湖南科技大学建筑工程—钢结构课程设计任务书.doc

湖南科技大学

建筑工程专业

钢结构课程设计指导书

设计课题：钢屋架设计
指导教师：吕伟荣

湖南科技大学土木工程学院建筑工程系
2013年6月
《钢结构》课程设计指导书
1. 设计资料
（1）某单跨厂房，长度为120m，柱距4.5～6.6m，车间内设有一台200KN的中级工作制的吊车，计算温度高于-20℃。
（2）屋架形式有三角形或梯形钢屋架。
采用三角形钢屋架的屋面采用石棉水泥波形瓦屋面（重量200N/m2），轻钢檩条及拉条（重量100N/m2）。
采用梯形屋架的屋面采用1.5m×（4.5～6.6m）的预应力混凝土大型屋面板（重量1500N/m2），上铺100mm厚泡沫砼保温屋（重量800N/m2）和三毡四油防水层（重量300N/m2）。
钢屋架简支于钢筋砼柱上，上柱截面为400×400，砼强度等级为C25，基本风压W0=350N/m2，屋面均布活载或雪载为500N/m2，积灰荷载为100~500N/m2，无抗震要求。
（3）屋架形式采用三角形屋架，屋架跨度为15m、18m、21m、24m，屋面坡度为1:2.5~1:3；或采用梯形屋架，屋架跨度为21m、24m、27m、30m、33m，屋面坡度都为1:10（24m梯形屋架自行设计）。钢材为Q235-B，焊条为E43系列，手工焊。
（4）屋架和支撑自重估计公式：GW=117+11L（N/m2），或中L为跨度（m）。
（5）班级学生任务安排下表1
表1 班级同学按学号设计任务分配表

学号分组
跨度/m
屋架型式
学号分组
1
2
3
4
15
三角形
5
6
7
8
18
9
10
11
12
21
13
14
15
16
24
17
18
19
20
21
梯形
21
22
23
24
24
25
26
27
28
27
29
30
31
32
30
33
34
35
36（37）
33
柱距/m
5.1
5.4
5.7
6.0
\
\
指导教师安排：建工1班—吕伟荣13307498922；建工2班—戴益民13973275494；
建工3班—王彦13789303833
设计时间：15~16周，6月14号之前必须全部完成。
2. 设计内容
按照给出的基本资料进行设计计算
1. 屋架的选型、尺寸的确定，钢材材质的选择。
2. 屋盖支撑体系的设计：上下弦杆水平支撑、垂直支撑及系杆的布置与截面选择。
3. 荷载与杆件内力的计算：节点荷载、杆件轴力计算。
4. 杆件截面的设计：定各杆件的形式、规格。
5. 节点设计：定节点板的形状尺寸、杆端焊缝计算与构造要求。
6. 施工图，绘制一个钢屋架的施工图。
3. 设计步骤
3.1 屋架的选型
（1）根据课程设计的要求，选择具体的设计题目，结合已给的设计基本资料，确定屋盖结构体系，屋架的外形、尺寸，腹杆的形式等。
根据屋面材料的不同，盖结构体系分为无檩屋盖和有檩屋盖。屋架外形常用的有三角形、梯形、平行弦和人字形等。腹杆布置形式常用的有芬克式、人字式、单斜式、交叉式和再分式。它们各有特点和适用条件，根据具体使用情况选用合适形式。
（2）确定屋架的主要尺寸：跨度l和高度h。
跨度l常由使用和工艺方面的要求确定，计算跨度l0=l - a(300~400) 。屋架的高度h则由经济条件、刚度条件、运输界限及屋面坡度等因素确定，一般三角形屋架H≈（1/4~1/6）L；梯形屋架H≈（1/6~1/10）L。
（3）根据屋面材料、屋架高度和腹杆形式来确定上弦节点的间距与划分方法。对于有檩体系屋盖，应根据屋面材料的几何尺寸，确定檩条的间距s, 由此决定了屋架上弦每个节间内有几个节间荷载。
（4）钢材材质根据工作条件确定，通常为Q235B。
3.2 屋盖支撑布置
平面屋架在其本身平面内为几何形状不变体系并具有较大的刚度，能承受屋架平面内的各种荷载。但是，平面屋架在垂直于屋架平面方向（称为屋架平面外）的刚度和稳定性则很差，不能承受水平荷载。因此，为使屋架结构整体具有足够的强度、刚度和稳定性，必须在屋架间设置支撑系统。
屋盖的支撑系统包含下列五种：上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑和系杆。如果屋盖结构中设有天窗架，应相应设置上弦横向水平支撑、垂直支撑和系杆　
根据设计条件，正确地进行支撑的布置与设计，在计算书中绘制出支撑布置简图，如SC1、SC2、CC1、LG1、LG2……，支撑的布置决定了屋架上、下弦杆侧向计算长度l1。
3.3 荷载和杆件内力的计算
1. 永久荷载：包括屋面材料、檩条、屋架支撑、吊顶等，要注意荷载的分布情况；水平与斜向分布的区别。
2. 可变荷载：包括活载、雪载、风载、积灰荷载和悬挂荷载等。
3. 杆件轴力Ni，先计算出节点荷载P、再按结构力学的方法、电算法或查表法等（推荐采用结构力学求解器计算），确定全跨或半跨荷载作用下的内力系数（附图1），由内力系数即可确定各杆件的轴力Ni。
4. 荷载组合：确定出各杆件的最不利内力。
对于与柱铰接的屋架应考虑下列荷载组合情况：
第一种是全跨荷载组合：即全跨永久荷载＋全跨屋面活荷载或雪荷载（取两者的较大值）＋全跨积灰荷载＋悬挂吊车荷载，所有屋架都应进行全跨满载时的内力计算。
第二种是半跨荷载组合：对于梯形屋架、人字形屋架、平行弦屋架应根据使用和施工过程的荷载分布情况考虑半跨荷载的作用，可按下列半跨荷载组合计算：全跨永久荷载＋半跨屋面活荷载（或（半跨雪荷载）＋半跨积灰荷载＋悬挂吊车荷载。采用大型混凝土屋面板的屋架，尚应考虑安装时可能的半跨荷载：屋架及天窗架（包括支撑）自重＋半跨屋面板重＋半跨屋面活荷载。
3.4 杆件截面设计
对单壁式屋架，可根据腹杆的最大内力（对梯形和人字形屋架）或弦杆端节间内力（对三角形屋架），首先确定节点板的厚度，再进行各杆件截面的设计。
单壁式屋架杆件的截面形式，常采用由两个角钢组成的T形截面、十字形截面或单角钢。也可用TW、TM、TN型钢来代替双角钢组成的T形截面。
由双角钢组成的T形或十字形截面杆件，为了保证两个角钢共同工作，必须每隔一定距离在两个角钢间加设填板。
按规定确定杆件的计算长度和长细比。
（1）上弦杆
上弦杆通常为轴心受压构件或压弯构件，应分别计算强度、平面内、外的稳定和刚度。先确定弦杆平面内、外的计算长度lox、 loy，平面外为变内力杆。通常先初选截面，再进行验算。应分别计算在两组荷载作用下（跨中M1,N1、支座M2,N1），弦杆平面内、外的稳定性。
（2）下弦杆
下弦杆通常是拉杆，按强度选择截面，还要满足刚度要求，因为，宜选择不等肢角钢短肢相连，或等肢角钢。
（3）腹杆
腹杆为轴心受力构件，对于受压的轴压杆，应按稳定选择截面，先假定长细比，选择等肢双角钢杆件（）。对受力较小的杆件，可选单角钢杆件，l1=0.9l，注意强度折减。对于受拉杆，按强度选择截面。
（4）对于不受力或受力较小的杆件，可按刚度要求选择截面，对受压，对受拉。
（5）对于连垂直支撑杆件应按压杆选择截面，采用双角钢十字型截面形式，l0=0.9l。
（6）支撑系统布置。
（7）交叉支撑的斜杆，SC1、SC2、SC3，按拉杆选择，采用单角钢杆件，注意杆件平面内、外计算长度的取值，，单角钢的回转半径取单角钢的主轴。
（8）交叉支撑、刚性系杆，按压杆选择，采用双角钢的T型或十字型的截面。
（9）柔性系杆，按拉杆选择，采用单角钢杆件，l0=0.9l。
全部杆件截面选择好后，列入表格中汇总。
3.5 节点设计
设计时，应注意节点的一般要求。
节点设计可以结合绘制施工图时进行，在计算书中说明几个典型节点的设计过程，如上弦节点和下弦节点的节点，拼接节点、支座节点。
3.6 施工图的绘制
在杆件设计和节点设计完成后，进行施工图的绘制。
屋架详图是表达所有单体构件（按构件编号）的详细图，主要用于钢结构制造。其内容包括多方面，现将屋架详图的主要内容和绘制要点叙述如下：
（1）屋架详图一般应按运输单元绘制，但当屋架对称时，可仅绘制半榀屋架。
主要图面应绘制屋架正面图、上下弦的平面图，必要的侧面图和剖面图，以及某些安装节点或特殊零件的大样图。屋架施工图通常采用两种比例尺绘制，杆件的轴线一般用1：20∽1：30；节点和杆件截面尺寸用1：10∽1：15。
在图面左上角用合适的比例绘制屋架简图。图中一半注明杆件的几何长度（mm），另一半注明杆件的内力设计值（kN）。当梯形屋架、三角形屋架时，挠度值较大，为了不影响使用和外观，须在制造时起拱，拱度一般取屋架跨度的1/500，并在简图中注明。应注明各零件（型钢和钢板）的型号和尺寸，包括加工尺寸、定位尺寸、孔洞位置以及工厂制造和工地安装的要求。
应对零件详细编号，编号按主次、上下、左右顺序逐一进行。完全相同的零件用同一编号，如果两个零件的形状和尺寸完全一样，仅因开孔位置或切斜角等原因有所不同，但系镜面对称时，亦采用同一编号，可在材料表中注明正或反字样。以示区别。
材料表应包括各零件的编号、截面、规格、长度、数量（正、反）和重量等。材料表的作用不但可归纳各零件以便备料和计算用钢量，同时也可供配备起重运输设备时参考。
（2）文字说明应包括钢号和附加条件、焊条型号、焊接方法和质量要求，图中未注明的焊缝和螺栓孔尺寸、油漆、运输、安装和制造要求，以及一些不易用图表达的内容等。绘图时，应注意图面布置布局合理，分布均称，比例得当，应表达清楚准确，不能将肢背线与轴线画重合了。
绘完图后，应认真检查，在节点处的焊缝标注完整正确，节点板尺寸、杆端尺寸是否完整。
4. 课程设计的要求
要求每个学生独立完成钢屋架的设计，各同学根据各自学号按表1分配设计任务，认真绘制出钢屋架施工图一张和一份完整的计算书（含支撑系统布置）。
5. 参考资料
[1] 《钢结构设计》，沈祖炎主编，中国建工出版社， 2003
[2] 《钢结构》（第三版），戴国欣主编，武汉理工大学出版社，2007.12
[3] 《钢结构设计规范》（GB50017-2003），中国建工出版社，2003

附图1 钢屋架内力系数图

附表2 屋架和支撑杆件截面选择表
件 件
计算
内力
(N)
几何
长度
(m)
计算长度
(m)
截面
规格
截面积
A(mm2)
回转半径
(cm)
长细比
塑性
系数
x1
x2
等效弯矩系数
mx
tx
稳定系数
杆件应力

(N/mm2)
设计强度
f或rf
(N/mm2)
填
板
数
备注
名称
编号
lox
loy
ix
iy
λx
λy
[λ]
x
y
b
上弦

下弦

腹

杆

支

撑

附表3 杆件端部与节点板的连接焊缝计算
杆件
名称
杆件
编号
计算内力N
（N）
分配系数
焊缝厚度
(cm)
需要焊缝长度
(cm)
实际采用值
(mm)
截面
形式
备注
k1
k2
hf1
hf2
lw1
lw2
hf1-lw1
hf2-lw2
弦

杆

腹

杆