大跨度H型钢截面钢屋架设计实例

大跨度H型钢截面钢屋架设计实例
大跨度H型钢截面钢屋架设计实例
陈企奋朱江
摘要:本文介绍r某T程中50.2m人跨度H型钢截面铡屋架的设计实例及设计中需要渖意的环节,对十T
程界l行口J供借l揸.
关键词:人跨度H型钢截面钢屋架设计
引言
某电了J房能于上海浦东外高桥保税
内,山主J'房,办公楼及动力J'房等组合而
成,其中主J'房长ll5.2米,宽50.4米,■
层内设柱了,为满足使用功能,采用了
50.2米跨度的钢屋架.
一
,工程概况
该J'J房山主J房,办公楼及动力J房
等组合而成,山于各部分荷载差异大,柱网
尺寸不一致等原冈,在三个建筑间均设温度
缝分丌.
主J'房长115.2米,宽50.4米,_层建
筑,底层柱网尺,J为7.2米×7.2米,_层
除J房外}f爿的柱了丌到犀.血,其余的柱均拔
去,形成一个大空间,以适应生产流水线的
功能要求.底层层高为5.40m,一层层高5.
5m(计到犀架支座安装标岛),形成为■
层拔柱的框排架结构(见图1).
本厂房的使用荷载较大,根据T艺设计
资料,部分的使用荷载标准值为:
底层10KN/m(局部区域25KN/m)
^^二层10KN/m
犀架下弦悬挂倚载(作用于节点)1.5
KN/m
屋架上弦悬挂荷载(作用于节点)1.0
KN/m
屋-向活荷载(作用于节点)0.55KN/m2
为此,将楼板,梁,柱等采用现浇钢
砼混凝十,外墙为240厚多孔砖,局面梁则采用钢犀架.山于T艺设计要求,小能采用轻质犀面,并且小准采用钢网架,为此,犀
面采用现浇钢砼屋面板,通过其下钢梁支承『
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图2屋架半回布置图ji
于钢犀架.钢梁间距 2.5m,犀架高度范…冈支座处端竖杆和上弦杆内力较小,可采用;
内的;fi挂荷载通过钢梁支承于屋架杆件节点较小截面的杆件,节约材料,且支座处主要
和节问上,屋架高度以下的管道,设备及沽山斜腹杆传力,重心较低;但其各斜腹杆l 净J'房的m顶则通过构架将荷载传递到屋架受爪.而下降式斜杆形式的桁架则相反,斜
}T件节点上.屋架平面布置图见图2.腹杆受拉.为此,决定采用下降式单斜杆梯
J房采用桩基础,桩尖持力层为⑦层草形桁架,犀架端部自设屋架竖杆,框架柱顶' 黄一灰黄色砂质粉十.均在屋架下弦处.详见图3.
二,屋盖结构设计2.屋架内办计算分析
I.屋架形式的确定屋架的荷载山以下几个部分组成:
屋架跨度50.2m,柱距7.2m,且采用屋血保温,防水材料,钢砼犀面板,爪
羽砼屋面板,犀面坡度平缓;在屋架高度型钢板(作模板),檩条及犀盖支撑,重
内布置有设备,屋架的形式要考虑其搬动,约5.58KN/m2,屋面活1岢载0.70KN/m2 准修的空问.作用于犀架的悬挂荷载又较犀架自重'
大,屋血自重达5.58KN/m,而悬挂倚载屋架上弦设备m挂1岢载I.0KN/m2
9u上屋面活荷载,则设计使用荷载标准值达屋架下弦设备m挂1岢载1.5KN/mz 1.2KN/m,屋架承担的荷载很大,且下部基本风压:0.55KN/mz(地面粗糙度B!
有较密的悬m荷载,所以采用平行弦单斜腹类)
}T系平面钢桁架较为合理.上弦杆为适应犀_T=程抗震设防烈度7度,近震,Ⅳ类场.i
排水有5%的坡度,实际已成为梯形桁地(对犀架小作抗震验算)
粜.温度荷载(季节温差80.C)i
根据屋架跨度和所承受的荷载以及杆件这荷载折算成集中力作用于屋架上下}
1勺夹角来确定屋架高度(上下弦杆的形心问弦节点及上弦的节问.{j
)为跨度的1/10.5,取支座处屋架上下弦屋架支座假定为竖向刚性约束;水平向i
心距离为4.8m;跨中处弦高为6.05m,一端为刚性约束,一端为自山端.
勾跨度的I/8.3.屋架汁算程序按平面桁架采用"钢结构
单斜杆平行弦杆桁架有下降式斜杆和上杆件系统CAD软件3D3S,,(V2.
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『}式斜杆两种形式.对于上升式斜杆形式,算结果如下:l
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支座反力设汁值2205KN,屋架上弦杆
最大内力46O7KN(压力);下弦杆最大内力460lKN(拉力);支座竖杆最大内力2205KN(压力),其余直腹杆最大内力
l875KN(压力);斜腹杆最大内力2740KN (拉力).计算结果显示,近跨中的两根斜
腹杆出现压力,但内力仅为l4KN.屋架跨
中最大挠度为l03.75mm,相于跨度的l/
48l:支座最大水平位移28mm.
屋架汁算最大内力值见图4.
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3.杆件截面选择
山于屋架跨度大,荷载重,内力较大,
造成杆件尺寸较大,要满足受力要求,杆件
截面应具有较高的强度和较大的转半径,
做到经济,合理,可靠.上下弦的截_血形
式还要便于再种悬挂件的安装同定.综合考虑后,选择焊接H钢作为屋架构件的主
材,采用Q345钢.与其他截面形式的材料
相比较,H型截面的翼缘宽,侧向刚度大,
其绕弱轴(侧向)的刚度显着增加,可以
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5000X5:25000
图4屋架最大轴力图
更合理地用作受压构件.据统计比较,即使
窄翼缘H钢,在相同截面积的条件下其弱
轴方向刚度也比同高度的丁宁钢要大近l倍及或1倍以上.山于截面面积分配更加合理,在相同截面积(或重=阜=)条件下,H
钢的截_向绕强轴的抗弯性能也优于T宁钢.H钢翼缘较宽且其两表面相互平行,
连接构造方面更加方便易行,如翼缘连接螺栓再需附加斜垫;螺栓的排列及直径选
用范I饲更加扩大,以及可在平行的内翼缘由上设置拼材.综上所述,H钢是一种截面
面积的分配l史加优化,强重比(强度性能与
钢材用罱之比)较大的高效材,具有良
好的抗爪,抗弯性能.以上特点,尤其适
用于大跨度,重荷载的钢屋架.
根据屋架再杆件内力,对同域同
内力的杆件采用了5种同的焊接H钢截面,以允分利用材料的高,大IuI转半的特
点又使截面类过多.屋架再种杆件截面
见图5.
4.弦杆和腹杆的连接节点
用H钢制作的重桁架,一般将作弦
杆的H钢腹板水平放置,形成双腹壁连接
的腹杆体系.双腹壁重桁架严格遵守杆件
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重心轴线在节点处交于一点的要求,以免即使大的偏心也会使杆端产生显着的弯曲应力.腹板水平放置做成双腹肇连接的腹杆体系,因其连接要求,要使弦杆与腹杆的截面
等高,或截面高度相差不大,以便通过节点
板使桁架杆件内力在节点处通过翼缘板来传递,见图6(a),(b).这对杆件截面的选择
限制较大.且H型钢腹板水平放置时,桁架
与屋面檩条,下弦处的设备m架等联接节点较为复杂.奉T程将弦杆的H型钢腹板乖直7
,
}弦轩上弦杆
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赢杆一
图5屋架杆面截面图
(0)采用对接节点
放置,在弦杆与腹杆联接处加设劲板,弦杆与腹杆的腹板埘齐并采用剖口焊接,斜腹杆在连接节点处将截面放大,并以弧角处理腹板截面变高度联接处,使弦杆与腹杆连接处的应力平缓过渡,传力可靠,避免应力集中.详见图6(c).
5.支座节点
通过汁算可知,在重力倚载及温度影响
作用下,支座的最大水平位移可达28mm. 如采用常规的支座节点,支座处柱埘屋架有一
个水平约束;屋架对梓的反作用力将在框架柱顶处产生相当大的弯矩和剪力.为减少屋架对支承结构的水平推力,在支座处采用了橡胶垫支座(见图7).
常见的平板压力支座节点适用于温度廊
力影响大的平面桁架.单面弧形爪力支座,山于能微晕的转动和微景移动(线位移),改善了较大跨度的屋架山于挠度和温度应力影响的支座受力性能.但其构造较为复杂.板式橡胶支座是山多层橡胶片和薄钢板粘合硫化而成.它除了能将上部屋架的乖直集中力传给柱了外,还能适应屋架产生的微晕水平化移和转角.板式橡胶支座节点构图6连接节点详图
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造简单,经济,安装方便.奉T程采用氯
丁橡胶支座,要求硬度(邵氏)为60.±
5.,拉仲强度≥l8.36N/mm,扯断仲长率
≥450%,扯断永久变形≤25%,300%定
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仲强度≥7.84N/mm,脆性温度低于.25.
C,容许抗压强度【6】max=7.84-9.80N/ mm2,【6】min=1.962N/mm,极限破坏强
度>58.82N/mm2.支座平面尺,Ja×b=500 图7屋架支柱节点图
×500(mm),支座承载力F=2l60KN,
钢板总厚度TS:l8mm,支座总厚度
trS=78mm,支座抗滑最小承载力
Fmin=1039KN.
板式橡胶支座的设计计算方法另见有关
下册.
6.屋架分段设计
犀架总长50.2m,从加T到施T现场
难以运输,冈此将屋架分成两段加T制作, 送到现场后焊接拼装.分段化置设于跨中偏左l000～l800mm,分段运送时要求对悬臂杆件临时加同,避免运输时变形.拼接处H形钢翼缘板采用现场剖口焊,腹板则设连接板,用高强度螺栓连接同定后再施焊.
7.屋架杆件的计算长度和容许长细比
确定屋架弦杆和单系腹杆(两端与上下
弦杆相连,中间小与其他任何杆件相连的腹杆)的长细比.,?''腹杆不是通过节点板
而是直接与弦杆连接时,在任意平面内均取
其计算长度L.等于几何长度.弦杆在桁架
平面内外的计算长度取值见钢结构规范.构
件的容许长细比【】按钢结构规范,验算长
细比时一般按截面两个主轴方向或Iul转半径最小轴(斜轴方向)取值.承受静荷载的
受拉杆件,可仅计算其在竖向半面内的长细比.轴心受拉杆件需作强度,长细比计算:
轴心受压构件需作强度,整体稳定,局部稳定,长细比计算.压弯构件需作强度,整
体稳定,局部稳定,长细比,挠度位移变
形计算(必要时).
8.次弯矩
山于杆件内力大,杆件截面也会相应增
大.随着杆件截面的增大,并且腹杆连接节
点小采用节点板,而是氲接与弦杆焊接连
接,使得拼接连接节点的弹性刚度等于或大
于构件的弹性刚度,形成为刚性连接节点.
这使构件内的次弯矩的影响达到容忽视的
程度.我们将屋架连接节点按刚性连接与铰
接连接进行计算,比较,分析结果显示,山
于弯矩的影响,杆件的应力普遍有所增加,
且对同的受力构件的影响是小一样的.埘
上弦杆的廊力增加l4%～41%,且内力越大
的杆件虑力增加越多:埘下弦杆应力增加
8%-25%,但对内力越大的杆件席力增加越少:对受拉斜腹杆虑力增加6%～28%,埘
内力越大的杆件增加越少;埘受爪直腹杆应力增加3%～l1%,内力越大的杆件应力增加越少.并且在节点处出现较大的弯矩,参见
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核设计单位的质景.但在方法上却有值得商榷的地方,审图公刊是企业单位,止市场化
经营的道路,行使的却又是政府部门的职能."整改指令单"形式,一下了就将审
图公一J推到风口浪尖.首先从市场经济的角度考虑,丌发商,设汁院为了求其影响到
经济效益的企业形象,会打出人情牌或是施以恩惠,丁方百汁阻I卜审图公刊丌整改单. 再次,整改指令单并小能卜分科学地反映一个设计真正的质晕,有些设汁思路清晰,表
达完整,仅仅山于笔误而违反了某条强制性条义:而有些设计深度小够,表达混乱,
艮u使没有违反强制性条文的地方,那也是冈为没做到陔有的深度而没有显现出来;我们能说前者的设计质晕差于后者吗?面对这样的情况,我建议审图公刊在行使政府部fJII,q 能的形式可采取一些相埘模糊或者说是半公丌的方式.小要再用整改指令单这样敏感的宁样,就用审畲意见表,审核单之类的表
式,内容包括设计中违反强制性规范的地方,违反的条义号,以及其它设计中的差错等.经设计luJ复并修改设计后,审图人员最终对符专业的设计评定一个等级,评分方法应山主管部门依照仝市的设计质罱而定,例如,设计深度满足,图面表达清楚,无
(上接第22页)
四,结论
埘于50.2m跨度的重钢屋架,本T程
采用焊接H钢,弦杆腹板竖向放置,采用
杆件fbJ直接连接,小用节点板,是一种新颖的屋架形式,节点简洁,杆件数罱少,传
力直接可靠,构造简单,经济合理,施T
方便,外形美观,便于维护,便于檩条,
重违反规范的可定为优:深度一般,图面
表达一般,且有数条违反规范的为良……以此类推,视情况还可将分值细化.符专业评定等级之后再按加权平均的方法(主导T种的权重相对大一点),最终埘设计评定等级,山审图公一J卣接上报到主管部门,作为埘设计单似的考核依据.采用这样的方法, 可使得埘设汁质吊优劣的评定更加科学化, 且小容易受外力的干扰,更如实地反映设计的质景.设计单位如果有疑义,那意见表作为归档资料也能做到有证可循.
审图制度刚刚才小长时问,尚有许多问
题值得商榷,许多足尚须完备,一切都象
是摸着石头过河,包括像责任承担,收费标准,这样的大问题仝国都没有一个统一,市
场上小和谐的声音也有很多.审图的效果和
成绩小是那么显而易见的,冈为发生事故都
是出乎意料的,看着一幢幢高楼拔地而起,
人们记住的是伟大的设计者,建造者,而在
幕后吹毛求疵挑毛病的都是默默无闻的.但
是值得庆幸的是,这个制度已经确立,多
问题也在逐步改善.最重要的是近两年来,
经过审图以后所建造的建筑物还没有在自然
状况下发生坍塌等恶性事故,有效地保障了
国家的财产和人民的生命安仝.
悬拌件连接.奉T程埘此作了有益的尝试,
可供T程界同行借鉴.
参考文献:
1.冶金部建筑研究总院,马鞍山钢铁股份仃
限公一d,热轧H型钢设计用于册.中国计划{lI版礼,l998
2.李和华主编,铡结构连接节点设计丁册,中
国建筑_T业出版社,l997
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