钢屋架设计实例

1.设计资料

某车间为钢筋混凝土排架结构，横向支柱轴线间距为30m，房屋长度为60m，内设2台中级工作制桥式吊车。间距为6m，屋面板采用1.5m×6m大型屋面板，加气混凝土保温层，二毡三油防水层。屋面活荷载0.3kN/m2，雪荷载0.7kN/m2，积灰荷载0.3kN/m2。屋架支承于钢筋混凝土柱上，柱截面为400mm×400mm，混凝土强度等级为C25。钢材选用Q235B，焊条选用E43型，手工焊。

2.屋架形式和几何尺寸

由于采用大型屋面板和油毡防水屋面，故选用平坡梯形钢屋架，未考虑起拱时的上弦坡度i=1/10，屋架跨度l=24m，每端支座中线缩进150mm，未起拱前的屋架如图2-所示。

计算跨度l0=l-2×150=29700mm

屋架高度：

轴线处的端部高度取h0=1990mm，

屋架支座反力点处的高度h=2005mm，

跨中高度H=3490mm。

起拱按f=l0/500，取60mm。屋架几何尺寸见图2-。

3.支撑布置

房屋长度为60m，且屋架跨度小于30m，内设两台中级工作制吊车，故在房屋两端开间设置上、下弦横向水平支撑、屋架两端及跨中三处设置垂直支撑、纵向水平支撑。上、下弦各在两端和设三道系杆，其中下弦屋架支座处以及上弦屋脊处共三道为刚性系杆，其他为柔性系杆。屋架支撑布置见图2-33。

3.荷载计算

（1）永久荷载

大型屋面板和灌缝                

屋架和支撑自重                  

二毡三油上铺小石子              

20mm水泥砂浆找平层（20kN/m3） 

100mm加气混凝土（6kN/m3）     

合计                            

（2）可变荷载

屋面活荷载和雪荷载中的较大值                    

积灰荷载                                            

2.荷载组合

考虑三种荷载组合：

（1）全跨永久荷载设计值+全跨可变荷载设计值

屋架上弦节点荷载： 

（2）全跨永久荷载设计值+半跨可变荷载设计值

全跨节点永久荷载： 

半跨节点可变荷载： 

（3）全跨屋架（包括支撑）+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载

全跨节点桁架自重： 

半跨节点屋面板自重及活荷载： 

（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。

3.屋架杆件内力

经计算屋架分别在全跨荷载和半跨荷载作用下的杆件内力系数见表2-，据此进行内力组合，计算得出各杆件的最不利内力。

（1）上弦杆

整个上弦采用等截面，按IJ、JK杆件之最大设计内力设计：，平面内计算长度，，平面外计算长度根据支撑布置和内力变化情况，取。

腹杆最大内力N=-571.52kN，查表2-，节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度用14mm。

因为l0y=3l0x，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。设λ=60，截面为b类，查表得=0.807。

需要的截面积：

所需的回转半径：， 

根据需要的查角钢规格表，选用2∟180×110×12，，，。

按所选角钢进行验算： 

满足的要求。

由于，查表得

所选截面合适。

（2）下弦杆

整个下弦杆采用同一截面，按最大内力de所在的杆计算：，平面内计算长度，，由于跨中设一通长系杆，取。

需要的截面积： 

因，故用不等肢角钢，短肢相并，选用2∟140×90×12，，，。

（3）端斜杆aB

杆件轴力： 

计算长度，因为，故采用不等肢角钢长肢相并，使。选用2∟140×90×10，，。

， 

由于，查表得

（4）腹杆eg-gk

此杆在g节点处不断开，采用通长杆件。

  最大拉力：NgK=131.68kN，另一段Neg=99.07kN；

  最大压力：Neg=-41.kN，另一段NgK=-38.69kN；

再分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距： 

在桁架平面外的计算长度：

选用2∟70×5，，，。

由于

由于，查表得

（5）竖杆Ie

杆件轴力： 

计算长度：， 

内力较小，按选择需要的回转半径：

查型钢表，选截面的ix和iy较上述计算的ix和iy略大些，选用2∟63×5得截面几何特性：，，。

由于

由于，查表得

其余各杆件的截面选择计算过程不一一列出，现将计算结果列于表2-。

           表2-杆件截面选择表

5.节点设计

（1）下弦节点“b”

这类节点的设计步骤：先根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸hf和lw，然后根据lw大小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。

用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值，设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：

肢背：，取180mm

肢尖：，取110mm

设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝分别为8mm和6mm，则所需的焊缝长度为：

肢背：，取160mm

肢尖：，取90mm

“Cb”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间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为350×440mm。

下弦与节点板连接的焊缝长度为440mm，。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，受力较大的肢背处的焊缝应力为：

（2）上弦节点“B”

“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。

“aB”杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算：

肢背，，取180mm

肢尖，，取120mm

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（图2-）。计算时可略去桁架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直。节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝肯定是安全的，可不必验算。肢尖焊缝验算如下：

（3）屋脊节点“K”

弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为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（图2-），且截去垂直肢的一部分宽度（一般为t+hf+5mm）。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。

设焊缝hf=10mm，则所需焊缝计算长度为：

拼接角钢的长度取600mm>2×232.3+20=484.5mm。

上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载，验算略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算。设肢尖焊缝hf=10mm，节点板长度为440cm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为，焊缝应力为：

因桁架的跨度较大，需将桁架分成两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。

腹杆与节点板连接焊缝计算方法与以上几个节点相同。

K点斜腹杆焊缝采用双面角焊缝，肢背，肢尖。

肢背：，取90mm

肢尖：，取50mm 

（4）支座节点“a”

为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度为14mm。

支座底板的计算

支座反力： 

支座底板的平面尺寸采用240×400mm=104000mm2。如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为240×234=56160mm2。

混凝土强度等级为C25，验算柱顶混凝土的抗压强度：

底板两支承边之间的对角线长度：

根据几何关系，有，，查表得。

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，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：

底板厚度：

    ，取

加劲肋与节点板的连接焊缝计算

加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似（图2-）。偏于安全地假定一个加劲肋的受力为桁架支座反力的四分之一，即：。

则焊缝内力为： 

设焊缝，焊缝计算长度

则焊缝应力为：

节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算

设焊缝传递全部支座反力，其中每块加劲肋各传，节点板传递。

节点板与底板的连接焊缝长度：

，取，则

加劲肋与底板的焊缝尺寸，取，则

其余节点略，各杆焊缝长度列于表2-。屋架施工详图见附图1