钢结构课程设计

1、.土 建 专 业钢 结 构课 程 设 计钢结构课程设计一、课程设计的性质和任务钢结构是土木工程专业的重要专业课，为了加强学生对基本理论的理解和钢结构设计规范条文的应用，培养学生独立分析问题和解决问题的能力，必须在讲完有关课程内容后，安排2周的课程设计，以提高学生的综合运用能力。课程设计又是知识深化、拓宽的重要过程，也是对学生综合素质与工程实践能力的全面锻炼，是实现本科培养目标的重要阶段。通过课程设计，着重培养学生综合分析和解决问题的能力以及严谨、扎实的工作作风。为学生将来走上工作岗位，顺利完成设计任务奠定基础。课程设计的任务是，通过进一步的设计训练，使学生熟悉钢结构基本构件的设计和构造设计的基

2、本原理和方法，具备一般钢结构设计的基本技能；能够根据不同情况，合理地选择结构、构造方案，熟练地进行结构设计计算，并学会利用各种设计资料。二、课程设计基本要求课程设计是综合性很强的专业训练过程，对学生综合素质的提高起着重要的作用。基本要求如下：1、时间要求。一般不少于2周；2、任务要求。在教师指导下，独立完成一项给定的设计任务，编写出符合要求的设计说明（计算）书，并绘制必要的施工图。3、知识和能力要求。在课程设计工作中，能综合应用各学科的理论知识与技能，去分析和解决工程实际问题，使理论深化，知识拓宽，专业技能得到进一步延伸。通过毕业设计，使学生学会依据设计任务进行资料收集、和整理，能正确运用工具

3、书，掌握钢结构设计程序、方法和技术规范，提高工程设计计算、理论分析、技术文件编写的能力，提高计算机的应用能力。三、课程设计的内容钢结构课程设计的选题要符合教学基本要求，设计内容要有足够的深度，使学生达到本专业基本能力的训练。对学习好、能力强的学生，可适当加深加宽。题目：钢屋架设计采用平面钢屋架作为设计题目。设计内容包括：屋架内力计算、屋架杆件设计；节点设计；施工图绘制以及材料用量计算等。完成的设计成果包括：结构设计计算书一份，施工图13张（2号）。普通钢屋架设计案例及设计指导参考题目：一、题目：普通梯形钢屋架设计 （一）设计资料 郑州某工业厂房，长度102m，屋架间距6m，车间内设有两台20/

4、5t中级工作工作制桥式吊车，屋面采用1.56m预应力钢筋混凝土大型屋面板。水混珍珠岩制品保温层10cm，20mm厚水混砂浆找平层，三毡四油防水层，屋面坡度1/10。屋架两端铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400400，混凝土C30，屋架跨度和屋面积灰荷载按指定的数据进行计算。 1、屋架跨度 （1）24m （2）27m 2、屋面积灰荷载标准值 （1）0.3kN/m2 （2）1.0kN/m2 3、屋面活荷载标准值 0.5kN/m2 4、屋面雪荷载标准值 0.4kN/m2 已知各类屋架几何尺寸及半跨单位荷载作用下内力图，按下列要求进行屋架设计，并绘制屋架施工图。 （二）设计要求 1、由结构重要性，荷载

5、特征（静荷），连接方法（焊接）及工作温度选用钢材及焊条。 2、合理布置支撑体系，主要考虑 （1）上弦横向水平支撑 （2）下弦横向水平支撑 （3）垂直支撑 （4）系杆（刚性或柔性） 并在计算书上画出屋盖支撑布置图，并对各榀屋架进行编号 3、荷载及内力计算 （1）屋面恒载计算可参考教科书P285表7.6，其中水泥珍珠岩预制块自重为4kN/m2。 （2）屋面活荷载与屋面雪荷载不同时考虑。 （3）屋面积灰荷载按指定值计算，积灰荷载属于可变荷载。 （4）利用结构的对称性，仅计算屋架左半跨杆件内力。 （5）计算屋架杆力时，应考虑三种荷载组合。 （6）将屋面分布荷载转化为屋架节点荷载，利用左半跨单位节点荷载

6、内力图计算杆力。 （7）确定各杆最不利内力（最大拉力或最大压力） 4、杆件截面选择 （1）屋架杆件常采用双角钢组合组成的T形截面或十字形截面，要根据x=y的等稳条件选择合理的截面形式。 （2）正确确定杆件的长细比，由轴心受力杆确定杆件截面及垫板数量。 （3）上弦杆，下弦杆，主斜杆截面选择过程要在计算书内详细说明，其余杆件截面选择可列表进行（参见教科书P291，表7.8）。 （4）杆件截面规格不宜过多，与垂直支撑相连的竖杆截面则不宜小于2L635。 5、节点设计 （1）熟知节点设计的基本要求及一般步骤。 （2）节点设计与施工图绘制往往是同步进行的。 （3）要在计算书内写出一般上下弦节点，下弦跨中

7、节点，下弦支座节点及屋脊节点设计过程。 6、屋架施工图 （1）用铅笔绘制1#施工图 （2）施工图应包括 屋架简图（比例1100），左半跨标明杆件长度，右半跨注明杆件最不利内力，以及超拱度。 屋架正面图，上、下弦平面图（有二个比例）。 侧面图，剖面图及零件详图。 注明全部零件的编号，规格及尺寸（包括加工尺寸和定位尺寸）孔洞位置，孔洞及螺栓直径，焊缝尺寸以及对工厂加工和工地施工的要求。 材料表。 说明。 （三）按时完成设计任务，设计成果包括计算书和施工图二部分。二、题目：普通轻型钢屋架设计 （一）设计资料某厂房跨度为21m或24m，总长90m，柱距6m，采用梯形钢屋架、1.56.0m预应力混凝土大

8、型屋面板，20mm厚水泥砂浆找平，上铺泡沫混凝土保温层，三毡四油（上铺绿豆砂）防水层，一毡二油隔气层；屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400400，混凝土强度等级为C30，屋面坡度为。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为7度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台150/30t（中级工作制），锻锤为2台5t。其中保温层荷载、积灰荷载、屋架跨度和钢材种类可以有多种不同的组合。（二）计算书编写1、确定屋架型式与尺寸；选择钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目的要求；2、进行屋盖支撑布置，按比例绘出屋架结构及支撑的布置图；3、进行荷载汇集、杆件内力计算、内力组合，选择各杆件截

9、面；4、设计下弦节点、上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点等。要求计算书内容要有系统地编排，字体要端正，表示要清楚，计算步骤明确，计算公式和数据来源应有依据，并应附有与设计有关的插图和说明。（三）施工图绘制绘制钢屋架施工图，其中包括屋架简图、屋架结构图、上下弦平面图、必要的剖面图和零件大样图、材料表和设计说明等。要求图面清楚整洁，线条粗细分明，尺寸及标注齐全，符号及比例正确，构造合理，能表达设计意图，符合国家制图标准并与计算书一致。参考实例：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

10、为20。屋面采用1.5m6.0m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400mm400mm，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Q235AF，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=270002150=26700mm，端部高度：h=2000mm（轴线处），h=2015m

11、m（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）； 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） 0.0220=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+0.0

12、1127=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 1.23.387=4.0644 kN/（由可变荷载控制）可变荷载设计值 1.41.25=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) 1.56=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 =4.06441.56=36.59 kN =1.751.56=15.75 kN组合三 全跨屋架及支撑自重+半跨

13、大型屋面板重+半跨屋面活荷载 屋架上弦节点荷载 =0.4171.21.56=4.5 kN =(1.41.2+0.751.4) 1.56=24.57 kN3.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。注：表内负责表示压力；正值表示拉力图3 屋架接点图四、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

14、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=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：=3000cm因为2，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 =6440需要回转半径=2.51 cm=5.00 cm根据需要的、 查角钢型钢表，初选 2 L 16010014，A=6940， =2.80cm ， =7.86m。按所选角钢进行验算=52.9=150=38=150由于则：=150 由于 ，只需求出，

15、查轴心受力稳定系数表，0.8384 =192N/215 N/ 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=4500mm 屋架平面外根据支撑布置取=13350mm计算需要净截面面积=5439.6选用 2 L1409014（短肢相并），见图5。 图 5 下弦截面A=6940， =2.51cm，=6.93cm。按所选角钢进行截面验算，取（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） =191.7 N/215 N/ =179.3 =250 =192.6=350 所选截面满足要求。3. 端斜杆Ba已知

16、N-619.16kN，253.9cm因为，故采用等肢角钢，使选用角钢2 L 10012,见图6 图 6 端斜杆BaA4560，3.03cm，4.64cm截面刚度和稳定验算= =83.8 =150= =54.7 =150由于=14.730.6624205N/215 N/ 所选截面满足要求。填板放两块，=84.6 cm40=403.03=121.2 cm4. 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=0.8l=0.82622=2097.6mm 屋架平面外根据支撑布置取=2622mm选用 2 L1006，见图7。 图 7 斜杆BbA=2386， =3.10cm，=4.44c

17、m。 =208.34 N/215 N/ =67.7 =350 =59.1=350 所选截面满足要求。填板放两块，=87.4cm80=803.10=248cm5.再分腹杆c1G=-252.991kN， =-208.6kN，=4174 mm计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度=0.8l=0.82087=1669.6mm 屋架平面外根据支撑布置取=（0.75+0.25）=4174（0.75+0.25）=4396mm选用 2 L1006，见图8。 图 8 再分腹杆c1G 图 9 中竖杆Je A=2386， =3.10cm，=4.44cm。 =53.9 =350 =99=350 由于=25.50.518

18、2204.6N/215 N/所选截面满足要求填板放两块，=109.9cm40=403.10=124cm6.中竖杆Je已知N0，0.9 335301.5cm中间竖杆选用2 L756的角钢，并采用十字形截面，见图9A=17.6, cm,=103.6 =150 所选截面满足要求填板放五块，=60.3cm40=402.45=98cm其余各杆件截面选择过程不一一列出，计算结果见表2;.杆件名称内力设计值N（KN）计算长度（cm）选用截面截面积A（）回转半径（cm）计算应力（N/）填板(块)上弦杆-1117.37150.8300短肢相并2L160*100*1469.42.807.8653.91500.83

19、84-1922（3）下弦杆1169.54501335短肢相并2L140*90*14612.516.93179.3350/191.71（2）Aa-27.74201.5201.5T型截面2L50*517.61.532.53131.71500.3795-41.52Ba-619.16253.9253.9 T型截面2L100*1245.63.034.6483.81500.6624-2052Bb497.1209.76262.2T型截面2L100*623.863.104.4467.7350/208.32Cb-55.48184230T型截面2L50*59.61.532.53120.31500.6624-136

20、.12Db-412.77229.84287.3T型截面2L100*1245.63.034.4675.91500.7146-125.72Dc304.03229.84287.3T型截面2L75*617.62.313.5399.5350/172.72Ec-83.22208260T型截面2L75*617.62.313.5397.71500.5701-82.92E140.50151.2189T型截面2L50*59.61.532.5398.8350/42.211F1-55.48104130T型截面2L50*59.61.532.53681500.763-75.71c1-252.99166.96439.6T型

21、截面2L100*623.863.104.44105.81500.5182-204.62G1-208.6Gd2.36261.2326.5T型截面2L75*617.62.313.53113150/1.342-138.052500.475-165.72Hd0.00244305T型截面2L75*617.62.313.531051500.5230.002H20.00162.8203.5T型截面2L50*59.61.532.53106.41500.5140.002I20.00137.25152.5T型截面2L50*59.61.532.5379.71500.6880.001J2-d2164.55179.92

22、449.8T型截面2L75*617.62.313.53129.6350/93.52-2.881500.688-4.22Je0.00301.5301.5十字型截面2L75*617.6=2.91=2.91103.6150/0.002五、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 各杆件内力由表2查得，最小焊缝长度不应小于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：肢背： +12=285.6mm，取270mm肢尖： +10=158mm，取170mm（2） 斜杆Db与节

23、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。所需焊缝长度为肢背： +12=216.7，取250mm肢尖： +10=132.8，取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=5mm焊缝长度40mm，取=60mm（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=1828.87-329499.87KN，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm，所需焊缝长度为：肢背： +12=260，取300mm肢尖： +12=136，取150mm（5）节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之

24、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。所需焊缝长度为肢背： +20=184.27，取200mm肢尖： +12=165.6，取180mm（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

25、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:+10=+10=59.51mm ,取=65mm上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差 N=619.38-0.0619.38kN偏心距 e =100-24.375.7mm设肢尖焊脚尺寸8mm，设需焊缝长度为480mm，则 （4）节点板尺寸：方法同前，如图13所示图 13 节点板B尺寸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

26、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，取=375mm拼接角钢长度取2375+50800mm（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=1117.3715%1167.6kN，设焊脚尺寸为8mm，弦杆一侧焊缝长度为250 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=5mm焊缝长度40mm，取=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：肢背：，取=100 mm肢尖：，取焊缝长度=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，取=300mm拼接角钢长度不小于2300+12=61