完整钢结构课程设计.doc

抚顺职业技术学院 建筑工程教研室
钢结构课程设计任务书
一、设计资料
某地一机械加工车间，长84m，跨度24m，柱距6m，车间内设有两台40/10T中级工作制桥式吊车，轨顶标高18.5m，柱顶标高27m，地震设计烈度7度。采用梯形钢屋架，封闭结合，1.5×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板（1.4KN/m2），上铺100mm厚泡沫混凝土保温层（容重为1KN/m3），三毡四油（上铺绿豆砂）防水层（0.4KN/m2），找平层2cm厚（0.3KN/m2），卷材屋面，屋面坡度i=1/10，屋架简支于钢筋混凝土柱上，混凝土强度等级C20，上柱截面400×400mm。钢材选用Q235B，焊条采用E43型。屋面活荷载标准值0.7KN/m2，积灰荷载标准值0.6KN/m2，雪荷载及风荷载见下表，各位同学依次按学号尾数进行选取。

KN/

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9
活载
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
基本雪压
0.30
0.75
0.10
0.20
0.45
0.50
0.25
0.35
0.50
0.40
基本风压
0.35
0.60
0.25
0.55
0.30
0.50
0.60
0.45
0.65
0.50

二、设计成果要求
在教师指导下，能根据设计任务书的要求，搜集有关资料，熟悉并应用有关规范、标准和图集，独立完成课程设计任务书（指导书）规定的全部内容。
1）需提交完整的设计计算书和梯形钢屋架施工图。
2）梯形钢屋架设计要求：经济合理，技术先进，施工方便。
3）设计计算书要求：计算依据充分、文理通顺、计算结果正确、书写工整、数字准确、图文并茂，统一用A4纸书写（手写）。
A、按步骤设计计算，各设计计算步骤应表达清楚，写出计算表达式及必要的计算过程，对数据的选取应写明判断依据。
B、计算过程中，必须配以相应的计算简图。
C、对计算结果进行复核后，为保证施工质量且方便施工，应按规范要求对计算结果进行调整并写明依据。
4）梯形钢屋架施工图共两张，图纸绘制的要求：布图合理，版面整齐，图线清晰，标注规范，符合规范/图集要求。
钢结构课程设计指导书

1.设计资料：
（1）略
（2）屋架计算跨度
（3）跨中及端部高度：设计为无檩屋盖方案，采用平坡梯形屋架，端部高度中部高度（为），屋架跨中起拱考虑，取48m.
2.结构形式与布置
屋架形式及几何尺寸如图所示：

图1.梯形钢屋架形式和几何尺寸

根据厂房长度（102m>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，该水平支撑的规格与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，在各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一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置如图下图所示：

屋架上弦支撑布置图

屋架下弦支撑布置图

3.荷载计算
屋面和荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准值进行计算。故取屋面活荷载0.7kN/进行计算。
屋面风荷载
迎风面
背风面
由于屋面坡度较小，对荷载影响小，未予考虑。风荷载对屋面为吸力，重屋架不考虑。
表 1 荷 载 计 算 表
荷载名称
标准值（kN/）
设计值（kN/）
预应力混凝土大型屋面板
1.4
1.4×1.35＝1.89
三毡四油防水层（上铺绿豆沙）
0.4
0.4×1.35＝0.54
找平层（厚2cm）
0.3
0.3×1.35＝0.405
10cm厚泡沫混凝土保温层
1×0.1＝0.1
0.1×1.35＝0.35
屋架和支撑自重
0.12+0.011×24=0.384
0.384×1.35＝0.5184
永久荷载总和
2.684
3.6234
屋面活荷载
0.7
0.7×1.4＝0.98
积灰荷载
0.6
0.6×1.4＝0.84
可变荷载总和
1.3
1.82

设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：
3.1.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：

3.2.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：

3.3.全跨屋架（包括支撑）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载:
全跨节点屋架自重：

半跨节点屋面板自重及活荷载：

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图所示：

屋架计算简图
由图解法或数解法解得F＝1的屋架各杆件的内力系数（F＝1作用于全跨、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，计算结果见表2

屋 架 构 件 内 力 组 合 表

杆件名称

内力系数（F=1）

第一种组合
F×①

第二种组合

第三种组合

计算杆件内力（KN）
全跨①
左半跨②
右半跨③
×①+×②
×+×③
×①﹢×②
×①﹢×③

上
弦
AB
BC、CD
DE、EF
FG
GH、HI
0
-9.08
-14.02
-15.75
-16.29
0
-6.83
-9.96
-10.26
-10.80
0
-2.90
-5.24
-7.08
-7.08
0
-444.81
-686.83
-771.55
-797.89
0
-407.96
-620.28
-681.65
-707.98
0
-332.75
-523.42
-603.05
-620.60
0
-200.99
-296.66
-311.79
-326.77
0
-94.83
-160.18
-201.49
-204.02
0
-444.81
-686.83
-771.55
-797.89

下
弦
Ab
bc
cd
de

4.94
11.97
15.14
15.12
3.80
8.77
10.35
8.52
1.47
4.12
6.18
8.52
242.18
586.45
741.86
740.81
223.52
534.05
663.36
632.62
179.77
442.52
571.94
600.78

111.42
259.58
311.05
268.37
49.63
130.47
182.43
224.58
242.18
586.45
741.86
740.81

斜
腹
杆
aB
Bb
bD
Dc
cF
Fd
dR
RI
RG
-8.98
6.93
-5.45
3.68
-2.42
1.07
0.79
1.56
0.70
-6.91
5.07
-3.67
2.11
-0.90
-0.29
2.43
3.20
0.70
-2.67
2.40
-2.30
2.02
-1.96
1.75
-2.12
-2.12
0
-440.06
339.58
-267.24
180.33
-118.64
52.49
38.68
76.41
34.13
-406.16
306.07
-238.00
154.62
-93.71
30.25
65.60
103.33
34.11
-326.66
256.41
-206.98
145.62
-103.78
57.07
-1.04
24.07
22.73
-202.47
150.06
-110.69
66.22
-27.80
-1.64
60.19
81.66
19.40
-90.19
75.79
-67.08
53.77
-46.78
36.65
-34.63
-31.03
3.28
-440.06
339.58
-267.24
180.33
-118.64
52.49,-1.64
65.60,-34.63
103.33,-31.03
34.13

竖
杆
Aa
Cb、Ec
Gd
HR
Ie
-0.50
-1.00
-1.50
-1.00
0
-0.50
-1.00
-1.49
-1.00
0
0
0
0
0
0
-24.50
-48.92
-73.47
-48.99
0
-24.50
-48.80
-73.46
-48.99
0
-16.31
-32.56
-48.91
-32.61
0

-13.95
-27.86
-41.81
-27.89
0
-2.34
-4.64
-7.02
-4.67
0
-24.50
-48.92
-73.47
-48.99
0

5.杆件设计
（1）上弦杆
整个上弦采用等截面，按GH,HI杆件的最大内力设计，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，本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据支持布置和内力变化情况，取为支撑点间的距离，即
根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦杆截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。如下图所示。

（同学自己在此附图）
腹杆最大内力 ，由屋架节点板厚度参考可知：中间节点板与垫板厚度取10mm,支座节点板刚度取12mm。
设 ， 查Q235钢的稳定系数表，可得 （由双角钢组成的T形和十字形截面均属于b类），则需要的截面积为
需要回转半径： ，
根据需要A，，查角钢规格表，选用 ，肢背间距a= ，则： ， ，
按所选角钢进行验算：

<[]=150, （b类）
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比
<=
则== ， ， ＜
故所选截面满足要求。
填板每个节间放一块（满足范围内不少于两块），尺寸取 则
间距 <40i= ，取 。
（2）下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的杆计算。 ， ， ，所需截面积为：
选用 ，因≥，故用不等肢角钢，短肢相并，如下图。
， ，
＜350， ＜350
<215MP
故所选截面满足要求。
填板每个节间放一块，尺寸取 ，则
间距 <80i= ，取 。
（3）斜腹杆
①端斜杆aB：
杆件轴力
计算长度
因，故采用不等肢角钢，长肢相并，使。
选用 ，肢背间距a= ，则： ， ，
按所选角钢进行验算：

<[]=150
双角钢T型截面绕对称轴(y)轴应按扭曲计算长细比
<,
则=（1+）=
故由 ，b类， ，
＜
故所选截面满足要求。
填板放两块，尺寸取 ，则
间距 <40i= ，取 。
②杆件dR-RI（其它杆件计算过程略，请同学独立完成，补充在计算书中）
③ 杆件Bb
④杆件bD
⑤杆件Dc
⑥杆件cF
⑦杆件RG
（4）竖杆
①杆件Aa
杆件轴力
计算长度 ，
由于杆件内力较小，按选择，需要回转半径为
，
选用 ，查角钢规格表得
， ，
<150， <150
>， ， ＜
所选截面满足要求。
填板放两块，尺寸取 ，则
间距 <40i= ，取 。
②杆件HR（其它杆件计算过程略，请同学独立完成，补充在计算书中）
③杆件Cb
④杆件Ec
⑤杆件Gd

10

表3 屋 架 杆 件 截 面 选 择 表

名称

杆件编号

内力/kN
计算长度/cm

截面规格
截面面积/
回转半径/cm
长细比

容许长细比
稳定系数
计算应力

上弦
GH、HI
-797.89

下弦
cd
741.86

腹

杆
Aa
-24.50

aB
-440.06

Bb
339.58

Cb
-48.92

bD
-267.24

Dc
180.33

Ec
-48.92

cF
-118.64

Fd
52.49

Gd
-73.47

dR
65.60
-34.63

RI
103.3
-31.0

RG
34.13

HR
-48.99

Ie
0

6.节点设计
1.下弦设计
（1）下弦节点b
已知采用用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 。

下弦节点“b”（此处附图）
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
<160MP,焊缝强度满足要求。
（2）下弦节点c（其它节点计算过程略，请同学独立完成，补充在计算书中）
（3）下旋节点d
(4)下弦节点e
2.上弦设计
（1）上弦节点“B”
已知：
设“aB”杆的肢背和肢尖焊缝，则所需的焊缝长度为（按不等肢角钢短肢连接的角焊缝内力分配系数计算）：
肢背： ，取170。
肢尖： ，取140。
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8mm。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。上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得到：

肢尖焊缝承担弦杆内力差Δ ，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载 。
上弦与节点板间焊缝长度为 ，则 ，
<160MP
节点如图:

上弦节点“B” （此处附图）
（2）上弦节点“D” （其它节点计算过程略，请同学独立完成，补充在计算书中）
（3）上弦节点“F”
（4）上弦节点“G”
（5）上弦节点“C”
（6）上弦节点“E”
（7）上弦节点“H”
（8）上弦节点“A”
（9）上弦节点“R”
3.屋脊节点K
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密合，并便于施焊，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 。
上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15％计算，并考虑此力产生的弯矩。设肢尖焊缝，取节点板长度为 ，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为

焊缝应力为：

<160MP
设“dI”、“Id”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 。
因屋架的跨度很大，需将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拼接，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。节点形式如图:

屋脊节点“K” （此处附图）
4支座设计：
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板的净距离取160mm。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12mm。
（1）支座底板的计算：
支座反力：
采用对C20，的钢筋混凝土柱，锚栓直径取25mm，锚栓孔直径取2倍的锚栓直径，即50mm。
支座底板的面积A：A≥锚栓孔缺口面积=
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，。
支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：

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：
，取t＝ ,
所以底板尺寸为 。
（2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算
一个加肋的连焊缝风所承受的内力取为
,M=Ve= ,
加劲肋高度、厚度取与中间节点板相同。采用，验算焊缝应力：
对V:

对M:

应力验算:
<160MP,
（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 ，节点板传递 。
节点板与底板的连接焊缝长度 ，所需焊脚尺寸为
，取。
每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为

所需焊缝尺寸

所以取。
节点如图：

支座节点“a” （此处附图）
下弦与节点板连接的焊缝长度为 ，。焊缝所受的力 ，受力较大的肢背处的焊缝应力为
<
焊缝强度满足要求。
14