梯形钢屋架课程设计

目录

一、设计资料....................................................................................2二、屋架尺寸及结构形式与选型...................................................2三、荷载计算..................................................................................31.永久荷载....................................................................................32.可变荷载....................................................................................33.荷载组合....................................................................................4四、内力计算....................................................................................4五、杆件设计....................................................................................61.上弦杆........................................................................................62.下弦杆........................................................................................73.斜腹杆........................................................................................84.竖杆............................................................................................9六、节点设计..................................................................................101.下弦节点C..............................................................................102.上弦节点B..............................................................................113.屋脊节点G..............................................................................124.支座节点A..............................................................................13附录：钢屋架施工图

梯形钢屋架课程设计计算书

一、设计资料：

1、车间柱网布置：长度90m；柱距6m；跨度21m2、屋面坡度：1：10

3、屋面材料：预应力大型屋面板4、荷载

1）静载：屋架及支撑自重0.35KN/m²;屋面防水层0.4KN/m²；找平层0.4KN/m²;大型

屋面板自重（包括灌缝）1.4KN/m²。2)活载：屋面雪荷载0.35KN/m²；积灰荷载标准值1.2KN/m屋面活荷载标准值：

2

0.7kN/m2

5、材质

Q345B钢，焊条E50XX系列，手工焊。

荷载名称

三毡四油（上铺绿豆沙）防水层

水泥砂浆找平层

保温层

永久荷载

一毡二油隔气层水泥砂浆找平层预应力混凝土屋面板

屋架自重屋面活荷载标准值

可变荷载6、

积灰荷载雪荷载

荷载标准值（KN/m2）

0.40.40.70.050.31.4

0.12+0.11x21=0.351

0.71.200.35

荷载类型

二、结构形式与选型

屋架形式及几何尺寸如图所示

上弦横向水平支撑一般设置在房屋两端且间距不宜大于60m，根据厂房长度(90m>60m)、跨

度及荷载情况，设置上弦横向水平支撑3道。

下弦横向水平支撑与上弦横向水平支撑对应的布置在同一柱间距内，以形成稳定空间体系。

下弦纵向水平支撑不进行布置。

垂直支撑设置在上、下弦横向支撑的柱间内，在屋架两端及跨中的竖直面内。系杆沿房屋纵向通长设置，以保证屋架的侧向稳定。

三、荷载计算

屋面雪荷载与检修荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准值进行计算。故取屋面活荷载0.7KN/m²进行计算。

屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式gk(0.120.011l)kN/m计算，跨度单位为米（m）.

屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式gk(0.120.011l)kN/m计算，跨度单位为米（m）

荷载计算表

荷载名称

预应力混凝土大型屋面板自重

屋架及支撑自重屋面防水层

标准值（KN/m²）

1.40.350.4

22

设计值（KN/m²）1.4×1.35＝1.890.264×1.35＝0.35640.4×1.35＝0.54

找平层永久荷载总和屋面活荷载积灰荷载可变荷载总和

1、全跨永久荷载F1＋全跨可变荷载F2

0.42.4640.71.21.9

0.4×1.35＝0.54

3.32640.7×1.4＝0.981.2×1.4=1.68

2.66

设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：

全跨节点永久荷载及可变荷载：

F=(3.3264+2.66)×1.5×6=53.8776kN2、全跨永久荷载F1＋半跨可变荷载F2

全跨节点永久荷载：

F1=3.3264×1.5×6=29.9376kN半跨节点可变荷载：

F2=2.66×1.5×6=23.94kN

3、全跨屋架（包括支撑）自重F3＋半跨屋面板自重F4＋半跨屋面活荷载F2

全跨节点屋架自重：

F3=0.3564×1.5×6=3.2076kN半跨节点屋面板自重及活荷载：F4=(1.89+0.7)×1.5×6=23.31kN

1、2为使用节点荷载情况，3为施工阶段荷载情况。

四、内力计算

屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如下：

2/21/2

(a)

F2/1F/(b)

/

2

F2

/2F4/2F3/2(c)

F4/23/2

由图解法或数解法解得F=1的屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半

跨）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果如下表：

屋架构件内力组合表

杆件名称

内力系数（F=1）全跨1

左半跨2

右半跨3

第一种组合

第二种组合F1×1+F2×2

F1×1+F2×3

第三种组合F3×1+F4×2

F3×1+F4×3

计算杆件内力（kN）

F×1

上AB弦BC、杆CD

DE、EFFG、GH下Ac弦杆

ce

eggh斜aB腹杆Bc

cDDeeFFggH

0-7.472-11.262-12.184.1009.74411.96211.768-7.6845.808-4.4092.792-1.5720.3280.713-0.5-1.0-1.0-1.0

0-5.310-7.339-6.8613.0106.6637.3265.884-5.5413.960-2.5331.222-0.047-1.0391.913-0.5-1.0-1.0-1.0

0-2.162-3.923-5.3191.0903.0814.6365.884-2.0431.848-1.7761.570-1.5251.367-1.2000000

0-402.569-606.763-656.222220.8957524.977644.477634.0245-413.991312.918-237.5437150.4246-84.694617.671738.4143-26.9358-53.877-53.877-53.877

0-350.8385-512.6406-528.9215194.8134451.2476533.5267493.197-362.7104268.6939-192.6455112.8472-48.1909-15.053467.1444-26.94-53.8776

-53.8776

-53.8776

0-275.4754-431.2685-492.0061148.8486365.4945469.1281493.197-278.9683218.1326-174.5229121.1783-83.574242.5463-7.3808-14.97-29.9376

-29.9376

-29.9376

0-147.7463-207.2006-199.003483.3159186.5733209.1432174.9077-153.811110.9397-73.188337.4415-6.1379-23.166946.8793-13.2588-26.5176-26.5176-26.5176

0-74.3664-127.5736-163.059338.5607103.0769146.4393174.907772.272661.709-55.5427

45.5534

-40.5901

32.917-25.6847

0-402.569-606.763-656.222220.8957524.977644.477634.0245-413.991312.918-237.5437150.4246-84.694642.546367.1444-26.9358-53.877-53.877-53.877

坚Aa杆

CcEeGg

-3.2076-3.2076-3.2076-3.2076

五、杆件设计

（1）上弦杆

整个上弦采用等截面，按FG杆件的最大设计内力设计，即N=-656.222KN上弦杆计算长度：

在屋架平面内：为节点轴线长度：

l0x=l0=1.508m

在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据支撑布置和内力变化情况，取l0y为支撑点间的距离，即：

l0y=3×1.508=4.524m

根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。如右图：

腹杆最大内力N=-413.991KN，中间节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm

设λ＝60，查Q345钢的稳定系数表，可得φ＝0.732（由双角钢组成的T形和十字形截面均属于b类），则需要截面积为

N656.222×103

A＝＝2891.865mm2

φf0.732×310

需要回转半径：

l1.508

m＝25.1mmλ60l0y4.524iy＝m＝75.4mm

λ60ix

查表选用2└100×63×10

验算

a=10mm

λxλy

l1508m＝65.6mmix23.0l0yiy

3016

m＝40mm75.4

满足长细比[]150的要求，查表φx＝0.714，则

N656.222103

＝297.11MPa

故所选截面合适。（2）下弦杆

整个下弦采用等截面，按cd杆件的最大设计内力设计，即N=644.477KN

下弦杆计算长度：lox=3000mm, loy=20700/2=10350mm下弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。所需截面面积：A=

N644477 ==2078.95mm2f310

查表选用2└

100×80×6，a=10mm

即A=21.274cm20.785cm,ix2.40cm,iy4.69cm，且

2

2

x=

l300

==125

=

1035

=220.68

满足要求。

y=

（3）腹杆

①aB杆:

计算长度：lox =loy=2530mm杆件轴力：N=-413.991KN因为lox =loy，选2└140×90×10所需面积：A=

N413991==3469.441mm2则A=36.078cm , ix=2.59 ,iy=6.73

2

x=97.838 ,y=37.652 ,x=0.675N252570==137.2Mpa

（4）竖杆①竖杆Gg:

杆件轴力：N=-53.877KN

计算长度：lox=0.8l=231.2cm loy=l=289cm内力较小

按[λ]=150选择

需回转半径：ix

l231.21.54cm150iy=1.93cm

A=10830mm2

查表选用2└45×4

2

a=8mm

即A=10.83cm ， ix=1.72cm ， iy=2.69cm且x=lox/ix=231.2/1.72=134.42

y=loy/iy=289/2.69=107.43

屋架杆件截面选择表

计算长度

cm

内力（KN）

截面规格

回转半径（cm）

计算应力

NφyA

长细比

杆件名称

杆件编号

l0xl0y

截面面积（cm²）

容许长细比

稳定系数

ixiy

λxλy

[λ]

150.00350.00150.00150.00350.00150.0

φXφy

或N/A（N/cm²）15.12731.007.209

上弦下弦

FGGHegAaaBBcCc

-656.222644.477-26.936-413.991312.918-53.8

150.[**************]3

452.[1**********]261.3229

2└160×110×142└100×80×62└56×52└140×90×102└100×

62└56×5

58.2320.79010.8344.52223.8610.83

2.822.851.724.473.11.7

7.757.702.693.664.442.6

53.48105.26115.756.6067.42106.5

58.37134.4273.9869.1358.8585.3

0.745_0.345

0.661-0.392

-_

斜腹

14.06713.11512.69

77

cDDeEeeF

竖杆

FgGggH

-237.544150.425-53.877-84.69542.546-53.87767.144

.2229.1229.1207.2249.9249.9231.2271.2

286.4286.4259312.4312.4289339

2└100×62└100×62└56×52└100×

62└56×52└56×52└100×6

23.8623.8610.8323.8610.8310.8323.86

23.13.11.723.11.721.723.1

94.444.442.694.442.692.694.44

173.979.3120.4780.61145.29134.4287.84

64.564.596.2870.36116.13107.4376.35

0150.00350.00150.00150.00350.00150.00150.00

0.3220.568-0.2670.517

-0.621

116.0326.30415.456.24939.29318.6485.443

六、节点设计

（1）下弦节点

用E50型焊条角焊缝的抗拉和抗压、抗剪强度设计值ff＝200MPa。

1下弦节点“c”

w

设“Bc”杆的肢背hf＝8mm和肢尖焊缝为hf＝6mm.所需的焊缝长度为

肢背：lw

'

0.7N0.7312918

mm，取140mm。

2heff20.78200

0.3N0.3312918

＝55.878mm，取90mm。w

2heff20.76200

肢尖：lw

''

“Cc”杆内力很小，杆的肢背hf＝6mm和肢尖焊缝为hf＝6mm.按构造要求综合取节点板尺寸360mm×460mm

下弦与节点板连接的焊缝长度为46cm，hf＝6mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差ΔN＝304.08KN，受力较大处的肢背出的焊缝应力为:

τf

0.75304080

103.58MPa

焊缝强度满足要求。

焊缝强度满足要求。

2）上弦节点“B”

“Bc”杆与节点板的焊缝尺寸同上。NaB=-413.991kN

设“aB”杆的肢背和肢尖焊缝hf＝10mm和6mm，所需焊缝长度为肢背：lw'0.65N0.65413991mm,取140mm.w2heff20.710200

肢尖：lw''0.3N0.3413991=86.248mm，取120mmef节点板上边缘缩进上弦肢背8mm，按构造要求取节点板用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条焊缝计算，需在强度设计值乘以0.8的折减系数。假定集中荷载P与上弦垂直，上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：

h'f等于二分之一节点板厚度，hf＝110mm=5mm，h''f＝10mm,上弦与节点板焊缝长度为460mm，则

fw111.72MPa

满足要求。上弦肢尖角焊缝的切应力为

fw32.56MPa

满足要求。

3）.脊节点“G”

设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝hf＝10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）

lw=65622240.710200117.835mm

拼接角钢长度ls2(lw2hf)+弦杆杆端空隙20，拼接角钢长度取400mm。

上弦与节点板之间的槽焊缝，假定承受节点荷载，验算如下

节点板长度为360mm，节点板的宽度为150mm,

上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15％计算，

lw＝(360/2-10-20)＝150mm，焊缝应力为

Nτf0.15

×65622246.873MPa2×0.7×10×1506×0.15×656222×76.4Mσ143.244MPaf20.7101502126.42MPa

4）.支座节点“A”

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，加劲肋的高度与节点板高度相等，厚度12mm。

ａ．支座底板的计算。支座反力R＝53822×8=431016N。

设支座地板的平面尺寸采用280×400mm，现仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为An=280×320=64960mm²。验算柱顶混凝土强度：

qR4310166.63MPa

2M=βqa1

式中，q为底板下的平均应力。a1

为两支撑边之间的对角线

a1173.4mmβ为系数，由b1/a1查表，b1为两支撑边的相交点到对角线a1的垂直距离。由相似

三角形的关系，得b2＝85.0mm，b2/a2＝0.49查表得β＝0.0586

2M=βq

a10.05868.11173.42=14289.49Nm

底板厚度t16.63mm ，取t＝20mmｂ．加劲肋与节点板的连接焊缝计算。假定加劲肋受力为屋架支座反力的1/4，即

431016/4=107754N,则焊缝内力为

V=107754N

M=107754×55=5826470N·mm

设焊缝hf＝6mm，焊缝长度l

w＝528－20－12＝496mm，焊缝应力为

29.46MPa

其中每块加劲肋各R/4＝107754N，节点板传递R/2＝215508N。

节点板与底板的连接焊缝长度lw＝2×（280－12）＝536mm，所需焊脚尺寸为

hfR/22155082.354mm ，故取hf＝wf6mm。

每块加劲肋于底板的连接焊缝长度为

l

hf=w＝2×（110－20－12）＝156mm所需焊缝尺寸为

一列出，见施工构造图。1077544.044mm ，故取hf＝8mm。其他节点的计算不再一0.71562001.22

参考文献:

（1）《土木工程专业钢结构课程设计指南》，周俐俐、姚勇等编著，中国水利水电出版社、知识产权出版社，2006年1月第1版；

（2）《钢结构（上册）钢结构基础》，陈绍蕃、顾强主编，中国建筑工业出版社，2007年6月第二版；

（3）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），中国建筑工业出版社，2006年11月第二版；

（4）《钢结构设计规范》（GB50017-2003），中国计划出版社，2003。

摘要：掌握钢屋架荷载的计算，杆件内力的计算和组合，杆件的计算长度、截面型式、截面选择及构造要求，填板的设置及节点板的厚度，普通钢屋架节点设计的原则和要求，主要节点的设计及计算和构造，以及钢屋架施工图的内容和绘制。设计成果应包括设计计算书（A4纸装订成册）和施工图纸1张；每个学生应认真独立完成全部设计任务，成果表面和技术质量符合工程设计文件的要求。作屋盖结构及支撑的布置图；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、屋脊节点、支座节点；绘制运输单元的施工图，设计的节点应尺寸齐备，满足构造要求。