钢结构课程设计

《钢结构课程设计》任务书和指导书

------ 钢屋架

一、设计目的

《建筑钢结构课程设计》是土木工程专业的一门专业拓展实践类课程，它是为配合《钢结构》课程而开设的一门专项课程设计，具有较强的实践性。本课程设计主要完成钢屋架结构设计，使学生初步了解结构设计的程序和方法；掌握设计计算的原理和手段；熟悉使用与结构设计相关的规范、规程、标准图和设计计算手册。通过本课程设计，能够促使学生理论联系实际，培养学生的实践能力和动手能力，学会编写结构计算书、绘制结构施工图，为学生将来的设计或施工管理等工作奠定基础。

二、设计基础

1、先修课程

（1）《土木工程制图及计算机制图》 ； （2）《房屋建筑学》 ； （3）《钢结构》 ；

2、基本要求

要求学生在进行本课程设计之前，通过以上专业及专业基础课的学习，能够掌握钢屋架的受力特点；了解屋盖结构的平面布置；了解各种支撑的作用及布置方式；了解屋盖结构平面、立面的关键尺寸；掌握屋盖结构的荷载类型及其计算；掌握钢屋架构件和节点的选型、设计计算以及构造；掌握钢屋架结构施工图的绘制方法。

三、设计任务

（一）课程名称

人字形钢屋架设计

（二）设计资料

1、工程规模：单层单跨封闭式工业厂房，长度96m，屋架铰支于钢筋混凝土柱上；屋架跨度为32m，屋面离地面高度约20m，屋架间距12m。

2、屋面做法：屋面材料为压型钢板；屋面坡度为1/10，轧制H型钢檩条的水平间距为5.3m（端节点5.25m），无天窗

3、自然条件：基本风压0.5KN/m2，基本雪压0.20KN/m2。地面粗糙类别为B类，也可根据具体情况选取。 4、材料选用：

（1）屋架钢材采用《碳素结构钢》GB/T700-1988规定的Q235B级镇静钢或沸腾钢。当工作温度等于或低于-200C时，应采用Q235B级镇静钢。

（2）焊条采用《碳钢焊条》GB/T5117-1988中规定的E43型焊条。 （3）普通螺栓应采用性能等级为4.6级C级螺栓。锚栓采用《碳素结构钢》GB/T700-1988规定的Q235级钢制成。

（4）角钢型号按《热轧等边角钢尺寸、外形、重量及允许偏差》GB/T9787-1988和《热轧不等边角钢尺寸、外形、重量及允许偏差》GB/T9788-1988选用。 （5）混凝土为C25。

5、结构及各组成构件形式： （1）钢屋架：人字形钢屋架。

（2）屋面板：可按图集《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》01J925-1选用。 （3）檩条及屋盖支撑：可从相关标准图集中选用。

（三）设计内容及要求

1、选定屋架的形式、跨度、间距以及屋面做法等（可根据任务书的要求）。依据选材原则选用钢材及焊条。 2、合理布置屋盖支撑体系。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、荷载计算：计算书要涵盖所有可能荷载的计算过程。

4、确定计算简图，进行内力计算：采用图解法、解析法或电算法。

5、内力组合：确定最不利荷载组合，进行内力组合，得到所有杆件的最不利内力。 6、杆件设计：选择杆件的截面形式及尺寸，并满足强度条件、刚度条件、稳定条件等。 7、节点设计：选择一般的上下弦节点，下弦跨中节点，下弦支座节点及屋脊节点进行设计。要在计算书内写出节点设计的过程。 8、绘制结构施工图，提交设计计算书一份。

重点：屋架的内力计算与组合，杆件和节点的设计及计算 ，施工图绘制。 难点：内力组合，标准图的选用。

（四）设计步骤

1、 屋架形式的选定和结构平面布置

选定屋架的形式、跨度、间距等。由结构重要性，荷载特征，连接方法（焊接）及工作温度选用钢材及焊条。合理布置支撑体系，主要考虑上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、垂直支撑、系杆（刚性或柔性）。画出屋盖支撑布置图，并对各榀屋架进行编号。了解支撑的作用，了解变形缝的设置方法。

2、 构件选型

查阅相关标准图集，完成屋盖结构相关构件的选型（包括屋面板、檩条以及支撑等），根据荷载传递，利用图集找到适合自己设计条件的构件代号和有关尺寸、重量等设计参数。

3 、荷载计算

计算屋面活荷载，永久荷载，风荷载，雪荷载，积灰荷载、其他荷载。 4、 单项荷载作用下的结构内力分析

确定计算简图，采用图解法、解析法或电算法对钢屋架进行内力计算：完成屋面恒载、活载、风荷载等各种单项荷载在结构中产生的内力。

5 、最不利内力组合 按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）和《建筑抗震设计规范》（ GB50011-2001）对于荷载组合方式的要求，通过内力组合，求解各杆件的最不利内力。

6 、构件截面设计

包括在最不利内力作用下，上弦杆件、下弦杆件、竖杆及斜杆的截面设计，满足强度条件、刚度条件、稳定条件等要求。注意构造要求，节间荷载引起的局部弯矩，节点刚性引起的次应力，杆件的内力变号等问题。

7、 节点设计

选择一般的上下弦节点，下弦跨中节点，下弦支座节点，屋脊节点以及杆件拼接节点进行设计。

8 、结构施工图绘制：

要求图名、图幅、图例、符号、文字及尺寸的标注符合《房屋建筑制图统一标准》（ GB／T50001-2001）及《建筑结构制图标准》（GB/T50105-2001）的基本要求；内容充实，安排合理。内容应包括：

（1）屋架简图，左半跨标明杆件长度，右半跨注明杆件最不利内力。 （2）屋架正面图，上、下弦平面图。 （3）侧面图，剖面图 （4）零件详图。 （5）材料表。 （6）说明。

（五） 设计时间安排

本课程设计总时间为一周，设计进度安排详见表 1 所示。

（六）参考资料

1、钢结构设计规范（GB50017-2003）； 2、建筑结构荷载规范（GB50009-2001）； 3、建筑结构制图标准（GB/T 50105-2001）； 4、房屋建筑制图统一标准 GB／T50001-2001 5、钢结构工程施工质量验收规范 GB50205-2001 6、建筑钢结构焊接技术规程 JGJ81-2002

7、其他有关规范、标准、图集、设计手册及教材。如图集《1.5m×6m预应力混凝土屋面板》04G410-1～2。图集《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》01J925-1等。

四、考核

（一） 能力培养要求

本课程设计主要锻炼学生的动手能力，即综合运用已有专业知识基础，分析和解决土木工程实际问题。学生完成本课程设计后，应该对相关的结构设计规范和标准图集的框架和内容有所了解和掌握，能够熟练运用已学的专业知识，借助结构设计规范和标准图集，独立完成钢屋架的结构设计和计算，并绘制规范、明晰的结构施工图，结构施工图的内容能够清晰表达自己的设计思路和设计意图。

（二） 设计说明书的要求

3

按照前面所述的设计步骤，完成一份完整的钢屋架结构设计说明书，所要包含的主要内容有：

1、设计资料

2、结构及构件选型 （1）钢屋架的选型。

（2）屋面板的型号及自重。 （3）檩条型号及自重。 （4）屋盖支撑及自重。 3、 荷载计算 （1）永久荷载

屋面永久荷载，屋盖支撑重，屋架自重，檩条自重； （2）屋面可变荷载 ① 屋面均布活荷载。 ② 雪荷载：由于降雪时一般不会上屋面进行施工或维修，因此设计时雪载和屋面均布活荷载不必同时考虑，仅选用两者中的较大者。

③ 屋面积灰荷载。 （3）风荷载

（4）其他荷载：如悬挂荷载等，根据实际要求考虑。 4、 钢屋架的内力分析 5、 内力组合 6、 杆件截面设计 （1）拉杆截面设计

选择合理的截面形式，根据内力组合表中最不利的一组内力，按强度条件、刚度条件进行计算。

（2）压杆截面设计

选择合理的截面形式，根据内力组合表中最不利的一组内力，按强度条件、刚度条件和稳定条件进行计算。 7、节点设计

（1）一般的上下弦节点 （2）有集中荷载作用的节点 （3）下弦跨中节点 （4）下弦支座节点

（5）屋脊节点以及杆件拼接节点

（三）设计图纸的要求

结构施工图要求能够清晰表达设计者的设计思路和设计意图，图纸干净整洁，内容丰富，图面丰满美观，符号和标注符合建筑制图的一般规定；图纸可以手绘或计算机绘制；图纸采用A2 图纸绘制。 结构施工图包括：

1、屋架简图：左半跨标明杆件长度，右半跨注明杆件最不利内力。

2、屋架正面图，上、下弦平面图，侧面图及剖面图：应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。

3、零件详图：清楚地表达细部构造要求。

4、材料表：注明所有零件的规格、尺寸、数量及重量等信息，编号按主次、上下、左右的顺序逐一进行。

5、说明：具体说明所用钢材的钢号、焊条型号、焊接方法和质量要求，以及防腐、防火、运输、加工等内容。

（四）考核方法

要求勤学好问、遵守纪律、独立完成；计算正确，书写工整；总评成绩分为优、良、中、及格和不及格五个等级，按照计算书成绩、图纸成绩以及质疑三个方面综合评定。计算书占30％，图纸成绩占30％，质疑占40%。建议质疑方式：当面质疑。 优：良：中：及格与不及格的比例原则上为 15%：30%：30%： 25%。

注意：一旦发现抄袭现象，或结构施工图绘制形式、内容等未达到制图标准和设计内容的要求，当事人没有权利获得本课程设计的学分。

五、设计说明书和计算书

1、屋架尺寸，支撑布置 （1）屋架计算跨度：L0=L－300=32000－300=31700mm，端部及中部高度均取作2000mm。支撑布置如图2。

（2）屋架杆件几何长度及内力设计值计算：

屋面坡度为1/10，由比例关系（如图）及勾股定理得杆件①的几何长度为： mm

同理可算出其他杆件的几何长度，结果如图1所示

5

112b2

图2 屋盖支撑布置

（a）上弦平面支撑 （b）下弦平面支撑 （c）屋架跨中垂直支撑 （d）屋架端部垂直支撑

2、荷载、内力计算及内力组合

（1）永久荷载（水平投影面）

压型钢板 0.15× =0.151 KN/m2

檩条（约为0.5kN/m） 0.10KN/m2 屋架及支撑自重 0.01L=0.01×32=0.32 KN/m2

合计 0.571 KN/m2

（2）因屋架受荷载水平投影面积超过60㎡，故屋面均布活荷载取为（水平投影面）0.3 kN/㎡，大于雪荷载，故不考虑雪荷载。 （3）风荷载：风荷载高度变化系数为1.25，屋面迎风面的体形系数为–0.6，背风面为–0.5，所以负风压的设计值（垂直于屋面）为

迎风面：ω1=–1.4×0.6×1.25×0.50=–0.525 kN/㎡ 背风面：ω2=–1.4×0.5×1.25×0.50=–0.4375 kN/㎡

ω1和ω2垂直于水平面的分力为超过荷载分项系数1.0时的永久荷载，故将拉杆的长细比依然控制在350以内。

（4）上弦节点集中荷载的设计值由式（1.29）可变荷载效应控制的组合为： Q=（1.2×0.571+1.4×0.30）×5.3×12=70.29 kN （5）内力计算

跨度中央每侧各两根腹杆按压杆控制长细比，不考虑半跨荷载作用情况，只计算全跨满载时的杆件内力。

因杆件较少，以数解法（截面法、节点法）求出各杆件内力，计算过程如下

求支座反力：YA =YB=3Q=3×70.29=210.87KN

∑X=0 P1+P2=0

∑Y=0 P1－P2+210.87—35.145=0

求得P1=－219.7KN P2=274.6KN

同理可求得其它杆件的内力，其结果如图1所示。 3、杆件截面选择

腹杆最大内力N=–336.7 kN，因本屋架最大内力所在节点无竖腹杆又无加劲肋加强，应将最大压力乘以1.25（等于–421kN），查表7.4，选用中间节点板厚度t=10mm。 （1）上弦

7

整个上弦不改变截面，按最大内力计算。Nmax=－775.8KN，L0X=LOy=532.6cm。选用TM220×300×11×1876.95cm2，ix=5.90cm，iy=7.26cm，z0=4.09cm。

λx= = =90.27<[λ]=150

λy= λ

= =73.36<[λ]=15

yz= （ ）

222

其中： =（z0－ ）=（4.09－1.8/2）=10.18cm 222 = =10.18+5.09+7.26=97.70cm

= =2497.7

由 查得ψx=0.621（b类）

σ=

=

N/mm2

（2）下弦

下弦也不改变截面，按最大内力计算。Nmax=835.93KN，L0X=532.6cm， LOy=5.3×3=1590cm。

选用TW150×300×10×15，A=59.23cm2，ix=3.67cm，iy=7.55cm，z0=2.47cm。

（3）斜腹杆

①杆件a—2：N=+274.6KN，L0X=LOy=312.9cm。 选用2L75×50×8（长肢相并），A=9.47×2=18.94cm2，ix=2.35cm，iy=2.27cm。

填板放两块，

②杆件b—2：N=－336.7KN，L0X=0.8L=0.8×348.6=278.9cm，LOy=L=348.6cm。 选用2L100×7，A=13.8×2=27.6cm2，ix=3.09cm，iy=4.46cm。

因为

所以按式（4.15）有：

λx>λ

yz，由λx查附表

4.2有：ψx=0.621（b类）

填板放两块， 。

③杆件b—3：N=+168.8KN，L0X=0.8L=0.8×316.7=253.4cm，LOy=L=316.7cm。 选用2L50×6，A=5.69×2=11.38cm2，ix=1.51cm，iy=2.48cm。

填板放两块，

④杆件c—3：N=－184.6KN，L0X=0.8L=0.8×316.7=253.4cm，LOy=L=316.7cm。 选用2L100×7，A=13.8×2=27.6cm2，ix=3.09cm，iy=4.46cm。

因为

所以按式（4.15）有：

9

λx=82>λyz=77.9，由λx查附表4.2有：ψx=0.675（b类）

填板放两块， 。

⑤杆件c—4：N=+53.8KN，L0X=0.8L=0.8×316.7=253.4cm，LOy=L=316.7cm。 选用2L63×8，A=19.02cm2，ix=1.9cm，iy=3.03cm。

填板放两块， 。

⑥杆件d—4：N=－58.88KN，L0X=0.8L=0.8×348.6=278.9cm，LOy=L=348.6cm。 选用2L70×5，A=13.76cm2，ix=2.16cm，iy=3.24cm。

因为

所以按式（4.15）有：

λx=129.1>λ

yz=111.6，由λx查附表

4.2有：ψx=0.392（b类）

填板放两块， 。

⑦杆件d—5：N=+166.37KN，L0X=LOy=0.9L=0.9×200=180cm。 选用2╅50×5，A=4.80×2=9.6cm2，i=1.92 cm。

填板放两块， . 屋架杆件截面如表1所示：

填板数（每节间） － － 2 2 2 2 2 3 2

杆件 名称 ψmin 杆 件 号 内力设计计算长度（m） 选用 值N（KN） 截面 杆件 受力 类型 长细比 容许长细比[λ] 截面积A（cm2） λx λy (λyz) 73.36 (76.20) 0.621 162.3 150 计算应力（N/mm2） 杆件端部的角钢肢背和肢尖缝焊（mm）

L0X 5.326 76.95 压杆 Loy 上弦杆 a－b －219.7 b－c －634.2 c－d 拉杆 －775.8 TM2205.326 ×300×11×18 90.27 － 下弦杆 1－2 0 2－3 497.36 5.326 TW150 ×30015.90 ×10×15 59.23 195.1 210.6 － 141 350 － 4、节点设计

由于上弦杆腹板厚度11mm,下弦杆腹板厚度10mm,故支座节点和中间节点的节点板厚度均取用10mm。

（1） 下弦节点“2”（图3）

3.129 18.94 拉杆 压杆 拉杆 压杆 19.02 拉杆 27.6 11.38 27.6 2.789 2.534 2.789 2.534 3.486 100×7 3.167 63×8 3.167 50×6 3.486 100×7 3.129 75×50×8 133 90.3 167.8 82 133.4 138 78.2 (84.4) 127.7 71 (77.8) 104.5 － 0.621 － 0.675 － 145 196.4 148.3 99.1 28.3 350 150 350 150 350 8—120 6—90 8—80 6—60 8—90 6—60 8—70 6—50 3.486 70×5 ╃50×5 13.76 9.60 0.9×2.0=1.8 压杆 拉杆 129.1 107.6 0.392 (111.6) 93.8 － 109.2 173 150 200 8—70 6—50 8—80 6—60 2.789 3－4 745.3 11

4－5 835.93 斜腹杆 a－2 274.6 b－2 －336.7 8—150 6—100 b－3 168.8 c－3 －184.6 c－4 53.8 d－4 －58.88 竖腹杆 d－5 166.37 先算腹杆与节点板的连接焊缝，a-2杆肢背及肢尖的焊脚尺寸取hf1?8mm,hf2?6mm则所需焊缝长度：

肢背 lw12/3?274.6?103??16?118.2mm，用120mm 2?0.7?8?1601/3?274.6?103??12?80.1mm，用90mm 2?0.7?6?160肢尖 lw2同理计算腹杆b-2和b--3的杆端焊缝，肢背用8-150，肢尖用6-100。其计算过程如下：

23?336.7?103 b - 2: 肢背 Lw1 = +16=141.3mm，用150mm

2?0.7?8?16013?336.7?103 肢尖 Lw2= +12=95.5mm，用100mm

2?0.7?6?16023?168.8?103 b - 3: 肢背 Lw1 =+16=78.8mm， 用80mm

2?0.7?8?16013?168.8?103 肢尖 Lw2= +12=53.8mm，用60mm

2?0.7?6?160验算下弦杆与节点板连接焊缝，内力差?N?497.36KN,由斜腹杆焊缝决定的节点板尺寸，量得实际节点板长度是60cm，对接焊缝长度60cm，（加引弧板施焊），厚度10mm

。

此

对

接

焊

缝

承

受

剪

力

V?497.36KN弯矩

M?497.36?(15?2.47)?6232KN?cm

1.5V1.5?497.36?103剪应力 ????124Nmm2?fvw?125Nmm2

lwt600?10M4158?104弯曲应力 ????103.9Nmm2?fvw?185Nmm2

1W?10?60026（2）上弦节点“b”（图4）

此上弦节点连接b—2和b—3两根腹杆，经算得b—2杆端焊缝为：肢背8—150，肢尖5—100。而b—3杆端焊缝为：肢背8—80，肢尖6—60。由于上弦杆腹板较宽，经用大样图核实，此节点可以将腹杆直接焊在腹板上，而不必另加节点板。

图3

图4

上弦节点“c”的构造与节点“b”类似。 c - 3: 肢背 Lw1 =

23?184.6?103+16=84.7mm, 用90mm

2?0.7?8?16013?184.6?103 肢尖 Lw2= +12=57.8mm， 用60mm

2?0.7?6?160 c - 4: 肢背 Lw1 =

23?53.8?103+16=36mm

2?0.7?8?16013?53.8?103 肢尖 Lw2= +12=25.3mm

2?0.7?6?160因为规定侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm 所以Lw1 取70mm ， Lw2取50mm （3）屋脊节点“b”（拼接节点） 腹杆杆端焊缝计算：

d - 4: 肢背 Lw1 =

23?58.88?103+16=37.9mm，用70mm

2?0.7?8?16013

13?58.88?103 肢尖 Lw2= +12=26.6mm，用50mm

2?0.7?6?160因为规定侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm 所以Lw1 取70mm ， Lw2取50mm d - 5: 肢背 Lw1 =

23?166.37?103+16=77.8mm， 用80mm

2?0.7?8?16013?166.37?103 肢尖 Lw2= +12=53.3mm， 用60mm

2?0.7?6?160弦杆的拼接采用水平盖板和竖向拼接板连接，水平盖板（宽340mm，厚18mm）和竖向拼接板（宽120mm，厚10mm）与T字钢弦杆的翼缘和腹板等强度连接，计算如下：

翼缘焊缝（采用hf=12mm）：

翼

水平盖板长： 腹板焊缝（采用hf=8mm）：

翼 （ ）

竖向拼接板的内侧不能焊接，将其端部切斜以便施焊。竖向拼接板长：

L=2×242＋20=504mm

取520mm，其端部和外侧纵焊缝已超过需要的焊缝长度。 （4）支座节点“a”

弦杆与支座节点板的对接焊缝计算，此焊缝承受：

V?Ne?219.7KN

M?Ne?219.7?(22?4.05)?3944KN?cm 剪应力：

1.5V1.5?219.7?103????82.4Nmm2?fvw?125Nmm2lwt(420?20)?10

正应力：

M???W

?147.9Nmm2?ftw?185Nmm2110?(420?20)2?6

3944?104

计算底板及加劲肋。 底板计算：

支反力 R=210.87KN，fc=9.6N/mm2，所需底板净面积：

210.87?103A??219.66cm29.6

锚栓直径取d=24mm，锚栓孔直径为50mm，则所需地板面积：

3.14?52A?An?A0?219.66??239.3cm24

cm?239.3cm，锚栓垫板采用按构造要求采用地板面积a?b?28?28?784?100?100?20，孔径26mm。底板实际应力：

223.14?52An?784?2?3?5??734.4cm24

734.4?102

10a1?(140?)?2?191mm2

q?210.87?103?2.87Nmm2ab1?1?95.5mm2

b1a1?0.5，查表4.8，??0.056，则：

22M??qa?0.056?2.87?191?5863N?mm 1

所需底板厚度：

t?

6M6?5863??13.1mmf205

按构造取t=20mm。底板尺寸为－280×280×20。

加劲肋与节点板连接焊缝计算：

一个加劲肋的连接焊缝所承受的内力取为：

R70.29?3??52.7244

13.5M?Ve?52.72??355.9KN?cm2

V?加劲肋高度、厚度取与支座节点板相同，断面为－316×135×10。采用hf=6mm，验

算焊缝应力，焊缝计算长度 。

对V

15

52.72?103?f??23.78Nmm2?0.7?6?264

对M

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6?355.9?1042?0.7?6?2642?36.5Nmm2

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2节点板、加劲肋与底板连接焊缝计算：

取 ，实际的焊缝总长度：

?l?2?28?2?(28.2?2)?12?0.6?96.8cm

焊缝设计应力：

210.87?103?52Nmm?1.22?160?195.2Nmm2 ?f?0.7?6?968人字形屋架施工图如下

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