钢结构单层工业厂房课程设计

1、.纪少祥11231076土木1104重屋面钢屋架设计一、设计资料1、工程地点：河北邯郸，设计使用年限：50 年。2、工程规模：单层单跨封闭式工业厂房，长度90m，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，屋架跨度24m，柱距6m,屋面离地20m,吊车起重量为20t，工作制为A5，无较大的振动设备。3、屋面作法：预应力混凝土屋面板（卷材防水），无檩体系，屋面坡度为1/10，无天窗。4、自然条件：基本风压为0.35kN/m2，基本雪压为0.25kN /m2，积灰荷载标准值为0.5kN /m2地震设防烈度为7度。地面粗糙度类别为B类，场地类别类5、材料选用：（1）屋架钢材采用碳素钢结构GB/T700-2006规定的

2、Q235B镇静钢（2）焊条采用碳钢焊条GB/T5117-1995中规定的E43 型焊条（3）普通螺栓采用等级为4.6级的C级螺栓，锚栓采用Q235 级钢制成（4）角钢型号按热轧型钢GB/T706-2008选用，（5）混凝土强度等级为C256、结构及各组成构件形式：（1）钢屋架：梯形钢屋架（2）屋面板：卷材防水的1.5x6m2预应力钢筋混凝土屋面板，可按图集1.5x6m2预应力钢筋混凝土屋面板04G410-12选用（3）屋盖支撑：可从相关标准图集中选用7、主要建筑构造做法及建筑设计要求重物面（预应力混凝土屋面板）做法： 二毡三油防水层上铺小豆石（0.35kN/m2）； 20mm厚水泥砂浆找平层（

3、0.4 kN/m2）； 100mm厚加气混凝土保温层（0.6 kN/m2）； 冷底子油一道、热沥青二道（0.05 kN/m2）；二、屋架形式的选定和结构平面布置1、屋架形势和几何尺寸由于采用1.5x6m2大型屋面板加卷材防水屋面，i=1/10，故采用缓坡梯形屋架屋架计算跨度：l0=l-300=24000-300=23700屋架端部高度取h0=2000mm跨中高度：h=h0+i=2000+0.1x=3185mm屋架高跨比h/l0=3.185/23.7=0.134，在屋架常用的高度范围内屋架起拱度f=l/500=24000/500=48mm，取50mm为使屋架上弦节点受荷，腹杆采用人字式，上弦节点

4、水平间距取1500mm，屋架各杆件尺寸见下图2、根据车间长度、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑，屋脊处与檐口位置上、下弦处分别各设一道竖向系杆。在屋盖两端开间内的屋脊处与两端支座处设屋架间的垂直支撑。由于有吊车，所以设置下弦纵向水平支撑。如下图：三、屋架荷载和内力计算1、荷载计算屋架和支撑重按经验公式计算（0.12+0.011l0）x1.2=0.381x1.2 kN/m2，取0.4x1.2 kN/m2，且因屋架下弦无其他荷载，可假定屋架和支撑重量全都作用在上弦节点。根据建筑结构荷载规范可知，屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，屋面活荷载为kN/m2（不上人），大于雪荷载kN/m2，取屋面

5、活荷载kN/m2。由于是重屋面，不考虑风荷载作用。屋面做法和屋面板荷载按屋面倾斜面积计算，但因屋面坡度较小，故近似地将全部荷载均按水平投影面积计算，屋架全部荷载的设计值为：标准永久荷载：预应力混凝土大型屋面板（含灌缝） 1.4+0.1=1.5 kN/m2二毡三油防水层上铺小豆石 0.35 kN/m220mm厚水泥砂浆找平层 0.4 kN/m2100mm厚加气混凝土保温层 0.6 kN/m2冷底子油一道、热沥青二道 0.05 kN/m2屋架和支撑重 0.48 kN/m2共 3.38 kN/m2标准可变荷载：屋面活荷载 0.5 kN/m2积灰荷载 0.5 kN/m2共 1.0 kN/m2设计桁架时

6、，应考虑以下四种组合：（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载为主的组合）全跨节点荷载设计值：F=(1.35x3.38+1.4x0.7x0.5+1.4x0.9x0.5) x1.5 x0.6=51.147kN（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载F1=1.35x3.38x1.5x6=41.067kN F2=1.4x(0.7x0.5+0.9x0.5)x1.5 x6=10.08kN（3）全跨屋架包括支撑+半跨屋面板重和半跨活荷载：F3=1.2 x0.4 x1.5 x6=4.32kN F4=（1.2 x1.4 +1.4 x0.5）x1.5 x6=21.42kN（4）竖向地震作用效应和其他荷载效应组合G=

7、3.38x1.5x6=30.42kNGE=30.42+0.5 x0.4 x1.5 x6+0.5 x0.5 x1.5 x6=34.47kNFEvk=25.31 x0.10=2.532kNF5=1.2 x30.42+1.3 x2.531=40kN（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况2、内力计算先计算桁架各杆件的内力系数和支座反力（F=1 作用于全跨、左半跨、右半跨）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合。四、杆件设计1、上弦杆截面设计 整个上弦采用等截面，按最大内力设计。上弦杆的最大内力在FG、GH节间，最大内力为N=-800.60kN，上弦杆计算长度：在桁架平面内，节间轴线

8、长度lox=1507mm；在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化，取loy=3x1507=4521mm 因为loy=3lox，故界面宜选两个不等肢角钢，短肢相拼，如上图所示，腹杆最大内力N=-467.84kN，查表可知，节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。设=60，查得=0.807，需要截面面积： A=Nf=8006000.807x215=4614.3mm2需要的回转半径：ix=1507/60=25.12mm iy=4521/60=75.35mm根据需要的A，ix、iy，查角钢规格表，选用2160X100X10，A=5062mm2，ix=28.4mm，iy=77mm，按所选角钢进

9、行验算： x=lox/ix=1507/28.4=52.98<=150 y=loy/iy=4521/77=58.71<=150由于x<y,需求y=0.814 NA=8006000.814x5062=195.26N/mm2<215 N/mm2所选截面合适2、下弦杆截面设计整个下弦采用等截面，按最大内力设计，下弦杆的最大内力为N=795.75kN在桁架平面内，节间轴线长度lox=3000mm；在桁架平面外loy=2x3000=6000mm需要截面面积： A=Nf=795750215=3701.16mm2选用2125X80X12，界面宜选两个不等肢角钢，短肢相拼，如下图所示A=

10、4670mm2>3701.16mm2，ix=22.4mm，iy=60mm， x=lox/ix=3000/22.4=134<=250 y=loy/iy=6000/60=100<=250考虑下弦有221.5mm的栓孔削弱，下弦净截面面积：An=4670-2x21.5x10=3512mm2 = N A=7957504240=187.68N/mm2<215 N/mm2所选截面合适3、斜杆截面设计（1）“aB”截面设计杆件轴力N=-467.84kN 计算长度lox=loy=2538mm。因为lox=loy，故采用不等肢角钢，长肢相拼，使ix=iy，如下图选用2125X80X10，

11、A=3942，ix=40mm，iy=32mm，验算如下： x=lox/ix=2538/40=63.45<=150 y=loy/iy=2538/32=79.32<=150由于x<y,需求y=0.702 NA=4678400.702x3942=169.06N/mm2<215 N/mm2所选截面合适（2）腹杆“cD”杆件内力N=-275.84kN在桁架平面内，节间轴线长度lox=0.8x2872=2297.6mm；在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化，取loy=2872mm 因为loy=1.25lox，故截面宜选两个等肢角钢，使iy/ix=1.3-1.5，如图所示设=80，查

12、得=0.688，需要截面面积： A Nf=2758400.688x215=1864.79mm2需要的回转半径：ix=2297.6/80=28.72mm iy=2872/80=35.9mm根据需要的A，ix、iy，查角钢规格表，选用280X7，A=2172mm2，ix=24mm，iy=35.6mm，按所选角钢进行验算： x=lox/ix=2297.6/24=95.7<=150 y=loy/iy=2872/35.6=80.67<=150由于x>y,需求y=0.671 NA=2758400.671x2172=189.26N/mm2<215 N/mm2所选截面合适4、竖杆“Kk

13、”截面设计杆件内力N=101.07kN 为了不使支撑与屋架节点连接不产生偏心，连接垂直支撑的竖直腹杆常采用两个等肢角钢组成的十字形截面，Kk杆的几何长度为3185mm，lox=loy=0.9x3185=2866.5mm，如图由于杆件内力较小，选用十字形等肢角钢263X5，A=1229mm2，imin=24.5mm，按所选角钢进行验算：max=l/i=2866.5/24.5=117<=250N/A=101070/1229=82.24 N/mm2<215 N/mm2所选截面合适,其余杆件的截面选择过程同理，杆件截面选择如下：杆件截面形式及规格（mm）弦杆AK2160X100X10（短肢

14、相并）ak2125X80X12（短肢相并）斜杆aB2125X80X10（长肢相并）Bc263X8cD280X7De250X6eF275X6Fg250X6gH270X6Hk270X6竖杆Aa263X5Cc263X5Ee263X5Gg263X5Kk263X55、垫板的截面选择为了保证两个角钢组成的杆件共同作用，应在两角钢相并肢之间，每隔一定距离设置垫板，并与角钢焊住。垫板厚度与节点板相同，为10mm；宽度一般取4060mm，本设计取50mm；长度应比角钢肢宽大1015mm，以便于角钢焊接。垫板间距在受压杆件中不大于40i ,在受拉杆件中不大于80 i (i 为一个角钢最小回转半径)。在杆件的计算长

15、度范围内至少设置两块垫板，各杆件的垫板数量如下表五、节点设计1、下弦节点设计（1）支座节点“a”底板计算：底板承受支座支反力R=8x51.15=409.2kN，柱采用C25混凝土的轴心抗压强度设计值fc=11.9N/mm2。底板需要净截面面积为： An=R/fc=409.2x10311.9=34387mm2锚栓直径采用d=25mm，孔直径取2d=50mm，则孔栓面积为：A=50x30x2+252x=4963mm2底板需要总面积为As= An+A=39350mm2支座底板平面尺寸采用A=280x400=11200 mm2>As满足要求，仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为：

16、A=280x200=56000 mm2验算柱顶混凝土的挤压强度： =RA'=409.2x10356000=7.31N/ mm2节点板和加劲肋将底板分成四块相同的两边支撑板，它们的对角线长度a1，及内角顶点到对角线的距离b1分别为：a1=(140-122)2+(100-122)2=163.7mm b1=134x94163.7=76.9mmb1/a1=0.5，查表的=0.058，则二相邻边支承板单位板宽的最大弯矩为：M=qa12=0.058x7.31x163.72=11361.68N·mm所需的底板厚度：t=6Mf=6x11361.68215=17.8mm，取t=20mm实际底板

17、尺寸为400mmx280mmx20mm加劲肋与节点板的焊缝计算焊缝长度等于加劲肋高度，也等于节点板高度。设焊脚尺寸为6mm，焊缝长度为410mm，计算长度lw=410-10-20=380mm，而lw'=60hf=360mm<380mm则每块加劲肋近似地按受R/4计算。R/4作用点到焊缝的距离为e=（140-6-15）/2+15=74.5mm，则焊缝所受剪力和弯矩分别为： V=409.2/4=102.3kN M=V*e=102.3x0.0745=7.6214kN·m焊缝强度计算： f2+（ff）2=（V2x0.7hflw）2+（6M1.22x2x0.7lw2）2 = （1

18、02.3x1032x0.7x6x360）2+（6x7.6214x1062x1.22x0.7x6x3602）2 =48.3N/mm2<ffw加劲肋和节点板与底板的焊缝计算根据构造要求： hfmin=1.5t=1.520=6.7mm hfmax=1.2t=1.2x12=14.4mm实际取hf=8mm则 lw=2x280+2x（200-12-2x15）-6x2x8=780mm所需的焊脚尺寸： f=R1.22x0.7hflw=409.2x1031.22x0.7x8x780=76.79 N/mm2<ffw（2）下弦一般节点“c” 设计步骤：先根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，然后

19、再根据lw大小按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“Bc”杆角钢的肢背和肢尖：hf1lw1=k1N2x0.7ffw=349130x0.7224=1091mm2，则取hf1=6mm，lw1=190mmhf2lw2=k2N2x0.7ffw=349130x0.3224=468mm2， 则取hf2=5mm， lw2=100mm“cD”杆角钢的肢背和肢尖hf1lw1=k1N2x0.7ffw=275840x0.7224=862mm2，则取hf1=6mm，lw1=150mmhf2lw2=k2N2x0.7ffw=275840x0.3224=369mm2，则取hf2=5mm， lw2=

20、80mm“cC”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊缝焊脚尺寸hf=5mm，lw=60mm 验算下弦杆与节点板连接焊缝强度： f=k1N2x0.7hflw-2hf=0.75x3441702x0.7x5x370-10=102.4N/mm2<ffw=160 N/mm2焊缝强度满足要求 根据以上的已知条件，并考虑杆件之间应有间隙以及制作等装配误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为340mmx370mm。（3）下弦节点“e”： 同理，De杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm，焊缝长度lw=110mm，肢尖的焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=60mm；eF杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm，焊缝长

21、度lw=80mm；Ee杆肢背和肢尖均按构造设计，焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=60mm。根据以上的已知条件，并考虑杆件之间应有间隙以及制作等装配误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为290mmx260mm。（4）下弦节点“g”：由表可知“Fg”“gH”“Gg”杆肢背和肢尖均按构造设计，焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=60mm。根据以上的已知条件，并考虑杆件之间应有间隙以及制作等装配误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为280mmx260mm。（5）下弦中央拼接节点“k”：1）拼接角钢计算 因节点两侧下弦杆力相等，故用一侧杆力N=+795.75kN计算。拼接角钢采用与下

22、弦相同的截面2125x80x12，故下弦的焊缝的焊脚尺寸hf=5mm，竖直肢应切去=t+hf+5=10+5+5=20mm，节点一侧与下弦的每条焊缝所需要的计算长度为： lw=N4x0.7hfffw=7957504x0.7x5x160=355mm拼接角钢需要的长度为：L=2lw+2hf+10=2x（355+10）+10=740mm2）下弦与节点板的连接焊缝计算 下弦与节点板的连接焊缝按0.15N计算，取hf=5mm，节点一侧下弦肢背与肢尖每条焊缝所需的长度l1，l2分别为： l1=k1x0.15N2x0.7hf1ffw+2hf=0.75x0.15x7957502x0.7x5x160+10=90m

23、m2，则取l1=90mm l2=k2x0.15N2x0.7hf2ffw+2hf=0.25x0.15x7957502x0.7x5x160+10=36.6mm2，则取l2=40mm满足要求2、上弦节点设计（1）屋脊节点“K”1）拼接角钢计算 拼接角钢采用与上弦相同的截面2160X100X10。设hf=5mm，竖直肢应切去=t+hf+5=10+5+5=20mm，按上弦杆力N=774.57kN计算。 lw=N4x0.7hfffw=7745704x0.7x5x160=346mm拼接角钢需要的长度为：L=2lw+2hf+10=2x（346+10）+10=722mm，取L=740mm2）上弦与节点杆的连接焊缝计算 对于上弦杆与节点板之间的连接焊缝，假定节点荷载P由上弦角钢肢背处的槽焊缝承受：f=P1.222x0.7hf'lw'=51.15x1031.222x0.7x5x335=17.87N/mm2<160x0.8 N/mm2 上弦角钢肢尖与节点板的连接焊缝按上弦内力的15%计算，并考虑此力产生的弯矩M=0.15Ne，设肢尖焊缝hf=5mm，节点板长度为21.5cm，则节点一侧焊缝的计算长度>21.5cm，焊缝应力为： fN=0