金属结构设计课程设计

轻型屋面三角形钢屋架设计说明书学生：权峰学号：2011138245指导教师：付建科（三峡大学机械与动力学院）1设计资料及主要参数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。屋架支承在钢筋混凝土柱顶。其主要参数如下：1、单跨屋架平面尺寸：36m×18m；2、柱距：S=4m；3、屋面坡度：i=1:2.5；4、屋面恒载：0.9kN/m2；5、活（雪）载：0.6kN/m2；6、屋面材料：波形石棉瓦（1820×725×8）；7、混凝土标号：C20；8、柱顶标高：6m；9、钢材标号：Q235-B.F（其设计强度f=215N/mm2）；10、焊条型号：E43型；11、载荷分项系数：γG=1.2；γQ=1.4；2屋架形式及几何尺寸根据所用屋面材料的排水需要和跨度参数，采用芬克式十二节间三角形屋架。屋架坡度为1:2.5，屋面倾角8.212.51tanα。所以3714.0sin，9285.0cos屋架计算跨度：mmLL17700300180003000屋架跨中高度：mmLh35405.22/0上弦长度：mmαLl95319285.0217700cos20节间长度：mmla1588695316节间水平投影长度：mmaa1470cos根据《轻型钢结构设计手册》查得各杆长度系数，然后计算各杆件几何尺寸。杆件各尺寸如图1所示。图1屋架各杆件几何尺寸3屋盖支撑设计3.1屋架的支撑布置（如图2所示）（1）在房屋两侧第二开车间各设置一道上弦平面横向水平支撑和下弦平面横向水平支撑；并在同一开车两榀相邻屋架的腹杆间设置两道垂直支撑。（2）上弦檩条可兼做系杆，故不另设系杆，在下弦跨中央设置一道通长柔性系杆，此外，在厂房两端第一开车间下弦各设三道刚性系杆。（a）上弦横向支撑；（b）下弦横向支撑；（c）垂直支撑（b）图2屋架的支撑布置图所以3.2屋面檩条及其支撑布置波形石棉瓦长1820mm，要求搭接长度≥150mm，且每张石棉瓦需要有不少于三个支撑点，因此最大檩条间距：mmap835131501820max半跨屋面所需檩条数：根np4.12183515886考虑到上弦平面横向支撑节点处必须设置檩条，则实际中取半跨屋面的檩条数根13pn，檩条间距maxmm79411315886ppaa，可满足实际要求。恒载：mkN/664.0cos794.09.0gk活（雪）载：m/k476.0cos794.06..0skN檩条均匀荷载设计值为kN/mγsγgqQkGk46.1为求杆件轴力，把载荷转化为节点载荷，其公式如下。kNQ84.5446.12ql2檩条选用槽钢I8，查表得：3325cm.Wx，385cm.Wy，43101cm.Ix（1）载荷计算则檩条均匀荷载设计值为：kN/mγsγgqQkGk46.1：kN/m..αqqx434.192850461coskN/m..αqqy431.037140461sin（2）强度验算mkN.SqMxx92.21646181812mkN..SqMyy215504431081)2(812（由于檩条跨中设置了一拉条）檩条弯矩设计值如图3所示图3檩条弯矩设计值所以檩条的最大应力（拉应力）位于槽钢下翼缘肢尖处：222mm215mm8.14014080852121550325051922N/＜N/kN/mm.......WγMWγMyyyxxx（故此处满足要求）。（3）刚度计算在沿屋面方向有拉杆，可只验算垂直屋面方向的挠度。载荷标准值：kN/m..αqqy434.192850461sin15072666.21103101102064000356.1384538454344Dmm.mm＜.EISqvxyy（故此处满足要求）。4屋架杆件内力计算4.1杆件的内力杆件内力计算可根据图解法或分法计算，本设计采用芬克式三角钢屋架可直接查表得出其内力系数，然后乘以节点荷载即为各杆内力，由前面的计算得下式。kNQ84.5446.12ql253540177000hLn节点荷载设计值F=NQk68.112按照课题要求，根据《建筑结构静力计算手册》查得内力系数和计算出的内力见表1和图4所示。表1杆件内力系数及内力值杆件名称杆件内力系数内力计算值（kN）上弦AB-14.81-131.51BC-13.66-121.30CD-14.07-124.94DE-13.70-121.66EF-12.55-111.44FG-12.95-115.00下弦AH13.75121.10HI11.2599.9IJ7.5066.6腹杆DI-2.77-24.60BHCH-1.21-10.75EKFK-1.21-10.75HDDK2.522.2IK3.7533.3KG6.2555.5GJ00图4杆件内力值4.2上弦杆弯矩由前面计算已知：上弦杆节间集中载荷P=11.68kN由《钢结构设计手册》查得上弦杆节间集中载荷：kNp76.34347.1)6.04.19..02.1(上弦杆的局部最大弯矩：mkNaPM/12.2470.176.331310上弦杆端节间最大正弯矩：0180M.M中间节间，节点处最大正弯矩和节点负弯矩为0260M.M。上弦杆节间最大正弯矩：m/k70.18.001NMM中间节间，节点处最大正弯矩和节点负弯矩为m/k28.16002NM.M5屋架杆件截面计算在设计屋架杆件截面前，首先要确定所选节点板的厚度。在三角形屋架中，根据杆件的最大内应力kNN51.131max，查《钢结构设计指导与实例精选》钢屋架节点板厚选用表，（参考文献10）节点板厚的选择如表2所示，选择支座节点板厚为8mm，其他节点板厚为6mm。表2钢屋架节点板厚度参考选用表确定节点板厚的最大内力/kN≤160160~300301~500501~700701中间节点板厚6mm8mm10mm12mm14mm支座节点板厚8mm10mm12mm14mm16mm5.1上弦杆整个上弦杆采用等截面通长杆，由两个角钢组成T形界面压弯构件，以避免采用不同截面时的杆件拼接。上弦杆取AC段，按最大内应NNABk51.131，NNCDk94.124以及m/k70.18.001NMM，m/k28.16002NM.M计算。参考《钢结构设计指导与实例精选》（参考文献10）首先，试选上弦杆截面为2∟80×7nA=18.79cm2；ix=2.48cm；iy=3.65，Wxmax=48.8cm3，Wxmin=22.8cm31.强度检验条件：2215kN/mmfWγMANnxxxn；1x=1.05；2x=1.2；[λ]=150取A-B段上弦杆（最大内应力杆）验算：轴心压力N=131.51kN最大正弯矩Mx=M1=1.70kN·m，最大负弯矩Mx=M2=1.28kN·m正弯矩截面：223623max12155.93108.4805.11070.11080.211051.131kN/mmfkN/mmWγMANnxxn；负弯矩界面：223623min22151.104108.222.11028.11080.211094.124kN/mmfkN/mmWγMANnxxn；上弦杆强度满足要求。2.弯矩作用平面内稳定性计算应按下列规定计算：对角钢水平肢1：`21215/(10.8)mxxxxxExMNfNmmNAWN对角钢水平肢2：22215/(11.25)mxxxxExMNfNmmNAWN因杆段相当于两端支撑的构件，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，故按规范取等效弯矩:0.85mx长细比：55.6446.28.158x[]对于b类截面，查《钢结构》P339页b类界面轴心受压杆件稳定系数表，查得783.0x欧拉临界应力：NEANEk98.9651055.641.11080.211020614.31.1322322x2x则136.098.96551.131xENN用最大正弯矩进行计算：Mx=M1=1.70kN·m，W1x=Wxmax=48.8cm32xx1xxmxxmm/1.104)8.01(NNNWMANEf=2152mm/N用最大负弯矩进行验算：Mx=M2=1.28kN·m，32min22.8xxWWcm,22xx2x2xmxxmm/k215fmm/5.93)25.11(NNNNWMANE满足要求3.弯矩作用平面外的稳定性计算验算条件21215/txxybxMNfNmmAW因侧向无支撑长度l1=317.6mm，故验算上弦杆的A-B-C段在弯矩作用平面外的稳定性。等弯系数:βtx=βmx=0.85.轴心压力N1=131.51kN，N2=124.96kN弯矩作用的平面计算长度oxl=158.8m侧向无支撑长度1l=2×158.8=317.6mm所以oyl=1l(0.75+0.25N2/N1)=318.35cm长细比：150][74.8667.335.318ilyoyoy属b类截面，查表得y=0.825用最大正弯矩进行计算：Mx=M1=1.76kN·m，W1x=Wxmax=48.8cm3对弯矩使用角钢水平肢受压的双角钢T形截面，规范规定整体稳定系数b可按下式进行计算：853.0235f0017.0-1yyb得：22x1bxxy/215mm/06.127mmNfNWMAN用最大负弯矩进行计算：Mx=M2=1.28kN·m，32min22.8xxWWcm对弯矩使用角钢水平肢受拉的双角钢T形截面，规范规定整体稳定系数b可按下式进行计算：957.02350005.0-1ybyf22x2bxxy/215mm/96.157mmNfNWMAN所以平面外长细比和稳定性均可满足要求。4.局部稳定性验算验算条件：翼缘自由外伸宽厚比：'2351515ybtf腹板高厚比：当0a1.0时：02351515wyhtf当01.0a时：02351818wyhtfmaxmin0maxa，max为腹板计算高度边缘的最大压应力。min为腹板计算高度另一边缘相应的应力。翼缘：'80799.143157＜bbtrtt腹板：'80799.143157＜bbtrtt因此满足要求。所以，上弦杆截面完全满足各项要求，截面适用。5.2下弦杆下弦杆为轴心受压构件，整个下弦杆不改变截面，采用等截面通长杆。按最大内力NNAHk10.121轴心拉力为N=121.10kN。长细比容许值：[λ]=350下弦杆在屋架平面内计算长度按最大节间距计算，下弦杆的计算长度为：oxl=371.6cm.因为下弦杆在屋架平面外计算长度只在跨中有一道系杆，故oyl=885cm要满足：22-3n63.5102151010.121215cmNA2062.13506.371][cmlioxx2yy529.2350885][cmlio所以，可以查表可以选用2∟55075短肢相拼的T形截面，查表得：2ncm26.12A，取连接支撑的螺栓孔位于节点板内距离mm100a，cm44.1xi，cmiy68.31.强度计算杆AH：An=A=12.26cm2所以此时以最大内力N=121.1kN计算2223n/215mm/59.991016.121010.121mmNfNAN下弦杆强度满足要求。2.长细比验算350][5.242yyoyil350][258xoxxil满足要求，所以所选下弦杆截面适用。5.3腹杆1.短压杆BH，CH，EK，