钢结构课程设计任务完成版.doc

设计资料
一、 设计方案：2号
二、 设计资料：
1. 某单层单跨工业厂房，跨度L(18 m，21 m，24 m)，长度102 m。
2. 厂房柱距6 m，钢筋混凝土柱，混凝土强度等级C20，上柱截面尺寸400400，钢屋架支承在柱顶。
3. 吊车一台150 T，一台30 T，吊车平台标高+12.000 m。
4. 荷载标准值
(1)永久荷载：
屋面材料自重： 0.6 kN/m2
屋架及支撑自重： 按经验公式 kN/m2
(2)可变荷载：
屋面活荷载标准值： 0.5 kN/m2
雪荷载标准值： 0.45 kN/m2
积灰荷载标准值： 0.40 kN/m2
（3）风荷载： B类地区， , 基本风压：3.0 kN/m2
注：请将自己的设计方案号、屋架跨度、屋架自重及荷载取值填入课程设计任务书中。
韩泽坤：A2=0.60kN/m2，B1=0.40kN/m2，C2=0.40kN/m2,L2=21m。
5. 屋架计算跨度，几何尺寸及屋面坡度见附图。
6. 钢材Q235号钢、角钢、钢板各种规格齐全；有各种类型的焊条和C级螺栓可供选用。
7. 钢屋架的制造、运输和安装条件：在金属结构厂制造，运往工地安装，最大运输长度16 m，运输高度3.85 m，工地有足够的起重安装条件。
屋架几何尺寸及屋架全跨上弦节点单位荷载作用下构件内力系数见下图。
21米跨屋架几何尺寸

21米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值

21米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值

三、 设计内容
1．布置屋架和支撑。计算书上用小比例尺绘出其布置简图，并进行编号。
支撑代号：
屋架上弦横向水平支撑 sc
屋架下弦横向水平支撑 xc
屋架下弦纵向水平支撑 zc
垂直支撑 cc
系杆 LG
2．设计该厂房的钢屋架，并用2号图纸绘制屋架施工图。施工图材料表为一榀屋架的材料用量。

钢结构屋架设计计算
一、 布置屋架支撑
屋架支撑的种类有横向支撑、纵向支撑、垂直支撑和系杆。在本设计中，屋架支撑系统设计如下：
1.厂房柱距6m,屋架间距取为6米。
2.在房屋两端第一个柱间各设置一道上弦平面横向支撑和下弦平面横向支撑。房屋长度较大，为102m，其两端横向支撑间距超过了60m，为增加屋盖的刚性，在长度方向正中间的柱间加设一道横向支撑。
3.房屋是厂房，且厂房内有吊车，高度较高，对房屋整体刚度的要求较高，设置纵向支撑，对梯形屋架，纵向支撑设置在屋架的下弦平面。
4.在屋架中和两端各布置一道垂直支撑。垂直支撑的形式根据高度与柱距的比值确定。在此屋架结构中，h/l=3040/6000=0.506，故取如下图垂直支撑形式：

5.在屋架上弦平面，屋架跨中和两端各布置一道通长的刚性系杆，其他结点设通长的柔性系杆；下弦平面，仅在跨中和两端布置通长的柔性系杆。
屋架支撑系统设置如图

二．荷载计算
按屋面法，已知各荷载标准值算出永久荷载设计值，按屋面活载及雪载两者中取大值的原则算出可变荷载的设计值。计算可列表1进行。
表1荷载标准值及设计值计算
序号
荷载名称
标准值（Km/m2）
设计值（Km/m2）
备注
1
屋面材料自重
0.6
0.72
1.2
2
屋架及支撑自重
0.351
0.4212
1.2
永久荷载总重
0.951
1.1412
1.2
3
屋面活荷载标准值
0.5
0.7
1.4
4
雪荷载标准值
0.40
0.56
1.4
5
积灰荷载标准值
0.40
0.56
1.4
可变荷载总重
0.85
1.12
3.4之大值+5值
荷载组合
按三种情况进行组合
(1) 全跨永久荷载+全跨可变荷载
F=（1.142+1.12）6（21-0.3）/14=20.06KN
（2） 全跨永久荷载+半跨可变荷载
=1.14126（21-.03）/14=10.124KN
=1.126（21-.03）/14=9.936KN
（3） 全跨屋架支撑自重+半跨屋面板重+半跨可变荷载重
=1.20.351621-.03）/14=3.737KN
=（1.20.5+1.12）6（21-.03）/14=15.259KN
三 .杆件内力
杆件轴心力=节点荷载杆件内力系数
对于上下弦靠近支座的腹杆，仅需按组合（1）算出相应的内力选定为内力设计值。而靠近跨度中间部分的腹杆则需分别按三种组合求出相应的内力。经比较，其最不利的数值选定为内力设计值。列表如下：

杆件
内力系数（P=1）
第一种组合
第二种组合
第三种组合
选定内力设计值（KN）
左半跨
右半跨
全跨
F（3）
F1（3）+F2（2）
F1（3）+F2（1）
F3（3）+F4（1）
F3（3）+F4（2）
（1）
（2）
（3）
上
弦
杆
AB
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
BC
-7.472
-5.31
-2.162
-43.370
-96.130
-117.612
-122.095
-89.105
-122.095
CD
-7.472
-5.31
-2.162
-43.370
-96.130
-117.612
-122.095
-89.105
-122.095
DE
-11.262
-7.339
-3.923
-78.695
-112.637
-151.616
-186.507
-126.646
-186.507
EF
-11.262
-7.339
-3.923
-78.695
-112.637
-151.616
-186.507
-126.646
-186.507
FG
-12.18
-6.861
-5.319
-106.699
-122.020
-174.870
-205.732
-124.569
-205.732
GH
-12.18
-6.861
-5.319
-106.699
-122.020
-174.870
-205.732
-124.569
-205.732
下
弦
杆
ac
3.010
1.0900
4.100
82.246
52.339
71.416
61.251
31.954
82.246
ce
6.663
3.0810
9.744
195.464
129.261
164.852
138.084
83.426
195.464
eg
7.326
4.636
11.962
239.958
167.167
193.894
156.489
115.443
239.958
gh
5.884
5.884
11.768
236.066
177.603
177.603
133.761
133.761
236.066
斜
腹
杆
aB
-5.641
-2.043
-7.684
-154.223
-99.3607
-137.344
-118.294
-61.157
-154.223
Bc
3.960
1.848
5.808
112.336
78.3095
100.6059
84.589
51.050
112.336
cD
-2.633
-1.776
-4.409
-86.332
-63.385
-72.433
-58.288
-44.679
-86.332
De
1.222
1.570
2.792
44.672
44.840
41.166
29.839
35.365
44.840
eF
-0.047
-1.525
-1.572
-31.342
-32.014
-16.411
-6.6209
-30.091
-31.342
Fg
-1.039
1.367
0.328
6.785
17.75
-7.648
-15.27
23.946
23.946
gH
1.913
-1.200
0.713
14.750
-5.449
27.413
34.003
-16.39
34.003
竖
腹
杆
Aa
-0.500
0.000
-0.500
-10.34
-5.062
-10.34
-9.808
-1.868
-10.34
Cc
-1.000
0.000
-1.000
-20.06
-10.124
-20.06
-18.996
-3.737
-20.06
Ee
-1.000
0.000
-1.000
-20.06
-10.124
-20.06
-18.996
-3.737
-20.06
Gg
-1.000
0.000
-1.000
-20.06
-10.124
-20.06
-18.996
-3.737
-20.06
表（2） 屋架杆件内力组合
杆件截面选择
1．按腹杆最大内力N=-KN-154.223查表选用中间节点板厚度t=8mm，荷载支座节点板厚度t=8mm。
2．上弦杆
整个上弦杆不改变截面，按上弦杆FH的最大计算内力设计值，按轴心受压构件设计截面。根据钢结构基本原理克制，单轴对称截面的轴心受压构件在绕非对称主轴失稳时呈弯曲屈曲，但绕其对称轴失稳时通常呈弯扭屈曲。
弯扭屈曲换算长细比

GB50017规范给出了双角钢截面换算长细比的简化公式，将直接用于设计中。
计算内力值：N=-284.318KN
计算长度：屋架平面内节点中心间轴线长度mm
屋架平面外根据屋盖支撑布置和上弦杆内力变化取值mm
截面选择：由于，选用不等边角钢，短边相连。设λ=100，查表知为b类截面，查附表得=0.555
需要的截面特征：A=N/f=251979/0.555215=2111.7mm2
=1507.5/100=15.075mm =3015/100=30.15
根据需要的A，，查型钢表选用Z∠100808不等边角钢，短边相连
截面特性：A=2788.8mm2 =23.7mm =46.6mm
截面验算=1507.5/23.7=63.6<=150
=3015/46.6=64.7<=150
由b1/t=100/8=12.5<0.56/b1=0.563015/100=16.884
则可近似取==64.7>=63.6 满足长细比要求
==64.7，查附表=0.7818
=N/A=251979/(0.78182788.8)=115.57N/mm2<f=215N/mm2 满足要求。
3.下弦杆
整个下弦杆不改变截面，按下弦杆eg的最大计算内力设计值，按轴心受压构件设计截面。
计算内力设计值：N=239.958KN
计算长度：=15002=3000mm
=15004=6000mm
截面选择：选用不等边角钢，设λ=100，查表知为b类截面，查附表得=0.555
需要的截面特征：A=N/f=-158966/0.555215=1332.2mm2
=1507.5/100=15.075mm =3015/100=30.15
根据需要的A，，查型钢表选用Z∠100808不等边角钢，短边相连
截面特性：A=1893.4mm2 =14.0mm =37.5mm
截面验算=3000/14.0=14.3<=350
=6000/37.5=160<=350 满足长细比要求
=N/A=239958/1893.4=126.733N/mm2<f=215N/mm2 满足要求。
4.斜腹杆
（1）端斜杆aβ
计算内力设计值：N=-154.223KN
计算长度：=2530mm
=2530mm
截面选择：选用不等边角钢，设λ=100，查表知为b类截面，查附表得=0.555
需要的截面特征：A=N/f=154223/0.555215=1292.46mm2
=5.3mm=
根据需要的A，，查型钢表选用Z∠90568不等边角钢，长边相连

截面特性：A=2236.6mm2 =28.5mm =23.5mm
截面验算=530/28.5=88.8<=150
=2530/23.5=107.7<=150 满足长细比要求
由b2/t=90/8=11.25<0.48530/90=13.49
则=5.190/8[1+2530253088/(17.49090)]=78.0 满足长细比要求
<<=107.7 查附表=0.7818
=N/A=154223/(0.50682236.6)=139.58N/mm2<f=215N/mm2 满足要求。
（2）腹杆Bc
计算内力设计值：N=112.336KN
计算长度：=090.4mm
=2613mm
截面选择： A=N/f=112336/215=522.49mm2
根据需要的A，，查型钢表选用Z∠805 等边角钢

截面特性：A=791.22mm2 =24.8mm =35.6mm
截面验算=2090.4/24.8=84.3<=150
=2613/35.6=73.4<=150
=N/A=112336/(791.22)=76.8N/mm2<f=215N/mm2 满足要求。
（3）腹杆cD
计算内力设计值：N=-86.332KN
计算长度：mm
mm
截面选择：选用等边角钢，设λ=100，查表知为b类截面，查附表得=0.555
需要的截面特征：A=N/f=86332/0.555215=723.5mm2
=2291.2/100=22.912mm =2864/100=28.64
根据需要的A，，查型钢表选用Z∠805等边角钢
截面特性：A=791.22mm2 =24.8mm =35.6mm
截面验算=2291.2/24.8=92.4<=150
=2864/35.6=80.4<=150
由b/t=80/5=16<0.58/b1=0.82864/80=20.764
则可近似取==64.7>=63.6 满足长细比要求
==64.7，查附表=0.7818
=N/A=86332/(0.78182788.8)=116.637N/mm2<f=215N/mm2 满足要求。
(4).竖腹杆Aa
计算内力：N=-10.34kN
计算长度：

截面选择：设，查得
需要截面面积：
查表选取2∠45×5
截面特性：
截面验算：

查得

(5).竖腹杆Cc
计算内力：N=-20.06kN
计算长度：

截面选择：设，查得
需要截面面积：
查表选取2∠45×5
截面特性：
截面验算：

查得

(6)竖腹杆Ee
计算内力：N=-20.06kN
计算长度：

截面选择：设，查得
需要截面面积：
查表选取2∠50×5
截面特性：
截面验算：

查得

(7)竖腹杆Gg
计算内力：N=-20.06kN
计算长度：

需要截面面积：
查表选取2∠45×5
截面特性：
截面验算：

其余计算结果见下表
屋架杆件截面选择表

杆件名称

杆件编号
计算长度mm
截面规格
截面面积（cm²）
回转半径（cm）
长细比
容许长细比

计应力N/A（N/mm²）

上弦
FG
1507.5
3015
2┐┌ 100×80×8
27.88
2.37
3.01
63.6
64.7
150.00
116.32
下弦
eg
3000
6000
2┐┌ 100×80×8
18.93
1.41
3.75
14.3
16.0
350.00
129.37
斜腹杆/腹杆
aB
2530
2530
2┐┌ 90×56×8
22.36
2.53
23.5
88.8
107.7
150.00
141.23
Bc
1090.4
2613
2┐┌ 80×80×5
15.82
2.58
35.6
84.3
73.4
150.00
76.58
cD
2291.2
2864
2┐┌ 80×80×5
76.44
2.29
35.6
92.4
80.4
150.00
116.47
De
2291.2
2864
2┐┌ 45×45×5
8.584
1.37
2.18
167.24
131.37
250.00
68.34
eF
2499.2
3124
2┐┌ 56×56×5
10.83
1.72
2.62
145.32
119.237
120.00
91.68
Fg
2499.2
3124
2┐┌ 56×56×5
10.83
1.72
2.62
145.32
119.237
120.00
64.299
竖腹杆
Aa
1592
1990
2┐┌ 45×45×6
8.584
1.37
2.18
167.24
131.37
100.00
27.03
Cc
Ee
Gg
1832
2290
2┐┌ 45×45×5
8.584
1.37
2.18
133.72
105.04
100.00
65.09
2074
2590
2┐┌ 50×50×5
9.606
1.53
2.38
135.425
108.82
150.00
58.34
2312
2890
2┐┌ 45×45×5
8.584
1.37
2.18
133.72
105.04
250.00
23.92
四．节点设计
角焊缝强度设计值
① 一般节点
1. 节点c
⑴斜杆Bc与节点板的连接焊缝计算
N=154.580kN
最小
最大（角钢背）
（角钢趾）
统一取，焊缝所需长度：
角钢背：
实际长度：96.61+2×5=106.61mm，取
角钢趾：
实际长度:39.4+2×5=49.4mm,取
⑵斜杆cD与节点板的连接焊缝计算
N=-91.213kN
最小
最大（角钢背）
（角钢趾）
统一取，焊缝所需长度：
角钢背：
实际长度：57.01+2×5=67.01mm，取
角钢趾：
实际长度：24.43+2×5=34.43mm，取
⑶竖杆Cc与节点板的连接焊缝计算
N=-20.668kN
最小
最大（角钢背）
（角钢趾）
统一取，焊缝所需长度：
角钢背：
实际长度：12.92+2×5=22.92mm，取
角钢趾：
实际长度:5.536+2×5=15.536mm,取
⑷下弦杆焊缝计算
△ N=201.583-84.820=116.76kN
根据腹板焊缝布置定出节点板尺寸为260×220mm
设

2. 节点e
⑴斜杆De与节点板的链接焊缝计算
N=57.760kN
最小
最大（角钢背）
（角钢趾）
统一取，焊缝所需长度：
角钢背：
实际长度：36.1+2×5=46.1mm，取
角钢趾：
实际长度:15.43+2×5=25.43mm,取
⑵斜杆eF与节点板的链接焊缝计算
N=-32.521kN
最小
最大（角钢背）
（角钢趾）
统一取，焊缝所需长度：
角钢背：
实际长度：30.31+2×5=40.31mm，取
角钢趾：
实际长度:8.7+2×5=18.7mm,取
⑶竖杆Ee与节点板的连接焊缝计算
N=-32.521kN
最小
最大（角钢背）
（角钢趾）
统一取，焊缝所需长度：
角钢背：
实际长度：30.31+2×5=50mm，取
角钢趾：
实际长度:8.7+2×5=18.7mm,取
⑷下弦杆焊缝计算
△N=247.460-201.583=45.89kN
根据腹板焊缝布置定出节点板尺寸为260×220mm
设

② 上弦节点
1. 节点B
⑴斜杆aB与节点板的连接焊缝计算
N=-158.966kN
最小
最大（角钢背）
（角钢趾）
统一取，焊缝所需长度：
角钢背：

实际长度：99.35+2×5=109.35mm，取
角钢趾：
实际长度:52.58+2×5=62.58mm,取
⑵斜杆Bc与节点板的焊缝链接计算
前已计算：， 角钢背，角钢趾
⑶上弦杆焊缝计算
△N=154.58kN P=20.98kN

根据腹板焊缝布置定出节点板尺寸为250×160mm
弦杆角钢背的槽焊缝承受节点荷载P

弦杆角钢趾部的两条角焊缝承担△N和△M
设

2. 节点C
⑴竖杆Cc与节点板的连接焊缝计算
前已计算：， 角钢背，角钢趾
⑵上弦杆焊缝计算
△N=0 P=20.98kN
节点板尺寸取为50×140
弦杆角钢背的槽焊缝承受节点荷载P

3.节点D
⑴斜杆cD与节点板的连接焊缝计算
前已计算：， 角钢背，角钢趾
⑵斜杆De与节点板的连接焊缝计算
前已计算：， 角钢背，角钢趾
⑶上弦杆焊缝计算
△N=232.988-154.58=78.408kN P=20.98kN

根据腹板焊缝布置定出节点板尺寸为190×170mm
弦杆角钢背的槽焊缝承受节点荷载P

弦杆角钢趾部的两条角焊缝承担△N和△M
设

4.节点E
⑴竖杆Ee与节点板的连接焊缝计算
前已计算：， 角钢背，角钢趾
⑵上弦杆焊缝计算
△N=0 P=20.98kN
节点板尺寸取为60×150
弦杆角钢背的槽焊缝承受节点荷载P

5.节点F
⑴斜杆eF与节点板的连接焊缝计算
前已计算：， 角钢背，角钢趾
⑵斜杆Fg与节点板的连接焊缝计算
N=22.933kN
最小
最大（角钢背）
（角钢趾）
统一取，焊缝所需长度：
角钢背：

实际长度：8.958+2×5=18.958mm，取
角钢趾：
实际长度:3.839+2×5=13.839mm,取
⑶上弦杆焊缝计算
△N=251.979-232.988=18.991kN P=20.98kN

根据腹板焊缝布置定出节点板尺寸为170×160mm
弦杆角钢背的槽焊缝承受节点荷载P

弦杆角钢趾部的两条角焊缝承担△N和△M
设

③ 有工地拼接的下弦点g
⑴拼接角钢的截面和长度
弦杆的双角钢截面常用同样大小的角钢作为拼接件。为了使拼接角钢与原来的角钢相紧贴，对拼接角钢顶部要截去棱角，宽度为r（r为角钢内圆弧半径）；对其竖直边应割去
拼接接头一侧的连接焊缝长度按下弦杆强度计算，每条焊缝所需长度为：
由连接焊缝的强度条件可求出拼接拼接角钢的总长度为：

取
⑵下弦杆与节点板的连接角焊缝
根据腹板焊缝布置定出节点板尺寸为300×250mm

④ 屋脊节点G
⑴拼接角钢与弦杆的连接计算及拼接角钢总长度的确定

角钢总长度为：

取
⑵弦杆与节点板的连接焊缝
节点板取为240×140

角钢背

角钢趾

⑤ 支座节点a
节点板取为250×340
⑴支座底板
支座反力：
所需底板净面积：
底板尺寸取为240×240锚栓孔径取为50mm
底板平面净面积：

单位宽度弯矩为：

所需底板厚度：
底板与节点板、加劲肋板底端的角焊缝连接：

⑵加劲肋板
h=340mm