钢结构课设计算书.docx

课 程 设 计 任 务 书

题目：梯形钢屋架
——某工业厂房

适用专业： 土木工程2010级

指导教师： 雷宏刚、李海旺、闫亚杰、焦晋峰

太原理工大学建筑与土木工程学院
2013年12月

一、设计题目：梯形钢屋架
二、设计资料
某工业厂房，屋盖拟采用钢结构有檩体系，屋面板采用100mm厚彩钢复合板（外侧基板厚度0.5mm，内侧基板厚度0.4mm，夹芯材料选用玻璃丝棉，屋面板自重标准值按0.20 kN/m2计算），檩条采用冷弯薄壁C型钢。屋面排水坡度见表1，有组织排水。屋架支承在钢筋混凝土柱上，柱顶标高9.0m，柱截面尺寸为400×400mm。不考虑积灰荷载。
注：屋架、檩条、拉条及支撑自重标准值可按下列数值考虑：
0.30kN/m2 （6.0m）
0.40kN/m2 （7.5m）
三、设计内容及要求
要求在2周内（2013.12.23～2014.1.3）完成钢结构课程设计内容，提交设计图纸及计算书一套。
1. 设计内容
（1）进行屋盖结构布置并选取计算简图；
（2）屋架内力计算及内力组合；
（3）屋架杆件设计；
（4）屋架节点设计；
（5）屋架施工图。
2. 设计要求
（1）整理设计计算书一份
设计条件
结构布置
计算简图
荷载选取
内力计算
内力组合
构件设计
节点设计
挠度验算
（2）绘制施工图
屋盖布置图（图纸编号01）：屋架平面布置图+上、下弦支撑平面布置图+垂直支撑布置图；
屋架施工图（图纸编号02）：屋架几何尺寸、内力简图+屋架施工详图+节点、异形零件详图+设计说明+材料表等。

表1 梯形钢屋架课程设计任务表
坡度
1:10
1:20
基本雪压
（kN/㎡）
基本风压
（kN/㎡）
长度（m）
60（柱距6m）
75（柱距7.5m）
72（柱距6m）
90（柱距7.5m）
题号 跨度
地点
21
24
27
30
21
24
27
30
21
24
27
30
21
24
27
30
北京市
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
0.40
0.45
上海市
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
0.20
0.55
乌鲁木齐
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
0.75
0.60
成都市
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
0.10
0.25
南京市
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
0.65
0.40
哈尔滨
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
0.45
0.45
太原市
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
0.35
0.40
运城市
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
0.25
0.45
长治市
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
0.30
0.45
吕梁市
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
0.15
0.40
四、参考资料
（1）钢结构设计基本原理，雷宏刚，科学出版社
（2）钢结构设计，黄呈伟、李海旺等，科学出版社
（3）建筑结构荷载规范，GB 50009-2012
（4）钢结构设计手册（上册）第三版，中国建筑工业出版社
（5）轻型屋面梯形钢屋架，中国建筑标准设计研究院
（6）钢结构设计规范，GB 50017-2003
（7）土木工程专业—钢结构课程设计指南，周俐俐等，中国水利水电出版社

课 程 设 计 计 算 书

题目：梯形钢屋架
——某工业厂房

专业： 土木工程
班级：土木1002
姓名：景天雨
学号：2010001529
指导教师：焦晋峰

太原理工大学建筑与土木工程学院
2013年12月

梯形钢屋架计算书
一． 设计资料（题号45）
（1） 某工业厂房（乌鲁木齐）：梯形钢屋架跨度为21m，长度90m，柱距7.5m，屋盖拟采用钢结构有檩体系，屋面板采用100mm厚彩钢复合板（外侧基板厚度0.5mm，内侧基板厚度0.4mm，夹芯材料选用玻璃丝棉，屋面板自重标准值按0.20 kN/m2计算），檩条采用冷弯薄壁C型钢。屋面排水坡度，有组织排水。屋架支承在钢筋混凝土柱上，柱顶标高9.0m，柱截面尺寸为400×400mm。不考虑灰荷载。屋架、檩条、拉条及支撑自重标准值按0.40计算。基本雪压取0.75，基本风压取0.60。
（2） 屋架计算跨度：

（3） 跨中及端部高度：采用平坡梯形屋架，取屋架在21m轴线处的端部高度
，屋架中间的高度,则屋架在20.7m处，两端的高度为。
二． 结构形式与布置
屋架形势及几何尺寸如图1所示

根据厂房长度（90m>60m）、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间，该水平支撑的规格和中间柱间支撑的规格有所不同。在所有柱间的上弦平面设置了刚性与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载，在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端各设置一道×垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置如图2所示。

桁架上弦支撑布置图
桁架下弦支撑布置图

垂直支撑1—1

垂直支撑2—2

梯形钢屋架支撑布置图

SC—上弦支撑；XC—下弦支撑：CC—垂直支撑；GG—刚性系杆；LG—柔性系杆

三． 荷载计算
屋面荷载与雪荷载不会同时出现，计算时取最大的荷载标准值进行计算。故取雪荷载0.75进行计算。

荷 载 计 算 表

荷 载 名 称
标准值（）
设计值（）
彩钢复合板（100mm）
0.2

屋架、檩条、拉条及支撑自重
0.4

管道荷载
0.1

永久荷载总和
0.7
0.84
雪荷载
0.75

可变荷载总和
0.75
1.05
设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合。
1.全跨永久荷载＋全跨可变荷载
全跨节点永久荷载及可变荷载：

2.全跨永久荷载＋半跨可变荷载：
全跨节点永久荷载：

半跨节点可变荷载

全跨屋架（包括支撑）自重＋半跨屋面板自重＋半跨屋面雪荷载
全跨节点屋架自重

半跨节点屋面板自重及雪荷载

杆件名称
内力系数（F=1）
第一种组
合Fׁ
第二种组合
第三种组合
计算杆件
内力（kN）
全跨

左半跨
‚
右半跨
ƒ

F1ׁ
＋F2ׂ
F1ׁ
＋F2׃
F3ׁ
＋F4ׂ
F3ׁ
＋F4׃
上弦
AB
0
0
0
0
0
0
0
0
0
BC
-7.75
-5.83
-2.69
-192.25
-165.79
-122.51
-147.53
-94.37
-192.25
CD
-7.75
-5.83
-2.69
-192.25
-165.79
-122.51
-147.53
-94.37
-192.25
DE
-11.66
-8.04
-5.09
-289.24
-239.35
-198.70
-209.58
-159.64
-289.24
EF
-11.66
-8.04
-5.09
-289.24
-239.35
-198.70
-209.58
-159.64
-289.24
FG
-12.24
-7.15
-7.15
-303.63
-233.48
-233.48
-198.17
-198.17
-303.63
下弦
ab
4.43
3.43
1.40
109.89
96.11
68.13
85.98
51.61
109.89
bc
10.16
7.36
3.93
252.03
213.44
166.17
188.62
130.55
252.03
cd
12.31
7.93
6.15
305.36
245.00
220.47
211.82
181.68
305.36
斜腹杆
aB
-7.06
-5.47
-2.23
-175.13
-153.22
-108.57
-137.09
-82.23
-175.13
Bb
5.28
3.82
2.06
130.98
110.86
86.60
97.94
68.14
130.98
bD
-3.94
-2.50
-2.03
-97.74
-77.89
-71.41
-67.15
-59.19
-97.74
Dc
2.43
1.09
1.88
60.28
41.81
52.70
33.76
47.14
60.28
cF
-1.13
0.17
-1.83
-28.03
-10.12
-37.68
-4.24
-38.10
-38.10
Fd
-0.14
-1.35
1.70
-3.47
-20.15
21.88
-23.74
27.90
27.901
-23.739
竖杆
aA
-0.50
-0.50
0.00
-12.40
-12.40
-5.51
-11.62
-3.15
-12.40
bC
-1.00
-1.00
0.00
-24.81
-24.81
-11.03
-23.23
-6.30
-24.81
cE
-1.00
-1.00
0.00
-24.81
-24.81
-11.03
-23.23
-6.30
-24.81
dG
0.22
-0.29
-0.29
5.46
-1.57
-1.57
-3.52
-3.52
5.457
-3.524
四． 杆件设计
1.上弦杆
整个上弦采用等截面，按FG杆件的最大设计内力设计，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，且认为檩条与支撑的交叉点不连接，根据布置和内力情况，取为支撑之间的距离，即

根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，，短肢相拼，如图所示
腹杆最大内力，查表2.8，节点板，支座节点板厚度
假定，查Q235钢的稳定系数表，可得（由双角钢组成的T形和十字形截面属于b类），则需要的截面积为：

需要的回转半径：

根据需要A,，查角钢规格表，选用2∟，肢背距离8mm，则：
，，
则按所选角钢进行验算：

满足长细比的要求。
由于，只需要求。查表，则

故所选截面合适。
2.下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的杆件计算。

，（因跨中有通长系杆），所需截面积为

选用2∟，因为，故用不等肢角钢，短肢相并，肢背间距8mm，如图所示，
，，

3. 端斜杆aB
杆件轴力：
计算长度：
因为，故采用不等肢角钢，长肢相并，使。选用2∟，肢背间距8mm，则
，，

因为，只需求，查表得，则

截面合适。
4.斜腹杆Fd
最大拉力
最大压力
计算长度
在屋架平面内
在屋架平面外
选用2∟，肢背间距8mm，查角钢规格表得
，，

因为，只需求，查表得，则

拉应力：
5.竖杆cE

，
由于杆件内力较小，按选择，需要的回转半径为

查型钢表，选截面的和较上述计算的和略大些。选用2∟，肢背间距8mm，其几何尺寸为
，，

因为，只需求，查表得，则

其余各杆件的截面选择计算过程不再一一列出，现将计算结果列于表

屋架杆件截面选择表

杆件
编号
内力
（kN）
计算长度（cm）
截面规格
截面面积
（mm）
回转半径（cm）
长细比
容许长
细比
稳定系数
计算应力

FG
-303.63
175.2
525.6
┰
110x70x8
27.8
1.98
5.34
88.5
98.4
150

0.565
193.31
cd
305.36
350
1035
┰
70x45x7
15.32
1.25
3.53
280
293.2
350

199.32
Aa
-12.4
199.75
199.75
┰
50x4
7.8
1.54
2.35
129.7
85
150
0.388

41
aB
-175.13
267.2
267.2
┰
90x56x7
19.66
2.86
2.34
93.4
114.2
150

0.469
189.93
Bb
130.98
213.8
267.2
┰
56x4
8.78
1.73
2.59
123.6
103.2
350

149.18
Cb
-24.81
173.2
216.5
┰
50x4
7.8
1.54
2.35
112.5
92.1
150
0.478

66.54
bD
-97.74
228.16
285.2
┰
70x4
11.14
2.18
3.14
104.7
90.8
150
0.525

167.12
Dc
60.28
228.16
285.2
┰
50x4
7.8
1.54
2.35
148.2
121.4
350

77.28
cE
-24.81
187.2
234
┰
50x4
7.8
1.54
2.35
121.6
99.6
150
0.428

74.32
cF
-38.1
239.44
299.3
┰
56x4
8.78
1.73
2.59
138.4
115.6
150
0.351

123.63
Fd
-23.739
239.44
299.3
┰
56x4
8.78
1.73
2.59
138.4
115.6
150
0.351

77.03
Gd
-3.524
201.2
251.5
┰
50x4
7.8
2.23
2.23
90.4
112.3
150
0.479

9.4

五． 节点设计
1.下弦节点b
各杆件的内力由表查得。设计步骤：由腹杆内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，即和，然后根据的大小按比例绘出节点板的形状的尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。
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。
肢尖：，取。
设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为
肢背：，取。
肢尖：，取。
“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
下弦与节点板连接的焊缝长度为，。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。该节点如图所示。

2.上弦节点“B”
“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。“aB”杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算得

设“aB”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。
肢尖：，取。
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。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，槽焊缝强度设计值乘以0.8的折减系数。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。上弦槽焊缝的应力可由下面计算得
节点板厚度
上弦与节点板间焊缝长度为，则

上弦肢尖角焊缝的切应力为

3.屋脊节点“G”
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紧密结合，并便于施工，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
上弦与节点板之间的的槽焊缝，假定承受节点荷载，验算与节点“B”处槽焊缝验算方法类似，此处验算过程略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的计算，并考虑此力产生的弯矩。设肢尖焊缝，取节点板长度，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为，焊缝应力为

因屋架的跨度很大，需讲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连接，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。
腹杆与节点板连接焊缝计算方法与以上几个节点相同。

4.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面的净距取。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，厚度取。

（1）支座底板的计算。支座反力为

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，对C25混凝土，
支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋把底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板每块的单位宽度最大弯矩为

式中 —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，则单位宽度的最大弯矩为

底板厚度为
，取
（2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算。加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似（见图）。偏于安全的假定一个加劲肋的受力为屋架支座反力的，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递，节点板传递。

节点板与底板的连接焊缝长度，则所需焊脚尺寸为

故取
每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为，则所需焊脚尺寸为

故取
其他节点的计算不再一一列出，详细的施工构造见图