钢结构课程设计(钢屋架厂房)

工业厂房课程设计

计算书

一、设计资料

１． 车间基本参数

某公司因生产需要，拟在济南郊区建设一座单层单跨机加工车间（设计使用寿命50年），车间建筑平面、剖面见下图。

车间采用排架结构，下部为现浇钢筋混凝土柱及独立基础，上部采用钢屋架结构，屋架与排架柱铰接。车间内设有一台A4工作制的软钩梁式吊车，屋架下弦距离牛腿顶面1.8m，轨道高度130mm。混凝土排架柱采用实腹矩形柱;吊车梁可以采用T形或矩形钢筋混凝土吊车梁，也可以采用H形截面钢吊车梁(二选一)，抗风柱为矩形截面钢筋混凝土柱。

车间屋面采用75mm厚彩色夹芯钢板，屋面檩条为卷边C型钢（C180×70×20×2.5），檩条间距约1.5m;

车间四周围护墙采用240mm厚砖墙，内外各抹灰20mm厚，表面刷涂料;纵墙塑钢窗洞高为1.8m、宽为2.4m，共上下两层。

2、车间荷载、材料自重、抗震设防等级

① 屋面活荷载标准值:0.5kN/m2(不上人屋面，无积灰荷载)； ② 基本风压：0.45kN/m2； ③ 基本雪压：0.30kN/m2；

④ 屋面75mm厚夹芯钢板及檩条自重标准值:0.25kN/m2（按投影面积）； ⑤ 钢屋架及屋面支撑自重标准值（估算）：0.35kN/m2（按投影面积）；

⑥ 钢筋混凝土自重25 kN/m3；砖及抹灰自重20 kN/m3；回填土自重20 kN/m3； ⑦ 抗震设防等级：6度。 3、荷载组合

① 钢屋架

为简化计算，屋面暂不考虑风荷载作用。首先计算一榀典型简支屋架的内力系数，然后分别计算下述三种荷载标准值作用下的杆件内力：全跨永久荷载、全跨屋面活荷载、半跨屋面活荷载。最后列表进行下述两种荷载组合：

1.2×全跨永久荷载+1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max；

1.2×全跨永久荷载+1.4×（半跨屋面活荷载，半跨雪荷载）max。 ② 排架柱

为简化计算，不考虑车间的空间作用，将钢屋架简化成刚度无穷大的水平横梁，两端与排架柱铰接连接。屋面永久荷载及活荷载标准值分别等效作用到横梁上。

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首先分别计算下述八种荷载标准值作用下一榀典型排架的内力：永久荷载、屋面活荷载、左（或右）墙面风荷载、吊车左（或右）刹车力、吊车靠近左(或右)时的竖向荷载；然后列表进行排架柱的内力组合。组合情况考虑以下六种：

1.2×永久荷载+1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max； 1.2×永久荷载+1.4×墙面风荷载； 1.2×永久荷载+1.4×吊车竖向荷载；

1.2×永久荷载+0.9×1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max+0.9×1.4×墙面风荷载； 1.2×永久荷载+0.9×1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max+0.9×1.4×吊车竖向荷载；

1.2×永久荷载+0.9×1.4×（屋面活荷载，雪荷载）max+0.9×1.4×墙面风荷载+0.9×1.4×吊车竖向荷载+0.9×1.4×吊车水平荷载。 4、地质情况

经勘测，地表土为人工填土，1.2m厚，不宜作为天然地基土，建议全部挖除；其下为粘土，地基承载力特征值fak200kpa，压缩模量Es10mpa，适宜作为地基持力层。场地地下水静止水位埋深为10.5米，可不考虑水质对基础混凝土的侵蚀。最大冻土深度可按0.5m考虑。 5、主要构件材料

① 钢筋：纵向受力钢筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋； ② 混凝土：C20~ C30；

③ 钢材：Q235-B或Q345-B。

6、钢屋架形式为梯形钢屋架，吊车吨位为5t，牛腿柱顶标高为6.0m。

二、结构布置

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屋盖设计

一、设计参数：取屋檐口高为2.0m，屋面坡度为1/12。

屋架计算跨度=24000-300=23700mm。屋架端部高度H0=2000mm。

二、荷载组合

设计屋架时，考虑以下两种荷载组合： （1） 全跨永久荷载+全跨可变荷载

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（2） 全跨永久荷载+半跨可变荷载

22

恒载设计值按分项系数为1.2, q1=1.2×0.6=0.72 kN/m ，按1.35为1.35×0.6=0.81 kN/m

22

活荷载0.5 kN/m>雪荷载0.3 kN/m ，取活荷载计算。

2

活载计算：分项系数1.4，q2=１.4×0.5=0.7 kN/m

2

永久荷载控制的组合：0.81+0.7×0.7=1.30 kN/m

2

可变荷载控制的组合：0.72+0.7=1.42 kN/m

取可变荷载控制的组合，节点荷载p1=0.72×1.5×6=6.48kN 节点荷载p2=0.7 ×1.5×6=6.30kN

以上荷载计算中，因屋面坡度较小，风荷载对屋面为吸力，对重屋盖可不考虑，所以各荷载均按水平投影面积计算。

三、内力计算

计算杆件内力，然后乘以实际的节点荷载，屋架要上述第一种荷载组合作用下，屋架的弦杆、竖杆和靠近两端的斜腹杆内力均达到最大值，在第二种荷载组合作用下，靠跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生

1.001.001.001.001.001.001.000.501.001.001.001.001.001.001.001.000.50JKLMNOPQRSTUVWXY@ABCDEFGHI变号，因此，在全跨荷载作用下所有杆件的内力均应计算，而在半跨荷载作用下，仅需计算近跨中的斜腹杆内力，取其中不利内力（正、负最大值）作为屋架的依据。具体计算见图屋架各杆内力组合见表。

全跨荷载布置图

全跨荷载内力图 0.501.001.001.001.001.001.001.000.50JKLMNOPQRSTUVWXY@ABCDEFGHI

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左半跨荷载布置图

左半跨荷载内力图

内力计算表 表1 杆内力系数 杆 件 名 称 P=1 在左半跨 ① JK KL LM 上 弦 杆 OP PQ QR 下 弦 杆 AB BC CD DE AK KB 斜 腹 杆 BM MC CO OD DQ QE AJ 竖 杆 BL CN PD RE -9.62 -9.62 -7.84 3.51 8.22 9.75 8.92 -6.54 4.89 -3.54 2.06 -0.86 -0.32 1.44 -2.40 -0.50 -1.00 -1.00 -1.00 0.80 -6.39 -6.39 -7.84 1.26 3.62 5.54 7.12 -2.54 2.17 -2.09 1.88 -1.83 1.67 -1.63 1.50 0 0 0 0 0.80 -16.01 -16.01 -15.68 4.76 11.84 15.29 16.04 -8.89 7.06 -5.63 3.95 -2.69 1.35 -0.19 -0.90 -0.50 -1.00 -1.00 -1.00 1.60 -204.61 -204.61 -200.39 60.83 151.32 195.41 204.99 -113.61 90.23 -71.95 50.48 -34.38 17.25 -2.43 -11.50 -6.39 -12.78 -12.78 -12.78 20.45 -164.35 -164.35 -151.00 52.96 128.51 160.50 160.14 -98.81 76.56 -57.78 38.57 -22.85 6.73 7.84 -20.95 -6.39 -12.78 -12.78 -12.78 15.41 -144.00 -144.00 -151.00 38.78 99.53 133.98 148.80 -73.61 59.42 -49.65 37.44 -28.96 18.83 -11.50 -3.62 -3.24 -6.48 -6.48 -6.48 10.37 -204.61 -204.61 -200.39 60.83 151.32 195.41 204.99 -113.61 90.23 -71.95 50.48 -34.38 18.83 -11.50 -20.95 -6.39 -12.78 -12.78 -12.78 20.45 MN NO 0 -6.35 -6.35 -9.35 -9.35 在右半跨 ② 0 -2.51 -2.51 -4.64 -4.64 全跨 ③ 0 -8.86 -8.86 -14.00 -14.00 全跨永久荷载+全跨可变荷载 P=12.78kN N=P×③ 0 -113.23 -113.23 -178.92 -178.92 全跨永久荷载+半跨可变荷载 P1=6.48kN P2=6.30kN N左=P1×③+P2×① N右=P1×③+P2×② 0 -97.42 -97.42 -149.63 -149.63 0 -73.23 -73.23 -119.95 -119.95 0 -113.23 -113.23 -178.92 -178.92 计算内力 KN

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四、杆件截面设计

1、上弦杆截面计算

整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算N = -204.61KN（压力），查《钢结构设计手册》，节点板厚度选用8mm，支座节点板厚度选用10mm。

计算长度 屋架平面内取节间轴线长度l0x150.5cm 屋架平面外根据支撑和内力变化取l0y4150.5602.0cm

因为4l0xl0y，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并。如图1所示。 设120，查轴心受压构件的稳定系数表0.437

N204.611032177mm2 需要截面积 Af0.437215需要回转半径

y 8 x

x y ixl0xl0y602015055.02cm 1.25cm iy120120根据需要的A 、 ix 、iy ，查角钢型钢表，选用2∟110706，A = 21.2 c㎡ , ix = 2.35 cm , iy = 4.70cm。

按所选角钢进行验算

xl0xix150.52.3575，y602/5.29114，满足长细比：[]150的要求。

由于xy只需求出miny，查轴心受压构件的稳定系数表，y0.470

N204.61103206N/mm2f215N/mm2 yA0.4702120所选截面合适。

2、下弦杆截面计算

整个杆件采用同一截面，按最大内力计算，N=204.99kN （拉力） 计算长度 屋架平面内取节间轴线长度l0x300cm 屋架平面外根据支撑布置取l0y600cm 计算需要净截面面积

y 8 AnNf204.99103215954mm2

x y x

选用2∟80×50×5（短肢相并），见图2所示，A =12.74c㎡ , ix =1.42 cm , iy =3.95cm

按所选角钢进行截面验算，取AnA

l0xixl0y600300152[]350 212[]350 iy3.951.42工业厂房课程设计

N204.99103161N/mm2f215N/mm2， 所选截面满足要求。 A12743、斜杆截面计算

（1） 斜杆AK

N =-113.61kN (压力)

因为l0x = 0.8l0y=0.8L，故采用等肢角钢，使 iy =1.35~1.5ix， l0y = l =251.6 cm，l0x =251.60.8=201.3cm

选用2∟70×6，见图3所示，A = 16.32 cm , ix = 2.15cm , iy = 3.19cm 2y 8 x

xl0xixl0yiy201.393.6[]150 2.15251.678.9[]150 3.19x yy 满足长细比：[]150的要求。

由于xy只需求出minx，查轴心受压构件的稳定系数表，x0.594

N113.61103117.2N/mm2f215N/mm2， 所选截面合适。 xA0.5941632（2）斜杆KB

N =90.23kN （拉力），L=2601mm， l0x =260.10.8=208.1cm l0y = l =260.1cm、

AnNf90.23103215420mm2

选用2∟100×12，见图9所示，A =45.6 c㎡ , ix =3.03cm , iy =4.49cm

l0y260.1208.158[]350 x68.7[]350 yiy4.49ix3.03l0xN90.23103197.9N/mm2f215N/mm2 所选截面合适。 A4564、竖杆截面计算

（1）中竖杆ER

N =20.45kN (拉力)， l0x =2400mm l0y =3000mm

x0AnN20.451096mm2 f215l0xixl0yiy3y0选用2∟70×6， A =16.32 c㎡ , ix = 2.93cm , iy = 2.93cm

xy24082[]3502.93300102[]350 2.93y0 x100工业厂房课程设计

10

满足长细比：[]350的要求。

N20.4510312.5N/mm2f215N/mm2 所选截面合适。 A1632（2）竖杆CN

N =-12.78kN (压力), l0x =0.8L=2200mm, l0y =2750mm 选用2∟70×6， A =16.32 c㎡ , ix =2.15cm , iy = 3.19cm

xl0xixl0y27522086[]150，满足长细比：[]150的要求。 102[]150 ；yiy3.192.15由于xy只需求出minx，查轴心受压构件的稳定系数表，x0.542

N12.7810314.4N/mm2f215N/mm2 xA0.542698所选截面合适。 竖杆AJ、BL、PD均采用此截面，满足要求。

屋架杆件一览表

截面积 （m㎡） 2120 1274 1632 1632 1632 1632 1632 698 698 1632 1632 1632 1632 1632 1632 杆件 杆内力 kN 计算长度 lox loy 截面形式及 角钢规格 ┛┗短肢相并 2L110×70×6 ┛┗短肢相并 2∟80×50×5 ┛┗ 2∟70×6 ┛┗ 2∟70×6 ┛┗ 2∟70×6 ┛┗ 2∟70×6 ┛┗ 2∟70×6 ┛┗ 2L45×4 ┛┗ 2L45×4 ┛┗ 2∟70×6 十字形 2∟70×6 ┛┗ 2∟70×6 ┛┗ 2∟70×6 ┛┗ 2∟70×6 ┛┗ 2∟70×6 回转半径 ix(mm) iy(mm) 长细比 容许长细比 λmaxσ (N/m㎡) 206 161 -117.3 -84.3 -43.8 -15.8 -28.7 72.3 27.0 197.9 12.5 -13.5 -13.0 -14.4 -10.9 上弦 下弦 AK BM CO -204.61 204.99 -113.61 -71.95 -34.38 -11.50 -20.95 50.48 18.83 90.23 20.45 -12.78 -12.78 -12.78 -12.78 1505 3000 2013 2247 2418 2594 2594 2247 2418 2081 2400 1800 2000 2200 1610 6020 6000 2516 2809 3023 3243 3243 2809 3023 2601 3000 2250 2500 2750 2013 23.5 14.2 21.5 21.5 21.5 21.5 21.5 13.8 13.8 30.3 29.3 21.5 21.5 21.5 21.5 47.0 39.5 31.9 31.9 31.9 31.9 31.9 30.7 30.7 44.9 29.3 31.9 31.9 31.9 31.9 114 212 93.6 105 112 118 118 163 175 69 102 96 93 102 75 150 350 150 150 150 150 150 350 350 350 350 150 150 150 150 斜腹杆 DQ QE MC OD KB ER BL 竖杆 NC PD JA

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五、节点设计 重点设计“E”、“R”、“B”、“A” “K”五个典型节点，其余节点设计类同。

1．下弦B节点

先根据腹杆的内力计算腹杆与节点连接焊缝的尺寸，即hf和lw 。然后根据lw的大小比例绘出节点板的形状和大小，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。

选用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ft＝160N/m㎡，实际所需的焊脚尺寸可由构造确定。

wlw363mm （1）BK杆的内力N=90.23KN，采用三面围焊，肢背和肢尖焊缝hf=6mm，所需要的焊缝长度为：N30.7hflw3fffw0.766321.22160103299.84N

肢背lw10.7NN3/220.7hfffw0.3NN3/220.7hfffw0.7311.510351649.9212147mm，取150mm

20.761600.3311.510351649.921270mm，取80mm

20.76160肢尖lw（2）2-13杆的内力N=243.97KN，采用三面围焊，肢背与肢尖的焊缝hf=6mm，所需要的焊缝长度为：

lw380mm

N30.7hflw3fffw0.768021.22160131174.4N

肢背lw0.7NN3/220.7hfffw0.3NN3/220.7hfffw0.7243.9710365587.21290mm，取100mm

20.761600.3243.9710365587.21218mm，取60mm

20.76160肢尖lw（3） 竖杆2-12杆的内力N=-47.92KN，采用三面围焊，焊缝尺寸可按构造确定取hf=8mm。

所需要的焊缝长度为：lw363mm

N30.7hflw3fffw0.786321.22160137733.12N

因为2k2N20.347.921028752NN3，所以按两面侧焊缝计算。 肢背lw30.7N20.7hfffw0.747.921031635mm，取40mm 20.781600.347.921031624mm，取40mm 肢尖lw20.78160（4）下弦杆焊缝验算

下弦杆与节点板连接焊缝承受两相邻下弦内力之差。 ΔN＝522.64－212.65＝309.99kN 肢背焊缝验算，hf＝8mm，

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0.75309.995103τf＝＝13N/mm2＜160N/mm2焊缝强度满足要求。

20.7810160根据节点放样，得节点板尺寸为310×360，节点图如下图所示。

下弦节点各杆肢尖、肢背尺寸 杆件 11-2 2-13 13-3 3-15 15-4 4-17 17-5 hf（mm） 6 6 5 6 5 6 6 肢背(mm) 147mm取150mm 90mm取100mm 114mm取120mm 74mm取80mm 53mm取60mm 38mm取60mm 54mm取60mm hf（mm） 6 6 5 6 5 6 6 肢尖(mm) 70mm取80 mm 18mm取60 mm 55mm取70mm 38mm取60mm 28mm取60mm 23mm取60mm 30mm取60mm

2．上弦K节点：

11-2杆节点板连接的焊缝计算与下弦节点2中11-2杆计算相同。 1-11杆N＝-396.97 kN，采用三面围焊，设肢背和肢尖 hf = 8mm，

N30.7hflw3fffw0.7814021.22160306073.62N

因为2k2N20.35396.9710277879NN3，所以按两面侧焊缝计算。

3 lw1＝

0.65396.9710320.781600.35396.9710320.78160杆件 1-11 11-2 2-13 13-3 3-15 15-4 4-17 ＋16＝144，取lw1＝150mm

lw2＝＋16＝78，取lw2＝80m

上弦节点各杆肢尖、肢背尺寸 hf（mm） 8 6 6 5 6 5 6 肢背 (mm) 144mm取150mm 174mm取180mm 139mm取150mm 114mm取120mm 74mm取80mm 53mm取60mm 38mm取60mm hf（mm） 8 6 6 5 6 5 6 肢尖 (mm) 78mm取80mm 82mm取90 mm 66mm取70 mm 55mm取70mm 38mm取60mm 28mm取60mm 23mm取60mm 工业厂房课程设计

17-5 6 54mm取60mm 6 30mm取60mm 考虑搁置檩条，节点板缩进上弦肢背7mm，用槽焊缝连接，槽焊缝按两条角焊缝计算

hft/210/25mm，P＝47.92kN。

节点板尺寸为285417设肢尖焊缝hf=5mm，假定集中荷载P与上弦垂直，忽略屋架上弦坡度影响。 肢背焊缝验算：

f(K1N)2(P/21.22)220.7hflw(0.75393.5)2(47.92/21.22)220.75407

115N/mm20.8ffw0.8160128N/mm2肢尖焊缝验算：

f(K2N)2(P/21.22)220.7hflw(0.25393.5)2(47.92/21.22)220.75407

40N/mm20.8ffw0.8160128N/mm2节点图如下图所示。

3、屋脊R节点

（1）弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，且便于施焊，需要将拼接角钢的尖角削除，并截去垂直肢的一部分宽度（一般为t+hf+5mm）。拼接角钢的部分削弱，可以借助节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。

设5-18杆与节点板的焊缝尺寸为：肢背hf=8mm，lw1=(0.65×47.03×103)/（2×0.7×8×160）+16=33mm，取lw1=40mm，

肢尖hf=8mm，lw2=（0.35×47.03×103）/（2×0.7×8×160）+16=25mm。取lw2=40mm。 设焊缝高度hf=8mm，则所需要焊缝计算长度为：lw=（654.53×103）（/4×0.7×8×160）+16=199mm。取lw =210mm。拼接角钢长度600mm＞2×210=420mm。

（2）上弦与节点板间的焊槽，假定承受节点荷载，验算略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，设肢尖焊缝hf=8mm，节点板长度为470mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw=470/2-5-10=220mm，焊缝应力为：τfN=（0.15×654.53×103）/（2×0.7×8×220）=40N/mm2，σfM=（0.15×654.53×103×55×6）/（2×0.7×8×2202）=60N/mm2，

22 =

2402（60/1.22）=63.4kN/mm2＜

160kN/mm2

中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=47.03KN此杆内力较小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊缝尺寸hf=8 mm，

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焊缝长度lw>50 mm，节点图如下图所示。

4、下弦跨中E节点设计 （1）下弦接头设于跨中节点处，连接角钢取与下弦杆相同截面2∟160×100×10，焊缝高度hf=8mm，焊缝长度为： lw=（680.67×103）（/4×0.7×8×160）+16=206mm，取lw=210mm 连接角钢长度lw=2×210+10=430mm，取lw=430mm

下弦杆与节点板，斜杆与节点板之间的连接焊缝按构造设计。 （2）弦杆与节点板连接焊计算：按下弦杆内力的15%计算。N=680.67×15%=102KN

设肢背、肢尖焊肢尺寸为8 mm，弦杆一侧需焊缝长度为 肢背lw=（0.75×102×103）/（2×0.7×8×160）+16=59mm，

取80mm，

肢尖lw=（0.25×102×103）/（2×0.7×8×160）+16=30mm。取40mm

腹杆与节点板连接焊缝的计算方法与以上几个节点相同，节点图如下图所示。

5、 支座A节点

为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取160mm。在节点中心线上设置加劲肋。加劲肋取460×80×12mm，节点取460×380×14mm的钢板。 （1）支座底板的计算

支座反力RA=RB=479.2KN 按构造要求采用底板面积为a×b=280×360mm2如

仅考虑加劲肋部分底板承受支座反力R，则承压面积为280×（2×80+12）=48160mm2 验算柱顶混凝土的抗压强度：σ=R/Au=479.2×103/48160=10N/mm2＜fc=12.5N/mm2满足。 底板的厚度按屋架反力作用下的弯距计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两相邻边支承，而另两相邻边自由的板，每块板单位宽度的最大弯距为：M=βσa2

式中 σ—底板下的平均应力，σ=10N/mm2；

a2—两支承边之间的对角线长度，a2=165.6mm； β—系数，由b2/a2决定。b2=80×150/165.6=72.46，b2/a2=72.46/165.6=0.438，查表得β=0.045 故M=βσa2=0.045×10×165.62=12340.5Nmm。

22底板厚度t=612340.5/215=19mm，取t=20mm。

（2）加劲肋与节点的连接焊缝计算

加劲肋高度取与支座节点板相同，厚度取与中节点板相同（即—380×14×460），一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力为四分之一支座反力。 R/4=479.2×103/4=119.8×103N，M=Ve=119.8×103×50=5.95×106Nmm 设焊缝hf=8mm，焊缝计算长度lw=460-10-15=435mm，则焊缝应力为 τf=(119.8×103)/(2×0.7×8×435)=25N/mm2， σf=(6×5.95×106)/(2×0.7×8×4352)=17N/mm2，

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22 =29N/mm2＜160N/mm2

（3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝

设焊缝传递全部支座反力R=479.2kN，其中每块加劲肋各传R/4=119.8kN，节点板传递R/2=239.6kN。 节点板与底板的连接焊缝计算长度

llw=2×（300-10）=580mm，所需要的焊脚尺寸为

h≥(239.6×103)/(0.7×580×160×1.22)=3.0mm，取h=6mm。 每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为

w=（100-20-10）×2=140mm。所需要的焊缝尺寸为

h≥(239.6×103)/(0.7×140×160×1.22)=12mm，取h=14mm，节点图如下图所示。

其他节点设计方法与上述方法类似。具体见屋架施工图。

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6811717250111140326-15006-708-1508-802-131-1111节点

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