某厂房钢结构设计

姓名：李德海

学号：3080210805

班级：土木应用08-5班

指导教师：姜宏

日期：2012-2-27~3-4目录

1、设计资料 -----------------------------------1

2、支撑布置-----------------------------------2

3、荷载计算-----------------------------------4

4、内力计算-----------------------------------5

5、杆件设计-----------------------------------7

6、节点设计----------------------------------141、设计资料

1.1、结构形式

某厂房跨度为21m，总长90m，纵向柱距6m，采用梯形钢屋架、1.5×6.0m预应力混凝土大型屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400×400，混凝土强度等级为C30，屋面坡度为i=1：10。雪荷载为0.35 KN/m2，积灰荷载为1.1 KN/m2。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为7度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台150/30t，锻锤为2台5t。

1.2、屋架形式及选材

本设计采用无檩条屋盖方案屋架形式、几何尺寸及内力系数如附图所示。屋架跨度为21m，屋架形式、几何尺寸及内力系数如附图所示。屋架采用的钢材及焊条为：设计方案采用Q235钢，焊条为E43型。

1.3、荷载标准值

2、支撑布置

2.1桁架形式及几何尺寸布置 如下图2.1、2.2、2.3所示

图2.1 21米跨屋架几何尺寸

图2.2 21米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值

A

a

c

e

g

g'

e'

c'

a'+3.010

0.

000-5.310-7.

339-6.

861-5.319

-3.923

-2.1620.00

-5.1

-2.6

33

-0.047

+1

.91

3

+1

.367

+1

.57

+1

.848+3.960

+1

.222

-1.

039

-1.

2

00

-1.

525

-1.

7

76

-2.

043

-1.0-1.

0-1.00.000.

000.00-0.5

+6.663

+7.326

+5.884

+4.636

+3.081

+1.090

B

C

D

E

F

G

H

G 'F '

E 'D '

C 'B 'A '

0.5 1.0

1.0 1.01.01.0 1.0 1.0

图2.3 21米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值

2.2桁架支撑布置

桁架形式及几何尺寸在设计任务书中已经给出，桁架支撑布置如图1.1所示。其中考虑到厂房内有桥式吊车2台150/30t(中级工作制 )，锻锤为2台5t ，布置下弦纵向水平支撑。

桁架下弦支撑布置图

垂直支撑 垂直支撑

图

桁架支撑布置图

符号说明：SC 上——上弦支撑；XC ——下弦支撑；CC ——垂直支撑;

GG ——刚性系杆；LG ——柔性系杆

1.荷载计算

（1）永久荷载标准值：0.4+0.4+0.6+0.05+0.3+1.45+0.35=3.551 KN/m2

永久荷载设计值：

1.2x3.551=4.26 KN/m2（由可变荷载控制）

1.35x3.551=4.79 KN/m2（由永久荷载控制）

（2）可变荷载：

0.7+1.1=1.8 KN/m2（取屋面活荷载与雪荷载中最不利值）可变荷载设计值：

0.7x1.4 x 1.8=1.76 KN/m2（由永久荷载控制）

由于4.76+1.76=6.55 KN/m2＜2.52+4.26=6.78 KN/m2，所以按由可变荷载效应控制取值并组合。

2.荷载组合

设计屋架时，应考虑三种荷载组合：

2.1、使用阶段组合一：全跨永久荷载+全跨可变荷载

全跨永久荷载：

4.26 x 1.5 x 6.0=38.34 KN/m2

全跨可变荷载：

2.52 x 1.5 x 1.6=22.68 KN/m2

138.3422.6861.02

F=+= KN/m2

2.2使用阶段组合二：全跨永久荷载+半跨可变荷载

全跨永久荷载：

24.26 1.5638.34

F=⨯⨯= KN 全跨可变荷载：

32.52 1.5622.68

F=⨯⨯= KN

2.3施工阶段组合三：全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面板活荷载

全跨屋架及支撑自重：

F

4

=0.35×1.2×1.5×6=3.78 kN

半跨屋面板重及半跨屋面板活荷载：

F

5

=（1.2×1.4+1.4×0.7）×1.5×6=23.94 kN

图2.1 桁架计算简图

(c)

(b)

(a)

2.1、2.2为使用阶段荷载情况，2.3为施工阶段荷载情况。

4、内力计算

F=1的桁架各杆件内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨）已经给出。求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表4.1。

表4.1 桁架杆件内内力组合表

5、杆件设计

5.1上弦杆

整个上弦架采用等截面，按FG 、GH 杆件之最大设计内力设计。（受压）-743.224=N

上弦杆计算长度：

在桁架平面内，为节间轴线长度：cm l ox 75.150=

在桁架平面外，根据支承布置及内力变化情况，取：cm cm l oy 25.45275.1503=⨯= 因为ox oy l l 3=，故截面宜采用两个不等肢角钢，短肢相并（图5.1）

腹杆最大内力N=553.248kN ，查表9.6.4，节点版厚度选用10mm ，支座节点板厚度用12mm 。 设λ=60查附录4得807.0=ϕ。 需要截面积： 2

2

6.4283/21580

7.0432207m m

m m N N f N A =⨯==ϕ 需要的回转半径：

2.51cm 6075

.150==

=

λ

ox

x l i ，cm 560

300===λoy y l i 根据需要的A ，ix ，iy 查角钢规格表（附录

8），选用12901402⨯⨯L ，28.52cm A =，

cm i x 54.2=cm i y 44.4=，1610/160/1==cm cm t b ，按所选角钢进行验算：

150][4.592.54

75

.150=<===λλx x x i l ，

150][6.674.44

300=<===

λλy y i ly ， 3.19m 90/m 300058.0/58.05.7/11=⨯==m m b l t b oy

1.67

2.69)12300090475.01(6.67)475.01(2

24

2

2

4

1=>=⨯⨯+⨯=+

=∴y oy y yz t l b λλλ

满足长细比[]150=<λ的要求。

图5.1

上弦杆的截面图

截面在x 和y 平面内皆属b 类，由于x yz λλ > ，只要求73.58==

y

oy y i l λ，查表得755.0=ϕ。

2

22

/215/4.1865280755.0432247mm N mm N mm

N A N <=⨯=ϕ，所需截面合适。 5.2下弦杆

整个下弦杆采用同一截面，按eg 杆最大设计值计算。

kN N eg 921.297=

cm l ox 300=，根据桁架下弦支撑布置情况，得cm l oy 1050= 所需截

面积：

2

2295.334006/215299217cm mm mm

N N f N A n ====

根据所需截面积查表选用10801002⨯⨯L ，不等肢角钢，短肢相并（图5.2）。 按所选角钢进行截面验算

假设螺栓孔中心至节点板边缘距离约为100mm ，则可不考虑截面的削弱影响，取n A =A 。

则222/215/2.2123440299217mm N mm N mm

N

A N n <===

σ，24.34cm A =，cm i x 35.2=，cm i y 12.3= 150][7.1275.23/300/=<===λλcm i l x ox x

150][5.3362.31/1050/=<===λλcm i l y oy y ，所需截面满足要求。

5.3端斜杆aB

杆件轴力：受压）(878.468kN N -=

计算长度l ox =l oy =253cm 。因为l ox =l oy ，故采用等肢角钢，选用2L100×10，A=38.52cm 2 ，i x =3.05cm ，i y =4.6cm

图5.2

下弦杆的截面图

4.6630.5

2024===x x x i l λ[]150=<λ，

5546

2530

==

=

y

y y i l λ[]150=<λ，满足长细比的要求。 由x λ=66.4，查表得772.0=ϕ

2

22

/215/7.157/3852772.0468878mm N mm N mm

N N A N <=⨯==

ϕσ，所以截面满足要求。 5.4腹杆

5.4.1 Bc 杆（图5.4.1）

杆件轴力： kN N 404.354= 所需截面积： 2

22

c 45.1900.1945/215418176m mm mm

N N f N A n ====

杆件计算长度： cm cm l ox 04.2093.2618.0=⨯=，cm l oy 3.261=

选用2L100×10等边角钢，252.38cm A =，cm i x 05.3=，cm i y 6.4=

5.6805

.304

.209===

x ox x i l λ[]150=<λ， 8.566

.43

.261==

=

y

oy y i l λ[]150=<λ，满足长细比的要求。 由于x λ>y λ，查表得76.0=ϕ

22/215/1.1213852

76.0404.354mm N mm N A N <=⨯==

ϕσ，所以截面满足要求。 5.4.2 cD 杆（图5.4.2）

杆件轴力： kN N 037.269-=

计算长度： cm cm l ox 12.2294.2868.0=⨯=，cm l oy 4.286=

图

选用2L90×10等边角钢，234.34cm A =，cm i x 74.2=，cm i y 21.4=

设λ=100查附录4得555.0=ϕ

6.834

.272291===

x ox x i l λ[]150=<λ， 681

.4228

==

=

y

oy y i l λ[]150=<λ， 由于x λ>y λ，查表得665.0=ϕ，则

222/215/8.1173434665.0269037mm N mm N mm

N A N <=⨯==

ϕσ，所以截面满足要求。 5.4.3 De 杆（图5.4.3） 杆件轴力： kN N 368.170= 所需截面积： 2

22c 35.900.935/215201024m mm mm

N N f N A n ====

杆件计算长度： cm cm l ox 12.2294.2868.0=⨯=，cm l oy 4.286=，选用2L90×6等边角钢，

227.21cm A =，cm i x 79.2=，cm i y 12.4=

1.8279

.212

.229===

x ox x i l λ[]150=<λ， 2.7112

.44

.286==

=

y

oy y i l λ[]150=<λ， 由于x λ>y λ，查表得676.0=ϕ，则 满足长细比的要求。

图5.4.2 Dc 杆截面图

22/215/5.1182127

676.0368.170mm N mm N A N <=⨯==

ϕσ 所选截面满足要求。 5.4.4 eF 杆（见图5.4.4）

轴力：受压）(923.95kN N -=cm cm l ox 92.2494.3128.0=⨯=，cm l oy 4.312=，选用2L75×6等边角钢，282.13cm A =，cm i x 31.2=，cm i y 12.4=

2.1081

.232499

===

x ox x i l λ[]150=<λ， 5.883

.353124

==

=

y

oy y i l λ[]150=<λ， 由于x λ>y λ，查表得504.0=ϕ，则 满足长细比的要求。

22/215/7.1371382

504.095923mm N mm N A N <=⨯==

ϕσ 所选截面满足要求。 5.4.5 Fg 杆（见图5.4.5）

轴力：015.20=N cm cm l ox 92.2494.3128.0=⨯=，

cm l oy 4.312=，选用2L63×6等边角钢，258.14cm A =，cm i x 93.1=，cm i y 06.3=

5.1293

.192499===

x ox x i l λ[]150=<λ， 1.1023

.353124

==

=

y

oy y i l λ[]150=<λ， 由于x λ>y λ，查表得39.0=ϕ，则满足长细比的要求。

所选截面满足要求。 5.4.6 gH 杆

图5.4.4 eF 杆截面图

图5.4.4 eF 杆截面图

22/215/2.351458

39.020015mm N mm N A N <=⨯==

ϕσ

轴力：KN N 507.43=cm cm l ox 2.2713398.0=⨯=，cm l oy 339=，选用2L63×6等边角钢，

258.14cm A =，cm i x 93.1=，cm i y 06.3=

5.1403

.192712===

x ox x i l λ[]150=<λ， 8.1106

.303390

==

=

y

oy y i l λ[]150=<λ， 满足长细比的要求。

由于x λ>y λ，查表得343.0=ϕ，则

22/215/871458

343.043507mm N mm N A N <=⨯==

ϕσ， 所选截面满足要求。 5.5 竖杆（图5.5）

轴力：受压）(02.61kN N -=cm cm l ox 2.23128.0=⨯=，

cm l oy 2=，选用2L63×6等边角钢，258.14cm A =，cm i x 93.1=，cm i y 06.3=

8.1196

.302312

===

x ox x i l λ[]150=<λ， 4.946

.3020

==

=

y

oy y i l λ[]150=<λ， 满足长细比的要求。

由于x λ>y λ，查表得438.0=ϕ，则

22/215/6.951458

438.061020mm N mm N A N <=⨯==

ϕσ， 所选截面满足要求。

图5.5

竖杆截面图

6、节点设计

6.1下弦节点“c ”（图6.1）

各类杆件的内力由表4.1查得。

这类节点的设计步骤是：先根据复杆的内力计算与复杆与节点版连接焊缝的尺寸，即f h 和x l ，然后根据x l 的大小按比例绘出节点版的形状与尺寸，最后验算下弦杆与节点版的连接焊缝。

用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值2f /160mm N f w

=。设“Bc ”杆的肢背和肢尖焊缝mm h f 8=和mm h f 6=，则所需的焊缝长度为：

mm l mm mm

N mm N

f h N l w w f e w

1914.19082/16087.024688787.027.02

='=⨯+⨯⨯⨯⨯=='，取肢背：

mm l mm mm

N mm N

f h N l w

w f e w

129.312862/16067.024688783.023.02

='=⨯+⨯⨯⨯⨯==''，取肢尖：

设“cD ”杆的肢背和肢尖焊缝mm h f 6=和mm h f 5=，则所需的焊缝长度为：

mm l mm mm

N mm N

f h N l w

w f e w

146.514562/16067.022690377.027.02

='=⨯+⨯⨯⨯⨯=='，取肢背：

，取肢尖：mm l mm mm N mm N

f h N l w

w f e w

91.19052/16057.022690373.023.02

='=⨯+⨯⨯⨯⨯==''

“Cc ”杆内力很小，焊缝尺寸可按构造要求取mm h f 5=

6cm 0.45/16057.02720007.027.02

，取肢背：mm mm N mm N

f h N l w f e w

=⨯⨯⨯⨯==' 根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为mm mm 360300⨯。

下弦与节点板连接的焊缝长度为34cm ，mm h f 6=。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，N N N N 406368295200701568=-=，受力较大的肢背处焊缝应力为：

()

22f mm /160N mm /N 26.02112mm 360mm 6mm 7.02N

40636875.0<=-⨯⨯⨯⨯=

τ

焊缝强度满足要求。

6.2上弦节点“B ”(图6.2)

Bc 杆与节点板的焊缝尺寸和节点“c ”相同。即肢背cm l w 8'

=，肢尖cm l w 6'

'= aB 杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算, 设aB 杆的肢背和肢尖的焊缝mm h f 8=和mm h f 6=，则所需的焊缝长度为：

mm l mm mm

N mm N

f h N l w w f e w 1914.19082/16087.024*******.0267.02

='=⨯+⨯⨯⨯⨯=='，取肢背：

mm l mm mm

N mm N

f h N l w

w f e w 12912962/16067.024*******.0233.02

='=⨯+⨯⨯⨯⨯==''，取肢尖：

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，槽焊缝作为两条角焊缝计算，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去上弦坡度的影响，而假定集中荷载F

与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力为：

mm 01h 510mm 2

1

21f =''=⨯=⨯=

'，节点板厚度mm h f

上弦与节点板间焊缝长度为400mm 。

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，这时槽肯定是安全，可不必验算。肢尖焊缝验算如下：

()2w

f 21mm /N 12.101102400107.020537984N l h 7.02N N =⨯-⨯⨯⨯-=''''⨯-=

mm mm mm N f τ 2

2

22

f M mm /N 28.115400107.028*********.026=⨯⨯⨯⨯⨯=

''''⨯=

mm

mm mm N l h M w

f σ ()

()2

22

22

M f 2N f

mm /160N mm /N 40.13822.128.11512.10122.1<=⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+στ

满足要求。

6.3屋脊节点“H ”（图6.3）

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，且截去垂直肢的一部分宽度。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mm h f 8=，则所需焊缝计算长度（一条焊缝）：

mm l mm mm

N mm N

f h N l w

w f e w

332.3282/16087.024350767.0267.02

='=⨯+⨯⨯⨯⨯=='，取肢背：

mm l mm mm

N mm N

f h N l w

w f e w

238.2262/16067.024350733.0233.02

='=⨯+⨯⨯⨯⨯==''，取肢尖：。

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mm h f 10=，节点板长度为

40cm ，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为cm cm cm cm

l w 17212

40=--=，焊缝应力为：

2mm /N 27.55170107.028*******.0=⨯⨯⨯⨯=

mm

mm N

N f τ

22

M mm /N 30.146170

107.026

mm 7587696015.0=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

f σ

()

()2

22

2

2

M f 2N f

mm /160N mm /N 04.13222.130.14627.5522.1<=⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+στ

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Hg 与节点板的连接焊缝的计算长度与以上几个节点相同。 6.4支座节点“a ”（图6.4）

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12mm 。 6.4.1支座底板的计算

支座反力： kN kN F R 14.42702.6177=⨯==

支座底板的平面支座底板的平面尺寸采用280mm ×350mm ，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280×180mm 2=50400mm 2。

验算柱顶混凝土的抗压强度：

222/3.14/00.10427140427140mm N f mm N mm

N A R c n =<===

σ 式中，c f 为混凝土强度设计值，对C30混凝土，2/3.14mm N f c =

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：21a M βσ=

式中，σ为底板下的平均应力：

2

2

/00.10180280427140mm N mm

N =⨯=

σ 1a 为两支承边之间的对角线长度：

()m m m m a 8.1567902141402

2

1=-+⎪⎭⎫ ⎝

⎛-=

β为系数，由b 1/a 1查表8.4.1而定，b 1为两支承边的相交点到对角线a 1的垂直距离。由相似三角形的关系，得：

mm mm b 4.708.156831331=⨯=

，45.08

.15.7011==a b 查表8.4.1得β=0.050

mm mm N mm mm N a M /12.122938.156/00.10050.022221⋅=⨯⨯==βσ 底板厚度：mm mm N mm mm N f M t 52.18/215/12.12293662

=⋅⨯=≥

根据构造要求，桁架跨度m m 1821>，mm t 20≥，取mm t 20=。 6.4.2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。偏于安全的假定一个加劲肋的受力为桁架支座反力的1/4，即：

N N

R 1260004

4271404== 则焊缝内力为：N V 126000=，mm N mm N M ⋅=⨯=604800048126000 设焊缝mm h f 6=，焊缝计算长度mm mm mm mm l w 4651312490=--=，则焊缝应力为：

()

2

22

2

2

2

22

2

M

f

2

N f

mm /160N mm /N 18.3622.146560.7260480006567.021*******.10.7267.0222.1<=⎪⎭

⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯+⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯=⎪

⎪⎭

⎫

⎝⎛⨯+⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+w f w f l h M l

h V στ

6.4.3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N R 427140=，加劲肋、节点板与底板的连接焊缝

长度之和()()mm mm mm mm mm mm l w 7961362904122802=-⨯-⨯+-⨯=∑

2

22/2.195/16022.1/75.15067967.04271407.0mm N mm N mm N mm

mm N

h l R f w f =⨯<=⨯⨯=⨯=

∑σ

6.5下弦节点“h ”（图6.5）

Hh 杆的内力为0，焊缝尺寸可按构造要求取mm h f 5=，肢背和肢尖的

mm l w 60=。

根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为185mm ×360mm 。

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，且截去垂直肢的一部分宽度。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊接长度按弦杆内力计算。

设焊缝mm h f 10=，则所需焊缝计算长度（一条焊缝）：

mm mm N mm N

l w 13.1/160107.048472962

=⨯⨯⨯=

拼接角钢的长度取mm mm 26.37813.12460=⨯>。

下弦与节点板之间的角焊缝，假定承受节点荷载。下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mm h f 10=，节点板长度为36cm ，

则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为：cm cm cm cm

l w 15212

36=--=

，焊缝应力为： 2/52.60150107.028*******.0mm N mm

mm N N f

=⨯⨯⨯⨯=τ

22

M /25.145150

107.026

6084729615.0mm N f =⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

σ

()

()222

2

2

M f 2N f

/160/133.56

22.125.14552.6022.1mm N mm N <=⎪⎭

⎫

⎝⎛+=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+στ

肢背验算： 22/160/39.45150

107.02847296

15.00.75mm N mm N N f <=⨯⨯⨯⨯⨯=τ

满足要求。