信阳师院钢设计文本.doc

学号：
20095093166

钢结构课程设计

学 院 土木工程学院
专 业 土木工程
年 级 2009级（1）班
姓 名 高 贝 贝
辅导老师 熊瑞生

2012 年7月6日

一、设计题目：某市单层单跨工业厂房钢屋架设计
二、设计目的：通过课程设计，使学生熟悉钢屋盖设计的基本过程、 掌握钢屋架设计的主要内容及钢结构设计的构造规定和钢结构施工图的绘制，锻炼学生的分析、解决实际问题的能力、查阅资料的能力及综合应用能力。
三、设计资料
某市单层单跨厂房，跨度24，长120m，柱距6m。屋架支承在钢筋混凝土柱上，柱顶标高12m，上柱截面300×300mm，混凝土强度等级C25。厂房内有一台起重量Q=200/50 kN的中级工作制桥式软钩吊车，计算温度高于-20℃，地震设防烈度为6度。屋面材料见五（屋面荷载）。建造地点的冬季主导风向：西北风，夏季主导风向：东南风。
四、屋架形式
L
i
h0
150
i
A
B
C
D
I
b
E
F
G
H
a
c
e
d
150
h

屋面坡度i=1/13,屋架跨度L=24m，屋架中部高度h=2m。

五、屋面荷载标准值
项 目
荷载Ⅲ
彩色复合压型钢板屋面（夹芯材料、板厚不同）（kN/m2）
0.24
活荷载（水平投影面）（kN/m2）
0.50
基本雪压（水平投影面）（kN/m2）
0.50
基本风压（垂直于建筑物表面）（kN/m2）
0.35
每根檩条自重(kg/m)
17.23
积灰荷载（水平投影面）（kN/m2）
0.5
屋架及支撑自重（水平投影面）（kN/m2）
(0.12＋0.011L)

1.完成设计计算书一份：
（1）设计资料.
（2）确定屋架结构型式及几何尺寸.
（3）拟定钢屋盖总体平面布置（包括支撑）.
（4）荷载计算及荷载组合.
（5）杆件内力计算，包括内力系数及杆件内力组合表.
（6）钢材及连接方式的选择，杆件截面选择及验算，包括杆件截面选择表.
（7）节点设计，填板设计.
（8）用A4纸打印或书写工整（不能用圆珠笔或铅笔），条理清晰，装订整齐（左侧装订）.

2.绘制钢屋架施工图（2号图纸1～2张）
（1）屋架几何尺寸和内力简图.
（2）构件详图：屋架正立面图（参考比例：轴线1:20~1:30：，杆件及节点1:10~1:20），上、下弦平面图，端部及中间部位剖面图.
（3）零件或节点大样图（参考比例：1:5或1:10）.
（4）材料表.
（5）设计说明。

一、屋架形式及几何尺寸
屋架跨度为24m，屋架形式、几何尺寸如附图所示。

二、支撑布置
由于厂房长度有120米，故在厂房两端和中间开间设置上、下弦横向水平支撑和屋架两端及跨中三处设置垂直支撑。其他屋架则在上、下弦水平支撑节间端部设置系杆，其中屋脊和两支座处为刚性系杆，其余为柔性系杆。（见下图）
屋架上弦支撑布置图

屋架下弦支撑布置图

屋架跨中垂直支撑布置图

屋架两端垂直支撑

学 号
20095093166
姓 名
高贝贝
班 级
09级土木一班
荷载组号
Ⅲ
跨度L=
24m
跨中高度h=
2m
坡度i=
1/13
计算结
点荷载
永久荷载效应控制的组合P1
可变荷载效应控制的组合P2
最不利组合下的荷载P
最不利组合下的可变荷载设计值PQ
最不利组合下的永久荷载设计值PG
36.26KN
38.18KN
38.18KN
23.65KN
14.53KN
判断负风压是否会使桁架杆件内力变号
节点风荷载标准值W
风荷载设计值的竖向分量值WV
竖向永久荷载设计值PG1
结论:
因为WV < PG1
4.12KN
5.75KN
12.11KN
所以，负风压 不会 引起杆件的内力变号
杆件
杆件长度(mm)
杆力系数
杆件内力设计值/kN
左半跨荷载①
右半跨荷载②
全垮荷载③
左半跨变载＋全跨恒载
=①×PQ+③×PG
右半跨变载＋全跨恒载
=②×PQ+③×PG
全跨荷载
=③×P
最不利内力
上弦
AB,HI
2971
0
0
0
0
0
0
0
BC,CD
2971
-7.697
-3.846
-11.543
-349.41
-258.68
-440.71
-440.71
DE,EF
2971
-5.946
-5.946
-11.892
-313.41
-313.41
-454.04
-454.04
FG,GH
2971
-3.846
-7.697
-11.543
-258.68
-349.75
-440.71
-440.71
下弦
ab
5925
5.626
2.251
7.877
247.51
167.69
300.74
300.74
bc
5925
7.524
5.014
12.538
360.12
300.76
478.70
478.70
cd
5925
5.014
7.524
12.538
300.76
360.12
478.70
478.70
de
5925
2.251
5.626
7.877
167.69
247.51
300.74
300.74
斜腹杆
aB
3242
-6.157
-2.463
-8.62
-270.86
-183.50
-329.11
-329.11
Bb
3242
2.241
1.734
3.975
100.76
98.77
151.77
151.77
bD
3452
0.175
-1.373
-1.198
-13.27
-49.88
-45.74
-49.88
Dc
3452
--1.862
1.060
-0.802
-55.69
13.42
-30.62
-55.69
cF
3452
1.060
-1.862
-0.802
13.42
-55.69
-30.62
-55.69
Fd
3452
-1.373
0.175
-1.198
-49.88
-13.27
-45.74
-49.88
dH
3242
1.734
2.241
3.975
98.77
110.76
151.77
151.77
He
3242
-2.463
-6.157
-8.62
-183.50
-270.86
-329.11
-329.11
竖腹杆
Aa
1088
-0.5
0
-0.5
-19.09
-7.27
-19.09
-19.09
Cb
1544
-1
0
-1
-38.18
-14.53
-38.18
-38.18
18
Ec
2000
0.412
0.412
0.824
21.72
21.72
31.46
31.46
Gd
1544
0
-1
-1
-14.53
-38.18
-38.18
-38.18
Ie
1088
0
-0.5
-0.5
-7.27
-19.09
-19.09
-19.09
内力计算见下表

1.杆件设计
（1）上弦杆
整个上弦采用等截面，按GH,HI杆件的最大内力设计，即

上弦杆计算长度：
在屋架平面内，为节间轴线长度，即

在屋架平面外，本屋架为有檩体系，根据支持布置和内力变化情况，取为支撑点间的距离，即
，但不小于0.5，则上式
根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦杆截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。如下图所示。
2L160×100×10

腹杆最大内力，由屋架节点板厚度参考可知：中间节点板与垫板厚度取10mm,支座节点板刚度取12mm。
设，查Q235钢的稳定系数表，可得（由双角钢组成的T形和十字形截面均属于b类），则需要的截面积为

需要回转半径：
，
根据需要A，，查角钢规格表，选用，肢背间距a=10mm，则： ，，
按所选角钢进行验算：
<[]=150, （b类）
<[]=150
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比

则==76.60，，＜
故所选截面满足要求。
填板每个节间放两块（满足范围内不少于两块），尺寸取60mmx120mmx10mm则
间距，取100cm。
（2）下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的杆计算。

，（因跨中有通长系杆），所需截面积为：

选用，因≥，故用不等肢角钢，短肢相并，如下图。
，，
＜350，＜350

故所选截面满足要求。
填板每个节间放两块，尺寸取60mm×100mm×10mm，则
间距，取200cm。

（3）斜腹杆
①端斜杆aB：
杆件轴力
计算长度
因，故采用不等肢角钢，长肢相并，使。
选用，肢背间距a=10mm，则： ，，
按所选角钢进行验算：
<[]=150
<[]=150
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比

则=（1+）=71.7×（1+

故由，b类，，
＜
故所选截面满足要求。
填板放两块，尺寸取60mm×120mm×10mm，则
间距,取110cm。
② 杆件Bb
杆件轴力
计算长度 ，

选用，查角钢规格表得
，，

所选截面满足要求。
填板放两块，尺寸取60mm×83mm×10mm，则
间距，取110cm。
③杆件bD
杆件轴力
计算长度 0.8×3452=2761.6mm，
选用，查角钢规格表得
，，
，
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比

，，
所选截面满足要求。
填板放四块，尺寸取60mm×83mm×10mm，则
间距，取70cm。
④杆件Dc
杆件轴力
计算长度 0.8×3452=2761.6mm，
选用，查角钢规格表得
，，
，
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比

，，
所选截面满足要求。
填板放四块，尺寸取60mm×83mm×10mm，则
间距，取70cm。
⑤杆件cF
杆件轴力
计算长度 0.8×3452=2761.6mm，
选用，查角钢规格表得
，，
，
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比

，，
所选截面满足要求。
填板放四块，尺寸取60mm×83mm×10mm，则
间距，取70cm。
⑥杆件Fd
杆件轴力
计算长度 0.8×3452=2761.6mm，
选用，查角钢规格表得
，，
，
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比

，，
所选截面满足要求。
填板放四块，尺寸取60mm×83mm×10mm，则
间距，取70cm。
同理，杆件dH和杆件Bb相同，杆件He和杆件aB相同，这里不予计算了。
（4）竖杆
①杆件Aa
杆件轴力
计算长度 ，
由于杆件内力较小，按选择，需要回转半径为
，

选用，查角钢规格表得
，，
，
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比

，，
所选截面满足要求。
填板放两块，尺寸取60mm×65mm×12mm，则
间距，取40cm。
②杆件Cb
杆件轴力
计算长度 0.8×1544=1235.2m，
选用，查角钢规格表得
，，
，
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比

，，
所选截面满足要求。
填板放三块，尺寸取60mm×65mm×10mm，则
间距，取40cm。
③杆件Ec
杆件轴力
斜平面计算长度 0.9×2000=1800m，
选用，查角钢规格表得
，，
，
，＜
所选截面满足要求。
填板放两块，尺寸取60mm×65mm×10mm，则
间距取70cm。

④杆件Gd
杆件轴力
计算长度 0.8×1544=1235.2m，
选用，查角钢规格表得
，，
，
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比

，，
所选截面满足要求。
填板放三块，尺寸取60mm×65mm×10mm，则
间距，取40cm。
⑤杆件Ie
杆件轴力
计算长度 ，
由于杆件内力较小，按选择，需要回转半径为
，
选用，查角钢规格表得
，，
，
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比

，，
所选截面满足要求。
填板放两块，尺寸取60mm×80mm×12mm，则
间距，取40cm。

29

屋 架 杆 件 截 面 选 择 表

名称
杆件编号
内力/kN
计算长度/mm
截面规格
截面面积/
回转半径/mm
长细比

容许长细比
稳定系数
计算应力

上弦
AE、EI
-454.04
2971
5898
160×100×10
5060
33.0
65.5
104.24
76.60
150
0.528

169.9
下弦
ae
478.70
5925
5925
80×8
2780
24.4
37.0
242.8
125.3
350

194.6
腹杆
Aa
-19.09
1088
1088
45×4
698
13.8
23.2
78.84
46.90
150
0.695

39.35
aB
-329.11
3242
3242
100×10
3852
30.5
45.2
106.3
71.7
150
0.521

164.0
Bb
151.77
2593.6
3242
63×8
1902
19.0
30.3
136.5
107.0
350

79.8
Cb
-38.18
1235.2
1544
45×4
698
13.8
23.2
89.5
66.6
150
0.625

87.52
bD
-49.88
2761.6
3452
63×8
1902
19.0
30.3
145.3
113.9
150
0.325

80.69
Dc
-55.69
2761.6
3452
63×8
1902
19.0
30.3
145.3
113.9
150
0.325

99.09
Ec
31.46
1800

45×4
698
17.4

103.4

150
0.533

84.6
cF
-55.69
2761.6
3452
63×8
1902
19.0
30.3
145.3
113.9
150
0.325

99.09
bD
-49.88
2761.6
3452
63×8
1902
19.0
30.3
145.3
113.9
150
0.325

80.69
Gd
-38.18
1235.2
1544
45×4
698
13.8
23.2
89.5
66.6
150
0.625

87.52
dH
151.77
2593.6
3242
63×8
1902
19.0
30.3
136.5
107.0
350

79.8
He
-329.11
3242
3242
100×10
3852
30.5
45.2
106.3
71.7
150
0.521

164.0
Ie
-19.09
1088
1088
45×4
698
13.8
23.2
78.84
46.90
150
0.695

39.35

2. 节点设计
1.下弦设计
（1）下弦节点b
已知采用用E43型焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。
设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为（按等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）：
肢背： ，取105。
肢尖： ，取75。
设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：
肢背： ，取75。
肢尖： ，取75。
“Cb”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取。
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为220mm×650mm。
下弦节点“b”

下弦与节点板连接的焊缝长度为65.0cm，。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差，受力较大的肢背处的焊缝应力为
，焊缝强度满足要求。
（2）下弦节点c
已知采用用E43型焊条，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。
设“cD”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为（按等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算）：
肢背： ，取75。
肢尖： ，取75。
设“cF”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为：
肢背： ，取75。
肢尖： ，取75。
“cE”杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取。
肢背：55mm, 肢尖：55mm。

(说明:图示标记焊缝，上部为肢尖焊脚尺寸——焊缝长度；
下部为肢背焊脚尺寸——焊缝长度。其余图同理)

下弦节点“c”

下弦与节点板连接的焊缝长度为57.0cm，。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力最大值，则需焊缝长度为:
,取=150mm;
拼接角钢长度不小于2150+10=310mm，取310mm。为了保证施焊方便和保证连接焊缝的质量，还需将连接角钢的竖直肢切去Δ=t+=8+8+5=21mm。
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸为210mm×570mm。
,受力较大的肢背处的焊缝应力为
,焊缝强度满足要求。
2上弦设计
（1）上弦节点“B”
“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。
已知：
设“aB”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为（按不等肢角钢短肢连接的角焊缝内力分配系数计算）：
肢背： ，取205。
肢尖： ，取115。
为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，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。上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得到：

肢尖焊缝承担弦杆内力差Δ，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载。上弦与节点板间焊缝长度为810mm，则

节点如图:

上弦节点“B”

（2）上弦节点“D”
“bD”杆与节点板的焊缝尺寸和节点"b”相同。
肢背： ，取75。
肢尖： ，取75。
“Dc”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“c”相同。
肢背： ，取75。
肢尖： ，取75。
为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，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。上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得到：

肢尖焊缝承担弦杆内力差Δ， 15%N=0.15×454.04=68.106KN，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载。
上弦与节点板间焊缝长度为380mm，则

节点如图:

上弦节点“D”

（3）上弦节点“C”
“Cb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点"b”相同，
肢背： ，取55。
肢尖： ，取55mm。
设“BD”杆的焊缝尺寸为
为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，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。上弦肢背槽
节点如图:

上弦节点“C”

竖杆与节点板间焊缝长度为50则

满足要求。

（4）上弦节点“A”
“Aa”杆肢背和肢尖的焊脚尺寸
肢背： ，取55。
肢尖： ，取55mm。
设“AB”杆的焊缝尺寸为
为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，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。上弦肢背槽
节点如图：
上弦节点“A”

竖杆与节点板间焊缝长度为100则

满足要求。
3.屋脊节点E
弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分宽度（一般为）。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。
设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）

拼接角钢的长度+弦杆杆端空隙，拼接角钢长度取300mm。
为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条角焊缝计算，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。肢背肢间的焊缝宽度相同，设焊缝尺寸为则一侧所需焊缝长度为取160mm。
因屋架的跨度很大，需将屋架分为两个运输单元，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。节点形式如图:

屋脊节点“E”

4支座设计：
计算焊缝长度：
aB杆在a点与节点B的焊缝相同，=8mm，肢背：取145mm，肢尖：取115mm。
ab杆在a点的焊缝尺寸设为=5mm，
肢背：取200mm，
肢尖：取100mm。
Aa杆在a点与节点A的焊缝相同，=4mm，肢背：取55mm，肢尖：取55mm
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的高度相等，厚度12mm。
（1）支座底板的计算：
支座反力：
采用对C25，的钢筋混凝土柱，锚栓直径取20mm，锚栓孔直径取2倍的锚栓直径，即40mm。
支座底板的面积A：A≥锚栓孔缺口面积=+1256×2=15350.7mm
设支座底板的平面尺寸采用，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：

式中：－混凝土强度设计值，。
支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：

式中：q－底板下的平均应力，即，
－两边支承之间的对角线长度，即
－系数，由查表确定。
为两边支承的相交点到对角线的垂直距离。由此得：

查表得＝0.058。则单位宽度的最大弯矩为：

底板厚度：
，取t＝20m
所以底板尺寸为。
（2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算
一个加肋的连焊缝风所承受的内力取为

加劲肋高度、厚度取与中间节点板相同（）。采用，验算焊缝力：
对V:

对M:

应力验算:

（3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算
设焊缝传递全部支座反力，其中每块加劲肋各传，节点板传递。
节点板与底板的连接焊缝长度，所需焊脚尺寸为
，取。
每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为

所需焊缝尺寸

所以取。
节点如图：
支座节点“a”