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/m22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＝66.249kN2.5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＝20.16kN2.6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＝27.702kN3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=86.16kNN=P×①第二种组合P1=52.56kN，P2=28.80kN第三种组合P3=5.53kN，P4=32.02kNN左=P1×①+P2×②N右=P1×①+P2×③N左=P3×①+P4×②N右=P3×①+P4×③①②③上弦杆AB0.0000.0000.0000.000.000.000.000.000.000BC,CD-8.72-6.25-2.47-544.97-495.17-418.97-213.79-109.08-544.97DE,EF-13.53-9.04-4.49-845.57-755.05-663.32-313.50-187.46-845.57FG,GH-15.26-9.17-6.09-953.69-830.91-768.82-325.17-239.85-953.69HI-14.71-7.38-7.38-919.32-771.54-771.54-273.02-273.02-919.32下弦杆ac4.733.481.25295.61270.41225.45118.4556.68295.61ce11.538.03.53720.58649.41559.30275.37151.54720.58eg14.659.345.31915.57808.52727.27327.03215.40915.57gi15.178.446.73948.06812.39777.91304.53257.16948.06斜腹杆aB-8.87-6.53-2.34-554.34-507.17-422.69-222.25-106.17-554.34Bc6.884.76-2.12429.97387.23248.53163.94-26.65429.97cD-5.44-3.14-2.02-339.98-293.61-271.03-112.35-81.32-339.98De3.701.901.80231.24194.95192.9369.8867.11231.24eF-2.460.71-1.75-153.74-89.83-139.438.20-59.95-153.74Fg1.11-0.451.5669.3737.9278.44-7.2948.3978.44gH0.021.55-1.531.2532.09-30.0043.03-42.29-42.29Hi-1.08-2.471.39-67.50-95.52-17.70-73.4633.47-95.52竖杆Aa-0.5-0.50-31.25-31.25-21.17-16.18-2.33-31.25Cc-1.0-1.00-62.50-62.50-42.34-32.36-4.66-62.50Ee-1.0-1.00-62.50-62.50-42.34-32.36-4.66-62.50Gg-1.0-1.00-62.50-62.50-42.34-32.36-4.66-62.50Ii00.970.970.0019.5619.5626.8726.8726.874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=10A＝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aBN=-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BcN=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-953.69150830002L125×80×1039.4204.48150每节间1下弦杆gi948.061500120002L125×80×1246.8202.58350每节间1腹杆aB-554.34253525352L90×1240.62189.001502Bc429.97208626082L90×827.88202.053502cD-339.98228728592L90×1240.62127.21502De231.24228728592L90×827.8882.943502eF-153.74250331292L90×1240.6262.561502Fg78.44249531192L90×827.8828.133502gH-42.29271733962L63×614.5884.811503Hi-95.52269633702L63×614.58189.91503Aa-31.25199019902L63×614.5839.991502Cc-62.50183222902L63×614.5875.471502Ee-62.50207225902L63×614.5884.381503Gg-62.50231228902L63×614.5898.091503Ii26.87289128912L63×614.5818.4320035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。、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。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90mmCc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：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。、支座节点“a”NAa=-31.25KN、NaB=-554.3KN、Nac=295.61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100mm2、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。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=