12m跨度輕型屋面三角形鋼屋架的課程設(shè)計說明書輕型屋面三角形鋼屋架設(shè)計說明書學(xué)生王山虎指導(dǎo)教師付建科三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院1簡介三角形屋架多用于屋面坡度較大的有檁條屋蓋屋面材料為波形石棉瓦鋼板或鋁板等坡度一般在按腹桿布置又分為芬克式單向斜桿式及人字式芬克式屋架的特點是將上弦分為等距離節(jié)間短腹桿受壓長腹桿受拉受力合理是三角形屋架中常用的經(jīng)濟(jì)形式單向斜桿式屋架的腹桿總長度較大節(jié)點數(shù)量較多斜腹桿受拉豎桿受壓受力不夠合理下弦節(jié)點距離相等適于吊頂?shù)珬U件交角較小構(gòu)造上不宜處理制作不夠經(jīng)濟(jì)人字形屋架上下弦桿可任意分割布置節(jié)點但斜桿有受拉和受壓的可能受力不確定但腹桿數(shù)量少較為經(jīng)濟(jì)2設(shè)計資料及說明設(shè)計一位于杭州市近郊的單跨屋架結(jié)構(gòu)封閉式要求結(jié)構(gòu)合理制作方便安全經(jīng)濟(jì)1單跨屋架平面尺寸分別為36m×12m柱距S4m2屋面材料波形石棉瓦1820×725×83屋面坡度1254屋架支承在鋼筋混凝土柱頂混凝土標(biāo)號C20柱頂標(biāo)高6m5鋼材標(biāo)號Q235-BF設(shè)計強(qiáng)度f215kNm26焊條型號E43型7屋架承受的荷載1恒載2活雪載8荷載計算按全跨永久荷載全跨可變荷載不包括風(fēng)荷載考慮荷載分項系數(shù)取γG12γQ143屋架桿件幾何尺寸的計算基于三角形屋架各腹桿布置的特點和設(shè)計的要求選用芬克式八節(jié)三角形屋架31屋架尺寸屋架的計算跨度12000－2×15011700mm屋面傾角屋架跨中高度h117002×2523400mm上弦長度L2cos6300mm節(jié)間長度a630041575mm根據(jù)已知幾何關(guān)系求得屋架各桿件的幾何長度如圖所示圖屋架桿件幾何尺寸mm上弦節(jié)間水平投影長度32屋蓋支撐布置321屋架的支撐在房屋兩端第一個之間各設(shè)置一道上弦平面橫向支撐和下弦平面橫向支撐在與橫向支撐同一柱間的屋架長壓桿處各設(shè)置一道垂直支撐以保證常壓桿出平面的計算長度符合規(guī)范要求在各屋架的下弦節(jié)點各設(shè)置一道通長柔性水平系桿水平系桿的始終端連于屋架垂直支撐的下端節(jié)點處上弦橫向支撐節(jié)點處的水平系桿均有該處的檁條代替設(shè)計322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且每張瓦至少要有三個支撐點因此最大檁條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)置檁條且節(jié)點處最好設(shè)置檁條以免發(fā)生實際取半跨屋面檁條數(shù)np9根檁條間距滿足要求2檁條的支撐檁條跨度即屋架間距需在檁間布置一道拉條為改善屋脊檁條受力情況使整個屋面上的檁條采用同一截面在屋脊兩側(cè)檁間用斜拉條和撐桿將坡向分力傳至屋架上33檁條設(shè)計選用[8槽鋼截面由型鋼表查得Wx253cm3Wy58cm3Ix101cm4a．荷載計算恒載09kNm活載qk06kNm檁條均布荷載設(shè)計值qγG×gkγQ×qk×ap12×0914×06×700×10-31344KNm則有qxqsinα1344×03714050KNmqyqcosα1344×09285125KNmb強(qiáng)度驗算彎矩設(shè)計值見圖３Mx18×050×4210kNm圖3檁條X方向My18×125×220625kNm因為在跨中設(shè)了一道拉條檁條的最大應(yīng)力拉應(yīng)力位于槽鋼下翼緣的肢尖處Nm2f215Nm2c剛度驗算只驗算垂直于屋面方向的撓度荷載標(biāo)準(zhǔn)值090615kNm圖4檁條Y方向因有拉條不必驗算整體穩(wěn)定性故選用〔8槽鋼檁能滿足要求34荷載計算荷載計算按全跨永久荷載全跨可變荷載不包括風(fēng)荷載考慮荷載分項系數(shù)取γG12γQ14屋面水平投影面上的荷載設(shè)計值為求桿件軸力把荷載化成節(jié)點荷載341屋架桿件的軸力計算由于屋架及荷載的對稱性只需計算半榀屋架的桿件軸力對八節(jié)間芬克式屋架外特征1上弦節(jié)間等長2下列桿件間夾角相等表1屋架桿件內(nèi)力表桿件名稱 桿件號 節(jié)點荷載KN 內(nèi)力系數(shù) 內(nèi)力設(shè)計值kN 上弦 A-B 1123 -942 -10377 B-C -905 -10163 C-D -868 -9748 D-E -831 -9332 下弦 A-1 875 9826 1-2 750 8423 2-3 500 5615 腹桿 B-1D-4 -093 -1044 C-2 -186 -2089 C-1C-4 125 1404 2-4 25 2808 E-4 375 4211 342上弦桿彎矩屋架上弦桿在節(jié)間荷載作用下的彎矩可如下計算上弦桿節(jié)間的集中荷載節(jié)間簡支梁最大彎矩端節(jié)間最大正彎矩其他節(jié)間最大正彎矩節(jié)點負(fù)彎矩35屋架桿件截面設(shè)計首先確定所用節(jié)點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)力查表111采用支座節(jié)點板厚8mm其他節(jié)點板厚6mm表111屋架節(jié)點板厚度mm三角形屋架弦桿最大內(nèi)力設(shè)計值 ≤170 171～290 291～510 511～680 681～910 911～1290 1291～1770 1771～3090 中間節(jié)點板厚支座節(jié)點板厚 68 810 1012 1214 1416 1618 1820 2022 351上弦桿壓彎構(gòu)件整個上弦桿采用等截面通長桿以避免采用不同截面時桿件拼接彎矩作用平面計算長度側(cè)向無支撐長度設(shè)100查軸心受力穩(wěn)定系數(shù)表0555需要截面積A8696需要回轉(zhuǎn)半徑ix158cmiy315cm由上式粗略估計試選用由兩個角鋼組成的T形截面壓彎桿件選上弦桿截面為2L75×5組成的T形截面主要參數(shù)有A2×7381476cm2R9mmix233cmiy330cmZo204cm2Wx2×196392cm3Wxmin2×7321464cm3Ix4000cm4截面塑性發(fā)展系數(shù)γx1105γx2120強(qiáng)度校核截面無削弱取AB段上弦桿最大內(nèi)力桿段驗算軸心壓力最大正彎矩節(jié)間最大負(fù)彎矩節(jié)點正彎矩截面負(fù)彎矩截面所以上弦桿強(qiáng)度滿足要求彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性校核參照圖可知上弦桿段AB內(nèi)力最大最大正彎矩在節(jié)間最大負(fù)彎矩在節(jié)點處在節(jié)間正彎矩是角鋼水平受壓W1xWx在節(jié)點處負(fù)彎矩使角鋼水平肢受拉W1xWxmin因所考慮桿段相當(dāng)于兩端支承的構(gòu)件桿上同時作用有端彎矩和橫向荷載并使構(gòu)件產(chǎn)生反向曲率的情況取等效彎矩系數(shù)屬于b截面查軸心受力穩(wěn)定系數(shù)表《鋼結(jié)構(gòu)》上冊附表17-20766歐拉臨界力桿段AB軸心壓力用最大正彎矩進(jìn)行驗算滿足要求滿足要求用最大負(fù)彎矩進(jìn)行驗算滿足要求彎矩作用平面外穩(wěn)定性驗算因側(cè)向無支撐長度為3150mm故應(yīng)驗算A-B-C段在彎矩作用平面外的穩(wěn)定性等效彎矩系數(shù)軸心壓力計算長度按b類截面查《鋼結(jié)構(gòu)》上冊附表17-2可知y0588用最大正彎矩進(jìn)行驗算滿足要求用最大負(fù)彎矩進(jìn)行驗算對彎矩使角鋼水平肢受拉的雙角鋼T型截面取受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)10得平面外長細(xì)比和穩(wěn)定性均滿足要求局部穩(wěn)定驗算對由2∟75×5組成的T形截面壓彎構(gòu)件翼緣滿足局部穩(wěn)定要求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352上弦填板的設(shè)置填板厚度同節(jié)點板厚寬度一般取40-60mm長度取T形截面比角鋼肢寬大10-15mm填板間距l(xiāng)d對壓桿取ld＜40i對拉桿取ld＜80i對T形截面i為一個角鋼對平行于墊板的自身形心軸的回轉(zhuǎn)半徑一個角鋼對于平行于填板自身形心軸的回轉(zhuǎn)半徑ix233cm40ix932cm上弦為壓桿節(jié)間長度為15415cm每節(jié)間設(shè)置一塊填板則間距l(xiāng)d為ld157527875cm40ix932cm故填板間距設(shè)置符合要求填板尺寸為70×6×110mm3353下弦桿軸心受拉構(gòu)件整個下弦桿不改變截面采用等截面通長桿在下弦節(jié)點2處下限桿角鋼水平肢上有直徑為D175MM的安裝螺栓孔此外選截面時還要求角鋼水平肢的邊長≥63mm以便開175mm的孔按桿段A1改短截面上無孔的強(qiáng)度條件和下限桿的長細(xì)比條件選擇截面桿段A1軸心拉力下弦桿的計算長度為查《鋼結(jié)構(gòu)》上冊表6-1取[λ]350選用2∟36×5短邊相連強(qiáng)度驗算桿段A1滿足要求桿12的軸力N84225滿足要求所以下弦桿強(qiáng)度滿足要求2長細(xì)比驗算下弦桿長細(xì)比滿足要求所選下弦桿截面適用354下弦填板設(shè)置一個角鋼對于平行于填板的自身形心軸的回轉(zhuǎn)半徑ix108cm拉桿按80ix864cmA-1和1-2節(jié)間間各設(shè)一塊填板169728485cm864cm填板設(shè)置合格2-3間設(shè)置兩塊填板245638187cm864cm符合要求填板尺寸為50×6355腹桿軸心受力構(gòu)件1中間豎腹桿E-3中間豎腹桿N0l234cm對連接垂直支撐的屋架采用2L40×5組成的T形截面iox121cm單個角鋼L40imin078cm按支撐壓桿驗算容許長細(xì)比l009×l09×2342106cm填板設(shè)置按壓桿考慮80imin80×078624cm設(shè)置3塊填板則有l(wèi)d2344585cm624cm設(shè)置符合要求填板尺寸為50×62主斜腹桿E-42-4主斜腹桿E-42-4兩桿采用相同的截面lox1697cmloy2×16973394cm內(nèi)力設(shè)計值為N4211KN所需凈截面面積Nf4211×10321519586mm2196cm2選用2L40×5主要參數(shù)A2×397794cm2ix121cmiy190cm考慮桁架分為兩小榀運輸時主斜腹桿需用螺栓在工地拼裝安裝螺栓直徑取16mm螺孔直徑取17mm則實際An794-17×05709cm21強(qiáng)度驗算NAn4211×103709×102594Nmm2215Nmm2故強(qiáng)度符合要求容許長細(xì)比驗算滿足要求3填板設(shè)置按80i80×121968cmE-42-4之間各設(shè)置一塊填板則有l(wèi)d169728485cm968cm設(shè)置符合要求填板尺寸為50×63腹桿C-2N-2089KNlox08l08×1261008cmloyl126cm選用2L40×5主要參數(shù)為A2×397794cm2ix121cmiy190cm則有查b類截面表可知x0665則NxA2089×1030665×794×1023956Nmm2215Nmm2填板按40ix40×1214840cm但由于該腹桿受力不大且兩端焊于節(jié)板上中間可不設(shè)置填板4腹桿B-1D-4兩根桿均為壓桿受力及長度均小于C-2桿故可均按C-2桿選用2L40×5且由于兩桿受力不大NB1ND4-1044KN桿長較短630cm桿間可不設(shè)置填板5腹桿C-1C-4兩者均為拉桿N1404KNl1697cm選用2L40×5主要參數(shù)為A2×397794cm2ix121cmiy190cm驗算如下NA1404×103794×1021768Nmm2215Nmm2填板設(shè)置兩桿所受載荷較小中間可不設(shè)置填板屋架節(jié)點設(shè)計E43型焊條角焊縫強(qiáng)度設(shè)計值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)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 上弦桿 2L75×5 191 20 下弦桿 2L36×5 107 10 短壓桿B-1D-4 2L40×5 130 10 長壓桿C-2 2L40×5 130 10 短拉桿C-2C-4 2L40×5 130 10 長拉桿E-4-2 2L40×5 130 10 中央吊桿E-3 2L40×5 130 10 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lililw10mm按下面表采用表中焊腳尺寸hfi按構(gòu)造要求確定所需焊縫長度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mm hf1 lw1 l1 hf2 lw2 l2 短壓桿B-1D-4 2L40×5 1044 3 40 50 3 40 50 長壓桿C-2 2L40×5 2089 3 40 50 3 40 50 短拉桿C-1C-4 2L40×5 1404 3 40 50 3 40 50 長拉桿E-4-2 E端 2L40×5 4511 4 40 50 4 40 50 2端 2808 4 40 50 4 40 50 中央吊桿E-3 2L40×5 0 4 40 50 3 40 50 41支座節(jié)點A411下弦桿與節(jié)點板間連接焊縫計算N9826kN軸力分配系數(shù)為k107k203取角鋼背部焊腳尺寸6mm角鋼肢部焊腳尺寸5mm按焊縫連接強(qiáng)度要求得背部肢部實際焊接長度采用角鋼背部65趾部40412上弦桿與節(jié)點間連接焊縫強(qiáng)度N10377kN節(jié)點板與角鋼背部采用塞焊縫連接取5設(shè)僅承受節(jié)點荷載因很小焊縫強(qiáng)度一定能滿足要求令角鋼趾部角焊縫承受全部軸心力N及其偏心彎矩M的共同作用取焊腳尺寸4實際焊縫長度400計算長度取最大計算長度計算焊縫滿足要求413底板計算1支座反力R6P6×11236738kN采用C20混凝土柱10N錨栓直徑采用20底板上留矩形帶半圓形孔尺寸-180×180錨栓套板用-80×12×80孔徑215底板面積An30×28-24×2π×22281144cm2接觸面壓應(yīng)力滿足要求底板尺寸適用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β0045有M0045×036×13193×102165163N·m按底板抗彎強(qiáng)度條件需底板厚度采用t12mm底板選用-300×12×280414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501節(jié)點板與底板間的水平連接焊縫承受軸心力NR2296021480kN焊縫計算長度mm需構(gòu)造要求可采用hf6mm能滿足要求2加勁肋與底板間的水平焊縫承受軸心力NR229621480kN焊縫計算長度mm需按構(gòu)造要求可采用hf6mm能滿足要求415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hf4mm能滿足要求42上弦桿一般節(jié)點421按以下方法步驟繪制節(jié)點詳圖1嚴(yán)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(jìn)上弦桿背面6mm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(biāo)注節(jié)點板詳圖和各種尺寸422上弦桿與節(jié)點板連接焊縫的計算N110377kNN210163kNP1123kN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hf1t22623mmt2為節(jié)點板厚度因P值很小焊縫強(qiáng)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l2150mm計算長度為lw2150-10140mm構(gòu)造要求可采用hf24mm能滿足要求其它上弦桿一般節(jié)點的設(shè)計方法步驟等與節(jié)點B相同見節(jié)點圖示因節(jié)點D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E也相同43屋脊拼接點N19332kNP1123kN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2L75×5拼接角鋼與上弦桿間連接焊縫的焊腳尺寸取hf6mm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(qiáng)度條件需要每條焊縫的計算長度為取lw40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為了保證拼接處的強(qiáng)度實際采用拼接角鋼長度La400mm此外因屋面坡度較大應(yīng)將拼接角鋼的豎肢剖口采用45mm如圖示先鉆孔再切割然后冷彎對齊焊接繪制節(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175mm和13mm安裝螺栓如圖示拼接街頭每側(cè)上弦桿與節(jié)點板連接焊縫計算弦桿軸力的豎向分力Nsinα與節(jié)點荷載P2的合力VNsinα-P29323×03714-82823049kN設(shè)角鋼背部塞焊縫承受豎向合力V的一半取hf15mm需要焊縫計算長度因P2很小不計其偏心影響由圖知實際焊縫長度遠(yuǎn)大于lw11362mm因此認(rèn)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(qiáng)度設(shè)計值增大系數(shù)再設(shè)角鋼趾部與節(jié)點板間的角焊縫承受余下的V2以及當(dāng)屋脊兩側(cè)屋面活荷載不對稱作用事可能引起的弦桿內(nèi)力差引起的彎矩M的共同作用并取取hf25mm由圖中得趾部實際焊縫長度l2155mm其計算長度lw2l2-10mm145mm焊縫中的應(yīng)力焊縫強(qiáng)度滿足要求44下弦一般節(jié)點1441繪制節(jié)點詳圖442下弦桿與節(jié)點板間連接焊縫的計算N19826kNN28423kN由節(jié)點詳圖中測得實際焊縫長度l1l23