钢桁架案例：工业车间运输连廊（二）

五.节点验算(节点板)

1.连接计算

对节点处的连接焊缝或连接螺栓进行验算。

①对于上弦与腹杆的节点，对于不同的弦杆和节点板连接形式有不同的计算公式，详见【钢结构连接节点设计手册第四版4-17~4-19】，对于上弦中部节点的焊接方式有三种：1)节点板低于弦杆，塞焊；2)节点板端部突出，角焊，中部塞焊；3)节点板全部突出弦杆，角焊。

【4-17-(1)对于节点板低于弦杆，使用塞焊】：肢背焊缝假定只承受节点集中荷载(全部)，肢尖焊缝不承受集中荷载，承受左右弦杆内力差引起的剪力△N，还有剪力作用于形心轴，故对肢尖还有偏心弯矩△e，故肢尖焊缝还要算弯矩和剪力的复合应力。

【4-17-(2)对于节点板端部突出，端部使用角焊，中部塞焊】：肢背只计入端部的角焊缝。肢背和肢尖各承受一半节点集中荷载，按角焊缝分配系数分配不平衡轴力。对于节点集中荷载做了简化使集中荷载垂直作用于焊缝，故不平衡轴力和节点集中荷载进行SRSS组合(平方和后开方)。

【4-17-(3)对于节点板全部突出弦杆，使用角焊】，与第(2)种一样，肢背全是角焊缝，全要。

②【4-18无节点集中荷载的下弦中间节点】：计算公式更简单，只有不平衡了，不用SRSS了

③【4-20拼接计算】：由于钢结构很长，在工厂预制不可能都弄好，要分段运输再组装。一般来说将节点板、所有的腹杆、一侧的弦杆先焊一起(尽量用焊接)，在施工现场再与另一根弦杆组装。

两根弦杆用与弦杆同号的角钢来连接，并将垂直肢切去30mm，才能在拼接角钢和弦杆外侧焊接，不切不好焊，底下还有2条焊缝，共4条焊缝。“节点板通常不考虑作为连接件受力，而仅考虑拼接角钢垂直肢的切去部分由节点板来补偿”，这句话的意思是中部没有焊缝，只靠两根拼接角钢来传力，这两根拼接角钢被切割有削弱，此时用节点板来补偿这一削弱，很显然肯定是能补偿的，例如拼接角钢两侧共被切去60mm，当使用L100x10的角钢，节点板则有100mm＞60mm，故能补偿。

对于受压弦杆，取相邻节间(左右弦杆)的最大内力计算角焊缝；对于受拉弦杆，按弦杆净截面面积等强度条件计算。受压时只要满足强度条件就行，因为一般在强度破坏之前由稳定来控制，对于受拉则采用等强度，即受拉破坏时能保证拼接处不会先破坏。        

2.节点板计算

对于拉杆需要计算节点板强度，对于压杆不会出现强度问题，斜腹杆需要计算节点板与杆件稳定问题，直腹杆一般不会失稳，直腹杆端部与弦杆构件边缘之间的节点板孔隙较小，一般只有20mm。

①强度计算

节点板的强度计算按【钢标12.2.1、12.2.2】，由公式可以看出要先确定了焊缝或者螺栓的布置之后才能算，对于节点板的确定是在连接计算之后进行。但一般节点板强度的计算很少进行，通过了大量的研究形成了一个节点板厚度选择表，直接查表就行。

节点板计算和选择见下图，腹杆两端节点板厚度不一样，没关系2mm完全能通过焊缝解决，不会有缝隙。

②稳定验算

稳定按【钢标12.2.3、附录G】。竖腹杆在构造上提升了很多，起到加劲的作用。STS对于这类节点板稳定计算，是没有的，一般来说很少出现稳定不满足构造的情况，故在一些复杂节点上要手算复核，计算公式按【钢标附录G】。

③构造

构造按【钢标12.2.4，附录G.0.3】。

3.STS参数输入

①节点板、支座板板厚(支座板为支座处的节点板)

②支座垫板、支座底板板厚：参照【钢连4-23】

③支座底板的长度和宽度：参照【钢连4-23】

④与节点板连接焊缝：可取支座垫板厚度的一半

⑤构件间最小间距：可取20mm

⑥节点板边缘与腹杆轴心最小夹角：按【钢标12.2.4】取15°

4.结果详情

取上弦节点为例，弦杆与节点板采用塞焊。

用STS打开节点1a，即可看到计算过程，也可以用Excel手算，焊缝的取值可以为承载力有15~20%的富余。

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六.节点绘制

根据计算得到的各杆件与节点板的焊缝长度来绘制节点板的形状，遵循以下几点：

①根据连接方式确定轴线，详情见钢结构03-五。

②计算出所需的焊缝尺寸，根据碰撞关系，杆件之间的净距、腹杆外侧与节点板的净距至少为20mm

③节点板做成异形板时要满足节点板边缘与腹杆轴心最小夹角为15°(尽量大一点)，节点板做成矩形板时就比较简单。

④标注焊脚尺寸

⑤因为对于斜腹杆来说，肢背焊缝要比肢尖长度大，因此可以适当将肢尖减去，使得整个腹杆离节点中心更近，有利于受压腹杆的稳定问题，切肢长度不要超过杆件截面长度的一半。

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七.水平桁架计算

(1)截面选择：水平桁架主要用于抵抗风荷载，竖向桁架的弦杆也是水平桁架的弦杆，将竖向桁架计算并选好截面后，水平桁架弦杆直接运用此截面。对于竖腹杆、水平支撑、端部钢梁则需计算选截面。水平支撑一般按单拉杆设计，一旦出现受压则不考虑此杆件(单拉杆会比较省，整体刚度会减小但影响不大，考虑受压时稳定控制会增大构件截面，)；中部节点板处可竖腹杆和水平支撑全部断开按铰接计算(竖腹杆也可以不断开)，但三维计算时竖腹杆必须通长，否则结构是个机构，现实中此节点与走道梁节点是一样的，竖腹杆通长，水平支撑断开。端部节点板处全部铰接。

(2)风荷载计算

取整个结构侧面作为受风面，此结构中为3.65m，每个弦杆节点受荷长度即为节间宽度。按照【荷规8.1.1】计算，其中风荷载体型系数按【荷规表8.3.1】选取，表中也有桁架的，但适用于露天，对于封闭结构，还是按“封闭式房屋和构筑物”来选。

例：算出基本风荷载标准值w_k，每个节点的集中力=w_k*3.65*2.5/2，其中2.5为节间宽度，/2指的是分摊到上下两个水平桁架。

(3)计算结果及分析

由于水平桁架相当于平躺的简支梁，在水平风荷载作用下，例如此例中走廊跨度24m，宽度4m，也就相当于简支梁梁高4m，跨高比只有6左右，所以本来风荷载就很小，故弦杆的内力会很小。当走廊宽度只有2m，根据抗弯刚度bh³/12，则抗弯刚度为原来的1/8，那么弦杆的内力就要×8，此时风荷载的影响就很大了。故对于窄的连梁，风荷载影响是很大的。

计算出结果后，对于弦杆，要与竖向桁架的计算结果相叠加。因为水平、竖向桁架的弦杆是同一个构件，且是二力杆。最好还是要用三维软件来计算。

(4)竖向桁架、上部水平桁架竖腹杆的加强

因为屋面的恒活荷载会通过檩条的檩托传给上部水平桁架竖腹杆，这是一个平面外的荷载，故本质上竖腹杆是压弯构件，计算时仍按双角钢组合截面，后面再用槽钢替代一个角钢，提高其抗弯能力，做强安全储备，另一方面方便与檩条的连接。对于侧面竖向桁架的墙梁作用在竖腹杆上是一样的，不过只在结构1/3处加强，没必要每个竖腹杆都加。

简单的校核：已知上部水平桁架的某竖腹杆在风荷载下轴力为17KN，屋面恒荷载0.3kN/m²，活荷载雪荷载积灰荷载取大值为0.5kN/m²，基本组合后按简支梁算出弯矩。利用STS工具箱的柱构件设计。

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八.其他计算

1.填板计算：【钢标7.2.6】

对于组合截面，例如双角钢T形截面，要设置填板。填板尺寸超出杆件截面20mm，填补宽度最小60mm(一般采用最小的焊缝高度hf=6mm，故焊缝长度为10倍焊脚尺寸)，填板的间距受拉构件不超过80i，受压构件不超过40i且不少于2个。对于十字型截面，一般是放3个，利于对称。

2.桁架与端部刚框架的连接

①上弦端部节点

采用斜腹杆受压传力时，上弦端部节点杆件受力很小，基本上按构造。

②下弦端部节点

采用斜腹杆受压传力时，此处的腹杆受力比较大，节点板和杆件的连接计算与上弦中间节点一样。节点板与钢框架柱的连接：首先搞清楚钢框架柱采用的截面形式，一般为H型钢，主要抵抗水平力，故H型强轴受弯在桁架平面外，所以节点板与框架柱的腹板相连接，一般与腹板都是采用满焊，传力能满足要求，节点板直接连至柱脚。

3.柱脚

整个钢连梁为简支梁，在连梁低处为铰支座，需要承担水平力和竖向力。

柱脚需要抵抗水平力，一般采用永久螺栓和焊接，但只计入焊接，相当于螺栓为第二道防线，安全储备，螺栓和焊接是不宜共同使用的，这个不宜指的是不能一起计入承载力，因为焊缝的延性很差，变形较小，一破坏就失效，受力过程中焊缝先发挥作用，往往很多时候焊缝都破坏了，螺栓还没发挥作用，故只计入焊接的抗剪承载力。

①采用混凝土支撑结构时，在支撑结构处做预埋件，预埋锚栓。在柱脚底板上钻孔，孔径为锚栓直径的1.5倍，例如M20锚栓要开30mm的大孔，并且还要布置垫板，垫板也围焊一圈，垫板围焊主要是能固定螺栓，使垫板能传递水平力螺栓能承受水平力，因为开的是大孔，不加垫板的话螺栓会有位移，但螺栓的抗剪比较弱，故将柱脚底板四周围焊在预埋件上，计算时也只考虑柱脚底板的围焊。

柱脚底板厚度至少16mm，一般用20mm以上。尺寸在柱脚型钢边缘外扩20~30mm。对于直接支撑在混凝土上，还要计算局部承压，不满足时要扩大柱脚底板，钢结构支撑或者混凝土预埋件则不需要，一般来说按构造。

【垫板的设计】垫板设计按【钢标11.5.1、11.5.2】，垫板主要螺栓边距来控制，例如采用M20的螺栓，螺栓孔d₀为22mm，垫板尺寸要满足螺旋孔中心至构件边缘距离为2d₀，即整个垫板至少要4d₀，即22*4=88mm。但STS一般按1.5d₀来控制即22*3=66mm，取70mm的垫板，一般取80mm左右。另外d0不是实际开孔的大小，垫板厚度规范没有要求，厚度随着柱脚底板相应增大，一般不小于0.7底板，底板30mm则垫板取20mm。

②采用钢结构支撑结构，支撑在钢梁上时，梁翼缘要预留孔洞用于连接螺栓，水平力平面外作用于钢梁，故钢梁主要问题是抗扭，钢梁要适当加强(混凝土梁时要适当放大配筋1.3倍左右)，如果是楼层处，问题不大。其余均与混凝土一样。

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4.走道梁设计

(1)位置关系：与水平桁架的位置关系如下图，走道梁下挂在桁架弦杆节点处，在走道梁跨中与水平支撑焊接在一块节点板上，中间为交接处，不断走道梁，断水平支撑，也就是走道梁与水平支撑顶齐。

在竖向桁架下弦节点处(也是水平桁架的弦杆)，水平支撑直接焊弦杆处可能太短，故弦杆外对接焊缝一块节点板，也就是说弦杆与节点板齐平，水平支撑直接焊接在弦杆和节点板底下。一般这些水平支撑拉力较小，节点板不会做得很大，满足焊缝长度和碰撞关系即可，一般焊缝长度控制不小于150mm。

走道梁与弦杆可采用螺栓连接，风荷载作用在竖向桁架外的墙梁，墙梁挂在竖腹杆上，故竖向桁架的竖腹杆实际上是压弯构件，竖腹杆将风荷载传至下弦节点，走道梁将力传至风吸力一侧的弦杆节点，弦杆再传至支座。在这个过程中，走道梁与下弦采用螺栓连接，故此螺栓受剪，在风荷载中起传力作用(竖向荷载也起到抗拉作用)。根据【钢标11.1.3】，普通的C级螺栓用于抗拉没有问题，但抗剪有所限制，故此处使用C级螺栓需要做一些加强，一般就是螺栓加焊，不考虑螺栓作用，故此时的螺栓就没必要用那么多，满足安装/施工验算要求就行。

(2)受力模式及荷载：就是一个简支梁，下挂在竖向桁架下弦节点上，走道梁的荷载就是一个节间内的荷载，主要包括：走道板、走道梁即面层自重，水平支撑自重，走道人行活荷载(有的话)，设备荷载，当然这是二维设计，实际上三维受力，走道梁也要传递风荷载，故为压弯构件，按二维设计是偏不安全的，在选用杆件截面确定承载力时要有多一些的富余。可以把荷载列表整理一下。

以此项目为例：节间2.5m，走道宽4.5m，其中两侧走道净宽0.95m。

①恒载：走道板、走道梁即面层自重，3.2kN/m²；水平支撑自重，0.1kN/m²；(3.2+0.1)x2.5=8.25KN/m

②活载：走道人行荷载2x2.5=5KN/m

③集中荷载：胶带机恒载(恒活相同)4KN/m：4x2.5/2=5KN，除于2是因为两条托梁分隔一半。设备运输路线有托梁承担，托梁再搭在走道梁上，相当于次梁，故传给走道梁为集中力。

④对于端部设备处的梁(荷载详情见荷载计算)，荷载会比较大，此例中走道梁还受81.3kN的集中力，普通的工字钢很难算下来，可宜采用截面高度较大的H型钢。

(3)STS参数设计

走道梁是简支梁，可以用STS的工具箱计算。

走道梁截面高度一般初选为跨度1/20左右，可根据荷载大小进行浮动；桁架结构中一般采用型钢，本案例选用热轧普通工字钢，初选4250/20=212.5，选用工22a。

①平面外计算长度：因为走道梁上有走道板，相当于密铺楼板，根据【钢标6.2.1】可不考虑平面外失稳，这里可以输入一个较小的值。

②净截面系数：这里主要考虑截面削弱，走道梁跨中不开孔，而支座处弯矩为0，剪力最大，翼缘开孔但不影响腹板，故可以输入1，保守也可以0.95，当有一些特殊条件例如高空焊接等还是按规范要求。

③板件宽厚比等级、允许挠度、荷载布置。

5.支座：结合承载力和位移量(弹塑性位移，按抗规的简化算法)选取，在总说明里说明，或者在支座布置图里说明。例如：GB/T17955-2009桥梁球型支座的一些参数

计算后，将支座所需的参数给甲方，由甲方去采购。转角计算可以取端部的节间的斜率，例如：水平变形很小不考虑，竖向=10.6-0.1=10.5，tanα=10.5/2680，α=0.224°=0.004(弧度)

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