21米屋架钢结构设计

1、 黄山学院21米跨工业厂房梯形屋架设计一、设计资料某单层单跨工业厂房总长度90米，跨度L（取21m）。厂房纵向柱距6m。结构形式:钢筋混凝土柱，梯形钢屋架。柱的混凝土强度等级为C30,屋面坡度i=L/10；L为屋架跨度。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为6度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台150/301（中级工作制），锻锤为2台5t。屋架形式及荷载: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。根据设计要求，屋架采用的钢材焊条为：Q235钢，焊条为E43型。荷载标准值（水平投影面计）（1）永久荷载：三毡四油（上铺绿豆砂）防水层0

2、.4KN/m2水泥砂浆找平层0.4KN/m2保温层0.45KN/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1.45KN/m2屋架及支撑自重：按经验公式q二0.12+0.011L=0.351KN/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：1.2KN/m2注：实际取屋面活荷载标准值与雪荷载标准值的较大值，保温层及积灰荷载取值参照学号。屋架计算跨度，几何尺寸及屋面坡度见附图1。钢屋架的制造、运输荷安装条件：在金属结构厂制造，运往工地安装，工地有足够的起重安装条件。屋架几何尺寸及屋架全跨上弦节点单

3、位荷载作用下构件内力系数见附图。内力计算考虑下面三种情况（1）、满载（全跨静荷载加全跨活荷载）（2）、在吊装过程中可能出现的半跨屋面板荷载和半跨活荷载（活荷载400N/m2）和全跨屋架自重。（3）、在使用过程中全跨静荷载和半跨活荷载。设计附图：/+50.5ceg7=105001.07.4721.01-01.01.0F-12.18-4+211.26+丄5+0A01.0+01.0HV12.1821米跨屋架几何尺寸21米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值1.01.0o1o1o1o1o1-5.319.f+4636LC14Ao5.0oo8aceggeca21米跨屋架半跨单位

4、荷载作用下各杆件的内力值二、屋盖结构形式和支撑布置布置屋盖支撑时应根据支撑布置原则，结合本设计具体情况，即厂房长度90m60m；跨度L=21m；有桥式吊车且吊车平台较高等，考虑上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、垂直支撑应设几道和其位置；下弦纵向水平支撑是否需要设置；系杆如何设置，设刚性系杆还是柔性系杆布置屋架支撑，并进行编号，钢屋架代号GWJTOC o 1-5 h z支撑代号：屋架上弦横向水平支撑sc屋架下弦横向水平支撑xc屋架下弦纵向水平支撑zc垂直支撑cc刚性系杆LG1柔性杆件LG2屋架上弦支撑布置图cciL：1XLG菁iLG2LG；L:5x1LMIsoWTL1CC3LXCL/L；1L；

5、XLGLG；7-LG2LG1scLQ11”,riI.60006000X15屋架下弦支撑布置图6000单层21米跨工业厂房钢结构屋架设计取8、9项中之大值 垂直支撑1-1cciLL?csj|_；1LG1L柱顶处屋架垂直支撑LG三、荷载内力计算1.荷载计算按屋面做法，已知各荷载标准值算出永久荷载设计值；按屋面活载及雪荷载两者中取大值的原则，算出可变荷载的设计值。计算可列表1进行。表1荷载标准值及设计值计算234567荷载名称三毡四油（上铺绿豆砂）防水层水泥砂浆找平层保温层一毡二油隔气层水泥砂浆找平亍预应力混凝土屋面板屋架及支撑自重-永久荷载总重屋面施工活荷载标准值雪荷载标准值积灰荷载标准值可变荷载

6、总重标准值（KN/m20.40.4互0050卫0.3513.451ITT1.9设计值KN/m20.480.480.720.060.361.740.42124.26120.980391.682.66备注1.21.4单层21米跨工业厂房钢结构屋架设计 荷载组合按三种情况进行组合：全跨永久荷载+全跨可变荷载；P=(4.2612+2.66)X6X1.5二62.2908KN全跨永久荷载+半跨可变荷载；P1=4.2612X6X1.5=38.3508KNP2=2.66X6X1.5=23.94KN全跨屋架支撑自重+半跨屋面板重+半跨可变荷载重。P3=1.2X0.351X6X1.5=3.7908KNP4=(1.

7、2X1.45+2.38)X6X1.5=37.08KN杆件内力杆件轴心力=节点荷载X杆件内力系数。对于上、下弦荷靠近支座的腹杆，仅需按组合(1)算出相应的内力选定为内力设计值。而靠近跨度中间部分的腹杆则需分别按三种组合求出相应的内力。经比较，其最不利的数值选定为内力设计值。具体计算可列表进行。下表给出了半跨荷全跨上弦节点单位荷载作用下的杆件内力系数。表2屋架杆件内力组合表杆件名称内力系数(F=l)第1种组合px(1)第2种组合第3种组合计算杆件内力(kN)全跨左半跨(2)右半跨ppp2p3xG）+Px（3）上弦AB0000.000.0000.0000.0000.0000BC/CD-7.472-5

8、.31-2.162-465.44-413.679-338.315-225.220-108.492-465.44DE、EF-11.262-7.339-3.923-701.52-607.602-525.823-314.822-188.157-701.52FG/GH-12.18-6.861-5.319-758.70-631.365-594.450-300.578-243.400-758.70下弦ac4.13.011.09255.39229.298183.333127.15355.959255.39ce9.7446.6633.081606.96533.202447.449284.002151.1816

9、06.96eg11.9627.3264.636745.12634.137569.738316.994217.248745.12gh11.7685.8845.884733.04592.175592.175262.789262.789733.04斜腹杆aB-7.684-5.641-2.043-478.64-429.733-343.597-238.297-104.883-478.64Be5.8083.961.848361.78317.544266.983168.85490.541361.78cD-4.409-2.633-1.776-274.64-232.123-211.606-114.345-82.

10、568-274.64De2.7921.2221.57173.92136.330144.66155.89668.800173.92eF-1.572-0.047-1.525-97.92-61.413-96.796-7.702-62.506-97.92Fg0.328-1.0391.36720.43-12.29545.305-37.28351.93251.93gH0.7131.913-1.244.4173.141-1.38473.637-41.79373.64竖直杆Aa-0.5-0.50-31.15-31.145-19.175-20.435-1.895-31.15Ce/Ee-1-10-62.29-62

11、.291-38.351-40.871-3.791-62.29Gg-1-10-62.29-62.291-38.351-40.871-3.791-62.29表中的杆件名称与下图中的对应1507.51507.51507.51507.5D1507.51507.51507.5气312150：1350ce1500X7=10500四、杆件截面选择1、按腹杆最大内力N=-478.64KN查表选用中间节点板厚度t=10mm,荷载支座节点板厚度t=12mm.2、上弦杆整个上弦杆不改变截面，按上弦杆FH的最大计算内力设计值，按轴心受压构件设计截面。根据钢结构基本原理可知，单轴对称截面的轴心受压构件在绕非对称主轴失稳

12、时呈弯曲屈曲，但绕其对称轴失稳时通常呈弯扭屈曲。yz62+九2yz12九yz弯扭屈曲换算长细比九GB50017规范给出了双角钢截面换算长细比的简化公式，将直接用于设计中。计算内力设计值：N=-758.70KN计算长度：屋架平面内取节点中心间轴线长度l=l=1507.5mmox屋架平面外根据屋盖支撑布置和上弦杆内力变化取值l=2l=2x1507.5=3015mmoy截面选择：由于l=2l选用不等边角钢，短边相连。设九=80，查表知oyox为b类截面，查附表（b类截面轴心受压构件的稳定系数申）得申二0.688。需要的截面特性：A二鸡二758700M0.688x215=5129.12mm2l1507

13、.5i=-ox=x九80=18.84mml3015oy=九80=37.69mm根据需要的A、相连，、y查型钢表选用2/25&0“2不等边角钢，短边y截面特性：A二2340 x2=4680mm2,i=22.4mm,i=61.5mmxy截面验算：九=x=67.30九=150九=-oy=49.0 x=150 xi22.4yi61.5xyb125l3015由=10.40.56-=0.56=13.5t12b1251则可近似取九=X=49.0yzy满足长细比要求，因X.八亠由X=67.30查附表9=0.7672xyyz，xxQ=一=211.31N/mm2f=215N/mm2满足要求。9A0.7672x2x

14、2340下弦杆整个下弦杆不改变截面，按下弦杆eg的最大计算内力设计值，按轴心受拉构件设计截面。计算内力设计值：N=745.12KN计算长度：l=1500oxl=1500oyx2=3000mmx4=6000mm截面选择：N745120A=3465.67mm2f215根据需要的A、Iy查型钢表选用2Z125X80X10不等边角钢,短边相连。80 xxy截面特性：A=3940mm2,i=22.6mm,x截面验算：i=61.1mmy九=li=xix300022.6=13.27k=150l06000九=旦=98.20yi61.1y150b=7二牆=189.1N/mm2八215N/mm2满足要求。4、斜腹

15、杆（1）端斜杆aB计算内力设计值：N=-478.64KN计算长度：/二/二2530mmoxl=l=2350mmoy截面选择：选用不等边角钢，设x=80,b类截面查附表得9=0.688。需要的截面特性：A=比=4786409f0.688x215=3235.80mm2lioxxx253080=31.625mml2530oyX8031.625mm根据需要的Aix，y查型钢表选用2/25沖长边相连y8080 xy截面验算：截面特性：A=3200mm2,i=40.1mm,i=32.7mmyX=Lx=2530=63.09xxi40.1x=Ly=2530=77.370.56.=0.56t8b1251bl2t

16、2则九=3.7xx(1+oy)=3.7xyzt52.7b41X1xyz，满足长细比要求，因九4786402530=11.3逻x(1+23502X82)=60852.7xl254由九=77.37查附表得申=.705Ncy=A0.705X3200=212.16N/mm2f=215N/mm2满足要求。(2)腹杆Bc计算内力设计值：N=361.78KN计算长度：l=0.8l=0.8x2613=2090.4mmoxl=l=2613mmoy截面选择：A=“=361780=1682.70mm2f215根据需要的Aixiy查型钢表选用Mg等边角钢。截面验算：截面特性：l_ox=ix_NA=1150X2mm2,

17、i=22.8cm,xi=35.0mmyl2613r.吟=74.66L九i35.0yA_1150 x2(3)腹杆cD361780=ms/mm2f=215N/mm2满足要求。计算内力设计值：N=-274.64KN计算长度：l=0.8l=0.8x2864=2291.2mmoxl=l=2864mmoy截面选择：选用等边角钢，设X=80,b类截面查附表得p=0.688。需要的截面特性：A牛=牆=呎杯加2291.280=28.64mml2864l=-y=yX80根据需要的All查型钢表选用2Z75X10,截面验算:xy截面特性：A=1413X2mm2,i=22.6cm,i=35.4mmxyX=仏=2291

18、.2=101.38lx=150 xl22.6x286435.4=80.90由b-75tJt75-9375诅2-诅8誉-2215yz(0.475b4一(0.475x7541+81.83x1+11严)(28642x82丿=84.17满足长细比要求，由九=101.38查附表得申二0.546则九九yc178N/mm2九由九=91查附表得0=0.612xyzy，xN31150a=45.69N/mm2f=215N/mm2A0.612x557x2满足要求（2）竖杆Gg计算内力设计值：N=-62.29KN计算长度：l=l=2312mmoxl=l=2890mmoy截面选择：选用等边角钢，设X=80,b类截面查附

19、表得p=0.688。=421.11mm2需要的截面特性：A=上=62290pf0.688x215=28.9mml2312l=-ox=xX80i丄=型=36.12mmy九80根据需要的Aixy查型钢表选用2Z7X4验算：截面特性：A=557X2mm2,i=21.8mm,i=32.1mmxy九=-ox=106.1九=150 xi21.8x=loy=2890=90.03x=150i32.1y由b=70=175。58=7=295则尢=尢yyz(0.475b4|(0.475x704=90.03x1+112t21(28902x42丿oyx=97.71满足长细比要求，因九九九由九=106.1查附表得0二0.

20、517yzy，x62290=108.15N/mm2f=215N/mm2NCJ=以0.517x557x2满足要求.其他杆件截面的选择见下表表3屋架杆件截面选择表杆件计算内力(KN)截面规格截面面积/mm2计算长度(mm)回转半径(mm)长细比容许长细比入稳定系数应力0(N/mm2)名称编号l0 xl0yixiy入x入y入yzXy上弦杆FG-758.702Z125X80X12,短边相并46801507.5301522.461.567.349.0491500.7672211.31下弦杆eg745.122Z125X80X10,短边相并39403000.006000.022.661.113.2798.2

21、0350189.1aB-478.642Z125X80X&长边相并32002530.002530.040.132.763.0077.00601500.705212.16Be361.782Z75X823002090.402613.022.83591.6874.66350157.3cD-274.642Z75X1023002291.2286422.835101.3880.8084.171500.546178De173.922Z70X411142291.2286421.832.1105.1089.22350147.1eF-97.922Z70X411142499.2312421.832.1114.6097

22、.32841500.466177.73Fg-37.2832Z70X411142499.203124.021.832.1114.6097.3297.321500.46771.751.93235046.62gH-41.7932Z70X411142712.003390.021.832.1124.40105.61105.611500.41390.8473.63735066.1Aa-31.152Z70X411141990.001990.021.832.191.2861.99781500.61243.69Ce-62.292Z70X411141832.002290.021.832.184.0471.3471

23、.341500.66179.7Ee-62.292Z70X411142072.002590.021.832.195.0580.6980.691500.58889.6Gg-62.292Z70X411142312.002890.021.832.1106.1090.0397.711500.517108.15四.节点设计重点设计“a”“B”点类同。A0.000B-465C44-D-7012F-758g70-31.62478.6.361.7815a255.39285029-274.64173.92-62A-97.92-62.29.2951.932c606.96e745.1230003000H73.6377

24、3.637g733.043000e”“H”四个典型节点（如图下图），其余节11850杆件内力（KN）用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值fw160N/mm2，角f焊缝的焊角尺寸和焊缝计算长度的限制和构造要求。经查表得，取5mm的倍数得各杆件截面中性轴距角钢背面的距离分别如下表表4截面中性轴距翼缘边缘的长度杆件型号Z125X80X12短边相并Z110X70X10短边相并Z125X80X8长边相并2Z75X82Z70X4中性轴距角钢背面距离（单位:mm）20204020201.下弦节点“e”先计算腹杆焊缝长度，然后定出节点板的形状和尺寸，最后计算下弦杆与节点板之间的连接焊缝。(1)De

25、杆焊缝计算N=-173.92KN角焊缝强度设计值fw二160N/mm2,根据构造要求：f板厚t6mm时，ht，取h=4mm,则焊缝所需长度为ff0.7N0.7x173920肢背l=135.88mm,取150mmlw2hefw2x0.7x4x160肢尖lw-0.3N2hfw0.3x1739202x0.7x4x160取70mm2)Ee杆焊缝计算N=-62,29KN角焊缝强度设计值f;二160N/mm，根据构造要求设焊缝件=4mm，则焊缝所需长度为焊缝长度32mm=8h/60h=240mmfwf肢背：l=0.7N=一0758691=45.85mm,根据构造要求取60mmw2hfw2x0.7x4x16

26、0ef肢尖：l=0.3N=0358691=19.65mm,根据构造要求取50mmw2hfw2x0.7x4x160ef3)Fe杆焊缝计算N=-97.92KN角焊缝强度设计值f=160N/mm2，根据构造要求设焊缝hf=4mm，则焊缝所需长度为焊缝长度32mm=8hl60h=240mmfwf肢背：l=0.7N=0.792262=72.08mm,根据构造要求取90mmw2hfw2x0.7x4x160ef肢尖：l=0.3N=一0392262=30.89mm,根据构造要求取50mmw2hfw2x0.7x4x160ef(4)下弦杆焊缝验算下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻内力之差：N=745.12-606.

27、96=138.16KN根据节点放样，得节点板尺寸为400X320mm,见图受力最大肢背焊逢应力验算：设h=6mmf=160N/mm20.75AN0.75x130176/t=29.95N/mm22x0.7hl=80.45N/mm2(0.25x438.538)+(58.691/(2x1.22)2x0.7h”l”fw=27.38N/mm2fw=160N/mm23.屋脊节点“H”（1）上弦杆拼接计算上弦杆常采用同钢号钢拼接，为了连接紧密和便于施焊，常需将拼接角钢的棱角削圆并切去垂直肢的一部分宽度=+hf+5mm=10+6+5=21mm.拼接接头一侧的连接焊缝长度按上弦杆内力计算，设焊缝长度h=9mm,

28、每f条焊缝所需长度为N4x0.7hfw7148544x0.7x9x160=177.3mm取拼接角钢长度L=2(l+2h)+20=410.6mm取L=800mmwfAg卜A758.70KN辜二2Z70X473673KN2/70X473.637KN73.637KN2/125X80X12-7n屋脊节点“H”2/125X80X122)上弦杆与节点板连接焊缝计算上弦杆与节点板之间的槽焊缝承受节点荷载，强度足够上弦杆肢尖与节点板的连接焊缝，按上弦杆内力的15计算。设h=6mm，节点板的长度为430mm,节点一侧的焊缝长度为fl=430/2-20-12=183mmw焊缝应力验算：0.15N0.15x7148

29、542hl2x0.7x6x183=69.76N/mm2fw0.15Nxex60.15x714854x60 x62hl22x0.7x6x1832=137.22N/mm269.762+137.22、2I1.22=132.36N/mm2u-i2Z125X80X82110X70X102632KKM十/IVrXoc4111.1111加劲肋计算简图支座节点“a”1)支座底板计算支座反力：R=7P=7X62.2908=436.04KN所需底板净面积：a二兰=436040nfc14.3=30492mm2(4)支座节点“a”设底板尺寸为250X380mm底板平面净面积：A=250 x250=62500mm2R410840=6.57N/mm2A62500n单位宽度弯矩为底板下平均应力为：Gn底板为两相邻边支撑板，M=paa21a=250 x旦177mm2b=a/2=89mmIIb由f=0.5,近似采用三边简支板系，查表7-13(陈绍蕃主编钢结构a1基础P273)得p=0.058M=0.058x6.57x(177)2=11938N-mm所需底板厚度:t=6M=6x11938=18.25mm,取t=20mm215(2)加劲肋与节点板的连接焊