鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

1、設(shè)計(jì)資料某車間。采用無檁屋蓋體系，梯形鋼屋架。車間跨度21m，長(zhǎng)度144m，柱距6m，廠房高度12m。車間內(nèi)設(shè)有兩臺(tái)200/150kN中級(jí)工作制吊車。采用三氈四油，上鋪小石子防水屋面，水泥砂漿找平層，8cm厚泡沫混凝土保溫層，1.5m×6.0m大型預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板。屋面積灰荷載0.6kN/m2，屋面活荷載0.35 kN/m2，雪荷載為0.45kN/m2，風(fēng)荷載為0.5kN/m2。屋架鉸支在鋼筋混凝土柱上，上柱截面為400mm×400mm，混凝土標(biāo)號(hào)為C20。鋼材采用Q235-B,焊條采用E43型，手工焊。一、選擇鋼材和焊條 根據(jù)北京地區(qū)的計(jì)算溫度和荷載性質(zhì)及連接方法，

2、鋼材選用Q235-B。焊條采用E43型，手工焊。二、屋架形式及尺寸無檁屋蓋，i1/10，采用平坡梯形屋架。屋架計(jì)算跨度為L(zhǎng)0L-30020700mm，端部高度取H01990mm，中部高度取HH0+1/2iL1990+0.1×2100/23040mm，屋架桿件幾何長(zhǎng)度見附圖1所示，屋架跨中起拱42mm（按L/500考慮）。 為使屋架上弦承受節(jié)點(diǎn)荷載，配合屋面板1.5m的寬度，腹桿體系大部分采用下弦間長(zhǎng)為3.0m的人字式，僅在跨中考慮到腹桿的適宜傾角，采用再分式。屋架桿件幾何長(zhǎng)度（單位：mm）三、屋蓋支撐布置根據(jù)車間長(zhǎng)度、屋架跨度和荷載情況，設(shè)置四道上、下弦橫向水平支撐。因柱網(wǎng)采用封閉結(jié)

3、合，為統(tǒng)一支撐規(guī)格，廠房?jī)啥说臋M向水平支撐設(shè)在第二柱間。在第一柱間的上弦平面設(shè)置剛性系桿保證安裝時(shí)上弦桿的穩(wěn)定，第一柱間下弦平面也設(shè)置剛性系桿以傳遞山墻風(fēng)荷載。在設(shè)置橫向水平支撐的柱間，于屋架跨中和兩端共設(shè)四道垂直支撐。在屋脊節(jié)點(diǎn)及支座節(jié)點(diǎn)處沿廠房縱向設(shè)置通長(zhǎng)的剛性系桿，下弦跨中節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一道縱向通長(zhǎng)的柔性系桿，支撐布置見附圖2。圖中與橫向水平支撐連接的屋架編號(hào)為GWJ-2，山墻的端屋架編號(hào)為GWJ-3，其他屋架編號(hào)均為GWJ-1。附圖2：屋面支撐布置圖（單位：mm）四、荷載計(jì)算與組合1、荷載計(jì)算荷載計(jì)算及匯總表項(xiàng)次荷載名稱計(jì)算式標(biāo)準(zhǔn)值kN/m2設(shè)計(jì)值kN/m2備注1防水層（三毛四油上鋪小石子

4、）0.40.48沿屋面坡向分布2水泥砂漿找平層（20mm厚）0.02×200.40.48沿屋面坡向分布3泡沫混凝土保溫層（80mm厚）0.10.12沿屋面坡向分布4預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板（含灌縫）1.41.68沿屋面坡向分布5屋架和支撐自重（0.12+0.011×21）0.350.42沿水平分布恒載總和2.653.186屋面均布活荷載0.350.56沿水平面分布，計(jì)算中取二者中的較大值7雪荷載0.450.638積灰荷載0.60.56可變荷載總和0.751.19由于屋面坡度不大，對(duì)荷載的影響較小，未予考慮。風(fēng)荷載為吸力，重屋蓋可不考慮。 2、荷載組合計(jì)算屋架桿內(nèi)力時(shí)，應(yīng)考慮如

5、下三種荷載組合：使用階段“全跨恒荷載+全跨屋面均布活荷載”和“全跨恒荷載+半跨屋面均布活荷載”。恒荷載和活荷載引起的節(jié)點(diǎn)荷載設(shè)計(jì)值及分別為：3.18×1.5×628.62 kN1.19×1.5×610.71 kN施工階段“屋架及支撐自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載”。這時(shí)只有屋架及支撐自重是分布于全跨的恒荷載，而屋面板自重及施工荷載（取屋面活荷載數(shù)值）即可能出現(xiàn)在左半跨，也可能出現(xiàn)在右半跨，取決于屋面板的安裝順序。當(dāng)從屋架兩端對(duì)稱安裝屋面板時(shí)，則不必考慮此種荷載組合。施工階段恒荷載和活荷載引起的節(jié)點(diǎn)荷載設(shè)計(jì)值和分別為：0.42×1.5

6、15;63.78 kN（1.68+0.63）×1.5×620.79 kN五、內(nèi)力計(jì)算采用圖解法計(jì)算屋架在左半跨單位集中荷載作用下的桿力系數(shù)。根據(jù)算得的節(jié)點(diǎn)荷載和桿力系數(shù)，進(jìn)行桿件內(nèi)力組合并求出各桿的最不利內(nèi)力。桿力組合表?xiàng)U件 名稱桿力系數(shù)內(nèi)力值計(jì)算桿內(nèi)力組合項(xiàng)目P1使用階段施工階段P恒×3P活×1P活×2P恒×3P活×1P活×2在左半跨在右半跨全跨全跨恒載在左半跨在右半跨全跨恒載在左半跨在右半跨123456789上弦AB-0.02-0.01-0.03-0.86 -0.21 -0.11 -0.11 -0.42 -0.

7、21 -1.18 4+5+6BC-5.33-2.17-7.5-214.65 -57.08 -23.24 -28.35 -110.81 -45.11 -294.98 4+5+6CD-5.33-2.17-7.5-214.65 -57.08 -23.24 -28.35 -110.81 -45.11 -294.98 4+5+6DE-7.35-3.94-11.29-323.12 -78.72 -42.20 -42.68 -152.81 -81.91 -444.04 4+5+6EF-7.35-3.94-11.29-323.12 -78.72 -42.20 -42.68 -152.81 -81.91 -44

8、4.04 4+5+6FG-6.86-5.32-12.18-348.59 -73.47 -56.98 -46.04 -142.62 -110.60 -479.04 4+5+6GH-6.86-5.32-12.18-348.59 -73.47 -56.98 -46.04 -142.62 -110.60 -479.04 4+5+6下弦ab3.021.094.11117.63 32.34 11.67 15.54 62.79 22.66 161.65 4+5+6bc6.683.099.77279.62 71.54 33.09 36.93 138.88 64.24 384.25 4+5+6cd7.334.6

9、411.97342.58 78.50 49.69 45.25 152.39 96.47 470.78 4+5+6de5.895.8811.77336.86 63.08 62.97 44.49 122.45 122.25 462.91 4+5+6斜桿aB-5.62-2.03-7.65-218.94 -60.19 -21.74 -28.92 -116.84 -42.20 -300.87 4+5+6Bb3.931.845.77165.14 42.09 19.71 21.81 81.70 38.25 226.93 4+5+6bD-2.62-1.77-4.39-125.64 -28.06 -18.96

10、-16.59 -54.47 -36.80 -172.66 4+5+6Dc1.191.562.7578.71 12.74 16.71 10.40 24.74 32.43 108.16 4+5+6cF-0.05-1.51-1.56-44.65 -0.54 -16.17 -5.90 -1.04 -31.39 -61.35 4+5+6Fd-1.061.350.298.30 -11.35 14.46 1.10 -22.04 28.07 -20.94 29.177+8 7+9dH2.11-1.330.7822.32 22.60 -14.24 2.95 43.87 -27.65 -24.70 46.827+

11、8 7+9豎桿Aa-0.53-0.01-0.54-15.45 -5.68 -0.11 -2.04 -11.02 -0.21 -21.24 4+5+6Cb-0.990-0.99-28.33 -10.60 0.00 -3.74 -20.58 0.00 -38.94 4+5+6Ec-0.980-0.98-28.05 -10.50 0.00 -3.70 -20.37 0.00 -38.54 4+5+6Gd-0.970-0.97-27.76 -10.39 0.00 -3.67 -20.17 0.00 -38.15 4+5+6He-0.06-0.06-0.12-3.43 -0.64 -0.64 -0.45

12、 -1.25 -1.25 -4.72 4+5+6六、桿件截面選擇1、上弦FG、GH整個(gè)上弦不變截面，取上弦最大設(shè)計(jì)桿力計(jì)算。N-479.04kN，l0x1508mm，l0yl13016mm（按大型屋面板與屋架保證三點(diǎn)焊接考慮，取l1為兩塊屋面板寬）。根據(jù)腹桿最大設(shè)計(jì)桿力NaB-300.87kN，取中間節(jié)點(diǎn)板厚度t10mm，支座節(jié)點(diǎn)板厚t12mm。 先由非對(duì)稱軸選擇截面，假設(shè)60，由附表4-2查得0.807（由雙角鋼組成的T形和十字形截面均屬b類），需要的截面面積：As2761 mm227.61cm2 一般角鋼厚度15mm，屬第一組，故取215 N/mm2。需要的回轉(zhuǎn)半徑為 cm cm上弦應(yīng)采用

13、兩不等邊角鋼以短邊相連組成的T形截面。根據(jù)需要的、查附表7-5，選用2L140×90×10（短邊相連）：A42.4cm2，2.56cm，6.77cm（節(jié)點(diǎn)板厚10mm），150。驗(yàn)算 ，0.810故 N/mm2215 N/mm2。驗(yàn)算對(duì)稱軸y的穩(wěn)定承載力：b1/t14/1140.56換算長(zhǎng)細(xì)比150，查附表4-2， 0.836；故， N/mm2215 N/mm2。滿足要求。墊板每節(jié)間放置一塊（滿足l1范圍內(nèi)不少于兩塊），ld150.8/275.4cm40i40×4.47178.8cm（i為4.47cm）。 2、下弦cd 下弦也不改變截面，采用最大設(shè)計(jì)桿力計(jì)算，N4

14、70.78 kN，l0x3000mm，l0y20700/210350mm，需要的凈截面面積為An2190 mm221.9cm2選用2L140×90×10（短邊相連）：A42.4cm2，2.56cm，6.77cm。驗(yàn)算：在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，將位于下弦桿連接支撐的螺栓孔包在節(jié)點(diǎn)板內(nèi)，且使栓孔中心到節(jié)點(diǎn)板近端邊緣距離不小于100cm，故截面驗(yàn)算中不考慮栓孔對(duì)截面的削弱，按毛截面驗(yàn)算（350）故 N/mm2215 N/mm2。滿足要求。墊板每節(jié)間放置一塊，ld150cm80i80×4.47357.6cm（i為4.47cm）。 3、端斜桿aBN-300.87 kN，l0x2524

15、mm，l0y2524mm，需要的凈截面面積為An1399 mm213.99cm2選用2L140×90×8（長(zhǎng)邊相連）：A36.08cm2，4.5cm，3.62cm，150驗(yàn)算：b2/t90/811.250.48，換算長(zhǎng)細(xì)比150，查附表4-2， 0.675；故， N/mm2215 N/mm2。滿足要求。設(shè)兩塊墊板，ld84.1cm40i40×2.59103.6cm（i為2.59cm）。4、斜腹桿dHN46.82 kN，l0x3395mm，l0y3395mm，需要的凈截面面積為An218 mm22.18 cm2選用2L80×5：A15.82cm2，2.48

16、cm，3.56cm，150驗(yàn)算：b/t80/5160.58，換算長(zhǎng)細(xì)比150，查附表4-2， 0.549；故， N/mm2215 N/mm2。滿足要求。設(shè)兩塊墊板，ld84.9cm40i40×3.56142.4cm（i為3.56cm）。5、豎桿dG豎桿不改變截面尺寸，N-38.15 kN，l0x0.8l0.8×28882310mm，l0y2888mm選用2L80×5：A15.82cm2，2.48cm，3.56cm，150驗(yàn)算：b/t80/5160.58，換算長(zhǎng)細(xì)比150，查附表4-2， 0.628；故， N/mm2215 N/mm2。滿足要求。設(shè)兩塊墊板，ld72

17、.2cm40i40×3.56142.4cm（i為3.56cm）。其余各桿的截面選擇見表。需注意連接垂直支撐的中央豎桿采用十字形截面，其斜平面計(jì)算長(zhǎng)度為l00.9l，其它腹桿除Aa和Ba外，l0x0.8l。屋架桿件截面選擇表?xiàng)U件 名稱內(nèi)力（kN）計(jì)算長(zhǎng)度（cm）截面形式和規(guī)格截面面積（cm2）回轉(zhuǎn)半徑（cm）長(zhǎng)細(xì)比容許長(zhǎng)細(xì)比穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算應(yīng)力（N/mm2）l0xl0yixiyxy yz上弦AB-1.14 150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.810BC-285.53 150.8301.62L140×90

18、15;1042.42.566.7758.9541500.8183CD-285.53 150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.8183DE-429.81 150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.81125EF-429.81 150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.81125FG-463.69 150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.954150

19、0.81135GH-463.69 150.8301.62L140×90×1042.42.566.7758.9541500.81135下弦ab156.47 30010352L140×90×1042.42.566.7711715335036bc371.94 30010352L140×90×1042.42.566.7711715335087cd455.70 30010352L140×90×1042.42.566.77117153350107de448.08 30010352L140×90×1042.4

20、2.566.77117153350106斜桿aB-291.24 252.4252.42L140×90×836.084.53.6256821500.675120Bb219.66 259.8259.82L140×90×836.084.53.6258841500.66192bD-167.13 286.2286.22L140×90×836.084.53.6264901500.62175Dc104.69 285.2285.22L140×90×836.084.53.6264901500.62148cF-59.39 312.53

21、12.52L80×515.822.483.56126951500.58832Fd-20.94 29.17311.5311.52L80×515.822.483.56126951500.58832dH-24.70 46.82339.5339.52L80×515.822.483.561371011500.54954豎桿Aa-20.56 159.2 1992L80×515.822.483.5664511500.85615Cb-37.69 182.3 227.92L80×515.822.483.5674741500.72633Ec-37.31 206.6

22、 258.32L80×515.822.483.5683821500.67535Gd-36.93 231288.82L80×515.822.483.5693891500.62837He-4.57 243.2 3042L80×515.822.483.5698921500.6085注：角鋼規(guī)格共3種七、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在確定節(jié)點(diǎn)板的形狀和尺寸時(shí)，需要斜腹桿與節(jié)點(diǎn)板間連接焊縫的長(zhǎng)度。先算出各腹桿桿端需要的焊縫尺寸。其計(jì)算公式為：角鋼肢背所需焊縫長(zhǎng)度：角鋼肢尖所需焊縫長(zhǎng)度：如腹桿aB，設(shè)計(jì)桿力N300.87 kN，設(shè)肢背與肢尖的焊腳尺寸各為hf18mm，hf26mm。因aB桿系不等

23、邊，角鋼與長(zhǎng)肢相連，故K10.65，K20.35。則： mm mm其它腹桿所需焊縫長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果見表4。未列入表中的腹桿均因桿力很小，可按構(gòu)造取 hf，l1l28hf+108×5+1050 mm表4 腹桿桿端焊縫尺寸桿件 名稱設(shè)計(jì)內(nèi)力（kN）肢背焊縫肢尖焊縫l1（mm）ht（mm）l2（mm）ht（mm）aB-300.87 125 890 6Bb226.93 100 870 6bD-172.66 80860 6Dc108.16558406表中1l、12為取整后數(shù)值1、下弦節(jié)點(diǎn)“b”按表4所列Bb、bD桿所需焊縫長(zhǎng)度，按比例繪制節(jié)點(diǎn)詳圖，從而確定節(jié)點(diǎn)板的形狀和尺寸（附圖4）。由圖中量出

24、下弦與節(jié)點(diǎn)板的焊縫長(zhǎng)度為480mm，焊腳尺寸hf5mm，焊縫承受節(jié)點(diǎn)左、右弦桿的內(nèi)力差NNbc-Nab384.25-161.65222.6 kN。驗(yàn)算肢背焊縫的強(qiáng)度：51 N/mm2 <(為160 N/mm2)滿足要求。肢尖的焊縫應(yīng)力更小，定能滿足要求。豎桿bC下端應(yīng)伸至距下弦肢尖為20mm處，并沿肢尖和肢背與節(jié)點(diǎn)板滿焊。 附圖4：下弦節(jié)點(diǎn)“b” 2、上弦節(jié)點(diǎn)“B” 按表4所列腹桿Ba、bB所需焊縫長(zhǎng)度，確定節(jié)點(diǎn)板形狀和尺寸，如附圖5所示。量得上弦與節(jié)點(diǎn)板的焊縫長(zhǎng)度為400mm，設(shè)hf5mm，因節(jié)點(diǎn)板伸出上弦肢背15mm，故由弦桿與節(jié)點(diǎn)板的四條焊縫共同承受節(jié)點(diǎn)集中荷載P28.62+10.

25、7139.33 kN和弦桿內(nèi)力差NNBC-NAB294.98-1.18293.8 kN的共同作用。忽略P對(duì)焊縫的偏心并視其與上弦垂直，則上弦肢背的焊縫應(yīng)力為：附圖5：上弦節(jié)點(diǎn)“B”81 N/mm2 <(為160 N/mm2)滿足要求。由于肢尖的焊縫hf也為5mm，故應(yīng)力更小，定能滿足要求。 3、下弦中央拼接節(jié)點(diǎn)“e（附圖6）附圖6：下弦中央拼接節(jié)點(diǎn)“e”（1）拼接角鋼計(jì)算 因節(jié)點(diǎn)兩側(cè)下弦桿力相等，故用一側(cè)桿力Ned462.91 kN計(jì)算。拼接角鋼采用與下弦相同的截面2L140×90×10，設(shè)與下弦的焊縫的焊腳尺寸hf8mm，豎直肢應(yīng)切去t+hf+510+8+523 m

26、m，節(jié)點(diǎn)一側(cè)與下弦的每條焊縫所需計(jì)算長(zhǎng)度為： mm拼接角鋼需要的長(zhǎng)度為： L2（lw+16）+102×（129+16）+10300 mm為保證拼接節(jié)點(diǎn)處的剛度取，L500 mm。（2）下弦與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫計(jì)算 下弦與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫按0.15Ned計(jì)算。取焊腳尺寸hf5mm，節(jié)點(diǎn)一側(cè)下弦肢背和肢尖每條焊縫所需長(zhǎng)度l1、l2分別為： mm mm 在附圖6中，節(jié)點(diǎn)板寬度是由連接豎桿的構(gòu)造要求所決定的，從圖中量得每條肢背焊縫長(zhǎng)度為155mm，每條肢尖焊縫長(zhǎng)度為120mm，滿足要求。 4、屋脊節(jié)點(diǎn)“H”（附圖7）（1）拼接角鋼計(jì)算 附圖7：屋脊節(jié)點(diǎn)“H”拼接角鋼采用與上弦相同的截面2L14

27、0×90×10。設(shè)兩者間的焊腳尺寸hf8mm，豎直肢應(yīng)切去t+hf+510+8+523 mm。按上弦桿力NGH479.04 kN計(jì)算拼接角鋼與上弦的焊縫，節(jié)點(diǎn)每側(cè)每條焊縫需計(jì)算長(zhǎng)度為： mm拼接角鋼需要的長(zhǎng)度為： L2（lw+16）+102×（134+16）+20320 mm為保證拼接節(jié)點(diǎn)處的剛度取，L700 mm。（2）上弦與節(jié)點(diǎn)板間焊縫計(jì)算 上弦與節(jié)點(diǎn)間在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)共8條焊縫，共同承受節(jié)點(diǎn)荷載P與兩側(cè)上弦內(nèi)力的合力。近似地取sintan0.1，該合力的數(shù)值為： 2Nsin-P2×479.04×0.1-39.3356.48 kN設(shè)焊腳尺寸hf5mm，每條焊縫所需要長(zhǎng)度為： mm由圖量得焊縫長(zhǎng)度為220mm。滿足要求。5、支座節(jié)點(diǎn)“a”（附圖8）（1）底板計(jì)算 附圖8：支座節(jié)點(diǎn)“a”底板承受屋架的支座反力R7P7×39.33275.31 kN，柱采用C20混凝土，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc10 N/mm2。底板需凈面積An為： mm2錨栓直徑d25mm，錨栓孔布置見附圖8，栓孔面積為： A50×40×2+×2525963 mm2底板