单层厂房屋盖结构-梯形钢屋架设计

单层厂房屋盖结构――梯形钢屋架设计一、设计资料某地一冶金车间，长102m，跨度27m，柱距6m，车间内设有两台150/15T中级工作制桥式吊车，轨顶标高12.5m，柱顶标高20m，地震设计烈度7度。采用梯形钢屋架，封闭结合，1.5×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板（1.4KN/m2），上铺100mm厚泡沫混凝土保温层（容重为4KN/m3），三毡四油防水层（0.4KN/m2），找平层2cm厚（0.4KN/m2），卷材屋面，屋面坡度i=1/16，屋架简支于钢筋混凝土柱上，混凝土强度等级C25，上柱截面400×400mm。钢材选用Q235B，焊条采用E43型。屋面活荷载标准值0.7KN/m2，积灰荷载标准值0.80KN/m2，雪荷载0.35KN/m2和风荷载0.35KN/m2屋架计算跨度：跨中及端部高度：设计为无檩楼盖方案，才用平坡梯形屋架。取屋架27000mm轴线处的端部高度，屋架的中间高度（为），则屋架在26700mm处，两端的高度为（计算跨度处）。屋架跨中起拱按，取54mm。结构形式与布置屋架形式及几何尺寸见图2.1所示。图2.1屋架形式及几何尺寸屋架支撑布置见图2.2所示。图2.2屋架支撑布置图符号说明：GWJ-（钢屋架）；SC-（上弦支撑）：XC-（下弦支撑）；CC-（垂直支撑）；GG-（刚性系杆）；LG-（柔性系杆）。三、荷载与内力计算1.荷载计算荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的活荷载计算。永久荷载标准值防水层（三毡四油）0.40kN/㎡找平层（20mm厚）0.02×20=0.40kN/㎡保温层（100mm厚泡沫混凝土）0.10×4=0.40kN/㎡预应力混凝土大型屋面板1.40kN/㎡钢屋架和支撑自重0.117+0.011×27=0.414kN/㎡总计3.014kN/㎡可变荷载标准值屋面活荷载0.70kN/㎡积灰荷载0.80kN/㎡总计1.50kN/㎡永久荷载设计值1.35×3.014=4.0689kN/㎡（由永久荷载控制）可变荷载设计值1.4×1.5=2.1kN/㎡2.荷载组合设计屋架时，应考虑以下三种组合：组合一全跨永久荷载+全跨可变荷载屋架上弦节点荷载：F=(4.0689+0.7×1.4×0.7+0.8×1.4×0.9)×1.5×6=51.8661kN组合二全跨永久荷载+半跨可变荷载：屋架上弦节点荷载：kNkN组合三全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面活荷载屋架上弦节点荷载kNkN屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图3.2.1所示：图3.2.1屋架荷载的三种组合情况3.内力计算采用程序计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数，见表1。由表内三种组合可见：组合一，对杆件计算主要起控制作用；组合三，可能引起中间几根斜腹杆发生内力变号。如果施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设面板，则可避免内力变号而不用组合三。屋架接点如图3.3.1所示。图3.3.1屋架接点图屋架构件内力组合表表1杆件名称内力系数（F=1）第一种组合F×①第二种组合第三种组合计算杆件内力（kN)全跨①左半跨②右半跨③①+②①+③①+②①+③上弦AB0.000.000.000.000.000.000.000.000.00BC、CD-10.51-7.88-3.29-545.11-505.02-435.04-235.94-129.53-545.11DE-17.35-12.37-6.22-899.88-823.95-730.19-374.69-232.11-899.88EF、FG-17.99-13.01-6.23-933.07-857.15-753.78-392.77-235.58-933.07GH-21.53-13.66-9.83-1116.68-996.69-938.30-425.78-336.98-1116.68HI、IJ-22.09-14.23-9.83-1145.72-1025.89-958.81-441.83-339.82-1145.72下弦ab5.544.231.62287.34267.37227.57126.1465.63287.34bc14.3810.534.81745.83687.14599.93316.99184.37745.83cd20.7813.828.701077.78971.67893.61425.69306.981077.78de21.1711.7111.821098.01953.78955.46378.74381.291098.01斜腹杆aB-10.18-7.79-3.00-528.00-491.56-418.53-232.18-121.13-528.00Bb8.486.212.84439.82405.22353.84186.94108.81439.82bD-7.06-4.84-2.77-366.17-332.33-300.77-147.98-99.99-366.17Dc5.333.302.54276.45245.50233.91103.5185.89276.45cf-4.56-1.94-3.27-236.51-196.56-216.84-68.08-98.92-236.51Ef0.790.790.0140.9740.9729.0822.324.2340.97fG-3.71-1.10-3.27-192.42-152.63-185.71-44.30-94.61-192.42Gd1.39-0.372.2072.0945.2684.44-1.5458.0584.44dg0.452.65-2.7623.3456.88-25.6063.72-61.7163.72gJ1.213.42-2.7662.7696.452.2385.42-57.8696.45Hg0.720.73-0.0137.3437.5026.2120.573.4237.50竖杆Aa-0.50-0.500.00-25.93-25.93-18.31-14.13-2.53-25.93Cb-0.99-0.990.00-51.35-51.35-36.25-27.97-5.02-51.35Ec-1.50-1.500.00-77.80-77.80-54.93-42.38-7.60-77.80Ff-1.01-1.010.00-52.38-52.38-36.99-28.53-5.12-52.38Hd-1.51-1.500.00-78.32-78.17-55.30-42.43-7.65-78.32Ig-0.99-0.990.00-51.35-51.35-36.25-27.97-5.02-51.35Je0.000.000.000.000.000.000.000.000.00注：表内负责表示压力；正值表示拉力四、杆件截面设计腹杆最大内力，N=－528.00KN，由屋架节点板厚度参考可知：支座节点板刚度取14mm；中间节点板与垫板厚度取12mm。1.上弦杆整个上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算，N=－1145.72KN计算长度：屋架平面内取节间轴线长度屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面板能起一定的支撑作用，上弦横向水平支撑的节间长度：因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并，如图4.1.1图4.1.1上弦截面设，查Q235B钢的稳定系数表，（由双角钢组成的T形和十字形截面均属于b类）。需要截面积为需要回转半径根据需要的、、查角钢型钢表，初选2L，，，按所选角钢进行验算：＜＜因为，则可近似取由于，只需求出，查轴心受力稳定系数表，＜所选截面合适。填板每个节间放一块2.下弦杆整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=1098.01kN计算长度:屋架平面内取节点间轴线长度屋架平面外根据支撑布置取（因跨中有通长细杆）计算所需要净截面面积:选用2L（短肢相并），如图4.2.1。图4.2.1下弦截面查型钢表:，，。按所选角钢进行截面验算，取（若螺栓孔中心至节点板边缘距离大于100mm，则可不计截面削弱影响）。＜0即所选截面满足要求。3.端斜杆aB已知N＝－528.00kN，因为，故采用等肢角钢，使。选用角钢2L,如图4.3.1图4.3.1端斜杆aB查型钢表:，，截面刚度和稳定验算:因为则有:由于，只需求出，查轴心受力稳定系数表，＜所选截面满足要求。填板放两块，＜4.斜杆Bb已知斜杆Bb的内力为:N=439.82kN计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度屋架平面外根据支撑布置取选用2L，如图4.4.1。图4.4.1斜杆Bb查型钢表:，，截面强度和稳定验算:＜所选截面满足要求。填板放两块，＜5．再分腹杆cf－fG已知kN，kN，计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度屋架平面外根据支撑布置取:选用2L，如图4.5.1图4.5.1再分腹杆cf－fG查型钢表:，，按所选角钢进行验算:因为则有:由于，只需求出，查轴心受力稳定系数表，＜所选截面满足要求。填板放两块，＜6.中竖杆Je已知计算长度：屋架平面内外长度为中间竖杆选用2L的角钢，并采用十字形截面，如图4.6.1图4.6.1中竖杆Je查型钢表:,长细比验算:所选截面满足要求。填板放三块，＜其余各杆件截面过程不一一列出，计算结果见表2屋架杆件截面选择表表2杆件名称杆件编号内力设计值N(kN)计算长度（mm）截面规格截面面积A()回转半径(mm)长细比容许长细比稳定系数计算应力N/模板数上弦HI、IJ-1145.72150345002L694028.078.657.251500.82－201.00各节1下弦de1098.013000133502L528025.468.9193.76350/207.96各节1腹杆Aa-25.93199919992L96015.325.3130.651500.386－69.982Ba-528.00248324832L456030.346.481.951500.675－172.002Bb439.82205525682L238631.045.1350/184.342Cb-51.35174421792L96015.325.3113.991500.474－112.852Db-366456030.346.471.951500.738－108.812Dc276.45218027242L176023.135.394.37350/157.082Ec-77.80189523682L176023.135.382.041500.674－66.592Ef40.97148418542L96015.325.396.99350/42.682Ff-52.3894811842L96015.325.361.961500.796－68.552cf-236.51157741682L238631.045.199.443500.539－184.002Gf-192.42Gd84.44237229642L176023.135.3102.682500.53789.352-1.54150/－0.882Hd-78.32204925612L176023.135.388.701500.562－79.192Hg37.50155319412L96015.325.3101.501500.54471.812Ig-51.35106113262L96015.325.369.351500.755－70.852dg63.72206646632L176023.135.3132.103500.377145.292Jg96.4Je0.0028402840＋176029.129.1200/0.003五、节点设计用E43焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值:各杆件内力由表2查得，最小焊缝长度不应小于下弦节点b如图5.1.1图5.1.1下弦节点b（1）斜杆Bb与节点的连接焊缝计算：N=439.82kN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为：肢背：，取肢尖：，取（2）斜杆Db与节点的连接焊缝计算：N=366.17kN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为肢背：，取肢尖：，取（3）竖杆Cb与节点板连接焊缝计算：N=51.35kN因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=5mm，焊缝长度40mm，取=60mm（4）下弦杆与节点板连接焊缝计算：焊缝受力为左右下弦杆的内力差△N=745.83－287.34＝458.49KN，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm，所需焊缝长度为：肢背：，取肢尖：，取（5）节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比列作出构造详图，从而定出节点尺寸。如图5.1.2所示图5.1.2节点板b尺寸2.上弦节点B如图5.2.1图5.2.1上弦节点B（1）斜杆Bb与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b中Bb杆计算相同。（2）斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，N=528kN。设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为10mm和6mm。所需焊缝长度为:肢背：，取肢尖：，取（3）上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。假定集中荷载F由槽焊缝承受，F=51.87kN，焊脚尺寸为5mm所需槽焊缝长度为:,取上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差△N=545.11－0.0＝545.11kN偏心距:e=100－25＝75mm设肢尖焊脚尺寸8mm，设需焊缝长度为460mm，则有:（4）节点板尺寸：方法同前，如图5.2.2所示图5.2.2节点板B尺寸3.屋脊节点J如图5.3.1图5.3.1屋脊节点J（1）弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力计算。已知N=1145.72KN，设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为:，取拼接角钢长度，取750mm（2）弦杆与节点板的连接焊缝计算：上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载。上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15%计算。已知，设焊脚尺寸为8mm，弦杆一侧焊缝长度为250mm，（3）中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=0，此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=5mm，焊缝长度40mm，取=60mm。（4）斜杆Jg与节点板连接焊缝的计算已知N=96.45KN，设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为：肢背：，取肢尖：，取（4）节点板尺寸：方法同前，如图5.3.2所示图5.3.2节点板J尺寸4.下弦跨中节点e如图5.4.1图5.4.1下弦跨中节点e弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：拼接角钢与下弦杆截面相同，传递内力已知N=1098.01kN，设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为：，取拼接角钢长度不小于，取750mm（2）弦杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力的15%计算。则有：，设肢背、肢尖焊脚尺寸为6mm，弦杆一侧需焊缝长度为：肢背：，取肢尖：，取按构造要求，取焊缝长度，取（4）节点板尺寸：方法同前，如图5.4.2所示图5.4.2节点板e尺寸图5.5.1支座节点a5.端部支座节点a如图5.5.1所示（1）为便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的距离一般不小于下弦伸出肢的宽度，故可取为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同，厚度同端部节点板为12mm。支座底板计算：支座反力：C25混凝土强度设计值:所需底板净面积:取锚栓直径，锚栓孔直径为，则所需底板面积为：按构造要求采用底板面积为，底板净面积为：垫板采用-100×20×100，孔径26mm。底板实际应力为：,查表4.8得则有:底板厚度,取t=25mm底板尺寸为:（2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算：偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座反力的1/4，则焊缝受力：设焊缝尺寸为6mm，加劲肋高度、厚度取与中间节点板相同为（-490×120×12）。焊缝长度250mm，（3）节点板加劲肋与底板的连接焊缝计算：设底板连接焊缝传递全部支座反力为R=516.07kN,设焊缝尺寸8mm节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度:验算焊缝应力满足要求（4）下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算：①竖杆Aa与节点板的连接焊缝计算：N=25.93KN，焊缝尺寸可按构造确定，焊脚尺寸，焊缝长度40mm，取。②斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，同上肢背：，肢尖：③下弦杆与节点板连接焊缝计算：已知N=287.34KN，设焊缝尺寸8mm，需要焊缝长度为肢背：，取肢尖：，取（5）节点板尺寸：方法同前，如图5.5.2所示图5.5.2加劲肋6、下弦节点c如图5.6.1所示图5.6.1下弦节点c（1）斜杆Dc与节点的连接焊缝计算：已知N=276.45kN，设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为：肢背：，取肢尖：，取（2）斜杆cf与节点的连接焊缝计算：已知N=236.51kN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为肢背：，取肢尖：，取（3）竖杆Ec与节点板连接焊缝计算：已知N=77.8kN因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=5mm，焊缝长度40mm，取=60mm（4）下弦杆与节点板连接焊缝计算：焊缝受力为左右下弦杆的内力差△N=1077.78－745.83＝331.95KN，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm，所需焊缝长度为：肢背：，取肢尖：，取（5）节点板尺寸：方法同前，如图5.6.2所示图5.6.2节点板c尺寸7、上弦节点D如图5.7.1所示图5.7.1上弦节点D（1）斜杆Db与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b中Db杆计算相同。（2）斜杆Dc与节点板连接焊缝计算，与下弦节点c中Dc杆计算相同。（3）上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。假定集中荷载F由槽焊缝承受，F=51.87kN，焊脚尺寸为5mm所需槽焊缝长度为:,取上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差△N=899.88－545.11＝354.77kN偏心距为：e=100－25＝75mm设肢尖焊脚尺寸8mm，设需焊缝长度为460mm，则有：（4）节点板尺寸：方法同前，如图5.7.2所示图5.7.2节点板D尺寸8、上弦节点C如图5.8.1所示图5.8.1上弦节点C（1）竖杆Cb与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b中Cb杆计算相同。（2）上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。假定集中荷载F由槽焊缝承受，F=51.87kN，焊脚尺寸为5mm所需槽焊缝长度为:,取上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差△N=545.11－545.11＝0kN,则由构造要求得（3）节点板尺寸：方法同前，如图5.8.2所示图5.8.2节点板