钢结构课程设计计算书

课 程 设 计

计 算 书

课程名称： 钢结构设计原理 设计题目：钢屋盖(梯形钢屋架设计) 专业层次： 土木工 班 级： 姓 名：

学 号： 1091407125 指导老师：

钢屋架设计计算书

1、题目：设计单跨厂房钢屋盖(梯形钢屋架) 2、设计资料

1

2 0 1 1 年 1 2 月

钢结构课程设计

1）某厂房跨度为27m，总长108m，柱距6m，屋架下弦标高为18m。

2）屋架铰支于钢筋混凝土柱顶，上柱截面400×400，混凝土强度等级为C30。 3）屋面采用1.5×6m的预应力混凝土大型屋面板。（屋面板不考虑作为支撑用） 4）该厂房所属地区按上海市进行设计。（注意其雪荷载的值为0.3KN/m2） 5）屋架采用的钢材及焊条为：用Q235钢，焊条为E43型。 3、结构形式与布置

桁架形式及几何尺寸如图1所示

图1

根据厂房长度、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑。柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间，该水平支撑的规格与中间柱间支撑的规格有所不同。在所有柱间的上弦平面设置了刚性与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定；在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载。在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端个设一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置如图2

4、荷载标准值

预应力混凝土屋面板（包括嵌缝） 1.40kN/m2 沥青卷材防水层加绿豆砂 0.40kN/m2 找平层20厚 0.40kN/m2 保温层 1.00kN/m2 屋架及支撑自重 0.42kN/m2 管道重量 0.10kN/m2 计 3.72 kN/m2

可变荷载： 0.7kN/ m2 桁架计算跨度：

l02720.1526.7m

桁架的中间高度： 3340m 在26.7m的两端高度： 2.005m

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梯形钢屋架支撑布置 图2

在27m轴线处端部高度： 1.990m

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桁架跨中起拱55mmL/500 5. 荷载效应的基本组合设计值

1）由可变荷载效应控制的组合： (1)使用阶段

1）由可变荷载效应控制的组合

S1GSGKQ1SQ1KQiciSQiK1.23.721.40.75.444kN/m2

2n2）由永久荷载效应控制的组合：

S2GSGKQiciSQiK1.353.721.40.70.75.708kN/m2

1n由于永久荷载效应控制的组合值大于可变荷载效应控制的组合，所以取由永久荷载效应控制的组合值。 (2)施工阶段

1）由可变荷载效应控制的组合：

S3GSGKQ1SQ1KQiciSQiK1.21.821.40.73.164kN/m2

2n2）由永久荷载效应控制的组合：

S4GSGKQiciSQiK1.351.821.40.70.73.143kN/m2

由于可变荷载效应控制的组合值大于永久荷载效应控制的组合值，所以取由可变荷载效应控制的组合值。 （3） 屋架上弦节点荷载设计值

1)全跨永久荷载+全跨可变荷载

1nFS21.565.7081.5651.372kN

2)全跨永久荷载+半跨可变荷载 全跨节点永久荷载：

F1FG(1.353.72)1.5645.198kN半跨节点可变荷载

F2FD(1.40.70.7)1.566.174kN

3)全跨屋架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载 全跨节点桁架自重

F30.5041.563.1641.564.536kN

半跨节点屋面板自重及活荷载

F41.21.41.560.71.41.5623.94kN

6、内力计算

桁架在上述三种荷载组合作用下的计算简图见图3

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先解得F=1的桁架各杆件的内力系数。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表。

图3

桁架杆件内力组合表 内力系数 杆件名称 全跨① 0 -9.9 -15.7 -16.3 -18.6 -17.8 左半跨② 0 -7.1 -10.7 -11.3 -11 -8.9 内力系数 右半跨③ 0 -2.8 -5 -5 -7.6 -8.9 第一种组合计算杆件F1①+F1①+F3①+F3①+内力 (kN) F2②F2③F4②F4③0 0 0 0 0 第二种组合 第三种组合 F① 0 AB BC、CD DE 上 EF、弦 FG GH、HI IJ 杆件名称 -508.583 -491.296 -464.747 -214.880 -111.938 -508.583 -806.540 -775.670 -740.479 -327.373 -190.915 -806.540 -837.364 -806.494 -767.597 -344.459 -193.637 -837.364 -955.519 -908.597 -887.605 -347.710 -266.314 -955.519 -914.422 -859.473 -859.473 -293.807 -293.807 -914.422 第一种-5-

第二种组合 第三种组合 计算杆件钢结构课程设计

全跨① ab 下 弦 bc cd de aB Bb bD Dc cf 5.2 13.1 18.1 18.2 -10 7.9 -6.5 4.6 -3.5 -2.7 0.7 0.7 0.4 -1.4 -0.5 -1 -1.5 -1 -1 2.5 左半跨② 3.9 9.2 11.3 10.1 -7.4 5.6 -4.2 2.6 -1 -0.2 0.7 -0.9 2 -2.9 -0.5 -1 -1.5 -1 -1 1.3 右半跨③ 1.3 3.9 6.7 8.2 -2.6 2.4 -2.3 2 -2.5 -2.5 0 1.7 -1.6 1.5 0 0 0 0 0 1.3 组合F1①+F2②F① F1①+F2③ F3①+F4② F3①+F4③ 内力 (kN) 267.134 672.973 929.833 934.970 267.134 259.108 243.056 116.953 672.973 648.895 616.172 279.670 929.833 887.850 859.450 352.624 934.970 884.961 873.230 324.349 54.709 152.788 242.500 278.863 -513.720 -497.668 -468.032 -222.516 -107.604 -513.720 405.839 391.639 371.882 169.898 93.290 405.839 -333.918 236.311 -179.802 -138.704 35.960 -333.918 -319.718 -307.987 -130.032 -84.546 236.311 223.963 220.259 83.110 68.746 -75.726 -72.097 3.175 -179.802 -164.367 -173.628 -39.816 -138.704 -123.269 -137.470 -17.035 35.960 35.960 20.549 35.960 26.082 30.427 31.639 42.134 8.201 -54.016 -22.599 -45.198 -67.797 -45.198 -45.198 19.933 -18.371 49.694 -75.776 -14.238 -28.476 -42.714 -28.476 -28.476 42.462 斜 腹 杆 fG fE Gd dI Ie Aa Cb −18.371 43.873 43.873 −36.490 -36.490 49.694−81.182 29.560 29.560 -2.268 -4.536 -6.804 -4.536 -4.536 42.462 -25.686 -51.372 -77.058 -51.372 -51.372 128.430 -71.921 -81.182 -25.686 -25.686 -51.372 -51.372 -77.058 -77.058 -51.372 -51.372 -51.372 -51.372 竖 杆 Ec Ff Hd Je 128.430 121.021 121.021 7、杆件设计 （1）上弦杆

整个上弦采用等截面，按GH、HI杆件之最大内力设计。

N955.519kN955519N上弦杆计算长度，在桁架平面内，为节间轴线长度：lox150.8cm

在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化情况，取：loy3150.8cm452.4cm 因为

loy3lox，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并如图4

腹杆最大内力N=513.720KN,查表，节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度用14mm。

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图4

设，

60,0.807

需要截面积：

A需要的回转半径：

N9555195507mm2 f0.807215ixloxl150.8452.42.51cm,iyoy7.54cm 6060iy根据需要的A、ix、查角钢规格表

选用

218011010,A56.75cm2,ix3.131cm,iy8.71cm按所选角钢进行验算：

xlox150.848.16ix3.131loy452.4y51.94iy8.71满足长细比150的要求。

截面在x和y平面皆属于b类，由于xy，只需求y。查表的y0.847.

N955519198.79N/mm2215N/mm2 yA0.8475675所需截面合适。 （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：

Nmax934.97KN934970Nlox300cm,loy1335cm所需截面积为：An

N9349704348.70mm243.49cm2 f215-7-

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选用21409010,因loylox故用不等肢角钢，短肢相并如图5

图5

A44.52cm2,ix2.561cm,iy6.85cm

（3）端斜杆aB如图6

杆件轴力：N513.720kN513720N

计算长度loXloy253.5cm因为loXloy，故采用不等肢角钢，长肢相并。

图6

An253.5N5137201.692389.40mm223.89cm2i 150f215，

选用2140908,A36.08cm2,ix4.5cm,iy3.7cmxloy253.5lox253.556，y68ix4.5iy3.7y0.763 N5137202186.61N/mm215N/mm2

yA0.7633608所需截面合适。 （4）腹杆cffG杆

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此杆在节点f处不断开，采用通长杆件。 轴力： Ncf 179.802kN，NfG138.704kN

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208.7cm 在桁架平面外的计算长度loy按式loyl10.750.25N2,且loy0.5l1 N1N138.704loyl10.750.252417.40.750.25393.55cmN1179.802

AnN179802208.71.39 836.29mm28.36cm2i150f215，

2选用2708,A21.33cm,ix2.13cm,iy3.38cm

loy393.55lox208.7cmx97.98，y116.43ix2.13iy3.38y0.455

N179802185N/mm2215N/mm2 yA0.4552133(5)竖杆Ec杆

杆件轴力：N77.058kN77058N 计算长度loxloy259cm。

An2N77058358.41mm23.58cm2 f215

选用2568，A16.73cm,ix1.85cm，iy2.83cmloy259lox259x140，y91.52，ix1.85iy2.83x0.345 N77058133.51N/mm2215N/mm2yA0.3451673

所选截面满足要求。

由于一般在施工当中为了施工方便，杆件的型号一般不超过3种，其他杆件的选择详见于下表。

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杆件截面选择表 名 称 上弦 下弦 杆件 编号 IJ de Aa aB Bb 腹 杆 Hd dI Ff Gd -51.372 -18.371 43.873 -51.372 -36.490 49.694 -81.182 29.560 128.430 129.5 325.1 243.2 353.1 129.5 325.1 304 353.1 Cb bD Dc Ec cf fG Ef 内力 (kN) -914.422 934.97 -25.386 -513.720 405.839 -51.372 -333.918 236.311 -77.058 -179.802 -138.704 35.960 计算长度(cm) 截面规格 截面面积(cm) 2回转半径(cm) 长细比 稳定系数 容许长细比[] 计算应力N/A （N/mm2） 198.79 210.00 30.17 186.61 190.27 73.64 131.46 141.25 146.22 185.00 185.00 21.49 40.89 28.81 80.59 17.29 l0x 150.8300 200.5 253.5 260.8 229 286.9 285.9 259 208.7 208.7 188.7 l0y 452.4 1335 200.5 253.5 260.8 229 286.9 285.9 259 393.55 393.55 188.7 ix 218011010 21409010 56.7544.52 16.73 36.08 21.33 16.73 36.08 16.73 16.73 21.33 21.33 16.73 16.73 21.33 16.73 36.08 3.132.561 1.85 4.5 2.13 1.85 4.5 1.85 1.85 2.13 2.13 1.85 1.85 2.13 1.85 4.5 iy x 48.16 y 51.94 x 0.503 0.417 0.345 0.751 0.299 0.381 0.585 y0.852 0.761 0.704 0.456 0.456 8.716.85 2.83 3.7 3.38 2.83 3.7 2.83 2.83 3.38 3.38 2.83 2.83 3.38 2.83 3.7 150 350 150 150 350 150 150 350 150 150 150 350 150 150 150 150 117.14 194.89 108.38 70.85 56.33 68.51 122.44 77.16 123.78 63.76 80.92 77.54 2568 2140908 2708 2568 2140908 2568 2568 2708 2708 154.54 101.02 140.00 91.52 97.98 116.43 97.98 116.43 102 70 66.68 45.76 2568 2568 2708 152.63 96.18 131.46 107.42 78.47 95.43 2568 2140908 2140908 Ie Je 352 334 352 334 36.08 16.73 4.5 1.85 3.7 2.83 78.22 95.14 150 350 0.587 38.33 76.77 2568 180.54 118.02 10

8、节点设计

（1）下弦节点“b”如图7

图7

2w160N/mmf用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值 f=

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405839158.53mm，取18cm w2heff20.781600.3N0.340583990.59mm，取10cm

2heffw20.76160''肢尖： lw设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝 则所需的焊缝长度为：

'肢背：lw0.7N0.7333918130.44mm，取15cm w2heff20.781600.3N0.333391874.54mm，取8cm

2heffw20.76160''肢尖：lw“Cb”杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取 hf5mm

根据上面求的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙以及制作和装配等误差，从而确定节点板尺寸为

460mm360mm

下弦杆与节点板连接的焊缝长度为36cm，hf6mm焊缝所受的内力为左右两下弦杆的内力差

N=672.973KN267.134KN=405.839KN

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受力较大的肢背处的焊缝应力为f(2)上弦节点“B”如图8

0.75405839104.13N/mm2

20.7636012

图8

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405839158.53mm，取18cm

2heffw20.781600.3N0.340583990.59mm，取10cm

2heffw20.76160''肢尖： lw “aB”杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算：NaB513.720KN

'lw肢背：

0.65N0.65513720186.34mm，取20cm

2heffw20.78160肢尖lw''0.35N0.35513720133.78mm，取15cm w2heff20.76160

为了便于在上弦上搁置屋面板，节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm。计算时可略去桁架上弦坡度的

影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。

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11h'f节点板厚度=12=6mm，h''f8mm

22上弦与节点板间的焊缝长度为500mm

节点荷载由槽焊缝承受，上弦两相邻节间内力差由角钢肢尖焊缝承受，这时槽焊缝肯定是安全的，不必验

算。肢尖焊缝验算：

NfNfN1N25085836M6508583862M2 =94.6M/mm，101.70N/mmf''''''220.7hwlw20.7848020.7h''flw20.7848022Mf1.22294.6101.7221.22126.09N/mm2160N/mm2（3）屋脊节点“J”如图9

图9

弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢的尖角削除，且截去垂直肢的一部分。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊缝长度按

lw弦杆内力计算。设焊缝hf10mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）：

拼接角钢的长度取600mm2204.1120428.22mm

914422204.11mm

40.710160上弦与节点板之间的槽焊，假定承受节点荷载。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50cm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为lw焊缝应力为：

501222cm，2NfNf0.159144220.159144226862 mm2，M104.45N/mmf20.71022020.71022022Mf1.2244.532104.451.2296.50N/mm2160N/mm222

因桁架的跨度较大，需将桁架分成两个运输单元，在屋脊点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦、

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斜杆和竖杆与节点板拼接用工厂焊接，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。 （4）支座节点“a”如图10

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，厚度为14mm。 ①支座底板计算

图10

支座反力：

R461.345KN

支座底板的平面尺寸采用240mm240mm加劲肋的宽度为100mm。 验算柱顶混凝土的抗压强度：

R4163457.23N/mm2fc14.3N/mm2 An240240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，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块的单位宽度的最大弯矩为

Ma12 a1b11207120722159.81mm

a1b113113mm，10.707

a1159.812-- 14 --

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查表得0.085

Ma120.0857.23159.81215695.138N/mm2

底板厚度为t取22mm

②加劲肋与节点板的连接焊缝计算

6M615695.13820.93mm f215461.345KN1115.336KN 偏于安全地假定一个加劲肋的受力为桁架支座反力的4即：

4V115.336KN则焊缝内力为：

M11533660692160N/mm2

设焊缝hf6mm，焊缝计算长度lwh2hfc15002615473mm则焊缝应力为：

22fffV6M20.7hl20.7hl2fwfwf22

1153366692160220.7647320.764731.2229.08N/mm2160N/mm2③节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算

11R461.345KNR461.345KN115.34KN，设焊缝传递全部支座反力，其中每块加劲肋个传44461.345KNR=230.673KN。 节点板传递22节点板与底板的连接焊缝长度

lw224012456mm，所需焊脚尺寸：

hf23067323.7mm w0.7lwff1.220.74561601.22R取hf6mm

每块加劲肋与底板的连接焊缝长度为：

lw4bc12hf41201512372mm

所需焊缝尺寸：

hfR4613459.08mm

0.7lwffw1.220.73721601.22取hf10mm。

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