1、普通钢屋架专业课程设计 目 录一、 主要设计参数1二、 钢材和焊条的选用1三、 屋架形式、尺寸及支撑布局1四、 载荷和内力计算2五、 杆件截面选择4六、 节点设计9七、 焊接工艺12八、 检验及质量标准14九、 参考文献15一 、设计资料 某车间跨度30m，长度90m，柱距6m，车间设有30/5t 中级制桥式吊车，使用温度-29，*，10cm厚沥青珍珠岩保温层，卷材屋面，屋面坡度1/10，屋架制成在钢筋混凝土柱上，上截面400*400mm，混凝土型号C20。二、 钢材和焊条的选用根据设计资料参数、使用温度-29、连接方法及载荷性质（静载荷），屋架钢材应选用Q235，焊条应选E4303型，焊接方
2、法应选择手工焊。三、 屋架形势、尺寸及支撑布局1、由于屋面材料为预应力混凝土大型层面板，所以采用无檀层盖体系平缓坡度型钢屋架，屋架尺寸如下：屋面坡度: i=1/10 屋架计算跨度: L0=L2*150=300002*150=29700mm屋架端部高度取: H0=2000mm跨中高度： H=H0+L0/2*i=2000+29700/2*=34853490mm屋架高度比： H/L0=3490/297001/2、屋架示意图 3、梯形钢屋架支撑布置 四、载荷和内力计算 1、荷载计算 荷载名称标准值（KN/m2）设计值（KN/m2） 永久荷载预应力混凝土大型屋面板1.401.68三毡四油防水层 0.40
3、0.48找平层（厚20mm）0.400.48100mm厚沥青珍珠岩保温层0.300.36屋架及支撑自重0.450.54管道荷载0.100.12永久荷载总和3.053.66 可变荷载屋面活荷载3.050.98积灰荷载0.700.84可变荷载总和0.601.82 设计屋架应考虑以下三种组合：（1）全跨节点永久荷载+全跨可变荷载。全跨界点永久荷载及全跨可变荷载为 F=（+）6=（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：F1=6= 半跨节点可变荷载：F2=6= （3）全跨节点屋架（包括支撑）+半跨节点屋面板自重+半跨屋面活荷载 全跨节点屋架自重：F3=6= 半跨节点屋面板自重及活荷载
4、：F4=(+)6= 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。2、内力计算 由电算先解得F=1的桁架各杆件的内力系数（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,并表示出最大内力。 计算结果如下表所示： 五、杆件截面选择 (1) 上弦杆 整个上弦采用等截面，按IJ，JK杆件的最大内力设计，即 N= 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 lox=l0=在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据支撑布置和内力变化情况，取lo y为支撑点间的距离，即 loy=3=根据屋架平面外上弦杆的
5、计算长度，上线截面选用两个不等肢角钢，短肢相并，如下图所示 腹杆最大内力N=，查材料表可得，中间节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。设=60，查教材附录得=。（有双角钢组成的T形和十字形界面均属于b类）需要截面积：A=N/*f=(215)=需要的回转半径： ix=lox/=根据所需要的A、查角钢规格表，选用218011012， ix=,iy=,A= 按所选角钢进行验算： x=lox/ix=1508/=150 y=loy/iy=4524/=150满足长细比：=150的要求。截面x和y平面截属于b类，由于,查表得=则 N/A=()=215MPa经验算所选截面合适。（2） 下弦杆整个
6、下弦采用同一截面，按最大内力所在杆de杆计算，则 N= lox=3000m, loy=29700/2=14850mm(因跨中有通长系杆)，需要截面面积： A=N/f=10909584/215=选用不等肢角钢218011012（短肢相并），见图所示， A = , ix = cm , iy = 下弦截面按所选角钢进行截面验算， x=lox/ix=300/=350 y=loy/iy=1485/=350所选截面满足要求。（3） 端斜杆aB杆件轴力N = ， 计算长度l0x = l0y = 2534mm.因为l0x = l0y，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ix iy 选用21409010，见下图所示，
7、A = cm2 , ix = , iy = 斜杆截面按所选角钢进行验算： x=lox/ix=150 y=loy/iy=x，只需求y= N/A=()=215MPa所选截面合适。（4） 腹杆eg-gk此杆在g点处不断开，采用通长杆件；最大拉力：Ngk=, Neg=最大压力：Neg=, Ngk=在分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距：l0x =2301mm在桁架平面外的计算长度可求得： loy=l1(+)=(+)=选用2635，由教材附录可得：A= , ix = , iy = 角钢验算 x=lox/ix=150 y=loy/iy=x，只求y=则N/A=()=215MPa拉应力为：
8、N/A=137817/=215MPa所选截面合适。 （5） 竖杆Ie N =-79160N, lox= loy=l=由于杆件内力较小，按=150选择，需要的回转半径为： ix=lox/= ly=loy/=查表，选截面ix和iy较上述计算略大，选用2635得截面几何特性：A = , ix = , iy = x=lox/ix=150 y=loy/iy=y，只求x=则 N/xA=()=215MPa所选截面合适 在此，其他各杆件的截面选择计算过程不再一一列出，现将计算结果列于下表杆件杆内力kN计算长度cm截面形式及角钢规格截面积（c）回转半径长细比容许长细比稳定系数(N/m)loxloyix(cm)
9、iy(cm)xy 上弦 -1264.45150.8452.4短肢相并L1801101267.423.108.7648.6551.641500.847196.30下弦1090.963001485.0短肢相并L1801101267.423.108.7696.77169.91350161.82 腹杆以及竖杆 Aa-30.60199199L63512.2861.943.04102.665.51500.53841.04aB-559.2888253.4253.4长肢相并L140901044.5224.473.7456.7167.781500.764164.43Ba434.51208.6260.8L1006
10、23.8643.104.5167.2957.83350182.08 Cb-49.32183.2229.0L5059.6061.532.53119.790.51500.439116.95bD-372.37229.5287L100727.5923.094.5374.363.31500.724186.40 Dc265.83228.7285.8L70616.322.153.33106.3785.83350162.89Ec-49.32207.2259.0L5059.6061.532.53135.4102.41500.363141.44cF-208.62250.8312.6L90621.2742.794.
11、1389.8975.691500.621138.40 Fd129.22249.5311.8L5059.6061.532.53167123.3350134.52 Gd-49.32231.2289.0L5059.6061.532.53151.1114.21500.304168.89dH-84.47271.6 339.5L70616.322.153.33151.1101.951500.304170.26He46.67-28.52270.8 338.4L63512.2861.943.04139.59111.321500.34766.90Ie-70.20255.2 319.1L63512.2861.94
12、3.04131.5104.91500.381149.97eg106.09-47.15230.1453.73L63512.2861.943.04118.6149.251500.31123.80gk137.82-45.04230.1453.73L63512.2861.943.04118.6149.251500.31118.26 Kf0.9864314.1314.1十字形L63512.2862.452.45128.2128.22000gI24.9858165.9207.4L5059.6061.532.53108.782.235026.01Jg-42.741127.6158.9L5059.6061.5
13、32.5383.4631500.66566.91 六、节点设计 (1)下弦节点“b” 各杆件的内里由内力表可以查得。设计步骤：根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸hf和lw，然后根据lw大小比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。采用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值. 设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝分别采用hf1=8mm，hf2=6mm，则所需的焊缝长度为：肢背lw1=(2hf1*ffw)+2hf1= *(2*8*160)= 故取190mm肢尖：lw2=(2*hf2*ffw)+2hf2=*(2*6*160)= 故取110mm设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝
14、分别为9mm和7mm，则所需的焊缝长度为：肢背： lw1=(2*hf1*ffw)+2hf1= *372366/(2*8*160)+16= 故取180mm肢尖: lw2=(2*hf2*ffw)+2hf2=*372366/(2*6*160)+12= 故取100mm“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf=5mm。根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为360445mm。(满焊)，hf=6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力： N=Nbc-Nab=，受力较大的肢背处的焊缝应力为： f=*6*4（445-12）=160MP
15、a 因此，焊缝强度满足要求。（2）上弦节点“B” “Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同，aB杆的肢背和肢尖焊缝hf分别为10mm和6mm，所需要的焊缝长度为：肢背lw1=(2*hf1*ffw)+2hf1=*(2*10*160)+20= 取190mm肢尖lw2=(2*hf2*ffw)+2hf2= *(2*6*160)+12=取160mm 为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，。计算时可略去行加上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下： Hf1=1/2*节点板厚度=1/
16、2*12=6mm上弦节点与中间节点板间焊缝长度为460mm。则=48780/2*6*(460-12)*=*160MPa=128MPa肢尖焊缝承受弦杆内力差N=，偏心距e=110-25=85mm，偏心力矩M=Ne=559.62*=m,按构造要求取肢尖hf2=10mm,则上弦杆肢尖角焊缝的剪应力为f=559620/2*10*448=有偏心力矩引起的正应力为f=6M/2hel2w=6*47567000/2*10*4482=则焊缝强度为 所以焊缝强度满足要求（3）屋脊节点“K” 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，且便于施焊，需要将拼接角钢的尖角削除并截去垂直肢的一部分宽度
17、（一般为t+hf+5mm）。拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。设焊缝hf=10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）： 则 lw=*10*160= 拼接角钢长度ls=2(lw+2hf)+弦杆杆端空隙，拼接角钢长度取620mm。上弦与节点板间的焊槽，假定承受节点荷载，焊缝验算方法与节点“B”出槽焊缝验算方法类似，此处验算过程略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，并考虑此内力产生的弯矩。设肢尖焊缝hf=10mm，节点板长度为500mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw=500/2-10-20=220mm，焊缝应力为： fN=（）/（21
18、0220）= fM=(6)/(2102202)= 因此，焊缝强度满足要求。（4） 支座节点“a” 为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋。加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度取14mm。 1）支座底板的计算支座反力 R=487800N按构造要求采用底板面积为ab=280400mm2，如仅考虑加劲肋部分底板承受支座反力R，则承压面积为280mm234mm=65520mm2验算柱顶混凝土的抗压强度为： =R/An=487800/65520=fc=。 底板的厚度按桁架反力作用下的弯距计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两相邻边支承，而另两
19、相邻边自由的板。每块板单位宽度的最大弯距为：M=2q式中q底板下的平均应力，q=； 2两支承边之间的对角线长度，2= 2系数，由b2/a2决定。b2为两支承边的相交点到对角线a2的垂直距离。由相似三角形的关系得： b2=110133/=， b2/a2=，查表得2= 故Mmax=M=2q=mm。 底板厚度t=，取t=22mm。 2）加劲肋与节点的连接焊缝计算 加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似。偏于安全地假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的1/4,即487800/4=121950N,则焊缝应力为: V=121950N M=121950N65=7926750Nmm设焊缝hf=6mm，焊缝计
20、算长度lw=528-20-12=496mm，则焊缝应力为 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=487800N，其中每块加劲肋各传R/4=121950N，节点板传递R/2=243900N。 节点板与底板的连接焊缝长度lw=2（280-12）=536mm，所需焊脚尺寸为： 故取hf=6mm 每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为； 所需焊缝尺寸为 故取hf=8mm。其他节点的计算不再一一列出，详细的施工构造如大图所示。七、 焊接工艺 桁架为大型构架，其焊接装配工艺应采用随装随焊的工艺，即先将若干个零件组合起来，随之焊接相应的焊缝，然后再装配若干个零件，再进行焊接，甚至等全部
21、零件装完再进行焊接，成为符合要求的构件。1、焊前须知： 1）施焊前，焊工应复查拼装质量和坡口及间隙是否符合图纸和焊接要求，如不符合要求，应修整合格后方能施焊。2）焊剂使用前，必须按照质量保证书的规定进行烘焙。埋弧焊的焊剂，应按照工艺确定的型号和牌号 相匹配；碱性焊剂一般在250300烘焙2小时，%，不得含灰尘、铁屑和其它杂物。焊接区应保持干燥，不得有油污、锈和其它污物。焊条、焊丝、焊剂均应储存在干燥、通风良好的地方，并设专人保管。3）施焊前必须将焊接处的铁锈、油污、溶渣等清除干净，氧化渣须打磨直至露出金属表面。 4）焊接时，不允许在焊缝以外的母材上打火引弧。 5）定位点焊，必须由持焊工合格证的
22、工人施焊。严禁在交叉点施定位焊。定位焊用的焊接材料，应与 正式施焊用的材料相同。点焊高度不宜超过母材厚度的2/3，点焊长度一般不小于50mm，并应填满弧坑。如发现定位点焊上有气孔或裂纹，必须清除干净后重焊。 6）气体保护焊所用的气瓶上，必须装有预热器和流量计，%。使用前应做放水 处理。，应停止使用。对细焊丝（）的气体流量宜控制在1025l/min；50l/min。 7）要求焊透的对接双面焊缝的背面，可用碳弧气刨或砂轮机清除焊根后施焊。 8）埋弧焊每道焊缝熔敷金属横断面的成型系数（宽度与深度之比）。采用多层焊时，应将前一道焊缝表面清理干净后再继续施焊。 9）角焊缝焊脚尺寸K值由设计图纸或技术文件
23、注明；当图纸或技术文件未注明时，非熔透焊缝，H型钢焊缝焊脚尺寸等于腹板的厚度；根部熔透焊接时，焊角尺寸为板厚的1/2，且不大于10mm。焊脚尺寸的允许偏差为04mm。 10）焊缝出现裂纹时，焊工不得擅自处理，应及时向质量部门报告，查明原因，定出修补措施后方可处 理。Q345材料在同一处返修不得超过两次。 11）焊缝焊接完毕，焊工应检查焊缝外观质量，检查合格后，应在工艺规定的焊缝及部位打上焊工钢印。 12） 钢结构产品的焊接。 1）坡口底层焊道一般采用CO2气体保护焊打底，底层根部焊道的最小尺寸不少于45mm，以防止产生裂纹。 2）焊缝在焊接时，其两端必须配置引弧板和灭弧板，自动焊引弧板和灭弧板
24、长度宜为板厚的2倍且不小于100mm，宽度应大于80mm；焊缝引出长度应不小于80mm。 3）焊接完毕后，必须用切割法切除被焊工件上引弧板和引出板，并沿受力方向修磨平整，严禁用锤击落。2、焊接工艺选择1）钢结构焊接部分的热处理工艺分为：预热，为减缓焊接接头加热时间的温度梯度和冷却速度，减少和避免淬硬组织，对焊接部位采用局部加热，适当延长800500区间的冷却速度。焊后热处理，在焊后立即进行，利用预热处理装置在焊接停止后继续加热，以防止延迟裂纹。焊后热处理其目的是消除和降低焊接残余应力，软化焊接热影响区淬硬组织，提高焊接接头的韧性，使断裂韧性提高。2）焊接方式：采用手工焊法。3）弧焊电源选择：选
25、择交流焊接机。4）焊条以及焊接电流选择：根据桁架焊接的特点，桁架所用的钢种Q235，服役温度-29，以及应力大小，焊条采用E4303酸性焊条，根据桁架工作厚度大于等于12mm，焊条直径选用4mm。根据焊条直径4mm选择焊接电流160-210 A之间。 5）备料时的工艺选择：包括材料的存放、校正、表面处理、划线、放样、号料、切割下料、坡口及边沿加工等。在校正时应注意局部挠度的容许偏差值14mm，f1mm/m。14mm,f,直线度f1/100。角钢两肢的垂直容许偏差b/100mm。在清理金属表面时应注意对所选桁架而言，每升水中Re容许量最大值为600uQ。 6）装配环节的工艺选择：不应该把不合格的
26、零件投入装配，避免强力装配，在焊接时先进行点固焊，此时所用的焊条与正式焊条相同，按正式焊条的工艺施焊，施焊电流比正式焊接时高10%15%。在交叉焊接处或焊缝方向急剧变化处不进行定位焊，应离开50mm左右。八、 检验及质量标准1、 焊接材料应符合设计要求和有关标准的规定，应检查质量证明书及烘焙记录。2、焊工必须经考试合格，检查焊工相应施焊条件的合格证及考核日期。3、级焊缝必须经探伤检验，并应符合设计要求和施工及验收规范的规定，检查焊缝探伤报告。4、焊缝表面、级焊缝不得有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑等缺陷。级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑、裂纹、电弧擦伤等缺陷，且级焊缝不得有咬边、未焊满等缺陷。5、焊缝
27、外观：焊缝外形均匀，焊道与焊道、焊道与基本金属之间过渡平滑，焊渣和飞溅物清除干净。6、表面气孔：、级焊缝不允许；级焊缝每50mm 长度焊缝内允许直径；且3mm 气孔2 个；气孔间距6 倍孔径。7、 咬边：级焊缝不允许。级焊缝：咬边深度，且，连续长度100mm，且两侧咬边总长10%焊缝长度。级焊缝：咬边深度，且lmm。注：t 为连接处较薄的板厚。8、设计要求全焊透的焊缝，其内部缺陷的检验应符合下列要求: 1）一级焊缝应进行100%的检验，其合格等级应为现行国家标准钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法(GB 11345)B 级检验的级及级以上； 2）二级焊缝应进行抽检，抽检比例应不小于20%，其合
28、格等级应为现行国家标准钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法(GB 11345)B级检验的级及级以上； 3）全焊透的三级焊缝可不进行无损检测。 4）焊接球节点网架焊缝的超声波探伤方法及缺陷分级应符合国家现行标准JG/T203-2007钢结构超声波探伤及质量分级法的规定。 5）螺栓球节点网架焊缝的超声波探伤方法及缺陷分级应符合国家现行标准JG/T203-2007钢结构超声波探伤及质量分级法的规定。 6） 条的有关规定外，还应按附录C 进行焊缝熔透宽度、焊缝偏移检测。9、 设计文件指定进行射线探伤或超声波探伤不能对缺陷性质作出判断时，可采用射线探伤进行检测、验证。10、射线探伤应符合现行国家标准钢熔
29、化焊对接接头射线照相和质量分级(GB 3323)的规定，射线照相的质量等级应符合AB 级的要求。一级焊缝评定合格等级应为钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级(GB 3323)的级及级以上，二级焊缝评定合格等级应为钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级(GB 3323)的级及级以上。九、 参考资料钢结构原理陈树华，张建华主编。哈尔滨工程大学出版社，钢结构周俐俐，王汝恒主编。2版，北京知识产权出版社，钢结构设计与计算包头钢铁设计研究院，中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会编著机械工业出版社，无损检测李喜孟主编机械工业出版社弧焊电源及其数字化控制黄石生主编机械工业出版社焊接结构失效分析张晓峰主编黑龙江科技信息，
