PKPM结构设计软件入门与应用实例桁架.docx
《PKPM结构设计软件入门与应用实例桁架.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PKPM结构设计软件入门与应用实例桁架.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
PKPM结构设计软件入门与应用实例桁架
第三章桁架
3.1设计条件（工程实例）
某厂房建筑东西24.48m，南北72.48m，总建筑面积1774.3m2。
结构类型为混凝土柱钢屋架的排架体系。
屋架标志跨度24m，屋架间距6m，车间内设一台30t/3t中级工作制吊车。
屋架支撑在钢筋混凝土柱上，上柱截面为400mm×400mm。
混凝土标号C25。
具体建筑图见图3.1-1，图3.1-2，图3.1-3。
屋面结构类型：
桁架
屋面材料：
采用压型钢板轻钢屋面
屋面坡度：
1：
20
屋架钢材：
采用Q235-B，焊接材料采用E43系列。
结构的重要性：
二类
建筑物设计使用年限：
50年
本地设防烈度：
8度，场地土类别III类
基本风压：
0.45kN/m2
基本雪压：
0.40kN/m2
不上人屋面活荷载：
0.5kN/m2
图3.1-1F~A立面图
图3.1-31-1剖面图
本工程中设置未设置支撑的屋架为WJ-1，设置支撑的为WJ-2，端部为WJ-3。
屋架的布置、屋架的几何尺寸，以及支撑的布置具体见图3-4，图3-5，图3-6，图3-7，图3-8。
图3.1-4屋架几何尺寸图
图3.1-5屋架布置及上弦支撑布置图
图3.1-6屋架下弦支撑布置图
图3.1-7屋架端部竖向支撑布置图
图3.1-8屋架跨中竖向支撑布置图
3.2平面建模
编着按：
STS的“桁架模块”可以完成平面桁架的建模、计算和施工图绘制。
对于建模，其步骤和过程基本与门式刚架的平面建模相同。
操作时，读者可参考第一章门式刚架中的相关内容。
本章仅重点叙述与桁架本身特点有关的项目。
3.2.1建立工作目录
首先完成工作目录的创建，方法与1.2中方法相同（桁架模块界面如图3.2-1所示）。
接着完成文件名的输入，本工程文件名为“HJ-1”，进入桁架建模的工作界面，如图3.2-2。
图3.2—1桁架模块界面
图3.2—2桁架建模工作界面
3.2.2轴网建立
利用“网格生成”\“快速建模”\“桁架”打开“桁架网线输入向导”对话框（如图3.2-3）.
图3.2-3桁架网线输入向导
跨度：
此处输入的跨度是屋架的标志跨度，因为本屋架跨度刚好是程序默认长度24000,不用修改。
屋架的实际跨度=“标志跨度”－“支座到轴线距离”。
其它参数根据实际填写即可。
程序约定：
桁架建模型时需要设置两根高度在2~3m的端立柱，使用快速建模方式形成网格线时，程序会自动生成这两根立柱。
如不是采用快速建模，一定要人工加上。
设计知识：
1、屋架的选型主要考虑承载力、屋面坡度、屋面材料等因素。
梯形屋架一般适用于屋面坡度较小的情况，屋面材料多为压型钢板或大型屋面板。
2、屋架的跨中高度需考虑经济要求、刚度要求、运输要求和屋面坡度等综合确定。
对梯形钢屋架，一般取决于经济条件，常用的高度是跨度的1/8~1/15。
3、屋架的端部高度与中部高度和屋面坡度相关。
4、屋架的上弦节间划分要考虑屋面材料和维护结构的类型，多用1.5m。
屋架的腹杆倾角宜在30°~60°。
5、屋架根据端部斜杆的倾斜方式，分为上承式屋架和下承式屋架。
本工程采用下承式屋架。
3.2.3布置柱
利用“柱布置”菜单可以完成杆件截面的输入，先进行截面定义，后进行布置即可。
读者可参考第一章中内容，本工程的初选截面见“表3.2-1”。
图3.2-4柱布置界面
注意：
在用STS进行桁架建模时，所有构件均需按柱输入。
设计知识：
屋架杆件的截面形式选择，考虑的因素主要有：
满足承载能力及刚度要求，构造简单便于连接，方便制作。
传统上，桁架杆件一般选用双角钢组合截面。
在选择时，还要注意考虑杆件的受力性能，区分是受拉、受压，还是受弯等。
上弦杆是受压杆，在一般支撑布置时，其平面外计算长度是平面内计算长度的2倍，为保证等稳条件，即满足λx=λy，需要
，所以多采用短肢相并的不等边角钢组成T形截面。
初选截面时，可按长细比估计，λ一般取60~100。
对于下弦杆，因为其为受拉杆，主要是满足强度和容许长细比，但考虑到便于运输和吊装，需要增大屋架平面外的刚度，因此多采用短肢相并的不等边角钢组成的T形截面。
初选截面时，长细比一般控制在200左右。
端斜杆，平面内外的计算长度相同，为了尽量满足
，应采用长肢相并的不等边角钢组成的T形截面。
其它腹杆，应采用两个等边角钢组成的T形截面；对于连接支撑的竖腹杆，考虑到便于连接支撑和吊装的方便性，多采用两个等边角钢组成的十字形截面。
初选截面时λ一般取80~120。
为方便材料订购和制作，每榀屋架选用的型材规格不宜多于6种。
选材时，应选用肢宽而壁薄的角钢，以充分发挥材料的性能，最薄不低于4mm。
对于等边角钢最小用L45×4，不等边角钢L56×36×4。
表3.2-1桁架杆件截面初选表
项次
名称
截面
规格
截面
形式
（cm）
（cm）
（cm）
（cm）
λx
λy
1
上弦杆
2L125×80×7
短肢相并
150.2
300
2.3
6.04
65
50
2
下弦杆
2L125×80×7
短肢相并
300
1185
2.3
6.04
130
197
3
端斜杆
2L100×80×6
长肢相并
215.1
215.1
3.17
3.37
68
64
4
中竖杆
2L56×4
十字形
220
220
5
斜腹杆
2L70×4
260.1
260.1
2.18
3.14
119
83
6
竖腹杆
2L56×4
205
205
1.73
2.59
118
79
注:
1、第6项为除中竖杆外的其余竖杆
2、第5项、第6项中的计算长度以桁架中最长的构件计算。
3、不考虑上弦杆由于轴力不同对平面外计算长度的有利影响。
3.2.4检查与修改计算长度
图3.2-5计算长度界面
点取“计算长度”\“平面外”（如图3.2-5所示）修改上弦杆的平面外计算长度为3000mm，修改下弦杆的计算长度为11850mm。
设计知识：
桁架上下弦杆的平面外长度一般取平面外支撑之间的距离，需要根据结构方案中的支撑与系杆的布置情况确定。
对于其它杆件，可取程序默认长度。
规范链接：
桁架弦杆和单系腹杆的计算长度——《钢结构设计规范》GB50017（以下简称“《钢规》”）表5.3.1
3.2.5铰接构件
桁架所有节点均为铰接点。
选择“布置柱铰”，根据提示选3（两端柱铰），按Tab键转成窗选方式，布置即可。
3.2.6恒载输入
通过点取“恒载输入”\“节点恒载”输入恒载即可（工作界面如“图3.2-7”所示）。
注意按Tab键转成轴选方式或窗选方式，提高操作的效率。
下面简单说明一下恒载的具体计算：
屋面单位面积恒载GK计算：
0.8mm厚压型钢板
100mm保温棉0.2kn/m2
0.6mm厚压型钢板
檩条0.1kn/m2
合计0.3kn/m2
屋面节点恒荷载计算：
P1=BSGK
=6×1.5×0.3
=2.7kn
式中B：
屋架间距，单位m
S：
檩条间距，单位m
P2=P1/2=1.35kn
图3.2-6恒载计算简图
3.2-7恒载输入界面
设计知识：
对于桁架来说，屋面恒荷载通过檩条（或大型屋面板的板肋）以节点荷载的形式作用在桁架上，这样可以充分发挥桁架杆件为轴心受力杆件的优势。
3.2.7活载输入
本工程屋面活荷载为0.5kn/m2，屋面雪荷载为0.4kn/m2，故屋面活荷载按QK=0.5kn/m2。
活荷载的计算简图参“图3.2-6”，经计算
P1=4.5kn
P2=2.25kn
其它参照恒载部分操作即可。
3.2.8风载输入
该屋面虽然是轻钢屋面，但屋面的坡度很平缓，为1/20，可以不考虑风吸力的作用。
有兴趣的读者可以自己添加一下风荷载。
这里仅就程序添加风荷载的注意事项给予简单说明：
1、桁架的风荷载不能采取程序自动布置的方式，必须按节点风载的形式人工输入。
2、布置的时候注意选择节点位置是左坡或是右坡，两者不同。
3.2.9吊车荷载
本工程没有悬挂吊车，对于屋架来说，没有直接作用在它上面的吊车荷载，所以不用输入吊车荷载。
3.2.10参数输入
单击“参数输入”，打开如下的“钢结构参数输入与修改”对话框。
图3.2-8参数输入
结构类型：
选择“单层钢结构厂房”
设计规范：
桁架应按《钢结构设计规范》GB50017计算
规范链接：
受压构件长细比限值——《钢规》表5.3.8
受拉构件长细比限值——《钢规》表5.3.9
柱顶位移设计值限值——《钢规》A.2.1
挠度限值——《钢规》表A.1.1
对另外三个选项卡请参看1.2中相关内容，这里仅就以下问题作些说明。
1、“总信息参数”中“钢材钢号”多选择Q235，一般都可满足要求。
2、“地震计算参数”中“阻尼比”按0.035。
3、“荷载分项及组合系数”中必须勾选“考虑活荷载最不利布置”选项。
3.2.11修改支座
这个菜单对于桁架来说很重要，当程序生成的支座与实际不符时，通过此菜单进行修改。
本工程经检查支座正确，直接返回主菜单即可。
3.2.12计算简图
依次查看“结构简图”、“恒载简图”、“活载简图”，均正确。
3.2.13退出程序
至此，建模基本完成，点取“退出程序”，选择“存盘退出”，保存数据即可。
说明：
在建模途中，用户可随时点取“退出程序”，保存好数据后中断输入。
3.3设计分析
桁架部分结果的分析判断原则、方法和步骤与门式刚架二维建模相同，请参考第一章中相关内容。
本节仅叙述与设计调整有关的内容。
3.3.1快速检查：
首先查看超限信息
图3.3-1超限信息
由文本文件可知道，没有超限信息。
3.3.2设计调整（查看“配筋包络和钢结构应力图”与“节点位移图”）
桁架杆件为轴心受力构件，其控制指标主要是强度、稳定、长细比、结构的挠度等，而稳定和长细比往往成为主要控制要素。
本工程的配筋包络和钢结构应力图如下：
图3.3-2配筋包络和钢结构应力图
分析：
通过图中数据可知，对腹杆基本上由长细比控制，最大已经到了119，基本可以，不做调整。
对上弦杆，杆件应力比为0.45，还是比较小的，而其长细比为65，可以进一步调整；对于端斜杆，情况也是如此。
对于下弦杆，长细比为199，应力比为0.45，可稍微放宽对其长细比的要求，截面进行下调。
本工程的节点位移图如下（恒载+活载）：
图3.3-3节点位移图
桁架中部的变形量为：
23mm，满足允许挠度要求。
一般情况下，按构造确定屋架的高跨比，其挠度往往都是满足的。
综上，截面可以进行下调，具体调整情况是：
上弦杆调整为：
2L100×63×6
下弦杆调整为：
2L110×70×6
端斜杆调整为：
2L90×56×5
调整截面后的配筋包络和钢结构应力图如下：
图3.3-4调整截面后的配筋包络和钢结构应力图
调整截面后的桁架节点位移图如下：
图3.3-5调整截面后的节点位移图
由以上两图可知，调整截面后各杆件的主要指标都在合理范围，并且尽量发挥了材料的强度，可以。
3.3.3查看计算文件（详细的计算信息，人工优化调整的重要依据）
本工程的用钢量（需要扣除两根端立柱1、2的用钢量）为：
1256－2×17.49＝1221.02kg。
单位面积用钢量为：
1221.02÷（6×24）＝8.5kg/m2。
3.3.4桁架杆件应力结果判断
下面以调整截面后的桁架来简要说明使用STS工具箱对杆件应力计算结果的校核方法（现以上弦杆轴力最大的构件43为例）。
桁架计算后，PK11.OUT中的计算结果如下：
钢柱43
截面类型=34;布置角度=0;计算长度：
Lx=1.50,Ly=3.00;长细比：
λx=83.9,λy=61.9
构件长度=1.50;计算长度系数:
Ux=1.00Uy=2.00
截面参数:
2L100x63x6热轧不等边角钢短边组合,d（mm）=8
轴压截面分类:
X轴:
b类,Y轴:
b类
验算规范:
普钢规范GB50017-2003
（以下为内力工况，从略）
强度计算最大应力对应组合号:
11,M=-0.05,N=227.55,M=0.03,N=-227.53
强度计算最大应力（N/mm*mm）=139.14
强度计算最大应力比=0.647
平面内稳定计算最大应力（N/mm*mm）=178.66
平面内稳定计算最大应力比=0.831
平面外稳定计算最大应力（N/mm*mm）=148.33
平面外稳定计算最大应力比=0.690
强度计算最大应力平面内稳定计算最大应力平面外稳定计算最大应力压杆,平面内长细比λ=84.<[λ]=150
压杆,平面外长细比λ=62.<[λ]=150
构件重量（Kg）=22.68
单击STS工具箱/基本构件/柱构件，打开对话框如下（对话框中已按照“构件43”填入数据）：
图3.3-6柱构件设计
单击“计算”，生成构件计算书，内容为：
-------------------------------
|柱构件设计|
||
|构件：
GZ1|
|日期：
2006/12/24|
|时间：
11:
03:
10|
-------------------------------
-----设计信息-----
钢材等级：
235
柱高（m）：
1.500
柱截面：
不等边角钢短边背对背组合┒┎:
L100x63x6
肢间距:
8
柱平面内计算长度系数：
1.000
柱平面外计算长度：
3.000
强度计算净截面系数：
0.850
截面塑性发展：
考虑
构件所属结构类别：
单层工业厂房
是否进行抗震设计：
不进行抗震设计
设计内力：
绕X轴弯矩设计值Mx（kN.m）：
0.000
绕Y轴弯矩设计值My（kN.m）：
0.000
轴力设计值N（kN）：
227.000
-----设计依据-----
《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
-----柱构件设计-----
1、截面特性计算
A=1.9240e-003;Xc=1.0400e-001;Yc=1.4300e-002;
Ix=6.1880e-007;Iy=4.5304e-006;
ix=1.7900e-002;iy=4.8525e-002;
W1x=4.3380e-005;W2x=1.2700e-005;
W1y=4.3562e-005;W2y=4.3562e-005;
2、柱构件强度验算结果
截面塑性发展系数:
γx=1.050
柱构件强度计算最大应力（N/mm2）:
138.804柱构件强度验算满足。
3、柱构件平面内稳定验算结果
平面内计算长度（m）：
1.500
平面内长细比λx：
83.799
对x轴截面分类：
b类
轴心受压稳定系数φx：
0.663
柱平面内长细比：
λx=83.799<[λ]=150.000
柱构件平面内稳定计算最大应力（N/mm2）:
178.048柱构件平面内验算满足。
4、柱构件平面外稳定验算结果
平面外计算长度（m）：
3.000
平面外长细比λy：
61.824
计及弯扭效应换算长细比λyz：
61.824
对y轴截面分类：
b类
轴心受压稳定系数φy：
0.798
柱平面外长细比：
λy=61.824<[λ]=150.000
柱构件平面外稳定计算最大应力（N/mm2）:
147.932柱构件平面外验算满足。
******柱构件验算满足。
******
分析：
两者结果基本相同，桁架应力计算结果正确。
3.4桁架施工图绘制
3.4.1启动桁架施工图绘制
在桁架模型所在目录下，单击桁架模块主菜单2“桁架施工图”，程序弹出图4.5-1菜单。
3.4-1桁架绘图菜单
顺次执行各个步骤，就可以完成桁架施工图的绘制工作。
3.4.2定义结构数据
单击“1.定义结构数据”，打开图3.4-2界面
3.4-2定义结构数据工作界面
这个菜单的主要作用是检查程序自动标记的杆件是否与实际相符的;再就是通过“翼缘反向”设置需要的翼缘朝向。
方法是：
1、首先通过“显示翼缘”，把程序默认的翼缘方式显示出来，经查看，所有腹杆的肢背朝向都是向左。
2、点取“翼缘反向”把桁架右半部分腹杆翼缘改为肢背向右。
3.4.3设置设计参数
单击“2.设置设计参数”，打开图3.4-3对话框。
图3.4-3a图纸信息
本选项卡主要是绘图的信息，包括图纸号、图纸比例、是否采用对称画法，材料表设置等。
根据实际需要选择即可。
一般情况下要操作的是，1、根据需要改变“图纸号”2、是否选择对称画法，其他项目取默认数值即可。
图3.4-3b结构设计参数
本选项卡主要包括1、焊缝强度值的填写，用于节点的计算，一般取默认数值即可。
2、支座到轴线距离，从结构模型中传来，不需要修改。
3、弦杆伸出长度，与此处的建筑构造有关联，根据需要可修改，本工程取默认值。
4、支座类型选择垂直形式。
图3.4-3c其它
本选项卡主要包括1、节点板的计算参数，用于计算。
本工程中间节点板用8mm厚，支座节点板用10mm厚。
2、上弦焊缝形式选择，一般选择塞焊。
3、是否起拱,本工程起拱20mm。
其它参数本工程取程序默认值。
点“确定”后，程序自动完成节点的计算。
3.4.4设置拼接点
单击“3.设置弦杆拼接接点”，打开图3.4-4界面。
图3.4-4弦杆拼接接点界面
本菜单主要是检查程序默认的拼接点是否正确，并可另外根据需要设置拼接点。
经检查，程序仅在上弦中部设了拼接点，现通过“拼接节点”把下弦中部也作成拼接点。
3.4.5检查数据
单击“4.结构数据检查”，打开图3.4-5界面。
图3.4-5结构数据检查
依次点取各菜单可显示构件的节点号、构件号、构件截面、尺寸、杆件轴力、焊缝。
3.4.6修正焊缝设计结果
单击“5.修正焊脚尺寸及焊缝长”，打开图3.4-6界面。
图3.4-6修正焊脚尺寸及焊缝长
通过本菜单可以实现对程序自动计算焊缝的编辑，方法是先点取“改焊缝高”或“改焊缝长”，然后用鼠标依次点取各个节点，即实现对这些节点焊缝的查看和修改，一般情况下不用修改。
3.4.7修正节点板设计结果
单击“6.修正节点尺寸及节点板厚”，打开图3.4-7界面。
图3.4-7修正节点尺寸及节点板厚
通过本菜单可以实现对程序自动生成的节点扳的编辑，先点取“修改节点”或“修改板厚”，再依次点各节点，即可查看各个节点尺寸或板厚。
对节点板，程序自动生成的尺寸往往需要修改，把板件尺寸整理为5mm的整数倍。
对于节点板板厚，是从前面传递的数据，一般节点验算满足的情况下，不用修改。
3.4.8修正填板
单击“7.修正构件填板数”，打开图3.4-8界面。
图3.4-8修正构件填板数
通过本菜单可以完成对程序自动生成填板的修改，一般可不用修改。
3.4.9选择绘详图的节点
单击“8.选择节点详图”，打开图3.4-9界面
图3.4-9节点详图
当要用节点绘制细节图时，可以通过本菜单的“节点详图”命令选择节点，选中后，程序用红色标记。
本工程取程序默认只绘制支座的节点详图。
3.4.10绘制施工图
单击“9.生成施工图”，打开右侧对话框，取默认
文件名，单击“确定”按钮，程序自动绘制桁架施工
图，主要有几何简图、内力简图、立面图、节点图和
材料表等，此时图面一般都不能让人满意，主要是
通过“移动图块”和“移动标注”对其进行编辑修改。
3.4.11钢材定货表
单击“10.钢材订货表”，弹出文件命名对话框，取默认文件名，程序会自动完成材料的统计，生成钢材定货表。
3.4.12支撑绘图
对于桁架的支撑绘图，用户进入桁架模块的“主菜单3”和“主菜单4”后，由于程序只完成绘图，比较简单，点击相应具体菜单就可以完成有关操作，此处从略。
参考书目
1、《门式刚架轻型房屋钢结构技术工程》CECS102：
2002
2、《钢结构设计规范》GB50017-2003
3、《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
4、《建筑结构荷载规范》GB50009-2001
5、《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
6、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002
7、《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001
8、《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2004
9、《矩形钢管混凝土结构技术规程》CECS159:
2004
10、《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98
11、《轻型钢结构设计指南》汪一骏，冯东等中国建筑工业出版社
12、《钢结构设计手册》（第三版）《钢结构设计手册》编辑委员会中国建筑工业出版社
13、《钢结构》梁启智主编华南理工大学出版社
14、《高楼钢结构设计》（钢结构、钢混凝土混合结构）刘大海杨翠如编著中国建筑工业出版社
15、《钢结构连接节点设计手册》李和华主编中国建筑工业出版社
升级会员 