钢结构课程设计任务书-吴颜玉打字

钢屋架设计

钢结构课程设计例题

－、设计资料

某一单层单跨工业长房。厂房总长度为120m，柱距6m，跨度为27m。车间内设有两台中级工作制桥式吊车。该地区冬季最低温度为－20℃。

屋面采用1.5m×6.0m预应力大型屋面板，屋面坡度为i=1:10。上铺120mm厚泡沫混凝土保温层和三毡四油防水层等。屋面活荷载标准值为0.6kN/㎡，雪荷载标准值为0.75kN/㎡，积灰荷载标准值为0.5kN/㎡。

屋架采用梯形钢屋架，其两端铰支于钢劲混凝土柱上。柱头截面为400mm×400mm，所用混凝土强度等级为C20。

根据该地区的温度及荷载性质，钢材采用Q235―A―F，其设计强度f=215kN/㎡,焊条采用E43型，手工焊接。构件采用钢板及热轧钢劲，构件与支撑的连接用M20普通螺栓。

屋架的计算跨度：Lo=27000－2×150=26700mm，端部高度：h=2000mm（轴线处），h=2015mm（计算跨度处）。

二、结构形式与布置

屋架形式及几何尺寸见图1所示。

图1 屋架形式及几何尺寸

1

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屋架支撑布置见图2所示。

符号说明：GWJ-（钢屋架）；SC-（上弦支撑）：XC-（下弦支撑）；

2

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CC-（垂直支撑）；GG-（刚性系杆）；LG-（柔性系杆） 图2 屋架支撑布置图 三、荷载与内力计算 1.荷载计算

荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的活荷载计算。 永久荷载标准值

放水层（三毡四油上铺小石子） 0.35kN/㎡ 找平层（20mm厚水泥砂浆） 0.02×20=0.40kN/㎡ 保温层（120mm厚泡沫混凝土） 0.12*6=0.70kN/㎡ 预应力混凝土大型屋面板 1.40kN/㎡ 钢屋架和支撑自重 0.12+0.011×27=0.417kN/㎡ 管道设备自重 0.10 kN/㎡

总计 3.387kN/㎡

可变荷载标准值

雪荷载 0.75kN/㎡ 积灰荷载 0.50kN/㎡

总计 1.25kN/㎡

永久荷载设计值 1.2×3.387=4.0644 kN/㎡（由可变荷载控制） 可变荷载设计值 1.4×1.25=1.75kN/㎡ 2.荷载组合

设计屋架时，应考虑以下三种组合：

组合一 全跨永久荷载+全跨可变荷载

屋架上弦节点荷载 P=(4.0644+1.75) ×1.5×6=52.3296 kN 组合二 全跨永久荷载+半跨可变荷载

屋架上弦节点荷载 P1=4.0644×1.5×6=36.59 kN P2=1.75×1.5×6=15.75 kN 组合三 全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面活荷载 屋架上弦节点荷载 P3=0.417×1.2×1.5×6=4.5 kN

P4=(1.4×1.2+0.75×1.4) ×1.5×6=24.57 kN 3.内力计算

本设计采用程序计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数，见表1。 由表内三种组合可见：组合一，对杆件计算主要起控制作用；组合三，可能引起中间几根斜腹杆发生内力变号。如果施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设面板，则可避免内力变号而不用组合三。

3

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屋架杆件内力组合表 表1杆件名称ABBCDDEEFGGHIJa-bb-cc-dd-eAaBaBbCbDbDcEcE1c1F1G1GdHdH2I2J2dJe 全跨⑴左半跨⑵右半跨⑶0.00-11.11-17.89-18.47-20.145.9314.9421.0818.25-0.50-11.168.96-1.00-7.445.48-1.500.73-4.56-1.00-3.76-2.260.000.000.002.690.000.00-8.01-12.26-12.84-12.194.3710.5213.489.80-0.50-8.226.29-1.00-4.883.21-1.500.73-1.78-1.00-0.98-2.930.000.000.003.500.000.00-3.74-6.79-6.79-9.441.895.339.169.800.00-3.543.210.00-3.082.730.000.00-3.350.00-3.350.510.000.000.00-0.610.00P×⑴0.00-616.38-992.54-1024.72-1117.37329.00828.871169.521012.51-27.74-619.16497.10-55.48-412.77304.03-83.2240.50-252.99-55.48-208.60-125.380.000.000.00149.240.00P1×⑴＋P2×⑵P1×⑴＋P2×⑶0.00-557.79-886.13-918.31-967.11299.51745.331025.88852.81-27.74-563.59446.64-55.48-364.39261.13-83.2240.50-200.45-55.48-156.06-138.050.000.000.00164.550.000.00-477.09-782.75-803.96-915.14252.64647.24944.23852.81-18.29-475.14388.43-36.58-330.37252.06-54.8726.70-230.12-36.58-200.86-73.030.000.000.0086.870.00P3×⑴＋P4×⑵0.00-246.80-381.73-398.59-390.14134.06325.71426.06322.91-14.54-252.19194.87-29.07-153.38103.53-43.6121.22-64.25-29.07-41.00-82.160.000.000.0098.100.00P3×⑴＋P4×⑶0.00-141.89-247.34-249.95-322.5773.12198.19319.92322.91-2.25-137.20119.19-4.50-109.1691.74-6.753.29-102.83-4.50-99.232.360.000.000.00-2.880.00计算内力(KN)0.00-616.38-992.54-1024.72-1117.37329.00828.871169.521012.51-27.74-619.16497.10-55.48-412.77304.03-83.2240.50-252.99-55.48-208.602.36 -138.050.00-156.060.00164.55 -2.880.00注：表内负责表示压力；正值表示拉力

图3 屋架接点图

4

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四、杆件截面设计

腹杆最大内力，N=-619.16KN，由屋架节点板厚度参考可知：支座节点板刚度取14mm；其余节点板与垫板厚度取12mm。 1.上弦杆

整个上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算，N=-1117.37KN 计算长度： 屋架平面内取节间轴线长度lOx=150.8cm

屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面板能起一定的支撑作用，取

上弦横向水平支撑的节间长度：

因为2lOx≈

lOylOy=3000cm

，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并，见图4

图 4 上弦截面

设=60，查轴心受力稳定系数表，=0.807 需要截面积A =

*N.flox=

1117.37100.8072153=6440mm

2需要回转半径=

iy*ix*150860=2.51 cm

=

lox300060*=5.00 cm

ix*根据需要的A、、 查角钢型钢表，初选 2 L 16010014，A=6940mm，

ix=2.80cm

iy*2，iy =7.86m。

按所选角钢进行验算

x=

loxix=

150.82.8=52.9＜[λ]=150

5

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y=

loy300i=

y7.86=38＜[λ]=150

由于b1/t160/1411.4＞0.56loy/b10.563000/16010.5

则：yz3.7b1(1l2oyt2t52.7b4)3.7161.4(130021.4252.7164)44.4＜[λ]=150

由于 xyzy，只需求出minx，查轴心受力稳定系数表，x＝0.8384

N.37103mm22xA11170.83846940=192N/<215 N/mm 所选截面合适。

2 .下弦杆

整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=1169.52kN 计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度lOx=4500mm

屋架平面外根据支撑布置取lOy=13350mm

计算需要净截面面积A*=

N1032f1169.52215=5439.6mm

选用 2 L1409014（短肢相并），见图5。

图 5 下弦截面 A=6940mm2，

ix=2.51cm，iy=6.93cm。

按所选角钢进行截面验算，取AnA

（若螺栓孔中心至节点板边缘距离大于100mm，则可不计截面削弱影响）

N1169.52103An6100=191.7 N/mm2<215 N/mm2

6

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x=loxi450x2.51=179.3<[ ]=250

y=

loyi1335]=350 所选截面满足要求。

y6.93192.6<[3. 端斜杆Ba

已知N＝-619.16kN，lOx＝lOy＝253.9cm

因为lOx＝

lOy，故采用等肢角钢，使ix＝iy

选用角钢2 L 10012,见图6

图 6 端斜杆Ba A＝4560mm2，ix＝3.03cm，

iy＝4.64cm

截面刚度和稳定验算

x= loxi253.9x3.03=83.8<[ ]=150

y=

loyi253.9 ]=150

y4.64=54.7<[由于b/t10/1.283.30.58loy/b0.58253.9/10=14.73 0.475b44yzy(1l2)54.7(10.47510253.921.22)57.5

oyt2minx0.6624

N619.16103<215 N/mm2 所选截面满足要求。

xA0.66244560205N/mm2填板放两块，a=84.6 cm＜40ix=40×3.03=121.2 cm

7

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4. 斜杆Bb

已知N=497.1kN

计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度lOx=0.8×l=0.8×2622=2097.6mm 屋架平面外根据支撑布置取

lOy=2622mm

选用 2 L1006，见图7。

图 7 斜杆Bb

A=2386mm2， ix=3.10cm，iy=4.44cm。

N497.110322A2368=208.34 N/mm<215 N/mm

x=

lox209.76ix3.10=67.7<[ ]=350

y=

loy2i262. 所选截面满足要求。

y4.4459.1<[]=350 填板放两块，a=87.4cm＜80ix=80×3.10=248cm 5.再分腹杆c1G

N1Nc1=-252.991kN， N2NG1=-208.6kN，

1=4174 mm

计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度

lOx=0.8×l=0.8×2087=1669.6mm

屋架平面外根据支撑布置取

lOy=1（0.75+0.25

N1N）=4174（0.75+0.25

252.992208.6）=4396mm

选用 2 L1006，见图8。

8

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图 8 再分腹杆c1G 图 9 中竖杆Je

A=2386mm2，

ix=3.10cm，iy=4.44cm。

x=loxi166.963.10=53.9<[ ]=350

x y=

loy6i439.y4.4499<[]=350

由于b/t10/0.616.70.58loy/b0.58439.6/10=25.5

0.475b44yzy(1l2t2)99(10.47510439.620.62)105.8

oyminyz0.5182

N252.991032yzA0.51282386204.6N/mm<215 N/mm2所选截面满足要求

填板放两块，a=109.9cm＜40ix=40×3.10=124cm 6.中竖杆Je

已知N＝0，l00.9l＝0.9 335＝301.5cm

中间竖杆选用2 L756的角钢，并采用十字形截面，见图9 A=17.6cm2,ix02.45 cm,

looxi301.5 ]=150 所选截面满足要求

x02.91=103.6<[填板放五块，a=60.3cm＜40ix0=40×2.45=98cm

其余各杆件截面选择过程不一一列出，计算结果见表2

9

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杆件 名称 上弦杆 下弦杆 Aa Ba Bb Cb Db Dc Ec E1 F1 c1 G1 Gd Hd H2 I2 J2-d2 Je 内力 设计值N （KN） -1117.37 1169.5 -27.74 -619.16 497.1 -55.48 -412.77 304.03 -83.22 40.50 -55.48 -252.99 -208.6 2.36 -138.05 0.00 0.00 0.00 164.55 -2.88 0.00 计算长度（cm） l0x l0y 截面积 选用截面 短肢相并2L160*100*14 短肢相并2L140*90*14 T型截面2L50*5 T型截面2L100*12 T型截面2L100*6 T型截面2L50*5 T型截面2L100*12 T型截面2L75*6 T型截面2L75*6 T型截面2L50*5 T型截面2L50*5 T型截面2L100*6 T型截面2L75*6 T型截面2L75*6 T型截面2L50*5 T型截面2L50*5 T型截面2L75*6 十字型截面2L75*6 A（cm2） 69.4 61 17.6 45.6 23.86 9.6 45.6 17.6 17.6 9.6 9.6 23.86 17.6 17.6 9.6 9.6 17.6 17.6 回转半径（cm） ix iy 计算应力max [λ] 150 350 150 150 350 150 150 350 150 350 150 150 150 250 150 150 150 350 150 150 min （N/mm2） -192 191.7 -41.5 -205 208.3 -136.1 -125.7 172.7 -82.9 42.21 -75.7 -204.6 1.34 -165.7 0.00 0.00 0.00 93.5 -4.2 0.00 填板 (块) 2（3） 1（2） 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 2 2 2 150.8 450 201.5 253.9 209.76 184 229.84 229.84 208 151.2 104 166.96 261.2 244 162.8 137.25 179.92 301.5 300 1335 201.5 253.9 262.2 230 287.3 287.3 260 189 130 439.6 326.5 305 203.5 152.5 449.8 301.5 2.80 2.51 1.53 3.03 3.10 1.53 3.03 2.31 2.31 1.53 1.53 3.10 2.31 2.31 1.53 1.53 2.31 imin7.86 6.93 2.53 4.64 4.44 2.53 4.46 3.53 3.53 2.53 2.53 4.44 3.53 3.53 2.53 2.53 3.53 imin53.9 179.3 131.7 83.8 67.7 120.3 75.9 99.5 97.7 98.8 68 105.8 113 105 106.4 79.7 129.6 103.6 0.8384 / 0.3795 0.6624 / 0.6624 0.7146 / 0.5701 / 0.763 0.5182 / 0.475 0.523 0.514 0.688 / 0.688 / =2.91 =2.91 10

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五、节点设计

用E43焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值 fw2f160N/mm 各杆件内力由表2查得，最小焊缝长度不应小于8hf 1. 下弦节点b见图10

图 10 下弦节点b

（1） 斜杆Bb与节点的连接焊缝计算： N=497.1kN

设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为：

2497.1103肢背：lw320.76160 +12=285.6mm，取lw＝270mm

1497.1103肢尖：l`w320.75160 +10=158mm，取l`w＝170mm

（2） 斜杆Db与节点的连接焊缝计算：

N=412.77kN

设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为

2421.77103肢背：lw320.76160 +12=216.7，取lw＝250mm

1412.77103肢尖：l`w320.75160 +10=132.8，取l`w＝150mm

（3）竖杆Cb与节点板连接焊缝计算：N = 55.48kN

因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸hf=5mm 焊缝长度lw40mm，取lw=60mm

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钢屋架设计

（4）下弦杆与节点板连接焊缝计算：焊缝受力为左右下弦杆的内力差

△N=1828.87-329＝499.87KN，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm，所需焊缝长度为：

2肢背：

lw320.761601499.87103499.87103+12=260，取lw＝300mm

肢尖：l`w320.76160` +12=136，取lw＝150mm

（5）节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制

作装配等误差，按比列作出构造详图，从而定出节点尺寸。如图11所示

图 11 节点板b尺寸

2 .上弦节点B

图12 上弦节点B

（1）斜杆Bb与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b中Bb杆计算相同。 （2）斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，N=619.16kN。

设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为10mm和6mm。所需焊缝长度为

2肢背：

lw320.710160619.16103+20=184.27，取lw＝200mm

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1619.196103` +12=165.6，取lw＝180mm

肢尖：l`w320.76160（3）上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，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。

假定集中荷载P由槽焊缝承受，P=55.3296kN，焊脚尺寸为5mm 所需槽焊缝长度为:

lP52.3296103w20.7hffw+10=

f20.75160+10=59.51mm ,取lw=65mm

上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差 △N=619.38-0.0＝619.38kN 偏心距 e =100-24.3＝75.7mm

设肢尖焊脚尺寸8mm，设需焊缝长度为480mm，则

N103f616.32helw20.78(48016)118.6N/mm2

M6619.3810368.8fW2116.1N/mm2

F20.78(48016)

(f226221.22)(f)(118.1.22)116.12150.1N/mm160N/mm2

（4）节点板尺寸：方法同前，如图13所示

图 13 节点板B尺寸

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3 .屋脊节点J见图14

图14 屋脊节点J

（1） 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，

为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力计算。

N=1117.37KN，设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为

lwN40.7hffwf161117.3710320.7816016327.8mm，取lw=375mm

拼接角钢长度取2375+50＝800mm

（2）弦杆与节点板的连接焊缝计算：上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载

上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15%计算。N=1117.3715%＝1167.6kN，设焊脚尺寸为8mm，弦杆一侧焊缝长度为250 mm，

fN2helw167.610320.78(25016)64N/mm2

fMWFf6167.61068.820.78(25016)232124.1N/mm2

22

(1.22)(2f)(124.11.22)6422120.2N/mm160N/mm

（3）中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=0kN

此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸hf=5mm 焊缝长度lw40mm，取lw=60mm

（4）斜杆J2与节点板连接焊缝的计算

N=164.55KN，设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm，所需焊缝长度为：

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钢屋架设计

2164.55103肢背：lw31281.6mm20.761601164.55103，取lw=100 mm

肢尖：l`w31050mm20.75160`，取焊缝长度lw=60mm

（4）节点板尺寸：方法同前，如图15所示

图 15 节点板J尺寸

4 .下弦跨中节点e见图16

图 16 下弦跨中节点e

（1）弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：拼接角钢与下弦杆截面相同，传递内力N=1012.51kN

设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm，则需焊缝长度为

lwN40.7hffwf161012.5110320.7816016298.5mm，取lw=300mm

拼接角钢长度不小于2300+12=612mm

（2）弦杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力的15%计算。

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钢屋架设计

设肢背、肢尖焊脚尺寸为6mm，弦杆一侧需焊缝长度为

N1012.5115%151.9kN2肢背：lw31287.4mm20.761601151.9103151.9103，取lw=90mm

肢尖l`w31249.6mm20.76160`：，按构造要求，取焊缝长度lw 48mm，

取l`w =60mm

（4）节点板尺寸：方法同前，如图17所示

图 17 节点板e尺寸

5 .端部支座节点a

图18 支座节点a

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钢屋架设计

（1）为便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的距离一般不小于下弦伸出肢的宽度，故可取为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同，厚度同端部节点板为14mm。 支座底板计算：支座反力

R52.329618.90.5252.3296/2552.01kN

取加劲肋的宽度为80mm，考虑底板上开孔，按构造要求取底板尺寸为280mm

400mm，偏安全地取有加劲肋部份的底板承受支座反力，则承压面积为

Ac280(28012)59920mm2

验算柱顶混凝土的抗压强度：

RAn552.01105992039.2N/mm2fc9.6N/mm2 (满足)

底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算,节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两边支承而另两块相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为 M22

式中--------底板下的平均应力， =9.2N/mm

2--------两边支承对角线长， 2=22(14014/2)100166.4mm

2--------系数，由b2/2决定。b2为两边支承的焦点到对角线2的垂直距离。由

相似三角形的关系，得

b2/2b2140100166.4=84.1mm

=0.46 ，查表得＝0.0576

2M=0.05769.2166.4＝14672.9Nmm

底板厚度

6M/f614672.9/215=20.2mm, 取t=25mm

（2） 加劲肋与节点板的连接焊缝计算：偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座

反力的1/4，则焊缝受力

V552.01104313810N33

6

MVe1381045.76.55510N.mm

设焊缝尺寸为6mm，焊缝长度210mm，

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钢屋架设计

N2heflw13810320.76(21016)663.72N/mm2

fMWF64.931020.76(20016)66.555106293.57N/mm2

3(f1.22)(2f)2(1.2220.761982)(21381020.76198)128.3N/mm22160N/mm2

加劲肋高度不小于210mm即可

（3）节点板加劲肋与底板的连接焊缝计算：设底板连接焊缝传递全部支座反力R=552.01kN

节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度:

lw2(30016)4(1001620)824mm

设焊缝尺寸8mm，验算焊缝应力

fR1.22helw552.011031.220.7882498.055N/mm2，满足要求

（4）下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算：

①竖杆与节点板的连接焊缝计算： N=26.33KN，焊缝尺寸可按构造确定，焊脚尺寸hf5mm，焊缝长度lw40mm。 ① 斜杆Ba与节点板连接焊缝计算，同上

`肢背：lw=170mm，肢尖：lw＝140mm

② 下弦杆与节点板连接焊缝计算：

N=244.3KN，设焊缝尺寸8mm，需要焊缝长度为

2肢背：lw31`3肢尖：lw244.310320.76160101.8110312133.18mm，取lw=140mm

20.761601237.25mm`，lw＝80mm

六、施工图（见施工图纸）

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