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钢结构设计要点

1设计资料

1.1结构形式

某厂房跨度为24m，总长90m，纵向柱距6m，采用梯形钢屋架，无盖体系为无檩屋盖，钢筋混凝土柱，预应力混凝土大型屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，柱的混凝土强度等级为C30，屋面坡度为i=L/10。

地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为8度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台150/30t。

1.2屋架形式及选材

屋架跨度为24m，屋架形式、几何尺寸及内力系数（节点荷载P=1.0作用下杆件的内力）如附图所示。

屋架采用的钢材及焊条为：

设计方案采用Q345钢，焊条为E50型。

1.3荷载标准值

（1）永久荷载：

三毡四油（上铺绿豆砂）防水层0.4KN/m2

水泥砂浆找平层0.4KN/m2

保温层0.55KN/m2

一毡二油隔气层0.05KN/m2

水泥砂浆找平层0.3KN/m2

预应力混凝土大型屋面板1.4KN/m2

屋架及支撑自重（按经验公式

计算）0.384KN/m2

（2）可变荷载：

屋面活荷载标准值：

0.7KN/m2

雪荷载标准值：

0.35KN/m2

积灰荷载标准值：

1.3KN/m2

2支撑布置

2.1桁架形式及几何尺寸布置

24米跨屋架几何尺寸

24米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值

24米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值

2.2桁架支撑布置

根据车间长度

，屋架跨度

荷载情况以及吊车布置情况宜设置三道上、下弦横向水平支撑。

考虑到柱网的布置情况，因为第一柱间间距小于6

，因此厂房两端的横向水平支撑设在第二柱间。

在第一柱间的上弦设置刚性系杆保证安装时上弦的稳定，下弦设置刚性系杆以传递风荷载。

在设置水平支撑的柱间，在屋架跨中及两端，两屋架间共设置三道垂直支撑。

屋脊节点以及屋架支座处沿厂房通常设置刚性系杆，屋架下弦跨中通长设置一道柔性系杆。

凡与支撑连接的屋架编号为

，其余编号均为

，其中屋架间距取

，两端和中间共8榀屋架。

2.3荷载计算

屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。

沿屋面斜面分布的永久荷载应乘以1.35换算为沿水平投影面分布的荷载。

标准永久荷载值：

三毡四油防水层：

1.35×0.4=0.54kN/m2

水泥砂浆找平层：

1.35×0.4=0.54kN/m2

保温层：

1.35×0.55=0.74kN/m2

一毡二油隔气层：

1.35×0.05=0.068kN/m2

水泥砂浆找平层：

1.35×0.3=0.405kN/m2

预应力混凝土大型屋面板：

1.35×1.4=1.89kN/m2

屋架及支撑自重：

0.518kN/m2

悬挂管道：

0.15kN/m2

共4.701kN/m2

可变荷载标准值：

屋面活荷载标准值（大于雪荷载）：

0.98kN/m2

积灰荷载标准值：

1.82kN/m2

共2.66kN/m2

设计桁架时应考虑以下三种荷载组合：

2.4全跨永久荷载+全跨可变荷载

屋架上弦节点荷载（端点荷载取半）：

P=（4.701+2.66）×1.5×6＝66.249kN

2.5全跨永久荷载+半跨可变荷载

有可变荷载作用屋架上弦节点处的荷载：

P1=4.701×1.5×6＝42.336kN

无可变荷载作用屋架上弦节点处的荷载：

P2=2.66×1.5×6＝20.16kN

2.6全跨屋架与支撑+半跨屋面板+半跨屋面活荷载

全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载：

P3=0.518×1.5×6＝4.662kN

作用于半跨的屋面板及活载产生的节点荷载：

取屋面可能出现的活载

P4=（1.958+1.12）×1.5×6＝27.702kN

3内力计算

经计算P=1作用于全跨、左半跨、和右半跨，屋架杆件内力系数，求出以上三种荷载组合下的杆件内力，列于表3.1所示，选取最大的杆件内力进行杆件设计。

表3.1屋架杆件内力计算表

杆件名称

杆内力系数（P=1）

内力组合

计算杆件内力/kN

全跨

左半跨

右半跨

第一种组合

P=86.16kN

N=P×①

第二种组合P1=52.56kN，P2=28.80kN

第三种组合P3=5.53kN，P4=32.02kN

N左=P1×①+P2×②

N右=P1×①+P2×③

N左=P3×①+P4×②

N右=P3×①+P4×③

①

②

③

上弦杆

0.000

0.00

0.000

BC,CD

-8.72

-6.25

-2.47

-544.97

-495.17

-418.97

-213.79

-109.08

-544.97

DE,EF

-13.53

-9.04

-4.49

-845.57

-755.05

-663.32

-313.50

-187.46

-845.57

FG,GH

-15.26

-9.17

-6.09

-953.69

-830.91

-768.82

-325.17

-239.85

-953.69

-14.71

-7.38

-919.32

-771.54

-273.02

-919.32

下弦杆

4.73

3.48

1.25

295.61

270.41

225.45

118.45

56.68

295.61

11.53

8.0

3.53

720.58

649.41

559.30

275.37

151.54

720.58

14.65

9.34

5.31

915.57

808.52

727.27

327.03

215.40

915.57

15.17

8.44

6.73

948.06

812.39

777.91

304.53

257.16

948.06

斜腹杆

-8.87

-6.53

-2.34

-554.34

-507.17

-422.69

-222.25

-106.17

-554.34

6.88

4.76

-2.12

429.97

387.23

248.53

163.94

-26.65

429.97

-5.44

-3.14

-2.02

-339.98

-293.61

-271.03

-112.35

-81.32

-339.98

3.70

1.90

1.80

231.24

194.95

192.93

69.88

67.11

231.24

-2.46

0.71

-1.75

-153.74

-89.83

-139.43

8.20

-59.95

-153.74

1.11

-0.45

1.56

69.37

37.92

78.44

-7.29

48.39

78.44

0.02

1.55

-1.53

1.25

32.09

-30.00

43.03

-42.29

-1.08

-2.47

1.39

-67.50

-95.52

-17.70

-73.46

33.47

-95.52

竖杆

-0.5

-31.25

-21.17

-16.18

-2.33

-31.25

-1.0

-62.50

-42.34

-32.36

-4.66

-62.50

-1.0

-62.50

-42.34

-32.36

-4.66

-62.50

-1.0

-62.50

-42.34

-32.36

-4.66

-62.50

0.97

0.00

19.56

26.87

4杆件设计

4.1上弦杆

整个上弦架采用等截面，按杆件最大设计内力设计。

上弦杆计算长度：

在桁架平面内，为节间轴线长度：

在桁架平面外，根据支承布置及内力变化情况，取：

因为2l0x≈l0y，故截面宜采用两个不等肢角钢，短肢相并（图5.1）

腹杆最大内力N=-948.06kN，查表得，节点版厚度选用10mm，支座节点板厚度用12mm。

设λ=60查附录得

。

需要截面积：

Areq=N/f=554300/（0.807×215）=3194.72mm2

需要的回转半径：

i=lox/λ=1508/60=25.13mm；i=l/＝3000/60＝50mm

根据需要的A，ix，iy查角钢规格表，选2L125×80×10，A=2×19.7×100=3940mm2、ix=22.6mm、iy=61.1mm

，按所选角钢进行验算：

截面验算：

＝l/i＝1508/22.6=79.87<［］＝150（满足）

＝l/i=3000/61.1=49.10<［］＝150（满足）

b/t=125/10=12.5＜0.58×3000/125=13.92

所以近似取==49.10＜=79.87，==79.87

查表4.2得＝0.688

由N/A=554300/（0.688×3940）＝204.48N/<215（满足）

故上弦杆采用2L125×80×10短肢相并

4.2下弦杆

整个下弦杆采用等截面，按最大内力N=948.06KN计算

l＝300cml=1800/2=1200cm

由附表7.6选2L125×80×12短肢相并a=10

A＝2×23.4＝46.8cm，i＝2.24cm，i＝6.16cm

=948060/4680=202.58N/<215（满足）

＝l/i＝300/2.24=133.93<［］＝350（满足）

＝l/i=1200/6.16=194.81<［］＝350（满足）

故下弦杆采用2L125×80×12短肢相并，如下图：

4.3腹杆aB

N=-554.3KN，l0x=0.8l=0.8×2535=2028mm，l0y=2535mm

选用截面2L90×12a=10

截面几何特性：

几何面积：

A=40.62cm2

回转半径：

ix=2.71cm，iy=4.17cm

长细比：

b/t=90/12=7.5＜0.58×253.5/9=16.3

故，

因>，只需求，查表得=0.722

则=554300/0.722×4062=189N/<215（满足）

所以选择截面为2L90×12的等肢角钢，肢背间距为a=10mm，如下图：

4.4斜腹杆gH

按压杆计算：

N=-42.29KN，l0x=0.8×339.6=271.68cm，l0y=339.6cm，

选用截面2L63×6a=10

截面几何特性：

几何面积：

A=14.58cm2

回转半径：

ix=1.93cm，iy=2.98cm

长细比：

b/t=63/6=10.5＜0.58×339.6/6.3=31.3

故，

因>，只需求，查表得=0.342

则=42290/0.342×1458=84.81N/<215（满足）

按拉杆计算：

N=43.03KN

=43030/1458=29.52（满足）

所以采用等肢角钢2L63×6，如下图所示

4.5腹杆Bc

N=429.97KN，l0x=0.8×260.8=208.6cm，l0y=260.8cm

选用截面2L90×8a=10

截面集合特性：

几何面积：

A=21.28cm2

回转半径：

ix=2.79cm，iy=4.05cm

长细比：

承载力验算：

=429970/2128=202.05N/mm2<215（满足）

所以选择截面为2L90×8的等肢角钢，肢背间距为a=10mm，如下图：

其余截面选择见下表：

屋架杆件截面选用表

杆件名称

杆件号

内力设计值（kN）

计算长度

所用截面

截面积（cm2）

计算应力（N/cm2）

容许长细比[λ]

填板数

l0x（mm）

l0y（mm）

上弦杆

FG、GH

-953.69

1508

3000

2L125×80×10

39.4

204.48

150

每节间1

下弦杆

948.06

1500

12000

2L125×80×12

46.8

202.58

350

每节间1

腹杆

-554.34

2535

2L90×12

40.62

189.00

150

429.97

2086

2608

2L90×8

27.88

202.05

350

-339.98

2287

2859

2L90×12

40.62

127.2

150

231.24

2287

2859

2L90×8

27.88

82.94

350

-153.74

2503

3129

2L90×12

40.62

62.56

150

78.44

2495

3119

2L90×8

27.88

28.13

350

-42.29

2717

3396

2L63×6

14.58

84.81

150

-95.52

2696

3370

2L63×6

14.58

189.9

150

-31.25

1990

2L63×6

14.58

39.99

150

-62.50

1832

2290

2L63×6

14.58

75.47

150

-62.50

2072

2590

2L63×6

14.58

84.38

150

-62.50

2312

2890

2L63×6

14.58

98.09

150

26.87

2891

2L63×6

14.58

18.43

200

5节点设计

选用E50焊条，则焊缝的抗压、抗拉和抗剪强度设计值为：

，设计时考虑无引弧的影响。

腹杆最大内力554.3KN，查表7.4选用中间节点板厚度12mm，支座节点板厚度14mm。

1、上弦“B”节点（见附图）

计算腹杆的杆端焊缝。

NBa=-554.34KN；NBc=429.97KN；

设“Ba”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf=10mm和hf=8mm

取190mm

取120mm

设“Bc”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf=8mm和hf=6mm

取190mm

取120mm

验算上弦杆与节点板的连接

假定上弦杆的形心线至肢背的距离为30mm，上弦节点板的上边缘缩进上弦肢背10mm，肢背采用塞焊缝。

，由斜杆焊缝确定的节点板尺寸，得节点板长度是：

410mm，则焊缝的计算长度为。

则肢背焊缝强度为：

肢尖焊缝承担上弦杆内力差

偏心力矩M=544970×95=36.41×10N/mm

选择，则

则肢尖焊缝强度为：

都满足要求。

2下弦节点“c”

NcD=-339.9KN；NBc=429.97KN；NCc=-62.50KN

计算腹板与节点板的连接焊缝

B-c杆肢背及肢尖焊脚尺寸分别取hf1=10mm，hf2=8mm，则所需焊缝长度（考虑起灭弧缺陷）：

取160mm

取100mm

腹杆cD杆肢背及肢尖焊脚尺寸分别取：

hf1=10mm，hf2=8mm

取130mm

取90mm

Cc杆因内力很小，焊缝尺寸可按构造确定为5mm。

验算下弦杆与节点板的连接

内力差ΔN=720.58-295.61=424.97KN。

由斜腹杆焊缝决定的节点板尺寸，得实际节点板长度为430mm，肢背及肢尖焊脚尺寸均取为6mm，则计算长度lw=430-12=418cm。

肢背焊缝应力为：

3屋脊节点

弦杆杆端受力不大按照构造要求设置焊缝，取hf=5mm。

弦杆与节点板连接焊缝受力不大，按构造要求决定焊缝尺寸。

上弦杆采用2L125×80×12拼接角钢采用与上线相同的角钢，热弯成型，拼接角钢除倒棱外，竖肢需切去，取，切肢后剩余高度为h-=75mm，角焊缝用hf=8mm，按轴心受压等强度设计。

则上弦杆件与拼接角钢肢尖在街头一侧的焊缝长度为:

共有四条焊缝，认为平均受力，每条焊缝实际长度：

采用拼接角钢半长为179+5=184mm，总长l=2184=368mm，取实际长度为2200=400mm。

4、支座节点“a”

NAa=-31.25KN、NaB=-554.3KN、Nac=295.61

1、腹杆焊缝设计

aB肢背取190mm，hf1=10mm肢尖取120mm，hf2=8mm。

Aa杆内力较小取构造要求，hf2=5mm，肢尖肢背取l=70mm。

ac杆设肢背焊缝厚度hf1=8mm，hf2=6mm

取140mm

取100mm

2、根据端斜杆和下弦杆杆端焊缝，节点板采用—390×280×12。

为便于施焊。

且在支座设加

劲肋—140×12，高度为290mm。

（1）板底计算

支座反力：

R=8×62.5=500KN

柱采用C30混凝土，所需板底净面积为An=500000/14.3=349.65cm2

锚栓直径采用d=25mm，锚栓孔直径为50mm，则所需底板面积：

A=An+A0=349.65+2×3×5+3.14×52/4=419.28cm2

按构造要求采用底板面积a×b=28×28=784cm2>419.28cm2，锚栓垫块采用—100×100×20，孔径26cm。

底板实际应力：

An=784-2×3×5-3.14×52/4=734.4cm2

q=500000/73440=6.81N/mm2

a1=（140-12/2）×√2=189.5mm

b1=a1/2=94.8mm

b1/a1=0.5，查表得：

=0.056，则：

M=?

qa2=0.056×6.81×189.52=13694.7Nmm

所需底板厚度：

t===20.02mm

用t=22mm，底板尺寸为280×280×22。

（2）加劲肋与节点板连接焊缝计算：

一个加劲肋的受力为支座反力的1/4，则焊缝受力

V=R/4=500000/4=125000N

e=b/4=7cm

M=125000×70=8750000N/mm

验算焊缝应力：

加劲肋尺寸取为290×140×12。

采用hf=6mm，验算焊缝应力：

对V

对M

肢尖焊缝强度为q==90.00<160N/mm

（3）、节点板、加劲肋与底板焊缝计算：

初选=10mm,

则实际焊缝总长度:

2a+2（b-t-2c）-12hf=2×（28+28-10-2×1.5）-12×1=84cm,

焊缝设计应力为：

=R/0.7hf=16.5N/<1.22×160=195.2N/。

底板详图：

附图节点大样：

1、节点“B”详图：

2、节点“A”详图：

3、节点“c”详图：

4、节点“C”详图：

5、节点“a”

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