梯形钢屋架钢结构课程设计.doc

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XXXXXX学院

《钢结构》
课程设计计算书

题 目
梯形钢屋架
班 级
XXXXXXXX
姓 名
XXXXXXXXXXXXXXX
指导教师
XX
成 绩

目录
1 设计资料 1
1.1 结构形式 1
1.2 屋架形式和几何尺寸 1
2 桁架支撑布置 2
3 荷载计算 3
3.1 全跨永久荷载+全跨可变荷载 4
3.2 全跨永久荷载+半跨可变荷载 4
3.3 全跨桁架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载 4
4 内力计算 5
5 杆件设计 6
5.1 上弦杆 6
5.2 下弦杆 7
5.3 端斜杆aB 8
5.4 腹杆 9
5.4.1 Bb杆 9
5.4.2 bD杆 9
5.5 竖杆Aa,Cb,Ec,Gd. 10
5.6 其余各杆件的截面见表5-1 10
6 节点设计 12
6.1 下弦节点“b”（图6-1） 12
6.2 上弦节点“B”(图6-2) 13
6.3 屋脊节点“I”（图6-3） 14
6.4 支座节点“a”（图6-4） 15
6.4.1 支座底板的计算 16
6.4.2 加劲肋与节点板的连接焊缝计算 17
6.4.3 节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算 17
6.5 下弦中央节点“e”（图6-5） 17
参考文献 19

辽宁工程技术大学钢结构课程设计
1 设计资料
1.1 结构形式
某厂房跨度为24m，柱距为6m，厂房总长度为90m。车间内设有一台50t、一台20t中级工作制软钩桥式吊车，冬季室外最低温度-20℃。
屋面采用1.5m6.0m预应力大型屋面板，屋面坡度为=1:10，上铺泡沫混凝土保温层和二毡三油防水层。
屋面活荷载标准值0.7KN/m2,雪荷载标准值0.5 KN/m2，积灰荷载标准值1.2KN/m2。桁架采用梯形钢桁架，其两端铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面尺寸为450mm 450mm,混凝土强度等级为C25。钢材采用Q235B级，焊条E43型，手工焊。

1.2 屋架形式和几何尺寸
屋面材料为大型屋面板，故采用无檩体系平破梯形屋架。
屋架计算跨度 L0＝24000－300＝23700mm；
24m端部高度取 H=1990mm，
23.7m端部高度 H=2005mm
中部高度取 H=3190mm。
屋架几何尺寸如图1-1所示：

图1-1 24米跨屋架几何尺寸

2 桁架支撑布置
根据厂房长度（90m），跨度及载荷情况，设置三道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，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规格有所不同。在所有柱间的上弦平面设置了刚性与柔性细杆，以保证安装上弦杆的稳定性。在设置横向水平支撑的柱间，于屋架跨中和两端各设一道垂直支撑。梯形屋架支撑布置图如下图2-1所示:

桁架及桁架上弦支撑布置

桁架下弦支撑布置图

图2-1 桁架支撑布置图

符号说明：SC-上弦支撑；XC-下弦支撑；CC-垂直支撑；GG-刚性细杆；LG-柔性细杆。

3 荷载计算
屋面活荷载与雪载一般不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。沿屋面斜面分布的永久荷载应乘以换算为沿水平投影面分布的荷载。
标准永久载荷：
预应力湖北凝土大型屋面板
1.0051.4=1.407
二毡三油防水层
1.0050.35=0.352
找平层厚20mm
1.0050.02m20=0.402
泡沫混凝土保温层
1.0050. 45=0.452
桁架和支撑自重
0.12+0.01124=0.384
管道荷载

0.182
共计: 3.179
标准可变活荷载：
屋面活荷载（大于雪荷载0.5）
0.7
积灰荷载
1.2

设计桁架时，应考虑以下三种荷载组合：
3.1 全跨永久荷载+全跨可变荷载（按永久荷载为主控制的组合）
全跨节点荷载设计值：
F=(1.353.179+1.40.70.7+1.40.91.2)1.5m6m
=54.41KN
3.2 全跨永久荷载+半跨可变荷载
全跨节点永久荷载设计值：
对结构不利时：
=1.353.1791.5m6m= 38.62KN（按永久载荷为主的组合）
=1.2 3.1791.5m6m= 34.33KN（按可变载荷为主的组合）
对结构有利时：
=1.03.1791.5m6m28.61KN
半跨节点可变荷载设计值：
=1.4(0.70.7+0.91.2)1.5m6m
=19.78KN(按永久载荷为主的组合)
=1.4(0.7+0.91.2)1.5m6m=22.43KN（按可变载荷为主的组合）
3.3 全跨桁架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载（按可变荷载为主的组合）
全跨节点桁架自重设计值：
对结构不利时：
=1.20.3841.5m6m=4.15KN
对结构有利时：
=1.00.3841.5m6m=3.46KN
半跨节点屋面板自重及活荷载设计值：
=(1.21.4+1.40.7)1.5m6m=23.94KN
3.1,3.2为使用阶段的荷载情况，3.3为施工阶段荷载的情况。计算详图见图3-1（桁架内力计算图）。

（a）

(b)

(c)

图3-1 桁架内力计算图

4 内力计算
由PKPM软件先解得F=1的桁架各杆件内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨）。然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表4-1（桁架杆件内内力组合表）。

表4-1桁架杆件内内力组合表
杆件名称
内力系数（F=1）
第一种组合
第二种组合
第三种组合
计算杆件内力（KN)
全跨①
左半跨②
右半跨③
F①
F1①+F2②
F1① +F2③
F3① +F4
②
F3① +F4③
上弦
AB
0
0
0
0
0
0
0
0
0
BC，CD
-8.71
-6.24
-2.47
-508.75

-508.75
DE，EF
-13.52
-9.04
-4.48
-789.70

-789.70
FG，GH
-15.25
-9.17
-6.08
-890.75

-890.75
HI
-14.76
-7.38
-7.38
-862.13

-862.13
下弦
ab
4.69
3.46
1.23
273.94

273.94
bc
11.48
7.98
3.51
670.54

670.54
cd
14.60
9.32
529
852.79

852.79
de
15.13
8.42
6.71
883.74

883.74
斜腹杆
aB
-8.86
-6.52
-2.34
-517.51

-517.51
Bb
6.87
4.76
2.11
401.27

401.27
bD
-5.44
-3.40
-2.03
-317.75

-317.75
Dc
3.70
1.90
1.80
216.12

216.12
cF
-2.46
-0.71
-1.75
-143.69

-143.69
Fd
1.12
-0.45
1.56
65.42
34.35 (F1,1,F2,1)
74.11
(F1,1,F2,1)
-6.9
(F3,2,F4)
41.99 (F3,1,F4)
-6.90
74.11
dH
0.02
1.55
-1.53
1.17
35.45 (F1,2,F2,2)
-33.75 (F1,3,F2,2)
37.19
(F3,1,F4)
-36.56
(F3,1,F4)
-36.56
37.19
He
-1.08
-2.47
1.39
63.08
-92.48
(F1,2,F2,2)
-14.22
(F1,1,F2,1)
-63.61
(F3,1,F4)
29.54
(F3,2,F4)
-92.48
63.08
竖杆
Aa
-0.50
-0.50
0.00
-29.21

-29.21
Cb
-1.00
-1.00
0.00
-58.41

-58.41
Ec
-1.00
-1.00
0.00
-58.41

-58.41
Gd
-1.00
-1.00
0.00
-58.41

-58.41
Ie
1.94
0.97
0.97
113.32

113.32
注：F=58.41KN ; F1,1=38.62KN ; F1,2=34.33KN ; F1,3=28.61KN ; F2,1=19.78KN;
F2,2=22.43KN ; F3,1=4.15KN ; F3,2=3.46KN ; F4=23.94KN.
5 杆件设计
5.1 上弦杆
整个上弦架采用等截面，按FG、GH杆件之最大设计内力设计。
N= —890750 N （受压）
上弦杆计算长度：
在桁架平面内，为节间轴线长度：
在桁架平面外，根据支承布置及内力变化情况，取：
因为，故截面宜采用两个不等肢角钢，短肢相并。
腹杆aB最大内力=517.51 kN，查表9.6.4，中间节点版厚度选用12mm，支座节点板厚度用14mm。
设λ=60查附录4得。
需要截面积：
需要的回转半径：

根据需要的A，ix，iy查角钢规格表，选用，，
，，，按所选角钢进行验算：

满足长细比的要求。
截面在x和y平面内皆属b类，由于 ，只要求 ，查表得。
所需截面合适
5.2 下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按de杆最大设计值计算。

，根据桁架下弦支撑布置情况，得
所需截面积：
根据所需截面积查表选用，不等肢角钢，短肢相并。
，，

考虑下弦杆有2φ21.5mm的栓孔削弱，下弦净截面面积：

所需截面适合。
5.3 端斜杆aB
杆件轴力：
计算长度。因为，故采用不等边角钢，长肢相并，使。设λ=80，查附录4得，

需要的回转半径：

根据需要的，，查角钢规格表，选用2L140×90×10。
，，，。

又

所选截面合适。
5.4 腹杆
5.4.1 Bb杆
杆件轴力：
所需截面积：
杆件计算长度： ，
选用2L75×8等边角钢，，，

满足长细比的要求。
满足要求。
5.4.2 bD杆
杆件轴力：
计算长度：
设λ=100查附录4得
所需的

，
选用2L75×10，，，

由于，只求，查附录4，得

所选截面满足。
5.5 竖杆Aa,Cb,Ec,Gd
Aa,Cc,Ee,Gg都受压，各个竖杆采用同类截面，按Gg杆件的最大设计内力设计。

，

内力较小，按选择，需要的回转半径为：
，

查型钢表，选截面和较上述计算的和略大些。

选用2L63×5，，，

由于，只求，查附录4，得，

所选截面满足。
5.6 其余各杆件的截面见表5-1杆件截面选择表

19

杆件
计算内力/kN
截面规格
截面面积/cm2
计算长度/cm
回转半径/cm
长细比
容许长细比[λ]
稳定系数
应力σ/(N/mm2)
名称
编号

上弦
FG、GH
-890.75
2L160×100×12
60.11
150.8
452.4
2.82
7.54
53.48
60
150

0.807
183.63
下弦
de
883.74
2L160×100×10
50.63
300
1185
2.85
7.78
105.26
152.31
350

190.75
斜腹杆
aB
-517.51
2L140×90×10
44.522
253.5
253.5
3.16
3.16
56.71
75.32
150

0.718
161.89
Bb
401.27
2L75×8
23.01
208.6
260.8
2.28
3.57
91.51
73.05
350

174.39
bD
-317.75
2L75×10
28.25
228.7
285.9
2.26
3.61
101.20
80.65
150
0.547

205.62
Dc
216.12
2L50×6
11.38
228.7
285.9
1.51
2.56
151.47
111.68
350

189.91
cF
-143.69
2L75×5
14.82
250.3
312.9
2.32
3.50
107.90
94.89
150
0.587

165.17
Fd
74.11
2L63×5
12.286
250.3
312.9
1.94
3.04
128.62
105.75
350

61.13
dH
37.19
2L63×5
12.286
271.2
339.0
1.94
3.04
139.79
114.61
350

30.27
He
-92.48
2L63×5
12.286
271.2
339.0
1.94
3.04
139.79
114.61
150
0.349

214.68
竖杆
Aa
-29.21
2L63×5
12.286
159.2
199.0
1.94
3.04
88.06
65.46
150
0.487

48.82
Cb
-58.41
2L63×5
12.286
183.2
229.0
1.94
3.04
94.43
75.33
150
0.440

108.05
Ec
-58.41
2L63×5
12.286
207.2
259.0
1.94
3.04
106.81
85.20
150
0.396

120.06
Gd
-58.41
2L63×5
12.286
231.2
289.0
1.94
3.04
119.18
98.47
150
0.336

141.49
Ie
113.32
2L63×5
12.286
255.2
319
2.45
2.45
104.16
130.20
350

92.24
表5-1杆件截面选择表
6 节点设计
6.1 下弦节点“b”（图6-1）
各类杆件的内力由表4-1桁架杆件内内力组合表查得。
这类节点的设计步骤是：先根据腹杆的内力计算与腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，即和，

图6-1 “b”节点板布置图
然后根据的大小按比例绘出节点板的形状与尺寸，最后验算下弦杆与节点版的连接焊缝。
用E43型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。设“Bb”杆的肢背和肢尖焊缝和，则所需的焊缝长度为：

设“bD”杆的肢背和肢尖焊缝和，则所需的焊缝长度为：

“Cb”杆内力很小，焊缝尺寸可按构造要求取

根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为。
下弦与节点板连接的焊缝长度为36cm,所受的力为左右两下弦杆的内力差，，受力较大的肢背处焊缝应力为：

焊缝强度满足要求。
6.2 上弦节点“B”(图6-2)

图6-2 “B”节点板布置图
Bb杆（2L 75×6）与节点板的焊缝尺寸和节点“b”相同。即肢背，肢尖
aB（2L140×90×10）杆与节点板的焊缝尺寸按上述同样方法计算, 设aB杆的肢背和肢尖的焊缝和，则所需的焊缝长度为：

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。用槽焊缝把上弦角钢和节点板连接起来，槽焊缝作为两条角焊缝计算，焊缝强度设计值应乘以0.8的折减系数。计算时可略去上弦坡度的影响，而假定集中荷载F与上弦垂直。上弦肢背槽焊缝内的应力为：

上弦与节点板间焊缝长度为505mm。同书上。
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，这时槽肯定是安全，可不必验算。肢尖焊缝验算如下：

满足要求。

6.3 屋脊节点“I”（图6-3）
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宽度。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弦杆内力计算。
设焊缝，则所需焊缝计算长度（一条焊缝）：

拼接角钢的长度取。
上弦与节点板之间的槽焊，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，节点板长度为40cm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为，焊缝应力为：

图6-3 “I”节点板布置图
因桁架的跨度较大，需将桁架分成两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置工地拼接，左半边的上弦、斜杆和竖杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半边的上弦、斜杆与节点板的连接用工地焊缝。
腹杆Hg与节点板的连接焊缝的计算长度与以上几个节点相同。

6.4 支座节点“a”（图6-4）
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。

图6-4 “a”节点板布置图
6.4.1 支座底板的计算
支座反力：
支座底板的平面支座底板的平面尺寸采用280mm×350mm，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280×180mm2=50400mm2。
验算柱顶混凝土的抗压强度：

式中，为混凝土强度设计值，对C25混凝土，
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，每块板的单位宽度的最大弯矩为：
式中，为底板下的平均应力：

为两支承边之间的对角线长度：

β为系数，由b1/a1查表8.4.1而定，b1为两支承边的相交点到对角线a1的垂直距离。由相似三角形的关系，得：
，
查表8.4.1得

底板厚度：
又根据构造要求，桁架跨度，，取。
6.4.2 加劲肋与节点板的连接焊缝计算
加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似。偏于安全的假定一个加劲肋的受力为桁架支座反力的1/4，即：
则焊缝内力为：，
设焊缝，焊缝计算长度，则焊缝应力为：

6.4.3 节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算
设节点板与底板的连接焊缝的焊脚尺寸为6mm，焊缝传递全部支座反力，加劲肋、节点板与底板的连接焊缝长度之和：

满足要求

6.5 下弦中央节点“e”（图6-5）
焊缝尺寸可按构造要求取，肢背和肢尖的。
根据上面求得的焊缝长度，并考虑杆件之间有间隙以及制作和装配等误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为185mm×360mm。

图 6-5 下弦中央节点“i”
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宽度。拼接角钢的这部分削弱，可以靠节点板来补偿。接头一边的焊接长度按弦杆内力计算。
设焊缝，则所需焊缝计算长度（一条焊缝）：

拼接角钢的长度取。
下弦与节点板之间的角焊缝，假定承受节点荷载。下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，节点板长度为36cm，则节点一侧弦杆焊缝的计算长度为：，焊缝应力为：

肢背验算：
满足要求。
参考文献
[1]张耀春.主编.钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社,2004.8.
[2]戴国欣.主编.钢结构（第3版）[M].武汉：武汉理工大学出版社，2011.1.
[3]中华人民共和国建设部.建筑结构可靠度设计统一标(GB 50068-2001)[S].北京：中国建筑工业出版社,2001.
[4]中华人民共和国建设部.钢结构设计规范(GB 50017-2003)[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.
[5]中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[6]《钢结构设计规范》编写组.钢结构设计规范专题指南[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.
[7]《钢结构设计手册》编写组.钢结构设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1983.
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[10]陈志华 编著.建筑钢结构设计[M]. 天津：天津大学出版社,2004.3.