钢结构 课程设计.doc

27m简支人字形屋架设计

一、设计题目
设计普通人字形钢屋架，熟练掌握普通人字开钢屋架的设计步骤和施工图的绘制方法。
二、设计内容
1、屋盖结构体系；
2、檩条和屋盖支撑的布置；
3、屋架的形式和主要尺寸；
4、钢材及焊条的选用；
5、荷载、内力计算和内力组合；
6、杆件截面选择；
7、节点设计；
8、钢屋盖施工图的绘制。
三、设计资料
1、长尺压型钢板屋面，焊接工字钢檀条（间距5m）；
2、屋架间距（柱距）为12m；
3、屋面离地面高度约为20m。
4、荷载
（1）压型钢板：0.15KN/㎡；
（2）檩条：0.10KN/㎡；
（3）屋架及支撑自重：gk=(0.12+0.10L)KN/㎡，L为屋架的标志跨度（m）；
（4）风荷载为0.5KN/㎡和雪荷载为0.2KN/㎡，屋面活荷载标准值为0.5KN/㎡。
5、材料
（1）钢材采用Q235-B，焊条采用E43型；
（2）屋架支撑于钢筋混凝土柱上，上柱截面为400mm×400mm，混凝土强度等级为C25。

四、设计要求
1、计算书
（1）支撑布置体系及檩条设计(有檩屋盖)；
（2）屋架设计详细步骤。
计算书完整包括：设计资料、结构形式与布置、荷载计算、内力计算、杆件设计和节点设计。
2、施工图
（1）绘制支撑布置图；
（2）绘制钢屋架施工详图。
图纸内容包括以下几项：
1） 屋架简图(一般布置在图面的左上角)；
2） 屋架正立面图；
3） 上、下弦杆俯视图，必要的剖面；
4） 屋架支撑详图及零件详图；
5） 材料表；
6） 施工图说明；
7） 标题栏
绘制要求：采用钢笔或CAD绘制，图面布置合理，文字规范，线条清楚并符合制图标准，达到施工图要求。
五、参考资料
（1）《钢结构》（第二版），魏明钟主编，武汉理工大学出版社，2002；
（2）《钢结构原理与设计》，王国周，瞿履谦主编，清华大学出版社，1993；
（3）《钢结构》卢铁鹰主编，西南师范大学出版社，1993；
（4）《钢结构》陈绍蕃主编，中国建筑工业出版社，1994；
（5）《钢结构设计规范》（GB50017-2003），中国计划出版社，2003。
六、人字形钢屋架课程设计实例
1、设计资料
已知条件：人字形钢屋架跨度详见表1.0，屋面坡度为1：10，屋架间距为12m，厂房长度为96m，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面为400mm×400mm，混凝土强度等级为C20。屋面采用长尺寸压型钢板，轧制H型钢檩条，水平间距为5m。地面粗糙度可为B类，基本风压为0.5kN/㎡,屋面离地面高度约为20m，雪荷载为0.2kN/㎡。钢材采用Q235-B焊条为E43型。杆件容许长细比：屋架压杆[]=150，屋架拉杆[]=350。
2、屋架尺寸，支撑布置
LO=L-300=27000-300=26700mm，端部及中部高度均取作1800mm。屋架杆件几何长度及支撑布置见下图1、图2。

图1

图2

3、荷载、内力计算及内力组合
1）永久荷载（水平投影面）
压型钢板自重
0.15×=0.151/㎡
檩条自重(约为0.5KN/m)
0.1KN/㎡
屋架及支撑自重
0.01L=0.27KN/㎡
0.151/㎡+0.1KN/㎡+0.27KN/㎡=0.521KN/㎡
2)因屋架受荷水平投影面积超过60㎡，故屋面均布活荷载取为（水平投影面）0.30KN/㎡，大于雪荷载，故不考虑雪荷载。
3)风荷载高度变化系数为1.25, 屋面迎风面为-0.6，背风面为-0.5,所以负风压的设计（垂直于屋面）为
迎风面 ω1=-1.4×0.6×1.25×0.50=-0.525KN/㎡
背风面 ω2=-1.4×0.5×1.25×0.50=-0.4375KN/㎡
ω1和ω2垂直于水平面的分力已略超过或接近于荷载分项系数取1.0时的永久荷载，帮受拉杆件在永久荷载与风荷载联合作用下将受压，但此压力很小，这里不计算风荷载产生的内力，只将所有拉杆的长细比控制在250以内。
4）上弦节点集中荷载的设计值由可变荷载效应控制的组合为:
Q=(1.2×0.521+1.4×0.27)×5×12=60.192KN
5)内力计算。跨度中央每侧各两根腹杆按压杆控制其长细比，不考虑半跨荷载作用情况，只计算全跨满载时的杆件内力。
因杆件较少，以数解法（截面法、节点法）求出各杆件内力，见图2

图2

4、杆件截面选择
腹杆最大内力N=-253.05KN，因本屋架最大内力所在节点无竖腹杆又无加劲肋加强，应将最大压力乘以1.25(等于316KN)，查《单壁式屋架节点板厚度选用表》,选用中间节点板厚度t=10mm。
1）上弦。整个上弦不改变截面，按最大内力计算。Nmax=630.15kN，==452.2cm。选用TM195×300×10×16，A=68.35㎡，=5.03cm，=7.26cm，=3.4cm。
===89.9﹤=150
===62.9﹤=150
=
其中：
（㎡）
（㎡）

由查得

2）下弦。下弦也不改变截面，按最大内力计算。

选用TW125×250×9×14，，。

3）斜腹杆。
①杆件a-2： N=+220.18kN,
选用2∟75×50×6(长肢相并)，，。

填放板放两块，。
②杆件b-2: N=-253.05kN, 。
选用2∟90×7，，。

因为:

所以:

填板放两块，。
③杆件b-3： N=+137.78kN,，
选用2∟50×5，，。
,

填板放两块，。
④杆件c-3： N=-151.86,。
选用2∟63×5，，。
,

填板放两块，。
⑤杆件c-4： N=+45.92,。
选用2∟50×5，，。
,

填板放两块，。
⑥杆件d-4： N=-50.62,，。
选用2∟63×5，，。

填板放两块，。
具体杆件截面见下表。连接垂直支撑中央竖杆采用十字形截面，其斜平面计算长度。

屋架杆件截面

杆件
名称
杆
件
号
内力
设计值
（kN）
计算长度（m）
选用
截面
截面
面积
A（㎡）
杆件
受力
类型
长细比

计算
应力（mpa）
容许长
细比
杆件端部的角钢肢背和肢尖焊缝(mm)
填板数(每节间)

上
弦
杆
a-b
-196.42

4.522

4.522
TM195×300×10×16

68.35

压杆

89.9

62.9

0.555

191.94

150

---

2
b-c
-478.89
c-d
-630.15
下弦杆
1-2
0

4.522

13.5

TW125×250×9×14

46.09

拉杆

151.2

238.5

---

144.92

350

---

1
2-3
362.78
3-4
592.34
4-5
667.95
斜腹杆
a-2
220.18
2.634
2.643
┐┌ 75×50×6
14.52
拉杆
123
134
---
151.63
350
6-130
5-100
2
b-2
-253.05
0.8X3.027
=2.4216
3.027
┐┌ 90×7
24.60
压杆
87.1
108.9

0.578
177.93
150
6-180
5-100
2
b-3
137.78
0.8X2.746
=2.196
2.746
┐┌ 50×5
9.60
拉杆
143.58
112.08
---
143.52
350
6-90
5-60
2
c-3
-151.86
0.8X3.027
=2.4216
3.027
┐┌ 63×5
15.82
压杆
97.64
83.39
0.578
95.99
150
6-110
5-60
3
c-4
45.92
0.8X2.746
=2.196
2.746
┐┌ 50×5
12.28
拉杆
113.23
92.77
---
29.02
150
6-60
5-30
3
d-4
-50.62
0.8X3.027=2.196
3.027
┐┌ 63×5
12.28
压村
124.82
102.26
0.578
41.22
150
6-50
5-30
3
竖腹杆

d-5

132.90

0.9X2000=1.620

┽50×50

9.60

拉杆

93.8

---

149.7

200

6-100
5-60

4

5、节点设计
由于上弦杆腹板厚度10mm，下弦杆腹板厚度9mm，故支座节点和中间节点的节点板厚度均取用10mm。
（1） 下弦节点“2”如图（1）

腹杆与节点的连接焊缝，a-2杆肢背及肢尖的焊脚尺寸取，则所需焊缝长度如下:
肢背 ，取130mm
肢尖 ，取100mm
腹杆b-2杆肢背及肢尖的焊脚尺寸取，则所需焊缝长度如下(注意：此杆选用的截面为等边角钢)。
肢背 ，取150mm
肢尖 ，取100mm
验算下弦杆与节点板连接焊缝，内力差，由斜腹杆焊缝决定的节点板尺寸，量得实际节点板长度是50.0cm，对接焊缝长度50.0cm（加引弧板施焊），厚度9mm。此对接焊缝承受剪力V=422kN,弯矩。
剪应力
弯曲应力 （满足要求）
（2） 上弦节点“b”如图（2）

腹杆b-2杆肢背及肢尖的焊脚尺寸取，则所需焊缝长度如下(注意：此杆选用的截面为等边角钢)。
肢背 ，取180mm
肢尖 ，取100mm
腹杆b-3杆肢背及肢尖的焊脚尺寸取，则所需焊缝长度如下(注意：此杆选用的截面为等边角钢)。
肢背 ，取100mm
肢尖 ，取60mm
由于上弦杆腹板较宽，经用大样图核实，此节点可以将腹杆直接焊在腹板上，面不必另加节点板,上弦节点“c”的构造与节点“b”类似。
腹杆c-3杆肢背及肢尖的焊脚尺寸取，则所需焊缝长度如下(注意：此杆选用的截面为等边角钢).
肢背 ，取110mm
肢尖 ，取60mm
腹杆c-4杆肢背及肢尖的焊脚尺寸取，则所需焊缝长度如下(注意：此杆选用的截面为等边角钢).
肢背 ，取60mm
肢尖 ，取30mm
（3） 屋脊节点“d”（拼接节点）如图（3）
腹杆d-4杆肢背及肢尖的焊脚尺寸取，则所需焊缝长度如下(注意：此杆选用的截面为等边角钢).
肢背 ，取50mm
肢尖 ，取30mm
腹杆d-5杆肢背及肢尖的焊脚尺寸取，则所需焊缝长度如下(注意：此杆选用的截面为等边角钢).
肢背 ，取100mm
肢尖 ，取60mm
弦杆的拼接采用水平盖板和竖向拼接板连接，水平盖板（宽340mm，厚16mm）和竖向拼接板(宽120mm，厚10mm)与T字钢弦杆的翼缘和腹板等强度连接，计算如下。
翼缘焊缝（采用）

水平盖板长:

腹板焊缝（采用）

竖向拼接板的内侧不能焊接，将其端部切斜以便施焊。竖向拼接板长L=500mm，其端部和外侧纵焊缝已超过需要的焊缝长度。
（4） 支座节点“a”如图（4）

弦杆与支座节点板的对接焊缝计算，此焊缝承受

剪应力
(满足要求)
正应力
(满足要求)
计算底板及加劲肋等.
1）底板计算
支反力 ，,所需底板面积

锚栓直径取,锚栓孔直径为，则所需底板面积

按构造要求采用底板面各，锚栓垫板采用
，孔径。底板实际应力计算如下。

，查表《轴心受压构件计算长度系数值》得,则

所需底板厚度

按构造取，底板尺寸为。
2）加劲肋与节点板连接焊缝计算
一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力取为

加劲肋高度取与支座节点板相同，厚度取与支座节点板相同，截面为
。采用，验算焊缝应力，焊缝计算长度
对V

对M

（满足要求）
3）节点板、加劲肋与底板连接焊缝计算
取，实际的焊缝总长度

焊缝设计应力
（满足要求）
4）人字形屋架施工图见下：