钢结构设计要点.docx
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钢结构设计要点
IMBstandardizationoffice【IMB5AB-IMBK08-IMB2C】
钢结构设计要点
1设计资料
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。
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=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。
荷载标准值
(1)永久荷载:
三毡四油(上铺绿豆砂)防水层m2
水泥砂浆找平层m2
保温层m2
一毡二油隔气层m2
水泥砂浆找平层m2
预应力混凝土大型屋面板m2
屋架及支撑自重(按经验公式
计算)m2
(2)可变荷载:
屋面活荷载标准值:
m2
雪荷载标准值:
m2
积灰荷载标准值:
m2
2支撑布置
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
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。
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:
×=m2
水泥砂浆找平层:
×=m2
保温层:
×=m2
一毡二油隔气层:
×=m2
水泥砂浆找平层:
×=m2
预应力混凝土大型屋面板:
×=m2
屋架及支撑自重:
m2
悬挂管道:
m2
共m2
可变荷载标准值:
屋面活荷载标准值(大于雪荷载):
m2
积灰荷载标准值:
m2
共m2
设计桁架时应考虑以下三种荷载组合:
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=+)××6=
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=××6=
无可变荷载作用屋架上弦节点处的荷载:
P2=××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=××6=
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=(+)××6=
3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,列于表所示,选取最大的杆件内力进行杆件设计。
表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=
N=P×①
第二种组合P1=,P2=
第三种组合P3=,P4=
N左=P1×①+P2×②
N右=P1×①+P2×③
N左=P3×①+P4×②
N右=P3×①+P4×③
①
②
③
上弦杆
AB
BC,CD
DE,EF
FG,GH
HI
下弦杆
ac
ce
eg
gi
斜腹杆
aB
Bc
cD
De
eF
Fg
gH
Hi
竖杆
Aa
0
Cc
0
Ee
0
Gg
0
Ii
0
4杆件设计
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)
腹杆最大内力N=,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/(×215)=
需要的回转半径:
i=lox/λ=1508/60=;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××100=3940mm2、ix=、iy=
,按所选角钢进行验算:
截面验算:
=l/i=1508/=<[]=150(满足)
=l/i=3000/=<[]=150(满足)
b/t=125/10=<×3000/125=
所以近似取==<=,==
查表得=
由N/A=554300/×3940)=<215(满足)
故上弦杆采用2L125×80×10短肢相并
下弦杆
整个下弦杆采用等截面,按最大内力N=计算
l=300cml=1800/2=1200cm
由附表选2L125×80×12短肢相并a=10
A=2×=,i=,i=
=948060/4680=<215(满足)
=l/i=300/=<[]=350(满足)
=l/i=1200/=<[]=350(满足)
故下弦杆采用2L125×80×12短肢相并,如下图:
腹杆aB
N=,l0x==×2535=2028mm,l0y=2535mm
选用截面2L90×12a=10
截面几何特性:
几何面积:
A=
回转半径:
ix=,iy=
长细比:
b/t=90/12=<×9=
故,
因>,只需求,查表得=
则=554300/×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:
斜腹杆gH
按压杆计算:
N=,l0x=×=,l0y=,
选用截面2L63×6a=10
截面几何特性:
几何面积:
A=
回转半径:
ix=,iy=
长细比:
b/t=63/6=<×=
故,
因>,只需求,查表得=
则=42290/×1458=<215(满足)
按拉杆计算:
N=
=43030/1458=(满足)
所以采用等肢角钢2L63×6,如下图所示
腹杆Bc
N=,l0x=×=,l0y=
选用截面2L90×8a=10
截面集合特性:
几何面积:
A=
回转半径:
ix=,iy=
长细比:
承载力验算:
=429970/2128=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
1508
3000
2L125×80×10
150
每节间1
下弦杆
gi
1500
12000
2L125×80×12
350
每节间1
腹杆
aB
2535
2535
2L90×12
150
2
Bc
2086
2608
2L90×8
350
2
cD
2287
2859
2L90×12
150
2
De
2287
2859
2L90×8
350
2
eF
2503
3129
2L90×12
150
2
Fg
2495
3119
2L90×8
350
2
gH
2717
3396
2L63×6
150
3
Hi
2696
3370
2L63×6
150
3
Aa
1990
1990
2L63×6
150
2
Cc
1832
2290
2L63×6
150
2
Ee
2072
2590
2L63×6
150
3
Gg
2312
2890
2L63×6
150
3
Ii
2891
2891
2L63×6
200
3
5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,查表选用中间节点板厚度12mm,支座节点板厚度14mm。
1、上弦“B”节点(见附图)
计算腹杆的杆端焊缝。
NBa=;NBc=;
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=×10N/mm
选择,则
则肢尖焊缝强度为:
都满足要求。
2下弦节点“c”
NcD=;NBc=;NCc=
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90mm
Cc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=。
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:
3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。
4、支座节点“a”
NAa=、NaB=、Nac=
1、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100mm
2、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。
(1)板底计算
支座反力:
R=8×=500KN
柱采用C30混凝土,所需板底净面积为An=500000/=
锚栓直径采用d=25mm,锚栓孔直径为50mm,则所需底板面积:
A=An+A0=+2×3×5+×52/4=
按构造要求采用底板面积a×b=28×28=784cm2>,锚栓垫块采用—100×100×20,孔径26cm。
底板实际应力:
An=784-2×3××52/4=
q=500000/73440=mm2
a1=(140-12/2)×√2=
b1=a1/2=
b1/a1=,查表得:
=,则:
M=?
qa2=××=
所需底板厚度:
t===
用t=22mm,底板尺寸为280×280×22。
(2)加劲肋与节点板连接焊缝计算:
一个加劲肋的受力为支座反力的1/4,则焊缝受力
V=R/4=500000/4=125000N
e=b/4=7cm
M=125000×70=8750000N/mm
验算焊缝应力:
加劲肋尺寸取为290×140×12。
采用hf=6mm,验算焊缝应力:
对V
对M
肢尖焊缝强度为q==<160N/mm
(3)、节点板、加劲肋与底板焊缝计算:
初选=10mm,
则实际焊缝总长度:
2a+2(b-t-2c)-12hf=2×(28+28-10-2×-12×1=84cm,
焊缝设计应力为:
=R/=<×160=。
底板详图:
附图节点大样:
1、节点“B”详图:
2、节点“A”详图:
3、节点“c”详图:
4、节点“C”详图:
5、节点“a”