钢结构课程设计任务书和计算书.docx
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钢结构课程设计任务书和计算书
第一部分钢结构课程设计任务书
一、 基本要求
1、 每位同学务必按分组要求做，并在计算书中注明组别；
2、 计算书参考教材中例题，但内力计算图解法应用计算机绘制；
3、 图纸不得相互拷贝，为1号图；
4、 计算书中应有屋架支撑布置图；
5、 课程设计成绩单列，不计入钢结构课程成绩内；
6、 课程设计应由学生本人于2016年7月10日前，交到指导老师。
二、 课程设计题目
某车间梯形钢屋架结构设计
三、 设计资料
1、 车间柱网布置图（L×84m）。
2、 屋架支承于钢筋混凝土柱顶（砼等级为C20），采用梯形钢屋架。
3、 屋面采用1.5×6m的预应力钢筋混凝土大型屋面板（屋面板不考虑作为支撑用）。
4、 柱距6m。
5、 荷载：
1） 屋架自重＝（120+11L）N/m2，其中L为屋架高度；
2） 基本荷载表：
荷载类型
序号
荷载名称
重量
静载
1
预应力钢筋混凝土屋面板（包括嵌缝）
1500N/m2
2
防水层
380N/m2
3
找平层20mm厚
400N/m2
4
保温层
970N/m2
5
支撑重量
80N/m2
动载
1
活载
700N/m2
2
积灰荷载
800N/m2
3
雪荷载
500N/m2
四、 设计要求
1、 设计屋面支撑布置（要求对整间厂房进行布置，写入计算书）；
2、 计算屋架杆件设计内力（选取典型一榀屋架，写入计算书）；
3、 设计杆件截面；
4、 设计不少于5个的典型节点；
5、 绘制屋架的结构施工图（1号图纸）。
五、 内力计算考虑下面三种情况
1、 满载（全跨静荷载加全跨活荷载），——正常使用中;
2、 半跨屋面板荷载和半跨活荷载（活荷载400N/m2）和全跨屋架自重,——在吊装过程中出现最不对称内力。
3、 全跨静荷载和半跨活荷载，——在使用过程中最不对称。
六、 注意事项
1、 学生在计算书封皮必须显示自己的组别。
且在计算书工程概况中写清具体数值
（如2013土木工程03班25号同学的组别为：
第二组—25）。
2、 图纸、计算书必须由指导老师签字方能视为有效。
3、图纸内容包括：
⑴屋架计算简图（内力、尺寸）；
⑵半跨屋架正面图，上下弦杆俯视图，端竖杆、中央竖杆侧面图，屋架支座俯视图，必要的零件大样图；
⑶材料表；
⑷图纸说明
梯形钢屋架支撑布置如图所示：
第二部分、钢屋架设计计算
组别：
丙—III—b—B、动载1、3，24×84m、C20混凝土。
由于采用1.5×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板，故选用平坡梯形屋架。
屋架计算跨度：
L。
=L-300=23700mm
屋架端部高度：
H。
=1800mm计算高度：
h=1813mm
屋架跨中高度:
H=H。
+（L。
/2）i=1800+（23700/2）×（1/11）=2880mm
屋架高跨比：
H/L。
=2880/23700=1/8.23
屋架坡度：
i=1/11
1.荷载计算
为使屋面节点受荷，配合屋面板1.5米宽，腹杆体系大部分采用下弦节间为3米的下承式屋架。
在跨中腹杆的倾角满足要求，可不必采用再分式杆系。
屋架跨中起拱L/500≈50mm,
几何尺寸如图
（1）所示，支撑布置如图
（2）
动载取活载加雪荷载（1200N/m²）。
屋架沿水平投影面积分布的自重，按经验公式
P＝（120＋11×L）=0.384N/m²。
永久荷载标准值：
预应力钢筋混凝土大型屋面板（含嵌缝）
1.5kN/m2
防水层
0.38kN/m2
20厚1：
3水泥砂浆找平层
0.4kN/m2
保温层
0.97kN/m2
支撑重量
0.08kN/m2
屋架自重
（120+11×24）/1000
=0.384N/m2
可变荷载标准值：
屋面活载加雪活载
1.20kN/m2
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。
永久荷载设计值：
1.2×（1.5+0.38+0.4+0.97+0.08+0.384）＝4.457kN/m2
可变荷载设计值：
1.4×1.2＝1.68kN/m2
荷载总重4.457+1.68=6.137kN/m2
2．内力计算
组合一：
全跨恒荷载+全跨活荷载P=6.137×1.5×6=55.231kN
组合二：
全跨恒荷载+半跨活荷载P1=4.457×1.5×6=40.113kN；
P2=1.68×1.5×6=15.12kN
组合三：
全跨屋架自重+半跨屋面板荷载+半跨活荷载（0.4kN）
P3=1.2×0.384×1.5×6=4.147kN;
P4=（1.2×1.5+1.4×0.4）×1.5×6=24.24kN
由力学求解器计算屋架各杆件内力，然后乘以实际的节点荷载。
计算简图如下
屋架构件内力组合表
内力系数P=1
组合一P=55.233
KN
N=P×①
组合二
P1=40.113KN
P2=15.12KN
N左=P1×①+
P2×②；
N右=P1×①+
P2×③
组合三
P3=4.147KN；
P4=21.24KN;
N左=P3×①+
P4×②；
N右=P3×①+
P4×③
不利组合
全跨①
左半跨②
右半跨③
上弦杆
AB
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
BC
-9.640
-6.906
-2.734
-532.4
-491.1
-428.0
-186.6
-98.0
-532.4
CD
-9.640
-6.906
-2.734
-532.4
-491.1
-428.0
-186.6
-98.0
-532.4
DE
-14.964
-9.999
-4.965
-826.5
-751.4
-675.3
-274.4
-167.5
-826.5
EF
-14.964
-9.999
-4.965
-826.5
-751.4
-675.3
-274.4
-167.5
-826.5
FG
-16.878
-10.144
-6.734
-932.2
-830.4
-778.8
-285.4
-213.0
-932.2
GH
-16.878
-10.144
-6.734
-932.2
-830.4
-778.8
-285.4
-213.0
-932.2
HI
-16.342
-8.171
-8.171
-902.6
-779.1
-241.3
-902.6
下弦杆
ab
5.233
3.853
1.380
289.0
268.1
230.7
103.5
51.0
289.0
bc
12.755
8.853
3.902
704.5
645.5
570.6
240.9
135.7
704.5
cd
16.212
10.338
5.874
895.4
806.6
739.1
286.8
192.0
895.4
de
16.803
9.346
7.457
928.1
815.3
786.8
268.2
228.0
928.1
斜腹杆
aB
-9.145
-6.733
-2.412
-505.1
-468.6
-403.3
-180.9
-89.1
-505.1
Bb
7.131
4.939
2.192
393.9
360.7
319.2
134.4
76.1
393.9
bD
-5.607
-3.511
-2.096
-309.7
-278.0
-256.6
-97.8
-67.7
-309.7
Dc
3.820
1.966
1.854
211.0
183.0
181.3
57.6
55.2
211.0
cF
-2.524
-0.732
-1.792
-139.4
-112.3
-128.3
-26.0
-48.5
-139.4
Fd
1.154
0.453
1.607
63.7
39.4
70.6
4.8
38.9
63.7
70.6
dH
0.015
1.581
-1.566
0.8
24.5
-23.1
33.6
-33.2
33.6
-33.2
He
-1.100
-2.519
1.419
-60.8
-82.2
-22.6
-58.0
-25.6
-82.2
-60.8
竖杆
aA
-0.500
-0.500
0.000
-27.6
-27.6
-20.0
-12.7
-2.1
-27.6
bC
-1.000
-1.000
0.000
-55.2
-55.2
-40.1
-25.4
-4.1
-55.2
cE
-1.000
-1.000
0.000
-55.2
-55.2
-40.1
-25.4
-4.1
-55.2
dG
-1.000
-1.000
0.000
-55.2
-55.2
-40.1
-25.4
-4.1
-55.2
eI
-1.000
-1.000
0.000
-55.2
-55.2
-40.1
-25.4
-4.1
-55.2
杆件截面设计
1.上弦杆
整个上弦不改变截面，按最大内力设计，N＝-932.2kN
上弦杆件计算长度：
在屋架平面内，为节间轴线长度lox＝1506mm；
在屋架平面外，根据支撑布置和内力变化情况取loy＝2×1506＝3012mm,
因为loy＝2lox，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。
腹杆最大内力NaB＝-505.1kN,查教材表7-4，
节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。
假定λ＝60，按3号钢，轴心受压构件（查附表）属于b类截面，φ＝0.807
需要截面面积A＝N/φf＝932.2×103/（0.807×215）＝5372.7mm2
需要的回转半径为：
ix＝
＝1506/60＝25.1mmiy＝
＝3012/60＝50.2mm
根据A、ix、iy查不等肢角钢规格表,选用2L180×110×10,A＝5680mm2,ix＝31.3mm,iy＝58.1mm.
按所选角钢进行验算：
λx＝
＝1506/31.3＝48.1＜[λ]＝150λy＝
＝3012/58.1＝51.8＜[λ]＝150（满足要求）
由于λy>λx，只需求出φmin=φy,查轴心受力稳定系数表φy＝0.852
σ＝N/φyA＝932.2×103/（0.852×5680）=192.6N/mm2＜215N/mm2所选截面合适，垫板每个节间设一块。
2．下弦杆
整个下弦也不改变截面，按最大内力N＝928.1kN。
按下弦支撑布置情况：
计算长度Lox＝3000mm,Loy＝6000mm
计算下弦截面净面积：
An＝
＝928.1×103/215＝4316.7mm2
选用2L140×90×10（短肢相并），A＝4460mm2ix＝25.6mmiy＝44.7mm.
λx＝
＝3000/25.6=117.19<[λ]=350;λy＝
＝6000/44.7=134.23<[λ]=350.
ó＝
＝928.1×103/4460=208.1N/mm2＜215N/mm2所选截面满足要求。
3．端斜杆
N＝-505.1kN,因为lox＝loy＝2359mm，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ix＝iy。
如选用2L100×14，则A＝5252mm2ix＝30.0mm，iy＝46.8mm
验算：
λx＝
=2359/30.0=78.6＜[λ]＝150λy＝
=2359/46.8=50.4＜[λ]＝150
φ＝0.701σ＝N/φA=505.1×103/（0.701×5252）＝137.19N/mm2＜215N/mm2满足要求。
4．竖杆Ie
N＝-55.2kN，lo＝0.9l＝0.9×2880＝2592mm
中间竖杆最小应当选用2L63×4的角钢，并采用十字形截面，则A＝996mm，ixo＝24.6mm
λxo＝lo/ixo＝2592/24.6＝105.36＜[λ]＝150φ＝0.523
σ＝
=55.2×103/（0.523×996）=105.97N/mm2＜215N/mm2满足要求。
5.竖杆Gd
N＝-55.2kN，lox＝0.8l＝0.8×2610＝2088mmloy＝2610mm
可按[λ]选择,需回转半径ix＝2088/150=13.92mmiy＝2610/150=17.4mm
按ix,iy查表选用2L50×6A=1138mm2,ix＝15.1mm,iy＝25.6mm.
其余各杆截面选择计算过程不一一列出,见下表
屋架杆件截面选择（节点板厚t=12mm）
杆件
编号
杆内力
kN
计算长度mm
截面形式
及
角钢规格
截
面
积
mm2
回转半径
长细比
容许长细比
系数
φmin
应力
σ=
N/mm2
lox
loy
Ix
mm
Iy
mm
λx
λy
上弦
-932.2
1506
3012
┛┗
2L180×110×10
5680
31.3
58.1
48.1
51.8
150
0.852
-192.6
下弦
928.1
3000
6000
┛┗
2L140×90×10
4460
25.6
44.7
117.19
134.23
350
—
208.1
斜腹杆
aB
-505.1
2359
┛┗
2L100×14
5252
30.0
46.8
78.6
50.4
150
0.701
137.2
Bb
393.9
1990
2488
┛┗
2L90×10
3432
27.4
42.1
72.6
58.1
350
0.736
155.9
bD
-309.7
2133
2666
┛┗
2L100×8
3128
30.8
45.5
69.2
58.6
150
0.757
-131
Dc
211.0
2133
2666
┛┗
2L100×8
3128
30.8
45.5
69.2
58.6
350
89.11
cF
-139.4
2315
2894
┛┗
2L90×10
3432
27.4
42.1
87.5
68.7
150
0.638
-63.6
Fd
63.7
70.6
2315
2894
┛┗
2L63×5
1228
19.4
30.4
119.34
95.20
350
0.442
117.3
130.1
dH
33.6
-33.2
2502
3128
┛┗
2L63×5
1228
19.4
30.4
128.99
102.89
150
0.392
69.80
-69.0
He
-82.2
-60.8
2502
3128
┛┗
2L63×5
1228
19.4
30.4
128.99
102.89
350
-171
-126
竖
腹
杆
Aa
-27.6
1632
┛┗
2L63×4
996
19.6
30.2
83.25
54.03
150
0.668
41.48
Cb
-55.2
1656
2070
┛┗
2L50×6
1138
15.1
25.6
109.67
80.86
150
0.499
97.2
Ec
-55.2
1872
2340
┛┗
2L50×6
1138
15.1
25.6
123.97
91.4
150
0.416
116.6
Gd
-55.2
2088
2610
┛┗
2L50×6
1138
15.1
25.6
138.28
101.95
150
0.353
137.41
Ie
-55.2
2592
┛┗
2L63×4
996
24.6
105.36
150
0.523
105.97
八、节点设计
1.下弦节点b
根据各杆内力表,设计这类节点的步骤是：
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然后按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。
用E43焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值
＝160N/mm2，
⑴Bb杆的肢背和肢尖焊缝hf＝8mm和6mm，N=393.9kN所需焊缝长度为：
肢背：
＝（0.7×393.9×103）/（2×0.7×8×160）+10＝163.8取
＝170mm
肢尖：
’＝（0.3×393.9×103）/（2×0.7×6×160）+10＝97.9mm，取
’＝100mm
⑵Db杆的肢背和肢尖分别采用8mm和6mm,N=309.7kN
肢背:
＝（0.7×309.7×103）/（2×0.7×8×160）+10=130.98mm,取
＝140mm
肢尖:
’＝（0.3×309.7×103）/（2×0.7×6×160）+10=79.13取
’＝80mm
⑶Cb杆的内力很小，N=55.2KN。
焊缝尺寸可接构造确定取hf＝5mm.焊缝长度
≥50mm。
根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作、装配误差，按比例作出节点详图，从而确定节点板尺寸为310×380mm。
⑷下弦节点板连接的焊缝长度380mm，hf＝6mm，
焊缝所受的力为左右下弦杆的内力差ΔN＝Nbc-Nba=704.5-289＝415.4kN，所需焊缝长度：
肢背:
＝（0.75×415.4×103）/（2×0.7×8×160）+10=183.8mm,取
＝190mm
肢尖:
’＝（0.25×415.4×103）/（2×0.7×6×160）+10=87.27取
’＝90mm
受力较大的肢背处背焊缝应力为
τf＝（K1ΔN）/（2×0.7hflw）=（0.75×415.4×103）/（2×0.7×6×（380-10））=100.24N/mm2＜160N/mm2.
焊缝强度满足要求。
2.上弦节点：
B
⑴Bb杆与节点板的连接焊缝尺寸和B节点相同。
⑵Ba杆与节点板的连接尺寸按同样方法计算,NBa＝505.1KN,
肢背和肢尖焊缝分别采用：
hf＝10mm和hf＝6mm
肢背
＝（0.7×505.1×103）/（2×0.7×10×160）+10＝167.8mm，取
＝180mm
肢尖
’＝（0.3×505.1×103）/（2×0.7×6×160）+10＝122.7mm，取
’＝140mm
⑶上弦杆与节点板连接焊缝计算：
为了便于搁置屋面板，上弦节点板的上边缘缩进上弦肢背80mm，
上弦角钢与节点板间用槽焊连接，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，认为集中力P与上弦垂直。
P＝55.2kN，hf＝
＝12/2＝6mm，根据斜杆焊缝长度确定节点尺寸，得节点板尺寸470×310mm
焊缝计算长度lw＝470－10＝460mm，则肢背焊缝应力为：
τf＝
＝55.2×103/（2×0.7×6×460）＝14.3N/mm2＜ftw＝160N/mm2
肢尖焊缝承受弦杆内力差ΔN＝532.4-0.0=532.4kN偏心距e＝100－25.1＝74.9mm
偏心力矩M＝ΔN·e＝532.4×103×74.9＝39880000N·mm，采用hf＝8mm则
τf＝ΔN/2helw＝532.4×103/（2×0.7×8×470）＝101.14N/mm2
σf＝6
＝（6×39880000）/（2×0.7×8×4702）＝96.7N/mm2
＝129N/mm2＜160N/mm2满足强度要求。
3．屋脊节点H
（1）弦杆的拼接一般都采用同号角钢进行拼接。
为了使拼接角钢在拼接处能紧贴被连接的弦杆和便于施焊，需切去肢尖角,截去垂直肢的一部分：
△=t+hf+5mm设焊缝为8mm，拼接角钢与弦杆的连接焊缝按被连接杆的最大内力计算，N=-902.6KN.
每条焊缝长度为：
＝902.6×103/（4×0.7×8×160）+10＝261.8mm，取
＝270mm
拼接角钢总长L=2×270+20=560mm,垂直肢切去△=t+hf+5=23,取25mm并按上弦坡度热弯。
（2）计算屋脊处弦杆与节点板的连接焊缝，取hf=5mm
=（2NSin5.7゜-P）/（8×0.7hf*f）
=（2×932.2×103×0.099-55.2×103）/（5×0.7×8×160）=28.88mm.按构造决定节点板长度。
4.下弦跨中节设计e
跨中起拱高度约50mm下弦节头设于跨中节点处,连接角钢取与下弦相同截面
2L140×90×10mm.hf=8mm,l=
+10=（928.1×103/4×0.7×8×160）+10mm.取L=270mm,
连接角钢长度L=2×270+14=526mm.取530mm肢尖切去△=t+hf+5=14+18+5=27mm,△A=27×14=378mm
截面削弱△A/A=378/3050=12%<15%,满足要求,
下弦杆与节点板,斜杆与节点板之间连接焊缝均按构造设计,因屋架跨中高度较大,需将屋架分成两个运输单元,在屋脊和下弦跨中设置工地拼接节点,左半边的上弦,斜杆,竖杆与节点采用工厂焊,右半边的手工焊,腹杆与节点连接焊缝计算方法与以上几个节点相同.
5.端部支座节点a
（1）支座底板的计算。
支座反力R＝10P＝10×55.2=552kN
按构造要求采用底板面积为a×b＝280×390mm如仅考虑加劲肋部分底板承受均布反力为:
q=R/An=552000/280×214=9.212N/mm2b1=100×134/172=78mm,b1/a1=78/172=0.454查表β=0.051,
则板的单位宽度的最大弯距为：
M＝β·σ·a12=0.051×9.212×1722=13899N.mm.
底板厚度t＝
＝19.6mm，取t＝20mm.底板尺寸-390×280×20mm
（2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算:
，
厚度取中部节点板相同（即－80×10×460），一个加劲肋的连接焊缝所承受
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