钢结构课程设计-钢屋架设计

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：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：

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（画对称的半根）比例：1:20或1:30或自定

上、下弦杆俯视图比例：1上0或1:15

必要的剖面图（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）

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。

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,20048

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.

5.周俐俐，姚勇等编著.土木工程专.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.

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.

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.

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：

星期一完成橡条设计,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

电子档计算书,其余三天画施工图,最后一天校核施工图及计算书.

任务下达日期:2012年12月7日

任务完成日期:2012年12月15日

指导教师（签名）：学生（签名）：

指导教师（签名）：学生（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，先进行屋架楝条设计和支撑布置,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，通过对有檄体系的三角形屋架的设计,

系统的明确了结构设计的方法，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AUTOCAD

制图。从课程设计中，培养设计从业人员应有的理论和素质。

关键词：三角形屋架棵条支撑内力计算截面设计节点

目录

1设计背景.............................................1

1.・设计资料.........................................……

1..屋架形式...........................................

2设计方案.............................................2

2..楝条设”..........................................2

2..屋架支撑.............................................

3方案实施.............................................4

3.1荷载与内力计算.....................................4

3.2杆件截面设计.......................................6

3.3节点设计............................................10

4结果与结论...........................................15

4.1结果...............................................15

4.2结论...............................................15

5收获与致谢..............................................16

5.1收获...................................................16

5.2致谢...................................................16

6参考文献.................................................17

7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。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)

属有楝体系：楝条采用槽钢，跨度为6m,跨中设有一根拉条由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0.20kN/m2

楝条及拉条自重0.20kN/m2

保温木丝板重0.25kN/m2

钢屋架及支撑重（0.12+0.。小跨度）kN/m2

可变荷载：雪荷载0.4kN/m2

屋面活荷我0.40kN/nr

积灰荷载0.30kN/m2

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：=-300=24000-300=23700mm

屋面倾角：

屋架跨中的高度为：

上弦长度：

节间长度：mm

图1

2设计方案

2.1橡条设计

1.根据屋面材料的最大容许楝距，可将楝条布置于上弦节点上（见图1）,楝距为

节间长度。根据楝条跨度为6m,则在梯条的跨中设置一道拉条。

2.选用［18a槽钢截面,由附表8.7查得,WX=141,4cm3,Wy=20cm3,Ix=1272,7cm4o

3.荷载计算

永久荷载（水平投影面上）：

波形石棉瓦自重0.2KN/m2

楝条及拉条自重0.2KN/m2

保温木丝板自重0.25KN/m2

22

永久荷载标准值gd=0.2+0.2+0.25=O.657W/m,q秋=0.65x2.37=1.54/^V//no

可变荷载（水平投影面上）：

雪荷载0.4KN/ni2,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，

因屋面为轻荷载，考虑以可变荷载效应控制的组合，由此可得

q=rGqGk+rQqQk=1.2x1.54+1.4x1.66=4.17KN/府,

coscr=4.17x0.9285=3.87KN。/,

2

^v=^sina=4.17x0.3714=1.55^V/w.

2,强度验算

弯矩设计值（见下图）：

B2）

1

-q

X8-ZX2=-X3.87X62=17.42^-m

8

M=-qf=—xl.55x62=1.74AT^/n

）32力32

橡条的最大应力位于槽钢下翼缘的肢尖处,

%17.42xl061.74xl06

-------------r+----------r=lS9N/mnr。

1.05xl41.4xl031.2x20xl03

3,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。

屋而线荷载标准值为，

v_5qkC_53.2x（6000）3_1[v]_1

Z-384EZT-3842.06X105X1272.7X104-291VE-荻

A

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

一开间两根相邻屋架的腹杆间设置两道垂直支撑（在跨度1/3左右处各一道，见组（3））。

上弦楝条可兼做系杆，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三道刚性系杆（见图

3

3）o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/nr

棵条及拉条自重0.2KN/nr

保温木丝板自重0.25KN/m2

钢屋架及支撑重0.12+0.011x24=0.38KN/m2

2

gGk=0.2+0.2+0.25+0.38=1.03KN/m

2,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

=0.3+0.4=0.7K7V/〃F

3,屋架上弦楝条处的集中荷载

荷载设计值由可变荷载效应控制的组合为

产=（1.2x1.03+1.4x（）.7）x6x2.37=31.5KN

4,屋架杆件内力计算

4

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

图4

杆件名称杆件内力系数内力设计值（KN）

AB-12.12-381.78

BC-11.28-355.32

上弦CD-9.52-299.88

DE-10.53-331.695

EF-10.63-334.845

Ah11.25354.375

下弦hj10.00315

jm6.25196.875

Bh-1.02-32.13

Ch0.8225.83

Cj-1.57-49.455

5

腹杆Dj-1.55-48.825

Dk0.8526.775

Ek-1.03-32.445

Fk5.00157.5

Jk3.75118.125

3.2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，葭=255.3cm;

在平面外，设楝条与支撑的交叉点不相连，则。

由，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，查附录4.2,得，需要的截面积：，

,,根据需要的A,,o由直角钢规格表（附录8.4）,选用21-140X90X10,

A=44.52,=2.561cm,=6.77cm,

4〃=14<0.56/“34=0.56X765.9/16=26.8,

取2=/l=%=&2=113.13<[4]二150,

>>（6.77

截面在x和y平面属于b类，>，取==113.13,得=0.475,

则整体稳定性：

6

,满足要求，故所选截面满足要求。

2,下弦杆

由

图6下弦截面

整个下弦也采用同一截面，按最大设计值计算，，，因屋架下弦在跨中央设有一道通

长的系杆,因此取。

此中354380IN板

则nilA4=―^-=------=16.48。川~2

f215

选用2L90X56X6短肢相连的T形截面，由型钢表查得,A==17.11,

验算强度和刚度：

A=k=^2Z^=3i5<[2]=350,4，=£=1^=263<M]=35O,

Xx•

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，=343.7cm,=3437X

2=687.4cm<)

由于NF杆受力较大，取。

由附录8,选用2L56X4的等边角钢组成的T形截面，查得

A=An=8.78cm2,,

以下验算强度和长细比：

157522

A==179A^/mm<f=2\5N/mm,

4878

=199<[/l]=350,

ix1.73

L687.4=257<[A]=350,

因此所选的2L.56X4的角钢满足要求。

7

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c按最大设计内力设计

N=-49.45KN,l=287an,L,=0.9/=0.9x287=258.3cm.

设4=100,查附表4.2,夕=0.555,单角钢单面连接时强度折减系数为

yr=0.6+0.00152=0.6+0.0015x100=0.75.由此可得

J=258.349450

=2.58A=----=5.53cm2

100*r0.555x215x0.75

由附表8.1,可选用J100X6等角角钢，由此可知

A=11.932cnr,zw=2.004c/«.

%=至足=128.89V［制=150,满足要求，

小2.004

yr=0.6+0.0015x128.89=0.79,查表可知方=0.393

N49450.、

整体稳定性：一=-----———=105N/<yf=0.79x215=170N/

(pA0.393x1193.2R"

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「56X4单角钢，并按受拉支撑验算其长细比,

iyo=\AlcmJo=0.9/=0.9x474=426.6cm.

L二当“384.3<团=400

〃1.11

故满足要求。其余截面杆件选择见下表

H-

计算长度容许

杆件长细比

内力设(min)截面面长细计算应

件杆件受

计值选用截面积A比0min力b

名编号力

(kN)(cm2)(N/mm2)

称类囚

1<»A4

型

AB.BC、

1.CD,DE、压

-381.8255376592L140x90x1044.5210()113.11500.475181

弦EF、杆

8

下拉

Ah、hjsjm354.44976118502L90x56x617.11315263350一207

弦杆

拉=235.1

Dk,、Ch26.8—*一L45x43.49350一76.8

杆

拉

Fk.、Bk157.5343768742L56x48.781992571350一179

杆

腹

杆Q、Dj-49.5一一L100x611.93=128.91500.393105

杆

压

Bh、Ek-32.4—•―-L56X44.39儿=113.11500.475156

杆

零

Fm0—■L56x44.39人。=384.3400一—

杆

3.3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

图7

腹杆Fk与节点板的连接焊缝，查表得（以下同），取肢背和肢尖的焊脚尺寸均

为4m%则杆端所需的焊缝长度分别为

肢背仆配+8一%—+8J75由5x1*8=140〃〃〃,

1ulv

2x0.7x/?/.1/；2x0.7x4x160

。0.25x157.5xlO3

肢尖+8=-+--8-=--5-2-m--m-,-取--60mm

2x0.7x4x160

拼接角钢采用与上弦杆等截面，肢背处削棱，取，竖肢切去V=t+hf+5=23nim,并将竖

9

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

拼接角钢的总长度

1=2x（4+16）+d=2x（93+16）+9O=3O8mm

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）o

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=（660/2）/-20-16=（660/2）/0.9285-20-16=319mm,取320n叫焊

缝应力应为

===14,

o二。」5M，x6二O.15x334.8xlO194.2x6二24.8%/〃加

’2x0.7%.2xO.7x8x3252

,（>+⑺2=J（卷）2+（14）；=24.7»加<行=160N/〃加

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

图8

屋架跨度24nl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中最大内力计算。

设肢背和肢尖的焊脚尺寸均取，则杆端所需的焊缝长度分别为肢背：

10

故4取70mmo

肢尖=43燕燃磊

=33/〃/〃

故按构造取40nm1。

弦杆与节点板的连接焊缝按弦杆内力与的内力差计算，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++5=17mmc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

Af_17J1X1Q2X215

=137/切"

V-

4XO.7X/2Z/；4x0.7x6x160

拼接角钢所需总长度为H2（4+角）+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橡条传来的集中荷载（节点荷载）F,取节点板缩进肢背8n叫

=t/2=5mm,则

31.5x10'

F2

%~4x2x0.7〃/“-1.22x2x0.7x4x(800-10)=5.8N/〃〃/<0.8/=128N/mm技尖与

节点板的焊缝承受弦杆的内力差为

△N二N。〃一二31.SkN

II

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,=10为便于施焊，取下弦轴

线至支座底板上表面的距离为160mm,并设置医12所示加劲肋。

图9

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=6mm和=4咖，则所

需焊缝长度为：

肢背：二+12=+12=+12=210mm

故(取210nlm。

肢尖：=+8=+3=+8=107mm

故按构造取HOmmo

上弦杆端与节点板的焊缝，由于焊缝长度较大，可不必计算，按构造要求即可。

(1)支座底板计算。

支座反力为

R=5F=5X31.5=157.5M

支座底板尺寸取aXb=250mmX250mm,采用M22锚栓，并用图示U形缺口，

柱顶混凝土的抗压强度为：

o=—=157'XM)=25f=10N/inm2

An250x250"

12

底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算。支座节点板和加劲肋将支座底板分成四

块，每块板均为两相邻边固定支撑而另两相邻边自由的板。

两支撑边之间的对角线长度为：

《二J（125—与）2+（125—学）2二17011111]

两支撑边之间的交点到对角线的垂直距离为：

b、=ci\I2=85mm

/=85/170=0.5,查表得二0.058,

M=/3qa；=0.058X2.5X170X170=4190.5N・mm

底板所需厚度（按厚度t在16-40范围取值）：

故取t=20mm

（2）加劲肋与节点板的连接焊缝

加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似，如图12所示。

=!

图10

假定一块加劲肋的受力为屋架支座反力的1/4,即

V=R/4=1*57^5=39.4M

4

\i=Vg=12,5~05x39.4=236.4W

2

加劲肋厚度采用10m叫焊脚尺寸取6mm,焊缝计算长度为=180-6X

13

2-15=153mm

则焊缝应力为:

1(6MYKV}

2x0.7//)+2XO.7/7/J

l(6x236.4x104239.4x8

V1.22x2x0.7x6xl5322x0.7x6x153

二66.6N/"加</；=60N/〃加

加劲肋、节点板与支座底板的连接焊缝。图12所示切口宽度为15mm,两条节点板

和四条加劲肋焊缝的总长度为：

(250-12)+4(125-6-15-12)=868mm

R157.5x10-

=35.7N/mm2V/7=160N/mm2

0户0叫£、1.22x0.7x0.6x868

故满足要求。

其余各节点的计算过程从略。

14

4结果与结论

4,1结果

该三角形屋架采用不连接垂直支撑的wji屋架,上弦下弦采用横