钢结构设计要点

1设计资料
1.1结构形式
某厂房跨度为24m，总长90m，纵向柱距6m，采用梯形钢屋架，无盖体系为无檩屋盖，钢筋混凝土柱，预应力混凝土大型屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，柱的混凝土强度等级为C30，屋面坡度为i=L/10。

地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为8度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台150/30t。

1.2屋架形式及选材
屋架跨度为24m，屋架形式、几何尺寸及内力系数（节点荷载P=1.0作用下杆件的内力）如附图所示。

屋架采用的钢材及焊条为：设计方案采用Q345钢，焊条为E50型。

1.3荷载标准值
（1）永久荷载：
三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4 KN/m2
水泥砂浆找平层 0.4 KN/m2
保温层 0.55KN/m2
一毡二油隔气层 0.05KN/m2
水泥砂浆找平层 0.3 KN/m2
预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/m2
屋架及支撑自重(按经验公式L
.0+
=计算) 0.384KN/m2
12
q011
.0
（2）可变荷载：
屋面活荷载标准值： 0.7KN/m2
雪荷载标准值： 0.35KN/m2
积灰荷载标准值： 1.3KN/m2
2支撑布置
2.1桁架形式及几何尺寸布置
拱50
24米跨屋架几何尺寸
117
24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'+3.48
0.000-6.25
-9.04
-9.17
-7.38-6.09
-7.38
-4.49
-2.470.00
0.00
-6.
5
3
-3.1
4+0
.71
+1
.55
+1
.39
+1
.56
+1
.80
+2
.12
+4.76+1.
90-0.
45
-2.
47
-1.53
-1.
7
5
-2.03
-2.
34
-1.
0-1.
0-1.
00.00
+0.
970.
000.00
-0.5
+8.0
+9.34
+8.44+5.31+6.73+3.53
+1.25
B
C
D
E F G
H I H 'G 'F '
E 'D 'C 'B 'A '0.5 1.0
1.0
1.0
1.0
1.0 1.01.0
1.0
i
24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
根据车间长度90m ，屋架跨度m l 24=荷载情况以及吊车布置情况宜设置三道上、下弦横向水平支撑。

考虑到柱网的布置情况，因为第一柱间间距小于6m ，因此厂房两端的横向水平支撑设在第二柱间。

在第一柱间的上弦设置刚性系杆保证安装时上弦的稳定，下弦设置刚性系杆以传递风荷载。

在设置水平支撑的柱间，在屋架跨中及两端，两屋架间共设置三道垂直支撑。

屋脊节点以及屋架支座处沿厂房通常设置刚性系杆，屋架下弦跨中通长设置一道柔性系杆。

凡与支撑连接的屋架编号为2GWJ -，其余编号均为1GWJ -，其中屋架间距取15m ，两端和中间共8榀屋架。

2.3荷载计算
屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。

沿屋面斜面分布的永久荷载应乘以1.35换算为沿水平投影面分布的荷载。

标准永久荷载值：
三毡四油防水层： 1.35×0.4=0.54kN/m2
水泥砂浆找平层： 1.35×0.4=0.54kN/m2
保温层： 1.35×0.55=0.74kN/m2
一毡二油隔气层： 1.35×0.05=0.068kN/m2
水泥砂浆找平层： 1.35×0.3=0.405kN/m2
预应力混凝土大型屋面板： 1.35×1.4=1.89kN/m2
屋架及支撑自重： 0.518kN/m2
悬挂管道： 0.15kN/m2
共 4.701kN/m2可变荷载标准值：
屋面活荷载标准值（大于雪荷载）： 0.98kN/m2
积灰荷载标准值： 1.82kN/m2
共 2.66kN/m2 设计桁架时应考虑以下三种荷载组合：
2.4全跨永久荷载+全跨可变荷载
屋架上弦节点荷载（端点荷载取半）：
P=(4.701+2.66）×1.5×6＝66.249kN
2.5全跨永久荷载+半跨可变荷载
有可变荷载作用屋架上弦节点处的荷载：
=4.701×1.5×6＝42.336kN
P
1
无可变荷载作用屋架上弦节点处的荷载：
=2.66×1.5×6＝20.16kN
P
2
2.6全跨屋架与支撑+半跨屋面板+半跨屋面活荷载
全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载：P
=0.518×1.5×6＝4.662kN
3
作用于半跨的屋面板及活载产生的节点荷载：取屋面可能出现的活载
=（1.958+1.12）×1.5×6＝27.702kN
P
4
3内力计算
经计算P=1作用于全跨、左半跨、和右半跨，屋架杆件内力系数，求出以上三种荷载组合下的杆件内力，列于表3.1所示，选取最大的杆件内力进行杆件设计。

表3.1 屋架杆件内力计算表
4杆件设计
4.1上弦杆
整个上弦架采用等截面，按杆件最大设计内力设计。

（受压）N N -948060-948.06kN ==
上弦杆计算长度：
在桁架平面内，为节间轴线长度：cm l ox 8.150=
在桁架平面外，根据支承布置及内力变化情况，取：cm l oy 300= 因为2l 0x ≈l 0y ，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=-948.06kN ，查表得，节点版厚度选用10mm ，支座节点板厚度用12mm 。

设λ=60查附录得807.0=ϕ。

需要截面积： A req =N/f=554300/（0.807×215）=3194.72mm 2
需要的回转半径： i=l ox /λ=1508/60=25.13mm ； i= l/＝3000/60＝50mm
根据需要的A ，ix ，iy 查角钢规格表，选2L125×80×10， A=2×19.7×100=3940mm 2、i x =22.6mm 、
i y =61.1mm
，按所选角钢进行验算：
截面验算：＝l/ i ＝1508/22.6=79.87<［］＝150(满足) y λ＝l/ i=3000/61.1=49.10<［］＝150(满足)
b/t=125/10=12.5＜0.58×3000/125=13.92 所以近似取==49.10＜=79.87，==79.87
查表4.2得＝0.688
由N/A=554300/(0.688×3940)＝204.48N/ <215(满足) 故上弦杆采用2 L125×80×10短肢相并
4.2下弦杆
整个下弦杆采用等截面，按最大内力N=948.06KN计算
l＝300cm l=1800/2=1200cm
由附表7.6选2 L125×80×12短肢相并a=10
A＝2×23.4＝46.8 cm，i ＝2.24cm ，i＝6.16cm
=948060/4680= 202.58N/ < 215(满足)
＝l/ i＝300/2.24=133.93<［］＝350(满足)
＝l/ i=1200/6.16=194.81<［］＝350(满足)
故下弦杆采用2 L125×80×12短肢相并，如下图：
4.3腹杆aB
N=-554.3KN，l
0x =0.8l=0.8×2535=2028mm，l
0y
=2535mm
选用截面2L90×12 a=10 截面几何特性：
几何面积：A=40.62cm2
回转半径：i
x =2.71cm，i
y
=4.17cm
长细比：
b/t=90/12=7.5＜0.58×253.5/9=16.3
故，
因>，只需求，查表得=0.722
则=554300/0.722×4062= 189N/ < 215(满足)
所以选择截面为2L90×12的等肢角钢，肢背间距为a=10mm，如下图：
4.4斜腹杆gH
按压杆计算：N=-42.29KN，l
0x =0.8×339.6=271.68cm，l
0y
=339.6cm，
选用截面2L63×6 a=10 截面几何特性：
几何面积：A=14.58cm2
回转半径：i
x =1.93cm，i
y
=2.98cm
长细比：
b/t=63/6=10.5＜0.58×339.6/6.3=31.3
故，
因>，只需求，查表得=0.342
则= 42290/0.342×1458= 84.81N/ < 215(满足)
按拉杆计算：
N=43.03KN
=43030/1458=29.52（满足）
所以采用等肢角钢2L63×6，如下图所示
4.5腹杆Bc
N=429.97KN，l
0x =0.8×260.8=208.6cm，l
0y
=260.8cm
选用截面2L90×8 a=10 截面集合特性：
几何面积：A=21.28cm2
回转半径：i
x =2.79cm，i
y
=4.05cm
长细比：
承载力验算：
=429970/2128=202.05N/mm2< 215(满足)
所以选择截面为2L90×8的等肢角钢，肢背间距为a=10mm，如下图：其余截面选择见下表：
杆件名称杆
件
号
内力设
计值
（kN）
计算长度
所用截面
截面
积
(cm2)
计算
应力
（N/
cm2）
容许长
细比
[λ]
填板数l
0x
(m
m)
l
0y
(mm
)
上弦杆FG
、
GH
-953.6
9
1508 3000
2 L125×80×
10
39.4
204.
48
150
每节间
1
下弦杆gi 948.06 1500 12000
2 L125×80×
12
46.8
202.
58
350
每节间
1
腹杆aB
-554.3
4
2535 2535 2L90×12 40.62
189.
00
150 2 Bc 429.97 2086 2608 2L90×8 27.88
202.
05
350 2 cD
-339.9
8
2287 2859 2L90×12 40.62
127.
2
150 2 De 231.24 2287 2859 2L90×8 27.88
82.9
4
350 2 eF
-153.7
4
2503 3129 2L90×12 40.62
62.5
6
150 2
5节点设计
选用E50焊条，则焊缝的抗压、抗拉和抗剪强度设计值为：f 200/w f N mm =，设计时考虑无引弧的影响。

腹杆最大内力554.3KN ，查表7.4选用中间节点板厚度12mm ，支座节点板厚度14mm 。

① 、上弦“B ”节点（见附图） 计算腹杆的杆端焊缝。

N Ba =-554.34KN ；N Bc =429.97KN ；
设“Ba ”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为h f =10mm 和h f =8mm
2554340/320.710200210184.98w l =⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=肢背： 取190mm 1554340/320.7820028119.11w l =⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=肢尖： 取120mm
设“Bc ”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为h f =8mm 和h f =6mm
2429970/320.7820028179.68w l =⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=肢背： 取190mm 1429970/320.7620026118.64w l =⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=肢尖： 取120mm
验算上弦杆与节点板的连接
假定上弦杆的形心线至肢背的距离为30mm ，上弦节点板的上边缘缩进上弦肢背10mm ，肢背采用塞焊缝。

，由斜杆焊缝确定的节点板尺寸，得节点板长度是： 410mm ，则焊缝的计算长度为。

则肢背焊缝强度为：
肢尖焊缝承担上弦杆内力差
偏心力矩M=544970×95=36.41×10N/mm 选择，则
则肢尖焊缝强度为：
22141.72/200/N mm N mm ==〈 都满足要求。

② 下弦节点“c ”
N cD =-339.9KN ；N Bc =429.97KN ；N Cc =-62.50KN 计算腹板与节点板的连接焊缝
B-c 杆肢背及肢尖焊脚尺寸分别取h f1=10mm ，h f2=8mm ，则所需焊缝长度（考虑起灭弧缺陷）：
2429970/320.710200210147.97w l =⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=肢背： 取160mm 1429970/320.782002895.98w l =⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=肢尖： 取100mm 腹杆cD 杆肢背及肢尖焊脚尺寸分别取：h f1=10mm ，h f2=8mm
2339900/320.710200210121.16w l =⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=肢背： 取130mm 1339900/320.782002879.22w l =⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=肢背： 取90mm
Cc 杆因内力很小，焊缝尺寸可按构造确定为5mm 。

验算下弦杆与节点板的连接
内力差ΔN=720.58-295.61=424.97KN 。

由斜腹杆焊缝决定的节点板尺寸，得实际节点板长度为430mm ，肢背及肢尖焊脚尺寸均取为6mm ，则计算长度l w =430-12=418cm 。

肢背焊缝应力为：
③ 屋脊节点
弦杆杆端受力不大按照构造要求设置焊缝，取h f =5mm 。

弦杆与节点板连接焊缝受力不大，按构造要求决定焊缝尺寸。

上弦杆采用2L125×80×12拼接角钢采用与上线相同的角钢，热弯成型，拼接角钢除倒棱外，竖肢需切去，取，切肢后剩余高度为h-=75mm ，角焊缝用h f =8mm ，按轴心受压等强度设计。

则上弦杆件与拼接角钢肢尖在街头一侧的焊缝长度为:
712400
636.10.70.710200
w w
f f N l mm h f =
==⨯⨯∑ 共有四条焊缝，认为平均受力，每条焊缝实际长度：
采用拼接角钢半长为179+5=184mm ，总长l=2184=368mm ，取实际长度为2200=400mm 。

④ 、支座节点“a ”
N Aa =-31.25KN 、N aB =-554.3KN 、N ac =295.61
1、 腹杆焊缝设计
a B 肢背取190mm ，h f1=10mm 肢尖取120mm ，h f2=8mm 。

Aa 杆内力较小取构造要求，h f2=5mm ，肢尖肢背取l=70mm 。

ac 杆设肢背焊缝厚度h f1=8mm ，h f2=6mm
2295610/320.7820028125.98w l =⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=肢背： 取140mm
1295610/320.762002685.31w l =⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=肢尖： 取100mm
2、根据端斜杆和下弦杆杆端焊缝，节点板采用—390×280×12。

为便于施焊。

且在支座设加 劲肋—140×12，高度为290mm 。

（1） 板底计算
支座反力：R=8×62.5=500KN
柱采用C30混凝土，所需板底净面积为 A
n
=500000/14.3=349.65cm2锚栓直径采用d=25mm，锚栓孔直径为50mm，则所需底板面积：
A=A
n +A
=349.65+2×3×5+3.14×52/4=419.28cm2
按构造要求采用底板面积a×b=28×28=784cm2>419.28cm2，锚栓垫块采用—100×100×20，孔径26cm。

底板实际应力：
A
n
=784-2×3×5-3.14×52/4=734.4cm2
q=500000/73440=6.81N/mm2
a
1
=（140-12/2）×√2=189.5mm
b 1= a
1
/2=94.8mm
b 1/a
1
=0.5，查表得：ᵦ=0.056，则：
M= ᵦqa2=0.056×6.81×189.52=13694.7Nmm
所需底板厚度：t===20.02mm
用t=22mm，底板尺寸为280×280×22。

（2）加劲肋与节点板连接焊缝计算：
一个加劲肋的受力为支座反力的1/4，则焊缝受力
V=R/4=500000/4=125000N
e=b/4=7cm
M=125000×70=8750000N/mm
验算焊缝应力：加劲肋尺寸取为290×140×12。

采用h f=6mm，验算焊缝应力：对V
对M
肢尖焊缝强度为q==90.00<160N/mm
（3）、节点板、加劲肋与底板焊缝计算：
初选=10mm,
则实际焊缝总长度:
2a+2(b-t-2c)-12hf=2×(28+28-10-2×1.5)-12×1=84cm,
焊缝设计应力为：
=R/0.7hf=16.5N/<1.22×160=195.2N/。

底板详图：
附图节点大样：1、节点“B”详图：
2、节点“A”详图：
3、节点“c”详图：
4、节点“C”详图：
5、节点“a”。