厂房梯形钢屋架课程设计计算书.doc

课程设计成果说明书

题 目： 梯形钢屋架课程设计
学生姓名：
学 号：
学 院： 船舶与建筑工程学院
班 级：
指导教师

浙江海洋学院教务处

浙江海洋学院《课程设计成果说明书》规范要求

课程设计说明书是课程设计主要成果之一，一般在2000～3000字。
1．说明书基本格式
版面要求：打印时正文采用5号宋体，A4纸，页边距上、下、左、右均为2cm，行间距采用固定值20磅，页码底部居中。文中标题采用4号宋体加粗。
2．说明书结构及要求
（1）封面
（2）课程设计成绩评定表
（3）任务书(指导教师下发)
（4）摘要
摘要要求对内容进行简短的陈述，一般不超过300字。关键词应为反映主题内容的学术词汇，一般为3-5个，且应在摘要中出现。
（5）目录
要求层次清晰，给出标题及页次。最后一项为参考文献。
（6）正文
正文应按照目录所确定的顺序依次撰写，要求论述清楚、简练、通顺，插图清晰整洁。文中图、表及公式应规范地绘制和书写。
（7）参考文献

浙江海洋学院课程设计成绩评定表
2009 —2010 学年 第 二 学期

学院 船舶与建筑工程学院 班级 C07土木2班 专业 土木工程
学生姓名(学 号)

（071308235）
课程设计名 称
钢结构课程设计
题 目
梯形钢屋架课程设计
指导教师评语

指导教师签名：
年 月 日
答辩评语及成绩

答辩小组教师签名：
年 月 日

浙江海洋学院课程设计任务书
2009 —2010 学年 第 二 学期
学院 船舶与建筑工程学院 班级 C07土木2班 专业 土木工程
学生姓名(学号)

（071308235）
课程
名称
钢结构
设计
题目
梯形钢屋架课程设计
完成
期限
自 2010 年 6 月 21 日至 2010 年 6月 25 日 共 1 周
设
计
依
据
课程设计是土木工程专业十分重要的实践性教学环节，是将课程基本概念转化为课程实践活动的“桥梁”，设置钢结构课程设计，是通过进一步的设计训练，使学生熟悉钢结构基本构件的设计和构造设计的基本原理和方法，具备一般钢结构设计的基本技能；能够根据不同情况，合理地选择结构、构造方案，熟练地进行结构设计计算，并学会利用各种设计资料。
设
计
要
求
及
主
要
内
容
设计要求：
（1）掌握钢屋架荷载的计算，杆件内力的计算和组合，杆件的计算长度、截面型式、截面选择及构造要求，填板的设置及节点板的厚度，普通钢屋架节点设计的原则和要求，主要节点的设计及计算和构造，以及钢屋架施工图的内容和绘制。
（2）设计成果应包括设计计算书（A4纸装订成册）和施工图纸1张；每个学生应认真独立完成全部设计任务，成果表面和技术质量符合工程设计文件的要求。
主要内容：
（1）作屋盖结构及支撑的布置图；
（2）对钢屋架进行内力、杆件截面尺寸的计算；设计一个下弦节点、一个上弦节点、屋脊节点、支座节点；
（3）绘制运输单元的施工图，设计的节点应尺寸齐备，满足构造要求。
参
考
资
料
（1）《土木工程专业 钢结构课程设计指南》，周俐俐、姚勇等编著，中国水利水电出版社、知识产权出版社，2006年1月第1版；
（2）《钢结构（上册）钢结构基础》，陈绍蕃、顾强主编，中国建筑工业出版社，2007年6月第二版；
（3）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），中国建筑工业出版社，2006年11月第二版；
（4）《钢结构设计规范》（GB50017-2003），中国计划出版社，2003。
指导教
师签字

日期
2010.4.26.

摘要：
梯形钢屋架时由双梯形合并而成，它的外形和荷载引起的弯矩图形比较接近，因而弦梯形钢屋架设计杆内力沿跨度分布比较均匀，材料比较经济。梯形钢屋架设计有屋架荷载计算与荷载效应组合，屋架杆件内力计算，屋架杆件设计，屋架节点设计屋架施工图绘制等步骤。通过设计掌握钢屋架荷载的计算，内力计算和组合，杆件的计算长度，截面型式，截面选择及构造要求，填板的设置及节点板的厚度。掌握节点设计的原则及要求，主要节点的设计及计算和构造，施工图内容与绘制。
关键词：梯形钢屋架设计、内力计算、杆件设计、节点设计、施工图。

目录
1. 设计资料………………………………………………………………………
2. 结构形式与布置………………………………………………………………
3. 荷载计算………………………………………………………………………
4. 内力计算………………………………………………………………………
5. 杆件设计………………………………………………………………………
6. 节点设计………………………………………………………………………
7. 参考文献………………………………………………………………………

1. 设计资料
1.1 某厂房总长度102m，跨度27m，纵向柱距9m。
1.2 结构形式：钢筋混凝土柱子，梯形钢屋架。柱的混凝土强度等级为C30，截面300Χ300mm。屋面边缘高度为234cm屋面坡度i=1/10；地区计算温度高于－200℃，无侵蚀性介质，地震设防烈度为7度，厂房内设有2台200/50中级工作制吊车，轨顶标高为8.500。
1.3 屋架形式及荷载：屋架形式、几何尺寸及内力系数（节点荷载P=1.0作用下杆件的内力）如图所示。屋架采用的钢材、焊条为：Q390钢，焊条为E50型。
1.4 屋盖结构及荷载
（1） 无檩体系：采用1.5×9.0m预应力混凝土屋面板（考虑屋面板起系杆作用）；
（2） 荷载：
屋架及支撑自重：按经验公式，q=0.12+0.011L，L为屋架跨度，以m为单位，q为屋架及支撑自重，以KN/m2为单位；
屋面活荷载：施工活荷载标准值为1.0 KN/m2，雪荷载的基本雪压标准值为S0=0.30KN/m2，施工活荷载与雪荷载不同时考虑，而是取两者的较大值；积灰荷载为1.2 KN/m2，
屋面各构造层的荷载标准值：
三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.2KN/m2
水泥砂浆找平层 0.4KN/m2
保温层 0.55KN/m2
一毡二油隔气层 0.02KN/m2
水泥砂浆找平层 0.15KN/m2
预应力混凝土屋面板 1.8KN/m2
2. 结构形式与布置
屋架形式及几何尺寸如图所示

图1屋架几何尺寸
根据厂房长度99m、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑。梯形钢屋架支撑布置图如图所示。

图2

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；GWJ－钢屋架
3. 荷载计算
永久荷载设计值：
g＝1.2×（0.2+0.4+0.55+0.15+1.8+0.417）＝4.22 KN/m2
可变荷载设计值：

q＝1.2×（1.0+1.2）＝2.64KN/m2
设计屋架时，应该考虑一下三种荷载组合：
全跨永久荷载+半跨可变荷载
全跨节点永久荷载 ＝4.22×1.5×9＝56.97 KN
半跨节点可变荷载 ＝2.64×1.5×9＝35.64 KN
全跨屋架（包括支撑）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面可变荷载
全跨节点屋架自重 ＝0.50×1.5×9＝6.75KN
半跨节点屋面板自重及活荷载
＝（2.16+2.64）×1.5×9＝64.8KN
①、②为使用节点荷载情况，③为施工阶段荷载情况。
4. 内力计算
屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如下图所示：

有图解法或数解法解得F＝1的屋架各杆件的内力系数（F＝1作用用户全跨、左半跨和右半跨）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果如下表所示。

表2 内力组合表

杆件名称

杆力系数P=1
使用阶段
施工阶段

计算
杆力
/kK

组合

项目
*（3）
*（1）
*（2）
*（3）
*（1）
*（2）
左半跨
右半跨
全跨
全跨恒载
在左半跨
在右半跨
全跨恒载
在左半跨
在右半跨
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）

上

弦
AB
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
（4）+（5）+（6）
BD
-7.39
-2.99
-10.38
-605.36
-275.35
-111.41
-75.67
-490.84
-198.59
-992.12
（4）+（5）+（6）
DF
-11.24
-5.11
-16.35
-953.53
-4118.80
-167.40
-119.19
-744.53
-339.41
-1539.73
（4）+（5）+（6）
HI
-12.52
-8.58
-21.1
-1230.55
-466.49
-319.69
-153.82
-829.32
-569.88
-2016.73
（4）+（5）+（6）
FH
-12.52
-6.95
-19.47
-1135.49
-466.49
-227.68
-141.94
-831.57
-460.09
-1829.66
（4）+（5）+（6）
IK
-11.620
18.580
-20.20
1178.06
-432.96
-319.69
-146.65
-771.80
-569.88
1930.71
（4）+（5）+（6）

杆件名称

杆力系数P=1
使用阶段
施工阶段
计算
杆力
/kK

组合

项目
*（3）
*（1）
*（2）
*（3）
*（1）
*（2）
左半跨
右半跨
全跨
全跨恒载
在左半跨
在右半跨
全跨恒载
在左半跨
在右半跨
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）

下

弦
ab
+4.20
+1.57
5.77
336.51
156.49
58.49
42.06
278.96
104.27
551.49
（4）+（5）+（6）
bc
+9.64
+4.02
13.66
796.65
359.18
149.78
99.58
640.28
267.01
1305.61
（4）+（5）+（6）
cd
+12.09
+6.05
18.14
1057.92
450.47
198.19
132.24
803.02
401.84
1706.58
（4）+（5）+（6）
de
+12.35
+7.74
20.09
1171.64
460.16
253.56
146.45
820.28
514.09
1885.36
（4）+（5）+（6）
ef
+9.74
+9.74
19.48
1136.07
362.98
319.08
142.01
646.93
646.93
1818.06
（4）+（5）+（6）

斜

腹

杆
aB
-8.16
-2.95
-11.11
-647.93
-304.04
-109.92
-80.99
-541.98
-195.93
-1061.89
（4）+（5）+（6）
Bb
6.14
+2.61
8.75
510.3
228.77
97.25
63.78
407.81
173.36
836.32
（4）+（5）+（6）
bD
-4.84
-2.23
-7.07
-412.32
-180.33
-83.09
-51.54
-321.47
-148.12
-675.74
（4）+（5）+（6）
Dc
+3.27
+2.25
5.52
321.93
121.84
83.83
40.24
217.93
149.45
527.60
（4）+（5）+（6）
cF
-2.09
-2.21
-4.3
-250.77
-68.46
-82.34
-31.34
-138.81
-146.78
-401.57
（4）+（5）+（6）

杆件名称

杆力系数P=1
使用阶段
施工阶段

计算
杆力
/kK

组合

项目
*（3）
*（1）
*（2）
*（3）
*（1）
*（2）
左半跨
右半跨
全跨
全跨恒载
在左半跨
在右半跨
全跨恒载
在左半跨
在右半跨
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）

斜

腹

杆
Fd
+0.84
+2.01
+2.85
+163.29
31.29
74.89
20.77
55.79
133.50
269.47
（4）+（5）+（6）
dH
+0.27
-2.02
-1.57
-102.06
+10.06
-75.26
-12.75
+17.93
-134.17
-177.32
5.18
（7）+（8）
(4)+(6)
He
-1.29
+1.74
+0.45
-26.24
-48.06
+64.83
+3.28
-85.68
115.57
-82.40
+118.85
（7）+（8）
(7)+(9)
eg
+3.26
-2.01
+1.25
+72.90
+121.47
-74.89
+9.11
+216.53
-133.50
-124.39
225.64
（7）+（9）
(7)+(8)
gk
+2.95
-2.03
+0.92
+53.65
+109.91
-75.63
+6.71
+195.94
-134.83
202.65
128.12
(7)+(8) （7）+（9）
gl
-0.53
0
-0.53
-30.90
-19.74
0
-3.86
-35.20
0
-50.64
（4）+（5）

竖

杆
Aa
-0.5
0
-0.5
-29.16
-18.63
0
-3.64
-33.21
0.00
-47.79
（4）+（5）
GdCbEc
-1.0
0
-1
-58.32
-37.26
0.00
-7.29
-66.42
0.00
-95.58
（4）+（5）
Ie
-1.3
0
-1.3
-75.82
-48.44
0
-9.48
-86.34
0
-124.26
(4)+(5)
kf
0
0
0
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0

5杆件设计
1.上弦杆设计
整个上弦杆采用等截面，按HJ杆件的最大设计内力设计，即
N＝-2016.73 KN
上弦杆计算长度：
在屋架平面内：为节间轴线长度，即 m
在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面只起到刚性杆作用，根据支持布置和内力变化情况，取l0y为支撑点间的距离，即
m
根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦杆界面选用两个不等肢角钢，短肢相并。如图所示。

图4 上弦杆截面
复杆最大内力N＝-1061.89KN，查表2.5，中间节点板厚度选用16mm，支座节点板厚度选用18mm。
设，查表Q390钢的稳定系数表，可得（由双角钢组成的T形和十字形截面均属于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2200×215×16，肢背间距，则，， 按所选角钢进行验算：

满足长细比≤[λ]＝350的要求。

由于，只需要求。查表则＜所以所选截面符合要求。
2.下弦杆设计
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的杆计算。
N＝1885.36KN，，（因为跨中有通长系杆），所需截面为
选用2160×100×12，因为，故用不等肢角钢，短肢相并，如图所示。

图5下弦杆截面
，，
，
故所选的截面符合要求。
3.斜腹杆aB
杆件轴力： N＝-1061.89KN
计算长度：
因为，故采用不等肢角钢，长肢相并，使，选用2140×90×12，如图所示。

图6 端斜杆aB的截面图
则，，
，
因为，只需要求，查表的，则
所选截面适合。
4.竖杆le
杆件轴力： N＝-124.261KN
,。选用263×8；，，
；
由于，只需要求。查表则＜所以所选截面符合要求。

架杆件截面选择表
名称
杆件编号
内力/kN
计算长度/cm
截面形式和规格
截面面积/
回转半径/cm
长细比
容许比细长【】
稳定系数
计算应力

上弦
HI
-1930.91
150.8
310.6
2L200*215*16
99.47
3.42
9.88
43
31
150
0.795
255
下弦
de
+1885.36
300
1485
2L160*100*12
60.11
2.51
7.92
106
188
350

320
斜腹杆
Ba
-1061.89
284.7
284.7
2L140*90*12
52.80
4.44
3.84
64
74
150
0.795
320
Bb
+836.32
232.8
291.0
2L125*8
39.40
3.88
5.41
75
54
350

273
bD
-675.74
254.5
318.1
2L110*10
42.52
3.38
4.93
94
65
150
0.595
267
Dc
527.6
253.7
317.1
2L110*10
42.52
3.38
4.93
94
64
350

209
cF
-401.57
275.7
344.9
2L100*6
23.86
3.10
4.29
111
80
150
0.561
300
Fd
269.47
271.2
339.0
2L90*6
21.27
2.79
4.05
121
84
350

286
dH
-177.32
297.8
372.3
2L90*6
21.27
2.79
4.05
133
92
150
0.324
223
He
-82.4
188.85
289.0
361.3
2L70*5
13.75
2.16
3.24
134
122
150
0.320
187
270
eK
-128.12
202.65
391.2
289.0
2L90*12
20.31
2.71
4.4
90
110
150
0.208
303
100
Lg
50.64
176.56
220.7
2L70*5
13.75
2.16
3.23
102
68

0.519
68
竖杆
Aa
-47.79
188
235.0
2L50*5
9.61
1.53
2.45
153
96
150
0.298
167
Cb
-95.58
212
256.6
2L70*5
13.75
2.16
3.23
123
82
150
0.452
154
Ec
-95.58
236
265.0
2L70*5
13.75
2.16
3.23
136
91
150
0.452
192
Gd
-95.58
260
295.0
2L70*5
13.75
2.16
3.23
150
101
150
0.308
225
Ie
-124.26
284
325.0
2L63*8
19.03
1.90
3.26
149
109
150
0.197
331
Jg
-95.58
142
355.0
2L50*5
9.61
1.53
3.26
116
72

0.459
217
Kf
0
斜平面=297.9
2L63*8
19.03

6.节点设计
1. 下弦节点c设计
各个杆件的内力由内力表查得。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和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝。
用E50型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。
设“aB”杆的肢背和肢尖焊缝和，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。
其他腹杆所需焊缝长度的计算这里不再赘述，现将计算结果列于表中，未列入表中的腹杆均因杆力很小，可按构造取值。

腹杆杆端焊缝尺寸
杆件名称
设计内力/kN
肢背焊缝
肢尖焊缝

aB
-1061.89
188
14
124
12
Bb
836.32
137
14
96
12
bD
-675.74
137
14
83
12
Dc
527.60
114
14
71
12
cF
-401.57
180
6
89
6
Fd
269.47
130
6
68
6
dH
-177.32
95
6
53
6
gK
202.65
105
6
57
6
Ie
-124.26
75
6
44
6
Cb Ec Gd
-95.58
64
6
40
6
He
118.85
73
6
43
6
1) 下弦节点“b”
按上表所列Bb和bD杆所需焊缝长度，按比例绘制节点详图，从而确定节点板的形状和尺寸（见下图）
由图中量出下弦与节点板的焊缝长度为440mm，设焊缝尺寸，焊缝承受节点左右 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，该节点如下图所示。

图7 下弦节点“b”

2)上弦节点“B”
由表所列腹杆杆Ba和bB所需的焊缝长度，确定节点形状和尺寸。量得上弦与节点板的焊缝长度为425mm，设，因节点板伸出上弦肢背15mm，故弦杆与节点板的4条焊缝共同承受节点集中荷载,和弦杆内力差的共同作用。忽略P对焊缝的偏心并视其与上弦垂直。则上弦肢背的焊缝应力为：

满足要求。

图8 上弦节点“B”
3)屋脊节点“K”
（1）拼接角钢采用与上弦相同的截面2L200*215*16。设两者间的焊脚尺寸为14mm，竖直肢应
切去。按上弦杆力，计算拼接角钢与上弦的焊缝，节点一侧每条焊缝计算长度为

拼接角钢的长度，拼接角钢长度取600mm。
（2）上弦与节点板间焊缝计算
上弦与节点板之间在节点两侧共8条焊缝，共同承受节点载荷P与两侧上弦内力的合力。近似的取值，该力的合力数值为：

设焊缝焊脚尺寸为8mm，每条焊缝所需长度为：
满足要求。

图9 屋脊节点“I”
4)支座节点“a”
（1）底板承受屋架的支座反力R=10P=955.8kN，柱采用C30混凝土，其轴心抗压强度设计值，锚栓直径为d=25mm，锚栓孔布置图如下图所示，栓孔面积按构造要求底板面积取为，满足要求。
底板承受的实际均布反力：
节点板和加劲肋板将底板分成4块相同的两相邻边支撑板，它们的对角长度及内角顶点到对角线的距离分别为：，查表得，两相邻边支撑板单位板宽得最大弯矩为：所需底板厚度：
取（按构造要求）。

实取地板尺寸为280mm*280mm*23mm
（3） 加劲肋与节点板的连接焊缝计算。
焊缝长度等于加劲肋板的高度，也等于节点板的高度。由图量的焊缝长度为500.计算长度l=490-15=475mm,设焊脚尺寸=8mm，每块加劲肋板近似的按承受R/4计算，R/4作用点的焊缝的距离为,则焊缝所受剪力V及弯矩M为：
则 焊缝强度验算：

满足要求。
（4） 加劲肋和节点板与底板的连接焊缝计算。
上述零件与底板连接焊缝的总计算长度为， 所需焊脚尺寸为。
还应满足角焊缝的构造要求：，故取mm。
其他节点计算不再一一赘述，详细构造见钢屋架施工图，如下图所示。

图10 加劲肋计算简图

图11 支座节点“a”

参考文献：
[1].《土木工程专业 钢结构课程设计指南》，周俐俐、姚勇等编著，中国水利水电出版社、知识产权出版社，2006年1月第1版；
[2].《钢结构（上册）钢结构基础》，陈绍蕃、顾强主编，中国建筑工业出版社，2007年6月第二版；
[3].《钢结构（下册）房屋建筑钢结构设计》，陈绍蕃主编，中国建筑工业出版社，2007年6月第二版；
[4].《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），中国建筑工业出版社，2001；
[5].《钢结构设计规范》（GB50017-2003），中国计划出版社，2003。