三角形钢屋架专业课程设计项目说明指导书.doc

三角形钢屋架课程设计任务书
设计题目
三角形钢屋架课程设计
学生姓名

所在院系
土建学院
专业、年级、班
10土木1班
设计要求：
1.计算书内容包含：
选题（屋架形式）、选择钢材、选择焊接方法及焊条型号、荷载计算及内力组合、杆件截面设计、屋架节点设计。
2.施工图（用CAD绘制或手绘）
绘制和屋盖支撑相关联钢屋架施工图，图面内容：
屋架索引图（画在图面左上角）百分比：1：100-1：150
屋架正面图（画对称半榀）百分比：1：20或1：30或自定
上、下弦杆俯视图 百分比：1：10或1：15
必需剖面图（端竖杆、中竖杆、托架及垂直支撑连接处）
屋架支座详图及零件详图、施工图说明、标题栏（写明题目、指导老师、姓名、班级、日期）

学生应完成工作：
1.设计计算书一份；
2.绘制和屋盖支撑相关联钢屋架施工图（1号图纸）一张；
3.图纸应叠成计算书通常大小，和计算书装订后上交。
参考文件阅读：
1.戴国欣主编.钢结构（第3版）[M].武汉：武汉理工大学出版社，.1.
2.张耀春主编.钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，.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，.6.
4.陈志华编著.建筑钢结构设计[M]. 天津：天津大学出版社，.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]. 北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社，.5.
工作计划：截面及节点设计 3天
绘制施工图 3天
计算机整理和施工图修正 1天
任务下达日期： 12月7日
任务完成日期： 12月 16 日

指导老师（署名）： 学生（署名）：

三角形钢屋架课程设计

摘 要：依据已给出建筑物基础条件和一致屋架形式和尺寸计算各个荷载，各个杆件设计和型号选择，并依据设计做出详图，计算得到节点板尺寸，材料表，施工详图，打印图纸。

关键词：三角形钢屋架；檩条；节点

目 录

1 设计背景 1
1.1 设计资料 1
1.2 屋架形式 2
3 方案实施 7
3.2 屋架杆件内力计算 8
3.3 杆件截面设计 9
3.4节点设计 14
4 结果和结论 22
5 收获和致谢 22
5.1 收获 22
5.2 致谢 22
6 参考文件 23
7. 附件 24

1 设计背景
1.1 设计资料
　　厂房长度120，檐口高度15m。厂房为单层单跨结构，内设有两台中级工作制桥式吊车。
　　拟设计钢屋架，简支于钢筋混凝土柱上，柱混凝土强度等级为C20。柱顶截面尺寸为。钢屋架设计可不考虑抗震设防。
　厂房柱距选择：6m

图1 建筑平面示意图

三角形钢屋架
　　1）属有檩体系：檩条采取槽钢，跨度为6m，跨中设有一根拉条φ10。
　　2）屋架屋面做法及荷载取值（荷载标准值）：
　　永久荷载：波形石棉瓦自重 0.20 kN/m2
　　 檩条及拉条自重 0.20 kN/m2
　　 保温木丝板重 0.25 kN/m2
　　 钢屋架及支撑重 (0.12+0.011跨度) kN/m2
　　可变荷载：雪荷载 0.3kN/m2
　　 屋面活荷载 0.40 kN/m2
　　 积灰荷载 0.30 kN/m2
注：1、以上数值均为水平投影值；2、屋架形式和尺寸见图1。
依据该地域温度及荷载性质, 钢材采取Q235B 其设计强度, 焊条采取E43型, 手工焊接。构件采取钢板及热轧型钢, 构件和支撑连接用M20一般螺栓。

1.2 屋架形式
三角形钢屋架

图1屋架形式

2 设计方案
2.1屋架尺寸
屋架计算跨度：=－300=24000－300=23700mm
屋面倾角：
屋架跨中高度为：
上弦长度：
节间长度：
节间水平投影长度：a==2553×0.9285=2370mm
屋架几何尺寸见图2。

图2 屋架几何尺寸（单位：mm）
2.2 檩条和支撑部署

依据屋面材料最大许可檩距，可将檩条部署于上弦节点上，檩距为节间长度。在檩条跨中设置一道拉条。
依据厂房总长度120m，跨度为24m，有中级工作制吊车及第一开间尺寸5.5m等原因，可在厂房两端第二开间设置一道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，并在同一开间两榀相邻屋架腹杆间设置两道垂直支撑（在跨度1／3左右处各一道，见图3）。
上弦檩条可兼做系杆，故不另设系杆，在下弦跨中央设置一道通长柔性系杆。另外，在厂房两端第一开间下弦各设置三道刚性系杆（见图3）。

图3 屋架支撑部署（单位;mm）
（a） 上弦横向水平支撑；（b）下弦横向水平支撑；（c）垂直支撑
（b）
2.3 檩条设计
选择[16 b槽钢截面，由型钢表查得，自重19.75kg／m≈0.20，=116.8，=17.6，=934.5。
1.荷载计算（对轻屋面，可只考虑可变荷载效应控制组合）
永久荷载：（坡面）
波形石棉瓦： 0. 2×2.553=0.5106
檩条和拉条： 0. 2
保温木丝板重 0.25x2.553=0.63825 kN/m2

=(0.5106+0.2+0.63825) x
=1.35 x 0.9285
=1.25
可变荷载：屋面均布活荷载取0.4，和雪荷载较大值为0.4。
q=屋面活荷载+积灰荷载=0.4+0.3=0.7
=0.7×2.553=0.7×2.553×0.9285=1.66
檩条均布荷载设计值：
=+=1.2×1.25+1.4×1.66=3.824
==3.824×0.9285=3.55
==3.824×0.3714=1.42
2. 强度验算弯矩设计值（见图4）：

图4 弯矩图
==×3.55×=15.98
==×1.42×=1.60
（因为在檩条跨中设置了一道拉条）
檩条最大应力（拉应力）在槽钢下翼缘肢尖处。
+=+=206.1＜f=215
3.刚度验算
只验算垂直于屋面方向挠度。
荷载标准值：
+=1.25+1.66=2.91
= （+）=2.91×0.9285 =2.70
=×==＜
因有拉条，无须验算整体稳定性。故选择[16 b槽钢檩条能满足要求。

3 方案实施
3.1屋架节点荷载计算
1.永久荷载（水平投影面）
波形石棉瓦板 0. 2
保温木丝板重 0.25 kN/m2
檩条和拉条 0.2/2.37=0.08
屋架和支撑自重 0.12+0.11L=0.12+0.011×24=0.38

=0.91
2.可变荷载（水平投影面）
屋面活荷载 0.40 kN/m2
积灰荷载 0.30 kN/m2

=0.7
3 .屋架上弦在檩条处集中荷载
屋架上弦在檩条处集中荷载设计值由可变荷载效应控制组合为
F=（1.2×0.91+1.4×0.7）×6×2.37=29.5

3.2 屋架杆件内力计算
因为屋面坡度较小，风荷载为吸力，且远小于屋面永久荷载，故其和永久荷载组合时不会增大杆件内力，所以不予考虑。芬克式屋架在半跨活荷载作用下，腹杆内力不会变号，故只需按全跨永久荷载和全跨可变荷载组累计算屋架杆件内力。
屋架杆件内力计算可用图解法或数解法进行。本例屋架为标准屋架，可直接由建筑结构设计手册查得各杆件内力系数，然后乘以节点荷载即为各对应杆件内力。分别如表2和图5 所表示。

杆件名称
杆件
内力系数
内力设计值（）
上 弦
AB
-12.117
-357.5
BC
-11.281
-332.8
CD
-9.516
-280.7
DE
-10.537
-310.8
EF
-10.630
-313.6
下 弦
AG
+11.250
+331.9
GH
+10.000
+295
HM
+6.250
+184.4
腹 杆
BG、LE
-1.038
-30.6
CG、DL
+0.837
+24.7
CH、DH
-1.557
-45.9
HL
+3.749
+110.6
LF
+4.999
+147.5
FM
0.00
0

注：负为受压，正为受拉。
3.3 杆件截面设计
弦杆端节间最大内力为-357.5，由焊接屋架节点板厚度选择表，可选择屋架中间节点板厚度为10mm，支座节点板厚度为12mm。
1.上弦杆（见图6）
整个上弦杆不改变截面，按最大内力计算。

图6 上弦截面
=-357.5，=255.3cm，=2=2×255.3=510.6cm。选择2∟100×10组成T形截面，节点板厚为10mm，查型钢表得
A=2×19.26=38.52，=3.05cm，=4.52cm
= =＜
= = ＜=150
依据==113查表得=0.475，则
= ==195N/mm2＜=215
故选择截面适宜。
2.下弦杆（见图7）

图7 下弦截面
下弦杆也不改变截面，按最大内力计算。=+331.9，屋架平面内计算长度取最大节间长度，即=497.7cm。因屋架下弦在跨中央设有一道通长系杆，故屋架平面外计算长度取侧向固定点间距离，即=1185cm。
选择2∟80 x7组成T形截面，由型钢表查得
==2×10.86=21.72,=2.46cm，=3.67cm
= =＜
= = ＜=350
===152.8＜=215
故所选截面适宜。

3.腹杆
（1） BG、LE杆
=－30.6,=0.9=0.8×142.7=128.4cm，
选择单角钢∟56×6，A=5.69， =0.98cm。
==143＜=150
依据=143，查表得=0.333，则
单角钢单面连接计算构件稳定性时强度设计值折减系数为
==0.6+0.0015=0.6+0.0015×143=0.82
==161＜=215=176
所选截面适宜。
（2）CG、DL杆
N=+24.7，=230.1cm
选择∟50×5单角钢截面，A=4.8，=0.98cm，则
=0.9=0.9×230.1=207.1cm
===211<=350
单角钢单面连接计算构件稳定性时强度设计值折减系数为
=0.85
==51＜=0.85×215=182.8
故所选截面满足要求。
（3）CH、DH杆
N=-45.9，=285.4cm
选择2∟50×5 双角钢截面，A=2x4.8=9.6，=1.53cm，=2.45cm
=0.8=0.8×285.4=228.3cm
==285.4cm
= =＜
= = ＜=150
依据=149，查表得=0.311，则
===154＜=215
故所选择截面适宜。
（4）HL、LF杆
两根杆件采取相同截面，用按最大内力=147.5计算，==343.7cm，
=2=2×343.7=687.4cm
选择2∟45×6，A=2×5.08=10.16，=1.36cm，=2.28cm。
==253＜=350
==302＜=350
===145＜=215
所选截面适宜。
（5）FM杆。
N=0, =474cm
对有连接垂直支撑屋架WJ—2，采取2∟56×5组成十字形截面，并按受压支撑验算其长细比。=0.9=0.9×474=426.6cm，=2.17cm
== =197＜=200
故满足要求。 对不连接垂直支撑屋架WJ—1，选择∟56×5单角钢，并按受拉支撑验算其长细比，=1.10cm。== =387＜=400故满足要求。屋架各杆件截面选择情况见表3。

杆件名称
杆件
编号
内力设计值（kN）
计算长度（mm）
选择截面
截面面积A（cm2）
杆件受力类型
长细比
许可长细比

计算应力
(N/mm2)
杆件端部角钢肢背和肢尖焊缝（mm）
填板数(每节间)

上弦
AB、BC、CD、DE、EF、
-357.5
2553
5106
2∟100×10
38.52
压杆
84
113
150
0.475
195
—
1
下弦
AG、GH
HM
331.9
4977
11850
2∟80×7
21.72
拉杆
202.3
323
350
—
152.8
5—90
5—50
2
腹杆
BG、LE
-30.6
1284
1284
∟50×6
5.69
压杆
=143
150
0.333
161
5—50
5—50
2
CG、DL
24.7
2071
2071
∟50×5
4.8
拉杆
=211
350
—
51
5—50
5—50

CH、DH
-45.9
2283
2854
2∟50×5
9.6
压杆
149
116.5
150
0.311
154
5—80
5—50

HL、LF
147.5
3437
6874
2∟45×6
10.16
拉杆
253
302
350
—
145
5—80
5—50
2
FM
0（压）
4266
4266
2∟56×5
10.84
压杆
=195.7
200
—
—
5—50
5—50
7
0（拉）
4266
4266
∟56×5
5.42
拉杆
=384.3
400
—
—
5—50
5—50

表3 屋架杆件截面选择

3.4节点设计
本例只选择多个有代表性、关键节点进行计算，其它节点计算过程从略，可参见屋架施工图。
1. 屋脊节点（见图8）
腹杆LF和节点板连接焊缝，查表得=160（以下同），取肢背和肢尖焊脚尺寸分别为=5mm和=5mm，则杆端所需焊缝长度分别为
肢背：=+10=+10= ＋10=98.2mm
故取=100mm。

图8 屋脊节点（单位：mm）
故肢尖：=+10=+10=＋10=53.5mm
取=60mm。
拼接角钢采取和上弦杆等截面，肢背处削棱，竖肢切去V=t++5=16mm，取V=20mm，并将竖肢切口后经热弯成型用对接焊缝焊接。拼接接头一侧所需焊缝计算长度为
===140mm
取=140mm
拼接角钢总长度为
=2（+10）+d=2（140+10）＋50=350mm
上弦杆和节点板塞焊缝，假定承受节点荷载F／2，验算从略。上弦肢尖和节点板焊缝连接按弦杆内力15%计算，且考虑由此产生偏心弯矩作用（偏心距e=72mm）。设肢尖焊缝焊脚尺寸=5mm，节点板总长度为660mm，则节点一侧弦杆焊缝计算长度为
=（660／2）／-20-10＝（660/2）/0.9285－20－10=325mm
焊缝应力为
===20.7
===27.5
==30.6＜=160
由以上计算结果可知，因弦杆和节点板连接焊缝受力不大，且连接长度较大，故可根据结构进行满焊，无须计算。
2. 下弦拼接节点（见图9）

图9 下弦拼节点（单位：mm）
屋架跨度24m超出运输界限，故将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点F和下弦节点H处设置工地拼接。腹杆杆端和节点板焊缝连接按HL.CH和HD中最大内力=110.6计算。
设肢背和肢尖焊脚尺寸均取=5mm，则杆端所需焊缝长度分别为
肢背：=+10==+10=76mm
故取80mm。
肢尖：=+10==+10=43mm
故按结构取50mm。
拼接角钢采取和下弦杆相同截面，肢背处削棱，竖肢切去V=t++5=17mm。按拼接焊缝和杆件等强度标准，接头一侧所需焊缝计算长度为
= ==204mm
故取210mm。
节点板长度=2（+10）+10=2（210+10）+10=450mm
下弦和节点板连接焊缝长度为450mm。hf=5mm。焊缝所受力为下弦和节点板连接焊缝按弦杆内力和内力差计算，N=395-184.4=110.6kN。受力较大肢背处所受焊缝应力为：
=52.3N/mm2<160 N/mm2
焊缝强度满足要求
3.上弦节点D（见图10）

图10 上弦节点D（单位：mm）
各腹杆杆端和节点板焊缝计算从略，节点板形状和尺寸图10所表示。
设肢背和肢尖焊脚尺寸均取=5mm，则杆端所需焊缝长度分别为
肢背：=+10==+10=37.5mm
故取40mm。
肢尖：=+10==+10=23.5mm
故按结构取30mm。

上弦肢背塞焊缝承受檩条传来集中荷载（点荷载）F，取节点板缩进肢背5mm，
=t／2=4mm，则===14.8＜0.8=128
肢尖和节点板焊缝承受弦杆内力差为
=-=-280.7+310.8=30.1
偏心距e=72mm，且节点板长度较大，故可不作计算，按结构要求部署焊缝进行满焊即可满足条件。
4.支座节点。（见图11）

图11 支座节点（单位：mm）
屋架支撑和钢筋混凝土柱上，混凝土强度为C20，=10为便于施焊，取下弦轴线至支座底板上表面距离为160mm，并设置图12所表示加劲肋。下弦杆端和节点板焊缝取肢背和肢尖焊缝尺寸分别为=6mm和=6mm，则所需焊缝长度为：
肢背：=+12= +12=+12=177mm
故取180mm。
肢尖：=+12= +12=+12=93mm
故按结构取100mm。
上弦杆端和节点板焊缝，因为焊缝长度较大，可无须计算，按结构要求即可。
(1)支座底板计算。
支座反力为
R=5F=5×29.5=147.5
支座底板尺寸取a×b=250mm×250mm,采取M22锚栓，并用图示U形缺口。柱顶混凝土压应力为：
=2.36N/mm2

底板厚度按屋架反力作用下弯矩计算。支座节点板和加劲肋将支座底板分成四块，每块板均为两相邻边固定支撑而另两相邻边自由板。
两支撑边之间对角线长度为：
==168mm
两支撑边之间交点到对角线垂直距离为：
=／2=84mm
／=84／168=0.5，查表得=0.058，则
M==0.058×2.36×168×168=3863.3
底板所需厚度（按厚度t在16~4范围取值）：
t==10.5mm
故取t=20mm
(2)加劲肋和节点板连接焊缝
加劲肋和节点板连接焊缝计算和牛腿焊缝相同，图12所表示。

图12 加劲肋计算简图（单位：mm）
假定一块加劲肋受力为屋架支座反力1／4，即
V=R／4==36.9
M===Nmm
加劲肋厚度采取10mm，焊脚尺寸取6mm，焊缝计算长度为=180-15×2=138mm
则焊缝应力为：
=
=
=75＜=160
加劲肋、节点板和支座底板连接焊缝。图10所表示切口宽度为15mm，两条节点板和四条加劲肋焊缝总长度为:
=2（250-12）[phone]）=844mm
===33.5＜=160
故满足要求。
其它各节点计算过程从略。

6 参考文件
[1]戴国欣主编.钢结构（第3版）[M].武汉：武汉理工大学出版社，.1.
[2]张耀春主编.钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，.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，.6.
[4]陈志华编著.建筑钢结构设计[M]. 天津：天津大学出版社，.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]. 北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社，.5.
[6]陈绍蕃主编.房屋建筑钢结构设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社，.1.

7. 附件
附件见图纸。

指导老师评语：

课程设计汇报成绩： ，占总成绩百分比：
课程设计其它步骤成绩：
步骤名称： ，成绩： ，占总成绩百分比：
步骤名称： ，成绩： ，占总成绩百分比：
步骤名称： ，成绩： ，占总成绩百分比：
总 成 绩：
指导老师签字：
12月 日
此次课程设计责任人意见：

责任人签字：
1月 日