钢结构钢屋架课程设计-跨度21m-长度102m

一、设计资料1、题号53的已知条件：梯形钢屋架跨度21m，长度102m，柱距6m。该车间内设有两台200/50kN中级工作制吊车，轨顶标高为8.000m。冬季最低温度为－20℃，地震设计烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g。采用1.5m×6m预应力混凝土大型屋面板，80mm厚泡沫混凝土保温层，卷材屋面，屋面坡度i＝1/10。屋面活荷载标准值为0.7kN/m2，雪荷载标准值为0.2kN/m2，积灰荷载标准值为0.6kN/m2，风荷载标准值0.55kN/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为400mm×400mm，混凝土标号为C20。钢材采用Q235B级，焊条采用E43型。2、屋架计算跨度：l0=21m－2×0.15m=20.7m3、跨中及端部高度：该屋架为无檩体系屋盖方案，屋面材料为大型屋面板，故采用平坡梯形屋架；由于L24m，不考虑起拱，端部高度取H0=1990mm，屋架的中间高度h=3.040m（约l0/6.8）。二、结构形式与布置屋架几何尺寸如图(1)所示。19901350229025902890304026132864312425302864312433901507.51507.51507.51507.51507.51507.51507.5150AaceghBCDFGH15007=10500×图(1)：21米跨钢屋架型式和几何尺寸根据厂房长度（102m60m）、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间，该水平支撑的规格与中间支撑的规格有所不同。在上弦平面设置了刚性系杆与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载。在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端各设一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置如图（2）所示。cc1cc1cc3LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG2LG2LG2LG2LG2LG2LG1LG1LG2LG2LG111GWJ-22GWJ-2GWJ-1GWJ-1GWJ-2GWJ-2GWJ-2GWJ-1GWJ-1LG2LG2LG1LG1LG1LG2LG2LG2LG2LG2LG2LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1cc3cc1cc1GWJ-22cc2LG1LG1LG1LG2LG2LG1LG2LG2LG1LG2LG2LG1LG2LG2cc4sc2sc1sc2sc2sc2sc2sc2sc1sc3sc4sc4sc4sc2sc4sc4sc3sc1sc2sc2sc2sc2sc2sc2sc11500屋架上弦支撑布置图cc2cc1cc3LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1112LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1cc3cc12cc2LG1LG1cc4sc2sc1sc2sc2sc2sc2sc2sc1xc3xc4xc4xc2xc4xc4xc3xc1xc2xc2xc2xc2xc2xc2xc11500屋架下弦支撑布置图cc2GWJ-2GWJ-2GWJ-1GWJ-1GWJ-2GWJ-2GWJ-1GWJ-1GWJ-2xc4cc1cc1LG2LG2LG2LG2zc1zc1zc1zc1zc1zc1zc1zc1zc1zc1zc1zc1zc1zc1zc1zc1LG1LG1LG1LG1垂直支撑2-2LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1LG1cc1LG1LG1cc3LG1LG1cc1垂直支撑1-1cc2cc4cc2SC－上弦支撑；XC－下弦支撑；CC－垂直支撑；GG－刚性系杆；LG－柔性系杆图（2）梯形钢屋架支撑布置三、荷载计算屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准值进行计算。因此，取屋面活荷载0.7kN/㎡进行计算。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式gк=（0.12＋0.011×l）kN/㎡计算，跨度单位为米（m）。荷载计算详见表（1）。荷载名称标准值（kN/㎡)设计值（kN/㎡)永久荷载预应力混凝土大型屋面板1.41.4×1.35=1.89三毡四油防水层0.40.4×1.35=0.54找平层（厚20mm）0.02×20=0.40.4×1.35=0.5480mm厚泡沫混凝土保温层0.08×6=0.480.48×1.35=0.648屋架和支撑自重0.12+0.011×21=0.3510.351×1.35=0.474管道荷载0.10.1×1.35=0.135永久荷载总和3.1314.227可变荷载屋面活荷载0.70.7×1.4=0.98积灰荷载0.60.6×1.4=0.84可变荷载总和1.31.82表（1）荷载计算设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合，在组合时，偏于安全不考虑屋面活荷载和积灰荷载的组合值系数。（1）全跨节点永久荷载＋全跨可变荷载。全跨节点永久荷载及全跨可变荷载为F=（4.227＋1.82）×1.5×6=54.423kN（2）全跨节点永久荷载＋半跨节点可变荷载。全跨节点永久荷载为F1=4.227×1.5×6=38.043kN半跨节点可变荷载为F2=1.82×1.5×6=16.38kN（3）全跨节点屋架（包括支撑）自重＋半跨节点屋面板自重＋半跨屋面活荷载。全跨节点屋架自重为F3=0.474×1.5×6=4.266kN半跨节点屋面板自重及活荷载为F4=（1.89＋0.7）×1.5×6=23.31kN上述计算中，（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。四、屋架杆件内力计算屋架在上述三种内力荷载组合作用下的计算简图如图2.1所示。图2.1桁架计算简图(c)(b)(a)由图解法或数解法解得F=1的屋架各杆件的内力组合系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨），然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果如表（2）所示。杆件名称杆内力系数（F=1）第一种组合第二种组合第三种组合计算杆件内力F(kN)全跨①左半跨②右半跨③F×①F1×①+F2×②F1×①+F2×③F3×①+F4×②F3×①+F4×③上弦杆AB0.000.000.000.000.000.000.000.000.00BD-7.47-5.31-2.16-406.54-371.16-319.56-155.64-82.21-406.54DF-11.26-7.33-3.92-612.80-548.43-492.57-102.34-139.41-612.80FH-12.18-6.86-5.31-662.87-575.73-550.34-211.86-175.73-662.87下弦杆ac4.103.011.09223.13205.28173.8387.6542.89223.13ce9.746.663.08530.08479.63420.99196.79113.34530.08eg11.967.324.63630.90574.89530.83221.65158.94630.90gh11.765.885.88640.01543.70543.70187.23187.23640.01斜腹杆aB-7.68-5.64-2.04-417.97-384.55-325.58-164.23-80.31-417.97Bc5.803.961.84315.65285.51250.79117.0567.63315.65cD-4.40-2.63-1.77-239.46-210.47-196.38-80.07-60.03-239.46De2.791.221.57151.84126.12131.8540.3448.49151.84eF-1.57-0.04-1.52-85.44-60.38-84.62-7.63-42.12-85.44Fg0.32-1.031.3617.42-4.6934.45-22.6433.0634.45/-22.64gH0.711.91-1.238.6458.297.3547.55-24.9458.29/-24.94竖杆Aa-0.5-0.50-27.21-27.21-19.02-13.78-2.133-27.21Cc-1-10-54.42-54.42-38.04-27.57-4.26-54.42Ee-1-10-54.42-54.42-38.04-27.57-4.26-54.42Gg-1-10-54.42-54.42-38.04-27.57-4.26-54.42表（2）屋架杆件内力组合五、杆件设计（1）上弦杆。整个上弦采用等截面，按FH杆件的最大设计内力设计，即N=-662.87kN。上弦杆计算长度计算如下。在屋架平面内：为节间轴线长度，即：1.5075oxllm在屋架平面外：屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面能起到一定的支撑作用，取上弦横向水平支撑的节间长度：oyl=2oxl=3.015m。根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。如图七所示。腹杆最大内力N＝-417.97kN，查表8-4，中间节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。设=80，查轴心受力稳定系数表（b类截面），=0.688（由双角钢组成的T型和十字形截面均属于b类），则需要的截面积：A=226628704487.2744.870.688215Nmmcmf需要回转半径为：150.751.8880oxxlicm301.53.7780oyylicm根据需要的A、xi、yi查附录14、附录15，初选2∠125×80×12，肢背间距a=10mm，则由附录14查得2.24xicm；由附录15查得A=46.7022cm，6.23yicm。按所选角钢进行验算：x150.7567.30[]1502.24oxxliy301.548.39[]1506.23oyyli由于xy，只需求x。由x查附表12-2得x＝0.768，则3662.8710192.362150.7684487yNMpaMpaMpaA所选截面合适。图7上弦截面(2)下弦杆。整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的gh杆计算，则：N=640.01kN=640010Nl0x=3000mm，l0y=10350mm,所需截面积为：226400102976.7929.77215nNmmcmfA选用2∠100×63×10，因00yxll，故用不等肢角钢，短肢相并，查附表14、附表15可得A=30.9342cm29.772cm，1.74xicm，5.09yicm。按所选角钢进行验算：22640010206.9/215/3093.4nNNmmNmmAx300172.4[]2501.74oxxliy1035203.3[]2505.09oyyli因此，所选截面合适。见下图8：图8下弦截面（3）端斜杆aB。杆件轴力已知为N=-417.97kN=417970N，计算长度oxl=oyl=2530mm。因为oxl=oyl，故采用不等肢角钢，长肢相并，使xyii。设=80，查轴心受力稳定系数表，=0.688（由双角钢组成的T型和十字形截面均属于b类）。需要截面面积：A=224179702825.6528.260.688215Nmmcmf需要回转半径：cm16.380253lioxxcm16.380253lioyy根据需要的A、xi、yi，选用2∠100×80×10，则查附表14、附表15可得A=34.334㎝2，3.12xicm，3.60yicm。按所选角钢进行验算：25381.091503.12oxxxliy25370.28[]1503.60oyyli因为xy只需求出xmin，由x查附表12-2得x=0.680，则22417970179.02/215/0.6803433.4XNNmmfNmmA因此，所选截面合适。见图8所示。（4)腹杆Bc设计。杆件轴力已知为N=315.65kN=315