钢结构屋架计算说明书

课

设 计 说 明 课程名称： 钢 结 构 设计题目： 钢屋架设计 院 系： 土木与建筑工程学院 学生姓名： 学 号：

专业班级： 10土木工程2班 指导教师： 李 珂

2012年12月16

日

程书

课 程 设 计 任 务 书

梯形钢屋架课程设计

摘 要：本设计说明说包括梯形钢屋架的形式及尺寸、支撑布置，内力计算，节点焊缝计算及设计方法，屋架施工图绘制，相关的详图大样绘制以及必要的结构剖面图。

关键词：梯形

钢屋架 节点 节点焊缝支撑

目 录

1 设计背景………………………………………………………… 1 1. 1 设计资料……………………………………………………… 1 1. 2 屋架形式……………………………………………………… 1 2 设计方案………………………………………………………… 2 3 方案实施………………………………………………………… 3 3. 1 荷载与内力计算……………………………………………… 3 3. 2 杆件截面设计………………………………………………… 4 3. 3 节点设计……………………………………………………… 10 4 结果与结论……………………………………………………… 17 5 收获与致谢……………………………………………………18 5. 1 收获…………………………………………………………… 18 5. 2 致谢…………………………………………………………… 18 6 参考文献………………………………………………………… 19 7 附件……………………………………………………………… 20

1.1 设计资料

某地区一金加工车间。厂房总长度为150m ，柱距6m ，跨度为24m 。车间内设有两台中级工作制桥式吊车。该地区冬季最低温度为-20℃。

屋面采用1.5m ⨯6.0m 预应力大型屋面板, 屋面坡度为i=1:10，上铺120mm 厚泡沫混凝土保温层和三毡四油防水层等。屋面可变荷载标准值为0.50kN /m 2，雪荷载标准值为

0.50kN /m 2, 积灰荷载标准值为0.50kN /m 2。 屋架采用梯形钢屋架, 其两端铰支于钢

筋混凝土柱上。 柱头截面为400mm ⨯400mm , 所用混凝土强度等级为C20。

2 根据该地区的温度及荷载性质, 钢材采用Q 235B , 其设计强度f =215N /mm ,

焊条采用E43型, 手工焊接。构件采用钢板及热轧型钢, 构件与支撑的连接用M20普通螺栓。

屋架的计算跨度:L 0=24000-2⨯150=23700mm , 端部高度:h =2000mm (轴线处), h =2015mm (计算跨度处), 桁架的中间高度:h =3200mm 。

1.2 屋架形式

屋架形式及几何尺寸见图 1所示

图1屋架形式及几何尺寸

屋架支撑

符号说明：GWJ-(钢屋架) ；SC-(上弦支撑) ；XC-(下弦支撑);

CC-(垂直支撑) ；GG-(刚性系杆) ；LG-(柔性系杆)

图2屋架支撑

3方案实施

3.1 荷载与内力计算

1. 荷载计算

屋面可变荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的可变荷载计算。 永久荷载标准值：

防水层(三毡四油上铺小石子) 0. 35kN /m

2

找平层(20mm 厚水泥砂浆) 0.40kN /m

2

保温层(120mm 厚泡沫混凝土) 0.7kN /m 2 预应力混凝土大型屋面板 1.40kN /m 钢屋架和支撑自重 0.12+0.011⨯24=0.384kN /m 2 管道设备自重 0.10kN /m 2

总计 3.334kN /m 2

可变荷载标准值

雪荷载 0.50kN /m 2 积灰荷载 0.50kN /m

总计1.10kN /m 2 永久荷载设计值 1.2⨯3.34=4kN /m 可变荷载设计值 1.4⨯1.0=1.4kN /m 2. 荷载组合

设计屋架时, 应考虑以下三种组合： 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+1.4）⨯1.5⨯6=48.6kN

2

2

2

2

组合二:全跨永久荷载+半跨可变荷载

屋架上弦节点荷载

P 1=4⨯1.5⨯6=36kN P 2=1.4⨯1.5⨯6=12.6kN

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

屋架上弦节点荷载

P 3=1.2⨯0.384⨯1.5⨯6=4.15kN

P 4=（1.2⨯1.4+1.4⨯0.5）⨯1.5⨯6=21.42kN

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，屋架杆件内力组合表见表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。施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设屋面板，可避免内力变号而不用组合三。

3.2 杆件截面设计

腹杆最大内力，N=430.40kN (压) ，由屋架节点板厚度参考表可知：支座节点板厚度取12mm ；其余节点板与垫板厚度取10mm 。

表1 屋架杆件内力组合表

注：表内负值表示压力；正值表示拉力。

1. 上弦杆

整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N =784.02kN （压） 计算长度 屋架平面内取节间轴线长度l ox =150.8cm

屋架平面外根据支撑和内力变化取l oy =2⨯150.8=301.6cm

因为2l ox =l oy ，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并，上弦杆截面见图3。

图3 上弦截面

设λ=60，查轴心受力稳定系数表，ϕ=0.807(b类)

3

N 784.02⨯10得A =*==4518.7mm 2 ϕf 0.807⨯215

*

λ

l oy 301.6i *===5.03cm y

λ60

*

i x =

l ox

=

150.8

=2.51cm 60

2*

A =5063mm 160⨯100⨯10根据A *、i x 查角钢型钢表，选用2∟，，i x =2.85cm , i y =7.7cm 。 、i *y

按所选角钢进行验算：

8 λx =l ox =150. =52. 9

i x

2. 85

01 5

λy =

满足刚度要求。

l oy i y

=

301.6

=39.17

取λmax =λx ，查轴心受力稳定系数表，ϕx =0.843（b 类）

N 784.02⨯103

==183.69N /mm 2

2. 下弦杆

整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N =779.89kN (拉)

计算长度：屋架平面内取节间轴线长度l ox =300. 0cm ，屋架平面外根据支撑布置取

l oy =600. 0cm

计算需要净截面面积

3

N 779.89⨯10 A ===3627.4mm 2 f 215

*

n

选用2∟125⨯80⨯10（短肢相并），A =3942mm 2，i x =2. 26cm , i y =6. 11cm 。 下弦杆截面见图4。

图4 下弦截面

按所选角钢进行截面验算，取A n =A ,

N 779.89⨯103

==197.84N /mm 2

λx =

l ox 300

==132. 74

λy =

l oy i y

=

600

=98. 2

所选截面满足要求。 3. 端斜杆aB

已知N =430.4kN （压），l ox =l oy =253. 5cm ，因为l ox =l oy ，故采用不等肢角钢，长肢相并，使i x =i y ，选用角钢2∟125⨯80⨯10, A =3942mm 2，i x =3.98cm , i y =3.31cm 。 端斜杆截面见图5。

图5 端斜杆截面

截面验算

λx =l ox =253. 5=63. 69

i x

3. 98

λy =

l oy i y

=

253. 5

=76. 59

取λmax =λy ，查表得ϕmin =ϕy =0. 710（b 类）

N 430.4⨯103

==153.78N /mm 2

已知 N =93.78kN （拉）, l 0=0.9l =0.9⨯320=288.0cm

根据螺栓排列要求，中间竖杆最小应选用2∟63⨯5（A =12.29cm 2, i xo =2.45cm ）的角钢，并采用十字形截面，见图6。

图6 中竖杆截面

N 93.78⨯103

==76.3N /mm 2

λx =λy =

l o 288

==117. 56

其余各杆件截面选择过程不一一列出，计算结果见表2。 表2 杆件截面选择表

表2 杆件截面选择表

3.3节点设计

用E43焊条时，角焊缝的抗拉、抗压、抗剪强度设计值f t w =160N /mm 2。各杆内力由表1查得。最小焊缝长度不应小于8h f 。 1．下弦节点b （见图7）

图7 下弦节点“b ”

（1）斜杆Bb 与节点板连接焊缝计算：N =333.98kN

设肢背与肢尖的焊脚尺寸分别为6mm 和5mm 。所需焊缝长度为：

0.7⨯333.98⨯103

肢背：l w =2⨯0.7⨯6⨯160+12=198.3mm ，取l w =190mm 0.3⨯333.98⨯103'=+10=105.8mm ，取l w '=100mm 肢尖：l w

2⨯0.7⨯5⨯160

（2）斜杆Db 与节点板的连接焊缝的计算：N =264.18kN 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm 和5mm 。所需焊缝长度为

0.7⨯264.18⨯103

肢背l w =+12=149.6mm ，取l w =150mm

2⨯0.7⨯6⨯160

0.3⨯264.18⨯103'='=90mm +10=80.76mm ，取l w 肢尖l w

2⨯0.7⨯5⨯160

（3） 竖杆Cb 与节点板连接焊缝计算：N =48.60kN , 因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸h f =5mm ，焊缝长度l w =50mm 。

（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 =592.14-242.94=349.2kN ，设肢背与肢尖的焊角尺寸为6mm 。

所需焊缝长度为：

0.75⨯349.2⨯103

肢背l w =+12=206.9mm ， 取 l w =210mm

2⨯0.7⨯6⨯1600.25⨯349.2⨯103

肢尖l w '=+12=76.95mm ，取l 'w =80mm

2⨯0.7⨯6⨯160

（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，按比例作出构造详图，从而定出节点板尺寸。本设计确定节点板尺寸可在施工图中完成，校核各焊缝长度不应小于计算所需的焊缝长度。 2. 上弦节点B （见图8）

图8 上弦节点“B ”

（1）斜杆Bb 与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b 中Bb 杆计算相同。 （2）斜杆Ba 与节点板连接焊缝计算，N =430.4kN 。 设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为10mm 和6mm 。所需焊缝长度

0.65⨯430.4⨯103

肢背l w =+20=144.9mm ，取 l w =150mm

2⨯0.7⨯10⨯160

0.35⨯430.4⨯103

肢尖l w '='=130mm +12=124.08mm ， 取l w

2⨯0.7⨯6⨯160

（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80mm 。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。设焊角尺寸为6mm ，集中荷载P 由槽焊缝承受，P =48.60kN （压）。 所需槽焊缝长度为

P 48.60⨯103

l w =+12=+12=48.16mm ，取l w =50mm w

2⨯0.7⨯h f ⨯f f 2⨯0.7⨯6⨯160

上弦肢尖焊缝受力为左右上弦弦杆的内力差 ∆N =447.71-0.0=447.71kN 偏心距 e =100-23.6=76.4mm

设肢尖焊脚尺寸8mm ，需焊缝长度为410mm ,则

∆N 447.71⨯103

τf ===101.46N /mm 2

2h e ∑l w 2⨯0.7⨯8⨯(410-16)

∆N 447. 7⨯1310τf ===101. 4N 6mm /2

2h e ∑l w 2⨯0. ⨯7⨯8(4-1016) M 6⨯447.71⨯103⨯75σf ===115.88N /mm 2

2

W f 2⨯0.7⨯8⨯(410-16)

=

=138.98N /mm 2

（4）节点板尺寸：方法同前，在施工图上确定。

3. 屋脊节点J （见图9）

图9 屋脊节点“J ”

（1） 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。 拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。 拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力计算。

N =759.26mm 。设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm 。则需焊缝长度为

3

N 759. ⨯2610

l w =+16=+1=622mm 7 . 85w

4⨯0. ⨯7h f ⨯f f ⨯4⨯0⨯. 78160

取l w =230mm

拼接角钢长度取2⨯230+50=510mm

（2）弦杆与节点板的连接焊缝计算：上弦肢背与节点板用槽焊缝，假设承受节点荷载，验算从略。

上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15%计算。N =759.26⨯15%=113.89kN , 设焊脚尺寸为8mm ，弦杆一侧焊缝长度为200mm 。

N 113.89⨯103τf ===55.26N /mm 2

2h e ∑l w 2⨯0.7⨯8⨯(200-16)

M 6⨯113.89⨯103⨯75σf ===135.16N /mm 2

2

W f 2⨯0.7⨯8⨯(200-16)

=

=123.80N /mm 2

（3）中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N =48.60kN 。此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸h f =5mm ，焊缝长度l w =50mm 。 4、下弦跨中节点e （见图10）

图10 下弦节点“e ”

（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，传递弦杆内力

N =779.89kN

设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm 。则需焊缝长度为

N 779.89⨯103

l w =+16=+16=233.60mm w

4⨯0.7⨯h f ⨯f f 4⨯0.7⨯8⨯160

取l w =240mm

拼接角钢长度不小于2⨯240+10=490mm

(2)弦杆与节点板连接焊缝计算:按下弦杆内力的15%计算。

N=779.89⨯15%=116.89kN

设肢背、肢尖焊脚尺寸为6mm ，弦杆一侧需焊缝长度为

0.75⨯116.98⨯103肢背l w =+12=77.28mm 取l w =80mm

2⨯0.7⨯6⨯1600.25⨯116.98⨯103

肢尖l w '=50mm '=+12=33.76mm ，按构造要求l w

2⨯0.7⨯6⨯160

（3）腹杆与节点板连接焊缝计算，计算过程省略（内力较小可按构造要求设计）。 5. 端部支座节点a （见图11）

图11 支座节点“a ”

为便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板间的距离一般不应小于下弦伸出肢的宽度，故可取为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同，厚度同端部节点板为12mm 。

（1）支座底板计算：支座反力R =48.6⨯15+2⨯(0.5⨯48.6) =388.8kN

取加劲肋的宽度为80mm ，考虑底板上开孔，按构造要求取底板尺寸为280mm ⨯380mm 。偏安全地取有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为

280⨯(2⨯80+12) =48160mm 2

验算柱顶混凝土的抗压强度：

R 388.8⨯103

σ===8.07N /mm 2

A n 48160

底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块板为两边支承而另两边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为M =βσa 2。 式中 σ——底板下的平均应力，σ=8.07N /mm 2

a 2——两支承边对角线长，a 2=

(140-2)2+802

=156. 92mm

β——系数，由b 2a 2决定。b 2为两支承边的交点到对角线a 2的垂直距离。由相

似三角形的关系，得b 2=

140⨯80

=71. 37mm 156. 92

b 2a 2=0. 45 查表得β=0. 05

故M =0.05⨯8.07⨯156.922=9935.7N ⋅mm

底板厚度t ==16.65mm ，取t =20mm 。

（2）加劲肋于节点板的连接焊缝计算：偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座反力的1/4，则焊缝受力

388.8⨯103

V ==97.20⨯103N

4

M =Ve =97.20⨯103⨯47.5=4.617⨯106N ⋅mm

设焊脚尺寸为5mm ，焊缝长度210mm ，则焊缝应力为

=2

==88.96N /mm 2

（加劲肋高度不小于210mm 即可）

（3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算：设底板连接焊缝传递全部支座反力

R =388.8kN 。节点板、加劲肋与底板的连接焊缝总长度

∑l w =2⨯(2⨯140-2⨯5) +4⨯(80-15-20) =720mm

设焊脚尺寸为8mm ，验算焊缝应力

R 388.8⨯103

σf ===76.036N /mm 2

1.22h e ∑l w 1.22⨯0.7⨯8⨯720

（4）下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算：杆件与节点板的计算同前，过程从略。

4结果与讨论

一周的课程设计已经结束，我按时完成了课程设计的任务。这次课程设计不仅使我们拓宽了自己的知识面，还在实践过程中巩固和加深了我们所学的知识，掌握了使用绘图软件的基本方法，这使我的技术素质和实践能力有了进一步的提高。通过设计过程的锻炼，自己分析问题和解决问题的能力得到了提高，自己的知识结构也得到了完善。

5收获与致谢

5.1 收获

经过一周的时间，在指导老师的精心指导下我们完成了本次课程设计的主要内容。通过此次课程设计，我掌握了设计钢屋架的基本思路和过程，学会使用了绘图软件。在计算及绘图的过程中，指导老师多次给我们分析思路，讲解计算方法，开拓视角，传授经验，让我们更全面地完善了专业知识结构。

5.2 致谢

指导老师李珂严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我们终生受益。在此，谨向李珂老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

6参考文献

[1]戴国欣主编. 钢结构（第3版）[M].武汉：武汉理工大学出版社，2011.1. [2]张耀春主编. 钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，2004.8.

[3]唐岱新，孙伟民主编. 高等学校建筑工程专业课程设计指导[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.6.

[4]陈志华编著. 建筑钢结构设计[M]. 天津：天津大学出版社，2004.3.

[5]周俐俐，姚勇等编著. 土木工程专业 钢结构课程设计指南[M]. 出版社，知识产权出版社，2007.5.

北京：中国水利水电

7附件

附件见图纸。