钢结构设计原理课程设计----大学毕业设计论文.doc

淮 阴 工 学 院

课程实训

课程名称： 钢结构设计原理
专业层次： 土木工程（卓越）
班 级： 土木1134班
姓 名： 马惠冬
学 号： 1131401223
指导老师： 顾文虎、刘慧

2 0 1 5 年 1 1 月

1、设计资料
1）某厂房跨度为24m，总长90m，柱距6m，屋架下弦标高为18m。
2）屋架铰支于钢筋混凝土柱顶，上柱截面400×400，混凝土强度等级为C30。
3）屋面采用1.5×6m的预应力钢筋混凝土大型屋面板（屋面板不考虑作为支撑用）。
4）该车间所属地区西安。
5）采用梯形钢屋架。
考虑静载：①预应力钢筋混凝土屋面板（包括嵌缝）1400N/m2
②二毡三油防水层 400N/m2
③20mm厚水泥砂浆找平 400N/m2
④支撑重量70N/m2
考虑活载：活载 700N/m2
6）钢材选用Q345钢，焊条为E50型。
2、屋架形式和几何尺寸
屋面材料为大型屋面板，故采用无檩体系平破梯形屋架。
屋面坡度 i=1/10；
屋架计算跨度L0＝24000－300＝23700mm；
端部高度取H=1990mm，中部高度取H=3190mm（为L0/7.4）。
屋架几何尺寸如图1所示：

图1：24米跨屋架几何尺寸
三、支撑布置
由于房屋长度有6米，故在房屋两端及中间设置上、下横向水平支撑和屋架两端及跨中三处设置垂直支撑。其他屋架则在垂直支撑处分别于上、下弦设置三道系杆，其中屋脊和两支座处为刚性系杆，其余三道为柔性系杆。

4、设计屋架荷载
屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。由于风荷载为0.35kN/m2 小于0.49kN/m2，故不考虑风荷载的影响。沿屋面分布的永久荷载乘以1/cosα=√1+102/10=1.005换算为沿水平投影面分布的荷载。桁架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（=0.12+0.011跨度）计算，跨度单位为m。
标准永久荷载：
二毡三油防水层 1.005x0.40=0.402kN/m2
20mm厚水泥砂浆找平层 1.005x0.4=0.402kN/m2
预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝） 1.005x 1.4=1.407kN/m2
屋架和支撑自重为 0.07+0.12+0.011x24=0.454kN/m2
保温层 1.005x1=1.005N/m2
_____________________________
共 3.67 kN/m2
标准可变荷载：
屋面活荷载 0.7kN/m2 _____________________________
共 0.7 kN/m2

考虑以下三种荷载组合
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 全跨桁架、天窗架和支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载
（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载效应控制的组合）
全跨节点荷载设计值：
F=(1.35x 3.67kN/m2+1.4x 0.7x0.7kN/m2 )x 1.5m X 6m=50.7645kN
（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载
全跨永久荷载设计值：
对结构不利时：
F1,1=1.35x3.67x1.5x6=44.5905KN（按永久荷载效应控制的组合）
F1,2=1.2x3.67x1.5x6=39.636KN（按可变荷载效应控制的组合）
对结构有利时：F1,3=1.0x3.67x1.5x6=33.03KN
半跨可变荷载设计值：
F2,1=1.4x(0.7x0.7)x1.5x6=6.174KN(按永久荷载为主的组合)
F2,2=1.4x0.7x1.5x6=8.82KN(按可变荷载为主的组合)
（3）全跨桁架包括支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载（按可变荷载效应控制的组合）
全跨节点桁架自重设计值：
对结构不利时：F3,1=1.2x0.454x1.5x6=4.9032KN
对结构有利时：F3,2=1.0x0.454x1.5x6=4.086KN
半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：

5、屋架杆件内力计算
用图解法先求出全垮和半跨单位节点荷载作用下的杆件内力系数，然后乘以实际的节点荷载，屋架在上述第一种荷载组合作用下，屋架的弦杆、竖杆和靠近两端的斜腹杆，内力均达到最大，在第二种和第三种荷载作用下，靠跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生变号。因此，在全垮荷载作用下所有杆件的内力均应计算，而在半跨荷载作用下仅需计算靠近跨中的斜腹杆内力。

图1：24米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值
图2：24米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值

计算结果列于下表：
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
F1×①+F2×②
F1×①+F2×③
F3×①+F4×②
F3×①+F4×③
最大压力
最大拉力
上弦
AB
0
0
0
0
0
0
0
0
0

BD
-8.72
-6.25
-2.47
-442.666
-443.954
-410.615
-185.255
-94.762
-443.954

DF
-13.53
-9.04
-4.49
-686.844
-683.042
-642.911
-271.701
-162.774
-686.844

FH
-15.26
-9.17
-6.09
-774.666
-761.330
-734.165
-281.882
-208.147
-774.666

下弦
ac
4.73
3.48
1.25
240.116
241.607
221.938
102.638
49.252

241.607
ce
11.53
8.0
3.53
585.315
584.688
545.263
238.632
131.620

585.315
eg
14.65
9.34
5.31
743.700
735.630
700.085
283.460
186.981

743.700
斜腹杆
aB
-8.87
-6.53
-2.34
-450.281
-453.112
-416.157
-192.571
-92.262
-453.112

Bc
6.88
4.76
2.12
349.260
348.766
325.481
142.066
78.864

349.260
Dc
-5.44
-3.14
-2.03
-276.159
-270.267
-260.477
-97.399
-70.826
-276.159

De
3.70
1.9
1.8
187.829
181.743
180.861
60.604
58.210

187.829
Fe
-2.46
0.71
-1.75
-124.881
-103.430
-125.128
6.946
-51.947
-125.128
6.946
Fg
1.11
-0.45
1.56
56.349
45.526
63.255
-6.238
41.882
-6.238
63.255
Hg
0.02
1.55
-1.53
1.015
14.563
-12.603
37.189
-36.546
-36.546
37.189
竖杆
Aa
-0.5
-0.5
0
-25.382
-26.705
-22.295
-14.013
-2.043
-26.705

Cc
-1
-1
0
-50.765
-53.411
-44.591
-28.026
-4.086
-53.411

Ee
-1
-1
0
-50.765
-53.411
-44.591
-28.026
-4.086
-53.411

Gg
-1
1
0
-50.765
-53.411
-44.591
-28.026
-4.086
-53.411

6、杆件截面选择
⑴上弦杆
整个上弦杆采用等截面，按FH杆件的最大内力计算，即NFH=-774.666kN，
上弦杆计算长度：
在屋架平面内：为节间轴线长度，即l0x = l0=1.508m，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l0y 为支撑点间的距离，即l0y =3×1.508=4.524m
根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并。如图所示。
腹杆最大内力N= 349.260KN，查表9.6.4(书336页），中间节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。
设λ＝60，查Q235钢的稳定系数表，可得ψ＝0.807，则需要的截面积为A=N/ψf=774.666×1000/0.807×215=4464.80505 mm2
需要的回转半径：ixreq=l0x /λ＝1.508/ 60m=25.1mm
iyreq=l0y /λ＝4.524/ 60m=75.4mm
根据需要的A、ix 、iy 查角钢规格表，选用2 L 160×100×12，肢背间距a＝10mm，则
A = 60.11cm2，ix = 2.82cm，iy = 7.75cm，b1/t=160cm/12cm=13.33,按所选角钢进行验算：
截面验算：
λx=l0x / ix=150.8/2.82=53.475＜［λ］＝150 （满足）
因为截面为单轴对称，所以要换算长细比，用λyz代替λy
λyz=3.7=3.7×
=53.543<=150

截面在x和y平面皆属b类，由于λx <λyz ，只需求ψy。查附表4.2（书上407页）,
由于λyz√fy/235=53.543,ψy=0.840，则
N /ψA=-774.666×103 /( 0.840×60.11×102）=-153.422N/mm2﹤f=215 N/mm2（满足）
⑵下弦杆
整个下弦杆采用等截面，按最大内力所在的杆计算，Neg=743.700kN计算。l0x=300cm，l0y= 1485cm。
所需截面积Areq=N / f =743.700×103 /215 =3459.1mm2
查角钢规格表，选用2 L160×100×10，因l0y 》l0x，故用不等肢角钢，短肢相并。
肢背间距a＝10mm，则
A = 50.63cm2，ix = 2.846cm，iy = 7.70cm
λx=l0x / ix=300 / 2.846=105.411＜＝350 (满足)
λy=l0y / iy=1485 /7.70=192.857＜=350 (满足)

⑶端斜杆
aB杆
杆件轴力：N= -453.112kN，
计算长度：l0x ＝l0y＝2535mm，因为l0x ＝l0y ，故用不等肢角钢，长肢相并，使ix≈iy 。 选用2L 140×90×10，则A=44.52cm2，ix=4.47cm，iy=3.74cm,b2/t=90/10=9
λx=l0x / ix=2535 /44.7 =56.711
因为b2/t=9<0.48loy/b2=13.52
所以 λyz=λy（1+）==75.324<=150
因为λy>λx，只需求ψy ，查表得ψy = 0.764。
N /ψA = -453.112 /（0.764×44.52×102 ）=-133.216N/mm2﹤f=215 N/mm2（满足）
(4) 腹杆
①Bc
杆件轴力：N= 349.260kN，
计算长度：l0x ＝208.64cm,l0y＝260.8cm， 选用2L 70×8，则A=21.4cm2，ix=2.12cm，iy=3.23cm,b/t=70/8=8.75
λx=l0x / ix=208.64 /2.12=98.415
因为b/t=8.75<0.58loy/b=0.58×2608/70mm=21.609
所以 λyz=λy（1+）==82.858<=350
因为λx>λyz，只需求ψx ，查表得ψx= 0.565。
N /ψA = 34926/（0.565×21.4×102 ）=28.886N/mm2﹤f=215 N/mm2（满足）
Bc杆截面（2L 70×8）
②Dc
杆件轴力：N= -276.159kN，
计算长度：l0x ＝228.72cm,l0y＝285.9cm， 选用2L 70×8，则A=21.4cm2，ix=2.12cm，iy=3.23cm,b/t=70/8=8.75
λx=l0x / ix=228.72 /2.12=107.887
因为b/t=8.75<0.58loy/b=0.58×2859/70mm=23.689
所以 λyzλy（1+）==90.444<=150
因为λx>λyz，只需求ψx ，查表得ψx= 0.506。
N /ψA =- 27615.9/（0.506×21.4×102 ）=25.503N/mm2﹤f=215 N/mm2（满足）
Dc杆截面（2L 70×8）

③De
杆件轴力：N= 187.829kN，
计算长度：l0x ＝228.72cm,l0y＝285.9cm， 选用2L 70×8，则A=21.4cm2，ix=2.12cm，iy=3.23cm,b/t=70/8=8.75
λx=l0x / ix=228.72 /2.12=107.887
因为b/t=8.75<0.58loy/b=0.58×2859/70mm=23.689
所以 λyz=λy（1+）==90.444<=350
因为λx>λyz，只需求ψx ，查表得ψx= 0.506。
N /ψA =18782.9/（0.506×21.4×102 ）=17.350N/mm2﹤f=215 N/mm2（满足）
De杆截面（2L 70×8）
④eF
杆件轴力：N=-126.128kN，
计算长度：l0x ＝250.32cm,l0y＝312.9cm， 选用2L 63×5，则A=12.28cm2，ix=1.94cm，iy=2.89cm,b/t=63/5=12.6
λx=l0x / ix=250.32 /1.94=129.031
因为b/t=12.6<0.58loy/b=0.58×3129/63mm=28.81
所以 λyz=λy（1+）==111.580<=150
因为λx>λyz，只需求ψx ，查表得ψx= 0.392。
N /ψA =-12612.8/（0.392×12.28×102 ）=-26.202N/mm2﹤f=215 N/mm2（满足）
eF杆截面

⑤Fg
杆件轴力：N=-6.238kN，
计算长度：l0x ＝249.52cm,l0y＝311.9cm， 选用2L 63×5，则A=12.28cm2，ix=1.94cm，iy=2.89cm,b/t=63/5=126
λx=l0x / ix=249.52 /1.94=128.619
因为b/t=8.75<0.58loy/b=0.58×3119/63mm=28.714
所以 λyz=λy（1+）==111.244<=150
因为λx>λyz，只需求ψx ，查表得ψx= 0.394。
N /ψA =-623.8/（0.394×12.28×102 ）=-1.289N/mm2﹤f=215 N/mm2（满足）
Fg杆截面

⑥gH
杆件轴力：N=-36.546kN，
计算长度：l0x ＝271.68cm,l0y＝339.6cm， 选用2L 70×8，则A=12.28cm2，ix=1.94cm，iy=2.89cm,b/t=63/5=12.6
λx=l0x / ix=271.68 /1.94=140.041
因为b/t=8.75<0.58loy/b=0.58×3396/63mm=31.265
所以 λyz=λy（1+）==120.558<=150
因为λx>λyz，只需求ψx ，查表得ψx= 0.394。
N /ψA =-3654.6/（0.394×12.28×102 ）=-7.553N/mm2﹤f=215 N/mm2（满足）
gH杆截面

(5)竖杆
① Cc杆
NCc= -53.411kN， l0x ＝0.8×229＝183.2cm，l0y＝l=229cm
宜按压杆的容许长细比进行控制。
内力较小，按[λ]＝150选择，需要的回转半径为：
ix==1.22cm; iy==1.53cm
查型钢表，选ix,iy较上述计算的ix,iy略大些
现选用2 ∟ 63×5，查附表8，A＝2×6.14=12.28cm2，ix＝1.94cm，iy=2.89cm，a=8mm,b/t=63mm/5mm=12.6
λx=l0x / ix=183.2 /1.94=94.433 ＜ [ λ] ＝150 (满足)
因为 b/t=12.6<0.58loy/b=0.58×2890mm/63mm=26.61
所以 λyz=λy==83.761< [ λ] ＝150
由于λx>λyz,，查表的ψx=0.592
N /ψA=-53411/(0.592×12.28×102)=-73.470N/mm2cm; iy==1.73cm
查型钢表，选ix,iy较上述计算的ix,iy略大些
现选用2 ∟ 63×5，查附表8，A＝2×6.14=12.28cm2，ix＝1.94cm，iy=2.89cm，a=8mm,b/t=63mm/5mm=12.6
λx=l0x / ix=207.2 /1.94=106.804 ＜ [ λ] ＝150 (满足)
因为 b/t=12.6<0.58loy/b=0.58×2890mm/63mm=26.61
所以 λyz=λy==93.618< [ λ] ＝150
由于λx>λyz,，查表的ψx=0.510
N /ψA=-53411/(0.510×12.28×102)=-85.283N/mm25，查附表8，A＝2×6.14=12.28cm2，ix＝1.94cm，iy=2.89cm，a=8mm,b/t=63mm/5mm=12.6
λx=l0x / ix=231.2 /1.94=119.175 ＜ [ λ] ＝150 (满足)
因为 b/t=12.6<0.58loy/b=0.58×2890mm/63mm=26.61
所以 λyz=λy==103.583< [ λ] ＝150
由于λx>λyz,，查表的ψx=0.443
N /ψA=-53411/(0.443×12.28×102)=-98.181N/mm2垫板，ld＝231.2/4=57.8＜40i＝40×2.89＝115.6cm（i为2.89cm）

④Aa杆
NAa= -26.705KN, l0x ＝l0y=199cm,
选用2 ∟ 63×5，查附表，A＝2×6.14=12.28cm2，ix＝1.94cm，iy=2.89cm，a=8mm,b/t=63mm/5mm=12.6

λx=l0x / ix=199 /1.94=102.577＜ [ λ] ＝150 (满足)
因为 b/t=12.6<0.58loy/b=0.58×2890mm/63mm=26.61
所以 λyz=λy==74.062< [ λ] ＝150
由于λx>λyz,，查表的ψx=0.538
N /ψA=-26705/(0.538×12.28×102)=-40.421N/mm2比[λ]
稳定系数Ψmin
计算应力（N/mm2）
l0x
l0y
ix
iy
λx
λy λyz
上弦杆
FH
-774.666
150.8
452.4
2L160×100×12
60.11
2.82
7.75
53.475
53.543
150
0.840
-153.422
下弦
eg
743.700
300
1485
2L160×100×10
50.63
2.846
7.70
105.411
192.857
350

斜杆
aB
-453.112
253.5
253.5
2L140×90×10
44.52
4.47
3.74
56.711
75.324
150
0.764
-133.216
Bc
349.260
208.64
260.8
2L70×8
21.4
2.12
3.23
98.415
82.858
350
0.565
28.886
Dc
-276.159
228.72
285.9
2L70×8
21.4
2.12
3.23
107.887
90.444
150
0.506
-25.503
De
187.829
228.72
285.9
2L70×8
21.4
2.12
3.23
107.887
90.444
350
0.506
17.350
eF
-126.128
250.32
312.9
2L63×5
12.28
1.94
2.89
129.031
111.580
150
0.392
-26.202
Fg
-6.238
249.52
311.9
2L63×5
12.28
1.94
2.89
128.619
111.244
150
0.394
-1.289
gH
-36.546
271.68
339.6
2L63×5
12.28
1.94
2.89
140.041
120.558
150
0.345
-7.533
竖杆
Aa
-26.705
199
199
2L63×5
12.28
1.94
2.89
102.577
74.062
150
0.538
-40.421
Cc
-53.411
183.2
229
2L63×5
12.28
1.94
2.89
94.433
83.761
150
0.592
-73.470
Ee
-53.411
207.2
259
2L63×5
12.28
1.94
2.89
106.804
93.618
150
0.510
-85.283
Gg
-53.441
231.2
289
2L63×5
12.28
1.94
2.89
119.175
103.583
150
0.443
-98.181
屋架杆件截面选择表
注：上弦杆和下弦杆采用的是不等肢角钢短肢相并的T型截面形式，支座斜杆杆采用的是不等肢角钢短肢相并的T型截面形式

7、节点设计
在确定节点板的形状和尺寸时，需要斜腹杆与节点板间连接焊缝的长度。先算出各腹杆杆端需要的焊缝尺寸。其计算公式为：
角钢肢背所需焊缝长度：
角钢肢尖所需焊缝长度：
如腹杆aB，设计杆力N＝-453.112kN，设肢背与肢尖的焊脚尺寸各为hf1＝8mm，hf2＝6mm。因aB杆系不等边，角钢与长肢相连，故K1＝2/3，K2＝1/3。则：
l1＝(0.667×453.112×103)/(2×0.7×8×160)+2×8=185mm 取l1＝180mm
l2＝(0.333×453.112×103)/(2×0.7×6×160)+12=124mm 取l2＝120mm
如腹杆BC，设计杆力N＝-276.159kN， hf≥==4.24,hf≤1.2t=1.2×8=9.6,所以选肢背与肢尖的焊脚尺寸各为hf1＝6mm，hf2＝5mm。因aB杆系不等边，角钢与长肢相连，故K1＝2/3，K2＝1/3。则：
l1＝(0.667×276.159×103)/(2×0.7×6×160)+2×6=137mm 取l1＝140mm
l2＝(0.333×276.159×103)/(2×0.7×5×160)+10=92mm 取l2＝90mm
如腹杆CD,设计杆力N＝187.829kN，hf≥==4.24,hf≤1.2t=1.2×8=9.6,所以选肢背与肢尖的焊脚尺寸各为hf1＝6mm，hf2＝5mm。因CD杆系不等边，角钢与长肢相连，故K1＝2/3，K2＝1/3。则：
l1＝(0.667×187.829×103)/(2×0.7×6×160)+2×6=105mm 取l1＝110mm
l2＝(0.333×187.829×103)/(2×0.7×5×160)+10=66mm 取l2＝70mm
如腹杆De，设计杆力N＝-126.128kN，hf≥==4.24,hf≤1.2t=1.2×8=9.6,所以选肢背与肢尖的焊脚尺寸各为hf1＝6mm，hf2＝5mm。因De杆系不等边，角钢与长肢相连，故K1＝2/3，K2＝1/3。则：
l1＝(0.667×126.128×103)/(2×0.7×6×160)+2×6=75mm 取l1＝80mm
l2＝(0.333×126.128×103)/(2×0.7×5×160)+10=48mm 取l2＝50mm

其它腹杆所需焊缝长度的计算结果见下表。未列入表中的腹杆均因杆力很小，可按构造取肢尖: hf≥mm，l1＝8hf+10＝8×5+10＝50 mm
肢背：hf＝6mm, l2＝8hf+10＝8×6+10=58mm,取l2＝60 mm
腹杆焊缝尺寸：

杆件 名称
设计内力（kN）
肢背焊缝
肢尖焊缝
l1（mm）
hf（mm）
l2（mm）
hf（mm）
aB
-453.112
180
8
120
6
Bc
349.260
140
6
90
5
cD
-276.159
110
6
70
5
De
187.829
80
6
50
5
表中1l、12为取整后数值
1、下弦节点“c”
按表3所列Bc、cD杆所需焊缝