12m轻型屋面三角形钢屋架设计说明书

1轻型屋面三角形钢屋架设计说明书学生：王东方指导老师：付建科（三峡大学机械与动力学院）一、设计资料及说明设计一位于杭州市近郊的单跨屋架结构(封闭式)，要求结构合理，制作方便，安全经济。1、单跨屋架，平面尺寸为：36m×12m，柱距S=4m；2、屋面材料：波形石棉瓦(1820×725×8)；3、屋面坡度i=1∶3，恒载0.6kN/m2，活(雪)载0.3kN/m2；4、屋架支承在钢筋混凝土柱顶，混凝土标号C20，柱顶标高6m；5、钢材标号：Q235-B.F；6、焊条型号：E43型；7、荷载计算按全跨永久荷载+全跨可变荷载(不包括风荷载)，荷载分项系数取：γG=1.2，γQ=1.4。二、屋架形式及几何尺寸(一)屋架形式三角形钢屋架多用于屋面坡度较大的屋盖结构中，根据屋面的排水要求，上弦坡度一般为i=1/2～1/3。三角形芬克式轻型钢屋架一般均为平面桁架式，其构造简单，受力明确，腹杆长杆受拉，短杆受压，受力较小，且制作方便，易于划分运送单元，适用于坡度较大的构件自防水屋盖。此设计采用四节间的三角形人字式轻钢屋架。(二)屋架的几何尺寸及简图屋面坡度i=1∶3，于是屋面倾角18.435)31arctan(3162.0sin9487.0cos屋架计算跨度：L0=L-300=12000-300=11700mm屋架跨中高度：mmiLh19503211700202上弦长度：mmLl61669489.0211700cos200上弦节间长度：mmll154240上弦节间水平投影长度：mmLa5.146281170080根据已知几何关系，求得屋架各杆件的几何长度及杆件编号如图1所示(因对称，仅画出半榀屋架)。图1屋架杆件的几何长度(mm)及杆件编号三、屋架支撑布置及檩条计算(一)屋架的支撑布置1.在房屋两端第一个柱间各设置一道上弦平面横向支撑(如图2)，以承受一定的的水平横向荷载。2.在柱间屋架的中央拉吊杆之间设置W型垂直支撑，以保证中央吊杆平面外的计算长度符合规范要求。3.在上弦横向水平支撑的交叉点处于檩条相连，并在屋架下弦跨中设置一道通长的水平细杆，以使上弦杆在屋架平面外的计算长度等于其节间几何长度，下弦杆在屋架平面外的计算长度等于屋架跨度的一半。屋架支撑布置图如下：3(二)屋面檩条的计算1.檩条数量波形石棉瓦长1820mm，要求搭接长度≧150mm，且每张瓦至少要有三个支承点，因此最大檩条间距mma835131501820max半跨屋面所需檩条数根4.7183515424pn考虑到所需平面横向支撑节点处必须设置檩条，实际取半跨屋面檩条数pn=9根，檩条间距mmammapp8357711915424max可满足要求。2.檩条选择檩条通常是双向弯曲结构，分实腹式和桁架式两大类，或者制造费工，应用较少。实腹式檩条常采用槽钢、角钢以及冷弯薄壁C型钢和Z型钢。槽钢檩条应用普遍，其制作、运输和安装均较简便；但热轧型钢壁较厚，材料不能充分发挥作用，故用钢量较大；薄壁型钢檩条受力合理，用钢量少，在材料有来源时宜优先采用，但防锈要求较4高。这里试选用[8槽钢，查型钢表可得4101cmIx，33.25cmWx，38.5cmWy。实腹式檩条由于腹板与屋面垂直放置，故在屋面荷载q的作用下将绕截面的两个主轴弯曲。若荷载偏离截面的弯曲中心，还将受到扭矩的作用，但屋面板的连接能起到一定的阻止檩条扭转的作用，故设计时可不考虑扭矩的影响，而按双向受弯构件计算。由于型钢檩条的壁厚较大，因此可不计算其抗剪和局部承压强度。3.檩条验算a.荷载计算恒载2/9.0mkNgk,活载2/3.0mkNsk，则檩条均布荷载设计值mkNasgqpkQkG/88.0771.0)3.04.16.02.1()(图2所示实腹式檩条在屋面竖向荷载q作用下，檩条截面的两个主轴方向分布承受sinqqx和cosqqy分力作用。图2槽钢檩条受力示意图则mkNqq/83.09487.088.0cosxmkNqqy/28.03162.088.0sinb.强度验算mkNlqMx66.11683.081812xmkNlqMy14.0428.081)2(812y281LqMyx2xq81LMy5L2L2檩条承受双向弯曲时，按下列公式计算强度：fWMWMnyyynxxx截面塑性发展系数05.1x，20.1y，故mmkNmmN/215/6.828.52.11014.03.2505.11066.1233所以满足要求。c.刚度验算当檩条间设有拉条时，檩条只需计算垂直于屋面方向的最大挠度，计算挠度时，荷载应取其标准值。荷载标准值：2/66.09487.0)3.06.0(771.0cos)(mkNsgaqkkpy则150137811001.11006.2400066.0384538456533xyEIlql能满足刚度要求。四、屋架的内力计算(一)荷载计算1.恒载标准值石棉瓦2/21.0mkN油毡、木望板2/19.0mkN檩条、屋架及支撑2/20.0mkN合计2/6.0mkN2.活载活载与雪载中取最大值因屋架受荷载水平投影面积超过602m，故屋面均布活载可取为(水平投影面)2/30.0mkN63.荷载组合恒载+活载4.上弦的集中荷载及节点荷载上弦集中荷载和节点荷载表(二)内力计算由于屋架及荷载的对称性，只需计算半榀屋架的杆件轴力。由《建筑结构静力计算手册》查得内力系数，计算出各杆内力如表。荷载形式荷载分类集中荷载(设计值)P＇/kN节点荷载(设计值)P/kN备注恒载2.1074.214kNP107.24103771.06.02.1'活载1.2292.458kNP229.14103771.03.04.1'恒载+活载3.3366.672kNP336.3229.1107.2'7屋架杆件内力表杆件名称杆件编号恒载及活载内力组合/kN内力系数恒载内力/kN活载内力/kN恒载+活载上弦杆1-46.64-27.21-73.852-39.98-23.32-63.303-39.98-23.32-63.304-26.65-15.55-42.20下弦杆544.2525.8170.06631.6118.4450.05腹杆76.663.8910.558-4.21-2.46-6.6798.945.2114.1510-8.94-5.21-14.151112.647.3720.01(三)上弦杆的弯矩计算屋架上弦杆在节间荷载作用下的弯矩，按下列近似公式计算：端节间的最大正弯矩018.0MM中间节间的最大正弯矩和中间节点负弯矩026.0MM0M是上弦节间杆段为简支梁时的最大弯矩，计算时屋架及支撑自重仅考虑上弦杆重量。端节间最大正弯矩mkNlPMM98.022.18.0)542.1103336.341(8.04'8.08.001其它节间最大正弯矩和节点负弯矩mkNMM73.022.16.06.002五、屋架杆件截面设计在设计杆件截面前，必须首先确定所用节点板厚度。在三角形屋架中，节点板厚度8与弦杆的最大内力有关。根据弦杆最大内力kNN85.73max查《钢结构设计指导与实例精选》钢屋架节点板厚度选用表，可选择支座节点板厚度8mm，中间节点板厚度6mm。(一)上弦杆（压弯构件）整个弦杆采用等截面长杆，以避免采用不同截面时的杆件拼接弯矩作用平面内的计算长度cmlox2.154弯矩邹永平面外的计算长度cmloy2.154首先试选择上弦截面为2∟650。查表得其相关参数：238.11cmA,mmr5.5,cmix52.1,cmiy40.2,3max88.17cmWX,3min37.7cmWX截面塑性发展系数05.11X，20.12X1.强度检验检验条件:2/215mmNfWMANnXXXn取最大内力杆段1号上弦杆验算：轴心压力N=73.85kN最大正弯矩（节间）mkNMMX98.01，最大负弯矩（节点）mkNMMx73.02正弯矩截面：3623max11max1017.8805.11098.01038.111085.73XXXXXnWMANWMAN22/215/117.1mmNfmmN负弯矩截面：3623min22min1037.720.11073.01038.111085.73XXXXXnWMANWMAN22/215/4.147mmNfmmN故上弦杆强度满足要求2.弯矩作用平面内的稳定性验算按下列规定计算(1)对角钢水平肢121/215)25.11(mmNfNNWMANEXXXXmXX9(2)对角钢竖直肢222/215)25.11(mmNfNNWMANEXXXXmX因所考虑杆段相当于两端支承的构件、杆上同时作用有端弯矩和横向荷载并使构件产生反向曲率的情况，故按规范第5.2.2条取等效弯矩系数85.0max1504.10152.12.154XoXXil属b类截面，查《钢结构》P339页附表17-2b类截面轴心受压杆件的稳定系数546.0X。欧拉临界力kNEANXEX225.03104.1011038.11102063223222取最大内力杆段1号上弦杆验算：轴心压力N=73.85kN3282.0225.0385.73EXNN用最大正弯矩验算：mkNMMX98.013max188.17cmWWXX，3min237.7cmWWXX)3282.08.01(1017.8805.11098.085.01038.11546.01085.73)8.01(36231EXXXXmXXNNWMAN22/215/0.179mmNfmmN)3282.025.11(1037.72.11098.085.01038.111085.73)25.11(36232EXXXXmXNNWMAN22/215/8.62mmNfmmN用最大负弯矩进行验算：mkNMMX47.02，20.12XX103min137.7cmWWXX)3282.08.01(1037.720.11073.085.01038.11546.01085.73)8.01(36231EXXXXmXXNNWMAN22/215/0.214mmNfmmN故平面内长细比和稳定性均满足要求。3.弯矩作用平面外的稳定性计算验算条件21/215mmNfWMANxbxtxy等效弯矩系数85.0mxtx1503.6440.22.154yoyoyil由9.1752.15458.058.03.8650bltboy则5.66)6.02.1545475.01(3.64)475.01(224224tlboyyyz属b类截面，查《钢结构》P339页附表17-2b类截面轴心受压杆件的稳定系数772.0y。对弯矩使用角钢水平肢受压的双角钢T形截面，规范规定完整体稳定系数b可按下式计算：891.013.640017.012350017.01yybf取最大内力杆段1号上弦杆验算：轴心压力N=73.85kN。用最大正弯矩验算mkNMMx62.01，3max147.0cmWWxx362311017.88891.01098.085.01038.11772.01085.73xbxtxyWMAN1122/215/3.136mmNfmmN用最大负弯矩验算：mkNMMx73.02，3min16.110cmWWxx对弯矩使角