钢结构专业课程设计普通钢屋架设计梯形屋架.doc

钢构造课程设计

学生姓名：
学 号：
所在学院：机电工程学院
专业班级：
指引教师：

7月
《钢构造设计》课程设计任务书
1. 课程设计题目 普通钢屋架设计
2. 课程设计目和规定
课程设计目是加深学生对钢构造课程理论基本结识和理解，并学习运用这些理论知识来指引详细工程实践，通过综合运用本课程所学知识完毕普通钢屋架这一完整构造设计计算和施工图绘制等工作，协助学生熟悉设计基本环节，掌握重要设计过程设计内容和计算办法，培养学生一定看图能力和工程图纸绘制基本技能，提高学生分析和解决工程实际问题能力。
3. 课程设计内容和基本参数（各人所取参数应有不同）
（1）构造参数： 屋架跨度18m，屋架间距6m，屋面坡度1／10
（2）屋面荷载原则值（kN/m2）
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
永久荷载
0.42
0.52
0.62
0.72
0.82
0.92
1.02
1.07
可变荷载
0.30
0.30
序号
9
10
11
12
13
14
15
16
永久荷载
1.12
1.17
1.22
1.27
1.32
1.37
1.42
1.47
可变荷载
0.50
0.50
序号
17
18
19
20
21
22
23
24
永久荷载
0.42
0.52
0.62
0.72
0.82
0.92
1.02
1.07
可变荷载
0.40
0.40
序号
25
26
27
28
29
30
31
32
永久荷载
1.12
1.17
1.22
1.27
1.32
1.37
1.42
1.47
可变荷载
0.60
0.60
序号
33
34

永久荷载
1.52
1.57

可变荷载
0.60

（3）荷载组合 1）全跨永久荷载＋全跨可变荷载
2）全跨永久荷载＋半跨可变荷载
（4）材料 钢材Q235B.F，焊条E43型。
屋面材料采用1.5m×6.0m太空轻质大型屋面板。
4. 设计参照资料（涉及课程设计指引书、设计手册、应用软件等）
（1）曹平周，钢构造，科学文献出版社。
（2）陈绍蕃，钢构造（下）房屋建筑钢构造设计，中华人民共和国建筑工业出版社。
5. 课程设计任务
完毕普通钢屋架设计计算及施工图纸绘制，提交完整规范设计技术文档。
5.1设计阐明书（或报告）
（1）课程设计计算阐明书记录了所有设计计算过程，应完整、清晰、对的。
（2）课程设计计算阐明书应涉及屋架构造腹杆布置，屋架内力计算，杆件设计计算、节点设计计算等内容。
5.2技术附件（图纸、源程序、测量记录、硬件制作）
（1）施工图纸应涉及杆件布置图、节点构造图，材料明细表等内容。
（2）图面布置规定合理，线条清晰，表达对的。
5.3图样、字数规定
（1）课程设计计算阐明书应装订成一册，涉及封面、目录、课程设计计算阐明书正文、参照文献等某些内容。
（2）课程设计计算阐明书可以采用手写。
（3）施工图纸规定采用AutoCAD绘制或者手工绘制。
6. 工作进度筹划（19周～20周）
起止日期
工作安排
完毕状况
19周
课程设计动员

19周
构造布置、内力计算

19周
构件及节点设计计算

20周
施工图纸绘制

20周
整顿设计文档

目 录
1、设计资料…………………………………………………………………………………………1
2、屋架形式、几何尺寸及支撑布置………………………………………………………………1
3、荷载和内力计算…………………………………………………………………………………1
3.1荷载计算……………………………………………………………………………………1
3.2荷载组合……………………………………………………………………………………2
3.3内力计算……………………………………………………………………………………2
4、杆件截面计算……………………………………………………………………………………3
4.1上弦…………………………………………………………………………………………4
4.2下弦…………………………………………………………………………………………5
4.3腹杆A-a与I-e………………………………………………………………………………6
4.4腹杆B-a与H-e ……………………………………………………………………………6
4.5腹杆B-b与H-d ……………………………………………………………………………6
4.6腹杆C-b与G-d ……………………………………………………………………………7
4.7腹杆D-b与F-d ……………………………………………………………………………7
4.8腹杆D-c ……………………………………………………………………………………8
4.9腹杆F-c ……………………………………………………………………………………8
4.10腹杆E-c……………………………………………………………………………………9
5、节点设计…………………………………………………………………………………………9
5.1下弦节点b…………………………………………………………………………………10
5.2上弦节点B ………………………………………………………………………………11
5.3上弦节点C ………………………………………………………………………………12
5.4上弦节点D ………………………………………………………………………………13
5.5下弦节点c ………………………………………………………………………………13
5.6上弦节点E ………………………………………………………………………………14
5.7上弦节点A ………………………………………………………………………………15
5.8支座设计 …………………………………………………………………………………16
6、重要参照资料 …………………………………………………………………………………18

1. 设计资料
（1）构造参数：屋架跨度18m，屋架间距6m，屋面坡度1/10
（2）屋面荷载原则值（kN/m2）可变荷载：0.4KN/m2 永久荷载：0.82 KN/m2
（3）荷载组合：1）全跨永久荷载＋全跨可变荷载
2）全跨永久荷载＋半跨可变荷载
（4）材料：钢材Q235B.F，焊条E43型
屋面材料采用1.5m×6.0m太空轻质大型屋面板
2. 屋架形式、几何尺寸及支撑布置
梯形屋架上弦较平坦，适合于采用压型钢板和大型钢筋混凝土面板，薄坡度普通在1/12~1/8之间，根据题意规定选取了梯形屋架，其中屋架跨度L为18m，又由于，，取，。别的杆件尺寸如下图所示：

图1屋架构造图

图2屋架尺寸及内力图
3．荷载和内力计算
3．1 荷载计算
可变荷载：0.4kN/m2 永久荷载：0.82 KN/m2
恒载计算：恒载设计值按分项系数1.2为 KN/m2，节点载荷KN
活载计算：分项系数1.4，活载 KN/m2，KN
3.2 荷载组合
（1）全跨永久荷载＋全跨可变荷载
（2）全跨永久荷载＋半跨可变荷载
3.3.内力计算
组合分为全跨活载荷和半跨活载荷两种情形，求这两种情形内力系数单位荷载见图3与图4，其中“恒+全”一栏所列数值表达恒载与全跨活载组合值，而“恒+半”一栏所列数值表达恒载与半跨活载组合值。

图3计算内力系数全跨荷载

图4计算内力系数半跨荷载

杆件
内力系数
单项荷载内力
内力组合
不利组合
恒载
活载
全跨
半跨
全跨
半跨
恒+全
恒+半
上 弦 杆
AB
0
0
0
0
0
0
0
0
HI
0
0
0
0
0
0
0
0
BC
-6.958
-4.638
-92.4301
-52.6025
-35.0633
-145.033
-127.493
-145.033
GH
-6.958
-2.319
-92.4301
-52.6025
-17.5316
-145.033
-109.962
-145.033
CD
-6.958
-4.638
-92.4301
-52.6025
-35.0633
-145.033
-127.493
-145.033
FG
-6.958
-2.319
-92.4301
-52.6025
-17.5316
-145.033
-109.962
-145.033
DE
-7.537
-3.769
-100.122
-56.9797
-28.4936
-157.101
-128.615
-157.101
EF
-7.537
-3.769
-100.122
-56.9797
-28.4936
-157.101
-128.615
-157.101
下弦杆
ab
4.565
3.261
60.64146
34.5114
24.65316
95.15286
85.29462
95.15286
de
4.565
1.304
60.64146
34.5114
9.85824
95.15286
70.4997
95.15286
bc
7.759
4.655
103.0706
58.65804
35.1918
161.7286
138.2624
161.7286
cd
7.759
3.103
103.0706
58.65804
23.45868
161.7286
126.5292
161.7286
腹 杆
Aa
-0.5
-0.5
-6.642
-3.78
-3.78
-10.422
-10.422
-10.422
Ie
-0.5
0
-6.642
-3.78
0
-10.422
-6.642
-10.422
Ba
-5.753
-4.109
-76.4229
-43.4927
-31.064
-119.916
-107.487
-119.916
He
-5.753
-1.644
-76.4229
-43.4927
-12.4286
-119.916
-88.8515
-119.916
Bb
2.971
1.707
39.46676
22.46076
12.90492
61.92752
52.37168
61.92752
Hd
2.971
1.264
39.46676
22.46076
9.55584
61.92752
49.0226
61.92752
Cb
-1
-1
-13.284
-7.56
-7.56
-20.844
-20.844
-20.844
Gd
-1
0
-13.284
-7.56
0
-20.844
-13.284
-20.844
Db
-1.162
-0.055
-15.436
-8.78472
-0.4158
-24.2207
-15.8518
-24.2207
Fd
-1.162
-1.107
-15.436
-8.78472
-8.36892
-24.2207
-23.8049
-24.2207
Dc
-0.36
-1.259
-4.78224
-2.7216
-9.51804
-7.50384
-14.3003
-14.3003
Fc
-0.36
-0.899
-4.78224
-2.7216
-6.79644
-7.50384
-11.5787
-11.5787
Ec
0.5
0.25
6.642
3.78
1.89
10.422
8.532
10.422
表1屋架内力组合表
4. 杆件截面选取
腹杆最大内力161.7286KN（压）由屋架节点板厚度参照表可知支座支节点板厚度取。
杆件截面选取见下表2

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/cm
长细比
容许长细比
稳定系数
计算应力

上弦杆
AB-HI
-157.1
2261
4435.1
2∟

32
2.28
6.0
99.2
73.9
150
0.560
87.7
下弦杆
ab-de
161.73
4500
4500
2∟
8.58
1.37
2.18
328.5
206.4
350

188.5
腹杆

Aa
-10.42
1500
1500
2∟
6.98
1.38
2.16
108.7
69.4
150
0.501
29.7
Ie
-10.42
1500
1500
2∟
6.98
1.38
2.16
108.7
69.4
150
0.501
29.7
Ba
-119.9
2718
2718
2∟
16.32
2.15
3.19
126.4
85.2
150
0.404
181.8
He
-119.9
2718
2718
2∟
16.32
2.15
3.19
126.4
85.2
150
0.404
181.8
Bb
61.93
2835
3835
2∟
6.98
1.38
2.16
205
131.3
350

88.7
Hd
61.93
2835
3835
2∟
6.98
1.38
2.16
205
131.3
350

88.7
Cb
-20.84
1950
1950
2∟
6.98
1.38
2.16
141.3
90.3
150
0.340
87.6
Gd
-20.84
1950
1950
2∟
6.98
1.38
2.16
141.3
90.3
150
0.340
87.6
Db
-24.22
3129
3129
2∟
16.32
2.15
3.19
145.5
98.1
150
0.324
45.7
Fd
-24.22
3129
3129
2∟
16.32
2.15
3.19
145.5
98.1
150
0.324
45.7
Dc
-14.3
3129
3129
2∟
16.32
2.15
3.19
145.5
98.1
150
0.324
27.0
Fc
-11.58
3129
3129
2∟
16.32
2.15
3.19
145.5
98.1
150
0.324
21.7
Ec
10.42
2400
2400
2┘┌
6.98
1.38
2.16
173.9
111.1
350

14.9
表2 屋架杆件截面选取表
4.1 上弦
整个上弦不变化截面，按最大内力计算。
最大内力为-157.1KN，，则平面外计算长度：

若获得平面，则应有，选用两不等肢角钢短肢相并比较恰当。
假定没有相似资料参照，故先设以协助选取截面。设，属于轴心压杆b类，有书上附录查得。取强度设计值=215 KN/m2，依照所设，截面应当有

应不不大于，节点板厚度，有型钢表查得（取a=8mm），并由短肢相并构成压杆，查得A=2×16=32，，用实际截面验算。
（容许长细比）
对此短肢相并不等边双角钢截面，，可取，，查得，

所选截面适当。
4.2 下弦
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算。
最大内力为161.7KN，

选用（a取8mm），A=2×4.29=8.58，
强度和刚度验算：

容许长细比验算：

所选截面符合规定。
4.3 腹杆A-a与I-e
最大内力为-10.42KN，

选用（a取8mm），A=2×3.49=6.98，
容许长细比验算：

强度和刚度验算：
依照查得

所选截面符合规定。
4.4 腹杆B-a与H-e
最大内力为-119.9KN，

选用（a取8mm），A=2×8.16=16.32，
容许长细比验算：

强度和刚度验算：
依照查得

所选截面符合规定。
4.5 腹杆B-b与H-d
最大内力为61.9KN，

选用（a取8mm），A=2×3.49=6.98，
容许长细比验算：

强度和刚度验算：

所选截面符合规定。
4.6 腹杆C-b与G-d
最大内力为-20.8KN，

选用（a取8mm），A=2×3.49=6.98，
容许长细比验算：

强度和刚度验算：
依照查得

所选截面符合规定。
4.7 腹杆D-b与F-d
最大内力为-24.2KN，

选用（a取8mm），A=2×8.16=16.32，
容许长细比验算：

强度和刚度验算：
依照查得

所选截面符合规定。
4.8 腹杆D-c
最大内力为-14.3KN，

选用（a取8mm），A=2×8.16=16.32，
容许长细比验算：

强度和刚度验算：
依照查得

所选截面符合规定。
4.9 腹杆F-c
最大内力为-11.5KN，

选用（a取8mm），A=2×8.16=16.32，
容许长细比验算：

强度和刚度验算：
依照查得

所选截面符合规定。
4.10 腹杆E-c
最大内力为-10.4KN，

选用（a取8mm），A=2×3.49=6.98，
容许长细比验算：

强度和刚度验算：

所选截面符合规定。
5 节点设计
用E43焊条时，角焊缝抗拉抗压和抗剪强度设计值。
由课本可知角钢焊缝内力分派系数。对于等肢角钢一肢相连状况；对于不等肢角钢短肢相连，。
焊缝实际长度：
计算长度：
肢背处焊缝面积：
肢尖处焊缝面积：
由于此设计中上弦杆采用短肢相并，腹杆与下弦杆采用等边角钢相连。
依照以上公式可求得下表：
腹杆
内力设计值/
需要焊缝面积/
采用焊缝/
焊缝长度
肢背
肢尖
肢背
肢尖
肢尖
肢背

10.42
32.6
13.9
5-80
4-80
90
90

119.92
374.8
160.6
5-80
5-80
90
90

61.93
193.5-
85.7
5-80
4-80
90
90

20.84
65
27.8-
5-80
4-80
90
90

24.22
75.7
34.3
5-80
5-80
90
90

14.3
44.7
21.4
5-80
5-80
90
90

11.58
36.2
17.1
5-80
5-80
90
90

10.4
32.5
17.1
5-80
5-80
90
90
表3 焊缝计算表
5.1 下弦节点b
由上表3可知，Bb杆肢背焊缝为5-90，肢尖焊缝为4-90；Db杆肢背焊缝为5-90，肢尖焊缝为5-90，Cb杆肢背焊缝为5-90，肢尖焊缝为4-90。
依照求得焊缝长度，比考虑到杆件肢尖应有间隙以及制作装配等误差，那比例绘出节点详图（如下图5所示），可得到节点板尺寸为。
下弦杆与节点板焊缝连接长度为440mm，，焊缝承受力为左右两下弦杆内力差
验算肢背焊缝强度

满足规定。

图5 节点b
5.2 上弦节点B
依照求得焊缝长度，比考虑到杆件肢尖应有间隙以及制作装配等误差，那比例绘出节点详图（如下图6所示），可得到节点板尺寸为。
下弦杆与节点板焊缝连接长度为510mm，，焊缝承受力为左右两下弦杆内力差
验算肢背焊缝强度：

满足规定。

图6上弦节点B
5.3 上弦节点C
依照求得焊缝长度，比考虑到杆件肢尖应有间隙以及制作装配等误差，那比例绘出节点详图（如下图7所示），可得到节点板尺寸为如图所示。
验算肢背焊缝强度：

满足规定。

图7 节点C
5.4 上弦节点D
依照求得焊缝长度，比考虑到杆件肢尖应有间隙以及制作装配等误差，那比例绘出节点详图（如下图8所示），可得到节点板尺寸为。
下弦杆与节点板焊缝连接长度为440mm，，焊缝承受力为左右两下弦杆内力差
验算肢背焊缝强度：

满足规定。

图8 节点D
5.5 下弦节点c
依照求得焊缝长度，比考虑到杆件肢尖应有间隙以及制作装配等误差，那比例绘出节点详图（如下图9所示），可得到节点板尺寸为。
按等强度设计，设角焊缝焊脚尺寸，则接头一侧需要焊缝计算长度为：

拼接角钢总长度：
，取
拼接角钢需要切去高度，即剩余竖肢高度为30mm。

图9 节点c
5.6 上弦节点E
角钢肢尖焊缝应取上弦内力15%进行计算，即，产生偏心弯矩：
现取节点板尺寸如图所示。

满足规定。
按照等强度设计，设角焊缝焊脚尺寸，则接头一侧需要焊缝计算长度为：
，取
拼接角钢总长度：
，取
拼接角钢需要切去高度，取△=20mm，即剩余竖肢高度为60mm。

图10 节点E
5.7 上弦节点A
依照求得焊缝长度，比考虑到杆件肢尖应有间隙以及制作装配等误差，那比例绘出节点详图（如下图10所示），可得到节点板尺寸为如图所示。
验算肢背焊缝强度：

满足规定。

图11 节点A
5.8 支座设计
为便于施焊，下弦杆角钢水平肢底面与支座底板净距离取140mm，在节点中心线上设立加劲肋，加劲肋高度与节点板高度相等，厚度取12mm。
（1）支座底板计算
支座反力：
支座底板平面尺寸采用
验算铸顶混凝土抗压强度：

（式中—混凝土强度设计值。对C25混凝土，）。
底板厚度按屋架反力作用下弯矩计算节点板和加劲肋将底板提成四块，每块板为相邻边支撑而另两边自由板，求每块板单位宽度最大弯矩。
底板下平均应力
两支承边对角线长度：
，依照几何关系，有

底板厚度，取
（2）加劲肋与节点板连接焊缝计算
偏于安全假定一种加劲肋受力为屋架反力1/4，即：，则焊缝内力为：，

设焊缝，焊缝计算长度：
则焊缝应力为：

（3）节点板、加劲肋和底板连接焊缝计算
设焊缝传递所有支座反力，其中每块加劲肋个传递,节点板传递。
节点板与底板连接焊缝长度，去焊缝尺寸为，则

加劲肋与底板焊缝尺寸，取，则

图12 支座节点
6 重要参照资料
1．曹平周，朱召泉主编，钢构造（第三版），中华人民共和国电力出本社，
2．陈绍蕃主编，钢构造（第二版），中华人民共和国建筑工业出版社，
3．鲁屏宇主编，工程图学（第二版），机械工业出版社，