2022年钢结构单层工业厂房课程设计 .pdf

重屋面钢屋架设计一、设计资料1、工程地点：XX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、结构与各组成构件形式：（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1.5 x6m2预应力钢筋混凝土屋面板04G410-12 选用（3）屋盖支撑：可从相关标准图集中选用7、主要建筑构造做法与建筑设计要求名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 17 页 -.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（0.4 kN/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+il02=2000+0.1x237002=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、跨度与荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑，屋脊处名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 17 页 -.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）kN/m2kN/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，屋面活荷载名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 17 页 -.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/m220mm 厚水泥砂浆找平层0.4 kN/m2100mm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=(1.35)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 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 17 页 -.（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=4.32kN F4=（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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 17 页 -.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：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 17 页 -.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 =60，查得 =0.807，需要截面面积：A=Nf=8006000.807x215=4614.3mm2需要的回转半径：ix=1507/60=25.12mm iy=4521/60=75.35mm 根据需要的 A，ix、iy，查角钢规格表，选用 2160X100X10，A=5062mm2，ix=28.4mm，iy=77mm，按所选角钢进行验算：x=lox/ix=1507/28.4=52.98=150 y=loy/iy=4521/77=58.71=150 由于 xy,需求y=0.814?A=8006000.814x5062=195.26N/mm23701.16mm2，ix=22.4mm，iy=60mm，x=lox/ix=3000/22.4=134=250 y=loy/iy=6000/60=100=250 考虑下弦有 2 21.5mm 的栓孔削弱，下弦净截面面积：An=4670-2x21.5x10=3512mm2 =?A=7957504240=187.68N/mm2215 N/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，如下图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 17 页 -.选用 2125X80X10，A=3942，ix=40mm，iy=32mm，验算如下：x=lox/ix=2538/40=63.45=150 y=loy/iy=2538/32=79.32=150 由于 xy,需求y=0.702?A=4678400.702x3942=169.06N/mm2215 N/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，如图所示设 =80，查得 =0.688，需要截面面积：ANf=2758400.688x215=1864.79mm2需要的回转半径：ix=2297.6/80=28.72mm iy=2872/80=35.9mm 根据需要的 A，ix、iy，查角钢规格表，选用 280X7，A=2172mm2，ix=24mm，iy=35.6mm，按所选角钢进行验算：x=lox/ix=2297.6/24=95.7=150 y=loy/iy=2872/35.6=80.67y,需求y=0.671 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 17 页 -.?A=2758400.671x2172=189.26N/mm2215 N/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263X5，A=1229mm2，imin=24.5mm，按所选角钢进行验算：max=l/i=2866.5/24.5=117=250 N/A=101070/1229=82.24N/mm2As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=280 x200=56000mm2验算柱顶混凝土的挤压强度：=?=409.2?10356000=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，与内角顶点到对角线的距离b1分别为：a1=(140-122)2+(100-122)2=163.7mm b1=134?94163.7=76.9mm b1/a1=0.5，查表的=0.058，则二相邻边支承板单位板宽的最大弯矩为：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 17 页 -.M=qa122=11361.68Nmm 所需的底板厚度：t=6?=6?11361.68215=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=360mm380mm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：?2+（?）2=（?2?0.7?）2+（6?1.22?2x0.7?2）2=（102.3?1032?0.7x6x360）2+（6?7.6214x1062?1.22x0.7x6x3602）2=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 20=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：?=?1.22x0.7?=409.2?1031.22x0.7x8x780=76.79N/mm2?（2）下弦一般节点“c”名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 17 页 -.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=?1?2x0.7?=349130?0.7224=1091mm2，则取 hf1=6mm，lw1=190mm hf2lw2=?2?2x0.7?=349130?0.3224=468mm2，则取hf2=5mm，lw2=100mm“cD”杆角钢的肢背和肢尖hf1lw1=?1?2x0.7?=275840?0.7224=862mm2，则取hf1=6mm，lw1=150mm hf2lw2=?2?2x0.7?=275840?0.3224=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：?=?1?2x0.7?(?-2?)=0.75x3441702x0.7x5x(370-10)=102.4N/mm2ffw=160 N/mm2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与制作等装配误差，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与制作等装配误差，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，焊名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 17 页 -.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与制作等装配误差，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 2125x80 x12，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=?4x0.7?=7957504x0.7x5x160=355mm 拼接角钢需要的长度为：L=2(?+2h?)+10=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=?1?0.15?2x0.7?f1?+2?=0.75x0.15x7957502x0.7x5x160+10=90mm2，则取 l1=90mm l2=?2?0.15?2x0.7?f2?+2?=0.25x0.15x7957502x0.7x5x160+10=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2160X100X10。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=?4x0.7?=7745704x0.7x5x160=346mm 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 17 页 -.拼接角钢需要的长度为：L=2(?+2h?)+10=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：?=?1.22?2?0.7?=51.15?1031.22?2x0.7x5x335=17.87N/mm221.5cm，焊缝应力为：?=0.15?7745702?0.7x5x335=49.55 N/mm2ffw=160 N/mm2?=0.15x774570 x（100-22.8）2?0.7x5x3352=11.4 N/mm2ffw=160 N/mm2（11.41.22)2+49.552=50.43 N/mm2ffw=160 N/mm2（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与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，肢尖的焊脚尺寸名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 17 页 -.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与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与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与角钢肢尖焊缝的应力均满足强度要求。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 17 页 -