某单跨单层厂房钢屋盖设计计算书.doc

钢

结

构

设

计

姓名：李均
入学时间：
学号：1151201203828
专业：土木工程

目录

题目 ………………………………………………………………..3
设计资料 ………………………………………………………......3
屋架形式及几何尺寸……………..………………………………..3
支撑布置……………………………………………………………3
檩条设计……..……………………………………………………..4
屋架设计……..……………………………………………………..6
杆件截面设计.…………………………………………………….15
节点连接设计……………………………………………………..21

（一）题目
某单跨单层厂房钢屋盖设计。

（二）设计资料
1、钢材为Q235-B，焊条E43型。
2、屋架支承于钢筋混凝土柱子上，屋架节点采用焊接方式连接。
3、钢筋混凝土柱高为8m。
5、厂房内有中级工作制桥式吊车，起重量为Q。
6、屋面均布活荷载（不与雪何在同时考虑）为:：轻型屋面取0.30kN/㎡；但计算负荷面积不超过60㎡时，取0.5kN/㎡。
7、屋架形式：三角形钢屋架。
7-1长尺压型钢板屋面，屋面坡度为i=1/3，槽钢檩条（坡向间距750~850mm）。
7-2屋架间距：6m。
7-3屋架跨度：15m。
7-4基本风压为0.35 kN/㎡。
7-5基本雪压为0.33 kN/㎡。

（三）屋架形式及几何尺寸
采用三角形屋架（芬克式），坡度为i=1/3，计算跨度为21m-0.3m=20.7m。跨中起拱为L/500=21000/500=42mm，H=L/6=3450mm，屋面材料采用压型钢板。
屋架形式及几何尺寸如图所示。

（四）支撑布置
1、根据车间长度为72m，而支撑间距不宜大于60m，因此宜在沿长度方向第二柱间起布置上弦横向支撑，这样就避免了支撑间距大于60m的问题，一共两道上下弦横向支撑。具体布置如图示。
2、跨度为21m>18m，应设置2道垂直支撑，但是为了与上下弦的横向支撑布置在同一柱间，因此只在第二柱间起开始布置垂直支撑，为使支撑交叉杆满足45度的角度要求，在一个柱间布置两个交叉杆作为一道垂直支撑。具体布置如图示。
3、屋架上弦不再设置刚性系杆，由檩条兼作刚性系杆，屋架下弦沿跨中和约1/3处设置2道柔性系杆。

（五）檩条设计
1、荷载汇总
屋架自重（包括支撑）估算公式=×L=0.01×21=0.21 kN/㎡,
可变荷载：檩条坡向间距取728mm,可计算得水平间距为700mm，
因此可得受荷面积S=0.728×6=4.428㎡<60㎡，取可变荷载为0.5 kN/㎡，暂不考虑风荷载。假设檩条自重为0.13 kN/㎡,即0.176 kN/m。
2、内力计算

2-1檩条线荷载
=0.728×0.176＋0.21＋0.5×0.728=0.71 kN/m，
=1.2(0.728×0.176＋0.21)＋1.4×0.5×0.728=0.925 kN/m,
=×sin18.43·=0.292 kN/m，
=×cos18.43·=0.0.878 kN/m。
2-2弯矩设计值
=×/8=0.878×/8=3.951 kN/m，
=×/8=0.878×/8=0.329 kN/m。
2-3截面初选及强度验算
===24.79
选用【10，自重为0.098 kN/m，小于假设值，加上拉条重量认为与假设值相等，查表得
=39.7，=16.8，=7.8，=198，=3.95cm, =1.41cm,
由于计算截面有孔眼削弱，考虑0.9的折减系数，则可得净截面模量为
=35.73，=15.12，=7.02，屋面能阻止檩条失稳和扭转，塑性截面发展系数=1.05，=1.2
截面a点和b点强度为
=＋=＋=144.37 Mpa <f=215Mpa
=＋=＋=123.45Mpa <f=215Mpa
2-4挠度计算
V=×==24.71mm>=40mm
2-5构造要求
=6000/39.5=151.9<200 满足要求
y方向有系杆，可不推算，即也满足要求
此檩条可兼作屋架平面内支撑竖杆或刚性系杆

（六）屋架设计
1、荷载计算
1-1永久荷载（对水平投影面）
屋面板 0.2kN/㎡
檩条自重 0.13kN/㎡
屋架及支撑重 0.21kN/㎡

合计 0.54kN/㎡

1-2可变荷载
1-2-1屋面荷载：此屋架仅受一可变荷载作用且受荷面积为6×21=126>60㎡,取为0.3 kN/㎡，与雪荷载相同，因此取屋面活载为0.3 kN/㎡。
b.风荷载：基本风压为0.35 kN/㎡
1-3荷载组合
a.恒载＋活载
b.恒载＋半跨活载
c.恒载＋风载
1-4上弦节点荷载
上弦节点恒载标准值为P1=0.54×6×0.728=2.39kN
下弦节点恒载标准值为P2=0.3×6×0.728=1.33kN
假定基本组合由可变荷载效应控制，则上弦节点荷载设计值1.2×2.39＋1.4×1.33=4.73kN
假定基本组合由恒载荷载效应控制，则上弦节点荷载设计值为1.35×2.39＋1.4×0.7×1.33=3.55kN
综上所述，本工程的屋面荷载组合由可变荷载组合控制
上弦节点恒荷载集中荷载（P表示恒荷载）

上弦节点活荷载集中荷载（P表示活荷载）

上弦集中荷载及节点荷载汇总表
荷载形式
荷载分类
集中荷载（设计值）
P（kN）
节点荷载（设计值）
3P（kN）
备注
恒荷载
2.722
8.166
P=1.2×0.54×0.7×6=2.722kN
活荷载
1.764
5.292
P=1.4×0.3×0.7×6=1.764kN
恒荷载+活荷载
4.486
13.458
P=2.722+1.764=4.486kN

1-5风荷载设计值
因为钢筋混凝土柱高为8m，故取风压高度变化系数为=1
上弦节点风荷载计算简图
风载体形系数
背风面= －0.5 迎风面=－0.328 坡度i=1/3 即=
计算主要承重结构
迎风面W1=－1.4×0.328×1×0.35=－0.161 kN/㎡ 方向垂直屋面，为风吸力；
迎风面W2=－1.4×0.5×1×0.35=－0.245 kN/㎡ 方向垂直屋面，为风吸力。
W1与W2垂直于水平面，分力均小于永久荷载（荷载分项系数取1.2）所以永久荷载与风荷载联合作用不致使杆件内力变号，因此，风荷载影响可不考虑。
1-6屋架上弦在檩条处集中荷载设计值为
Q=（1.2×0.54＋1.4×0.35）×0.700×6=4.486kN
2、内力计算与内力组合
上弦杆因有节间荷载故为压弯杆件，将轴力与弯矩的计算分开进行，计算杆件轴力时，取屋架上弦节点处集中荷载为3Q，将3Q乘以内力图中的内力系数即得各杆件的轴力。
跨度中央每侧各两根腹杆按照压杆控制其长细比，因此可不考虑半跨荷载作用的情况，只计算全跨满载时的杆件内力。
2-1轴力计算

将以上结果与结构力学求解器的结果进行对照，误差较小，故可视为计算正确。

标题:三角形钢屋架内力计算
内力计算
杆端内力值 ( 乘子 = 1)
----------------------------------------------------------------------------------------------
杆端 1 杆端 2
单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩
----------------------------------------------------------------------------------------------
1 -44.0164487 0.78298482 -0.00000000 -44.0164487 0.78298482 569.483545
2 -43.6162992 0.01491336 569.483545 -43.6162992 0.01491336 580.330386
3 -43.0905972 -0.79789818 580.330386 -43.0905972 -0.79789818 0.00000000
4 -42.9415526 1.04114021 0.00000000 -42.9415526 1.04114021 757.246116
5 -43.0160749 -0.09077537 757.246116 -43.0160749 -0.09077537 691.223023
6 -42.6100565 -0.95036484 691.223023 -42.6100565 -0.95036484 0.00000000
7 -35.4191026 0.98220771 -0.00000000 -35.4191026 0.98220771 714.383104
8 -35.2131590 -0.03268682 714.383104 -35.2131590 -0.03268682 690.609202
9 -34.6135064 -0.94952089 690.609202 -34.6135064 -0.94952089 0.00000000
10 -41.2148302 0.95821255 -0.00000000 -41.2148302 0.95821255 696.930850
11 -40.8152524 -0.01235528 696.930850 -40.8152524 -0.01235528 687.944559
12 -40.4412679 -0.94585727 687.944559 -40.4412679 -0.94585727 0.00000000
13 -39.7887136 0.97013545 0.00000000 -39.7887136 0.97013545 705.602665
14 -39.6148038 -0.02245903 705.602665 -39.6148038 -0.02245903 689.267675
15 -39.3369184 -0.94767642 689.267675 -39.3369184 -0.94767642 0.00000000
16 -39.0679324 0.84530558 0.00000000 -39.0679324 0.84530558 614.810921
17 -39.2146543 0.09797009 614.810921 -39.2146543 0.09797009 686.066904
18 -39.8989111 -0.94327567 686.066904 -39.8989111 -0.94327567 0.00000000
19 -40.1309956 0.81208461 -0.00000000 -40.1309956 0.81208461 590.648515
20 -40.6151777 0.05369551 590.648515 -40.6151777 0.05369551 629.702540
21 -41.0983329 -0.86578012 629.702540 -41.0983329 -0.86578012 -0.00000000
22 -34.5299290 0.90510132 -0.00000000 -34.5299290 0.90510132 658.301789
23 -35.4132337 0.04022665 658.301789 -35.4132337 0.04022665 687.559592
24 -35.2244599 -0.94532797 687.559592 -35.2244599 -0.94532797 0.00000000
25 -42.4045497 0.98220771 -0.00000000 -42.4045497 0.98220771 714.383104
26 -42.6159254 -0.03268682 714.383104 -42.6159254 -0.03268682 690.609202
27 -43.1441176 -0.94952089 690.609202 -43.1441176 -0.94952089 -0.00000000
28 -43.0881069 0.84530558 0.00000000 -43.0881069 0.84530558 614.810921
29 -44.0164487 0.09797009 614.810921 -44.0164487 0.09797009 686.066904
30 -44.4165983 -0.94327567 686.066904 -44.4165983 -0.94327567 -0.00000000
31 9.75418833 0.00000000 -0.00000000 9.75418833 0.00000000 -0.00000000
32 5.27047313 -0.00000000 -0.00000000 5.27047313 -0.00000000 0.00000000
33 -8.67679565 0.00000000 -0.00000000 -8.67679565 0.00000000 0.00000000
34 -8.67679565 -0.00000000 -0.00000000 -8.67679565 -0.00000000 0.00000000
35 5.04637892 0.00000000 -0.00000000 5.04637892 0.00000000 -0.00000000
36 9.47771619 -0.00000000 0.00000000 9.47771619 -0.00000000 0.00000000
37 -2.84670191 0.00000000 -0.00000000 -2.84670191 0.00000000 0.00000000
38 4.45043734 -0.00000000 0.00000000 4.45043734 -0.00000000 -0.00000000
39 -5.11956521 -0.00000000 0.00000000 -5.11956521 -0.00000000 -0.00000000
40 4.66952028 -0.00000000 0.00000000 4.66952028 -0.00000000 -0.00000000
41 18.6060582 0.00000000 -0.00000000 18.6060582 0.00000000 0.00000000
42 13.9560485 0.00000000 0.00000000 13.9560485 0.00000000 0.00000000
43 -5.10771002 -0.00000000 0.00000000 -5.10771002 -0.00000000 -0.00000000
44 0.00375040 0.00000000 -0.00000000 0.00375040 0.00000000 0.00000000
45 -4.92927927 -0.00000000 0.00000000 -4.92927927 -0.00000000 -0.00000000
46 -5.18012139 0.00000000 -0.00000000 -5.18012139 0.00000000 0.00000000
47 4.44389620 -0.00000000 0.00000000 4.44389620 -0.00000000 -0.00000000
48 -2.79503655 0.00000000 -0.00000000 -2.79503655 0.00000000 0.00000000
49 13.5997942 0.00000000 -0.00000000 13.5997942 0.00000000 0.00000000
50 17.9444367 0.00000000 -0.00000000 17.9444367 0.00000000 0.00000000
51 4.26336045 -0.00000000 0.00000000 4.26336045 -0.00000000 -0.00000000
52 -2.76766730 0.00000000 -0.00000000 -2.76766730 0.00000000 0.00000000
53 -2.87677472 -0.00000000 0.00000000 -2.87677472 -0.00000000 -0.00000000

2-2弯矩计算

端部第一节间跨度1/3处正弯矩为0.8=0.8×3.10=2.48
其他节间跨中1/3处正弯矩以及节点处的负弯矩为0.6=0.6×3.10=1.86

（七）杆件截面设计
选择原则，一般情况下杆件截面的最小厚度为5mm，角钢杆件或者T型钢的悬伸肢宽不得小于45mm，由表查得桁架节点板的厚度取8mm。

1、上弦杆
计算长度
上弦杆不改变截面，按照最大内力设计
=－191.55kN =2.48 =1.86
选用截面，其截面几何特征为
截面面积 A=21.274（）
截面抵抗矩
回转半径
长细比 属于b类截面

取 查表即得
欧拉力
稳定系数

a.平面内稳定性计算
此端节点弦杆相当于两端支撑杆件，其上作用有段弯矩和横向荷载并为异号曲率的情况，故取等效弯矩系数。用跨中最大正弯矩验算
=
对于这种组合T形截面杆件，在弯矩效应较大时，可能在较小的翼缘一侧因受拉塑性区的发展而导致杆件失稳，因此，还应验算截面的另一侧

显然另一侧不控制平面内失稳，故平面内稳定得以保证。

b.平面外稳定性验算
关于梁的整体稳定性系数，由于，因所考虑构件内有端弯矩和横向荷载同时作用，且使构件产生反向曲率，因此取
用跨中最大正弯矩
根据支撑布置情况，可知上弦节点处均有侧向支撑得以保证其不发生平面外失稳，课不必验算节点处的平面外稳定，只需要验算其强度。

c.强度验算
上弦杆节点“2”处的弯矩较大，且又比较小，因此按照截面上无翼缘一边的强度进行验算。

2、下弦杆
下弦杆不改变截面，按照最大内力设计，取=181.683kN，
计算长度
选用截面
截面几何特征：
截面面积：
回转半径：
长细比：
强度验算：

3、腹杆
节点板的厚度取6mm。

a.杆件2-7，5-9：截面选择

两根杆的内力相同，计算长度基本相同，选取同一种截面L45×4，其截面几何特性为
截面面积：
回转半径：
长细比：
属于b类截面
因此
取，查表可得
当计算截面连接的是单角钢杆件时，钢材的强度设计值应进行折减，其中，按照轴心受力构件计算强度时，强度折减系数为0.85。
强度验算：

b.杆件4-9，3-7：截面选择

两根杆的内力相同，计算长度基本相同，选取同一种截面2L45×4，其截面几何特性为
截面面积：
回转半径：
长细比：

属于b类截面
因此
取，查表可得
强度验算：

c.杆件4-8，3-8：截面选择
取最大内力N=

两根杆的内力基本相同，计算长度基本相同，选取同一种截面2L45×4，其截面几何特性为
截面面积：
回转半径：
长细比：
属于b类截面
因此
取，查表可得
强度验算：

d.杆件6-9：截面选择
内力为N=78.51kN

选取截面2L50×6，其截面几何特性为
截面面积：
回转半径：
长细比：
属于b类截面
因此
取，查表可得
强度验算：

e.杆件8-9：截面选择
内力为N=53.32kN

选取截面2L50×6，其截面几何特性为
截面面积：
回转半径：
长细比：

属于b类截面
因此
取，查表可得
强度验算：

f.杆件6-10：截面选择
连接垂直支撑的竖向腹杆，其计算长度=0.9×3450=3105mm，查看《钢结构设计手册》中表19-8可知，选择2L50×5十字形相连即符合要求，可不必再进行验算。

将所选择截面的杆件布置总结在下表中

杆件截面选择表

杆

件

内力
kN

截
面
规
格

截
面
积

计
算
长
度
mm
回
转
半
径
cm
长
细
比
容
许
长
细
比
稳
定
系
数

应
力
Mpa
名称
编号

上弦杆
节点
1-5

-191.6

等边双肢
90×6

21.274

2185

2185

2.79

3.98

78.3

66.7

150

0.77

0.887

154.76
下弦杆
节点
6-8

181.7

不等边双肢
100×80×6

21.274

4600

10350

2.4

4.61

191.7

224.5

350

85.4

腹杆
2-7
5-9
-12.79
等边单肢
45×4
2.569
582
728
1.4
2.14
41.6
62.2
150
0.796

60.48
杆件
4-9
3-7

20.23

等边双肢
45×4

5.318

1840

2300

1.4

2.14

131.4

111.9

350

0.381

99.84
杆件
3-8
4-8

-22.34

等边双肢
45×4

5.318

1696

2120

1.4

2.14

121.1

103.8

150

0.431

97.47
杆件
6-9

78.51

等边双肢
50×6

11.38

1840

2300

1.52

2.4

121.1

97.3

350

159.75
杆件
8-9

53.32

等边双肢
50×6

11.38

2760

3450

1.52

2.4

181.6

144.8

350

212.08
杆件
6-10

0

等边十字交叉50×5

9.609

（八）连接节点设计
1、一般杆件连接焊接
焊缝设计构造要求：焊缝最小尺寸为，这里，我们取t=8mm>6， ，因此取。
杆件1-2所需焊缝长度：
肢背：
肢尖：
杆件2-3所需焊缝长度：
肢背：
肢尖：
杆件3-4所需焊缝长度：
肢背：
肢尖：
杆件4-5所需焊缝长度：
肢背：
肢尖：
杆件5-6所需焊缝长度：
肢背：
肢尖：
杆件6-10所需焊缝长度：
杆件内力，因此焊缝长度只需要符合构造要求，取。
杆件1-7所需焊缝长度：
肢背：
肢尖：
杆件7-8所需焊缝长度：
肢背：
肢尖：
杆件8-10所需焊缝长度：
肢背：
肢尖：
杆件8-9所需焊缝长度：
肢背：
肢尖：
双角钢杆件的填板设置：由双角钢组成的T字形或十字形截面杆件是按照实腹式杆件进行计算的。为了保证两个角钢共同工作，必须每隔一定距离在两个角钢之间加设填板，使它们之间有足够可靠的连接，取填板宽度为60mm，填板厚度取与桁架节点板相同。
2、上弦节点连接计算
2-1节点编号如图所示

2-2-节点连接计算
2-2-1节点“1”
a-1支座底板厚度
支座底板尺寸。如图所示：

支座反力：
R=6P+（1.2×0.54+1.4×0.3）×0.74×6=85.49kN
设a=b=12cm,则a1=16.9cm，b1=a1/2=8.45cm
底板承压面积
板下压应力
底板弯矩（按照两相邻支撑板计算），查《钢结构设计规范》得
可得
支座底板厚度 取厚。
a-2支座节点板与底板的连接焊缝
设，

支座节点板与加劲板的连接焊缝取8mm，计算从略，方法如上。
a-3上弦杆与节点板的连接焊缝
，假设焊缝厚度，焊缝计算长度
杆件轴心力N，假定全由角钢肢尖焊缝传递，并且考虑传力的偏心影响，其中偏心距：
e=90-25=65mm,由公式计算得到：
<
b、节点“2”、“3”
详细见下图，节点荷载P假定由角钢肢背的塞焊缝承受，按照构造要求节点板较长，故焊缝强度可以满足，具体计算从略。

节点两侧上弦杆轴心力之差，假定由角钢肢尖焊缝承受，并且考虑偏心力矩：M=Ne的影响，仍按照公式计算，其结果已汇总在下表中：
节点名称
节点号
N2
kN
N1
kN

kN

mm

mm

mm

mm

Mpa

Mpa
上弦节点
2
187.3
191.6
4.3
6
65

1.22

152
3
153.4
187.3
33.9
6
65

1.22

152

c、节点“4”
见下图，节点荷载P，假定由角钢肢背的塞焊缝承受，同上按照构造要求考虑，即可满足，计算从略。

c-1 上弦杆拼接叫刚的连接焊缝，以该节间的最大轴力N，按照公式进行计算：设

c-2上弦杆角钢与节点板的连接焊缝，以上述轴心力的15%按照公式计算：设
e=65mm
按构造要求为220mm，取=220-10=210mm，因此 <=0.95×160=152Mpa
d、节点“5”
详细见下图

d-1下弦杆拼接角钢的连接焊缝，以全面积的等强度条件，按照公式计算：设

拼接角钢选用，切成长度为，接头的位置视材料长度而定，最好设置在跨中节点处，当接头不在接点时，应增设垫板。
d-2下弦杆角钢与节点的连接焊缝，以该节点的最大轴力N的15%进行计算。设。

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