钢结构课程设计-钢屋架设计

1、程设计说明书课程名称：钢结 构设计题目：钢屋架设计院 系： 土木与建筑工程学院2012 年 12 月 16 日课程设计任务书设计题目三角形钢屋架课程设计学生姓名所在院系土建学院专业、 年级、 班10土木 1 班设计要求：.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。.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

2、要的剖面图（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）. 设计计算书一份；.绘制与屋盖支撑相关联的钢屋架施工图（1 号图纸）一张；.图纸应叠成计算书一般大小，与计算书装订后上交。.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.张耀春主编.钢结构设计原理M. 北京：高等教育出版社，2004.8.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.陈志华编著.建筑钢结构设计M. 天津：天津大学出版社，2004.3.周俐俐，姚勇等编著.土木工程专

3、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., 荷载及内力计算, 星期二完成杆件截面设计, 星期三完成节点设计及, 其余三天画施工图, 最后一天校核施工图及计算书.2012 年 12 月 7 日2012 年 12 月 15 日学生（签名）指导教师（签名）三角形钢屋架课程设计摘 要： 本次课程设计以三角形钢屋架为材料背景, 以完成屋架设计为任务，先进行屋架檩条设计和支撑布置, 然后通过荷载组合和内力计算, 从而完成杆件截面选择, 进一步实现节点设计, 最后做出施工图。该课程设计是在钢结构厂房屋架的理解的基础上，通过对有檩体系的三角形屋架的设计，系统的明确了结

4、构设计的方法，以及绘制施工图应掌握的技巧和方法，涉及的专业基础知识有：钢结构中的轴心受压和受拉截面的强设计，强度和稳定性验算，焊缝和螺栓的连接，理论力学计算桁架内力，以及AUTOCA制图。从课程设D计中，培养设计从业人员应有的理论和素质。关键词：三角形屋架 檩条 支撑 内力计算截面设计节点 TOC o 1-5 h z 设计背景 1设计资料 1屋架形式 . 1设计方案 2檩条设计 2屋架支撑 . 3方案实施 4荷载与内力计算.4杆件截面设计.6节点设计 .10结果与结论15 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 结果 15 HYPERLINK l b

5、ookmark26 o Current Document 结论 15收获与致谢16收获.16致谢16参考文献 17附件 18 1 设计背景1.1 设计资料1. 建筑物基本条件厂房长度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,钢材用Q235B级 ,采用E43型焊条。柱顶截面尺寸为400mm 400mm 。钢屋架设计可不考虑抗震设防。厂房柱距选择：6m三角形钢屋架(b)属有檩体系：檩条采用槽钢，跨度为6m，跨中设有一根拉条 10。屋架屋面做法及荷载取值(荷载标准值)永久荷载：波形石棉瓦自重0.20 kN

6、/m檩条及拉条自重0.20 kN/m钢屋架及支撑重保温木丝板重0.25 kN/m(0.12+0.011跨度 ) kN/m 20.4kN/m屋面活荷载积灰荷载0.40 kN/m 0.30 kN/m注： 1、以上数值均为水平投影值；1.2 屋架形式屋架计算跨度：l0 =l 300=24000 300=23700mm屋面倾角：arctan 121 48,sin0.3714,cos0.92852.5屋架跨中的高度为：h 23700 4740mm2 2.5上弦长度：ll012762mm2cos节间长度：a 12762 2553mm2.1 檩条设计12 设计方案根据屋面材料的最大容许檩距，可将檩条布置于上

7、弦节点上（见图 1） ， 檩距为节间长度。根据檩条跨度为6m,则在檩条的跨中设置一道拉条。选用 18a 槽钢截面，由附表8.7 查得，WX=141.4cm3,Wy=20cm3,I x=1272.7cm4。1. 荷载计算永久荷载（水平投影面上）：波形石棉瓦自重0.2KN/m檩条及拉条自重0.2KN/m保温木丝板自重0.25KN/m永久荷载标准值ggk 0.2 0.2 0.25 0.65KN /22 m2, qgk 0.65 2.37 1.54KN /m2。可变荷载（水平投影面上）：雪荷载0.4KN/m2, 与屋面活荷载相等，不考虑其同时作用，两者取其一，积灰荷载0.3KN/m2, 则 gqk 0

8、.4 0.3 0.7KN /m2， qqk 0.7 2.37 1.66KN /m2。q rGqGk rQqQk 1.2 1.54 1.4 1.66 4.17KN /m2 ,qx qcos 4.17 0.9285 3.87KN /m2 ,qy qsin 4.17 0.3714 1.55KN / m .2，强度验算弯矩设计值（见下图）：11MX = q l2=3.87 62 17.42KN mX8x 81212M q l21.55 62 1.74KN my 32 y 32檩条的最大应力位于槽钢下翼缘的肢尖处，189N /mm2 。Mx My 17.42 1061.74 106xWnxyWny 1.

9、05 141.4 103 1.2 20 1033，刚度验算中间位置设有拉条，只需验算垂直屋面方向的挠度。屋面线荷载标准值为qk qGk qQk 1.54 1.66 3.2KN / m，则 5 qkL353.2 6000311 ，L 384 EIX 384 2.06 105 1272.7 104 291 L 200因有拉条，不必验算整体稳定性，故选18a 槽钢能满足要求。2.2屋架支撑根据厂房总长度90m,跨度为 24m,有中级工作制桥式轿车及第一开间尺寸5.5m等因素，可在厂房两端的第二开间设置一道上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，并在同一开间两榀相邻屋架的腹杆间设置两道垂直支撑（在跨度1/

10、3 左右处各一道，见图 （ 3） ） 。上弦檩条可兼做系杆，故不另设系杆，在下弦跨中央设置一道通长的柔性系杆。此外，在厂房两端的第一开间下弦各设置道 刚 性 系 杆 （ 见 图 3）符号说明：SC-上弦支撑，XC-下弦支撑，CC-垂直支撑，GG-刚性系杆，LG-柔性系杆图 3 屋架支撑布置（单位;mm）a）上弦横向水平支撑；（ b）下弦横向水平支撑；（ c）垂直支撑3 方案实施3.1 荷载与内力计算1，永久荷载（水平投影面）波形石棉瓦自重0.2KN/m2檩条及拉条自重0.2KN/m2保温木丝板自重0.25KN/m2钢屋架及支撑重0.12 0.011 24 0.38KN /m22gGk 0.2

11、0.2 0.25 0.38 1.03KN /m22，可变荷载（水平投影面）雪荷载等于屋面活荷载，两者取其一，取值为0.4KN/m2,积灰荷载为0.3KN/m2,即得g 0.3 0.4 0.7KN /m2 Qk3，屋架上弦檩条处的集中荷载荷载设计值由可变荷载效应控制的组合为F 1.2 1.03 1.4 0.7 6 2.37 31.5KN4，屋架杆件内力计算芬克式屋架在半跨活荷载作用下，腹杆内力不会变号，故只需按全跨永久荷载与全跨可变荷载组合计算屋架杆件的内力。屋架内力计算可由结构力学求解器求得杆件内力系数，再乘以节点荷载即得杆件内力，如下表所示4杆件名称杆件内力系数内力设计值（KN）上弦AB-1

12、2.12-381.78BC-11.28-355.32CD-9.52-299.88DE-10.53-331.695EF-10.63-334.845下弦Ah11.25354.375hj10.00315jm6.25196.875腹杆Bh-1.02-32.13Ch0.8225.83Cj-1.57-49.455Dj-1.55-48.825Dk0.8526.775Ek-1.03-32.445Fk5.00157.5jk3.75118.1253.2 杆件截面设计1, 上弦杆整个上弦采用等截面, 按 AB杆件的最大设计内力设计N=-381.8KN,上弦杆计算长度: 在桁架平面内, l ox =255.3cm;在

13、平面外，设檩条与支撑的交叉点不相连，则loy 3 255.3 765.9cm由 loy 3lox，取截面为两个短肢相并的不等肢角钢查表9.6.4 ，节点板厚度选10mm支座,节点板厚度选用12mm（如下图5 所示）图 5 上弦截面设 100，查附录4.2，得0.555，需要的截面积：A N 38180032cm2553l25533ix lox255.32.55cm， iy loy255.337.65，根据需要的A, ix， iy。由直角钢规 x 100y100格表（附录8.4） ，选用 2 140 90 10， A=44.52cm2, ix=2.561cm, iy =6.77cm，b1/t=1

14、40.56loy/b1=0.56 765.9/16=26.8,取 zloy =765.9=113.13 =150,，N 381800 yA 0.475 44.5222181N / mm f 215N / mm ，满足要求，故所选截面满足要求。2，下弦杆f 0.555 2156 下弦截面整个下弦也采用同一截面，按最大设计值计算，NAH 354.38KN , lox 497.6cm, 因屋架下弦在跨中央设有一道通长的系杆, 因此取 loy 1185。则AnN AH354380215216.48cm2选 用2 90 56 6 短 肢 相 连 的 T 形 截 面 ，型钢表查得，A=An=17.11 c

15、m2 , ix 1.582cm, iy 4.50cm验算强度和刚度：N 354380 207N / mm2An17112f 215N/mm2lox 497.6ix 1.582315350 ，loy 1185263350 ，y i 4.5故所选截面合适。3，腹杆bk， Fk此杆在 k 节点处不断开，采用通长杆件，由题意可知，lox =343.7cm， loy=3437 2=687.4cm。由于NF杆受力较大，取N NNF 157.5KN , AnN 157500 7.33cm2。n f 215由附录8，选用2 56 4 的等边角钢组成的T形截面，查得2A=An=8.78cm , ix 2.67c

16、m, iy 1.73cm，以下验算强度和长细比: TOC o 1-5 h z N /mm f 215N /mm ,An878x ox .199350,xix1.73loy687.4 257350。yi y2.67因此所选的2 56 4 的角钢满足要求。4，腹杆 Cj,Dj因两杆受力较小，故选用单角钢截面，采用单面连接。按最大设计内力设计N49.45KN,l 287cm,lo 0.9l 0.9 287 258.3cm.设100，查附表4.2，0.555，单角钢单面连接时强 度折减系数为r 0.6 0.00150.6 0.0015 100 0.75.由此可得i yolo

17、258.3100N2.58cm, A fr494500.555 215 0.7525.53cm8.1，可选用 1006等角角钢，由此可知A 11.932cm2,iyo 2.004cm.lo258.3 128.89150,满足要求，i yo 2.004r 0.6 0.0015 128.89 0.79,查表可知0.393整体稳定性：N 49450105N /mm2R f 0.79 215 170N / mm2A 0.393 1193.2R满足要求，故所选截面满足要求。4，竖杆Fm对不连接垂直支撑的屋架WJ 1，选用 564 单角钢，并按受拉支撑验算其长细比，i yo 1.11cm,lo 0.9l0

18、.9 474 426.6cm.故满足要求。其余截面杆件选择见下表lo 426.6iyo 1.11384.3400 7 杆 件 名 称杆件 编号内力设计值（ kN ）计算长度（ mm）选用截面截面面积A（ cm2）杆 件 受 力 类 型长细比容许长细比min计算应力（N/mm 2）loxloyxy上 弦AB 、 BC、 CD、 DE、 EF、-381.8255376592 140 90 1044.52压 杆100113.11500.475181下 弦Ah 、 hj、 jm354.44976118502 9056617.11拉 杆315263350207腹 杆Dk, 、 Ch26.8一一 4543

19、.49拉 杆yo=235.1350一76.8Fk,、 Bk157.534376874256 48.78拉 杆1992571350一179Cj、 Dj-49.5一一 100 611.93压 杆yo=128.91500.393105Bh、 Ek-32.4一一 5644.39压 杆yo=113.11500.475156Fm0一一 56 44.39零 杆yo =384.34003.3 节点设计本例只选择几个有代表性的、重要的节点进行计算，其余节点的计算过程从略，可 参见屋架施工图。1，屋脊节点腹杆 Fk与节点板的连接焊缝，查表得ffw 160N /mm2(以下同)，取肢背和肢尖的焊脚尺寸均为4mm,

20、则杆端所需的焊缝长度分别为肢背l1 lw1 8k1 N Fk2 0.7 hf 1 ffw0.75 157.5 10388 140mm,2 0.7 4 160肢尖k2NFk0.25 157.5 103l2 lw2 82 Fk w 88 52mm, 取 60mm2 0.7 hf ffw2 0.7 4 160拼接角钢采用与上弦杆等截面，肢背处削棱，取 h f 8mm， 竖肢切去V=t+hf+5=23mm，并将竖肢切口后经热弯成型用对接焊缝焊接。拼接接头一侧所需的焊缝计算长度为lw= N = 334.8 103 93mm,4 0.7 hf ffw 4 0.7 8 160 拼接角钢的总长度l=2 lw

21、16 +d=2 93+16 +90=308mm上弦杆与节点板的塞焊缝，假定承受节点荷载F 2， 验算从略。上弦肢尖与节点板的焊缝连接按弦杆内力的15%计算，且考虑由此产生的偏心弯矩作用(偏心距e=94.2mm) 。设肢尖焊缝焊脚尺寸hf=8mm，节点板总长度为660mm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw=( 660 2)cos -20-16 (660/2) /0.9285 20 16=319mm，取320mm,焊缝应力应为0.15N30.15 334.8 103f=2 0.7hflw2 0.7 5 320=14N mm2 ，3f=0.15Ne 6=0.15 334.8 103 94.2 6

22、=24.8 N mm22 0.7hf lw22 0.7 8 3252( f )2 ( f )2 = ( . )2 (14)2 =24.7 N mm2 ffw =160N mm2( f )( f )1.22f由以上计算结果可知，因弦杆与节点板的连接焊缝受力不大，且连接长度较大，故可按照构造进行满焊，不必计算。2，下弦拼接点屋架跨度24m超过运输界限，故将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点G和下弦节点 I 处设置工地拼接。腹杆杆端与节点板的焊缝连接按Bh 和 Ch 中最大内力N IK 32.13kN 计算。 设肢背和肢尖的焊脚尺寸均取hf 4mm， 则杆端所需的焊缝长度分别为肢背：l1 lw1 8k

23、1 N1 Kr 0.7 hf1 f fw0.7 32.13 103867mm0.85 0.7 4 160故 l1取 70mm。肢尖：l2lw28k2N1K0.7 hf2 r ffw0.33 61.5 103833mm0.85 0.7 4 160故 l2按构造取40mm。弦杆与节点板的连接焊缝按弦杆内力N IH 与 N IJ 的内力差计算，因为内力差较小， 按构造满焊即可满足要求，不必计算。拼接角钢采用与下弦杆相同截面，肢背处削棱，竖肢切去V=t+hf +5=17mm。按拼接焊缝与杆件等强度原则，接头一侧所需的焊缝计算长度为2Af 17.11 102 215lw = lw137mmw w 4 0

24、.7 hf ffw4 0.7 6 160拼接角钢所需总长度为l =2（ lw+10） +10=2（ 140+10） +10=310mm 3，上弦节点图9各腹杆杆端与节点板的焊缝计算从略，节点板的形状和尺寸如图10 所示。上弦肢背塞焊缝承受檩条传来的集中荷载（节点荷载）F，取节点板缩进肢背8mm，h f =t 2=5mm，则Ff 2 0.7hflw31.5 1031.22 2 0.7 4（ 800-10）5.8N / mm2 0.8f 128N mm2肢尖与节点板的焊缝承受弦杆的内力差为N =NCD- NDE=31.8kN偏心距e=95mm，且节点板长度较大，故可不作计算，按构造要求布置焊缝进行满焊即可满足条件。4, 支座节点屋架支撑与钢筋混凝土柱上，混凝土强度为C20， fce=10N mm2为便于施焊，取下弦轴线至支座底板上表面的距离为160mm，并设置图12 所示加劲肋。下弦杆端与节点板的焊缝取肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为hf1=6mm和 hf2=4mm，则所需焊缝长度为：肢背： l1=lw1+12=k1NAhw2 0.7 hf ff075 3544 103+12=0.75 354.4 10 +12=210mm2 0.7 6 160故 l1取 210mm。肢