18m钢结构课程设计之三角形钢屋架设计.doc
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1、18m三角形钢屋架设计1 设计资料及说明设计一位于惠州市郊区的单跨屋架结构(封闭式),主要参数如下:1、单跨屋架,平面尺寸为36m18m,S=4m,即单跨屋架结构总长度为36m,跨度为18m,柱距为4m。2、屋面材料为规格18207258的波形石棉瓦。3、屋面坡度i=1:3。恒载为0.3kN/m2 ,活(雪)载为0.60.3kN/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、钢材标号为Q235-B.F,其设计强度值为f=215N/mm2。6、焊条型号为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)考虑,荷载分项系数取:G =1.2,Q =1.4。2
2、 屋架杆件几何尺寸的计算 根据所用屋面材料的排水需求及跨度参数,采用芬克式三角形屋架。屋面坡度为i=1:3,屋面倾角=arctg(1/3)=18.435,sin=0.3162,cos=0.9487屋架计算跨度 l0 =l30018000300=17700mm屋架跨中高度 h= l0i/2=17700/(23)=2950mm上弦长度 L=l0/2cos9329mm节间长度 a=L/6=9329/61555mm节间水平段投影尺寸长度 a=acos=15550.9487=1475mm根据几何关系,得屋架各杆件的几何尺寸如图1所示图1 屋架形式及几何尺寸3 屋架支撑布置3.1 屋架支撑 1、在房屋两端
3、第一个之间各设置一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑。 2、因为屋架是有檩屋架,为了与其他支撑相协调,在屋架的下弦节点设计三道柔性水平系杆,上弦节点处的柔性水平系杆均用该处的檩条代替。 3、根据厂房长度36m,跨度为4m,在厂房两端第二柱间和厂房中部设置三道上弦横向水平支撑,下弦横向水平支撑及垂直支撑。如图2所示。图2 屋盖支撑布置3.2 屋面檩条及其支撑 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撑点,因此最大檩条间距为 半跨屋面所需檩条数 考虑到上弦平面横向支撑节点处必须设置檩条,为了便于布置,实际取半跨屋面檩条数13根,则檩条间距为:可以满足要求。图3 屋
4、面檩条及其支撑布置示意图3.2.1 截面选择 试选用普通槽钢8,查表得m=0.08kN/m,Ix=101cm4,Wx=25.3cm3,Wy=5.8cm3; 截面塑性发展系数为x=1.05,y=1.2。 恒载 0.30.778=0.233(kN/m) 石棉瓦 0.20.778=0.156(kN/m) 檩条和拉条 0.080(kN/m) 合计 gk=0.469(kN/m) 可变荷载 qk=0.6000.778=0.467(kN/m) 檩条的均布荷载设计值 q=Ggk+Qqk=1.20.469+1.40.467=1.217kN/m qx=qsin=1.2170.3162=0.379kN/m qy=q
5、cos=1.2170.9487=1.155kN/m3.2.2 强度计算 檩条的跨中弯距 X方向: Y方向: (在跨中设了一道拉条) 檩条的最大拉力(拉应力)位于槽钢下翼缘的肢尖处满足要求。3.2.3 强度验算 载荷标准值 沿屋面方向有拉条,所以只验算垂直于屋面方向的挠度:能满足刚度要求。3.2.4 荷载计算 恒载 0.30.778=0.233(kN/m) 石棉瓦 0.20.778=0.156(kN/m) 檩条和拉条 0.080(kN/m) 合计 gk =0.469(kN/m) 可变荷载 qk=0.6000.778=0.467(kN/m) 檩条的均布荷载设计值 q=Ggk+Qqk=1.20.46
6、9+1.40.467=1.217kN/m节点荷载设计值 P=qas=1.2171.4754=7.18kN4 屋架的内力计算4.1 杆件的轴力芬克式三角形桁架在半跨活(雪)荷载作用下,腹杆内力不变号,故只按全跨雪荷载和全跨永久荷载组合计算桁架杆件内力。根据建筑结构静力计算手册,对于十二节间芬克式桁架,n=17700/2950=6。先差得内力系数,再乘以节点荷载P=7.18kN,屋架及荷载是对称的,所以只需计算半个屋架的杆件轴力。计算出的内力如表1所示。表1 桁架杆件内力组合设计值杆件内力系数内力设计值/kN(P=7.18kN)上弦杆ABBCCDDEEFFG-17.39-16.13-16.76-1
7、6.44-15.18-15.81-124.86-115.81-120.34-118.04-108.99-113.5下弦杆AHHIIJ+16.50+13.50+9.00+118.47+96.93+64.62腹杆DIBH、CHEK、FKHD、DKIKKGGJ-2.85-1.34-1.34+3.00+4.50+7.500-20.46-9.62-9.62+21.54+32.31+53.830 注:负为压杆,正为拉杆。4.2 上弦杆的弯矩 由钢结构与组合结构查的,上弦杆端节间最大正弯矩:M1=0.8M0,其它节间最大正弯矩和节点负弯矩为M2=0.6M0。上弦杆节间集中载荷 P=7.18kN节间最大弯矩
8、M0= Pl/4 =7.181.475/4=2.648kNm端节间 M1=0.8M0=0.82.648=2.118kNm中间节间及节点 M2=0.6M0=0.62.648=1.589kNm5 屋架杆件截面设计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,节点板厚度与弦杆的最大内力有关。根据弦杆最大内力Nmax=124.86kN,查钢结构设计及实用计算P83页表5-1单壁式桁架节点板厚度选用表可选择支座节点板厚为8mm,其它节点板厚为6mm。5.1 上弦杆 整个上弦杆采用等截面通长杆,由两个角钢组成T形截面压弯构件,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
9、lox=1555mm 侧向无支撑长度 l1=21555=3110mm首先试选上弦截面为2706,查钢结构得其主要参数:, ,, 截面塑性发展系数 x1=1.05,x2=1.2。5.1.1 强度验算 取AB段上弦杆(最大内力杆段)验算: 轴心压力: N=124.86kN 最大正弯矩(节间): Mx=M1=2.118kNm; My=M2=1.589kNm截面强度验算由负弯矩控制。5.1.2 弯矩作用平面内的稳定性验算x=l0x / ix=155.5/2.14=72.66150, 按GB50017附录C表C-2查得=0.734 按有端弯矩和横向荷载同时作用使弦杆产生反向曲率,故取等效弯矩系数为 补充
10、验算:故平面内的稳定性得以保证。5.1.3 弯矩作用平面外的稳定性验算 此稳定性由负弯矩控制,验算上弦杆ABC段在弯矩作用下平面外的稳定性 轴心压力 N1=124.86kN,N2=115.81kN。 loy= l1(0.75+0.25N2/N1)=2155.5(0.75+0.25115.81/124.86)=305.36y= loy / iy =305.36 / 3.13=97.56150 查钢结构附表得, 对弯矩使角钢水平肢受压的双角T形截面,查相关规范得整体稳定系数可用下式计算: 在计算长度范围内弯矩和曲率多次改变向号,为偏于安全,取。平面外长细比和稳定性均满足要求。5.1.4 局部稳定验
11、算 对由2707组成的T形截面压弯构件 翼缘:满足局部稳定要求。 腹板:亦满足要求。 所选上弦杆截面完全满足各项要求,截面适用。5.2 下弦杆(轴心受拉杆件) 整个下弦钢不改变截面,采用等截面通长杆。在下弦节点I处,下弦杆角钢水平肢上开有直径为17.5mm的安装螺栓扩孔。因此,计算下弦杆强度时,必须考虑及此。此外,选截面时还要求角钢水平肢(开孔肢)的边长63mm,以便开d0=17.5mm的安装螺栓孔。 首先按段AH的轴心拉力N=118.47kN 下弦杆的计算长度 lox=393.4cm (取下弦杆IJ段的长度) loy=2393.4=786.8cm 需要 选用2564的角钢,其截面相关参数为
12、A=8.78cm2,ix=1.73cm,iy=2.52cm。5.2.1 长度验算 杆段AH An=A=8.78cm2 杆段HI 杆段IJ5.2.2 长细比验算下弦杆长细比满足要求,所以所选下弦杆截面适用。5.3 腹杆5.3.1 中间竖腹杆JG 对于中间竖腹杆,N=0,=295cm对连接垂直支撑的桁架,采用2504组成十字形截面,单个角钢504,=0.99cm =0.9 l =0.9295=265.5cm 可满足要求。5.3.2 主斜腹杆IK、KG主斜腹杆IK、KG两杆采用相同截面,lox=245.8cm,loy=2245.8=491.6cm,内力设计值 N=+53.85kN 所需净截面面积 选
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