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）

mm，取180mm

mm,取130mm

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，槽焊缝强度设计值乘以0.8的折减系数。计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得到：

mm,mm

上弦与节点板间焊缝长度为480mm，则

=126.16

上弦肢尖角焊缝的切应力为