钢桁架案例:工业车间运输连廊(一)
诗酒趁年少啊
2024年03月18日 23:46:05
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一.连廊结构构成 2榀竖向桁架,承受竖向荷载;2榀水平桁架,承受水平风荷载,水平桁架的设计往往会被忽略,4榀桁架相当于一个“笼子”,类比为两端支撑的简支梁。现在设计都采用三维有限元计算,分来算只为了建立力的传递概念。 从竖向桁架平面上看,竖向桁架是支撑在两端的支撑结构上,相当于简支梁,两边一个是铰支座一个是滑动支座,当桁架有角度时,铰支座往往在较低的一侧,地震作用下连廊传给支撑结构的水平力引起的弯矩效应才会小,因为滑动支座是不能传递水平力的。走廊内有设备行走、人行通道,故走廊底有支撑梁,支撑梁两端挂在竖向桁架的节点上,用螺栓连接于下弦杆,连接方式参照悬挂吊车轨道梁,上部也要做屋面围护。

.连廊结构构成

2榀竖向桁架,承受竖向荷载;2榀水平桁架,承受水平风荷载,水平桁架的设计往往会被忽略,4榀桁架相当于一个“笼子”,类比为两端支撑的简支梁。现在设计都采用三维有限元计算,分来算只为了建立力的传递概念。

从竖向桁架平面上看,竖向桁架是支撑在两端的支撑结构上,相当于简支梁,两边一个是铰支座一个是滑动支座,当桁架有角度时,铰支座往往在较低的一侧,地震作用下连廊传给支撑结构的水平力引起的弯矩效应才会小,因为滑动支座是不能传递水平力的。走廊内有设备行走、人行通道,故走廊底有支撑梁,支撑梁两端挂在竖向桁架的节点上,用螺栓连接于下弦杆,连接方式参照悬挂吊车轨道梁,上部也要做屋面围护。

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水平桁架承受风荷载,将荷载传递到两端,故走廊两端要设置刚架,抵抗水平力,刚架也要承担一部分竖向荷载,当端部腹杆也使用上升式时则会增大刚架的竖向荷载,一般来说刚架主要是刚度的贡献,刚架的应力水平不要大于0.5,期望其达到加强刚度的作用。


.构件布置

1.空间尺寸的确定

从结构角度,桁架高度一般荷载情况下取跨度的1/10~1/14

根据甲方要求,对尺寸的净空要求等,例如净高空要求2.8m,竖向桁架弦杆双角钢重心线之间取2.8m一般能满足,端部刚架使用H型钢就有可能挡住净高,需要将尺寸放大,例如净高按2.93m来设计,中部的桁架也一起放大。同样道理对于净宽也是,另外对于桁架两端要预留抗震缝,防止与结构构件或围护相碰。

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2.桁架杆件排布

确定节间个数,一般取偶数个,通过总跨度、腹杆夹角以及设备的集中力来确定,设备集中力宜作用在节点处。

腹杆排布,斜腹杆35~55°,斜腹杆受拉,竖腹杆受压,端部斜腹杆受压直接传力给支座。

3.截面选择

(1)弦杆:一般不断开通长取截面

①构造:长细比限值控制【钢标表7.4.6、抗规10.2.14】。

②经验取值:例如型钢桁架的弦杆,截面高度一般取节间宽度(杆件长度)1/20~1/30,荷载较小时,截面高度可以取小一点。

从受力角度,上弦和下弦杆件的力形成力偶平衡弯矩,所以上下弦的力绝对值差不多,只不过一个受拉一个受压,受拉弦杆为强度问题,而受压弦杆为稳定控制,在受力相同下,受压弦杆的截面肯定会更大一些,会比受拉弦杆高1~2级,或者肢厚会厚一些。强度问题在新钢标中为毛截面屈服和净截面断裂,主要是高强度钢材的推广,高强度钢材的抗拉强度与屈服强度的比值不大,而低强度比值则比较大,故老规范只有净截面断裂的问题。

(2)腹杆:分段取,中部剪力较小,两端剪力较大,可以分级布置。

①先结合钢标和抗规的长细比控制,不够再加

②双角钢一般不小于2L63x6

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十字型双角钢】由于已经有单角钢了,故【钢结构连接节点设计手册第四版】及其他手册没有给出十字型双角钢的截面参数。

T型双肢角钢组合截面,x-x是弱轴,而由于对称关系,十字型的x-xy-y轴回转半径与T型截面的y轴一样。

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十字型的u-u轴的回转半径与单角钢一样,单角钢的u-u轴是最强轴,通过极惯性矩定理lx+ly=lp,可以知道ix2+iy2=iu2+iv2=定值。故能求出双角钢的u-u轴和v-v轴的回转半径,从结果来看十字型的u-u轴回转半径最小,最弱轴,因此在选择十字型截面时,只关注u-u轴,即关注单角钢的u-u轴是否满足要求。

例如50x6角钢:2L50x6填板厚6mm, ix=1.53cmiy=2.32cm,十字型ix=iy=2.32cm,单角钢iu=1.91,故十字型iu=1.91cmiv=2.67cm。十字型最弱轴u-u轴回转半径1.91cm1.53 cm (T型最弱轴)

十字型的最弱轴u-u轴回转半径也比T型要大,所以十字型截面更有利,更经济

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.荷载计算

对于桁架来说,要把荷载均折算成集中力作用在节点上。

1.上弦荷载计算:

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屋盖、檩条、上弦支撑自重:一侧节点的集中力=上弦平面投影宽度*节间宽度*面荷载/2

上弦平面投影宽度肯定是大于设计宽度,还包括额外的墙面板厚度、屋面板挑出长度。例如两竖向桁架中心距4.3m,考虑后按4.9m来算荷载。屋面和檩条自重一般可取0.2 kN/m2,上弦支撑自重可取0.1kN/m2,合计0.3 kN/m2

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屋面活载:按照不上人屋面取为0.5KN/m2,还有积灰荷载/雪荷载。一侧节点的集中力=上弦平面投影宽度*节间宽度*面荷载/2

墙面围护系统自重:一半往上节点,一半往下节点。单侧一个节点=墙面高度*节间宽度*面荷载/2

墙面高度,肯定是大于中心距,包括屋面挑出,下挂的支撑走道梁。例如中心距2.9m,算下来3.2m3.3m左右,走道梁可以先提前算出截面高度。墙面板和墙梁(檩条)自重取0.2 kN/m2

④桁架本身自重:一般例如STS会自动计算。

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2.下弦荷载计算

①下弦走道板、走道梁及面层自重、下弦水平支撑:=下弦一侧节点的集中力=下弦平面投影宽度*节间宽度*面荷载/2

板一般为预制板,重度可以取25.5kN/m3,板重=25.5*板厚,面层可按水泥砂浆考虑20kN/m3。下弦水平支撑可取0.1 kN/m2

②墙面围护系统自重:一半往上节点,一半往下节点。单侧一个节点=墙面高度*节间宽度*面荷载/2,与上弦一样。

③设备的恒载和活载,一侧桁架下弦的一个节点=设备荷载(一般是线荷载)*节间宽度/2。任务书的荷载是否已考虑动力系数,需要与甲方确认,动力系数可取1.3,可按【荷规5.6】。

④走廊内活载,一侧桁架下弦的一个节点=走道活荷载*走道净宽*节间宽度,走道净宽为单侧的宽度。走道活荷载根据任务书或者荷载规范。


3.额外荷载:一些由于生产工艺设备等。

例如在工业运输连廊中,端部有重锤设备,阅读相应的工艺图纸和任务书,确定设备的位置,在分割桁架节间以及确定节点位置时,首选的当然是将节点设置在设备之下,使设备的荷载直接传至节点,方便传力。当然也有情况下不能直接传至节点,通过设置主次梁的方式将设备荷载传至桁架节点,总的来说,尽量使得桁架不要成为拉弯/压弯构件。

例:在最右的节间上,有如图4个支座(重叠),按之前节间的布置,已经将一个支座的力的力可以直接通过支撑梁传给两侧节点,另外两个支座则需要布置次梁。

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如图结构布置图,在另外两个支座上布置次梁,使荷载通过次梁传递给支撑梁(走道梁)和刚架梁,再传给桁架节点。假设4个支座平摊荷载F,每个支座荷载为0.25F,那么①和③支座为0.25F+Fb/l,②和④为Fa/l(根据力距分配),再通过梁传递给桁架。


.PKPMSTS参数设置及计算结果(以钢结构桁架连廊为例)

1.结构类型参数

结构类型:此设置主要是会自动选取系统默认的阻尼比,问题不大,阻尼比也可以自己选。

②设计控制参数,自动确定容许长细比(系统自动结合钢标和抗规)、挠度只控制跨中,查【钢标附录B

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2.总信息参数

①截面板件宽厚比等级:按设计选取,桁架默认选S3

净截面和毛截面比值:是为了考虑截面削弱的影响,焊接可以取0.95/0.9、螺栓可以取0.85

③自重计算放大系数FA:考虑节点板用钢重量的放大,一般统计扩大为5%~10%,取1.1即可。

④钢柱计算长度系数确定方法:有侧移和无侧移是针对框架柱来说的,桁架选择无侧移。

⑤总体参数:如图即可

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3.地震计算系数

①抗震等级:对于静定简支桁架选择不抗震,抗震等级也是对于框架来说的,用于体系框架延性。

②计算振型个数:听说STS计算不准确,默认3

③周期折减系数:轻型桁架没有填充墙,不能折减,取1

④阻尼比:【抗规10.2.8

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4.约束及支座设置

采用非H型钢截面,例如双角钢组合截面,在节点处,所有杆件都设置为铰接,形成二力杆。而实际中H型钢截面节点为焊接,接近于刚接,会引起次弯矩,故不能单纯的设置为二力杆。

5.结果调整与查看

(1)查看

对于拉杆看强度计算,稳定的结果全为0;对于压杆看稳定结果,因为压杆基本由稳定控制,在应力比上,稳定的结果一般都比强度的大。

强度计算应力比,0.14表示效应与抗力的应力比为0.14

平面内稳定应力比(对应长细比)0.33(119)

平面外稳定应力比(对应长细比)0.29(110)

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(2)调整

①无论是对于拉杆(看强度应力比)或压杆(看稳定应力比),一般计算后数值≤0.85(具体数值看设计院做法),一般考虑风荷载作用,可能有0.05的波动;不满足时增大杆件截面,增大截面优先增大肢长(省钢材),例如原本L125x10,选L140x10比好L125x12,但钢筋肢长尽量<160,比较难采购。

②初步建模长度系数默认取1.0,现在仍可以进一步深化按规范取值,内腹杆平面内可取0.8

③对于压杆应力比小于0.5,压杆长细比限值可放宽至200,还不满足则增大截面。



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