的影響不予考慮。</p><p>　　4.屋架上弦在檁條處的集中荷載</p><p>　　屋架上弦在檁條處的集中荷載設計值由可變荷載效應控制的組合為</p><p>　　F=（1

24、.2×0.57+1.4×0.5）×6×1.975=16.4</p><p>　　3.5 屋架桿件內力計算</p><p>　　由于屋面坡度較小，風荷載為吸力，且遠小于屋面永久荷載，故其與永久荷載組合時不會增大桿件的內力，因此不予考慮。芬克式屋架在半跨活荷載作用下，腹桿內力不會變號，故只需按全跨永久荷載與全跨可變荷載組合計算屋架桿件的內力。</p

25、><p>　　屋架桿件內力計算可用圖解法或數解法進行。本例屋架為標準屋架，可直接由建筑結構設計手冊查得各桿件的內力系數，然后乘以節(jié)點荷載即為各相應桿件的內力。分別如表2和圖5 所示。</p><p>　　圖5 桿件內力圖（單位：kN）</p><p>　　表2 屋架桿件內力計算表</p><p>　　注：負為受壓，正為受拉。</p>

26、<p>　　3.6 桿件截面的選擇</p><p>　　弦桿端節(jié)間最大內力為－242.9，由焊接屋架節(jié)點板厚度選用表，可選用屋架中間節(jié)點板厚度為8mm，支座節(jié)點板厚度為10mm。</p><p><b>　　1.上弦桿</b></p><p>　　整個上弦桿不改變截面，按最大內力計算。</p><p>　　=

27、－242.9，=212.7cm，=2=2×212.7=425.4cm。選用2∟90×7組成的T形截面，節(jié)點板厚為8mm，查型鋼表得</p><p>　　A=2×12.3=24.6，=2.78cm，=4.0cm</p><p><b>　　= =＜=150</b></p><p>　　= = ＜=150</p

28、><p>　　根據==106.4查表得=0.515，則</p><p>　　= =2 ＜=215</p><p><b>　　故選擇截面合適。</b></p><p><b>　　2.下弦桿</b></p><p>　　下弦桿也不改變截面，按最大內力計算。=+225.5，屋架平面

29、內的計算長度取最大節(jié)間長度，即=497.6cm。因屋架下弦在跨中央設有一道通長的系桿，故屋架平面外的計算長度取側向固定點間的距離，即=1185cm。</p><p>　　所需截面面積為：===1049=10.49</p><p>　　選用2∟75×50×5短肢相連的T形截面，由型鋼表查得</p><p>　　==2×6.13=12.26

30、,=1.44cm，=3.86cm</p><p>　　===183.9＜=215</p><p>　　= ==346＜=350</p><p>　　= ==322＜=350</p><p><b>　　故所選截面合適。</b></p><p><b>　　3.腹桿</b>&

31、lt;/p><p><b>　　DI桿</b></p><p>　　=－45.8,=0.8=0.8×255.5=204.4cm，==255.5cm</p><p>　　選用2∟50×4，A=2×3.9=7.8，=1.54cm，=2.35cm。</p><p>　　==133＜=150</p

32、><p>　　==108.7＜=150</p><p>　　根據==133，查表得=0.375，則</p><p>　　==156.6＜=215</p><p><b>　　所選截面合適。</b></p><p>　　（2）BH、CH、EK、FK桿</p><p>　　N=-1

33、9.8，=166.4cm</p><p>　　選用∟50×4單角鋼截面，A=3.9，=0.99cm，則</p><p>　　=0.9=0.9×166.4=149.8cm</p><p>　　===151≈=150</p><p>　　由=151，查表得=0.304。</p><p>　　單角鋼單面連

34、接計算構件穩(wěn)定性時強度設計值折減系數為</p><p>　　==0.6+0.0015=0.6+0.0015×151=0.83</p><p>　　==167＜=0.83×215=178.5</p><p>　　故所選截面滿足要求。</p><p><b>　?。?）HD、DK桿</b></p&g

35、t;<p>　　N=+41，=343.7cm</p><p>　　選用∟45×4單角鋼截面，A=3.49，=0.89cm，</p><p>　　=0.9=0.9×343.7=309cm</p><p>　　===347.2＜=350</p><p>　　單角鋼單面連接計算構件強度時的強度設計值折減系數=0.8

36、5，則===117.5＜=0.85×215=182.8</p><p>　　故所選擇的截面合適。</p><p><b>　　（4）IK、KG桿</b></p><p>　　兩根桿件采用相同的截面，用按最大內力=102.5計算，==343.7cm，=2=2×343.7=687.4cm</p><p>

37、　　選用2∟45×4，A=2×3.49=6.98，=1.38cm，=2.16cm。</p><p>　　==249.1＜=350</p><p>　　==318.2＜=350</p><p>　　===146.8＜=215</p><p><b>　　所選截面合適。</b></p>&l

38、t;p><b>　　（5）GJ桿。</b></p><p>　　N=0, =474cm</p><p>　　對有連接垂直支撐的屋架WJ—2，采用2∟56×4組成十字形截面，并按受壓支撐驗算其長細比。=0.9=0.9×474=426.6cm，=2.18cm</p><p>　　== =195.7＜=200</p&g

39、t;<p><b>　　故滿足要求。</b></p><p>　　對不連接垂直支撐的屋架WJ—1，選用∟56×4單角鋼，并按受拉支撐驗算其長細比，=1.11cm。== =384.3＜=400故滿足要求。</p><p>　　屋架各桿件截面選擇情況見表3。</p><p>　　表3 屋架桿件界面選擇</p>

40、<p><b>　　3.7 節(jié)點設計</b></p><p>　　本例只選擇幾個有代表性的、重要的節(jié)點進行計算，其余節(jié)點的計算過程從略，可參見屋架施工圖。</p><p><b>　　屋脊節(jié)點（見圖6）</b></p><p>　　腹桿GK與節(jié)點板的連接焊縫，查表得=160（以下同），取肢背和肢尖的焊腳尺寸分別為

41、=5mm和=4mm，則桿端所需的焊縫長度分別為</p><p>　　肢背：=+10=+10= ＋10=71.3mm</p><p><b>　　故取=80mm。</b></p><p>　　圖6 屋脊節(jié)點（單位：mm）</p><p>　　故肢尖：=+8=+8=＋8=45.8mm</p><p>

42、<b>　　取=50mm。</b></p><p>　　拼接角鋼采用與上弦桿等截面，肢背處削棱，豎肢切去V=t++5=17mm，取V=20mm，并將豎肢切口后經熱彎成型用對接焊縫焊接。拼接接頭一側所需的焊縫計算長度為</p><p><b>　　===95mm</b></p><p><b>　　拼接角鋼的總長度

43、為</b></p><p>　　=2（+10）+d=2（95+10）＋50=260mm</p><p>　　上弦桿與節(jié)點板的塞焊縫，假定承受節(jié)點荷載F／2，驗算從略。上弦肢尖與節(jié)點板的焊縫連接按弦桿內力的15%計算，且考慮由此產生的偏心彎矩作用（偏心距e=65mm）。設肢尖焊縫焊腳尺寸=5mm，節(jié)點板總長度為660mm，則節(jié)點一側弦桿焊縫的計算長度為</p>&l

44、t;p>　　=（660／2）／-20-10＝（660/2）/0.9285－20－10=325mm</p><p><b>　　焊縫應力為</b></p><p><b>　　===14</b></p><p><b>　　===16.8</b></p><p>　　==2

45、0.3＜=160</p><p>　　由以上計算結果可知，因弦桿與節(jié)點板的連接焊縫受力不大，且連接長度較大，故可按照構造進行滿焊，不必計算。</p><p>　　2.下弦拼接節(jié)點（見圖7）</p><p>　　圖7 下弦拼節(jié)點（單位：mm）</p><p>　　屋架跨度24m超過運輸界限，故將屋架分為兩個運輸單元，在屋脊節(jié)點G和下弦節(jié)點I處

46、設置工地拼接。腹桿桿端與節(jié)點板的焊縫連接按IK和ID中最大內力=61.5計算。</p><p>　　設肢背和肢尖的焊腳尺寸均取=4mm，則桿端所需的焊縫長度分別為</p><p>　　肢背：=+8=+8=+8=54mm</p><p><b>　　故取60mm。</b></p><p>　　肢尖：=+8= +8=+8=3

47、0.7mm</p><p>　　故按構造取50mm。</p><p>　　弦桿與節(jié)點板的連接焊縫按弦桿內力與的內力差計算，因為內力差較小，按構造布置焊縫即可滿足要求，不必計算。</p><p>　　拼接角鋼采用與下弦桿相同截面，肢背處削棱，豎肢切去V=t++5=15mm。按拼接焊縫與桿件等強度原則，接頭一側所需的焊縫計算長度為</p><p>

48、;<b>　　= ==117mm</b></p><p><b>　　故取120mm。</b></p><p>　　拼接角鋼所需總長度為=2（+10）+10=2（120+10）+10=270mm</p><p>　　3.上弦節(jié)點D（見圖8）</p><p>　　圖8 上弦節(jié)點D（單位：mm）<

49、/p><p>　　各腹桿桿端與節(jié)點板的焊縫計算從略，節(jié)點板的形狀和尺寸如圖8所示。</p><p>　　上弦肢背塞焊縫承受檁條傳來的集中荷載（節(jié)點荷載）F，取節(jié)點板縮進肢背5mm，</p><p>　　=t／2=4mm，則===3.5＜0.8=128</p><p>　　肢尖與節(jié)點板的焊縫承受弦桿的內力差為</p><p>

50、;　　=-=-230.8+224.7=-6.1</p><p>　　偏心距e=65mm，且節(jié)點板長度較大，故可不作計算，按構造要求布置焊縫進行滿焊即可滿足條件。</p><p>　　支座節(jié)點。（見圖9）</p><p>　　圖9 支座節(jié)點（單位：mm）</p><p>　　屋架支撐與鋼筋混凝土柱上，混凝土強度為C20，=10為便于施焊，取下弦

51、軸線至支座底板上表面的距離為160mm，并設置圖3.10所示加勁肋。下弦桿端與節(jié)點板的焊縫取肢背和肢尖的焊縫尺寸分別為=6mm和=4mm，則所需焊縫長度為</p><p>　　肢背：=+12= +12=+12=125mm</p><p><b>　　故取130mm。</b></p><p>　　肢尖：=+8= +8=+8=83mm</p&

52、gt;<p>　　故按構造取90mm。</p><p>　　上弦桿端與節(jié)點板的焊縫，由于焊縫長度較大，可不必計算，按構造要求即可。</p><p><b>　　支座底板計算。</b></p><p><b>　　支座反力為</b></p><p>　　R=6F=6×16.4=

53、98.4</p><p>　　支座底板尺寸取a×b=250mm×250mm,采用M22錨栓，并用圖示U形缺口。柱頂混凝土的壓應力為</p><p>　　===22.3＜=160</p><p>　　底板的厚度按屋架反力作用下的彎矩計算。支座節(jié)點板和加勁肋將支座底板分成四塊，每塊板均為兩相鄰邊固定支撐而另兩相鄰邊自由的板。</p>&

54、lt;p>　　兩支撐邊之間的對角線長度為</p><p><b>　　==170mm</b></p><p>　　兩支撐邊之間的交點到對角線的垂直距離為</p><p><b>　　=／2=85mm</b></p><p>　?。?85／170=0.5，查表得=0.058，則</p>

55、;<p>　　M==0.058×1.79×170×170=3000.4</p><p>　　底板所需厚度（按厚度t在16~40范圍取值）：</p><p><b>　　t==9.4mm</b></p><p><b>　　故取t=20mm</b></p><p

56、>　?。?）加勁肋與節(jié)點板的連接焊縫</p><p>　　圖10 加勁肋的計算簡圖（單位：mm）</p><p>　　加勁肋與節(jié)點板的連接焊縫計算與牛腿焊縫相似，如圖10所示。假定一塊加勁肋的受力為屋架支座反力的1／4，即</p><p>　　V=R／4==24.6</p><p><b>　　M===147.6</b&

57、gt;</p><p>　　加勁肋厚度采用10mm，焊腳尺寸取6mm，焊縫計算長度為=180-15×2=138mm</p><p><b>　　則焊縫應力為：</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p>

58、<p>　　=50.1＜=160</p><p>　　加勁肋、節(jié)點板與支座底板的連接焊縫。圖10所示切口寬度為15mm，兩條節(jié)點板和四條加勁肋焊縫的總長度為</p><p>　　=2（250-10）+4（125-5-15-10）=860mm</p><p>　　===22.3＜=160</p><p><b>　　故滿足