钢结构课程设计任务书 样板

钢结构课程设计

任务书

级： 名： 号：

年 月 日

班姓学指导老师：

目录

一、设计资料 ................................................................................. 1 二、结构形式及支撑布置 ............................................................. 2 三、荷载计算 ................................................................................. 4 四、内力计算 ................................................................................. 5 五、杆件设计 ................................................................................. 6 六、节点设计 ............................................................................... 10 七、参考资料 ............................................................................... 17 八、附表一 ................................................................................... 18 九、附表二 ................................................................................... 19

一、设计资料

某车间跨度为24m，厂房总长度72m，柱距6m，车间内设有两台300/50kN中级工作制吊车（参见平面图、剖面图），工作温度高于-20℃，无侵蚀性介质，地震设防烈度为6度，屋架下弦标高为12.5m；采用1.5×6 m预应力钢筋混凝土大型屋面板，Ⅱ级防水，卷材屋面，屋架采用梯形钢桁架，两端铰支在钢筋混凝土柱上，混凝土柱上柱截面尺寸为400×400mm，混凝土强度等级为C25，屋架采用的钢材为Q235B钢，焊条为E43型。

屋架形式

荷载（标准值）

永久荷载： 改性沥青防水层

0.35kN/m2

20厚1:2.5水泥砂浆找平层 100厚泡沫混凝土保温层 屋架和支撑自重为 可变荷载 基本风压： 积灰荷载

0.35kN/m2 0.30kN/m2 0.75kN/m2 0.7kN/m2

基本雪压：（不与活荷载同时考虑） 不上人屋面活荷载

0.4kN/m2 0.6kN/m2

1.4kN/m2

预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）

（0.120+0.011L）kN/m2

二、结构形式及支撑布置

桁架的形式及几何尺寸如下图2.1所示

1507

1507

1508

1507

1507

1507

2516

1507

1507

2798

305

13

2494

2233

1950

28

2850

150

1350

30003000

3305

3000

50

12000

图2.1 桁架形式及几何尺寸

桁架支撑布置如图2.2所示

3081

5329

6

图2.2 桁架支撑布置

桁架及桁架上弦支撑布置

桁架及桁架下弦支撑布置

垂直支撑 1-1

垂直支撑 2-2

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

三、荷载计算

屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。由于风荷载为0.35kN/m2 小于0.49kN/m2，故不考虑风荷载

的影响。沿屋面分布的永久荷载乘以cos 1.004换算为沿水平投影面分布的荷载。桁架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式（Pw=0.12+0.011 跨度）计算，跨度单位为m。 标准永久荷载： 改性沥青防水层

1.004x0.35=0.351kN/m2 1.004x 0.4=0.402kN/m2

1.004x 0.6=0.602kN/m2 1.004x 1.4=1.406kN/m2

20厚1:2.5水泥砂浆找平层 100厚泡沫混凝土保温层

预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）

屋架和支撑自重为 0.120+0.011x24=0.384kN/m2 _____________________________

共 3.145kN/m2

标准可变荷载： 屋面活荷载 积灰荷载

0.7kN/m2

0.75kN/m2

_____________________________

2

共 1.45kN/m

考虑以下三种荷载组合

① 全跨永久荷载+全跨可变荷载 ② 全跨永久荷载+半跨可变荷载

③ 全跨桁架、天窗架和支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载 （1）全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载效应控制的组合）

全跨节点荷载设计值：

F 1.35 3.145kNm2 1.4 0.7 0.7kNm2 1.4 0.9 0.75kNm2 1.5m 6m 52.89kN

（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载

全跨永久荷载设计值： 对结构不利时：

F1,2 1.35 m2 1.5m 6m 38.21kN（按永久荷载效应控制的组合）

F1,2 1.2 3.145kNm2 1.5m 6m 33.97kN（按可变荷载效应控制的组合）

2对结构有利时：F1，3 1.0 m 1.5m 6m 28.31kN

半跨可变荷载设计值：

F2,1 1.4 0.7 0.7kNm2 0.9 0.75kNm2 1.5m 6m=14.68kN（按永久荷载效应控制的组合）

F2,2 1.4 0.7 0.9 0.75 kNm2 1.5m 6m=17.33kN（按可变荷载效应控制的组合）

（3）全跨桁架包括支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载（按可变荷载效

应控制的组合）

全跨节点桁架自重设计值：

对结构不利时：F3,1 1.2 m2 1.5m 6m=4.15kN 对结构有利时：F3,2 1.0 0.384kNm2 1.5m 6m=3.46kN 半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：

F4 1.2 1.4kNm2 1.4 0.7kNm2 1.5m 6m=23.94kN

四、内力计算

荷载组合（1）计算简图如图4.1，荷载组合（2）计算简图如图4.2，荷载组合（3）计算简图如图4.3.

图 4.1 荷载组合（1）

图 4.2 荷载组合（2）

图 4.3 荷载组合4.3

由电算先解得F=1的桁架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、走半跨和右 半跨）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见附表1

五、杆件设计

（1）上弦杆

整个上弦杆采用等截面，按FG、GH杆件的最大设计内力设计。

N=788.27kN=788270N

上弦杆计算长度：

在桁架平面内，为节间轴线长度：

lox 150.7cm

在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取：

loy 150.7 3 452.1cm

因为lox=3loy，故宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。

腹杆最大内力N=470.35kN节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度用12mm 设 =60，选用角钢，为b类截面，查表得 0.807。

需要截面积：

A

N778270N 4485.6mm2 2 f0.807 215kNmm

需要的回转半径：

ix

lox

loy452.1cm150.7cm

2.51cm ， iy =7.54cm

60 60

根据需要的A、ix、iy查角钢规格表，选用2∟140×90×10，A 5063mm2，

ix=2.85cm，iy=7.70cm，b1t 16，按所选角钢进行验算：

x

lox150.7cm 52.88 ix2.86cm

∵b1t 16＞0.56loxb1 5.27

loy2t2 b1 160 45212 102

1 3.7∴ yz 3.7 1 4 4 t 52.7b1052.7 160 1

60.26＜ 150

截面x和界面y都为b类截面，由于 x＞ yz，只需要求 y。查表的 y=0.806。

N778270N2

190.72215Nmm＜ 2

yA0.806 5063mm

故所选截面合适。 （2）下弦杆

整个下弦杆采用同一截面，按最大内力设计值设计。

N=779070N

平面内的计算程度和平面外的计算长度分别为：

lox 300cm，loy 1185cm

所需截面面积：

An

N779070N 3623.6mm2 2f215Nmm

选用2∟140 90 10，A 4452mm2，ix=2.56cm，iy=6.77cm，由于loy lox，故用不等肢角钢短肢相并

oy loyiy 6.77cm 175＜ 350

考虑到下弦有2 21.5mm的栓孔削弱，下弦净截面面积：

An 4452mm2 2 21.5 10mm2 4022mm2

所选截面合适。

N779070N22

176.3Nmm215mm＜ 2An4022mm

（3）端斜杆aB

杆件轴力： N=470.35kN=470350N

计算长度lox loy 249.4cm，因为lox loy，故采用不等值角钢长肢相并。使ix iy设 =60，查表得 0.807。

A

N470350N2

2710.9mm2

f0.807 215kNmm

ix lox 249.4cm60 4.16cm选用2∟125 80 10，A 3942mm2，ix 3.98cm，iy 3.31cm，按所选角钢进行验算：

x

lox249.4cm 62.67 ix3.98cm

∵b2t 8＜0.48loyb2 14.96

1.09b24 249.4 1.09 804 1 ∴ yz y 1 22 22 3.31 lt2494 10 oy

80.76＜ 150

截面x和界面y都为b类截面，由于 x＞ yz，只需要求 y。查表的 y=0.683。

N470350N22

174.70Nmm215Nmm＜ 2

yA0.683 3942mm

故所选截面合适。 （4）腹杆He

最大拉力： 21.46kN 最大压力： 97.75kN

按最大压力进行计算，设计计算值为97.75kN。

由于节点板的嵌固作用，桁架平面内的计算长度取0.8lox 0.8 329.5cm 263.6cm，节点板在桁架平面外的刚度很小，故桁架平面外的计算长度仍取节间距离，即

loy l 329.5cm。

设 =60，查表得 0.807

A

N97750N2

563.4mm 2 f0.807 215kNmm

ix 0.8 lox 0.8 60 4.39cm，ix lox 60 5.49cm，选用等肢角钢，

2∟70 4，A 1114mm2，ix 1.96cm，iy 2.94cm，按所选角钢进行验算：

x

lox263.6cm 120.9＜ 150 ix2.18cm

∵bt 15.75＜0.58loyb 0.58 329563 30.3

0.475b4 329.5 0.475 704

∴ yz y 1 1 2222 loyt 2.94 3295 4

119.4＜ 150

截面x和界面y都为b类截面，由于 yz＞ x，只需要求 x。查表的 x=0.433。

N97750

202.6＜215Nmm2 xA0.433 1114

由于腹杆压力大于拉力，故可不比验算拉应力。 故所选截面合适。 （5）腹杆Bb

腹杆拉力设计值为 N=357.85kN

A

N357850N 1664.4mm2 2f215Nmm

选用2∟80 6组成梯形截面，A 1879mm2，ix 2.47cm，iy 3.65cm，按所选截面进行验算：

平面内的计算长度和平面外的计算长度分别为0.8lox 205.5cm，loy 256.9cm，

x

lox205.5cml256.9cm 83.2＜ 350， x ox 70.4＜ 350 ix2.47cmix3.65cm

A 1879mm2＞1664.4mm2

故所选截面合适。 (6)竖杆Ie

竖杆拉力设计值： N=144.39kN

A

N144390N2

671.6mm 2f215Nmm

选用2∟50 4组成十字形截面，A 779mm2，ix 1.54cm，iy 2.43cm，按所选截面进行验算：

平面内的计算长度和平面外的计算长度分别为0.8lox 246.5cm，loy 308.1cm，

x

lox246.5cml308.1cm 160.1＜ 350， x ox 126.8＜ 350 ix1.54cmix2.43cm

A 779mm2＞671.6mm2

故所选截面合适。

其他腹杆：竖杆Aa、Cb、Ec、Gd选用2∟50 4组成的十字形截面，腹杆Db选用2∟140 90 10短肢相并，腹杆Dc、Fd、Hd选用2∟70 4组成的梯形截面，腹杆Fc选用2∟80 6组成的梯形截面。经验算，所选截面都能满足要求。 各杆件的截面的选择见附表2

六、节点设计

（1）下弦节点“b”

52.89

235.31

605.59

有E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压、和抗剪强度设计值ffw 160Nmm2。设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝hf 8mm和6mm，则所需的焊缝长度为：

' 肢背：lw

0.7N0.7 357850N

139.8mm，加2hf后取16cm w2

2heff2 0.7 8mm 160Nmm0.3N0.3 357850N

79.9mm，加2hf后取10cm 2heffw2 0.7 6mm 160Nmm2

'' 肢尖： lw

设“Db”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf 8mm和6mm，所需的焊缝长度为：

' 肢背：lw

0.75N0.75 280260N

117.2mm，加2hf后取14cm 2heffw2 0.7 8mm 160Nmm2

0.25N0.25 280260N

52.1mm，加2hf后取7cm w2

2heff2 0.7 6mm 160Nmm

'' 肢尖： lw

“Cb”杆的内力很小，只需要按构造确定焊缝，取hf 6mm。

根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作和装备等误

差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为310mm 400mm。 下弦与节点板的连接的焊缝长度为400mm，hf 6mm。焊缝所受的左右两下弦杆的内力差为 N 605.39kN 235.31kN 370.08kN，肢背的力最大，取肢背进行计算，则肢背处的焊缝应力为：

0.75 370080N

f 85.2Nmm2＜160mm2

2 0.7 6mm （400-12）

焊缝强度满足要求。 （2）上弦节点B

“Bb”杆与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。

“Ba”杆的肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为hf 10mm和8mm，所需的焊缝长度为：

'

肢背： lw

0.65N0.65 470350N

136.5mm，加2hf后取16cm w2

2heff2 0.7 10mm 160Nmm0.3N0.35 470350N

91.9mm，加2hf后取11cm

2heffw2 0.7 8mm 160Nmm2

肢尖： lw

''

考虑焊缝长度，同时为了在上弦搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm，选择节点板尺寸为295mm 480mm。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来。验算上弦杆的焊缝：

忽略桁架上弦坡度的影响，假定集中荷载F与上弦杆垂直。上弦肢背承受集中荷载，肢尖承受左右弦杆的内力差。

11

槽焊缝的计算焊角尺寸为h'f 节点板厚度 10 5mm ，h''f=8mm

22

由节点板的长度确定槽焊缝的长度为480mm，

fw

105.6mm2<0.8ffw 0.8 160Nmm2 128Nmm2

上弦肢尖角焊缝的剪应力为：

fw

22.6Nmm2<0.8ffw 160Nmm2

故焊缝强度满足要求。 （3）下弦节点“c”

设“Dc”杆的肢背和肢尖焊缝hf 6mm和6mm，则所需的焊缝长度为：

' 肢背：lw

0.7N0.7 186230N

97.0mm，加2hf后取11cm w2

2heff2 0.7 6mm 160Nmm0.3N0.3 186230N

41.6mm，加2hf后取6cm 2heffw2 0.7 6mm 160Nmm2

'' 肢尖： lw

设“Fc”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf 6mm和6mm，所需的焊缝长度为：

' 肢背：lw

0.7N0.7 120380N

62.7mm，加2hf后取8cm 2heffw2 0.7 6mm 160Nmm2

0.3N0.3 120380N

26.9mm，由于焊缝计算长度w2

2heff2 0.7 6mm 160Nmm

'' 肢尖： lw

不得小于8hf和40mm，肢尖焊缝长度取6cm。

“Cb”杆的内力很小，只需要按构造确定焊缝，取hf 6mm。

节点板取265mm 315mm，取hf 6mm，下弦杆与节点板的焊缝长度为315mm，

焊缝受左右弦杆的内力差为 N 759.5kN 605.59kN 153.91kN，受力较大的肢背处的剪应力为：

0.75 153910N

f 45.4Nmm2＜160mm2

2 0.7 6mm （315-12）

焊缝强度满足要求。 （4）下弦节点“d”

设“Fd”杆的肢背和肢尖焊缝hf 6mm和6mm，则所需的焊缝长度为：

' 肢背：lw

0.7N0.7 58020N

30.2mm<8hf 48mm，计算2

2heffw2 0.7 6mm 160mm

长度取48mm，加2hf后取7cm

'' 肢尖： lw

0.3N0.3 58020N

13.0mm <8hf 48mm，计2heffw2 0.7 6mm 160Nmm2

算长度取48mm，加2hf后取6cm

设“Hd”杆的肢背和肢尖焊缝尺寸分别为hf 6mm和6mm，所需的焊缝长度为：

'

肢背： lw

0.7N0.7 39310N

20.5mm<8hf 48mm，计算2heffw2 0.7 6mm 160Nmm2

长度取48mm，加2hf后取7cm

'' 肢尖： lw

0.3N0.3 39310N

8.8mm<8hf 48mm，计算w2

2heff2 0.7 6mm 160Nmm

长度取48mm，加2hf后取6cm。

“Cb”杆的内力为52890N，hf 6mm。

' 肢背：lw

0.7N0.7 52890N

39.3mm<8hf 48mm，焊缝w2

2heff2 0.7 6mm 160mm

长度取6cm，肢尖的力比肢背的小，肢尖焊缝长度取6cm。

节点板取255mm 285mm，由于d点左右两端的拉力值相差不大，可只按构造确定其焊角尺寸为hf 6mm。 （5）下弦节点“e”

腹杆“eH”计算内力为97.75kN，hf 6mm，肢背的焊缝长度为：

'lw

0.7N0.7 97750N

50.9mm，加2hf后取7cm 2heffw2 0.7 6mm 160Nmm2

' 肢尖：lw

0.3N0.3 97750N

21.8mm<48mm，取焊缝长度为6cm。2heffw2 0.7 6mm 160Nmm2

节点板取325mm 270mm。验算下弦节点板的焊缝。

计算内力为0.15 779.07kN=116.86kN，hf 6mm，焊缝长度为270，焊缝肢背

0.75 116860N

肢尖受 40.44mm2＜160mm2，

2 0.7 6mm （270-12）

力较小，不必验算。故焊缝合适。 竖杆“eI”焊缝计算：

的剪应力为： f

mm拉力为144.39kN，取hf 8

''

lw ，

0.3N0.7 14439N

56.4mmw2

2heff2 0.7 8mm 160Nmm

考虑起弧和灭弧，焊缝长度取7cm，肢尖受力较小，按构造确定焊缝长度为6cm。 下弦拼接角钢的总长度为采用与上弦统一钢号的角钢进行拼接，垂直肢截取宽度为t hf 5mm 10 6 5 mm 21mm

A2f

2hf l 2

4 0.7h fw

ff

10 20 mm

1

4452 215

2 2 6 10 20 mm=368 10 20

mm 4 0.7 6 160

拼接角钢的总长度取40cm。

（6）上弦节点“C”、“E”、“G”。

的节点板。焊脚尺寸取6mm，焊缝长度取6cm。连接板的尺寸如上图6.5.1 上弦点“D”，“F”、“H”焊缝尺寸根据下弦节点已经确定。 节点“D”：杆“Db” 肢背：hf 8mm，lw 14cm肢尖：hf 6mm，lw 7cm 杆“Dc” 肢背：hf 6mm，lw 11cm肢尖：hf 6mm，lw 6cm 节点“F”：杆“Fc” 肢背：hf 6mm，lw 8cm肢尖：hf 6mm，lw 6cm 杆“Fd” 肢背：hf 6mm，lw 7cm肢尖：hf 6mm，lw 6cm 节点“H”：杆“Hd” 肢背：hf 6mm，lw 7cm肢尖：hf 6mm，lw 6cm 杆“He” 肢背：hf 6mm，lw 7cm肢尖：hf 6mm，lw 6cm 节点“D”、“F”、“H”所选择的连接板尺寸分别为：230mm 335mm，220mm 255mm，235mm 245mm。 （7）屋脊节点“I”

采用与上弦角钢相同钢号的角钢进行拼接，截取的垂直肢的宽度为：

t hf 5mm 23mm，其中hf取8mm，接头一边的焊缝长度按弦杆的内力计算。

一条焊缝所需的焊缝长度为：lw

751040N

209.6mm，拼接角钢

4 0.7 8mm mm2

的长度取500mm>2 209.6mm+4 8mm+15 2=481.2mm，合适。

根据腹杆的内力，取节点板尺寸为200mm 450mm，上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载，计算长度为450mm-2x15mm-4hf，hf=5mm，故计算长度为3800mm，节点荷载为52.89kN，焊缝承受的剪应力：

f

F52890N

19.9Nmm2＜160Nmm2，满足。

2 0.7 hf lw2 0.7 5mm 380mm

上弦肢尖与节点板的连接焊缝的内力计算值为上弦内力的15%，设肢尖的焊缝hf=8mm，节点板的长度为200mm，则节点一侧弦杆的计算长度为：

lw

450mm

15mm 2 8mm 194mm，焊缝应力为： 2

0.15 751040N

N 51.8Nmm2 f

2 0.7 8mm 194mm0.15 751040N 75mm 6

M 120.3Nmm2

f22

2 0.7 8mm 194mm

112.8Nmm2＜160Nmm2

（8）支座节点“a”

6.8.1 支座节点

6.8.2 支座底板

hf 8mm hf 10mm lw 16cm，腹杆“aB”的焊缝尺寸同节点“B”肢背：肢尖：

lw 11cm。节点板的厚度为12cm，所确定的节点板尺寸如图6.8.1，下弦杆焊脚

尺寸为肢背：hf 8mmlw 14cm，肢尖：hf 6mmlw 14cm，竖杆焊脚尺寸肢背和肢尖均为hf 6mm lw 6cm，经验算焊缝满足要求。为了便于施焊，下弦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，加劲肋与节点板的高度相等，厚度为12mm。 ① 支座底板的计算

支座反力： R=8F=8 52.89kN=423.12kN 支座所需的净截面为：An

R423120N 33849.6mm2 2fc12.5Nmm

选择的支座底板的尺寸如图6.8.2。仅考虑有加劲肋的部分承受支座反力，由于290mmx232mm=67280mm²>33849.6mm²，故底板的面积合适。 底板的厚度按桁架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分成四块，每块为两相邻边支撑而另两边自由的板。

mb1/a1=0.474查表得 的值根据底板尺寸确定a1 171.2mm b1 81.2m，

为0.054。底板下的平均应力为：

423120N2

6.29Nmm2

67280mm

每块板的单位宽度的最大弯矩为：

M a12 0.054 6.29mm2 171.22mm2 9955.2N mm

底板厚度：

t

16.7mm 取t=18mm。

②加劲肋与节点板的焊接焊缝计算。 计算简图如图6.8.3

假定一个加劲肋承受的力为支座反力的1/4，即加劲肋的计算内力为R4 423120N4 105780N，则焊缝的内力为

V

105780NM=10578 0N

35mm=302300m

2

设焊缝hf 6mm，焊缝的计算长度为：

lw 495mm 12mm 15mm 468mm，则焊缝的应力：

f f

V105780N

26.9Nmm2

2 0.7 hf lw2 0.7 6mm 468mm

6M6 3702300N mm2

12.1Nmm2

2 0.7hf lw2 0.7 6mm

4682mm2

29.5Nmm2＜160mm2，满足。

② 节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。

设焊缝传递全部的支座反力，每块加劲肋各传力为R/4=105780N，节点板传递的力为R/2=211560N。

设节点板与焊缝的焊脚尺寸hf 6mm，则焊缝的计算长度我为：

lw 2 290mm 12mm 556mm

节点板的应力：

f

R2211560N

0.7 hf lw0.7 6mm 556mm

1. 22602N mm

2

195.22N/mm

2

90.6mm

强度满足。

加劲肋焊脚尺寸hf 8mm每块加劲肋与地板的连接焊缝长度为：

lw 2 100mm 15mm 12mm 126mm

加劲肋焊缝的应力为：

f

R4105780N

0.7 hf lw0.7 8mm 126mm

149.9Nmm2 1.22 160Nmm2 195.22Nmm2

强度满足。

七、参考资料

1、张耀春.钢结构设计原理.高等教育出版社，2004版。

2、王国凡.钢结构连接方法及工艺.化学工业出版社,2005版。 3、钢结构设计规范（GB50017-2003）.北京计划出版社，2003版。

4、房屋建筑制图统一标准（GB/T50001-2001）.北京计划出版社，2002版

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