钢结构例题.doc

河北大学建筑工程学院2011级土木工程 何凯博

本科生课程设计

题目： 普通人字形钢屋架课程设计

学 院 建筑工程学院
专 业 土木工程
学 号 2011450019
姓 名 何凯博
指导教师 杜二霞

2014年 6月 12 日

简单人字形屋架设计

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，H型钢或焊接工字钢檀条（间距3-6m）；
2、屋架间距（柱距）为12m；
3、屋面离地面高度约为15m。
4、荷载
（1）压型钢板：0.11-0.15KN/㎡；
（2）檩条：0.11KN/㎡；
（3）屋架及支撑自重：gk=(0.12+0.11L)KN/㎡，L为屋架的标志跨度（m）；
（4）风荷载为0.45KN/㎡和雪荷载为0.3KN/㎡，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
已知条件是人字形钢屋架跨度30m，地点在沈阳，屋面坡度为1：10，屋架间距为12m，厂房长度为60m，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。车间跨度30m，柱距为12m，屋面采用长尺寸压型钢板，轧制H型钢檩条，水平间距为5m,基本风压为0.45 KN/㎡,雪荷载为0.5KN/㎡积灰荷载标准值0.4 KN/㎡，注意屋面活荷载和雪荷载不同时考虑。钢材采用Q235-B焊条为E43型。
2、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：0.10KN/㎡
屋架及支撑自重
G=0.12+0.011*l=0.45KN/㎡
恒载：0.701 KN/㎡
2)屋面活荷载标准值为0.5 KN/㎡
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=-1.4×0.6×1.25×0.45=-0.473KN/㎡
背风面 ω2=-1.4×0.5×1.25×0.45=-0.394KN/㎡
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=(1.2×0.701+1.4×（0.5+0.4）)×5×6=63.036KN
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1
数解法求解内力系数
1.求1-1截面的内力系数
由 0.5×2360×2000×sin84.3=0.5×2939×h
得h=1598
由 ∑M=0 即F2h2+F3h=0
得1598F3+1990F2=0
由 ∑Y=F2sin 5.7-F3sin36.9+0.5+3=0
得F2=6F3+25
求得F2=-2.952 F3=3.676
注意 拉为正，压为负
2.求2-2截面的内力系数
由 ∑M=0 得3×4850-0.5×4850-F1×1990=0
得F1=6.093
由 ∑Y=2.952×sin 5.7+F3y-F1y+0.5-3=0
得F3cosarcsin2500/3364-6.093×sin 5.7+2.952× sin5.7=2.5
得F3=-4.203
内力系数和荷载组合
杆件编号
内力系数
活荷载
恒载
积灰荷载
杆件内力
a-b
-2.952
0.5
0.701
0.4
-186.082
b-c
-8.000
0.5
0.701
0.4
-504.288
c-d
-10.513
0.5
0.701
0.4
-662.697
1-2
0.000
0.5
0.701
0.4
0.000
2-3
6.093
0.5
0.701
0.4
384.078
3-4
9.879
0.5
0.701
0.4
622.733
4-5
11.139
0.5
0.701
0.4
702.158
a-2
3.676
0.5
0.701
0.4
231.720
b-2
-4.203
0.5
0.701
0.4
-264.940
b-3
2.296
0.5
0.701
0.4
144.731
c-3
-2.527
0.5
0.701
0.4
-159.292
c-4
0.766
0.5
0.701
0.4
48.286
d-4
-0.843
0.5
0.701
0.4
-53.139
d-5
2.217
0.5
0.701
0.4
139.751

4、杆件截面选择
腹杆最大内力N=-264.94KN，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331.2KN)，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=-662.7kN，==502.5.5cm。选用TM195×300×10×16，A=68.35㎡，=5.03cm，=7.26cm，=3.4cm。
===99.9﹤=150
===69.2﹤=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。
杆件a-2： N=231.7N,。
选用2∟75×50×5(长肢相并)，，。

填放板放两块，。
杆件b-2: N=-264.9kN, ，。
选用2∟90×7，，。

因为:

所以:

填板放两块，。
杆件b-3： N=+144.7,，。
选用2∟50×5，，。

填板放两块，。
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
号
计算长度（m）
选用
截面
截面
面积
A（㎡）
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)

a-b

5.025

5.025
TM195×300×10×16

68.37

99.9

69.2
(72.2)

0.555
174.9

150

---

2
b-c
c-d
1-2

5.025

5.025

TW125×250×9×14

46.09

151

238.5

---
152.6

250

---

1
2-3
3-4
4-5
a-2
2.939
2.939
2∟ 75×50×5
12.25
123
134
---
189.5
250
6-140
5-90
2
b-2
2.691
3.364
2∟ 90×7
24.60
91.1
82.7
(87.3)
0.578
186.8
150
6-150
5-100
2
b-3
2.442
3.052
2∟ 50×5
9.60
150
124.6
---
150.8
250
6-90
5-60
2
c-3
2.961
3.364
2∟80×5
15.82
102
92.7
(99.1)
0.502
200.5
150
6-100
5-60
3
c-4
2.442
3.052
2∟ 63×5
12.28
119
103.1
---
39.3
150
6-60
5-60
3
d-4
2.691
3.364
2∟ 63×5
12.28
130
113.6
(117)
0.352
122.9
150
6-60
5-60
3

d-5

1.800

2∟50×5

9.60

93.8

---

145.5

200

6-90
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（3）
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140mm
肢尖 ，取90mm
腹杆b-2杆肢背6-150及肢尖5-100。
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=384.4kN,
弯矩。
剪应力
弯曲应力 （满足要求）
（2）上弦节点“b”
此上弦节点连接b-2和b-3两根腹杆，经计算，b-2杆端焊缝为：肢背6-150，肢尖5-100，而b-3杆端焊缝为：肢背6-90，肢尖5-60.由于上弦腹板较宽，经用大样图核实，此节点可以将腹杆直接焊接在腹板上，而不必另加节点板。
（3）屋脊节点“d”（拼接节点）如图（5）
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（6）
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：