钢结构设计课程设计--

普通梯形钢屋架设计

一、设计资料

某车间跨度为l120m，屋架间距6m，屋面采用1.56m预应力钢筋混凝土大型屋面板。20mm 厚水混砂浆找平层，三毡四油防水层，屋面坡度1/10。屋架两端铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400×400，混凝土C30，屋架跨度、保温层荷载标准值和屋面积灰荷载标准值按指定的数据进行计算。

1、柱距6m,梯形钢屋架跨度L21m

2、屋架采用的钢材及焊条为：Q235钢，焊条为E43型，手工焊。

3、梯形钢屋架荷载标准值（水平投影面计）

（1） 永久荷载：

三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4

20mm厚水泥砂浆找平层 0.4

保温层 0.5

预应力混凝土大型屋面板 1.4

屋架及支撑自重：按经验公式q = 0.12 + 0.011L计算：

1

q = 0.12 + 0.011×21=0.351kN/m

22kN/m悬挂管道： 0.15

永久荷载总和：0.4×2＋1.4+0.5+0.351+0.15=3.201kN/m

2（2） 可变荷载：

屋面活荷载标准值： 0.7

雪荷载标准值： 0.35

积灰荷载标准值： 0.8

由于屋面活荷载与屋面雪荷载不同时考虑，屋面活荷载比屋面雪荷载大，取较大值，这里下面计算只要考虑屋面活荷载。

二、节点荷载计算

①全跨屋面永久荷载作用下

P3.20161.528.03kN/m2

②全跨可变荷载作用下

P0.761.50.80.961.512.78kN/m2

2

③当基本组合由可变荷载效应控制时，上弦节点荷载设计值为

Sp1.228.8091.40.70.90.861.552.46kN

当基本组合由永久荷载效应控制时，上弦节点荷载设计值为：

Sp1.3528.8091.4(0.70.70.90.8)61.554.14kN

由上可知，本工程屋面荷载组合由永久荷载效应控制，节点集中力设计值P=54.14kN。

④屋架节点荷载计算，计算屋架时应考虑下列三种荷载组合情况：

第一、全跨永久荷载+全跨可变荷载；

第二、全跨永久荷载+（左）半跨可变荷载；

第三、屋架和支撑自重+（左）半跨屋面板重+（左）半跨施工荷载

设：

P1---由永久荷载换算得的节点集中荷载；

P2---由可变荷载换算得的节点集中荷载；

P3---由部分永久荷载（屋架及支撑自重）换算得的节点集中荷载；

3

P4---由部分永久荷载（屋面板重）和可变荷载（屋面活荷载）换算得

的节点集中荷载。

则：

P11.3528.80938.89kN

P21.40.70.70.90.861.515.246kN

P31.350.35161.54.265kN

P41.351.41.40.761.525.83kN(施工时无积灰荷载）

三、支撑布置

工业厂房120m，故在房屋两端部开间集跨中设置上下弦横向水平支撑和位于上、下弦横向水平支撑同一开间的屋架两端及跨中三处设置垂直支撑。其他屋架则在屋架两端及跨中分别于上、下弦设置三道系杆，其中屋脊和两支座处为刚性系杆，其余为柔性系杆，见附图（1-1）。

四、内力计算

用图解法活结构力学求解器先求出全跨和半跨单位节点荷载作用下的杆件内力系数，然后乘以实际的节点荷载。屋架在上述第一种荷载组合的作用下，屋架的弦杆，竖杆和靠近两端的斜腹杆，内力均达到最大，在第二种和第三种荷载作用下，靠跨中的斜腹杆的内

4

力可能达到或发生变号。因此，在全跨荷载作用下所有杆件的内力均应计算，而在半跨荷载作用下仅需计算靠近跨中的斜腹杆内力。计算结果列于下表：

左跨加载

5

右跨加载

（五）杆件截面选择：

弦杆和腹杆均采用双角钢组成的T形截面：按腹杆的最大内力的选中间节点板厚度为10mm，支座节点板厚度为12mm。

NaP=-416.07KN,查表

（1）上弦杆

整个上弦杆采用等截面，按DE杆件的最大设计内力设计。

NDE=-659.4kN

上弦杆计算长度：在桁架平面内，为节间轴线长度：

lox150.8cm，

loy150.82301.6cm(取两块屋面板宽度）

因为lox=2

loy，故宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。

设=50，选用角钢，为b类截面，查表得0.856。

需要截面积：

6

N659.410335.83cm22f0.85621510 ，查表得：

Areqixloxl150.8cm301.6cm3.02cm ， iyoy =6.03cm5050

根据需要的A、ix、y查角钢规格表，选用2∟1258010，A219.739.4cm，

2iix=2.26cm，iy=6.11cm，b1t160cm10cm16，按所选角钢进行验算：

xlox150.8cm66.7ix2.26cm＜ 150

xloyiy301.4cm49.36.11cm＜ 150

∵b1t1251012.5<0.56loyb113.5

∴ 取

yzy49.3

7

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=0.773。

NDE659.41032216.5215NmmA0.77339.4102

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。的计算程度和平面外的计算长度分别为：

Ncd656.12KN，平面内

lox300cm，loy1035cm

所需截面面积：

Ncd656.12103An30.52cm2f215

选用2∟125808，短肢相拼，A21632cm，（设连接支撑的螺栓孔位于节点板内

2的距离a100mm）ix=2.29cm，y=6.07cm，

i 8

oyloyiy10356.07170.5＜350

oxloxix3002.29131＜350

Ncd656.121032截面验算 A32102205.0Nmm＜215Nmm2

所选截面合适。

（3）腹杆验算:

1）、腹杆Pa

杆件轴力： NaP416.07KN

计算长度loxloyl253.0cm，因为

loxloy，故采用不等值角钢长肢相并。9

2A21632cm125808选用2∟，，ix4.01cm，iy3.27cm，按所选角钢进行验算：

xlox253.063.1ix4.01＜ 150

yloyiy253.077.43.27＜ 150

∵

b2t80.8100.48loyb20.4825315.188＜

1.09b241.0984yzy177.412222lt2530.8 oy∴

85.9＜ 150

截面x和界面y都为b类截面，由于x＞

yz，只需要求。查表的=0.649。

N416.07103200.3Nmm222A0.6493210215Nmm＜

10

2）、腹杆Pb

杆件轴力： NPb314.47KN

计算长度lox0.8l0.8261.3209.0cm，loxl261.3cm

选用2∟755，A27.4114.82cm，ix2.32cm，iy3.43cm，按所选角钢进行验算：

2xlox209.090.1ix2.32＜ 350，

yloyiy261.076.23.43＜ 350

N314.471032212.2Nmm2215NmmA14.82102＜，故所选截面合适。

一般按全跨永久荷载和全跨可变荷载计算。对跨中的部分斜腹杆因半跨荷载可能产生的内力变号，采取将图中的（Dd杆、Wc杆、WD杆、Ed杆）均按压杆控制其长细比，故不必考虑半跨荷载作用的组合，只计算全跨满载时的杆件内力。

3）腹杆Dd

杆件轴力： NDd38.54KN

计算长度lox0.8l0.8289.0231.2cm，loxl289.0cm

2选用2∟635，A26.1412.28cm，ix1.94cm，iy2.96cm，按所选角钢进行验算：

11

loy289.0lox231.297.6x119.2y150150iy2.96ix1.94＜ ， ＜ 

查表可知=0.441，

N38.54103271.17Nmm2215NmmA0.44112.28102＜，

（根据计算，按第二组荷载作用时，NDd56.82KN,按第三组荷载作用时

NDd52.40KN，压力虽有所增加，但经验算后均符合要求，且其值很小，故按长细比选用

其截面即可。）

4）腹杆Wc：NWc68.62KN，

计算长度lox0.8l0.8208.3166.6cm，loyl208.3cm

同理，亦按压杆容许长细比进行控制。选用2∟505，A24.89.6cm

2ix1.53cm，iy2.45cm

l166.6xox109ix1.53＜ 150，

yloyiy208.3852.45＜ 150

根据计算，按第二组荷载作用时，NWc78.69KN,按第三组荷载作用时NWc55.21KN，压力虽有所增加，但经验算后均符合要求，且其值很小，故所选用的2∟505可满足要求。

12

5)腹杆WD：NWc25.08KN，

计算长度lox0.8l0.8208.3166.6cm，loyl208.3cm

2A24.89.6cm505同理，亦按压杆容许长细比进行控制。选用2∟，

ix1.53cm，iy2.45cm

l166.6xox109ix1.53＜ 150，

yloyiy208.3852.45＜ 150

根据计算，按第二组荷载作用时，NWD47.42KN,按第三组荷载作用时NWD51.79KN，压力虽有所增加，但经验算后均符合要求，且其值很小，故所选用的2∟505可满足要求。

6) 腹杆Ed：

NEd42.98KN，

计算长度lox0.8l0.8339.0271.2cm，loyl339.0cm

同理，亦按压杆容许长细比进行控制。选用2∟505，A24.89.6cm

2ix1.53cm，iy2.45cm

xlox271.2179.6ix1.53＜ 350，

yloyiy339.0138.42.45＜ 350

根据计算，按第二组荷载作用时，NEd63.36KN,按第三组荷载作用时NEd58.43KN，

13

压力虽有所增加，但经验算后均符合要求，且其值很小，故所选用的2∟505可满足要求。

（六）、节点设计

（1） 下弦节点“b”（见图1.1）。这类节点的设计是先计算腹杆和节点板的链接焊缝尺寸，然后按比例绘制出节点板的形状，量出尺寸，然后验算下弦杆与节点板的连接焊缝，计算中用到的各杆的内力见附表。

角焊缝的抗拉、抗压、和抗剪强度设计值

ffw160Nmm2。

设“Pb”杆的肢背和肢尖焊缝hf8mm和6mm，则所需的焊缝长度为：

肢背：

k1N0.7314.47103lw122.8mmw20.7hfff20.78160'，取150mm。

肢尖：

k2N0.3314.47103lw70.2mmw20.7hfff20.76160\"，取90mm。

设“Qb”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：

k1N0.7238.73103lw93.3mmw20.7hfff20.78160'，取110mm。

肢尖：

k2N0.3238.73103lw53.3mm20.7hfffw20.76160\"，取70mm。

“Bb”杆的内力很小，焊缝尺寸只需要按构造确定焊缝，取

hf5mm。

14

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380mm。

下弦与节点板的连接的焊缝长度为380mm，hf6mm。焊缝所受的左右两下弦杆的内力差为N527.51kN221.99kN305.5kN，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305.5103f74.1Nmm22160Nmm20.76（380-12）＜

焊缝强度满足要求。

（2）上弦节点“P”（见图1.2）。Pb杆与节点板的连接焊缝尺寸和节点“b”相同。Pb杆与节点板的连接焊缝尺寸按同样方法计算，NPa416.07KN,

“Pb”杆的肢背和肢尖的焊缝尺寸分别为

hf10mm和6mm，所需的焊缝长度为：

肢背：

k1N0.7416.07103lw130mm20.7hfffw20.710160'， 取150mm。

肢尖：

k2N0.3416.07103lw93mmw20.7hfff20.76160\"， 取110mm

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，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：

15

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，

111h'ft节点板厚度126mm222肢尖承受左右弦杆的内力差。槽焊缝的计算焊角尺寸为 ，

由节点板的长度确定槽焊缝的长度为

l'wl\"w36012348mm。承受集中力P=54.14KN。

则

P54.14103f18.5Nmm2ffw160Nmm220.7hflw20.76348

肢尖焊缝承担弦杆内力差N416.070416.07KN，偏心距e=80-25=55mm，

h8mm偏心弯矩MNe416.075522883.85Nmm，f，则

N416.07103f108.6Nmm2ffw160Nmm220.7hflw20.78348

6M622883.85103M101.23Nmm2220.7hflw20.78348

M22N(1.22)106.82(101.21.22)2135.2Nffw160Nmmmm

故焊缝强度满足要求。

（3）屋脊节点“E”

弦杆的拼接，一般都采用与上弦角钢相同钢号的角钢进行拼接，为了使拼接角钢在拼接处能紧贴被连接的弦杆和便于施焊，需将拼接角钢削棱和切去肢的一部分，：

thf5mm

，其中

hf取8mm，拼接角钢与弦杆的连接焊缝按被连接弦杆的最大内力计

16

算，

NDE659.39KN每条焊缝长度按该式计算：

N659.39103lw2hf16184mmw40.7hfff40.78160，取200mm。

拼接角钢总长L220020420mm，取L为460mm。竖肢需切去

108523mm,取=25mm,并按上弦坡度热弯。

计算屋脊处弦杆与节点板的连接焊缝，取

hf=5mm，需要焊缝长度按公式计算：

lw2NDEsinP80.7hfffw2659.39103sin5.754.1410380.7516017.2mm

按构造要求决定节点板的长度。

（4）支座节点“a”

腹杆“Pa”的焊缝尺寸同节点“P”肢背：fh10mm lw150mm，肢尖：fh6mmlw110mm，

节点板的厚度为12cm，所确定的节点板尺寸（如图1.3），

① 支座底板的计算

支座反力： R=7P=754.14kN=379.0kN

支座底板按构造要求取用280mm390mm。锚栓采用2M24，并用图示U行缺口。柱采用的C30混凝土

fcc14.3Nmm2。若仅考虑有加劲肋部分的底板作为有效面积（见附

R379.0103q6.33N/mm2fcc14.3N/mm2An280214图），则底板承受均布反力为

17

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。

22a(14012/2)100172mm 1根据图示确定

a1b1100(14012/2),所以b178mm，b1/a1=78/172=0.453,查表得的值为0.051。每

块板的单位宽度的最大弯矩为：

Ma120.0516.3317229550.6Nmm

底板厚度：

t6M69550.616.3mmf215，取t=20mm。

底板尺寸为390mm280mm20mm。

②加劲肋与节点板的焊接焊缝计算。

一个加劲肋的连接焊缝所承受的偏心荷载，偏于安全取屋架支座反力的1/4，即加劲肋的计算内力为：

V=R4379103494750N，

M=Ve=9475050=4737.5KNmm

18

设焊缝hf6mm，焊缝的计算长度为：lw45028434mm，则焊缝的应力：

vV20.7h9475019.5Nmm2flw20.784346M64737.5103M20.7hl434213.5Nmm22fw20.78

2ff1.2219.5Nmm2213.5/1.22222.4Nmm2＜160Nmm2，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，R=379.0KN，

hfmin1.5t1.5206.7mm，取

hf8mm。则焊缝的计算长度为：

lw2a2(bt2c)12hf22802(21412216)128804mm

取810mm。（其中t是节点板厚，c是加劲肋切角宽度）

节点板的应力：

R379.0103f0.7h0.7881068.5N/mm2fwf160N/mm2fflw1.22

强度满足。（其余节点略）

19

8）屋架施工图见附图所示。

钢结构课程设计

姓名 ：

学号 ：

班级 ： 学院 ：

指导老师 :

20

日期：2013 年 6 月 7 日

21