钢结构课程设计-某厂房钢屋架设计.doc
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钢结构
课程设计任务书
（钢屋架设计）
1设计题目
某厂房钢屋架设计。
2设计目的
课程设计是本课程教学的实践教学环节之一，通过设计使学生进一步掌握钢屋架的设计原理、方法、步骤，提高综合分析、解决问题的能力。
3设计条件
某厂房总长度90m，跨度根据不同的学号从附表中取，屋盖体系为无檩屋盖。
纵向柱距6m。
3.1结构形式：
钢筋混凝土柱，梯形钢屋架。
柱的混凝土强度等级为C30，屋面坡度i=L/10；L为屋架跨度。
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（中级工作制）。
3.2屋架形式及荷载：
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、焊条为：
双号的同学用Q345钢，焊条为E50型。
3.3屋盖结构及荷载
（1）永久荷载：
三毡四油（上铺绿豆砂）防水层0.4kN/m2
水泥砂浆找平层0.4kN/m2
保温层0.5kN/m2（按分组表确定）
一毡二油隔气层0.05kN/m2
水泥砂浆找平层0.3kN/m2
预应力混凝土大型屋面板1.4kN/m2
屋架及支撑自重：
按经验公式计算：
0.12+0.011×18=0.318KN/m22
（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：
0.7kN/m2（按分组表确定）
4设计内容
4.1确定屋盖结构及支撑的布置图；
4.2选择钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目的要求；
4.3对钢屋架进行内力、杆件截面尺寸的计算；设计一个下弦节点、一个上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点；
4.4屋架施工图
（1）手工绘制运送单元的施工图，用铅笔绘制白纸图。
设计的节点应尺寸齐备、书写规范、满足构造要求；
（2）施工图内容
①屋架简图（比例1∶100），左半跨标明杆件长度，右半跨注明杆件最不利内力，以及超拱度。
②屋架正面图，上、下弦平面图（有二个比例）。
③侧面图，剖面图及零件详图。
④注明全部零件的编号，规格及尺寸（包括加工尺寸和定位尺寸）孔洞位置，孔洞及螺栓直径，焊缝尺寸以及对工厂加工和工地施工的要求。
⑤材料表。
⑥说明。
5设计要求
5.1设计内容完整、计算准确、保证经济；图纸整洁、布图合理；
5.2计算书须用打印并装订（A4），插图应按一定比例绘制，做到眉目清晰，文图配合；
5.3图纸应符合《房屋建筑制图统一标准》和《建筑结构制图标准》的要求；
5.4屋架跨度、保温层及积灰荷载取值见分组附表所示。
请将自己的取值填入设计任务书中；
6设计进度与考核：
6.1进度
设计时间一周；
6.2考核
根据设计内容的完整性、结构合理性、计算准确性以及图纸的质量、口试、考勤等方面为评分标准；
7参考资料
[1]夏志斌．钢结构原理与设计[M]．北京：
中国建筑工业出版社，2012.7.
[2]刘声扬．钢结构原理与设计[M]．北京：
中国建筑工业出版社，2011.9.
[3]夏志斌，姚谏.钢结构设计[M]．北京：
中国建筑工业出版社.2010.9.
[4]GB50017-2003钢结构设计规范[S]．北京：
中国计划出版社.2003.
[5]GB50009-2012建筑结构荷载规范[S]．北京:
中国建筑工业出版社.2012.
附图
1500×6=9000
a.18米跨屋架几何尺寸
b.18米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值
c.18米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值
一、荷载与内力计算：
1、荷载计算
屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的活荷载计算。
永久荷载标准值：
三毡四油（上铺绿豆砂）防水层0.4KN/m2
水泥砂浆找平层0.4KN/m2
保温层：
0.5KN/m2
一毡二油隔气层0.05KN/m2
水泥砂浆找平层0.3KN/m2
预应力混凝土屋面板1.4KN/m2
钢屋架和支撑自重0.12+0.011×18m=0.32KN/m2
总计：
3.37KN/m2
可变荷载标准值
雪荷载0.35KN/m2<屋面活荷载标准值0.70KN/m2，取0.70KN/m20.70KN/m2
积灰荷载0.70KN/m2
总计：
1.4KN/m2
永久荷载设计值1.2×3.37KN/m2=4.04KN/m2
可变荷载设计值1.2×1.40KN/m2=1.96KN/m2
2、荷载组合
设计体型屋架时，应考虑以下三种组合：
（预应力大型屋面板采用1.5m×6m）
组合一全跨永久荷载+全跨可变荷载
屋架上弦节点荷载P=（4.04KN/m2+1.96KN/m2）×1.5×6m=54.00kN
组合二全跨永久荷载+半跨可变荷载
屋架上弦节点荷载P1=4.04KN/m2×1.5×6=36.36kN
P2=1.96KN/m2×1.5×6=17.64kN
组合三全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面活荷载+积灰荷载
屋架上弦节点荷载P3=（0.12+0.011×18）×1.2×1.5×6=3.46N
P4=（1.4×1.2+0.70×1.4）×1.5×6=23.94kN
3．内力计算
本设计采用图解法计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数，见表1。
由表内三种组合可见：
组合一，对杆件计算主要起控制作用；组合三，可能引起中间几根斜腹杆发生内力变号。
如果施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设面板，则可避免内力变号而不用组合三。
屋架杆件内组合表
注：
表内负责表示压力：
正值表示拉力。
表1
杆件
名称
内力系数（P=1）
第一种
组合
P×
第二种组合
第三种组合
计算杆件内力/KN
全跨
左半
全跨
右半
全跨
P1×+
P2×
P1×+
P2×
P3×+
P4×
P3×+
P4×
上
弦
AB
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
BCD
-6.221
-4.371
-1.85
-335.93
-303.30
-258.83
-126.17
-65.81
-335.93
DEF
-8.993
-5.636
-3.36
-485.62
-426.40
-386.20
-166.04
-111.48
-485.62
FG
-9.102
-4.551
-4.55
-491.51
-411.23
-411.23
-140.44
-140.44
-491.51
下
弦
a-c
3.470
2.537
0.93
187.38
170.92
142.63
72.74
34.34
187.38
c-e
7.962
5.325
2.64
429.95
383.43
336.02
155.03
90.68
429.95
e-g
9.279
5.312
3.97
501.07
431.09
407.36
159.27
127.08
501.07
斜腹杆
aB
-6.502
-4.754
-1.75
-351.11
-320.27
-267.25
-136.31
-64.34
-351.11
Bc
4.739
3.158
1.58
255.91
228.02
200.20
92.00
54.25
255.91
cD
-3.382
-1.862
-1.52
-182.63
-155.82
-149.78
-56.28
-48.09
-182.63
De
1.884
0.540
1.34
101.74
78.03
92.21
19.45
38.69
101.74
eF
-0.690
0.615
-1.31
-37.26
-14.24
-48.11
12.34
-33.63
23.34/-48.11
Fg
-0.462
-1.632
1.17
-24.95
-45.59
3.84
-40.67
26.41
26.41/-45.59
竖杆
Aa
-0.5
-0.5
0.00
-27.00
-27.00
-18.18
-13.70
-1.73
-27.00
Cc
-1.0
-1.0
0.00
-54.00
-54.00
-36.36
-27.40
-3.46
-54.00
Ee
-1.0
-1.0
0.00
-54.00
-54.00
-36.36
-27.40
-3.46
-54.00
Gg
0.812
0.406
0.41
43.85
36.69
36.69
12.53
12.53
43.85
四、杆件截面设计
腹杆最大内力，N=351.11kN（压），由屋架节点板厚度参考可知：
支座节点板刚度取12mm；其余节点板与垫板厚度取10mm。
1、上弦杆（FG杆）；
整个上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算，N=491.51kN（压）。
上弦杆计算长度：
在桁架平面内，为节间轴线长度：
在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取：
因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并（详见图3）。
选2L125×80×10，A=3942
截面几何特性：
=2.26cm、=6.04cm，a=8mm
按所选角钢进行验算：
，
双角钢T型截面绕对称轴（y轴）应按弯扭屈曲计算长细比
查表1.20，得
（满足）
所选截面合适。
2、下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按最大的内力eg杆计算:
N=501.07kN（拉）
计算长度：
屋架平面内取节点间轴线长度：
屋架平面外根据支撑布置取：
计算所需要净截面面积为：
选用2L125×80×7。
因为，故用不等肢角钢，短肢相并（见图4）所示。
A=28.19cm2。
a=8mm
按所选角钢进行截面验算，取
，
，
所选取的截面满足要求。
3、端斜杆（aB杆）：
杆件轴力：
N=351.11KN（压），
计算长度:
因为，故采用不等肢角钢，长肢相并，使。
选用角钢2L×125×80×7，详见图5所示。
A=28.19cm2,。
截面刚度和稳定性验算：
，
，
刚度满足要求
因为，只求：
，所需截面合适。
4、Bc杆
选用2L75×8，详见下图：
A＝2×11.5＝23cm，i＝2.28cm，i＝3.42cm
满足
满足
（满足）
5、cD杆
选用，详见下图：
由于>,则由查附表1.20得=0.430
6、斜腹杆（De）
选用2L56×5，详见下图：
A＝2×5.42＝10.84cm，i＝1.72cm，i＝2.62cm
7、斜腹杆（eF）（Fg）
杆件内力：
二杆可以选择内力较大杆件进行计算。
计算长度：
内力较小，按选择，需要的回转半径为：
。
查型钢表（附录8），选项截面的和比上述计算的和略大些。
选用2L63×5，
得截面几何特性：
A=12.286cm2,
，
，
因为，只求：
查附表1.20得
，
，所需截面合适。
5、中竖杆Aa杆：
选用，
由于>,则由查附表1.20得=0.533，则：
6、
内力大小相同，选用长细比较大的竖杆Ee进行设计，可保证其他竖杆的安全。
则：
选用，
由于>,则由，则：
6、中竖杆Gg
杆件轴力：
（压），
计算长度:
选用所示十字连接：
各杆件的截面选择列出，计算结果详见表2。
杆件截面选择表表2
杆
件
内力
/KN
截面规格
面积
/cm2
计算长度/cm
回转半径/cm
应力
/（N/mm2）
上
弦
-491.51
短肢相并
2L125X80X10
39.42
150.75
301.5
2.26
6.04
54.1
150
0.777
160.47
下
弦
429.95
短肢相并
2L125X80X7
28.19
300.00
600.00
2.298
6.04
130.55
250
-
177.7
aB
-351.11
长肢相并
2L125X80X7
28.19
253.00
253.00
4.02
3.33
75.98
150
0.714
174.44
Bc
255.91
T形截面2L75X8
23.00
209.04
261.30
2.28
3.42
91.95
250
-
111.30
cD
-182.63
T形截面
2L75X8
23.00
229.12
286.40
2.28
3.42
100.49
150
0.430
184.66
De
101.74
T形截面
2L56X5
10.84
229.12
286.40
1.72
2.62
133.21
250
-
92.9
eF
-48.11
T形截面
2L63X5
12.29
249.92
312.40
1.94
2.96
128.82
150
0.393
99.6
23．34
Fg
-45.59
T形截面
2L63X5
12.29
249.92
312.40
1.94
2.96
128.82
150
0.393
93.91
26.41
Aa
-27.00
T形截面
2L63X5
12.29
199.00
199.00
1.94
2.89
103.35
150
0.533
41.25
Cc
-54.00
T形截面
2L63X5
12.29
207.20
259.00
1.94
2.89
106.81
150
0.511
86.05
Ee
-54.00
T形截面
2L63X5
12.29
207.20
259.00
1.94
2.89
106.81
150
0.511
86.05
Gg
43.85
十形截面
2L63X5
12.29
260.10
260.10
2.45
2.45
106.2
150
-
43.57
五、节点设计：
本设计采用E50焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。
各杆件内力由表1查得，最小焊缝长度不应小于8。
1、下弦节点c点（详见下图）
（1）、斜杆Bc与节点的连接焊缝计算:
N=255.91kN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:
肢背:
取
肢尖：
取
（2）、斜杆Dc与节点的连接焊缝计算:
N=182.63kN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:
肢背:
取
肢尖：
取
（3）、竖杆Cc与节点板连接焊缝计算：
N=54.0kN
因为其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=5mm，焊缝长度
（4）、下弦杆与节点板连接焊缝计算：
焊缝受力为左右下弦杆的内力差
△N=429.95kN-187.38=242.57kN，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm，所需焊缝长度为：
肢背:
取
肢尖：
取
（5）、节点板尺寸：
根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为290mm×420mm。
下弦与节点板连接的焊缝长度为420mm，=6mm。
焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差△N=429.95kN-187.38=242.57kN,受力较大的肢背处的焊缝应力为：
焊缝强度满足要求。
2、上弦节点B点如（详见图8）：
（1）、斜杆Bc与节点板连接焊缝计算，与下弦节点c中的cB杆计算相同。
斜杆Bc与节点的连接焊缝计算:
N=255.91kN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为8mm和6mm.所需焊缝长度为:
肢背:
取
肢尖：
取
（2）、斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，N=351.11kN
设肢背与肢尖的焊脚尺寸分别为：
8mm和6mm。
所需焊缝长度为：
肢背:
取
肢尖：
取
（3）、上弦杆与节点板连接焊缝计算：
为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm，用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。
槽焊缝可按两条焊缝计算，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,并且对槽焊缝长度中点的偏心距较小，所以略去由此偏心引起的弯矩，上弦肢背槽焊缝内的应力不用验算。
节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝肯定是安全的，可不必须验算。
肢尖焊缝承受弦杆内力差△N=355.93-0.0=355.93Kn
偏心距
偏心力矩△M=△Ne=355.930.1=35.60kNm
按构造要求取肢尖，则上弦杆肢尖角焊缝的剪应力为
由偏心距引起的正应力为：
，满足要求。
（4）、节点板尺寸：
根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为290mm×410mm。
4、屋脊节点“G”（详见图9）：
（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，并便于施工焊接，需将拼接角钢的尖角削除，且截支垂直肢的一部分宽度（一般为t++5mm）。
拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。
接头一边的焊缝长度按弦杆内力计算。
N=491.51kN，设焊肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）：
，取
拼接角钢的长度：
，取l=400mm
拼接角钢竖肢需切去的高度为
△=t++5=10+8+5=23mm取△=25mm即竖肢余留高度为55mm
（2）、弦杆与节点板的连接焊缝计算：
取节点板的长度为300mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为
上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15%计算，N=491.51kN×15%=73.7kN,其产生的偏心距△M=△Ne=73.70.1=7.37kNm
设焊肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，焊缝应力为：
，满足要求。
（3）、中竖杆与节点板的连接焊缝计算：
N=43.85kN，此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=5mm，焊缝长度。
5、下弦跨中节点“g”（详见图10）：
（1）、弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：
拼接角钢与下弦杆截面相同，传递内力N=501.07kN。
设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为：
取。
拼接角钢长度不小于
取拼接角钢长度为l=300mm
肢尖节切去△=t++5=7+8+5=20mm,
截面削弱△A=20×7=140mm2。
（切去部分满足要求）。
（2）、弦杆与节点板连接焊缝计算：
按下弦杆内力的15%计算，N=501.07kN×15%=75.16kN。
设肢背、肢尖焊脚尺寸为6mm，弦杆一侧需焊缝长度为：
肢背:
取。
肢尖：
按构造要求。
（3）、腹杆与接点板连接焊接缝计算：
N=43.85kN，此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸=5mm，焊缝长度。
因桁架的跨度较大，需将桁架分成两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。
6、端部支座节点a（详见图11）
为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座板的净距离取160mm。
在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相等，厚度同端部节点板为12mm。
（1）、支座底板计算：
支座反力R=754=378kN
取加筋肋的宽度为80mm，考虑底板上开孔，按构造要求取底板尺寸为280mm×380mm，如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为：
。
验算柱顶混凝土的抗压强度：
（满足）。
注：
为混凝土强度设计值，对C30混凝
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