钢结构单层工业厂房课程设计.docx

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钢结构单层工业厂房课程设计

重屋面钢屋架设计

一、设计资料

1、工程地点：

河北邯郸，设计使用年限：

50年。

2、工程规模：

单层单跨封闭式工业厂房，长度90m，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，屋架跨度24m，柱距6m,屋面离地20m,吊车起重量为20t，工作制为A5，无较大的振动设备。

3、屋面作法：

预应力混凝土屋面板（卷材防水），无檩体系，屋面坡度为1/10，无天窗。

4、自然条件：

基本风压为0.35kN/m2，基本雪压为0.25kN/m2，积灰荷载标准值为0.5kN/m2地震设防烈度为7度。

地面粗糙度类别为B类，场地类别Ⅲ类

5、材料选用：

（1）屋架钢材采用《碳素钢结构》GB/T700-2006规定的Q235B镇静钢

（2）焊条采用《碳钢焊条》GB/T5117-1995中规定的E43型焊条

（3）普通螺栓采用等级为4.6级的C级螺栓，锚栓采用Q235级钢制成

（4）角钢型号按《热轧型钢》GB/T706-2008选用，

（5）混凝土强度等级为C25

6、结构及各组成构件形式：

（1）钢屋架：

梯形钢屋架

（2）屋面板：

卷材防水的1.5x6m2预应力钢筋混凝土屋面板，可按图集《1.5x6m2预应力钢筋混凝土屋面板》04G410-1~2选用

（3）屋盖支撑：

可从相关标准图集中选用

7、主要建筑构造做法及建筑设计要求

重物面（预应力混凝土屋面板）做法：

二毡三油防水层上铺小豆石（0.35kN/m2）；

20mm厚水泥砂浆找平层（0.4kN/m2）；

100mm厚加气混凝土保温层（0.6kN/m2）；

冷底子油一道、热沥青二道（0.05kN/m2）；

二、屋架形式的选定和结构平面布置

1、屋架形势和几何尺寸

由于采用1.5x6m2大型屋面板加卷材防水屋面，i=1/10，故采用缓坡梯形屋架

屋架计算跨度：

l0=l-300=24000-300=23700

屋架端部高度取h0=2000mm

跨中高度：

h=h0+i

=2000+0.1x

=3185mm

屋架高跨比h/l0=3.185/23.7=0.134，在屋架常用的高度范围内

屋架起拱度f=l/500=24000/500=48mm，取50mm

为使屋架上弦节点受荷，腹杆采用人字式，上弦节点水平间距取1500mm，屋架各杆件尺寸见下图

2、根据车间长度、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑，屋脊处与檐口位置上、下弦处分别各设一道竖向系杆。

在屋盖两端开间内的屋脊处与两端支座处

设屋架间的垂直支撑。

由于有吊车，所以设置下弦纵向水平支撑。

如下图：

三、屋架荷载和内力计算

1、荷载计算

屋架和支撑重按经验公式计算（0.12+0.011l0）x1.2=0.381x1.2kN/m2，取0.4x1.2kN/m2，且因屋架下弦无其他荷载，可假定屋架和支撑重量全都作用在上弦节点。

根据《建筑结构荷载规范》可知，屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，屋面活荷载为kN/m2（不上人），大于雪荷载kN/m2，取屋面活荷载kN/m2。

由于是重屋面，不考虑风荷载作用。

屋面做法和屋面板荷载按屋面倾斜面积计算，但因屋面坡度较小，故近似地将全部荷载均按水平投影面积计算，屋架全部荷载的设计值为：

标准永久荷载：

预应力混凝土大型屋面板（含灌缝）1.4+0.1=1.5kN/m2

二毡三油防水层上铺小豆石0.35kN/m2

20mm厚水泥砂浆找平层0.4kN/m2

100mm厚加气混凝土保温层0.6kN/m2

冷底子油一道、热沥青二道0.05kN/m2

屋架和支撑重0.48kN/m2

共3.38kN/m2

标准可变荷载：

屋面活荷载0.5kN/m2

积灰荷载0.5kN/m2

共1.0kN/m2

设计桁架时，应考虑以下四种组合：

（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载为主的组合）

全跨节点荷载设计值：

F=（1.35x3.38+1.4x0.7x0.5+1.4x0.9x0.5）x1.5x0.6=51.147kN

（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载

F1=1.35x3.38x1.5x6=41.067kNF2=1.4x（0.7x0.5+0.9x0.5）x1.5x6=10.08kN

（3）全跨屋架包括支撑+半跨屋面板重和半跨活荷载：

F3=1.2x0.4x1.5x6=4.32kNF4=（1.2x1.4+1.4x0.5）x1.5x6=21.42kN

（4）竖向地震作用效应和其他荷载效应组合

G=3.38x1.5x6=30.42kN

GE=30.42+0.5x0.4x1.5x6+0.5x0.5x1.5x6=34.47kN

FEvk=25.31x0.10=2.532kN

F5=1.2x30.42+1.3x2.531=40kN

（1）、

（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况

2、内力计算

先计算桁架各杆件的内力系数和支座反力（F=1作用于全跨、左半跨、

右半跨）。

然后求出各种荷载情况下的内力进行组合。

四、杆件设计

1、上弦杆截面设计

整个上弦采用等截面，按最大内力设计。

上弦杆的最大内力在FG、GH节间，最大内力为N=-800.60kN，上弦杆计算长度：

在桁架平面内，节间轴线长度lox=1507mm；在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化，取loy=3x1507=4521mm

因为loy=3lox，故界面宜选两个不等肢角钢，短肢相拼，如上图所示，腹杆最大内力N=-467.84kN，查表可知，节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。

设λ=60，查得φ=0.807，需要截面面积：

A=

=

=4614.3mm2

需要的回转半径：

ix=1507/60=25.12mmiy=4521/60=75.35mm

根据需要的A，ix、iy，查角钢规格表，选用2└160X100X10，A=5062mm2，ix=28.4mm，iy=77mm，按所选角钢进行验算：

λx=lox/ix=1507/28.4=52.98<[λ]=150λy=loy/iy=4521/77=58.71<[λ]=150

由于λx<λy,需求φy=0.814

=

=195.26N/mm2<215N/mm2

所选截面合适

2、下弦杆截面设计

整个下弦采用等截面，按最大内力设计，下弦杆的最大内力为N=795.75kN

在桁架平面内，节间轴线长度lox=3000mm；在桁架平面外loy=2x3000=6000mm需要截面面积：

A=

=

=3701.16mm2

选用2└125X80X12，界面宜选两个不等肢角钢，短肢相拼，如下图所示A=4670mm2>3701.16mm2，ix=22.4mm，iy=60mm，

λx=lox/ix=3000/22.4=134<[λ]=250λy=loy/iy=6000/60=100<[λ]=250

考虑下弦有2φ21.5mm的栓孔削弱，下弦净截面面积：

An=4670-2x21.5x10=3512mm2

=

=187.68N/mm2<215N/mm2

所选截面合适

3、斜杆截面设计

（1）“aB”截面设计

杆件轴力N=-467.84kN计算长度lox=loy=2538mm。

因为lox=loy，故采用不等肢角钢，长肢相拼，使ix=iy，如下图

选用2└125X80X10，A=3942，ix=40mm，iy=32mm，验算如下：

λx=lox/ix=2538/40=63.45<[λ]=150λy=loy/iy=2538/32=79.32<[λ]=150

由于λx<λy,需求φy=0.702

=

=169.06N/mm2<215N/mm2

所选截面合适

（2）腹杆“cD”

杆件内力N=-275.84kN

在桁架平面内，节间轴线长度lox=0.8x2872=2297.6mm；在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化，取loy=2872mm

因为loy=1.25lox，故截面宜选两个等肢角钢，使iy/ix=1.3-1.5，如图所示

设λ=80，查得

φ=0.688，需要截面面积：

A

=

=1864.79mm2

需要的回转半径：

ix=2297.6/80=28.72mmiy=2872/80=35.9mm

根据需要的A，ix、iy，查角钢规格表，选用2┖80X7，A=2172mm2，ix=24mm，iy=35.6mm，按所选角钢进行验算：

λx=lox/ix=2297.6/24=95.7<[λ]=150λy=loy/iy=2872/35.6=80.67<[λ]=150

由于λx>λy,需求φy=0.671

=

=189.26N/mm2<215N/mm2

所选截面合适

4、竖杆“Kk”截面设计

杆件内力N=101.07kN

为了不使支撑与屋架节点连接不产生偏心，连接垂直支撑的竖直腹杆常采用两个等肢角钢组成的十字形截面，Kk杆的几何长度为3185mm，lox=loy=0.9x3185=2866.5mm，如图

由于杆件内力较小，选用十字形等肢角钢2└63X5，A=1229mm2，imin=24.5mm，按所选角钢进行验算：

λmax=l/i=2866.5/24.5=117<[λ]=250

N/A=101070/1229=82.24N/mm2<215N/mm2

所选截面合适,其余杆件的截面选择过程同理，杆件截面选择如下：

杆件

截面形式及规格（mm）

弦杆

AK

2└160X100X10

（短肢相并）

ak

2└125X80X12

（短肢相并）

斜杆

aB

2└125X80X10

（长肢相并）

Bc

2└63X8

cD

2└80X7

De

2└50X6

eF

2└75X6

Fg

2└50X6

gH

2└70X6

Hk

2└70X6

竖杆

Aa

2└63X5

Cc

2└63X5

Ee

2└63X5

Gg

2└63X5

Kk

2└63X5

5、垫板的截面选择

为了保证两个角钢组成的杆件共同作用，应在两角钢相并肢之间，每隔一定距离设置垫板，并与角钢焊住。

垫板厚度与节点板相同，为10mm；宽度一般取40~60mm，本设计取50mm；长度应比角钢肢宽大10~15mm，以便于角钢焊接。

垫板间距在受压杆件中不大于40i,在受拉杆件中不大于80i（i为一个角钢最小回转半径）。

在杆件的计算长度范围内至少设置两块垫板，各杆件的垫板数量如下表

五、节点设计

1、下弦节点设计

（1）支座节点“a”

底板计算：

底板承受支座支反力R=8x51.15=409.2kN，柱采用C25混凝土的轴心抗压强度设计值fc=11.9N/mm2。

底板需要净截面面积为：

An=R/fc=

=34387mm2

锚栓直径采用d=25mm，孔直径取2d=50mm，则孔栓面积为：

△A=50x30x2+252xπ=4963mm2

底板需要总面积为As=An+△A=39350mm2

支座底板平面尺寸采用A=280x400=11200mm2>As满足要求，仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为：

A’=280x200=56000mm2

验算柱顶混凝土的挤压强度：

σ=

=

=7.31N/mm2

节点板和加劲肋将底板分成四块相同的两边支撑板，它们的对角线长度a1，及内角顶点到对角线的距离b1分别为：

a1=

=163.7mmb1=

=76.9mm

b1/a1=0.5，查表的β=0.058，则二相邻边支承板单位板宽的最大弯矩为：

M=βqa12=0.058x7.31x163.72=11361.68N·mm

所需的底板厚度：

t=

=

=17.8mm，取t=20mm

实际底板尺寸为400mmx280mmx20mm

加劲肋与节点板的焊缝计算

焊缝长度等于加劲肋高度，也等于节点板高度。

设焊脚尺寸为6mm，焊缝长度为410mm，计算长度lw=410-10-20=380mm，而lw'=60hf=360mm<380mm则每块加劲肋近似地按受R/4计算。

R/4作用点到焊缝的距离为e=（140-6-15）/2+15=74.5mm，则焊缝所受剪力和弯矩分别为：

V=409.2/4=102.3kN

M=V*e=102.3x0.0745=7.6214kN·m

焊缝强度计算：

=

=

=48.3N/mm2<

加劲肋和节点板与底板的焊缝计算

根据构造要求：

hfmin=1.5

=1.5

=6.7mm

hfmax=1.2t=1.2x12=14.4mm

实际取hf=8mm

则

=2x280+2x（200-12-2x15）-6x2x8=780mm

所需的焊脚尺寸：

=

=

=76.79N/mm2<

（2）下弦一般节点“c”

设计步骤：

先根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，然后再根据lw大小按比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝

“Bc”杆角钢的肢背和肢尖：

hf1lw1=

=

=1091mm2，则取hf1=6mm，lw1=190mm

hf2lw2=

=

=468mm2，则取hf2=5mm，lw2=100mm

“cD”杆角钢的肢背和肢尖

hf1lw1=

=

=862mm2，则取hf1=6mm，lw1=150mm

hf2lw2=

=

=369mm2，则取hf2=5mm，lw2=80mm

“cC”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊缝焊脚尺寸hf=5mm，lw=60mm

验算下弦杆与节点板连接焊缝强度：

2

2

焊缝强度满足要求

根据以上的已知条件，并考虑杆件之间应有间隙以及制作等装配误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为340mmx370mm。

（3）下弦节点“e”：

同理，De杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm，焊缝长度lw=110mm，肢尖的焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=60mm；eF杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm，焊缝长度lw=80mm；Ee杆肢背和肢尖均按构造设计，焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=60mm。

根据以上的已知条件，并考虑杆件之间应有间隙以及制作等装配误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为290mmx260mm。

（4）下弦节点“g”：

由表可知“Fg”“gH”“Gg”杆肢背和肢尖均按构造设计，焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=60mm。

根据以上的已知条件，并考虑杆件之间应有间隙以及制作等装配误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为280mmx260mm。

（5）下弦中央拼接节点“k”：

1）拼接角钢计算

因节点两侧下弦杆力相等，故用一侧杆力N=+795.75kN计算。

拼接角钢采用与下弦相同的截面2└125x80x12，故下弦的焊缝的焊脚尺寸hf=5mm，竖直肢应切去△=t+hf+5=10+5+5=20mm，节点一侧与下弦的每条焊缝所需要的计算长度为：

lw=

=

=355mm

拼接角钢需要的长度为：

L=

=2x（355+10）+10=740mm

2）下弦与节点板的连接焊缝计算

下弦与节点板的连接焊缝按0.15N计算，取hf=5mm，节点一侧下弦肢背与肢尖每条焊缝所需的长度l1，l2分别为：

l1=

=

=90mm2，则取l1=90mm

l2=

=

=36.6mm2，则取l2=40mm

满足要求

2、上弦节点设计

（1）屋脊节点“K”

1）拼接角钢计算

拼接角钢采用与上弦相同的截面2∟160X100X10。

设hf=5mm，竖直肢应切去△=t+hf+5=10+5+5=20mm，按上弦杆力N=774.57kN计算。

lw=

=

=346mm

拼接角钢需要的长度为：

L=

=2x（346+10）+10=722mm，取L=740mm

2）上弦与节点杆的连接焊缝计算

对于上弦杆与节点板之间的连接焊缝，假定节点荷载P由上弦角钢肢背处的槽焊缝承受：

2<160x0.8

2

上弦角钢肢尖与节点板的连接焊缝按上弦内力的15%计算，并考虑此力产生的弯矩M=0.15Ne，设肢尖焊缝hf=5mm，节点板长度为21.5cm，，则节点一侧焊缝的计算长度>21.5cm，焊缝应力为：

49.55

2

2

11.4

2

2

=50.43

2

2

（2）上弦支座节点与竖杆节点

这两类节点的弦杆内力或节点两边内力差值均等于零，因此弦杆肢背焊缝节点力可不必验算，肢尖焊缝也不受力，采用构造焊缝

（3）上弦节点“B”

“aB”杆肢背的焊脚尺寸hf=8mm，焊缝长度lw=170mm，肢尖的焊脚尺寸hf=6mm，焊缝长度lw=120mm；“Bc”杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm，焊缝长度lw=190mm；肢尖的焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=100mm。

由表可知上弦肢背槽焊缝及角钢肢尖焊缝的应力均满足强度要求。

（4）上弦节点“D”

“cD”杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm，焊缝长度lw=150mm，肢尖的焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=80mm；“De“杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm，焊缝长度lw=110mm；肢尖按构造设计，焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=60mm。

同理，由表可知上弦肢背槽焊缝及角钢肢尖焊缝的应力均满足强度要求。

（5）上弦节点“F”

“eF”杆肢背的焊脚尺寸hf=6mm，焊缝长度lw=80mm，肢尖按构造设计，焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=60mm；“Fg”杆肢背和肢尖均按构造设计，焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=60mm。

同理，由表可知上弦肢背槽焊缝及角钢肢尖焊缝的应力均满足强度要求。

（6）上弦节点“H”

“gH”、“Hk”杆肢背和肢尖均按构造设计，焊脚尺寸hf=5mm，焊缝长度lw=60mm。

同理，由表可知上弦肢背槽焊缝及角钢肢尖焊缝的应力均满足强度要求。

资料仅供参考!

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