钢屋架课程设计

钢结构课程设计

学院：建筑工程学院

班级： 学号： 姓名：

指导老师：

2012.05.27

钢结构课程设计——钢屋架设计

一、设计资料

1、某车间的跨度27m，柱距为6m，厂房总长度为240m，屋面采用1.5m6m的预应力钢筋混凝土大型屋面板（屋面板不考虑作为支撑用），屋面的坡度为

i1/10。

2、屋架采用梯形钢屋架，其屋架支承于钢筋混凝土柱顶。 3、屋架的计算跨度：L0L20.1527-20.15=26.7m 4、屋架的中间高度：H=3.340m 5、在26.7m的两端高度为：h0=2.005m 6、在27m轴线处端部高度为：h0=1.990m

7、混凝土强度等级为C25，钢材采用Q235-B级，焊条采用E43型，手工焊。 8、根据车间长度、跨度及荷载情况，在车间两端5.5m开间内布置上下弦横向水平支撑，在设置横向水平支撑的同一开间的屋架两端及跨中布置三道竖向支撑，中间各个屋架用系杆联系，在屋架两端和的上、下弦设三道通长系杆，其中：上弦屋脊节点处及屋架支座出的系杆为刚性系杆（图2）。

柱网布置图

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）

备注：某车间所设计的屋盖无吊车、无天窗、无振动设备，不必进行有关这些的计算。

二、结构形式与布置

屋架形式及尺寸如下图所示:

三、荷载计算

荷 载 计 算 表

荷载名称 预应力混凝土大型屋面板 三毡四油绿豆砂 找平层20mm厚 保温隔热层 支撑重量 屋架自重 永久荷载总和 屋面活荷载 积灰荷载 可变荷载总和 标准值（kN/m2） 1.4 0.45 0.4 1 0.07 0.12+0.011×27=0.417 3.737 0.7 0.8 1.5 设计值（kN/m2） 1.4×1.2＝1.68 0.45×1.2＝0.54 0.4×1.2＝0.48 1×1.2＝1.2 0.07×1.2＝0.084 0.417×1.2＝0.50 4.48 0.7×1.4＝0.84 0.8×1.4＝0.96 1.8 设计屋架时应考虑以下三种荷载组合情况： （1）第一种荷载组合：全跨永久荷载+全跨可变荷载

全跨节点永久荷载及可变荷载：

F(4.481.8)1.5656.52kN

（2）第二种荷载组合：全跨永久荷载+半跨可变荷载

全跨节点永久荷载：

F14.481.5640.32kN

半跨节点可变荷载：

F21.81.5616.2kN

（3）第三种荷载组合：全跨屋架（包括支撑）自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载:

全跨节点屋架自重：

F3(0.500.084)1.565.256kN

半跨节点屋面板自重及活荷载：

F4(1.680.84)1.5622.68kN

备注：上述三种荷载组合，其中（1）、（2）种组合为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。

四、内力计算

屋架在上述3种荷载组合作用下的计算简图如下图三个图所示。

用电算先解得F=1的屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨、右半跨），

F/234901990FFFFFFFFFFFFFFFFFF/2F/2F2F2F1F1F1F1F2F1F1F1F1F1/2F2/2F2F2F2F2F2F1F1F1F1F1F1/2F1F1F1F134901990F4F4/2F3F3F3F4F4F4F3F3F3F3F4/2F4F4F4F4F3F3F3F3F3F3F3F3F3/2F3F31990

然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果详细见表：

架杆件内力组合表

杆件名称内力系数（F=1）全跨①ABBCCDDEEFFGGHHIIJabbccddeaBBbbDDccffGEfGdHgdggJAaCbEcFfHdIgJe0-9.97-9.97-15.8-16.38-16.38-18.67-19.17-19.175.3613.3118.2417.81-10.057.95-6.474.61-3.5-2.690.790.720.671.151.-1-1-1.5-1-1.5-10左半跨②0-7.5-7.5-11.3-11.9-11.9-11.9-12.4-12.44.119.7812.199.9-7.715.83-4.432.81-1.29-0.490.73-0.750.672.913.-1-1-1.5-1-1.5-10内力组合值第二种组合第三种组合F3×①+ F4×③0-122.71 -122.71 -210.51 -213.55 -213.55 -290.46 -293.08 -293.08 63.55 170.20 268.01 318.14 -119.28 101. -91.84 75.26 -80.99 -76.74 4.15 45.52 3.52 -43.85 -39.96 -5.26 -5.26 -7.88 -5.26 -7.88 -5.26 00-613.72 -613.72 -984.06 -1016.84 -1016.84 -1192.60 -1220.86 -1220.86 328.22 823. 1153.88 1167.00 -615.49 492.26 -406.99 297.01 -242.53 -196.75 44.65 计算杆内力(kN)上弦下弦斜腹杆右半第一种组F×①+ F1×①+ F3×①+ 跨③合F×①1F2×②F2×③F4×②00000-3.1-563.50 -523.49 -613.72 -222.50 -3.1-563.50 -523.49 -613.72 -222.50 -5.62-3.02 -820.28 -984.06 -339.56 -5.62-925.80 -853.22 -1016.84 -355.99 -5.62-925.80 -853.22 -1016.84 -355.99 -8.48-1055.23 -945.55 -1192.60 -368.02 -8.48-1083.49 -973.81 -1220.86 -381.99 -8.48-1083.49 -973.81 -1220.86 -381.99 1.56302.95 282.70 328.22 121.39 4.42752.28 695.10 823. 291.77 7.591030.92 932.91 1153.88 372.34 9.91006.62 878.48 1167.00 318.14 -2.93-568.03 -530.12 -615.49 -227.69 2.65449.33 414.99 492.26 174.01 -2.55-365.68 -332. -406.99 -134.48 2.25260.56 231.40 297.01 87.96 -2.76-197.82 -162.02 -242.53 -47.65 -2.76-152.04 -116.40 -196.75 -25.25 044.65 43.68 44.65 20.71 1.840-2.2-2.2000000040.69 37.87 65.00 106.82 -56.52 -56.52 -84.78 -56.52 -84.78 -56.52 016.88 37.87 93.51 135.17 -56.52 -56.52 -84.78 -56.52 -84.78 -56.52 070.50 37.87 29.36 71.18 -56.52 -56.52 -84.78 -56.52 -84.78 -56.52 0-13.23 18.72 72.04 92.49 -27.94 -27.94 -41.90 -27.94 -41.90 -27.94 0-13.2370.50 37.87 -43.8593.51 -39.96135.17 -56.52 -56.52 -84.78 -56.52 -84.78 -56.52 0竖杆

五、杆件设计

（1）上弦杆

整个上弦采用等截面，按IJ、JK截面最大内力进行设计：

内力N=-1220.86kN

上弦杆计算长度：

在屋架平面内：为节点间轴线的长度：

lox=150.7cm

在屋架平面外：

根据支撑布置和内力变化变化情况，取loy为支撑点间的距距离

因为loy=3lox，故截面宜选用两个不等肢角钢短肢相并（如loy=150.73=452.1cm，

图所示）。腹杆最大内力，N=615.49kN，查表可知，节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。设=60，查表可知 =0.807 所需面积 A=

1220860N=7036.45mm2 需要的回转半径： f0.807215ix=

lox150.7loy452.1==2.51cm iy===7.54cm 6060根据所需要的A，ix，iy查角钢表，选用2L180×110×12，肢背间距a＝12mm，则A＝67.42cm，ix 3.10cm，iy 8.74cm

按所选角钢进行验算： x2lox150748.61 ix31.0loyiy452151.73 87.4y满足长细比≤[]＝150的要求。

由于yx，只需求y。查表y＝0.847，则

1220860N213.79N/mm2<215N/mm2 =

yA0.8476742所以所选用的截面2L180×110×12符合上弦杆的要求。上弦截面如图所示：

（2）下弦杆

整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的de杆计算。

N1167kN1167000N

lox4500mm，loylox26700213350mm

（因跨中有通长系杆），所需截面积为:

AN11670005427.9mm254.28cm2 f215选用2L180×110×10，因loy〉〉lox，故用不等肢角钢，短肢相并。

A＝56.8cm2>54.28cm2，ix3.13cm，iy8.71cm

xylox450143.77350 ix3.13loyiy1335153.27350 8.71N1167000 205.46MPa215MPa A5680选用截面满足要求。下弦截面如图：

（3）端斜杆aB

杆件轴力：N615.49kN615490N

计算长度：loy=lox=253.0cm，因为loy=lox，所以采用不等肢角钢长肢相并，使得ix和iy相近，故选用2L160×100×10。

截面几何特征：A=50.63cm2 ix=5.14cm iy=4.12cm

x=

loy253lox253.049.22<[]=150，y====61.40<[]=150 5.14iy4.12ix查表0.802

=

615490N151.58N/mm2<215N/mm2 =

A0.8025063选用2L160×100×10作为端杆aB满足要求。上弦截面如图所示：

（4）腹杆cf-fG

腹杆cf-fG在f节点处不断开，采用通长杆件。

Ncf242.52kN,NfG196.75kN

再分式桁架中的斜腹杆，在桁架平面内的计算长度取节点中心间距

lox2083mm，在桁架平面外的计算长度：

l0yl1(0.750.25N2196.75)4166(0.750.25)10139.3mm N1242.522选用2L160×12，查角钢规格表得

A＝74.cm，ix4.95cm，iy7.03cm

loy10139.3lox2083x42.08150， y144.23 150

ix49.5iy70.3由于yx，只需求y。查表y＝0.332，则:

=

242520=97.54N/mm2<215N/mm2

yA0.33274N=

所以所选用的2L160×12的角钢符合截面要求。 （5）竖杆Ec

N84.78kN84780N

lox0.8l0.8259207.2cm，loy259cm

由于杆件内力较小，按[]150选择，需要的回转半径为

ixlox207.21.38cm []150loy[]2591.73cm 150iy查型钢表，选截面的ix和iy较上述计算的ix和iy略大些。选用2L63×10，其几何特性为：

A＝23.3cm，ix1.88cm，iy3.07cm

x=

2lox207.2==110.2<[]=150 1.88ixloy259==84.36<[]=150 iy3.07 y=

由于x>y，查表可知x=0.516

=

84780N==70.49N/mm2<215N/mm2 xA0.5162331所以选用的截面2L63×10符合要求 其它杆件的截面选择具体请详见附表：

屋 架 杆 件 截 面 选 择 表

六、节点设计

采用E43焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值ffw=160Mpa。 1.下弦节点“b”

设bB杆的肢背和肢尖焊缝hf8mm和6mm，所需焊缝长度为： 肢背l1：

K1N0.65492.26103l12hf28194.55mm w20.7hf1ff20.78160肢尖l2：

K2N0.35492.26103l22hf26140.19mmw20.7hf2ff20.76160取l1210mm，l2155mm。

设bD杆的肢背和肢尖焊缝 hf8mm和6mm，所需焊缝长度为： 肢背l1：

K1N0.65406.99103l12hf28163.62mm w20.7hf1ff20.78160肢尖l2：

K2N0.35406.99103l22hf26117.99mmw20.7hf2ff20.76160取l1180mm，l2135mm。

bC杆的内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取hf5mm。

根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间的间隙以及制作、装配等误差，按比例作出节点详图，从而确定节点板的尺寸为280×340mm。下弦与节点板连接到焊缝长度为340mm，焊缝承受节点左、右弦杆的内力差△N＝Nbc-Nabhf6mm，＝823.-328.22＝495.67kN。验算肢背焊缝的强度：

K1N0.65495.67103f116.37N/mm2160mm220.7hflw20.7634026

图11：下弦节点“b”

2.上弦节点“B”

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。斜杆Ba与节点板连接焊缝计算：N=-450.4kN。

设aB杆的肢背与肢尖的焊脚尺寸分别为10mm和6mm。所需焊缝长度为 肢背l1：

K1N0.65615.49103l12hf210198.6mm

20.7hf1ffw20.710160肢尖l2：

K2N0.35615.49103l22hf26172.28mmw20.7hf2ff20.76160取l1215mm，l2190mm。 上弦与节点板的连接焊缝验算：

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。槽焊缝作为两条角焊缝计算，槽焊缝强度设计值乘以0.8的折减系数。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。上弦肢背槽焊缝内的应力由下面计算得到：

hf111节点板厚实度 126mm,hf26mm。22

肢尖焊缝承担弦杆内力N613.72kN，肢背采用塞焊缝，承受节点荷载

F56.52kN。上弦与节点板间焊缝长度为460mm，则

0.65613720f106MPa

20.76(46012)f5652015.02MPa

20.76(46012)f215.022（）2()1062106.71MPa160MPa ff1.22节点如图:

图12：上弦节点“B”

3.屋脊节点“J”

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=-1220.86kN。设肢尖、肢背焊脚尺寸为10mm。则需焊缝长度为

1220860lw10350.mm,取lw360mm

40.78160拼接角钢长度取800>2×360=720mm

上弦与节点板间的槽焊，假定承受节点荷载，验算略。上弦肢尖与节点板的连接焊缝,应按上弦内力的15%计算。设肢尖焊缝hf10mm,节点板长度为

500mm，节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw(500/21020)220mm。

焊缝应力为：

Nf0.15122086059.46MPa

20.710220Mf60.15122086078.1126.6MPa160MPa 220.710220f215.022（）2()59.46260.72MPa160MPa ff1.22节点形式如图:

图12：屋脊节点“J”

4.下弦跨中节点“e”

跨中起拱 50mm，下弦接头设于跨中节点处，连接角钢取与下弦杆相同截面2L180×110×10，hf8mm，焊缝长度：

1167000N16341.61mm，取lw16w40.7816040.7hffflw=420mm。拼接角钢长度l242010850mm。弦杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力的15%计算。N116715%175.05kN 设肢背、肢尖焊脚尺寸为8mm，弦杆一侧需焊缝长度为 肢背：lw1肢尖lw20.65175.051031270.6mm，取lw1=90mm

20.781600.35175.051031246.19mm，按构造要求，取焊缝

20.78160长度lw260mm，取lw2=60mm

节点板宽度是由连接竖杆的构造要求所决定的，按比例绘出节点详图，从而确定节点板尺寸。

0.65116700080.8MPaffw＝160MPa

20.78（85012）焊缝强度满足要求。 5.端部支座节点“a”

为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取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等，厚度14mm。

（1）支座底板的计算

支座反力： R565200N

设支座底板的平面尺寸采用280mm400mm，如仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，则承压面积为28023465520mm2。验算柱顶混凝土的抗压强度：

R5652008.63MPafc9.6MPa An65520式中：fc－混凝土强度设计值，对C20混凝土，fc9.6MPa。

支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为

四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为：

2M2a2

式中：－底板下的平均应力，即=8.63MPa。 a2－两边支承之间的对角线长度，即a2(140 2－系数，由b2/a2查表确定。

142)1102172.6mm 2b2为两边支承的相交点到对角线a2的垂直距离。由此得：

b2b11013384.884.8mm,20.49172.6a2172.6

查表得2＝0.0546。则单位宽度的最大弯矩为：

2M2a20.05468.63172.6214037.35Nmm

底板厚度：

t6M614037.3519.79mm，取t＝22mm f215所以底板尺寸为28023422mm。 （2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算

焊缝长度等于加劲肋高度，也等于节点板高度。由节点图得焊缝长度为440mm，计算长度lw＝440-12-15＝413（mm）（设焊脚尺寸hf＝8mm），每块加劲肋近似的按承受R/4计算，R/4作用点到焊缝的距离为e＝（140-8）/2＝66 mm。则焊缝所受剪力V及弯矩M为：

R565.2V141.3kN,MVe141.3661039.3kNm

44焊缝强度验算

V6M  220.7hl1.2220.7hlfwfw22141.310369.3106 ＝20.784131.2220.784132 ＝38.9N/mm2＜ffw

满足要求。

（3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算

2 2设焊缝传递全部支座反力R565200N，其中每块加劲肋各传

R/414130N0，节点板传递R/2282600N。

节点板与底板的连接焊缝长度lw2(28012)536mm，所需焊脚尺寸为

hfR/22826003.86mm，取w0.7lwff1.220.75361601.22hf6mm。

每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为所需焊缝尺寸

lw2(110—2012)156mm

hfR/41413006.63mm w0.7lwff1.220.71561601.22所以取hf8mm。 节点形式如图：

图14：端部支座节点“a”

6.节点板计算

（1）节点板在受压腹杆的压力作用下的计算

所有无竖杆相连的节点板，受压腹杆杆端中点至弦杆的净距离c与节点板厚度t之比，均小于或等于10235/fy。所有与竖杆相连的节点板，c/t均小于或等于15235/fy，因而节点板的稳定均能保证。

（2）所有节点板在拉杆的拉力作用下，也都满足要求，因而节点板的强度均能保证。此外，节点板边缘与腹杆轴线间的夹角均大于15°，斜腹杆与弦的夹角均在30°～60°之间，节点板的自由边长度与厚度之比均小于60235/fy，都满足构造要求，节点板均安全可靠。