钢结构设计
钢结构设计
1.屋架尺寸和檩条,支撑布置
1.1屋架尺寸
屋架计算跨度:l0l3002700030026700mm
屋面倾角:aacrtan1/2.521°48′,sina0.3714 ,cosa0.9285
mm 屋架跨中高度:h26700/(22.5)5340
上弦长度:Ll0/2cosa26700/(2*0.9285)14378mm
节间长度:a14378/62396mm
节间水平投影长度:aacosa23960.92852225mm
1.2檩条和支撑的布置
根据屋面材料的最大容许檩距,可将檩条布置于上弦节上(见下 图),檩距为节间长度。在檩条的跨中设置一道拉条10。
根据厂房总长度120m,跨度27m,在厂房两端第二柱间和厂房中部设置三道上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑及垂直支撑,并在上弦及下弦各设三道系杆。上弦因有檩条亦可不设系杆,如图所示:
2.桁架设计
2.1荷载计算
<25°,屋面坡度a21°48′雪荷载按不均匀分布最不sk1.250.3=0.375 (kn/m2)
雪荷载与活荷载不同时考虑,取较大值,按雪荷载计算。作用在檩条上的均不线荷载为
永久荷载:(坡面)波形石棉瓦:0.200.7090.14kN/m
保温木丝板:0.700.7090.50kN/m
檩条及拉条: 0.20kN/m
合计 gk0.84kN/m
雪荷载重 qk10.37 450.709acos(k0.n)2m
檩条均布荷载设计值:
(g1xq1x)(g1q1)sina1.080.37140.401kN/m
(g1xq1x)(g1q1)sina1.080.92851.003kN/m /
因檩条沿节间布置,先将檩条作为桁架集中荷载计算,再按经验公式计算桁架和支撑自重,最后折算为桁架上弦节点荷载。
因为屋面坡度较小,风荷载为吸力,可不考虑风荷载和积灰荷载影响。檩条
作用在桁架上弦的集中力
Q(g1q1)61.0866.48kN
桁架和支撑自重,按轻屋盖估算
g2l00.0126.70.267kN/m
节点荷载设计值
P3Qg2a636.480.2671.975622.604kN
2.2桁架杆件内力计算
三角形桁架在半跨雪荷载作用下,腹杆内力不变号,故只需按全跨雪荷载和全跨永久荷载组合计算桁架杆件内力。根据《建筑结构静力计算手册》,对于十二节间桁架,n26700/53405,先查得杆件内力系数,再乘以节点荷载P22.604kN,即可得出杆件内力。
上弦杆局部弯矩计算。按两跨连续梁计算
M0Ql/36.481.975/34.266kN/m
端节间 M10.8M00.84.2663.413kN/m
中间节间及节点M20.6M00.64.2662.560kN/m
2.3杆件截面选择
2.3.1上弦杆截面计算
整个上弦杆采用同一截面,按最大内力计算N=−334.77kN(压力),查《钢结构设计手册》(中国建筑工业出版社),节点板厚度选用10mm,支座节点板厚度选用12mm。
计算长度:
ox39.9cm 屋架平面内取节间轴线长度l
屋架平面外根据支撑和内力变化取loy239.979.8cm
因为2loxloy,故截面宜选用两个不等肢角钢,且短肢相并。
设60,查《钢结构设计手册》轴心受压构件的稳定系数表0.807。 N334.77103
需要截面积:A1929mm2 f0.807215
loy79.939.90.67cm,iy1.33cm 需要回转半径:ix6060lox
根据需要的A、ix、iy,查《钢结构设计手册》角钢型钢表,选用2L755010,A23.18cm2,ix2.33cm,iy1.38cm。
按所选角钢进行验算:xlox/ix39.9/2.3317,yloy/iy79.8/1.3814 满足长细比:[]=150的要求。
由于xy,只需要求出minx,查《钢结构设计手册》轴心受压构件的稳定系数表,x0.978
N334.77103
148N/mm2f215N/mm2 所选截面合适。 Ax0.9782318
2.3.2下弦杆截面计算
整个杆件采用同一截面,按最大内力计算,N=310.81kN(拉力)
计算长度,屋架平面内取节间轴线长度lox534cm
屋架平面外根据支撑布置取loy1068cm N310.81103
计算需要净截面面积An1446mm2 f215
选用2L18011010(短肢相并),A57.47cm2,ix5.81cm,iy3.13cm 验算:
xlox/ix534/5.8192[]350,yloy/iy1068/3.13341[]350
N310.81103
106N/mm2f215N/mm2 A5747
所选截面合适。
2.3.3斜杆截面计算
(1)斜杆HB、HC、KE、KF
N=-27.35kN(压力),lox0.8l149.8cm,loyl187.2cm N27.35103
计算需要净截面面积An127mm2 f215
选用2L363,A4.22cm2,ix1.11cm,iy1.39cm
验算:
xlox/ix149.8/1.11135[]150,yloy/iy187.2/1.39135[]150
由于xy,只需要求出minxy,查《钢结构设计手册》轴心受压构件的稳定系数表,x0.365
N
Amin27.35103178N/mm2f215N/mm2 4220.365
所选截面满足要求。
(2)斜杆HD、KD
N=56.51kN(拉力),lox0.8l309.8cm,loyl387.2cm N56.51103
计算需要净截面面积An263mm2 f215
选用2L303,A3.50cm2,ix0.91cm,iy1.15cm
验算:
xlox/ix309.8/0.91340[]350,yloy/iy387.2/1.15337[]350
N56.51103
161N/mm2f215N/mm2 A350
所选截面满足要求。
(3)斜杆JD
N=-63.07kN(压力),lox0.8l230.1cm,loyl287.6cm N63.07103
计算需要净截面面积An293mm2 f215
选用2L634,A9.96cm2,ix1.96cm,iy2.46cm
验算:
xlox/ix230.1/1.96117[]150,yloy/iy287.6/2.46117[]150 由于xy,只需要求出minx,查《钢结构设计手册》轴心受压构件的稳定系数表,x0.453
N63.07103
140N/mm2f215N/mm2 Ax9960.453
所选截面满足要求。
2.3.4斜杆KG
N=141.28kN(拉力),lox0.8l309.8cm,loyl387.2cm N141.28103
计算需要净截面面积An657mm2 f215
选用2L365,A6.76cm2,ix1.08cm,iy6.24cm
验算:
xlox/ix309.8/1.08287[]350,yloy/iy387.2/6.2462[]350
N141.28103
209N/mm2f215N/mm2 A676
所选截面满足要求。
2.3.5斜杆KJ
N=84.77kN(拉力),lox0.8l309.8cm,loyl387.2cm N84.77103
计算需要净截面面积An394mm2 f215
选用2L304,A4.55cm2,ix1.84cm,iy2.92cm
验算:
xlox/ix309.8/1.84168[]350,yloy/iy387.2/2.92133[]350
N84.77103
186N/mm2f215N/mm2 A455
所选截面满足要求。
2.3.6竖杆GM
竖杆GM为零杆,截面只根据刚度条件选择,采用等肢双角钢十字形截面。桁架的竖杆按压杆考虑,容许长细比为200,则十字形截面所需回转半径为 iminl0/0.9534/2002.40cm
由角钢表查得L636,imin2.43cm,所以杆GM采用2L636角钢。
2.4.1下弦节点J
选用E43焊条,角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ftw160N/mm2,实际所需的焊脚尺寸可由构造确定。
(1)JK杆的内力N=84.77 kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf4mm,所需要的焊缝长度为:lw330mm
N30.7hflw3fffw0.743021.2216032793.6N 0.7NN3/20.784.7710332793.6/2肢背lw1856mm,取60mm w20.7hfff20.74160
肢尖lw20.3NN3/20.384.7710332793.6/2818mm,取40mm w20.7hfff20.74160
(2)JD杆的内力N=-63.07 kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf4mm,所需要的焊缝长度为:lw363mm
N30.7hflw3fffw0.746321.2216068866.6N
因为2k2N20.356307044149NN3,所以按两面侧焊缝计算。
0.7N0.763.07103
肢背 lw1857mm,取60mm 20.7hfffw20.74160
肢尖 lw20.3N0.363.07103829mm,取40mm w20.7hfff20.74160
(3)下弦杆焊缝验算
下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦内力之差。
N254.30169.5384.77kN
肢背焊缝验算,hf4mm,
f
焊缝强度满足要求。
2.4.2下弦节点H 8477095N/mm2160N/mm2 20.74160
选用E43焊条,角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ftw160N/mm2,实际所需的焊脚尺寸可由构造确定。
(1)HB杆的内力N=-27.35 kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf3mm,所需要的焊缝长度为:lw336mm
N30.7hflw3fffw0.733621.2216029514.2N
因为2k2N20.352735019145NN3,所以按两面侧焊缝计算。
0.7N0.727.35103
肢背 lw1634mm,取40mm w20.7hfff20.73160
肢尖 lw20.7N0.327.35103618mm,取30mm w20.7hfff20.73160
(2)HC杆的内力N=-27.35 kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf3mm,所需要的焊缝长度为:lw336mm
N30.7hflw3fffw0.733621.2216029514.2N
因为2k2N20.352735019145NN3,所以按两面侧焊缝计算。
0.7N0.727.35103
肢背 lw1634mm,取40mm 20.7hfffw20.73160
肢尖 lw20.3N0.327.35103618mm,取30mm w20.7hfff20.73160
(3)HD杆的内力N=56.51 kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf3mm,所需要的焊缝长度为:lw330mm
N30.7hflw3fffw0.733021.2216024595.2N 0.7NN3/20.756.5110324595.2/2肢背lw1647mm,取50mm 20.7hfffw20.73160
肢尖lw20.3NN3/20.356.5110324595.2/2613mm,取30mm w20.7hfff20.73160
(4)下弦杆焊缝验算
下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦内力之差。
N310.81254.3056.51kN
肢背焊缝验算,hf3mm,
f
焊缝强度满足要求。
2.4.3下弦节点K 5651084N/mm2160N/mm2 20.73160
选用E43焊条,角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ftw160N/mm2,实际所需的焊脚尺寸可由构造确定。
(1)KE杆的内力N=-27.35 kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf3mm,所需要的焊缝长度为:lw336mm
N30.7hflw3fffw0.733621.2216029514.2N
因为2k2N20.352735019145NN3,所以按两面侧焊缝计算。
0.7N0.727.35103
肢背 lw1634mm,取40mm 20.7hfffw20.73160
肢尖 lw20.7N0.327.35103618mm,取30mm w20.7hfff20.73160
(2)KF杆的内力N=-27.35 kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf3mm,所需要的焊缝长度为:lw336mm
N30.7hflw3fffw0.733621.2216029514.2N
因为2k2N20.352735019145NN3,所以按两面侧焊缝计算。
0.7N0.727.35103
肢背 lw1634mm,取40mm 20.7hfffw20.73160
肢尖 lw20.3N0.327.35103618mm,取30mm w20.7hfff20.73160
(3)KD杆的内力N=56.51 kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf3mm,所需要的焊缝长度为:lw330mm
N30.7hflw3fffw0.733021.2216024595.2N 0.7NN3/20.756.5110324595.2/2肢背lw1647mm,取50mm 20.7hfffw20.73160
肢尖lw20.3NN3/20.356.5110324595.2/2613mm,取30mm w20.7hfff20.73160
(4)下弦杆焊缝验算
下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦内力之差。
N141.2884.7756.51kN
肢背焊缝验算,hf3mm,
f
焊缝强度满足要求 5651084N/mm2160N/mm2 20.73160
2.4.4上弦节点B
BH杆的内力N=-27.35kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf3mm,所需要的焊缝长度为:lw340mm
N30.7hflw3fffw0.734021.2216032793.6N
因为2k2N20.352735019145NN3,所以按两面侧焊缝计算。
0.7N0.727.35103
肢背 lw1634mm,取40mm 20.7hfffw20.73160
肢尖 lw20.3N0.327.35103618mm,取30mm w20.7hfff20.73160
考虑搁置檩条,节点板缩进上弦肢背7mm,用槽焊缝链接,槽焊缝按两条角焊缝计算hft/21.5mm,P22.604kN。
节点板尺寸为117193,设肢尖焊缝hf5mm,假定集中荷载P与上弦垂直,忽略屋架上弦坡度影响。
肢背焊缝验算:
(K1N)2(P/21.22)2(0.7526)2(22.6/21.22)2
f20.7hflw20.75183
18.6N/mm20.8ffw0.7160128N/mm2
肢尖焊缝验算:
(K2N)2(P/21.22)2(0.2526)2(22.6/21.22)2
f20.7hflw20.75183
11.9N/mm20.8ffw0.7160128N/mm2
节点C、E、F同计算节点B。
上弦节点B、C、E、F节点
2.4.5上弦节点D
(1)DH杆的内力N=56.51kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf3mm,所需要的焊缝长度为:lw330mm
N30.7hflw3fffw0.733021.2216024595.2N 0.7NN3/20.756.5110324595.2/2肢背lw1647mm,取50mm w20.7hfff20.73160
肢尖lw20.3NN3/20.356.5110324595.2/2613mm,取30mm w20.7hfff20.73160
(2)DK杆的内力N=56.51kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf3mm,所需要的焊缝长度为:lw330mm
N30.7hflw3fffw0.733021.2216024595.2N 0.7NN3/20.756.5110324595.2/2肢背lw1647mm,取50mm w20.7hfff20.73160
肢尖lw20.3NN3/20.356.5110324595.2/2613mm,取30mm w20.7hfff20.73160
(3)DJ杆的内力N=-63.07kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf4mm,所需要的焊缝长度为:lw363mm
N30.7hflw3fffw0.746321.2216068866.6N
因为2k2N20.356307044149NN3,所以按两面侧焊缝计算。
0.7N0.763.07103
肢背 lw1857mm,取60mm 20.7hfffw20.74160
肢尖 lw20.3N0.363.07103829mm,取40mm w20.7hfff20.74160
考虑搁置檩条,节点板缩进上弦肢背7mm,用槽焊缝链接,槽焊缝按两条角焊缝计算hft/22mm,P22.604kN。
节点板尺寸为380800,设肢尖焊缝hf5mm,假定集中荷载P与上弦垂直,忽略屋架上弦坡度影响。
肢背焊缝验算:
(K1N)2(P/21.22)2(0.7526)2(22.6/21.22)2
f20.7hflw20.75790
4N/mm20.8ffw0.7160128N/mm2
肢尖焊缝验算:
(K2N)2(P/21.22)2(0.2526)2(22.6/21.22)2
f20.7hflw20.75790
3N/mm20.8ffw0.7160128N/mm2
GK杆的内力N=141.28kN,采用三面围焊,肢背和肢尖的焊缝hf5mm,所需要的焊缝长度为:lw336mm
N30.7hflw3fffw0.753621.2216049190.4N 0.7NN3/20.7141.2810349190.4/2肢背lw11076mm,取80mm 20.7hfffw20.75160
肢尖lw20.3NN3/20.3141.2810349190.4/21026mm,取50mm w20.7hfff20.75160
弦杆肢背与节点板的连接焊缝采用塞焊缝,屋脊节点处檩条传来的力为P/322.604/37.53kN,此力甚小,且节点板甚长,满焊可满足要求,不必计算。 上弦肢尖与节点板的连接焊缝承担两侧弦杆内力差或15%Nmax中较大值及其产生的弯矩。
活荷载中所占比例甚小,故由半跨雪载与全部恒载在屋脊节点两侧上弦杆所产生的内力差甚小,可取15%Nmax0.15292.7243.91kN
M43.91e43.91(10.03.0)307.36kNcm
按绘制的节点图可知
lw32cm,取hf4mm,
f
fy则 43.912.376kN/cm2 20.70.433307.3663.024kN/cm2 220.70.433
2w
f222a3.02422.37624.256kN/cm2fyf42.56N/mm1.22f1.22160195.2N/mm
拼接角钢与上弦连接焊缝长度确定,设 hf5mm,则
292.72103
lw10141mm,取150mm。 40.75160
拼接角钢总长度为llw50350mm
h4mm,中间竖肢杆与节点板连接焊缝,因N0,按结构取f实际长度根据绘
制施工图确定为w
2.4.7下弦跨中节点M
(1)下弦接头设于跨中节点处,连接角钢取与下弦杆相同截面2L180×110×10,焊缝高度hf8mm,焊缝长度为: l90mm。
lw(169.53103)/(40.78160)1663mm,取80mm,
连接角钢长度lw28010170mm,取170mm。
下弦杆与节点板,斜杆与节点板之间的连接焊缝按构造设计。
(2)弦杆与节点板连接焊计算:按下弦内力的15%计算。
N169.5315%25.43kN
设肢背、肢尖焊肢尺寸为8mm,弦杆一侧需焊缝长度为
0.75N0.7525.43103
肢背 lw11627mm,取80mm, 20.7hfffw20.78160
肢尖 lw20.25N0.2525.431031620mm,取40mm。 w20.7hfff20.78160
2.4.8支座节点A
桁架支承400mm400mm的钢筋混凝土柱上,支座混凝土垫块强度等级C30
级,便于施焊,取底板至于下弦中心线距离为160mm,下弦截面为2L180×110×10。下弦杆与节点板焊缝计算:因NAH310.81kN故
N30.7hflw3fffw0.7103621.2216098380.8N 0.7NN3/20.7310.8110398380.8/2肢背lw12095mm,取100mm 20.7hfffw20.710160
肢尖lw20.3NN3/20.3310.8110398380.8/22040mm,取100mm w20.7hfff20.710160
上弦杆与节点板焊缝计。NAB334.77kN,肢背为塞焊缝,肢背、肢尖均按节点板满焊,hf=5mm焊缝长度仅考虑节点中心右边板长的焊缝长度
0 l45.5/cos21.8cm= 48(w )
=5mm。 承受荷载为M334.77(103)234.34kNcm,取hf
.5(334.77234.3422w2)2()122.57N/mm1.22f195.2N/mmf20.70.54820.70.5482
支座底板计算:
8支座反力 R6F617,74
支座底板需要的受压净面积 106.k4n 8
1πd21π52
A02(+55)=2(+55)=69.64(cm2)≈70cm2
2424
2AAA112.0970182.09(cm) n0则所需面积为
25根据构造要求底板的实际净面积为 25
底板所受均布荷载反力为
7025cm55>(A )
22qR/A106.488310/(535510n)m1.m<92(/n。m)m9.5/
所需底板厚度t的计算,按两相邻支承边的板计算
b1/a188/17720.5,查表得=0.058。
22M=qa0.0581.921773489(nmm)
1
9.87(mm),取16mm。
底板尺寸为250mm150mm16mm。
支座加劲厚度取10mm,焊缝取
考虑与上弦的焊缝,w
加劲肋承受的内力为
hf6mm,焊缝长度仅考虑与支座节点板焊缝, l9.018(cm)。
VR/426.622(kn)
MVe26.66212.5/2166.388(kncm)
2w2157.28(n/mm)<f160n/mmf
节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算:
取加劲肋切口宽度为15mm,取hf6mm,6条焊缝的总计算长度为
lw22502(25012215)612844mm
R24.3(n/mm2)<160n/mm2
ff(0.7hflw)
支座节点
加劲肋与节点板的连续焊缝
加劲肋的计算简图
主要参考资料
1.《钢结构设计规范》
2.《工业与民用建筑荷载规范》
3.标准图集《梯形钢屋架G511》
4.《钢结构设计手册》中国建筑工业出版社
5.《钢结构》陈绍番主编,中国建筑工业出版社