1、一、 課程設計名稱梯形鋼屋架設計二、 課程設計資料北京地區某金工車間，采用無檁屋蓋體系，梯形鋼屋架。跨度為27m，柱距6m，廠房高度為15.7m，長度為156m。車間內設有兩臺200/50kN中級工作制吊車，計算溫度高于-20。采用三氈四油，上鋪小石子防水屋面，水泥砂漿找平層，厚泡沫混凝土保溫層，1.5m×6m預應力混凝土大型屋面板。屋面積灰荷載為0.4kN/，屋面活荷載為0.4kN/，雪荷載為0.4kN/，風荷載為0.45 kN/。屋架鉸支在鋼筋混凝土柱上，柱截面為400mm×400mm，混凝土標號為C20。設計荷載標準值見表（單位：kN/）。表1防水層找平層保溫層找平層

2、混凝土屋面板0.40.40.10.51.4三、 鋼材和焊條的選用根據北京地區的計算溫度、荷載性質和連接方法，屋架剛材采用 Q235沸騰鋼，要求保證屈服強度 fy、抗拉強度 fu、伸長率和冷彎實驗四項機械性能及硫（S）、磷（P）、碳（C）三項化學成分的合格含量。焊條采用 E43型，手工焊。四、 屋架形式和幾何尺寸屋面材料為預應力混凝土大型屋面板，采用無檁屋蓋體系，平坡梯形鋼屋架。屋面坡度屋架計算跨度屋架端部高度取：。跨中高度：。屋架高跨比：。屋架跨中起拱取50 mm。為了使屋架節點受荷,配合屋面板1.5m寬，腹桿體系大部分采用下弦節間水平尺寸為3.0m的人字形式，上弦節間水平尺寸為 1.5m，屋

3、架幾何尺寸如圖 圖1：27米跨屋架幾何尺寸五、 屋蓋支撐布置根據車間長度、跨度及荷載情況，在車間兩端 5.5m 開間內布置上下弦橫向水平支撐，在設置橫向水平支撐的同一開間的屋架兩端及跨中布置三道豎向支撐，中間各個屋架用系桿聯系，在屋架兩端和中央的上、下弦設三道通長系桿，其中：上弦屋脊節點處及屋架支座出的系桿為剛性系桿（圖2），安裝螺栓采用 C 級，螺桿直徑：d=20mm，螺孔直徑：d0=21.5mm。符號說明：GWJ-（鋼屋架）；SC-（上弦支撐）：XC-（下弦支撐）； CC-（垂直支撐）；GG-（剛性系桿）；LG-（柔性系桿）六、 荷載計算屋面活荷載與雪荷載不會同時出現，計算時，取較大的荷載

4、標準值進行計算。故取屋面活荷載0.4kN/進行計算。屋架沿水平投影面積分布的自重（包括支撐）按經驗公式計算，跨度L單位為m,荷載計算結果見表1。表 1 荷 載 計 算 表荷載名稱標準值（kN/）設計值（kN/）預應力混凝土大型屋面板1.41.4×1.21.68三氈四油上鋪小石子防水層0.40.4×1.20.48水泥砂漿找平層0.40.4×1.20.48厚泡沫混凝土保溫層0.10.1×1.20.12找平層0.50.5×1.20.6屋架和支撐自重0.12+0.011×27=0.4170.417×1.20.50永久荷載總和3.21

5、73.86屋面活荷載0.40.4×1.40.56積灰荷載0.40.4×1.40.56可變荷載總和0.81.12設計屋架時應考慮以下三種荷載組合情況：6.1.全跨永久荷載 + 全跨可變荷載全跨節點永久荷載及可變荷載：6.2.全跨永久荷載 + 半跨可變荷載全跨節點永久荷載：半跨節點可變荷載：6.3.全跨屋架（包括支撐）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載:全跨節點屋架自重：半跨節點屋面板自重及活荷載：6.1、6.2為使用節點荷載情況，6.3為施工階段荷載情況。七、 內力計算由圖解法或數解法解得F1的屋架各桿件的內力系數（F1作用于全跨、左半跨和右半跨）。然后求出各種荷載情況下的

6、內力進行組合，計算結果見表2。表2 屋架桿件內力組合表桿件名稱內力系數（F=1）內力組合值計算桿內力(kN)全跨左半跨右半跨第一種組合F×第二種組合第三種組合F1×+ F2×F1×+ F2×F3×+ F4×F3×+ F4×上弦AB000000000.0 BC-9.97-7.19-2.79-446.9 -418.8 -374.5 -120.4 -74.2 -446.9 CD-9.97-7.19-2.79-446.9 -418.8 -374.5 -120.4 -74.2 -446.9 DE-15.8-10.7

7、5-5.06-708.2 -657.3 -599.9 -184.0 -124.2 -708.2 EF-16.38-11.33-5.06-734.2 -683.2 -620.0 -192.7 -126.8 -734.2 FG-16.38-11.33-5.06-734.2 -683.2 -620.0 -192.7 -126.8 -734.2 GH-18.67-11.05-7.62-836.8 -760.0 -725.4 -200.0 -164.0 -836.8 HI-19.17-11.05-7.62-859.2 -777.3 -742.8 -202.3 -166.3 -859.2 IJ-19.17

8、-11.54-7.62-859.2 -782.3 -742.8 -207.4 -166.3 -859.2 下弦ab5.363.961.41240.2 226.1 200.4 65.7 38.9 240.2 bc13.319.343.97596.6 556.5 502.4 158.0 101.6 596.6 cd18.2411.426.82817.5 748.8 702.4 202.0 153.7 817.5de17.818.98.9798.2 708.4 708.4 173.6 173.6 798.2斜腹桿aB-10.05-7.42-2.63-450.4 -423.9 -375.6 -123.

9、1 -72.8 -450.4Bb7.955.572.38356.3 332.3 300.2 94.3 60.8 356.3bD-6.47-4.18-2.29-290.0 -266.9 -247.9 -73.0 -53.2 -290Dc4.612.592.02206.6 186.3 180.5 47.9 42.0 206.6cf-3.5-1.01-2.49-156.9 -131.8 -146.7 -26.4 -41.9 -156.9fG-2.69-0.21-2.49-120.6 -95.6 -118.5 -14.3 -38.3 -120.6Ef0.730.73032.7 32.7 25.4 11

10、.0 3.3 32.7Gd0.72-0.931.6632.3 15.6 41.7 -6.5 20.7 -6.541.7dg1.153.13-1.9751.5 71.5 20.1 38.0 -15.5 -15.571.5gJ1.893.87-1.9784.7 104.7 45.8 49.1 -12.2 -12.2104.7Hg0.670.67030.0 30.0 23.3 10.1 3.0 30豎桿Aa-0.5-0.50-22.4 -22.4 -17.4 -7.5 -2.3 -22.4Cb-1-10-44.8 -44.8 -34.7 -15.0 -4.5 -44.8Ec-1.5-1.50-67.

11、2 -67.2 -52.1 -22.5 -6.8 -67.2Ff-1-10-44.8 -44.8 -34.7 -15.0 -4.5 -44.8Hd-1.5-1.50-67.2 -67.2 -52.1 -22.5 -6.8 -67.2Ig-1-10-44.8 -44.8 -34.7 -15.0 -4.5 -44.8Je000000000八、 桿件設計8.1上弦桿整個上弦采用等截面，按HI、IJ桿件的最大設計內力設計。N-859.2kN上弦桿計算長度：在屋架平面內：為節間軸線長度在屋架平面外：本屋架為無檁體系，并且認為大型屋面板只起到剛性系桿作用，根據支撐布置和內力變化情況，取為支撐點間的距離，即

12、根據屋架平面外上弦桿的計算長度，上弦截面選用兩個不等肢角鋼，短肢相并。腹桿最大內力N-450.4kN，查表得，中間節點板厚度選用12mm，支座節點板厚度選用14mm。設，查Q235鋼的穩定系數表，可得（由雙角鋼組成的T型和十字形截面均屬于b類），則需要的截面積：需要的回轉半徑： 根據需要A、查角鋼規格表，選用2L160×100×10，肢背間距a12mm，則A50.6，按所選角鋼進行驗算： ， 滿足長細比的要求。由于，只需求，查表0.818，則所選截面合適，上弦截面如圖所示：圖7：上弦截面8.2下弦桿整個下弦桿采用同一截面，按最大內力所在的cd桿計算。N=817.5kN，所需

13、截面積為（因跨中有通長系桿）:選用2L160×100×10，因故用不等肢角鋼，短肢相并。A50.6， ，所以滿足要求。下弦截面如圖：圖8.下弦截面8.3斜桿按端斜桿aB最大設計內力設計。桿件軸力： 計算長度： 因為，故采用等肢角鋼，使。選用2L100×10。則:A38.52， 由于，只需求。查表0.668，則:，故所選截面合適。端斜桿截面如圖：圖9.端斜桿截面8.4腹桿腹桿cf-fG在f節點處不斷開，采用通長桿件。,再分式桁架中的斜腹桿，在桁架平面內的計算長度取節點中心間距，在桁架平面外的計算長度：選用2L110×10，查角鋼規格表得A45.52， 由于

14、，只需求。查表0.458，則:再分腹桿截面如圖：圖9：再分腹桿截面8.5豎桿Hd，由于桿件內力較小，按選擇，需要的回轉半徑為，查型鋼表，選截面的和較上述計算的和略大些。選用2L63×5，其幾何特性為：A12.29， 由于，只需求。查表0.406，則:豎桿截面如圖：圖10：豎桿截面其余各桿件的截面選擇結果見表3。表3 屋 架 桿 件 截 面 選 擇 表名稱桿件編號內力/kN計算長度/cm截面規格截面面積/回轉半徑/cm長細比容許長細比穩定系數計算應力上弦HI、IJ-859.2150.8452.2160×100×1050.62.857.7852.958.11500.8

15、18207.6下弦cd817.54501335160×100×1050.62.857.78157.9171.63500.246161.6腹桿aB-450.4253253100×1038.523.054.6083.055.01500.668175.0Bb356.3262.2262.2100×1038.523.054.6085.957.01500.648142.7bD-290287.3287.3100×1038.523.054.6094.262.51500.594126.7Dc206.6287.3287.3100×1038.523.054

16、.6094.262.51500.59490.3cf-156.9208.7393.3110×1045.523.385.00115.978.651500.45872.3fG-120.6208.7393.3110×1045.523.385.00115.978.651500.45857.85Ef32.718918963×512.291.943.0497.462.21500.57546.3Gd-6.541.7326.5326.563×512.291.943.04168.3107.41500.254133.6dg-15.571.5224.9425.963×

17、512.291.943.04115.9140.11500.34185.2gJ-12.2104.7224.9425.963×512.291.943.04115.9140.11500.34185.2Hg30203.5203.563×512.291.943.04104.966.91500.52346.67豎桿Aa-22.4161.2201.563×512.291.943.0483.166.31500.66827.3Cb-44.818423063×512.291.943.0494.875.71500.58862.0Ec-67.220826063×512

18、.291.943.04107.285.51500.511107.0Ff-44.810413063×512.291.943.0453.642.81500.83843.5Hd-67.224430563×512.291.943.04125.8100.31500.406134.7Ig-44.8122152.563×512.291.943.0462.950.21500.79146.1九、 節點設計采用E43 焊條時，角焊縫的抗拉、抗壓和抗剪強度設計值。9.1下弦節點“b”設 bB 桿的肢背和肢尖焊縫 ，所需焊縫長度為：肢背：肢尖：取，。設 bD桿的肢背和肢尖焊縫 ，所需焊縫

19、長度為：肢背：肢尖：取，。bC桿的內力很小，焊縫尺寸可按構造確定，取。根據以上求得的焊縫長度，并考慮桿件之間的間隙以及制作、裝配等誤差，按比例作出節點詳圖（見圖11），從而確定節點板的尺寸為280×340mm。下弦與節點板連接到焊縫長度為340mm，焊縫承受節點左、右弦桿的內力差NNbc-Nab596.6-240.2356.4kN。驗算肢背焊縫的強度：圖11：下弦節點“b”9.2上弦節點“B”斜桿Bb與節點板連接焊縫計算，與下弦節點b中Bb桿計算相同。斜桿Ba與節點板連接焊縫計算：N=-450.4kN。設 “aB”桿的肢背與肢尖的焊腳尺寸分別為10mm和6mm。所需焊縫長度為肢背：肢

20、尖：取，。為了便于在上弦上擱置大型屋面板，上弦節點板的上邊緣可縮進上弦肢背8mm。用槽焊縫將上弦角鋼和節點板連接起來。槽焊縫作為兩條角焊縫計算，槽焊縫強度設計值乘以0.8的折減系數。計算時可略去屋架上弦坡度的影響，而假定集中荷載P與上弦垂直。上弦肢背槽焊縫內的應力由下面計算得到：肢尖焊縫承擔弦桿內力，肢背采用塞焊縫，承受節點荷載。上弦與節點板間焊縫長度為460mm，則節點如圖:圖12：上弦節點“B”9.3屋脊節點“J”弦桿一般用與上弦桿同號角鋼進行拼接，為使拼接角鋼與弦桿之間能夠密合，并便于施焊，需將拼接角鋼進行切肢、切棱。拼接角鋼的這部分削弱可以靠節點板來補償。拼接一側的焊縫長度可按弦桿內力

21、計算。N=-859.2kN。設肢尖、肢背焊腳尺寸為 10mm。則需焊縫長度為,取拼接角鋼長度取 600>2×260=520mm上弦與節點板間的槽焊，假定承受節點荷載，驗算略。上弦肢尖與節點板的連接焊縫,應按上弦內力的15%計算。設肢尖焊縫,節點板長度為500mm，節點一側弦桿焊縫的計算長度為。焊縫應力為：節點形式如圖:圖12：屋脊節點“J”9.4下弦跨中節點“e”跨中起拱 50mm，下弦接頭設于跨中節點處，連接角鋼取與下弦桿相同截面2L160×100×10，焊縫長度：，取=300mm。拼接角鋼長度。弦桿與節點板連接焊縫計算：按下弦桿內力的15%計算。設肢背、肢尖焊腳尺寸為8mm，弦桿一側需焊縫長度為肢背：，取=90mm肢尖，按構造要求，取焊縫長度50mm，取=60mm節點板寬度是由連接豎桿的構造要求所決定的，按比例繪出節點詳圖，從而確定節點板尺寸。焊縫強度滿足要求。節點形式如圖:圖13：下弦跨中節點“e”9.5端部支座節點“a”為了便于施焊，下弦桿角鋼水平肢的底面與支座底板的凈距離取160mm。在節點中心線上設置加勁肋，加勁肋的高度與節點板的高度相等，厚度14mm。（1）支座底板的計算 支座反力： 設支座底板的平面尺寸采用，如僅考慮有加勁肋部分的底板承受支座反力，則承壓面積為。驗算柱頂混凝土的抗壓強度：式中：混凝土強度設計值，對C20混凝土