1、1钢结构设计原理课程设计钢屋架土木工程专业本科临沂师范学院工程学院建筑工程系钢结构设计原理教学组一 由设计任务书可知：厂房总长为 96m，柱距 6m，跨度为 24m，屋架端部高度为 2m，车间内设有两台中级工作制吊车，该地区冬季最低温度为-22。暂不考虑地震设防。屋面采用 1.5m6.0m 预应力大型屋面板，屋面坡度为 i=1:15。卷材防水层面（上铺120mm 泡沫混凝土保温层和三毡四油防水层） 。屋面活荷载标准值为 0.35KN/，雪荷载标准值为 0.3KN/，风标准值为 0.45KN/，积灰荷载标准值为 0.5KN/。屋架采用梯形钢屋架，钢屋架铰支于钢筋混凝土柱上，混凝土强度等级 C25
2、.二 选材：2根据该地区温度及荷载性质，钢材采用 Q235-C。其设计强度为 215KN/,焊条采用E43 型，手工焊接，构件采用钢板及热轧钢筋，构件与支撑的连接用 M20 普通螺栓。屋架的计算跨度 L。=24000-2150=23700，端部高度：h=2000mm(轴线处) ，h=2150(计算跨度处)。三 结构形式与布置：屋架形式及几何尺寸见图一所示：屋架支撑布置见图二所示：3四 荷载与内力计算：1，荷载计算：活荷载于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：防水层（三毡四油上铺小石子） 0.35KN/找平层（20mm 厚水泥砂浆） 0.0220=0.40 KN/保温层
3、（120mm 厚泡沫混凝土） 0.126=0.72 KN/预应力混凝土大型屋面板 1.4 KN/钢屋架和支撑自重 0.12+0.01124=0.384 KN/4管道自重 0.1 KN/总计：3.354 KN/可变荷载标准值：雪荷载屋面活荷载（取两者较大值）0.35KN/ 积灰荷载 0.5KN/风荷载：查表可知迎风坡面体形系数为-0.6，背风坡面为-0.5 ，即当屋面夹角（3.8）小于15时，风载为吸力，起卸载作用，一般不予考虑。总计：0.85 KN/永久荷载设计值 1.23.354 KN/=4.0248KN/可变荷载设计值 1.40.85 KN/=1.19KN/2，荷载组合：设计屋架时应考虑以
4、下三种组合：组合一 全跨永久荷载+全跨可变荷载屋架上弦荷载 P=(4.0248KN/+1.19KN/) 1.56=46.9332KN组合二 全跨永久荷载+半跨可变荷载屋架上弦荷载 P1=4.0248KN/1.56=36.22KNP2=1.19KN/1.56=10.71KN组合三 全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板自重+半跨屋面活荷载屋架上弦荷载 P3=0.384KN/1.21.56=4.15KNP4=(1.41.2+0.351.4)1.56=19.53KN3,内力计算：首先求出杆件内力系数，即单位荷载作用下的杆件内力，荷载布置如图 3 所示。经计算得表一，表一列出了各个杆件的内力系数和杆件内力
5、值，由表中的三种组合可见：组 合一，对杆件计算起主要控制作用；组合三可能引起中间几根斜腹杆发生内力变号，在施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设面板则可避免内力变号。表一屋架杆件内力组合表杆件名称全跨 1 左半跨 2 右半跨 3 P*1 P1*1+ P2*2 P1*1+ P2*3 P3*1+ P4*2 P3*1+ P4*3 计算内力（KN）AB 0 0 0 0 0 0 0 0 0.上弦BCD -9.82 -7.06 -2.76 -460.884 -431.293 -385.24 -178.6348 -94.6558 -460.885DE -15.89 -10.78 -5.11 -745.769 -
6、690.9896 -630.2639 -276.4769 -165.7418 -745.77EFG -16.49 -11.37 -5.12 -773.928 -719.0405 -652.103 -290.4896 -168.4271 -773.93GHIJ -17.58 -9.68 -7.91 -825.086 -740.4204 -721.4637 -262.0074 -227.4393 -825.09ab 5.43 3.99 1.44 254.8473 239.4075 212.097 100.4592 50.6577 254.85bc 13.25 9.28 3.98 621.8649
7、579.3038 522.5408 236.2259 132.7169 621.87cd 18.81 11.76 7.05 882.8135 807.2478 756.8037 307.7343 215.748 882.81下弦de 19.29 9.6 9.6 905.3414 801.4998 801.4998 267.5415 267.5415 905.34Aa -0.5 -0.5 0 -23.4666 -23.465 -18.11 -11.84 -2.075 -23.47Ba -10.08 -7.4 -2.67 -473.087 -444.3516 -393.6933 -186.354
8、-93.9771 -473.09Bb 8.14 5.71 2.44 382.0362 355.9849 320.9632 145.2973 81.4342 382.04Cb -1 -1 0 -46.9332 -46.93 -36.22 -23.68 -4.15 -46.-93Db -6.79 -4.38 -2.42 -318.676 -292.8436 -271.852 -113.7199 -75.4411 -318.68Dc 5.1 2.91 2.22 239.3593 215.8881 208.4982 77.9973 64.5216 239.36Ec -1.57 -1.57 0 -73.
9、6851 -73.6801 -56.8654 -37.1776 -6.5155 -73.69E1 0.69 0.69 0 32.38391 32.3817 24.9918 16.3392 2.8635 32.38c1 -4.1 -4.1 -2.68 -192.426 -192.413 -177.2048 -97.088 -69.3554 -192.43F1 -1 -1 0 -46.9332 -46.93 -36.22 -23.68 -4.15 -46.93G1 -3.36 -3.36 -2.69 -157.696 -157.6848 -150.5091 -79.5648 -66.4797 -1
10、57.70Gd -2.92 -2.92 1.8 -137.045 -137.0356 -86.4844 -69.1456 23.036 -137.05 23.04Hd 0 0 0 0 0 0 0 0 0H2 0 0 0 0 0 0 0 0 0I2 0 0 0 0 0 0 0 0 0J2d 1.14 1.14 -2.3 53.50385 53.5002 16.6578 26.9952 -40.188 -40.19 53.50腹杆Je 0 0 0 0 0 0 0 0 0注：表内负值表示压力，正值表示拉力。五 杆件截面设计：腹杆最大内力 N=-473.09KN，由屋架节点板后参考可知：支座节点板厚可
11、取 12mm，其余节点厚和垫板厚度均取 10mm。1， 上弦杆整个上弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=-825.09KN。计算长度：屋架平面内取节点轴线长度 lox=133.7cm。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点长度 loy=267cm。6因：2lox=loy 故截面宜选用两个不等肢的角钢，且短肢相并，见图 4：设 =60，查轴心受压稳定系数表 =0.807需要截面积 = = =4775*AfN.2158079.32m需要回转半径 ix= .6ol需要回转半径 iy= 45.0127oyl根据需要的 , ix, iy 查角钢型钢表，初选 2
12、L1409012，A=5280 ,ix=2.54cm,*A 2miy=6.81cm。按所选角钢进行验算：=1506.524.713xoil=150.98.yoil由于 /t=140/12=11.70.56270/140=10.71b7则 = =45.4=150)7.521(.3410btltyyz )147.526(.32由于 xyz y，只需求出 查轴心稳定系数表 =0.844xmin x223 /15/852084.9NANX 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=905.34KN 。计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度 lox=3990mm。屋架平面外根据支
13、撑布置，取 loy=11850mm。计算需要净截面面积 = = =4211 *AfN.021534.92m选用 2L1258012(短肢相并) ，见图 5：A=4680 , =2.24cm, =6.15cm。2mxiyi按所选角钢进行验算：取 =An(若螺栓孔中心至节点板边缘距离大于 100mm，则不计截面削弱影响)223 /15/5.194680.95mNANn 0.72.xoil 35.195.68yoil83， 端斜杆 Ba已知 N=-473.09KN cmloyx9.247因为 故采用等肢角钢，使 =oyxlxiy选用 2L10010 见图 6A=3860 , =3.05cm, =4.
14、52cm。2mxiyi截面刚度和稳定验算： 1503.805.947xoil .2.yoil由于 b/t=10/1.0=10 38.140/9.758.004.59).2()4.1( 22tlboyyz=0.6792xmin所选截面合适。223 /15/5.1806792.04mNANX 填板放两块， cicmlxa 034. 94， 斜杆 Bb已知：N=382.04KN计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度 lox= m2.198347.08屋架平面外根据支撑布置，取 loy=2479mm。选用 2L80 6 见图 7：A=1880 , =2.47cm, =3.65cm。2mxiyi 223
15、/15/.0184. mNAN3.7.29xoil 50.65.34yoil填板放两块， cmicmlxa 6.1974.28.825, 再分腹杆 c1G lNNGc 380,.157,43.1921 计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度 lox= 1472.屋架平面外根据支撑布置取。mloy 38)7.15492.07.(368)25.07.(11 选用 2L80 6 见图 8：10A=1880 , =2.47cm, =3.65cm。2mxiyi3506.5947.1xoil .0.38yoil由于 b/t=8/0.6=13.3 2.8/3.5.2.10)6.47501(6)47.1(2tl
16、boyyz=0.4918xmin所选截面合适。223 /15/1.084918.02mNANX 填板放两块， cicmlxa 8.947.4.76, 斜杆 Dc已知：N=329.36KN计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度 lox= m4.210.屋架平面外根据支撑布置，取 loy=263cm。选用 2L70 5 见图 9：11A=1374 , =2.16cm, =3.24cm。2mxiyi 223 /15/.17406.19mNAN302xoil 5.814.36yoil填板放两块， cmicmlxa 8.1726.80.77， 中竖杆 Je已知：N=0KNl25809.0中竖杆选用 2L7
17、05 的角钢，并采用十字形截面，见图 10：1507.16.25,47.13002xxilcmicA满足要求。填板放五块， cmiclxa 4.86.244.0其余各杆截面选择过程不一一列出，计算结果见表二：计算长度(cm)回转半径（cm）杆件名称内力设计值 N(KN) oxloyl选用截面 截面积A（ 2c）xiymaxmin计算应力 2/N填 板块上弦杆 -825.09 133.7 267.0 短肢相并2L140901252.8 2.54 6.81 52.6 150 0.844 -185 2下弦杆 905.34 399 1185 短肢相并2L125801246.8 2.24 6.15 19
18、2.7 350 / 193.5 212Aa-23.47 201.5 201.5 T 型截面2L5059.6 1.53 2.45 131.7 150 0.3795 -64.4 2Ba-473.09 247.9 247.9 T 型截面2L1001038.6 3.05 4.52 81.3 150 0.6792 -180.5 2Bb382.04 198.3 247.9 T 型截面2L80618.8 2.47 3.65 80.3 350 / 203.4 2Cb-46.93 174.2 217.8 T 型截面2L5059.6 1.53 2.45 113.9 150 0.4705 -103.9 2Db-31
19、8.68 210.4 263 T 型截面2L1001038.6 3.05 4.52 69.0 150 0.757 -109.1 2Dc239.36 210.4 263 T 型截面2L70513.74 2.16 3.24 97.4 350 / 174.2 2Ec-73.69 188.5 235.6 T 型截面2L70513.74 2.16 3.24 87.3 150 0.6392 -83.9 2E132.38 94.1 117.6 T 型截面2L5059.6 1.53 2.45 61.5 350 / 33.7 1F1-46.93 94.2 117.8 T 型截面2L5059.6 1.53 2.4
20、5 61.5 150 0.7995 -61.1 1c1 -192.43G1 -157.70147.2 388.3 T 型截面2L80618.8 2.47 3.65 110.2 150 0.4918 -208.1 223.04 150 / 12.26 2 Gd -137.05229.1 286.4 T 型截面2L80618.8 2.47 3.65 106.1250 0.6024 -121.0 2Hd 0 209.8 262.2 T 型截面2L70513.74 2.16 3.24 97.1 150 0.5757 0 2H2 0 144.8 181 T 型截面2L5059.6 1.53 2.45 9
21、4.6 150 0.5904 0 2I2 0 104.9 T 型截面2L5059.6 1.53 2.45 68.6 150 0.7594 0 153.50 350 / 38.9 2J2-d2-40.19154.8 387 T 型截面2L70513.74 2.16 3.24 126.0150 0.406 -72.4 2Je 0 252 252 十字型截面2L70513.74 min2.16i2.16116.7 150 / 0 2六 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 2/160mNfw各杆件内力由表二查得，最小焊缝长度不应小于 8 和 40mm。fh1， 下弦节点 b
22、 见图 1113(1)斜杆 Bb 与节点的连接焊缝计算：N=382.04KN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 =200mmmhfNkl fww 5.201167.024387.0231 wl肢尖： 取 =150mmfhkl fww 7.35.3. 32 wl（2）斜杆 Db 与节点的连接焊缝计算：N=318.68KN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 =180mmmhfNkl fww 1.702167.02837.0231 wl肢尖： 取 =120mmfhkl fww 8.45.3.32 wl（3）斜杆 Cb
23、 与节点的连接焊缝计算：N=46.93KN因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸 mhf焊缝长度 40mm 取 =60mm。wlwl（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=621.27-254.58=369.29KN;设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 6mm，所需焊缝长度为：14肢背： 取 =200mmmhfNkl fww 2.194607.2937.0231 wl肢尖： 取 =120mmfhkl fww .31.3. 32 wl（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，按比例做出构造详图，从而定出节点尺寸，如图 12 所
24、示：2， 上弦节点 B 见图 1315（1）斜杆 Bb 与节点板连接焊缝的计算：N=382.04KN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 =200mmmhfNkl fww 5.201167.024387.0231 wl肢尖： 取 =150mmfhkl fww 7.35.3. 32 wl（2）斜杆 Ba 与节点板连接焊缝的计算：N=473.09KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 10mm 和 6mm，所需焊缝长度为：肢背： 取 =180mmmhfNkl fww 8.1602107.29437.0231 wl肢尖： 取 =150mmfhkl fww 3.96.
25、3. 32 wl（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的上肢背可缩进 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=46.9332KN，焊角尺寸为 5mm。所需槽焊缝长度为：取 =60mmmhfl fww 9.510657.029347.023 wl上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差： N=473.09-0=473.09KN偏心距 e=90-21.9=68.1mm设肢尖焊角尺寸为 8mm，设所需焊缝长度为 400mm，则：16
26、23/0.1)640(87.297.02 mNlhNwff 2232 /1.7)(8)(.6leWMfFf 22)(.1(ff 60/0.146).(.17222 mN2/（4）节点板尺寸：如图 14 所示：3， 屋脊节点 J 见图 1517（1） 弦杆与角钢连接焊缝计算：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，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来计算。N=825.09KN设肢尖、肢背焊角尺寸为 8mm， 取 =300mmmhfNl fww 2.461087.49257.043 wl拼接角钢长
27、度取 2300+50=650mm。（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=825.0915=123.8KN。设肢尖焊角尺寸为 8mm，弦杆一侧焊缝长度为 200mm。 23/1.60)2(87.017.02 mNlhNwff 2232 /4.3)(86)(.6leWMfFf 22)(.1(ff 160/.14).0(.143222 mN2/（2） 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，取焊角尺寸 hf5焊缝长度 40mm 取 =60mm。wlwl(3) 斜杆 J
28、2 与节点板的连接焊缝计算： N=53.5KN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 =60mmmhfNkl fww 8.4312607.2537.021 wl18肢尖： 取 =60mmmhfNkl fww 9.2510657.02317.02 wl（5） 节点板尺寸如图 16 所示：4， 下弦跨中节点 e 见图 17（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=905.34KN设肢尖、肢背焊角尺寸为 8mm，则需焊缝长度为： 取 =300mmmhfNl fww 6.2816087.439527.04 wl19拼接角钢长度取 2
29、300+20=620mm。（2）弦杆与节点板连接焊缝计算,其内力按下弦杆内力的 15计算:N=905.3415 =135.8KN设肢背与肢尖的焊角尺寸为 6mm，弦杆一侧所需焊缝长度为：肢背： 取 =90mmmhfNkl fww 4.7912607.281357.0231 wl肢尖： 取 =60mmfhkl fww .51.3. 32 wl（3）节点板尺寸，如图 18 所示：5， 端部支座节点 a 见图 19：20(1) 为了便于施焊，下弦角钢水平肢的地面与支座地板的距离一般不小于下弦伸出肢的长度，故可取 160mm，在节点板中心线左侧设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相同，厚度同端部节点
30、板为 12mm。支座底板计算：支座反力：R=473.09sin57.4+23.4=422.03KN。取加劲肋的宽度为 80mm，考虑底板上开孔，按构造需求取地板尺寸为240mm360mm,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： 24180)280(24mAn验算柱顶混凝土的抗压强度：满足要求。23/.1.NRn 2/9.1mNfc地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，每块板为两边支撑而另两边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为： 2M式中 -地板下的平均应力， 2/.10mN-两边支撑对角长度， 2 3.198)2(-系数 由 决定， 为两边支
31、撑的焦点到对角线 的垂直距离，由三角形2/b2b2面积关系得 =2m9.683.10=0.50 查表得 =0.06022/bNM4.206.21地板厚度 取 t=20mmfM/65.182/4.138（1） 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：NV33105.40.2meM63.47.1设肢焊缝尺寸为 6mm，设所需焊缝长度为 170mm，则： 23/5.79)120(67.257.02 NlhNwff 2262 /4.13)(.)(.6 mleWfFf 22)(.1(ff 0/9.14)5.7(.143222 N2/所以加劲肋高度不小于
32、 170mm 即可。（2） 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=422.03KN 设焊缝尺寸为 8mm节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度： mhhl ffw 624)028(4)20(满足要求23 /10/.97.10.1 NlRwef （3） 下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算:竖杆与节点板的连接焊缝计算: N=26.33KN1此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊角尺寸 mhf5焊缝长度 40mm 取 =60mm。wlwl下弦杆与节点板连接焊缝计算：N=254.85KN2设焊缝尺寸为 6mm，侧所需焊缝长度为：肢背： 取mhfNkl fww 4.1382607.285437.0231 =150mmwl22肢尖： 取 =80mmmhfNkl fww 2.751607.2854317.023 wl斜杆 Ba 与节点板连接焊缝的计算：3N=473.09KN设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为 10mm 和 6mm，所需焊缝长度为：肢背： 取mhfNkl fww 8.1602107.29437.0231 =180mmwl肢尖： 取mhfNkl fww 3.129607.29437.023=150mmwl七 施工图（详见施工图纸）
