21米跨度钢结构课程设计

屋面采用1.5×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板，15mm厚1：2.5水泥砂浆保护层，SBC120聚乙烯丙纶双面复合防水卷材防水层，水泥与5%107胶粘结层，20mm厚1：3水泥砂浆基层，塑料袋装珍珠岩80厚，上压一层芦苇的保温层，SBC120聚乙烯丙纶单面复合防水卷材隔气层，20mm厚1：3水泥砂浆找平层，屋面雪荷载为0.45KN/m2

2 荷载计算

2.1 永久荷载

预应力钢筋混凝土大型屋面板：

保护层：

防水层：

基层：

保温层：

隔气层：

找平层：

屋架自重和支撑自重按经验公式（跨度l=21m）

总计：g=3.85

2.2 可变荷载

屋面雪荷载：q=

2.3 荷载组合

永久荷载可变荷载为主要荷载组合，屋架上弦节点荷载为：

3 内力计算

桁架杆件的内力，在单位力作用下用图解法（图2-1）求得表3-1。

4.1 上弦杆截面选择

上弦杆采用相同截面，以最大轴力G-⑨或H-⑩杆来选择：

在屋架平面内的计算长度，屋架平面外的计算长度。

选用两个不等肢角钢，长肢水平。

截面几何特性（长肢水平双角钢组成T形截面，节点板根据腹杆最大内力选用板厚10mm）：

截面验算：

大型屋面板与上弦焊牢，起纵横向水平支撑作用，上弦杆其他节间的长细比和稳定验算均未超过上述值。

4.2 下弦杆截面选择

下弦杆也采用相同截面，以最大轴力⑧-Q杆来选择：

在屋架平面内的计算长度：，屋架平面外的计算长度：。

所需截面面积为：

选择两个不等肢角钢，长肢水平。

截面几何特点：

另两个节点的下弦杆内力较小，但，故须验算其屋架平面外的长细比：

4.3 支座竖杆截面选择

杆轴力：

计算长度：，采用两个等肢角钢，组成T型截面

截面几何特性：

，，

截面验算：

4.4 支座斜杆截面选择

杆轴力：   计算长度：

采用两个不等肢角钢，长肢相拼。

截面几何特性：

截面验算：

4.5 斜杆②③截面选择

杆轴力：

计算长度：      

所需截面:

选用两个等肢角钢，组成T形截面

截面特性：

4.6 竖杆③④截面选择

杆轴力：

计算长度：

采用两个等肢角钢，组成T形截面。

截面几何特性：

截面验算：

4.7 斜杆④⑤截面选择

杆轴力：

计算长度：  

采用两个等肢角钢，组成T形型截面

截面几何特性：     

截面验算：

4.8 斜杆⑤⑥截面选择

杆轴力：

计算长度：    

所需截面：

采用两个等肢角钢，组成T形型截面

截面几何特性：      

4.9 竖杆⑥⑦截面选择

杆轴力：

计算长度：  

采用两个等肢角钢，组成T形截面

截面几何特性：     

截面验算：

4.10 斜杆⑦⑧截面选择

杆轴力：

计算长度：  

采用两个等肢角钢，组成T形截面

截面几何特性：     

截面验算：

4.11 斜杆⑧⑨截面选择

杆轴力：

计算长度：  

所需截面面积为：

选择两个等肢角钢，组成T形截面。

截面几何特点：

4.12 竖杆⑨⑩截面选择

杆轴力：

计算长度：  

采用两个等肢角钢，组成T形截面

截面验算：

4.11 斜杆⑩截面选择

杆轴力：

计算长度：  

所需截面面积为：

选择两个等肢角钢，组成T形截面。

截面几何特点：

5 节点设计

各节点的节点板厚一律取10mm，各杆内力如图5-1所示。

5.1 下弦节点j设计（如图所示）

首先，计算腹杆与节点板连接焊缝尺寸，然后按比例绘出节点板形状和尺寸，最后验算下弦与节点板的连接焊缝。已知焊缝的抗拉、抗压和抗剪的强度设计值：

设杆②③的肢背和肢尖焊缝分别是，则所需焊缝长度为：

肢背：  取135mm

肢尖：  取80mm

设杆④⑤的肢背和肢尖焊缝分别是，则所需焊缝长度为

肢背：  取110mm

肢尖：  取80mm

设杆③④的肢背和肢尖焊缝均为，则所需焊缝长度为

肢背：  取180mm

肢尖：  取180mm

根据上述腹杆焊缝长度，并考虑杆件之间应留有间隙，按比例绘出节点大祥图，从而确定节点板尺寸为。

下弦与节点板连接的焊缝长度为345mm，，焊缝所受的力为左右两下弦杆内力差 所受较大的肢背处焊缝应力为：

5.2 下弦节点k的设计（如图）

设节点所有焊缝为，所需焊缝长度如下：

杆⑤-⑥

肢背：  取100mm

肢尖：  取80mm

杆⑥-⑦

肢背：  取80mm

肢尖：   取80mm

杆⑦-⑧

肢背：   取80mm

肢尖：   取80mm

根据上述腹杆焊缝长度，并考虑杆件之间应留有间隙，按比例绘出节点大祥图5-2，从而确定节点板尺寸为。

下弦与节点板连接的焊缝长度为285mm，，焊缝所受的力为左右两下弦 杆内力差所受较大的肢背处焊缝应力为：

焊缝强度满足要求。

5.3 下弦节点l的设计（如图所示）

设节点所有焊缝为，所需焊缝长度如下：

杆⑧-⑨

肢背：  

肢尖：  

杆⑥-⑦

肢背：  

肢尖：

杆⑩-

肢背：  

肢尖：

所有焊缝均按构造（节点板尺寸）确定，焊缝长度均需大于60mm。

下弦与节点板连接的焊缝长度为270mm，，焊缝所受的力为左右两下弦 杆内力差所受较大的肢背处焊缝应力为：

焊缝强度满足要求。

5.4 下弦节点m的设计（如图所示）

下弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分宽度（一般=20mm），拼接角钢这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算

设焊缝，则所需一条焊缝计算长度为:

拼接角钢的长度取400mm>176.0×2=352.0mm

屋架分成两个运输单元，设置工地焊缝长度拼接，左半边的弦杆和腹杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的弦杆与腹杆与节点板连接用工地焊缝。中间竖杆跟左半边在工厂焊牢再出厂，为便于工地拼接，在拼接的角钢与右半边斜杆上，设置螺栓孔。作为安装施焊前的定位之用。下弦杆与节点板之间用焊缝满焊。

采用节点板210×180×90×10mm，所有焊缝均满焊。

5.5 支座节点h设计

为了便于施焊，下弦焊与支座底板的距离取115mm，在节点中心设置加劲肋，加劲肋高度与节点板高度相等。

5.5.1 支座底板计算

支座反力：

支座底板的平面尺寸取，如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则实承面积为：

验算柱顶混凝土的抗压强度：

式中——钢筋混凝土轴心抗压强度的设计值。

底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成4块。每块板是两相邻为固定支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度最大弯矩为：

式中 q——底板所受的均布反力，

——两支承之间的对角线长度，

——系数，由查课本表5-6确定，为两支承边的相交点到对角线的垂线距离，由相似三角形的关系得：

查表5-5得

底板厚度： 取20mm

5.5.2 加劲肋与节点板的连接焊缝计算

加劲肋与节点板的链接焊缝计算与牛腿焊缝相似，假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的四分之一，即：

焊缝受剪力，弯矩：，设焊缝，焊缝计算长度

焊缝应力为：      

5.5.3 节点板，加劲肋与底板的连接焊缝计算

设焊缝传递全部支座反力R=282.24kN，其中每块加

劲肋各传，节点板传

节点板与底板的连接焊缝，所需焊脚尺寸为

    采用

每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为：，所需焊脚尺寸为 取

5.5.4 下弦杆与支座斜杆和竖杆焊缝计算

下弦杆  肢背和肢尖焊缝均为，则所需焊缝长度为：

肢背：   取110mm

肢尖：   取80mm

支座斜杆  肢背焊缝长度为，肢尖焊缝长度为，则所需焊缝长度为：

肢背：   取165mm

肢尖：   取80mm

支座竖杆  肢背和肢尖焊缝均为，则所需焊缝长度为：

肢背： 

肢尖：

根据节点板尺寸所确定的焊缝长度均大于所需焊缝长度，全部焊缝满焊。

5.5.5 上弦节点b设计

为了便于在上弦搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm，用塞焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽钢作为两条焊缝计算，这时，强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，且假定集中荷载F与上弦垂直（图）

上弦肢背槽钢焊缝的，节点板的长度为385mm，其应力为：

上弦肢间角焊缝的应力为：

腹杆与节点板连接焊缝已在下弦节点中计算，可不必再计算，节点板尺寸就是根据腹杆焊缝长度按比例绘制确定。上弦为了便于搁置屋面板，在角钢再肢间设置肋板。

5.5.6上弦节点d、f的设计

两个节点的弦杆内力差值较小，腹杆与节点板的焊缝连接已在下弦节点计算中解决，根据腹杆焊缝长度决定节点板尺寸（图），假定节点荷载由槽钢焊缝承受，可不必计算，仅验算肢尖焊缝。

d节点：

f节点：

5.4.7 上弦节点a、c、e、g设计

这三个节点的弦杆内力或弦杆两内力差值均等于零，仅承受节点荷载，故均可采用构造焊缝而不必计算。腹杆焊缝已在下弦节点中计算过，节点构造如图所示

5.4.8 上弦节点h设计

屋脊节点构造与下弦跨中节点相似，用同号角钢进行拼接，接头一边的焊缝长度按弦杆的内力计算，采用

拼接角钢的长度取400mm>2×182=3mm

上弦与节点板之间的塞焊，假定承受节点荷载，可不验算。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，设肢尖焊缝，节点板长度为290mm，则节点一侧角焊缝的计算长度为，焊缝应力为：

斜杆⑩-和竖杆-的内力均很小，肢背与肢尖焊缝，施焊长度均可按构造采用，至少60mm

6 垫板计算

屋架各杆件的垫板间距，在受压杆件中不大于40i，在受拉杆件中不大于80i，T形截面中的i为一个角钢对平行于垫板自身重心轴的回转半径，在十字形截面中味一个角钢的最小回转半径。计算结果如下表

所有垫板焊缝为，满焊。

7 施工图附如图纸所示