1、輕型屋面三角形鋼屋架設計說明書學 生：黃永銀 指導教師：付建科 （三峽大學 機械與材料學院）1 設計資料及說明設計一位于杭州市近郊的單跨屋架結構（封閉式），主要參數如下：1、單跨屋架，平面尺寸為36m×15m，S=4m，即單跨屋架結構總長度為36m，跨度為15m，柱距為4m。2、屋面材料為規(guī)格1820×725×8的波形石棉瓦。3、屋面坡度i=1：2.5，恒載為0.9KN/m2,活載為0.6KN/m2。4、屋架支承在鋼筋混凝土柱頂，混凝土標號C20，柱頂標高6m。5、鋼材標號為Q235-B.F，其設計強度值為f=215KN/m2。6、焊條型號為E43型，手工焊接。7

2、、荷載計算按全跨永久荷載+全跨可變荷載（不包括風荷載）考慮，荷載分項系數?。篏=1.2,Q=1.4。2 屋架形式及幾何尺寸根據所用屋面材料的排水需要及跨度參數，采用芬克式十節(jié)間三角形屋架。 圖1：桿件幾何尺寸屋架坡度為1：2.5，屋面傾角。， 屋架計算跨度：.屋架跨中高度： 上弦長度： 節(jié)間長度：.節(jié)間水平方向尺寸長度：.根據建筑結構靜力學計算手冊查得各桿長度系數，然后計算各桿件幾何尺寸如圖1所示。3 屋蓋支撐布置3.1 屋架的支撐（如圖1所示）（1） 在房屋兩側第一個柱間各設置一道上弦平面橫向支撐和下弦平面橫向支撐。（如圖2）；（2） 在屋架的下弦節(jié)點2和2各設置一道長柔性系桿。（3） 因為

3、屋架的跨度小于18m，所以在位于屋架的長壓桿B-1、B-1、E-4和E-4處各設置一道垂直支撐。圖2：屋架的支撐3.2屋面檁條及其支撐波形石棉瓦長為1820mm，要求搭接長度150mm，且每張瓦至少需要有三個支撐點，因此，最大檁條間距為：.半跨屋面所需檁條條數為：根。考慮到上弦平面橫向支撐節(jié)點處必須設置檁條，實際取半跨屋面檁條數為: =11根，檁條間距. 可以滿足要求。檁條水平間距：.檁條選用槽鋼8，查表得相關數據：Wx=25.3cm3、Wy=5.8cm3、Ix=101.3cm3 荷載計算恒載：0.9KN/m2, 活載：0.6KN/m2.檁條截面受力圖如圖2-1所示。檁條線載荷為：Pk =(0

4、.9+0.6)×0.668=1.002KN/m P=(1.2×0.9+1.4×0.6)×0.668=1.28KN/m Px=P×sin=1.28×0.3714=0.475KN/m Py=P×cos=1.28×0.9285=1.188KN/m 強度驗算 檁條支撐如圖2-2所示。柱間距為=4m，所以彎矩設計值為： 圖 2-1 檁條截面力系圖 屋面能阻止檁條側向失穩(wěn)和扭轉時，可不計算整體穩(wěn)定性,只需計算其強度。 檁條的最大應力處位于槽鋼下翼緣肢尖處： 檁條y方向： 檁條x方向：圖 2-2 剛度驗算載荷標準值：.在沿屋面方

5、向有拉桿，可只驗算垂直于屋面方向的繞度。繞度： 滿足剛度要求。4 屋架的內力計算4.1 桿件的軸力 載荷計算恒載 0.9KN/m2 ， 活載 0.6KN/m2 為求桿件軸力，把節(jié)間荷載轉化為節(jié)點荷載p：p=（1.2×0.9+1.4×0.6）×1.502×4=11.54KN按課題要求，根據建筑結構靜力計算手冊查的內力系數和計算內力如表1和圖3所示。表 1桿件名稱桿件內力系數內力設計值（KN）上弦AB-12.12-139.86BC-11.75-136.00CD-9.52-109.86DE-11.00-126.94EF-10.63-122.67下弦A-111.

6、25129.831-210.00115.402-36.2572.13腹桿B-1,E-4-0.93-10.73C-2,D-2-1.56-18.00C-1,D-41.2013.852-43.7543.28F-45.0057.74.2 上弦桿彎矩由鋼結構與組合結構查得，上弦桿端節(jié)間的最大正彎矩：M1=0.8M0；其他節(jié)間的最大正彎矩和節(jié)點負彎矩為:M2=±0.6M0；上弦桿集中荷載：P=(1.2×0.9+1.4×0.6) ×0.668×4=5.13KN;節(jié)間最大彎矩：M0=P·a/4=5.13×1.502/4=1.93KN

7、3;m則：M1=0.8M0=0.8×1.93=1.544KN·m, M2=±0.6M0=±0.6×1.93=±1.158KN·m5 屋架桿件截面設計 在設計屋架桿件截面前，首先要確定所選節(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力有關。根據弦桿的最大內力Nmax=139.86KN.查鋼結構與組合結構P177頁表7-2-焊接屋架節(jié)點板厚度選用表可選擇支座節(jié)點板厚8mm，其它節(jié)點板厚6mm。5.1 上弦桿整個上弦桿采用等截面通長桿，由兩個角鋼組成T形截面壓彎桿件，以避免采用不同的截面時的桿件拼接。彎矩作用的平面計算長

8、度=158.3cm,側向無支撐長度=2×158.3=316.6cm.首先，試選上弦桿截面為2L70×6, 查鋼結構設計與計算得其主要參數： A=16.32cm2, r=8mm, ix=2.15cm, iy=3.19cm Wxmax=38.8cm3, Wxmin=14.96cm3 強度檢驗（截面無削弱）桿件單向受彎，按拉彎和壓彎構件的強度計算公式計算：查表知: =1.05, =1.2， =150條件：取AB段上弦桿（最大內力桿段）驗算：軸心壓力N=139.86KN.最大節(jié)間正彎矩：Mx=M1=1.544KN·m最大負彎矩：Mx=M2=1.158 KN·m正

9、彎矩截面： 負彎矩截面： 所以上弦桿的強度滿足要求。 彎矩作用平面內的穩(wěn)定性計算應按下列規(guī)定計算：對角鋼水平肢1：對角鋼豎直肢2：因桿段相當于兩端支撐的構件，桿上同時作用有端彎矩和橫向荷載并使構件產生反向曲率，故按規(guī)范取等效彎矩: 。長細比： 該截面屬于b類截面，查表得歐拉臨界應力：桿段A-B軸心壓力 N=139.86KN 所以：用最大正彎矩進行計算：Mx=M1=1.544KN·m 用最大負彎矩進行驗算：Mx=M2=1.158KN·m， 滿足要求 彎矩作用平面外的穩(wěn)定性計算 驗算條件： 因側向無支撐長度l1為316.6cm，故驗算上弦桿的ABC段在彎矩作用平面外的穩(wěn)定性。

10、等彎系數:tx=mx=0.85.軸心壓力 N1=139.86KN， N2=136.00KN彎矩作用的平面計算長度=158.3cm,側向無支撐長度=2×152.8=316.6cm.所以=(0.75+0.25N1/N)=314.8cm. 長細比：屬b類截面，查表得=0.564用最大正彎矩進行計算：Mx=M1=1.544KN·m， ，對彎矩使用角鋼水平肢受壓的雙角鋼T形截面，規(guī)范規(guī)定整體穩(wěn)定系數可按下式進行計算： 得用最大負彎矩進行計算：Mx=M2=1.158KN·m， ，對彎矩使用角鋼水平肢受拉的雙角鋼T形截面，規(guī)范規(guī)定整體穩(wěn)定系數可按下式進行計算： 得所以平面外長細

11、比和穩(wěn)定性均可滿足要求 局部穩(wěn)定性驗算驗算條件：翼緣自由外伸寬厚比：腹板高厚比：當時： 當時：，為腹板計算高度邊緣的最大壓應力。為腹板計算高度另一邊緣相應的應力。b=b-t-r=70-8-8=54mm h0=b-t-r=70-8-8=54 tw=t=8mm翼緣： 腹板： 滿足要求所以，上弦桿截面完全滿足各項要求，截面適用5.2 下弦桿(軸心受力桿件）下弦桿為軸心受壓構件，整個下弦桿不改變截面，采用等截面通常桿。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=17.5m

12、m的安裝螺栓孔。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軸心拉力為N=129.83KN。長細比容許值：=350下弦桿的計算長度為：=308.8cm. （取下弦桿2-3段的長度） =2=617.6cm要滿足：， 選用256×36×4，短邊相連：A=7.18cm2; =1.02cm; =2.77cm 強度驗算 桿段A-1：An=A=7.18cm2 桿1-2： 長細比驗算 ，滿足要求，所以所選下弦桿截面適用5.3 腹板 腹板為軸心受壓構件，=150（1） 短壓桿B-1,E-4. 因N值較小，桿件太短，擬采用單角鋼截面，通過節(jié)點板單面連接。

13、先按長細比要求試選截面，然后進行驗算。軸心壓力N=10.73KN, =63.3cm斜平面計算長度：=0.9l=56.97cm需要滿足：選用單角鋼：136×4：A=2.76cm2, =0.7cm 長細比： 屬于b類截面，查表得=0.678單面連接的等邊單角鋼構件按軸心受壓計算穩(wěn)定性時的強度設計值拆減系數為：. 滿足要求，所選截面適用（2） 長壓桿C-2,D-2軸心壓力N=18.00KN, =ly=176.9cm斜平面計算長度：=lx=0.8l=141.52cm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，則查表可得（b類截面），需要滿足： 選用240&

14、#215;4：A=6.18cm2, =1.22cm， 驗算 由，查的 故所選截面適合。（3） 短拉桿C-1,D-4 N=13.85KN， l=170.5cm 垂直支撐連在預先焊于長壓桿和弦桿的連接板上，桿件截面無削減。擬采用單面連接的單角鋼截面（截面無削減） 計算長度 l0=0.9l=0.9×170.5=153.45cm 需要 式中的0.85是單面連接的單角鋼構件按軸心受力計算強度時的強度設計值折減系數。 選用1L30×4， 可滿足使用要求（4） 長拉桿F-4-2 N=57.5KN， l=255.7cm 計算長度 需要 選用2L36×4， ，可滿足使用要求。5.4

15、 中間吊桿F-3N=0, =294cm因吊桿不連垂直支撐，故按拉桿長細比條件選擇截面。按單面連接單角鋼計算所需截面：=0.9=264.6cm需要: 選用兩個單角鋼236×4，按十字形布置。，可滿足使用要求。5.5 填板設置與尺寸選擇 兩桿所受載荷較小，中間可不設置填板。6 屋架節(jié)點設計角焊縫強度設計值，采用E43型焊條，手工電弧焊時為屋架各桿件軸線至桿件角鋼背部的距離一般取5mm的倍數，則根據各角鋼的參數可得桿件軸線至桿件角鋼背部的距離表表2-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2L70×620.320下弦桿2L56×

16、;36×418.720短壓桿B-1、E-41L36×410.410單面連接長壓桿C-2、D-22L40×410.910短拉桿C-1、D-41L30×48.510單面連接長拉桿F-4-22L36×410.410中央吊桿F-32L36×410.4106.1 支座點A 下弦桿與節(jié)點板間連接焊縫計算。 N=129.83KN，下弦桿為短邊相連的不等邊角鋼，查表知角焊縫內力分配系數k1=0.75，k2=0.25取角鋼肢背焊腳尺寸(<t=8mm)，角鋼肢尖焊腳尺寸。按焊縫連接強度的要求：背部：趾部：實際焊縫長度采用角鋼肢背=100mm,肢尖=

17、60mm。 按下列所列方法、步驟和要求畫節(jié)點樣圖，并確定節(jié)點板尺寸，如圖。 嚴格按照幾何關系畫出匯交于節(jié)點A的各桿件軸線。 下弦桿與支座底板之間的凈距取150mm。 按構造要求，預設置底板平面尺寸為220×220，使節(jié)點A的垂直軸線通過底板的形心。 節(jié)點板上縮進上弦桿的角鋼背面長度為。t1=8mm為節(jié)點板厚度，取上下弦桿之間的輪廓線距離為25mm，則根據下弦桿與節(jié)點板之間的距離可畫出下圖4：圖4：節(jié)點板圖6.1.3 上弦桿與節(jié)點之間的連接焊縫計算N=139.86KN，節(jié)點荷載：P1=P/2=5.77KN節(jié)點與角鋼肢背采用塞焊縫連接，取，設僅有肢背受節(jié)點荷載P1，因為P1很小，焊縫強度

18、一定能滿足要求，不必計算。令角鋼肢尖角焊縫承受全部軸心力N及其偏心彎矩M的共同作用。M=N×e，其中e為肢尖焊縫偏心距，是肢尖至弦桿的軸線距離。e=70-Z0=70-20.3=49.7。所以 M=N×e=139.86×49.7=6.95KN·m取肢尖焊腳尺寸，取實際焊縫長度（全長焊滿時遠大于330mm），計算長度：所以： 焊縫強度滿足要求 底板的計算支座反力：R=6P=6×11.54=69.24KN采用C20混凝土：錨栓直徑采用，底板上留矩形帶半圓形孔；錨栓套板采用-70×20×70，孔徑為，如圖所示 底板面積的確定底板與鋼

19、筋混凝土之間的接觸面積 接觸面上所受的壓應力：可以滿足混凝土軸心抗壓強度要求，預定底板尺寸220×220適用。 底板厚度t的確定底板被節(jié)點板和加勁肋劃分成四塊相同的相鄰邊支撐的小板，底板厚度由兩邊支撐的矩形板確定。矩形板相關數據為： ，查表得：=0.06板的最大彎矩為: 按底板抗彎強度設計條件，需要底板厚度：， 取t=8.所以底板選用尺寸為：-220×8×220 節(jié)點板、加勁肋與底板間水平連接焊縫計算因底板是正方形，故節(jié)點板和加勁肋與底板的連接焊縫各承受支座反力的一半。 節(jié)點板與底板間水平連接焊縫 承受軸心力：N=R/2=69.24/2=34.62KN 焊縫計算長

20、度：需要：構造要求：取，滿足要求。 加勁肋與底板水平連接焊縫軸心力：N=R/2=34.62 需要滿足：取，滿足要求6.1.6 加勁肋與節(jié)點板間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。每一對加勁肋傳遞總反力的一半，每塊加勁肋與節(jié)點板間豎向連接焊縫受力： 焊縫強度計算長度：需要滿足：構造要求：取，滿足要求由以上計算知，底板和加勁肋及其連接焊縫均滿足要求。6.2 上弦節(jié)一般節(jié)點B、E、C、D 按以下方法、步驟和要求繪制節(jié)點詳圖：（1） 嚴格按幾何關系畫出匯交于節(jié)點B的各桿件軸線。（2） 節(jié)點板縮進上弦桿背面6mm，取上弦桿和短壓桿的輪廓間距為15mm，根據短壓桿和節(jié)點板間的連接焊縫尺

21、寸，確定節(jié)點板的尺寸。（3） 標準節(jié)點板詳圖和各種尺寸。 上弦桿B/E與節(jié)點板連接焊縫的計算 N1=139.86KN，N2=136.00KN，P=11.54KN節(jié)點載荷P假定全部由上弦桿角鋼背部塞焊縫承受，取焊腳尺寸為4mm，因P值很小，焊縫強度不用計算。上弦桿角鋼趾部角焊縫假定承受節(jié)點兩側弦桿內力差及其偏心彎矩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 需要 構造要求，可采用，滿足要求。圖5：節(jié)點C的布置其它上弦桿一般節(jié)點（節(jié)點C、D、E和F）的設計方法步驟等與節(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D也相

22、同。6.3 屋脊拼接點F N=122.67KN P=11.54KN 拼接角鋼的構造和計算為便于緊貼和保證施焊質量，拼接角鋼采用與上弦桿截面相同及270×8，拼接角鋼與上弦桿間連接焊縫尺寸取鏟除拼接角鋼角頂棱角：1=r=8mm切短拼接角鋼豎肢：2=t+5=14mm，取2=15mm拼接接頭每側的連接焊縫共有四條，連接強度條件需要每條焊縫的計算長度為： ，取拼接處左右弦桿端部空隙取40mm，需要拼接的角鋼長度：為保證拼接處的剛度，實際采用拼接角鋼長度=400mm.此外，因屋面坡度較大，應將拼接角鋼的豎肢開出剖口.取60mm拼接按母材等強考慮，拼接材料的面積大于母材，不再作拼材強度驗算，但其

23、構造應盡量減少傳力偏心。 繪制節(jié)點詳圖為便于工地拼接，拼接處工地焊一側的弦桿與拼接角鋼和受拉主斜桿與跨中吊桿上分別設置直徑為17.5mm和13mm的安全螺栓孔，如圖示。圖6：節(jié)點F的設計 拼接接頭每側上弦桿與節(jié)點板連接焊縫計算弦桿軸力的豎向分力與節(jié)點載荷P/2的合力 設角鋼背部塞焊縫承受豎向合力V的一半，取，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17.8mm，認為焊縫設計滿足計算要求。再設角鋼趾部與節(jié)點板間的角焊縫承受余下的V/2以及當屋脊兩側屋面活載不對稱作用可能引起的弦桿內力差和彎矩M的共同作用，取取，由圖中得趾部實際焊縫長度為180mm，其計算長度為： 由經驗可知，焊縫長度滿足要求。6.4 下弦桿一般節(jié)點1 繪制節(jié)點詳圖，如圖7所示圖7：節(jié)點1的設計 下弦