1、輕型屋面三角形鋼屋架設(shè)計說明書設(shè)計人：覃樹方 指導(dǎo)老師：付建科老師一 設(shè)計資料及選擇屋架形式與材料設(shè)計一位于杭州市郊的單跨封閉式屋架結(jié)構(gòu)。單跨屋架總長度為36m，柱距4m，跨度為12m；屋面材料為波形石棉瓦，規(guī)格：1820×725×8。其它主要參數(shù)：坡度，i=1：2.5，恒載，0.9kN/，活（雪）載，0.3 kN/。屋架支撐在鋼筋混泥土柱頂，混泥土標號為C20，柱頂標高6m。鋼材標號：Q235-B.F。其設(shè)計強度為f=215 kN/.焊條采用E43型，手工焊接。載荷分布系數(shù)取G=1.2,Q=1.4。二 屋架形式及幾何尺寸根據(jù)所用屋面材料的排水需求及跨度參數(shù)，采用芬克式十二

2、節(jié)間三角形屋架。屋面坡度為i=1/2.5,屋面傾角=arctg（1/2.5）=21.8°sin=0.3714，cos=0.9285屋架計算跨度： l0=l2�mm屋架跨中高度：h= l0/5=2340mm上弦長度：L= l0/(2 cos)6300mm節(jié)間長度：a=L/4 =6300/4=1575mm節(jié)間水平段投影尺寸長度：a=acos=1575×0.92851462mm根據(jù)幾何關(guān)系，得屋架各桿件的幾何尺寸如圖1所示三 屋蓋支撐布置（一）屋架的支撐，如圖21.在房屋兩側(cè)第一個柱間各設(shè)置一道上弦平面橫向支撐和下弦平面支撐；2.因為屋

3、架的跨度大于18m，固設(shè)置兩道垂直支撐【1】，位于屋架的長壓桿D-2和D-2。3.因其為有檁屋架，在屋架的下弦節(jié)點2和2各設(shè)置一道長柔性系桿，以與垂直支撐相協(xié)調(diào)?！?】（二）屋面檁條及其支撐1.檁條波形石棉瓦長1820mm，要求搭接長度150mm，且每張至少需要三個支承點，因此檁條最大間距： ，半跨屋面所需檁條數(shù)：根考慮到上弦平面橫向支撐節(jié)點處必須設(shè)置檁條，實際取半跨屋面檁條數(shù) =10根，以便于布置。則檁條間距： 小于最大檁條間距 可滿足要求1） 內(nèi)力計算檁條的線載荷= psin=1.05×0.37140.39 kN/m= pcos=1.05×0.92850.97 kN/m

4、彎矩設(shè)計值由于檁條跨距等于4m，可不設(shè)拉條【1】檁條在剛度最大平面內(nèi)的跨中彎矩Mx=qyl2/8=0.97×42/8=1.94kN·m檁條在剛度最小平面內(nèi)的跨中彎矩My=qxl2/8=0.39×42/8=0.78 kN·m2） 截面選擇及強度計算選用輕型槽鋼8，查表可得Wx=25.3cm3，Wy=5.79 cm3，Ix=101.3cm4。計算截面無孔洞削減，屋面能阻止檁條失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)，截面塑性發(fā)展系數(shù)x=1.05，y=1.20，截面最大應(yīng)力（拉應(yīng)力）位于槽鋼下翼緣肢尖處：= kN/m2<215 kN/m2=故能滿足要求。3） 剛度驗算沿y軸載荷標準值

5、pky=qkcos=0.840×0.9285=0.78kN/m；計算撓度vy=5pkyl4/384EIx =12.46mm4000/150=26.67mm，故能滿足剛度要求四 屋架的內(nèi)力計算（一）桿件的軸力載荷計算：屋面水平投影面上的載荷設(shè)計值：q = 1.2×0.9+1.4×0.3 =1.5kN/為求桿件軸力，把載荷轉(zhuǎn)化為勻節(jié)點荷載：p=qas=1.5×1.462×4=8.77kN。由于屋架及荷載的對稱性，只需計算半個屋架的桿件軸力。根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)靜力計算手冊查得八節(jié)間芬克式屋架內(nèi)力系數(shù)和計算出內(nèi)力如表1和圖3.桿件名稱桿件內(nèi)力系數(shù)內(nèi)力設(shè)計值

6、（kN）上弦AB-9.42-82.61BC-9.05-79.37CD-8.68-76.12DE-8.31-72.88下弦A-18.7576.741-27.5065.782-35.0043.85腹板B-1,D-6-0.93-8.16C-2-1.86-16.31C-1,C-61.2510.962-62.5021.93E-63.7532.89表1 (二)上弦桿的彎矩令M0為視上弦節(jié)間桿段為簡支梁時的最大彎矩。則實際上弦桿端節(jié)間最大正彎矩：M1=0.8 M0，其它節(jié)間最大正彎矩和節(jié)點負彎矩為M2=±0.6 M0。上弦桿節(jié)間集中載荷P=qas/3=1.5×4×1.462/3

7、=2.92kNM0=Pa/3=2.92×1.462/3=1.42 kN·m端節(jié)間最大正彎矩M1=0.8 M0=0.8×1.42=1.136 kN·mM2=±0.6 M0=±0.6×1.42=±0.852 kN·m五 屋架截面設(shè)計在設(shè)計桿件截面前，必須首先確定所選節(jié)點板的厚度。在三角形屋架中，節(jié)點板厚度與弦桿的最大內(nèi)力有關(guān)。根據(jù)弦桿最大內(nèi)力Nmax=82.61，查焊接屋架節(jié)點板厚度選用表【設(shè)計手冊】可選擇支座節(jié)點板厚8mm，其它節(jié)點板厚6mm。（一）上弦桿 整個上弦桿采用等截面通長桿，以避免采用不同截面時的

8、桿件拼接。彎矩作用平面內(nèi)的計算長度 l0x=157.5cm側(cè)向無支撐長度 l1=2×157.5=315 cm首先，試選上弦截面為2L70×6，其主要參數(shù)查表有：A=16.32cm2，r=8mm，ix=2.15cm，iy=3.18cm，Wxmax=38.78cm3，Wxmin=14.95cm3.截面塑性發(fā)展系數(shù)x1=1.05， x2=1.201.剛度驗算驗算條件kN/mm2取A-B段上弦桿（最大內(nèi)力桿段）驗算：軸心壓力 N=82.61kN 最大正彎矩（節(jié)間） Mx= M1=1.136 kN·m 最大負彎矩（節(jié)點） Mx= M2=0.852 kN·m正彎矩截

9、面負彎矩截面 故上弦桿強度滿足要求。2.彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性計算應(yīng)按下面規(guī)定計算:（1）對角鋼水平肢1 （2）對角鋼豎直肢 因考慮桿段相當(dāng)于兩端支承的構(gòu)件，桿上同時作用有端彎矩和橫向載荷并使構(gòu)件產(chǎn)生反向曲率的情況，故按規(guī)范?。旱刃澗叵禂?shù) mx=0.85 屬于b類截面，查表有x=0.729 歐拉臨界應(yīng)力 桿段A-B軸心壓力 N=82.61kN 用最大正彎矩進行驗算： Mx=M1=1.136kN·m， W1x=Wxmax=38.78cm3，W2x= Wxmin=14.95 cm3 用最大負彎矩進行驗算： Mx=M2=0.852kN·m， x=x2=1.20 W1x=Wxmi

10、n=14.95cm3， 則可知平面內(nèi)長細比和穩(wěn)定性能滿足要求。3 彎矩作用平面外的穩(wěn)定性驗算條件，因側(cè)向無支撐長度l1為3150mm，故應(yīng)驗算上弦桿A-B-C段在彎矩作用下面外的穩(wěn)定性。等效彎矩系數(shù) tx=mx=0.85軸心壓力 N1=82.61kN N2=79.37kN計算長度 l0y=l1（0.75+0.25）=315(0.75+0.25)=318.21cm0y=屬于b類截面，查表得，y=0.555用最大正彎矩進行驗算。Mx=M1=1.136kN·m， W1x=Wxmax=38.78cm3對彎矩使角鋼水平肢受壓的雙角T形截面，查相關(guān)規(guī)范得整體穩(wěn)定系數(shù)b可下式進行計算：b=1-0.

11、0017y=1-0.0017×100.1×1=0.829得用最大負彎矩進行驗算：Mx=M2=0.852kN·m， W1x=Wxmin=14.95cm3對彎矩使角鋼水平肢受壓的雙角T形截面，查相關(guān)規(guī)范得整體穩(wěn)定系數(shù)b=1.0。得平面外長細比和穩(wěn)定性均滿足要求。4.局部穩(wěn)定驗算條件：翼緣自由外伸寬厚比 腹板高厚比h0/tw應(yīng)滿足 當(dāng)01.0時，當(dāng)01.0時，由2L70×6組成的T形截面壓彎構(gòu)件：翼緣滿足局部穩(wěn)定要求，且前面的計算所取x分別為1.05和1.20無誤。 腹板 亦滿足要求。所選上弦桿截面完全滿足各項要求，截面適用。（一）下弦桿（軸心受力桿件）整個下

12、弦桿不改變截面，采用等截面通長桿。在下弦節(jié)點2處，下弦桿角鋼水平肢上開有直徑為17.5mm的安裝螺栓孔。因此，計算下弦桿強度時，必須考慮及此。此外，選截面時還要求角鋼水平肢（開孔肢）的邊長63mm，以便開d0=17.5mm的孔。首先按桿段A-1（該截面上無孔）的強度條件和下弦桿的長細比條件選擇截面。桿段A-1的軸心拉力 N=76.74kN下弦桿的計算長度l0x=245.6cm（取下弦桿2-3段的長度）l0y=2×245.6=491.2cm需要 選用2L63×4，其截面相關(guān)參數(shù)為A=8.12cm2，r=8mm，ix=1.96cm，iy=2.87cm，Wxmax=11.44cm

13、3，Wxmin=3.39cm3.截面塑性發(fā)展系數(shù)x1=1.05， x2=1.20.1.長度驗算桿段A-1：An=A=8.12 cm2，桿1-2：則下弦桿的強度滿足要 求2.長細比驗算下弦桿長細比滿足要求，所以所選下弦桿截面適用。（三）腹板（軸心受力桿件）1.短壓桿B-1,D-6 N=8.16kN因內(nèi)力較小、桿件較短，擬采用單角鋼截面、通過節(jié)點板單面連接。先按長細比要求試選截面，然后進行驗算。斜平面計算長度 l0=0.9l=0.9×63=56.7cm需要 選用1L30×3，A=1.75cm2，imin=iy0=0.59cm令 屬b類截面，查表有 =0.581單面連接的角鋼構(gòu)件

14、按軸心受壓計算穩(wěn)定性時的強度設(shè)計值折減系數(shù) R=0.6+0.0015=0.6+0.0015×96.1=0.744 Rf=0.744×215=160N/mm2 故所選截面滿足要求。2.長壓桿C-2N=16.31kN l=126cm計算長度 l0x=0.8l=0.8×126=100.8cm l0y=l=126cm垂直支撐連在預(yù)先焊于長壓桿和弦桿的連接板上，桿件截面無削減。按穩(wěn)定性條件試選長壓桿截面。采用等邊雙角鋼組成的T形截面。假定長壓桿的長細比為=150，則查表可得（b類截面）=0.308，此時 合適。需要 選用L45×3，其相關(guān)參數(shù)為A=2.66cm2，

15、ix=1.39cm，iy=0.90cm驗算 由max=x=132.6查得=0.376 故所選截面適用。3.拉桿C-1,C-6N=10.96kN l=169.7cm擬采用單面連接的單角鋼截面（截面無削弱） 計算長度 l0=0.9l=0.9×169.7=152.73cm需要 式中的0.85是單面連接的單角鋼構(gòu)件按軸心受力計算強度時的強度設(shè)計值折減系數(shù)。選用1L25×3，A=1.43 cm20.60cm2，imin=iy0=0.49 cm20.436cm2故所選截面滿足要求。4.拉桿E-6-2N=32.89kN l=169.7cm計算長度 l0x= l=169.7cm l0y=2

16、×169.7=339.4cm需要 選用L30×3，A=3.5cm21.53cm2，ix=0.91cm0.485cm，iy=1.47cm0.97cm 可滿足使用要求。6.中央吊桿E-3N=0，l=234.0cm因吊桿不連垂直支撐，故按拉桿的長細比條件選擇截面。采用單面連接的單角鋼截面 l0=0.9l=0.9×234.0=210.6cm需要 選用2L36×3，A=2.11cm2，imin=iy0=0.71 cm0.602cm，可滿足要求。六 屋架節(jié)點設(shè)計角焊縫強度設(shè)計值（E43型焊條）。屋架各桿件軸線至桿件角鋼背部的距離一般取5mm的倍數(shù)，則根據(jù)各角鋼的參數(shù)

17、可得桿件軸線至桿件角鋼背部的距離表 桿件軸線至桿件角鋼背部的距離表桿件名稱桿件截面中心距離/mm軸線距離/mm備注上弦桿2L70×619.520下弦桿2L63×417.020短壓桿B-1,D-61L30×38.510單面連接長壓桿C-2L45×312.210短拉桿C-1,C-61L25×37.310單面連接長拉桿E-6-22L30×36.010中央吊桿E-32L36×310.010單面連接屋架各腹桿與節(jié)點板之間連接焊縫的連接角焊縫尺寸hf和焊縫實際長度li（li=lw+10mm）按下面表采用，表中焊腳尺寸hfi按構(gòu)造要求確定

18、，所需焊縫長度lwi按下列公式算得：腹桿與節(jié)點板之間連接焊縫尺寸桿件名稱桿件截面桿件內(nèi)力/kN角鋼背部焊縫/mm角鋼趾部焊縫/mmhf1lw1l1hf2lw2l2短壓桿B-1,D-61L30×38.163405034050長壓桿C-2L45×316.313405034050短拉桿C-1,C-61L25×310.963405034050長拉桿E-6-2E端2L30×332.8944050440502端21.934405044050中央吊桿E-32L36×304405034050雙角鋼T行截面桿件單面角鋼式中ki 角鋼背部角焊縫的軸力分配系數(shù)，等邊

19、角鋼k1=0.7，k2=0.3；對短邊相連的不等邊角鋼，k1=0.75，k2=0.25.0.85 單面連接角鋼角焊縫強度設(shè)計值的折減系數(shù)。（一）支座點A1.下弦桿與節(jié)點板間連接焊縫的計算N=76.74kN，下弦桿為短邊相連的等邊角鋼，則軸力分配系數(shù)為k1=0.7,k2=0.3取角鋼背部焊腳尺寸hf1=5mm，腳趾部焊腳尺寸hf2=4mm，按焊縫連接強度要求得背部 趾部實際焊縫長度取角鋼背部l1=65mm，l2=35mm。2.按以下方法、步驟和要求畫節(jié)點大樣，并確定節(jié)點板的尺寸（1）嚴格按幾何關(guān)系畫出匯交于節(jié)點A的各桿件軸線，軸線至桿件角鋼背部的距離按上表取。（2）下弦桿與支座之間的靜距離取18

20、0mm，滿足大于130mm要求。（3）按構(gòu)造要求預(yù)定底板平面尺寸為a×b=300mm×280mm。（4）節(jié)點板上部縮進上弦桿角鋼背面，t1=6mm為節(jié)點板厚度，取上下弦桿之間的輪廓線距離為25mm，則根據(jù)下弦桿與節(jié)點板之間的距離可畫出圖3.上弦桿與節(jié)點板之間的連接焊縫的計算N=82.61kN，（節(jié)點載荷）節(jié)點板與角鋼背部采用塞焊縫連接（?。O(shè)節(jié)點僅承受節(jié)點載荷p1，因為p1很小，故焊縫強度不必驗算，能滿足要求。令角鋼趾部角焊縫承受全部軸心力N和偏心彎矩M的共同作用，其中 M=N(70-20)×10-3=82.61×50×10-3=4.13kN

21、·m取趾部焊縫尺寸hf2=6cm，由節(jié)點圖可測得焊縫實際長度為l2=600cm(全長焊滿時)，其計算長度 lw2=l2-2hf2=600-12=588mm60hf2=360cm取最大lw2= 60hf2=360cm計算 故焊縫強度能滿足要求4.底板計算支座反力 R=82.61×sin+4.39=35.06kNC20混泥土 fc=10N/mm2錨栓直徑采用20，底板上留矩形帶半圓形孔；錨栓套板采用-80×12×80，孔徑21.5，如圖（1） 底板面積A底板與鋼筋混泥土之間的接觸面積 An=30×28-2（4×2+×22/2）=

22、811.44cm2接觸面上的壓應(yīng)力 可滿足混泥土軸心抗壓強度要求，預(yù)定底板尺寸300×280適用。（2） 底板厚度t底板被節(jié)點板和加勁肋劃分成四塊相同的相鄰支承的小板，板中最大彎矩（取單位板寬計算）M=式中（參閱圖）斜邊 斜邊之上的高 查表得=0.060 有M=0.060×（0.43 ×1）（19.7×10）2=1000.3N·m按底板抗彎強度條件，需底板厚度采用t=12mm底板選用-300×12×2805.節(jié)點板、加勁肋與底板間水平焊縫的計算因為板為正方形，故節(jié)點板和加勁肋與底板的連接焊縫各承擔(dān)支座反力的50%。（1） 節(jié)

23、點板與底板間的水平連接焊縫承受軸心力 N=R/2=35.06/2=17.53kN焊縫計算長度mm需 構(gòu)造要求采用hf=6mm能滿足要求（2） 加勁肋與底板間的水平焊縫 承受軸心力 N=R/2=35.06/2=17.53kN焊縫計算長度mm需 按構(gòu)造要求采用hf=6mm能滿足要求。6.加勁肋與節(jié)點板豎向連接焊縫計算加勁肋厚度采用6mm，與中間節(jié)點板等厚。每塊加勁肋與節(jié)點板豎向連接焊縫受力： 焊縫計算長度mm需 構(gòu)造要求可采用hf=4mm能滿足要求（二）上弦桿一般節(jié)點B、E、C、F、D1.按以下方法、步驟繪制節(jié)點詳圖：（1）嚴格按幾何關(guān)系畫出匯交于節(jié)點b的各桿件軸線。（2）節(jié)點板縮進上弦桿背面6m

24、m，取上弦桿和短壓桿的輪廓間距為15mm，和根據(jù)短壓桿與節(jié)點板間的連接焊縫尺寸，確定節(jié)點板的尺寸。（3）標注節(jié)點板詳圖和各種尺寸。2.上弦桿與節(jié)點板連接焊縫的計算 N1=82.61kN，N2=79.37kN,P=8.77 kN節(jié)點載荷P假定全部由上弦桿角鋼背部塞焊縫承受，取焊腳尺寸hf1=t2/2=6/2=3mm(t2為節(jié)點板厚度)，因P值很小，焊縫強度不必計算。上弦桿角鋼趾部角焊縫假定承受節(jié)點兩側(cè)弦桿內(nèi)力查及其偏心彎矩M的共同作用，其中由圖測得實際焊縫長度為l2=150mm，計算長度為lw2=150-10=140mm構(gòu)造要求，可采用hf2=4mm，能滿足要求。其它上弦桿一般節(jié)點（節(jié)點C、D、

25、E和F）的設(shè)計方法步驟等與節(jié)點B相同，見節(jié)點圖示。因節(jié)點E和節(jié)點B的幾何關(guān)系、受力情況完全相同，故節(jié)點詳圖也完全相同。節(jié)點C和F也相同。（三）屋脊拼接點G N=72.88kN，P=8.77kN1. 拼接角鋼的構(gòu)造和計算拼接角鋼采用與上弦桿截面相同的2L70×6。拼接角鋼與上弦桿間連接焊縫的焊腳尺寸取hf=6mm，為了便于兩者緊貼和施焊以保證焊縫質(zhì)量，鏟去拼接角鋼角頂棱角 （r為角鋼內(nèi)圓弧半徑）切短拼接角鋼豎肢 如圖所示。拼接接頭每側(cè)的連接焊縫共有四條，按連接強度條件需要每條焊縫的計算長度為：，取lw=30.拼接處左、右弦桿端部空隙取40mm，如圖示，需要拼接角鋼長度mm為了保證拼接處

26、的強度，實際采用拼接角鋼長度La=400mm。此外，因屋面坡度較大，應(yīng)將拼接角鋼的豎肢剖口，采用45mm先鉆孔再切割，然后冷彎對齊焊接。2. 繪制節(jié)點詳圖繪制方法、步驟和要求與上弦桿一般節(jié)點B基本相同，腹桿與節(jié)點板間連接焊縫尺寸按表采用。為了便于工地拼接，拼接處工地焊接一側(cè)的弦桿與拼接角鋼和受拉主斜桿與跨中吊桿上分別設(shè)置直徑為17mm和13mm安裝螺栓。3. 拼接街頭每側(cè)上弦桿與節(jié)點板連接焊縫計算弦桿軸力的豎向分力Nsin與節(jié)點荷載P/2的合力V=Nsin-P/2=72.88×0.3162-8.77/2=14.3kN設(shè)角鋼背部塞焊縫承受豎向合力V的一半，取hf1=5mm，需要焊縫計算長度（因P/2很小，不計其偏心影響） 由圖知實際焊縫長度遠大于lw1=6.4mm，因此認為焊縫滿足計算要求。在計算需要的lw1時沒有考慮斜焊縫的強度設(shè)計值增大系數(shù)。