钢结构设计任务书

钢结构设计任务书
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2015.5.20
⼀.设计资料
1. 成都地区某⾦⼯车间，长117m，跨度21m，柱距6.5m，采⽤⽆檩屋盖结
构体系，梯形钢结构屋架，1.5m×6.5m预应⼒混凝⼟⼤型屋⾯板，膨胀
珍珠岩制品保温层（容重4kN/m3，所需保温层厚度由当地温度确定），卷材屋⾯，屋⾯坡度i=0.075。

基本风压0.3，基本雪压0.75. 活荷载0.5
屋架均简⽀于钢筋混凝⼟柱上，混凝⼟标号为C20,屋架所受荷载，包括恒载和使⽤活载及风、雪荷载等，由分组表已知。

⼆.建造地点、钢材、焊条的选择
本设计的建造地点选择在成都。

根据成都的冬季计算温度和荷载性质及焊接连接⽅法。

膨胀珍珠岩保温层厚度取为10cm厚，按设计规范要求，钢材选⽤Q235B，焊条选⽤E43型，⼿⼯焊。

三.屋架尺⼨
因采⽤缓坡梯形屋架，所以屋架的计算跨度为：
L o＝L－2X150=21000－300＝20700﹙mm﹚跨中⾼度取：H＝2625（mm），屋架端部⾼度
H
＝H－iL o/2＝1849mm
屋架的⾼跨⽐：
H/L＝2625/2100＝1/8
在屋架常⽤⾼度范围内。

为使屋架上弦承受节点荷载，配合屋⾯板1.5的宽度，腹杆体系⼤部分采⽤下弦节间为2.1m的⼈字式，仅在跨中考虑到腹杆的适宜倾⾓，采⽤再分式。

屋架跨度⼩于24m根据设计要求不起拱，屋架⼏何尺⼨如图1所⽰。

1053
1053
1053
10531053
1053
1053
1053
1053
9032117
2325
2466
2609
1950
21002100
2100
2100
2625
21
8523
1024
5226
0915
611681
1681
1995
2153
2310
2468
1234
1849
2625
10500
900
150
1834
图1 屋架⼏何尺⼨
四. 屋架⽀撑布置
根据车间长度（117m ＞60m ）跨度及荷载情况，设置三道上、下弦
横向⽔平⽀撑。

因柱⽹采⽤封闭结合，⼚房两端的横向⽔平⽀撑设置在第⼀柱间，该⽔⽀撑的规格与中间柱间⽀撑规格有所不同。

在所有柱间的上弦平⾯设置了刚性和柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平⾯的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递⼭墙荷载。

在设置横向⽔平⽀撑的柱间，于屋架跨中和两端各设⼀道垂直⽀撑。

梯形钢屋架⽀撑布置如下图所⽰。

桁架上弦⽀撑布置图
桁架下弦⽀撑布置图
1-1
垂直⽀撑
SC上弦横向⽔平⽀撑；XC下弦横向⽔平⽀撑；GG垂直⽀撑；
五.荷载和内⼒计算
（1）荷载计算
屋⾯活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时取⼤值进⾏计算。

故屋⾯雪荷载0.75KN/m2进⾏计算。

屋架沿⽔平投影⾯积分布的⾃重(包括⾃重)按经验公式
g k =(0.12+0.011)KN/m2计算，跨度单位为⽶。

荷载计算表如下
计算屋架杆⼒时，应考虑如下三种荷载组合：1. 全跨永久荷载+全跨可变荷载
全跨节点永久荷载及可变荷载：
F=(3.90+1.05)x1.5x6.5=48.263KN
2. 全跨永久荷载+半跨可变荷载
全跨节点永久荷载：
F1=3.90X1.5X6.5=38.025KN：
F2=1.05X1.5X6.5=10.238KN
3. 全跨屋架⾃重+半跨屋⾯板⾃重+半跨屋⾯活荷载
全跨节点屋架⾃重：
F3=0.47X1.5X6.5=4.583KN
半跨节点屋⾯板⾃重及活荷载：
F4=（1.89+0.7）x1.5x6.5=25.253KN（2）屋架在上述三种荷载组合作⽤下的计算简图如下图3所⽰：
计算的杆⼒系数列于表2中。

根据算得的节点荷载和杆⼒系数，利⽤表2进⾏的内⼒组合并求出各杆的最不利内⼒，计算过程和结果详见表2。

6.杆件截⾯选择
（1）由图解法得F=1的屋架的内⼒系数（F=1作⽤于全跨、左半跨和右半跨）。

然后求出各种荷载情况下的内⼒进⾏组合，计算结果如表2所⽰。

表2
（1）上弦
整个上弦截⾯，取上弦最⼤设计杆⼒（IJ、JK杆）计算。

N=-964.29 kN
上弦杆计算长度：在屋架平⾯内：为节间长度，即
l ox=l o=1.053m
在屋架平⾯外：本屋架为⽆檩体系，并且认为⼤型屋⾯板只起到刚性系杆作⽤，根据⽀撑布置和内⼒情况，取l oy为⽀撑点距离，即
l oy=3x1.053=3.159m
屋架平⾯外上弦杆的计算长度，上弦截⾯选⽤两个不等肢⾓钢，短肢相并。

腹杆最⼤内⼒N=480.22KN，查表可得中间节点板厚度选⽤
10mm，⽀座节点板厚度选⽤12mm。

设=55,查表Q235钢的稳定系数表，可得=0.839（由双⾓钢组成的T形和⼗字形截⾯均属于b类），则需要的截⾯积为
A s==5345.73mm
需要的回转半径：
===19.15mm,===57.44mm
根据需要的A s、、查⾓钢规格表，选⽤2L 160×100×12,肢背间距a=10mm，则
A=6020mm2 ,=28.2mm2 ,=77.5mm2
则按所选⾓钢进⾏验算：
===37.6
满⾜长细⽐[λ]=150的要求。

由于λxλy只需求y查表可得0.821，则
1. 下弦杆
整个下弦杆采⽤同⼀截⾯，按最⼤内⼒所在的杆计算。

N=861.49KN l ox=2100mm,l oy=20700/2=10350mm
(因跨中有通长系杆),则所截⾯积为
A===4006.93mm2=40.07cm2
选⽤2L 160×100×10，因l oy l ox,故⽤不等⾓钢，短肢相并
A=50.62cm240.07cm2, 2.85cm,=8.63cm
λx===73.68
λy===119.93
2. 端斜杆aB
杆件轴⼒：N=-480.22KN
计算长度：l ox=l oy= 2117mm
因为l ox=l oy，故采⽤不等肢⾓钢，长肢相并，使。

选⽤2L 125×80×10，则
A=39.52cm2,=2.26cm,=6.11cm
λx===93.67
λy===63.96
,查表得x=0.626,则
，只需要
=
因此所选截⾯合适。

3. 腹杆eg-gK
此杆在g节点处不断开，采⽤通长杆件。

最⼤拉⼒：N gk=108.22KN , N eg=97.86KN
最⼤压⼒：N gk=-50.61KN , N eg=-51.39KN
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距离l ox=1681,在桁架平⾯外的计算长度：l oy=l1(0.75+0.25)=336.2)=334.92cm 选⽤2L56×5，查⾓钢表可得
A=10.84cm2 ,=2.61
λx===977.33
λy===128.32
因为λyλx，只需求x，查表可得x=0.422，则
=
拉应⼒：===99.83215MPa
4. 竖杆I e
按⼤型N=-69.33KN
l ox=0.8l=0.8246.8=197.44cm , l oy=l=246.8cm 由于杆件内⼒较⼩，按可按容许长细⽐=选择截⾯，需要的回转半径为
查型钢表，选截⾯的和较上述计算的和⼤。

选⽤2L56
其⼏何特征为
A=10.84cm2 ,
=
，查表可得y=0.494，则
因为λyλx，只需求y
其余计算结果列于下表3：
表3 屋架杆件截⾯选择表
5. 节点设计
1. 下弦节点“b ”
各杆件的内⼒由表可得。

设计步骤：由腹杆内⼒计算腹杆与节点板连接焊缝的尺⼨，即h f 和l w ,然后根据l w 的⼤⼩按⽐例绘出节点板的形状和尺⼨，最后验算验算下弦杆节点板的连接焊缝。

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h f =8mm 和6mm ,则所需的焊缝长度为（按等肢⾓连接的⾓焊缝内⼒分配系数计算）肢背：⾓钢肢背所需焊缝长度
mm 取160mm
肢尖：⾓钢肢尖所需焊缝长度mm
取90mm
设bD杆的肢背和肢尖焊缝也为h f=8mm和6mm则所需的焊缝长度
mm，取140mm
mm,取80mm
Cb杆的内⼒很⼩，焊缝尺⼨可按构造确定，h f=5mm。

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，按⽐例绘出节点图，从⽽确定节点板尺⼨
360mm×445mm。

下弦与节点板连接的焊缝长度为44.5cm，h f=6mm。

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
t f=
焊缝强度满⾜要求。

节点图如下2.18所⽰：
图2.18 下弦节点“B”
计算结果列于表4。

未列⼊表中的腹杆均因杆⼒很⼩，可按构造取
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的⽅法计算的
N Ab=-480.22KN
设“Ab”杆的肢背和肢尖焊缝也为h f=8mm和6mm则所需的焊缝长度为（按不等肢⾓钢短肢连接的⾓焊缝内⼒分配系数计算）。