钢结构设计实例 含计算过程.docx
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钢结构设计实例含计算过程
钢结构设计实例含计算过程
设计资料
北京地区某金工车间。
采用无檩屋盖体系，梯形钢屋架。
车间跨度21m，长度144m，柱距6m，厂房高度15.7m。
车间内设有两台150/520kN中级工作制吊车。
设计温度高于-20℃。
采用三毡四油，上铺小石子防水屋面，水泥砂浆找平层，8cm厚泡沫混凝土保温层，1.5m×6.0m预应力混凝土大型屋面板。
屋面积灰荷载0.6kN/m2，屋面活荷载0.35kN/m2，雪荷载为0.45kN/m2，风荷载为0.5kN/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。
一、选择钢材和焊条
根据北京地区的计算温度和荷载性质及连接方法，钢材选用Q235-B。
焊条采用E43型，手工焊。
二、屋架形式及尺寸
无檩屋盖，i＝1/10，采用平坡梯形屋架。
＝L-300＝20700mm，
屋架计算跨度为L
＝1990mm，
端部高度取H
中部高度取H＝H
+1/2iL＝1990+0.1×2100/2＝3040mm，
屋架杆件几何长度见附图1所示，屋架跨中起拱42mm（按L/500考虑）。
为使屋架上弦承受节点荷载，配合屋面板1.5m的宽度，腹杆体系大部分采用下弦间长为3.0m的人字式，仅在跨中考虑到腹杆的适宜倾角，采用再分式。
屋架杆件几何长度（单位：
mm）
三、屋盖支撑布置
根据车间长度、屋架跨度和荷载情况，设置四道上、下弦横向水平支撑。
因柱网采用封闭结合，为统一支撑规格，厂房两端的横向水平支撑设在第二柱间。
在第一柱间的上弦平面设置刚性系杆保证安装时上弦杆的稳定，第一柱间下弦平面也设置刚性系杆以传递山墙风荷载。
在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端共设四道垂直支撑。
在屋脊节点及支座节点处沿厂房纵向设置通长的刚性系杆，下弦跨中节点处设置一道纵向通长的柔性系杆，支撑布置见附图2。
图中与横向水平支撑连接的屋架编号为GWJ-2，山墙的端屋架编号为GWJ-3，其他屋架编号均为GWJ-1。
附图2：
屋面支撑布置图（单位：
mm）
四、荷载计算与组合
1、荷载计算荷载计算及汇总表
项次荷载名称
计算式标准值
kN/m2
设计值
kN/m2
备注
1
防水层（三毛四油上
铺小石子）0.40.48沿屋面坡向分布
2水泥砂浆找平层
（20mm厚）0.02×200.40.48沿屋面坡向分布
3泡沫混凝土保温层（80mm厚）0.10.12沿屋面坡向分布
4预应力混凝土大型屋面板（含灌缝）
1.41.68沿屋面坡向分布
5屋架和支撑自重（0.12+0.011×21）0.350.42沿水平分布恒载总和2.653.18
6屋面均布活荷载0.350.56沿水平面分布，计算中取二者中的较大值
7雪荷载0.450.63
8积灰荷载0.60.56可变荷载总和0.751.1
9由于屋面坡度不大，对荷载的影响较小，未予考虑。
风荷载为吸力，重屋盖可不考虑。
2、荷载组合
计算屋架杆内力时，应考虑如下三种荷载组合：
使用阶段“全跨恒荷载+全跨屋面均布活荷载”和“全跨恒荷载+半跨屋面均布活荷载”。
恒荷载和活荷载引起的节点荷载设计值恒P及活P分别为：
恒P＝3.18×1.5×6＝28.62kN
活
P＝1.19×1.5×6＝10.71kN
施工阶段“屋架及支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载”。
这时只有屋架及支撑自重是分布于全跨的恒荷载，而屋面板自重及施工荷载（取屋面活荷载数值）即可能出现在左半跨，也可能出现在右半跨，取决于屋面板的安装顺序。
当从屋架两端对称安装屋
面板时，则不必考虑此种荷载组合。
施工阶段恒荷载和活荷载引起的节点荷载设计值'
恒
P和
'
活
P分别为：
'
恒
P＝0.42×1.5×6＝3.78kN
'
活
P＝（1.68+0.63）×1.5×6＝20.79kN
五、内力计算
采用图解法计算屋架在左半跨单位集中荷载作用下的杆力系数。
根据算得的节点荷载和杆力系数，进行杆件内力组合并求出各杆的最不利内力。
杆力组合表
杆件名称
杆力系数内力值
计算杆
内力
组合
项目P＝1
使用阶段施工阶段
P
恒
×3P
活
×1P
活
×2
P
恒
×
3
P
活
×1P
活
×2
在左
半跨
在右
半跨
全跨
全跨
恒载
在左
半跨
在右
半跨
全跨
恒载
在左半
跨
在右
半跨
123456789
上弦AB-0.02-0.01-0.03-0.86-0.21-0.11-0.11-0.42-0.21-1.184+5+6BC-5.33-2.17-7.5-214.65-57.08-23.24-28.35-110.81-45.11-294.984+5+6CD-5.33-2.17-7.5-214.65-57.08-23.24-28.35-110.81-45.11-294.984+5+6DE-7.35-3.94-11.29-323.12-78.72-42.20-42.68-152.81-81.91-444.044+5+6EF-7.35-3.94-11.29-323.12-78.72-42.20-42.68-152.81-81.91-444.044+5+6FG-6.86-5.32-12.18-348.59-73.47-56.98-46.04-142.62-110.60-479.044+5+6GH-6.86-5.32-12.18-348.59-73.47-56.98-46.04-142.62-110.60-479.044+5+6
下弦ab3.021.094.11117.6332.3411.6715.5462.7922.66161.654+5+6bc6.683.099.77279.6271.5433.0936.93138.8864.24384.254+5+6cd7.334.6411.97342.5878.5049.6945.25152.3996.47470.784+5+6de5.895.8811.77336.8663.0862.9744.49122.45122.25462.914+5+6
斜杆aB-5.62-2.03-7.65-218.94-60.19-21.74-28.92-116.84-42.20-300.874+5+6Bb3.931.845.77165.1442.0919.7121.8181.7038.25226.934+5+6bD-2.62-1.77-4.39-125.64-28.06-18.96-16.59-54.47-36.80-172.664+5+6Dc1.191.562.7578.7112.7416.7110.4024.7432.43108.164+5+6cF-0.05-1.51-1.56-44.65-0.54-16.17-5.90-1.04-31.39-61.354+5+6
Fd-1.061.35
0.298.30-11.3514.461.10-22.0428.07
-20.9429.177+87+9dH2.11-1.330.7822.32
22.60-14.242.95
43.87-27.65
-24.7046.82
7+87+9
竖
杆
Aa-0.53-0.01-0.54-15.45-5.68-0.11-2.04-11.02-0.21-21.244+5+6Cb-0.990-0.99-28.33-10.600.00-3.74-20.580.00-38.944+5+6Ec-0.980-0.98-28.05-10.500.00-3.70-20.370.00-38.544+5+6Gd-0.97
-0.97
-27.76-10.390.00
-3.67-20.17
0.00-38.154+5+6He-0.06-0.06-0.12-3.43
-0.64
-0.64-0.45-1.25
-1.25
-4.724+5+6
a
六、杆件截面选择
1、上弦FG、GH
整个上弦不变截面，取上弦最大设计杆力计算。
N＝-479.04kN，l0x＝1508mm，l0y＝l1
＝3016mm（按大型屋面板与屋架保证三点焊接考虑，取l1为两块屋面板宽）。
根据腹杆最大设计杆力NaB＝-300.87kN，取中间节点板厚度t＝10mm，支座节点板厚t＝12mm。
先由非对称轴选择截面，假设λ＝60，由附表4-2查得＝0.807（由双角钢组成的T形和十字形截面均属b类），需要的截面面积：
As＝215
807.01004.4793fN＝2761mm2＝27.61cm2
一般角钢厚度≤15mm，属第一组，故取f＝215N/mm2
。
需要的回转半径为
51.260
8
.1500
x
xslicm03.560
6
.3010
y
yslicm上弦应采用两不等边角钢以短边相连组成的T形截面。
根据需要的sA、xsi、ysi查附表7-5，选用2L140×90×10（短边相连）：
A＝42.4cm2
，xi＝2.56cm，yi＝6.77cm（节点板厚10mm），[λ]＝150。
验算9.5856
.28.1500
xxxsil≤[λ]，x＝0.810故139424081.01004.4793ANxxN/mm2≤f＝215N/mm2
。
验算对称轴y的稳定承载力：
b1/t＝14/1＝14＞0.56
06.1214
6.30156.00xxil换算长细比54）14
7.5216.3011（1147.3）7.521（7.34
2
2412201btltbyys＜[λ]＝150，查附表4-2，y＝0.836；故，1354240
836.01004.4793
ANyyN/mm2≤f＝215N/mm2
。
满足要求。
垫板每节间放置一块（满足l1范围内不少于两块），ld＝150.8/2＝75.4cm＜40i＝40×4.47＝178.8cm（i为4.47cm）。
2、下弦cd
下弦也不改变截面，采用最大设计杆
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