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1、轻型屋面三角形钢屋架设计设计人:王沛伦 指导老师：付建科（三峡大学 机械与材料学院）1 设计资料及说明设计一位于杭州市近郊的封闭式单跨屋架结构，主要参数如下：1.结构平面尺寸：36m15m，柱距S=4m；2.屋面材料：波形石棉瓦（18207258）；3.屋面坡度1：3，恒载0.3kN/m2,活（雪）载0.3kN/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：Q235-B.F；6.焊条型号：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：，。2 屋架形式及几何尺寸 根据所用屋面材料的排水需要及跨度参数，采用芬克式三角形屋
2、架。屋面坡度为i=1/3,屋面倾角。，屋架计算跨度：屋架跨中高度：上弦长度：节间长度：节间水平段投影尺寸长度：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3 屋盖的支撑布置3.1 屋架的支撑1.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；2.在上弦平面横向支撑的同一柱间的屋脊处设置一道垂直支撑；3.在各屋架下弦中点设置一道统长系杆，水平系杆与垂直支撑相连，使各屋架下弦的中点成为侧向不到支点。图2.屋架支撑构件3.2 屋面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：半跨屋面所需檩
3、条条数为：根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：，则檩条间距：，可以满足要求。（1）截面选取试选用轻型槽钢8，查表可得截面塑性发展系数。檩条截面受力图如图3所示: 图3. 檩条截面力系图檩条的线载荷： （2）强度计算柱间距为=4m，所以弯矩设计值为： 截面最大应力（拉应力）位于槽钢下翼缘肢尖处：故能满足要求。（3）刚度计算载荷标准值：，沿屋面方向有拉杆，所以可以只验算垂直于屋面方向的挠度：能满足刚度要求。4 屋架的内力计算4.1 杆件的轴力载荷计算恒载，活载屋面水平投影上的荷载设计值：为求杆件轴力，把载荷转化为节点载荷：屋架及荷载是对称的，所以只需计算半个屋架的杆
4、件轴力。根据建筑钢结构静力计算手册查的内力系数，计算出的内力如表1和图4.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)上弦AB-14.23-65.32BC-13.91-63.85CD-11.32-51.96DE-13.28-60.96EF-12.97-59.53下弦A-113.5061.971-212.0055.082-37.5034.43腹杆B-1,E-4-0.95-4.36C-2,D-2-1.66-7.62C-1,D-41.506.892-44.5020.66F-46.0027.54图4.4.2 上弦杆的弯矩上弦杆端节间的最大正弯矩：M1=0.8M0；其他节间的最大正弯
5、矩和节点负弯矩为:M2=0.6M0；上弦杆集中荷载：；节间最大弯矩：端节间最大正弯矩：其他节间最大正弯矩，节点负弯矩：5 屋架杆件截面设计在三角形屋架中，节点板厚度与弦杆的最大内力有关。根据弦杆最大内力，查表2，采用支座节点板厚8mm，其他节点板厚6mm。表2. 屋架节点板厚度三角形屋架弦杆最大内力设计值150151250251400401600601100010101400141018001800中间节点板厚支座节点板厚688101012121414161618182020245.1 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。弯矩作用平面计算长度，侧向无支撑长度，
6、，故采用。试选用由两个角钢组成的T形截面压弯杆件，上弦杆截面2706：，截面塑性发展系数。1.长细比验算 2.强度验算取AB段上弦杆（最大内力杆段）验算：轴心压力N=65.32kN；最大正弯矩（节间）：；最大负弯矩（节点）：正弯矩截面：负弯矩截面：所以上弦杆的强度满足要求。3.弯矩作用平面内的稳定性计算形截面属b类压杆，由查得，由查得。上弦节点A、B间的轴向压力和正、负弯矩均较大，因此取两组内力N=-65.32kN、和N=-65.32kN、分别进行稳定性验算。因所考虑杆段相当于两端支承的构件、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的情况，取等效弯矩系数：。欧拉临界力： 用最大正弯矩
7、进行验算：截面另一侧：用最大负弯矩验算：满足要求。4.弯矩作用平面外的稳定性计算因，得： 取等效弯矩系数。用最大正弯矩：用最大负弯矩：平面外长细比和稳定性均满足要求。5.局部稳定性验算验算条件：翼缘自由外伸宽厚比：腹板高厚比：当时， 当时，对由2706组成的T形截面压弯构件：b=70，t=6，r=8。翼缘：；腹板：满足要求。故所选上弦杆截面完全满足各项要求，截面适用。5.2 下弦杆整个下弦杆不改变截面，采用等截面通长杆。最大的内力设计值为N=61.97kN，有系杆处的内力设计值为N=34.43kN；，。要求 系杆与下弦杆的连接采用直径为16mm的C级螺栓，安装后再以焊缝固定。因此下弦角钢上需开
8、17的螺栓孔，要求最小的角钢边长为63mm。选用2634，。连接系杆处的下弦截面净面积，其截面强度。无系杆处的下弦截面强度 由于本屋架不承受动力荷载，按规定不需验算。5.3 腹杆（轴心受力构件）1.短压杆B-1、E-4 N=-4.36kN , l=50.4cm由于内力小，拟采用单角钢截面，单边连接。 要求 选用1454， 由查得单面连接的单角钢构件验算稳定性时的强度设计值折算系数：满足要求。2.长压杆C-2、D-2 N=-7.62kN , l=147.8cm选用2454，形截面，, 由于，只需验算待会x轴的稳定性，由查得 满足要求。3.短拉杆C-1、D-4 N=6.89kN , l=163cm
9、选用1454，单面连接的单角钢构件验算强度时的强度设计值折算系数为0.85。 满足要求。4.长拉杆F-4-2N=27.54kN， ，选用2454，形截面， 满足要求。5.4 中央吊杆F-3 N=0 , l=245cm在连接垂直支撑的屋架中，采用2634的形截面，按支撑压杆验算长细比： ， 不连接垂直支撑的屋架，采用1634，单边连接，按拉杆验算长细比： ，整个屋架共采用角钢706，634，454三种规格。5.5 填板设置及尺寸选择杆件名称杆件截面L(mm)填板间距（cm）每一间节填板数填板尺寸bht40i80i上弦杆706850170077.5150856下弦杆A-1634750150081.
10、51508561-2122.212-3109.22腹杆C-2D-2454545109049.3250856F-4-281.536 节点设计E43型焊条：角焊缝强度设计值。6.1 支座节点A1.下弦杆与节点板间连接角焊缝计算（下弦截面为2634）N=61.97kN ，等边角钢的角焊缝内力分配系数。取角钢趾部；角钢背部采用。趾部焊缝长度：背部焊缝长度：采用，且大于4mm，也小于；采用，且大于4mm，也小于。2.取上弦杆轴线离角钢背20mm（），下弦杆轴线离角钢背15mm（）。底板尺寸定为200mm200mm，底板面至下弦角钢轴线，则下弦角钢背至底板面为150-15=135mm130mm，且大于下弦
11、角钢的外伸边的长度63mm。画出节点大样，根据两角钢间必要的缝隙和下弦杆上的焊缝长度确定节点板尺寸，见图5。图5.支座节点3.上弦杆与节点板的焊缝计算（截面2706）N=-65.32kN，节点荷载：P1=P/2=2.30kN，节点板上部缩进上弦角钢背面8mm，且等于支座处节点板厚度8mm。采用塞焊，全长焊牢，承受节点荷载N，因N值很小，焊缝不必计算。角钢趾部采用，且等于角钢厚度。由节点图可知全长焊满是，实际焊缝长度可达59cm，因此取最大计算长度进行计算。焊缝承受N=-65.32kN和偏心力矩 满足要求。4.底板支座反力：R=6P=27.54kN ，采用C20混凝土：锚栓直径采用20，底板留孔
12、直径为40，锚栓套板用-701470，孔径22。底板净面积：接触面压应力：满足要求，底板尺寸适用。两相邻边支承矩形板，由查表得，则底板中弯矩为： 需要底板厚度，采用t=16mm（一般）底板上的水平焊缝：要求，采用，因此，采用均满足焊缝构造要求。5.加劲肋厚度采用8mm（与节点板等厚），焊缝采用，计算长度近似取用160mm。每块加颈肋上受力 满足要求。6.2 上弦节点设计1.上弦杆B与节点板间连接焊缝计算：,节点荷载P假定全部由上弦杆角钢背部塞焊承受,取焊脚尺寸，因P值很小，焊缝强度不必计算。上弦杆角钢趾部角焊缝假定承受节点两侧弦杆内力差及其偏心矩M的共同作用，取趾部焊脚，其中假定焊缝计算长度， 满足要求。其他上弦杆一般节点（节点C、D和E）的设计方法步骤等与节点B相同，见图6。图6. B节点6.3 屋脊拼接点FN=59.53kN ，P=4.59kN 拼接角钢采用与上弦杆截面相同的2706，拼接角钢与上弦杆间连接焊缝尺寸取，为便于紧贴和保证施焊质量，铲去拼接角钢角顶棱角 （r为角
