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1、三峡大学 机械与材料学院- 1 -轻型屋面三角形钢屋架设计说明书学 生：陈 昶指导教师：付建科（三峡大学 机械与材料学院）1 设计资料及屋架形式与材料设计一位于杭州市郊的单跨封闭式屋架结构，单跨屋架结构总长度为36m，柱距为 4m，跨度为 l=9m，屋面材料为波形石棉瓦，规格：18207258.其他主要参数：坡度 i=1： 3，恒载为 0.3KN/m2,活载为 0.6KN/m2，屋架支撑在钢筋混凝土柱顶，混凝土标号 C20，柱顶标高为 6m，钢材标号：Q235-B.F，其设计强度为 f=215KN/m2,焊条采用 E43 型，手工焊接，荷载分项系数去：G=1.2,Q=1.4.2 屋架形式及几何
2、尺寸根据所用屋面材料的排水需要几跨度参数，采用人字形六节间三角形屋架。屋架坡度为 1：3，屋面倾角 。1arctn8.43, sin0.62cos0.9487屋架计算跨度： .lm屋架跨中高度： 015h上弦长度： 482coslL节间长度： .3am节间水平方向尺寸长度： .cos149am根据几何关系得屋架各杆件的几何尺寸如图 1 所示。图 1 杆件的几何尺寸三峡大学 机械与材料学院- 2 -3 屋盖支撑设计3.1 屋架的支撑（如图 1 所示） 在房屋两侧第一个柱间各设置一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑。 在屋架的下弦节点 2 处设置一通长柔性水平系杆。图 2 屋架的支撑3.2 屋面
3、檩条及其支撑波形石棉瓦长为 1820mm，要求搭接长度150mm，且每张瓦至少需要有三个支撑点，因此，最大檩条间距为： .max182053pm半跨屋面所需檩条条数为： 根。6.3Ln考虑到上弦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为: =7 根，檩条间距 . 可以满足要求。pn max764ppa檩条水平间距： .cos25檩条选用槽钢6.3，查表得相关数据：。33416.,4.5,1xyxWcmI 荷载计算三峡大学 机械与材料学院- 3 -恒载：0.3KN/m 2, 活载：0.6KN/m 2.檩条截面受力图如图 3 所示。檩条线载荷为： =(0.3+0.6)0.725=0.6
4、525KN/mkP=(1.20.3+1.40.6)0.725=0.87KN/m=Psin=0.870.3162=0.275KN/mk=Pcos=0.870.9487=0.825KN/myP图 3 檩条截面力系图 强度验算 檩条支撑如图 4 所示。柱间距为 =4m，所以弯矩设计值为：l21.658yxPlMKNm20.37xyl屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可不计算整体稳定性,只需计算其强度。檩条的最大应力处：三峡大学 机械与材料学院- 4 -221.650.1375.980.217/15/4yXxnnMNmW 檩条 y 方向： 檩条 x 方向：28PlM 23PlM图 4 刚度验算在沿屋面方
5、向有拉杆，可只验算垂直于屋面方向的绕度。绕度： 4 431cos550.62.987019.626.38381550kyxpl lv mEI4 屋架的内力计算4.1 杆件的轴力 ;8706145lnh为求杆件轴力，把节间荷载转化为节点荷载 p：p=（1.20.3+1.40.6）1.4494=6.96KN按课题要求，根据建筑结构静力计算手册查的内力系数和计算内力如表 1和图 5 所示。表 1 杆件内力系数及内力值杆件名称 杆件 内力系数 内力设计值（KN）AB -7.91 -52.92BC -6.64 -44.42上弦 CD -7.27 -48.64A-1 7.5 50.18下弦 1-2 4.5
6、 30.12腹 B-1、C-1 -1.34 -8.96三峡大学 机械与材料学院- 5 -D-1 3 20.07板D-2 0 0图 5 杆件内力图4.2 上弦杆弯矩上弦杆端节间的最大正弯矩：M 1=0.8M0；其他节间的最大正弯矩和节点负弯矩为:M 2=0.6M0；上弦杆集中荷载：P=(1.20.3+1.40.6) 0.7254=3.84KN;节间最大弯矩：M 0=Pa/4=3.481.449/4=1.26KNm则：M 1=0.8M0=0.81.26=1.008KNm, M2=0.6M0=0.61.26=0.756KNm5 屋架杆件截面设计在三角形屋架中，根据杆件最大内力 N=Nmax=52.9
7、2KN,查焊接屋架节点板厚参考选用表，选择端支座节点板厚为 8mm，其他节点板厚为 6mm。节点板厚的选择如表 2 所示。三峡大学 机械与材料学院- 6 -表 2 钢屋架节点板厚度参考选用表确定节点板厚度的杆件最大内力/KN1501512502514004016006011000101014001410180018000节点板厚度/mm6 8 10 12 14 16 18 20端支座节点板厚度/mm8 10 12 14 16 18 20 245.1 上弦杆整个上弦杆采用等截面通长杆，以避免采用不同的截面时的杆件拼接。杆 BC 的内力为 N1=44.42，为压应力。弯矩作用的平面计算长度 =15
8、2.8cm,oxl侧向无支撑长度 =2152.8=305.6cm.1l所以 = (0.75+0.25N1/N)=293.3cm.oyl1设 =130，查轴心受力稳定系数表， =0.555需要截面积3 252.904.51NAmf需要回转半径，152.830oxlicm293.610oylic首先，试选上弦杆截面为 2505：A=9.61cm 2, r=5.5mm, ix=1.53cm, iy=2.38cmWxmax=15.79cm3, Wxmin=6.26cm3三峡大学 机械与材料学院- 7 - 强度检验杆件单向受弯，按拉弯和压弯构件的强度计算公式计算：查表知: =1.05, =1.2， =1
9、501x2x条件： 215/nxMNfNmAW取 AB 段上弦杆（最大内力杆段）验算：轴心压力 N=52.92KN.最大节间正弯矩：M x=M1=1.008KNm最大负弯矩：M x=M2=0.756 KNm正弯矩截面：36231125.901.805.10865795.9/xxnnmaNAWf负弯矩截面： 362232min5.910.7510.10.6615.715/xnnxMAfN所以上弦杆的强度满足要求。 弯矩作用平面内的稳定性计算应按下列规定计算：对角钢水平肢 1： 21 15/(0.8)mxxxExMNfNmAW对角钢水平肢 2： 22 15/(1.5)mxxExfNA因杆段相当于两
10、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: 。0.8mx长细比： 152.80153oxli该截面属于 b 类截面，查表得 .x三峡大学 机械与材料学院- 8 -欧拉临界应力：22323 20619.017.41.ExxAN KN所以： 59.87.4Ex用最大正弯矩进行计算：M x=M1=1.008KNm31max5.9XWc 32in6.2XxWc22310850167.15.6.79(.98)0.8xxExN NfmA36222325.91.1.00(.25).mxExMfN用最大负弯矩进行验算：M x=M2=0.756KNm， 31min6.
11、2XxWc1.622231591085071.15.6(.298)0.8xxEx NfmAN满足要求 弯矩作用平面外的稳定性计算验算条件： 215/txybMfNmAW因侧向无支撑长度 l1 为 305.6cm，故验算上弦杆的 ABC 段在弯矩作用平面外的稳定性。等弯系数: tx=mx=0.85.杆 BC 的内力为 N1=44.42，为压应力。弯矩作用的平面计算长度 =152.8cm,oxl侧向无支撑长度 =2152.8=305.6cm.1l所以 = (0.75+0.25N1/N)=293.3cm.oyl1长细比： 293.1508oyli属 b 类截面，查表得 =0.422y三峡大学 机械与
12、材料学院- 9 -用最大正弯矩进行计算：M x=M1=1.008KNm， ，31max5.79XWc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可按下式进行计算： 得b0.70.723.0.1235ybf36 22315.91.8119.5/469.txybN fNmAW用最大负弯矩进行计算：M x=M2=0.756KNm， ，31max.7XWc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 可按下式b进行计算： 得10.510.523.10.9823ybf6 2231.9.8745/469.txybMN fNmAW所以平面外长细比和稳定性均可满足要
13、求 局部稳定性验算验算条件：翼缘自由外伸宽厚比： 2351ybtf腹板高厚比：当 时：0a.01wyhtf当 时：01.02358ytf， 为腹板计算高度边缘的最大压应力。 为腹板计算maxin0max min高度另一边缘相应的应力。b=b-t=50-5=45mm h0=b-t=50-5=45 tw=t=5mm翼缘： 腹板： 满足要求459bt0459wt所以，上弦杆截面完全满足各项要求，截面适用5.2 下弦杆三峡大学 机械与材料学院- 10 -下弦杆为轴心受压构件，整个下弦杆不改变截面，采用等截面通常杆。首先按杆段 A-1 的强度条件和下弦杆的长细比条件选择截面。轴心拉力为 N=50.18K
14、N。长细比容许值： =350下弦杆的计算长度为： =241.7cm. =2 =483.4cmoxloylx要满足：32250.18.nNAcmf， 24.7693oxli cm483.150oyli选用 2405：A=7.58cm; =1.21cm; =1.98cmxiyi 强度验算杆段 A-1：A n=A=7.58cm2所以：322250.186./15/7nNNmfNm 长细比验算，241.035oxli483.2.13509oyli满足要求，所以所选下弦杆截面适用5.3 腹板腹板为轴心受压构件，=150 短压杆 B-1,C-1.轴心压力 N=8.96KN, =108.1cml斜平面计算长度： =0.9l=97.29cm0需要满足： min97.2.64815olcm选用单角钢：405：A=3.79cm 2, =1.21cmxi长细比： min97.80.41501ol属于 b 类截面，查表得 =0.685三峡大学 机械与材料学院- 11 -单面连接的等边单角钢构件按轴心受压计算稳定性时的强度设计值拆减系数为： .0.6150.61580.4721R272/fNm32228.94.5/15/06510RNfNmA满足要求，所选截面适用 长压杆 D-2轴心压力 N=20.07KN, =214.7cml斜平面计算长度： =0.9l=193.23cm0需
