pkpm结构设计案例.doc

钢结构设计原理与施工课程设计
――钢结构厂房屋架

指导教师： 张蕾春
班 级： 08土木（1）班
学生姓名： 陈 晖
学 号： Xf08220104
设计时间：

浙江理工大学科技与艺术学院建筑系
1、设计资料
某厂房总长度60m，横向跨度18m，纵向柱距6m。
1. 结构形式:钢结构厂房，梯形钢屋架。屋面坡度i=1/10；L为屋架跨度，屋面结构采用有檩体系；地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为6度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台150/30t（中级工作制）。
2. 屋架形式及荷载:屋架形式、几何尺寸及内力系数（节点荷载P=1.0作用下杆件的内力）如附图所示。屋架采用的钢材、焊条为：用Q235钢，焊条为E43型；
3.荷载：
①屋架及支撑自重：按经验公式q=0.12+0.011L，L为屋架跨度，以m为单位，q为屋架及支撑自重，以为单位；
②屋面活荷载：施工活荷载标准值为0.7，雪荷载的基本雪压标准值为S0=0.35，施工活荷载与雪荷载不同时考虑，而是取两者的较大值；积灰荷载1.0k，
③屋面各构造层的荷载标准值：
防水层 0.1
保温层 0.55
屋面板 0.85
悬挂管道 0.05
2、 结构形式与布置
屋架形式及几何尺寸如图所示

图一：18米跨梯形屋架几何尺寸

根据上述条件设计梯形屋架支撑布置如图所示：

图二：支于钢筋混凝土柱顶的梯形屋架支撑布置
(a)上弦平面横向支撑；(b)下弦平面横向支撑；(c)屋脊处垂直支撑；(d)屋顶处的屋架垂直支撑
1—垂直支撑；2—刚性系杆；3—柔性系杆；4—屋架；5—柱顶连系梁
3、荷载标准值
1)按屋面水平投影计算永久荷载标准值
屋面坡度i=1/10；
防水层自重：
保温层自重：
屋面板自重：
悬挂管道自重：
檩条自重（假设）：
屋架及支撑自重：
永久荷载标准值：
取：
上述材料自重值除檩条为假设外均来自《钢结构设计指导书》
2)雪荷载标准值（屋面水平投影）

屋面倾角<，故。又雪荷载标准值小于施工活荷载标准值为，故取屋面可变荷载为。
3) 积灰荷载标准值
积灰荷载为：
设计屋架时考虑一下三种组合：
1)全跨永久荷载+全跨可变荷载
节点荷载设计值按公式

2)全跨永久荷载+半跨可变荷载
全跨节点永久荷载：
半跨节点可变荷载：
3) 全跨屋架自重（包括檩条自重和支撑）+半跨屋面板自重+施工活荷载
全跨节点永久荷载：
半跨节点屋面板自重及屋面活荷载：

第1)、2)种为使用节点荷载情况，第3)种为施工时节点荷载情况。
杆件的内力计算

图三：18米跨度全跨屋架杆件内力系数为a

图四：半跨屋架杆件内力系数：左半跨为b，右半跨为c
（由于屋架为对称结构所以只需计算其中一个半跨）

杆件名称
第一种组合
第二种组合
第三种组合

计算杆件内力

上
弦

0
0
0
0
0
0

-273.002
-233.375
-179.376
-145.387
-81.605
-273.002

-273.002
-233.375
-179.376
-145.387
-108.619
-273.002

-394.648
-322.742
-273.926
-192.898
-135.239
-394.648

-394.648
-322.742
-273.926
-192.898
-184.257
-394.648

-399.432
-301.950
-301.950
-166.056
-166.057
-399.432

-399.432

-394.648

-394.648

-273.002

-273.002

0
0
0
0
0
0

下
弦

152.277
132.293
97.935
83.597
43.016
152.277

349.404
292.920
235.343
179.262
111.256
349.404

407.200
322.226
293.417
186.300
152.272
407.200

407.200

349.404

152.277

斜
腹
杆

-285.334
-247.892
-183.503
-156.648
-80.597
-285.334

207.966
173.988
140.322
106.407
66.509
207.966

-148.416
-115.857
-108.532
-66.028
-57.375
-148.416

82.677
53.889
71.111
24.201
44.542
82.677

-30.280
-2.327
-43.453
11.700
-36.876
-43.453,11.700

-20.274
-45.336
14.684
-43.874
27.017
-45.336,27.017

-20.274

-30.280

82.677

-148.416

207.966

-285.334

竖
杆

-21.942
-21.942
-11.232
-15.447
-2.797
-21.942

-43.884
-43.884
-22.464
-30.894
-5.594
-43.884

-43.884
-43.884
-22.464
-30.894
-5.594
-43.884

35.634
26.937
26.937
14.814
14.814
35.634

-43.884

-43.884

-21.942

表1：
4、截面选择
腹杆最大内力为285.334kN，选用中间节点板厚度为t=8mm，支座节点板厚度10mm。（1）上弦杆
整个上弦不改变截面，按最大内力计算：
计算长度：屋架平面内取节间轴线长度 ，
双角钢截面不论对x轴和y轴弯曲屈曲，都为b类截面。
假设
需要截面回转半径：

查附表1.20，得b类截面时，。
需要截面积：
由所需截面积A和回转半径，采用不等边角钢短边相连方案时得，，，供给截面积>23,合适。
截面验算：

故：
<150,并且大于
故由，按b类查表得
截面尺寸满足要求。
每个节间放一块填板均匀分布，尺寸：

（2）下弦杆
下弦也不改变截面，按最大内力计算。
（因跨中有通长系杆）
因屋架只承受静力荷载，对拉杆可只计算其在竖向平面内的长细比，=350
需要的截面回转半径为：
需要的面积为：
由需要的，采用不等边角钢短边相连方案时得：
，
截面验算：
，可以
，可以
，可以
截面尺寸满足要求。
每个节间放一块填板，尺寸：
间距：<，取150cm。
（3） 斜腹杆
1、端斜腹杆aB
杆件轴力：
计算长度： ，
双角钢截面不论对x轴和y轴弯曲屈曲，都为b类截面。
假设，查表得
需要截面回转半径：
需要截面积：
由所需截面积A和回转半径，采用等边角钢方案时得，，，供给截面积>合适。
截面验算：
<
故：
<，并且大于
故由，按b类查表得
截面尺寸满足要求。
每个节间放两块填板均匀分布，尺寸：
2、斜腹杆
最大拉力：
最大压力：
按最大压力进行计算，设计计算值为。
由于节点板的嵌固作用，桁架平面内计算长度：
节点板在桁架平面外的刚度很小，故桁架平面外的计算长度：
双角钢截面不论对x轴和y轴弯曲屈曲，都为b类截面。
假设，查表得
需要截面回转半径：
需要截面积：
由所需截面积A和回转半径，采用等边角钢方案时得
，，供给截面积>合适。
截面验算：
<
故：
<
由，只需要求按b类查表得

由腹杆压力大于拉力，故可不必验算拉应力。
截面尺寸满足要求。
每个节间放三块填板，尺寸：
间距：<，取80cm。
3、斜腹杆
斜腹杆拉力设计值为：
平面内外计算长度分别为：
需要的面积为：
选用等边角钢，提供
截面验算：
，可以
，可以
，可以
截面尺寸满足要求。
每个节间放两块填板，尺寸：
间距：<，取90cm。
4、竖杆
杆件轴力：
计算长度： ，
双角钢截面不论对x轴和y轴弯曲屈曲，都为b类截面。
假设，查表得
需要截面回转半径：

需要截面积：
由所需截面积A和回转半径，采用等边角钢方案时得，，，供给截面积>合适。
截面验算：
<
<
故：
<
故由，按b类查表得

截面尺寸满足要求。
每个节间放两块填板，尺寸：
间距：<，取70cm。

表2：
杆件
内力计算值（kN）
计算长度(cm)
截面形式及规格
A
()
回转半径
长细比
稳定系数
应力设计值

弦杆
FG
-399.432
150.75
300

36
2.59
6.65
58.2
45.1
0.768

144.5
eg
407.2
300
885

18.9
1.4
3.75
214.3
236

215.4
斜腹杆

竖杆
aB
-285.334
253
253

23.8
3.10
4.36
81.61
85.48

0.732
108.3
Bc
207.966
209.04
261.3

11.14
2.18
3.16
95.89
83.22

186
Dc
-148.416
229.12
286.4

23.8
3.10
4.36
73.9
65.68
0.726

85.89
De
82.677
229.12
286.4

11.14
2.18
3.16
95.89
83.22

72.5
Fe
-43.453
249.92
312.4

11.14
2.18
3.16
114.6
98.86
0.407

100.24
Fg
-67.703
249.92
312.4

11.14
2.18
3.16
114.6
98.86
0.407

149.32

Ee
-45.495
207.2
259

12.28
1.94
2.98
106.8
89.6
0.513

72.2
Gg
35.634
231.2
289

12.28
1.94
2.98
119.2
96.97

29.02

5、 节点设计
（1）下弦节点“c”
已知采用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗减设计值
设“Bc”杆的肢背和肢尖缝和，则所需的焊缝长度为（按等边角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）：
肢背： ，加后取。
肢尖： ，加后取。
设“Dc”杆的肢背和肢尖缝和，则所需的焊缝长度为（按等边角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）：
肢背： ，加后取。
肢尖： ，加后取。
“Cc”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取。
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图如图，从而确定节点板尺寸为

下弦杆与节点板连接的焊缝长度为33.5cm，。焊缝所受的力为左右两下弦杆内力差：

受力较大的肢背处的焊缝应力为：
<
焊缝强度满足要求。
（2）下弦节点“e”
已知采用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗减设计值
设“De”杆的肢背和肢尖缝和，则所需的焊缝长度为（按等边角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）：
肢背： ，加后取。
肢尖内力比肢背小，焊缝长度取。
设“Fe”杆的肢背和肢尖缝和，则所需的焊缝长度为（按等边角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）：
肢背： ，加后取。
肢尖内力比肢背小，焊缝长度取。
“Ee”杆内力为：43.884kN,
<,焊缝长度取，肢尖
的力比肢背小，焊缝长度取
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图如图，从而确定节点板尺寸为
下弦杆与节点板连接的焊缝长度为30.5cm，。焊缝所受的力按弦杆受力的15%计算：

受力较大的肢背处的焊缝应力为：
<
焊缝强度满足要求。

（3）下弦节点“g”
已知采用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗减设计值
拼接板的截面取与下弦杆相同的角钢，为了使拼接角钢和原来的角钢相紧贴，对接角钢顶部截去棱角，宽度为角钢内接圆半径r，对其竖直边应割去=19m。
连接焊缝的强度条件可求出拼接角钢的总长度为：

连接焊缝取370mm。
设“Fg”杆的肢背和肢尖缝和，则所需的焊缝长度为（按等边角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）：
肢背： ，加后取。
肢尖受力比肢背小，焊缝取。
“F’g”的焊缝尺寸与“Fg”相同。
设“Gg”杆的肢背和肢尖缝和，则所需的焊缝长度为（按等边角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）：
肢背： ，加后取。
肢尖受力比肢背小，焊缝取。
“Cc”杆内力为：43.884kN,
<,焊缝长度取
肢尖的力比肢背小，焊缝长度取
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图如图，从而确定节点板尺寸为

下弦杆与节点板连接的焊缝长度为30cm，。焊缝所受的力按弦杆受力的15%计算：

受力较大的肢背处的焊缝应力为：
<
焊缝强度满足要求。

（4）上弦节点“B”
已知采用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗减设计值
“Bc”杆与节点板的焊缝尺寸和下弦节点“c”相同。
已知
设“aB”杆的肢背和肢尖缝和，则所需的焊缝长度为（按不等边角钢长肢连接的角焊缝内力分配系数计算）：
肢背： ，加后取。
肢尖： ，加后取。
为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm，用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条焊缝计算，槽焊缝强度设计值乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直，上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得到：

肢尖焊缝承担弦杆内力差,肢背采用槽焊缝，承受节点荷载。
上弦与节点板间焊缝长度为290mm，则

<
焊缝强度满足要求。

（5） 上弦节点“D”
“Dc”杆与节点板的焊缝尺寸和下弦节点“c”相同，肢背焊缝长度取80mm，肢尖焊缝长度取60mm。
“De”杆与节点板的焊缝尺寸和下弦节点“e”相同，肢背和肢尖焊缝长度均取60mm

肢尖焊缝承担弦杆内力差,肢背采用槽焊缝，承受节点荷载。
上弦与节点板间焊缝长度为240mm，则

<
焊缝强度满足要求。

（6） 上弦节点“F”
“Fe”杆与节点板的焊缝尺寸和下弦节点“e”相同，肢背和肢尖焊缝长度均取60mm。
“Fg”杆与节点板的焊缝尺寸和下弦节点“g”相同，肢背和肢尖焊缝长度均取60mm。

上弦与节点板间焊缝长度为260mm
肢尖焊缝承担弦杆内力差,肢背采用槽焊缝，承受节点荷载。内力都很小，无需验算。
焊缝强度满足要求。

（7） 上弦节点“C”和“E”
“Cc”杆与节点板的焊缝尺寸和下弦节点“c”相同，肢背和肢尖焊缝长度均取60mm。取
竖杆与节点板的焊缝长度为60mm，则：
焊缝强度满足要求。
弦杆内力较小，经验算焊缝强度满足要求。
（8） 屋脊节点“G”
竖杆内力不大，可按构造要求决定焊缝尺寸。
弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分宽度（一般为=21mm）。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。
设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝，则所需焊缝长度为（一条焊缝）

拼接角钢的长度，拼接角钢长度取400mm。
根据腹杆内力，取节点板尺寸为：，上弦与节点板肢尖的槽焊，假定承受节点荷载，计算长度为，节点荷载为：焊缝承受的剪应力：
，满足

上弦肢尖与节点板的链接焊缝，应按上弦内力的15%计算，并考虑此力产生的弯矩。设肢尖焊缝，取节点板长度200mm，则节点一侧弦杆的焊缝的计算长度为：，焊缝承受的剪应力：
焊缝应力为：

<
焊缝强度满足要求。

（9） 支座节点“a”
“aB”杆与节点板的焊缝尺寸和上弦节点“B”相同，肢背和肢尖缝和，焊缝长度分别为：140mm和70mm。节点板厚度为12mm。
竖杆Aa选用与“aB”截面相同的角钢，焊缝尺寸按构造要求决定。肢背和肢尖角焊缝均为。
下弦杆焊缝尺寸按构造要求，。
为了便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋与节点板的厚度相等，为12mm。
支座板计算：
支座反力：
支座所需的净截面面积：
选择的支座底板如图尺寸。
仅考虑有加劲肋的部分承受支座反力
由于>，故底板的面积合适。
底板的厚度按桁架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块为两相邻边支撑而另两边自由的板。
根据底板尺寸确定，查表可得值为0.058。.
底板下的平均应力为：
每块板的单位宽度的最大弯矩为：

底板厚度：，取t=20mm。
加劲肋与节点板的焊缝计算：
当a=b时，

设焊缝，加劲板高度为：400mm，加劲板焊缝的计算长度为：
，则焊缝的应力为：

<，满足
底板与节点板、加劲肋的链接焊缝计算：
设焊缝传递全部的支座反力，每块加劲肋各传力为
节点板传力为：。
设节点板与底板的焊脚尺寸，则焊缝的计算长度为：

节点板应力：
<，强度满足。
设加劲肋焊脚尺寸，加劲肋与底板的连接焊缝长度为：

加劲板应力：
<，满足要求。

23