梯形钢结构设计

1、课 程 设 计 说 明 书课程名称： 钢 结 构 设计题目： 钢屋架设计 院 系： 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2012年12月 日课 程 设 计 任 务 书设计题目梯形钢屋架课程设计学生姓名所在院系专业、年级、班设计要求：1.计算书内容包括：选题（屋架形式）、选择钢材、选择焊接方法及焊条型号、荷载计算及内力组合、杆件截面设计、屋架节点设计。2.施工图（用CAD绘制或手绘）绘制与屋盖支撑相关联的钢屋架施工图，图面内容：屋架索引图（画在图面左上角）比例：1：100-1：150屋架正面图（画对称的半榀）比例：1：20或1：30或自定上、下弦杆俯视图 比例：1：10或1：15必要的

2、剖面图（端竖杆、中竖杆、托架及垂直支撑连接处）屋架支座详图及零件详图、施工图说明、标题栏（写明题目、指导教师、姓名、班级、日期）学生应完成的工作：1.设计计算书一份；2.绘制与屋盖支撑相关联的钢屋架施工图（1号图纸）一张；3.图纸应叠成计算书一般大小，与计算书装订后上交。参考文献阅读：1.戴国欣主编.钢结构（第3版）M.武汉：武汉理工大学出版社，2011.1.2.张耀春主编.钢结构设计原理M.北京：高等教育出版社，2004.8.3.唐岱新，孙伟民主编.高等学校建筑工程专业课程设计指导M. 北京：中国建筑工业出版社，2002.6.4.陈志华编著.建筑钢结构设计M. 天津：天津大学出版社，2004

3、.3.5.周俐俐，姚勇等编著.土木工程专业 钢结构课程设计指南M. 北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社，2007.5. 工作计划： 12月10号-12月12号：计算杆件内力以及杆件截面设计和节点的设计。 12月13号-12月15号：绘制钢屋架的施工图。 12月16号：对所做的工作等进行校对，看是否有错误的地方。任务下达日期： 2012年12月7日任务完成日期： 2012年12月16日指导教师（签名）： 学生（签名）： 梯形钢屋架课程设计摘 要：为了让同学们更好的学习钢结构这门课程，加深对知识的理解和掌握，提高同学们的动手能力，学校组织了这次关于钢结构的课程设计。设计的主要内容是对钢屋架的

4、设计，钢屋架分三角形钢屋架和梯形钢屋架。通过对杆件内力的计算、杆件截面的设计、节点的设计以及对杆件的选用，从而设计出所需要的钢屋架，然后画出施工图。通过这次课程设计，我们更加深刻的理解了这门课程，从中学到了很多有用的知识，同时也认识到了这门课程的重要性。关键词： 梯形 钢屋架 荷载 杆件 节点 内力目 录1 设计背景 11.1 设计资料 11.2 屋架形式 12 设计方案 23 方案实施 33.1 荷载与内力计算 33.2 杆件截面设计 53.3 节点设计 94 结果与结论 175 收获与致谢 185.1 收获 185.2 致谢 186 参考文献 197 附件 201 设计背景1.1 设计资料

5、厂房长度90m，檐口高度15m。厂房为单层单跨结构，内设有两台中级工作制桥式吊车。拟设计钢屋架，简支于钢筋混凝土柱上，柱的混凝土强度等级为C20。柱顶截面尺寸为400mm。钢屋架设计可不考虑抗震设防。 厂房柱距选择：6m 采用1.5m×6m的预应力混凝土大型屋面板，屋面板与钢屋架采用三点焊接。2）屋架屋面做法及荷载取值（荷载标准值）：永久荷载：防水层（三毡四油上铺小石子） 0.35kN/m2 找平层（20mm厚水泥砂浆） 0.0220= 0.40kN/m2 保温层（泡沫混凝土）：厚40mm 0.25kN/mm2 钢屋架及支撑重： (0.12+0.011跨度) kN/m2 可变荷载：雪

6、荷载 0.50kN/m2 屋面活荷载 0.50 kN/m2 积灰荷载 0.50 kN/m2 注：以上数值均为水平投影值； 1.2 屋架形式 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2 设计方案屋架支撑3 方案实施3.1 荷载与内力计算1.荷载计算 屋面可变荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的可变荷载计算。永久荷载标准值 防水层(三毡四油上铺小石子) 找平层(厚水泥砂浆) 保温层(厚泡沫混凝土) 预应力混凝土大型屋面板 钢屋架和支撑自重 管道设备自重 0.10 总计 可变荷载标准值 屋面可变荷载 积灰荷载 总计 永久荷载设计值 可变荷载设计值 2.荷载组合设计屋架时,应考虑

7、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组合二:全跨永久荷载+半跨可变荷载屋架上弦节点荷载 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 3.内力计算本设计采用图解法计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数，见表1。表1 屋架杆件内力组合表杆件名称内力系数组合一组合二组合三计算内力（kN）全跨左半跨右半跨P×××××××××上弦杆AB0.000.000.000.000.000.000.00BCD-8.72-6.25-2.47-381.06-349

8、.94 -302.31-169.63 -88.66-381.06DEF-13.51-9.03-4.48-590.39-533.94 -476.61-248.81 -151.35-590.39FGH-15.23-9.16-6.08-665.55 -589.07 -550.26-258.65 -192.68 -665.55HJ-14.75-7.37-7.37-644.58-551.59 -551.59-218.34 -218.34-644.58下弦杆ab4.953.651.31216.32199.94 170.4598.48 48.36216.32bc11.517.993.52502.99458.

9、64 402.31218.34 122.59502.99cd14.629.325.29638.89572.11 521.34259.58 173.25638.89de15.158.436.72662.06577.38 555.84 242.69 206.06662.06斜腹杆Ba-8.99-6.61-2.37-392.86-362.88 -309.45-178.45 -87.62 -392.86Bb6.754.672.08294.98268.77 236.1353.77 72.23294.98Db-5.43-3.40-2.03-237.29-211.71 194.45-95.09 -65.75

10、-237.29Dc3.701.901.80161.69139.01 137.7555.87 53.73161.69Fc-2.46-0.71-1.75-107.50-85.45 -98.56-25.29 -47.57-107.50Fd1.12-0.451.5748.9429.16 54.61-5.05 38.2254.61杆件名称内力系数组合一组合二组合三计算内力（kN）全跨左半跨右半跨P×××××××××斜腹杆Hd0.021.55-1.530.8720.15 -18.6633.28 -32.6933.28

11、He-1.08-2.471.39-47.20-64.71 -16.07-57.34 25.35-64.71竖杆Aa-0.50-0.500.00-21.85-21.85 -15.55-12.76 -2.05-21.85Cb-1.00-1.000.00-43.70-43.70 -31.10-21.42 -4.10-43.70Ec-1.00-1.000.00-43.70-43.70 -31.10-21.42 -4.10-43.70Gd-1.00-1.000.00-43.70-43.70 -31.10-21.42 -4.10-43.70Je1.930.970.9784.3472.25 72.2528.

12、69 28.6984.34注：表内负值表示压力;正值表示拉力。 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。但如果施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设屋面板，则可避免内力变号而不用组合三。3.2 杆件截面设计腹杆最大内力，N=392.86kN(压)，由屋架节点板厚度参考表可知：支座节点板厚度取12mm；其余节点板与垫板厚度取10mm。1.上弦杆整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=665.55kN（压）计算长度 屋架平面内取节间轴线长度 屋架平面外根据支撑和内力变化取因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并，上弦杆截面见图3。图3

13、上弦截面设，查轴心受力稳定系数表，需要截面积需要回转半径 根据 查角钢型钢表，选用2，,。按所选角钢进行验算： 满足刚度要求。由于，只需求出，查轴心受力稳定系数表， 所选截面合适。2.下弦杆整个下弦杆采用用同一截面，按最大内力计算，N=662.06kN(拉)计算长度：屋架平面内取节间轴线长度，屋架平面外根据支撑布置取计算需要净截面面积 选用2（短肢相并），A=3198，。下弦杆截面见图4。图4 下弦截面按所选角钢进行截面验算，取所选截面满足要求。3.端斜杆aB已知N=392.86kN（压），因为，故采用不等肢角钢，长肢相并，使，选用角钢2，。端斜杆截面见图5。图5 端斜杆截面截面验算 所选截面

14、满足要求。4.中竖杆Je已知 N=84.34kN（拉） 根据螺栓排列要求，中间竖杆最小应选用2（）的角钢，并采用十字形截面，见图6。图6 中竖杆截面 查表得所选截面满足要求。其余各杆件截面选择过程不一一列出，计算结果见表2。表2 杆件截面选择表杆件内力kN截面规格面积 计算长度回转半径长细比应力名称编号上弦-665.552140×90×1044.52150.8301.62.566.7758.911500.818-182.76下弦662.062125×80×831.983006002.296.07131.0350207.02斜腹杆Ba-392.86长肢相并

15、2125×80×831.98254.34.013.2777.771500.702-175.00Bb294.98T形截面280×618.80209.3261.62.473.6584.74350156.90Db-237.29T形截面290×621.27230.2287.82.794.0582.511500.672-166.01Dc161.69T形截面263×512.29229.4286.71.942.97118.2350131.56Fc-107.50T形截面280×618.80251.0313.82.473.65101.61500.546

16、-104.73Fd54.61T形截面263×512.29250.2312.71.942.97129.015044.43Hd33.28T形截面263×512.29272.4340.51.942.97140.415027.08He-64.71T形截面263×512.29271.4339.31.942.97139.91500.345-152.62竖杆Aa-21.85T形截面263×512.29180.01.942.9792.781500.602-29.53Cb-43.70T形截面256×510.83184.0230.01.722.69107.0150

17、0.511-78.96Ec-43.70T形截面256×510.83208.0260.01.722.69120.91500.432-93.40Gd-43.70T形截面256×510.83232.0290.01.722.69134.91500.365-110.55Je84.34十字形截面263×512.29288.0=2.45117.615068.623.3 节点设计用E43焊条时，角焊缝的抗拉、抗压、抗剪强度设计值各杆内力由表1查得。最小焊缝长度不应小于8。1下弦节点b（见图7）图7 下弦节点“b”（1）斜杆Bb与节点板连接焊缝计算：N=294.98kN设肢背与肢尖

18、的焊脚尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为：肢背：，取=170mm肢尖：，取=90mm（2）斜杆Db与节点板的连接焊缝的计算：N=237.29kN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm和5mm。所需焊缝长度为 肢背 ，取 肢尖 ，取(3) 竖杆Cb与节点板连接焊缝计算：N=43.7kN因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸 ，焊缝长度 。（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，设肢背与肢尖的焊角尺寸为6mm。所需焊缝长度为： 肢背 ，取 肢尖 ，取（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，按比例作出构造详图，从而定出节点

19、板尺寸。本设计确定节点板尺寸可在施工图中完成，校核各焊缝长度不应小于计算所需的焊缝长度。2. 上弦节点B（见图8） 图8 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=392.86kN。设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为10mm和6mm。所需焊缝长度 肢背 ，取 肢尖 ，取 （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。设焊角尺寸为6mm。 假定集中

20、荷载P由槽焊缝承受，P=43.7kN 所需槽焊缝长度为 取上弦肢尖焊缝受力为左右上弦弦杆的内力差 设肢尖焊脚尺寸8mm，需焊缝长度为410mm ,则上弦肢尖角焊缝的剪应力为：（4）节点板尺寸：方法同前，在施工图上确定。3.屋脊节点J（见图9）图9 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=644.58kN设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm。则需焊缝长度为取 拼接角钢长度取（2）弦杆与节点板的连接焊缝计算：

21、上弦肢背与节点板用槽焊缝，假设承受节点荷载，验算从略。上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15%计算。 N=644.58×15%=96.69kN, 设焊脚尺寸为8mm，弦杆一侧焊缝长度为200mm。（3）中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=43.7kN 此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸焊缝长度4、下弦跨中节点e（见图10）图10 下弦节点“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，传递弦杆内力N=662.06kN设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm。则需焊缝长度为取拼接角钢长度不小于(2)弦杆与节点板连接焊缝计算:按下弦杆内力的15%计算。设肢背、肢尖焊

22、脚尺寸为6mm，弦杆一侧需焊缝长度为肢背 取肢尖 按构造要求（3）腹杆与节点板连接焊缝计算，计算过程省略（内力较小可按构造要求设计）5.端部支座节点a（见图11）图11 支座节点“a”为便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板间的距离一般不应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12mm。（1） 支座底板计算：支座反力取加劲肋的宽度为80mm，考虑底板上开孔，按构造要求去底板尺寸为。偏安全地取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： （满足）底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算，节点板

23、和加劲肋将底板分成四块，每块板为两边支承而另两边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为 式中 底板下的平均应力， 两支承边对角线长，系数，由决定。为两支承边的交点到对角线的垂直距离。由相似三角形的关系，得 查表得故底板厚度 取（2）加劲肋于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，则焊缝受力设焊脚尺寸为5mm，焊缝长度210mm，则焊缝应力为（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节点板、加劲肋与底板的连接焊缝总长度设焊脚尺寸为8mm，验算焊缝应力（4）下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算：杆件与节点板

24、的计算同前，计算过程从略。4 结果与结论通过一周的课程设计我们顺利的完成了老师布置的任务，在此就做一下总结：由于我做的是梯形截面屋架c，所以在布置上弦支撑时，在两端和中点处，各设置了一排横向支撑；下弦支撑也是在两端和中点处各布置了一道横向支撑；纵向支撑在本图中不需要，如上图2所示。在荷载与内力计算时，由于屋面可变荷载和雪荷载不会同时出现，所以取两者最大值，即0.5kN/m2进行计算。根据计算结果，设计杆件截面，绘制截面图，杆件计算结果在表1中。杆件计算完以后，即开始设计节点。由于节点采用的是焊缝连接，所以在计算时就采用课本上讲的方法进行计算，通过计算结果设计出节点。节点设计完以后，再绘制出节点详图，设计部分就算完成了。设计部分完成以后就开始绘制施工图。施工图的绘制包括屋架索引图、节点详图、上、下弦杆俯视图、必要的剖面图等。在本次设计中所得出的结论有：在设计屋架时，要考虑的三种组合中，组合一（全跨永久荷载+全跨可变荷载）对杆件的计算起主要的控制作用，而组合三（全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面活荷载）却可能引起中间几根斜腹杆的内力变号，所以在施工过程中，应该在屋架两侧对称均匀铺设屋面板，这样可以避免内力的变号。5 收获与致谢5.1 收获 通过这次课程设计，我们