钢结构课程设计指导书.docx

钢结构课程设计指导书
一. 设计目的和任务
钢结构课程设计是重要的实践性教学环节，目的在于帮助学生巩固和深化钢结构基本原理和房屋钢结构设计课程的理论和知识，培养学生理论联络实际，自已动手进行设计、分析、计算和计算机绘图等钢结构设计基本技能，以培养学生的钢结构工程实践力量和创新力量。
土木工程专业钢结构课程设计的任务是培养学生分析理解设计资料；把握一般钢屋架的结构形式与布置原则；熟练把握钢屋架的荷载计算、内力计算、杆件设计和节点设计；熟练绘制钢屋架及屋架支撑布置图、钢屋架施工图；学习把握房屋钢结构设计的程序和方法；学会正确运用钢结构设计规范开展设计工作。
二. 基本内容与要求
1．熟识设计资料和相关国家设计规范
通过教师简单讲授，要求学生理解设计原始资料，熟识《建筑结构荷载规范》(gb 50009－2021)(2021年版)、《钢结构设计规范》(gb 50017－2021)和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(gb 50018－2021)等相关国家标准。
2．把握钢屋架及支撑布置的原则
通过教师简单讲解，要求学生把握钢屋架及支撑布置的原则，把握设计和绘制钢屋架及支撑布置图的方法。
3．把握钢屋架的设计计算方法和计算说明书的编写方法
通过教师详细讲解，要求学生把握钢屋架杆件内力的计算方法，屋架杆件和节点设计方法，计算说明书的编写方法。
4．绘制钢屋架施工图
通过教师详细讲解，要求学生把握钢屋架施工图的绘制方法，并绘制一张a1图幅的钢屋架施工图。
三. 设计资料及有关规定
1. 车间平面尺寸为144m×30m，柱距9m，跨度为30m，柱网采用封闭结合。车间内有两台15t/3t中级工作制软钩桥式吊车。
2. 屋面采用长尺复合屋面板，板厚50mm，檩距不大于1800mm。檩条采用冷弯薄壁斜卷边z形钢z250×75×20×2.5，屋面坡度i=l/20～l/8。
3. 钢屋架简支在钢筋混凝土柱顶上，柱顶标高9.000m，柱上端设有钢筋混凝土连系梁。
上柱截面为400mm×400mm，所用混凝土强度等级为c30，轴心抗压强度设计值fc＝14.3n/mm2。
抗风柱的柱距为6m，上端与屋架上弦用板铰连线。
4. 钢材用 q235-b，焊条用 e43系列型。
5. 屋架采用平坡梯形屋架，无天窗，形状尺寸如下图所示。根据坡度不同，分a1～a8共8种不同的腹杆布置形式，端部高度h0的有5种不同数值，一共有40种形式的屋架，编号和区别详见下表1。
a) a1
b) a2
c) a3
d) a4
e) a5
f) a6
g) a7
h) a8
图1 屋架计算简图及腹杆布置形式
表1 屋架的编号及其具体尺寸
6. 该车间建于杭州近郊。
7. 屋盖荷载标准值：
(l) 屋面活荷载0.50 kn/m2
(2) 基本雪压 s00.45 kn/m2
(3) 基本风压 w00.45 kn/m2
(4) 复合屋面板自重0.15 kn/m2
(5) 檩条自重查型钢表
(6) 屋架及支撑自重　　　　　　0.12+0. 01l kn/m2
8. 运输单元最大尺寸长度为15m，高度为4.0m。
四. 课程设计的步骤和方法
1. 确定屋架型式与尺寸，选择钢材及连线材料
(1) 计算屋架杆件几何长度，说明运输单元的划分；
给屋架的每个节点编号，一般上弦节点宜以大写英文字母a、b、c……连续编号，下弦节点或再分腹杆的中间节点宜以小写英文字母a、b、c……编号，而且上弦节点正下方的节点用相应的小写字母编号。这种编号，从字母的顺序和大小写，就可以很便利地识别节点和杆件的位置，以及杆件的型别。
(2) 计算檩条间距，布置拉条及撑杆；
长尺复合屋面板可以不考虑搭接需要，檩条最大允许间距为1800mm。另外，屋架上弦节点处一般应设檩条。
2. 屋面结构布置
(1) 合理布置屋架位置
屋架一般按等柱距(开间)布置，特别是采用有檩屋盖体系，柱距也可以不取3m或1.5m的模数，根据需要自由确定柱距(开间)。但当采用无檩体系时，由于大型钢筋混凝土屋面板的标准长度为6m，中间柱距(开间)一般取6m，为使山墙与侧墙能够封闭结合，一般车间两端的柱距(开间)采用5.
5m，将端屋架(排架或刚架)内移0.5m。
(2) 根据需要设定支撑体系
一般情况下，屋架的上弦横向支撑必须设定。
屋架下弦杆为拉杆无稳定性问题，因此当房屋的跨度和高度较大(例如跨度≥24m)、或室内有悬挂吊车，或山墙抗风柱与屋架下弦相连时，应设下弦横向支撑，否则可以不设。
下弦纵向支撑仅当房屋的跨度和高度较大、或房屋为厂房并设有壁行吊车或有较大振动装置(如锻压车间)，对房屋的整体刚度要求较高时应设定，否则可以不设。对梯形屋架，纵向支撑常设在屋架的下弦端部一个或两个节间平面内，而对三角形屋架则常设在上弦端部若干节间平面内，具体节间数由支撑斜腹杆与屋架弦杆之间的夹角在25°～65°确定。
垂直支撑在任何屋盖系统内一般必须设定。对跨度l≤30m的梯形屋架和跨度l≤24m的三角形屋架，通常只在跨度中点设定一道中间垂直支撑；当跨度大于上述情况时，则需在跨度中间设定两道垂直支撑。此外，在梯形屋架两端则不论跨度大小均需设定垂直支撑。
垂直支撑只设在有横向支撑的同一柱间的屋架上，不设垂直支撑的其它柱间的屋架上、下弦相应点间设纵向系杆与之相连。
刚性或柔性系杆的设定：屋脊处，当跨度较大的屋架两端的上弦端节点，天窗架立柱处的屋架上弦节点、垂直支撑的上弦节点处均应设定刚性系杆。在有檩屋盖中，屋架上弦平面的系杆可用檩条兼充，但对兼充刚性系杆的檩条长细比应满足λ≤200。
上弦支撑其它节点处、不设横向支撑的其它屋架在垂直支撑下弦节点处设定柔性系杆即可。
(2) 将钢屋架统一编号。
3. 杆件内力计算
(1) 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) 全跨屋架支撑自重+半跨屋面结构材料+半跨施工荷载。
按荷载规范规定，可变荷载取屋面活荷载和雪荷载中的大者设计。
(2) 按上述三种组合计算节点荷载设计值。其中第1)种荷载组合确定弦杆和腹杆的轴力，第2)和3)种荷载组合可能会影响屋架跨中部分腹杆的最不利轴力。对于轻型屋面，应留意计算在风吸力作用下屋架的内力，考虑下弦杆可能的内力变号问题；
(3) 采用结构力学中介绍的各种计算方法、力学计算手册或结构力学求解器等计算软件计算杆件内力；
(4) 上弦杆承受节间荷载的，可用接近似法计算上弦杆的区域性弯矩。
4. 屋架节点板厚度确定，杆件截面选择和填板设定
(1) 节点板的厚度确定
根据支座斜杆(三角形屋架为上弦杆端节间)内力确定支座节点板和其它节点板的厚度，一般支座节点板较其它节点板厚2mm；
(2) 杆件截面选择
1) 杆件的计算长度
① 在桁架平面内
规范规定弦杆和支座斜杆(支座竖杆)在桁架平面内的计算长度均取l0x=l，即取μx＝1.0，l为节点中心间的杆件长度；单系腹杆(即无中间节点的腹杆)，其取l0x=0.8l，但对两端不用节点板连线的腹杆，则仍应取l0x=l。
② 在桁架平面外
弦杆在桁架平面外的计算长度取其侧向支承点的距离，侧向支承点取横向支撑或垂直支撑的节点及与其用系杆相连的各个节点。全部腹杆在桁架平面外的计算长度都等于其几何长度，即l0y＝l。
桁架弦杆、再分式腹杆的受压主斜杆和k形腹杆体系的竖杆在桁架平面外侧向支承点的间距为节间长度的2倍、两节间的轴心压力有变化时，规范规定计算长度按下式计算
式中，l1为两节间的长度，n1为两节间中的较大压力；n2为两节间中的较小压力(或拉力，对拉力应取负值)。当桁架上弦杆的侧向支承节点间距为三节间时，计算长度取侧向支承点的距离，l0y＝l1。
③ 在斜平面内
单角钢截面和双角钢组成十字截面的腹杆，屈曲将发生在与桁架平面斜交的平面内，规范规定不在支座处的此类腹杆，其计算长度可取l0=0.9l，对支座竖杆则取l0＝l。
2) 杆件截面形式
屋架杆件的截面形式常采用双角钢组合组成的t形截面或十字形截面，对内力很小的杆件，可以采用单角钢。十字形截面一般选用两等边角钢组成，在桁架平面内和平面外的计算长度相同，主要用于跨中的竖腹杆，有时也用于梯形屋架的端竖杆。双角钢组成的t形截面一种是用两等边角钢组成的，还有两种是用两不等边角钢分别将两长边相连(并)或两短边相连(并)组成的。
一般应该根据等稳条件λx≈λy来确定选择合理的双角钢组合截面形式，即一般应选l0y/l0x和三种组合t形截面的iy/ix值最接近的，当l0y/l0x介于两种组合t形截面的iy/ix值之间，应同时选这两种t形截面设计，最后取用钢量较小者；若弦杆存在区域性弯矩，则应将屋架平面的肢(与节点板相连的肢)宽适当加大(长肢相连的不等边角钢除外)。

8