钢结构课设青海大学

1 任务书 ...................................... 错误!未定义书签。 1.1设计题目 ................................................ 2 1.2设计目的 ................................................ 2 1.3设计条件 ................................................ 2 1.4设计内容 ................................................ 3 1.5设计要求 ................................................ 4 1.6设计进度与考核 .......................................... 4 1.7参考资料 ................................................ 4 1.8附图 .................................................... 4 2 选择钢屋架的材料 ............................ 错误!未定义书签。 3 确定屋架形式及几何尺寸 ...................................... 5 4 屋盖及支撑的布置 ............................................ 5 5 钢屋架的结构设计 ............................................ 5 5.1荷载计算 ................................................ 5 ........................................................ 5 ........................................................ 6 5.2内力计算 ................................................ 7 5.3杆件截面设计 ............................................ 8 ........................................................ 8 ........................................................ 9

........................................................ 9 5.4节点设计 ............................................... 14 ....................................................... 14 ....................................................... 15 ....................................................... 16 ....................................................... 17 6 绘制钢屋架施工图 ........................................... 18

1 任务书

1.1设计题目

某厂房钢屋架设计。

1.2设计目的

课程设计是本课程教学的实践教学环节之一，通过设计使学生进一步掌握钢屋架的设计原理、方法、步骤，提高综合分析、解决问题的能力。

1.3设计条件

某厂房总长度90m，跨度根据不同的学号从附表中取，屋盖体系可从以下所给的类型中选取。纵向柱距6m 。

1. 结构形式：

钢筋混凝土柱，梯形钢屋架。柱的混凝土强度等级为C30，屋面坡度i=L/10；L（21m)为屋架跨度。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为8度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台150/30t（中级工作制）。

2. 屋架形式及荷载：

屋架形式、几何尺寸及内力系数（节点荷载P=1.0作用下杆件的内力）如附图所示。屋架采用的钢材、焊条为：学号为单号的同学用Q235钢，焊条为E43型；双号的同学用Q345钢，焊条为E50型。

3. 屋盖结构及荷载 （1）永久荷载：

三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4 kN/m2 水泥砂浆找平层 0.4 kN/m2 保温层 0. 5 kN/m2 一毡二油隔气层 0.05 kN/m2 水泥砂浆找平层 0.3 kN/m2

预应力混凝土大型屋面板 1.4 kN/m2 屋架及支撑自重：按经验公式q0.120.011L计算： 0.351 KN/m2 悬挂管道： 0.15 kN/m2 （2）可变荷载：

屋面活荷载标准值： 0.7kN/m2 雪荷载标准值： 0.35kN/m2 积灰荷载标准值： 1.1 kN/m2

1.4设计内容

1. 确定屋盖结构及支撑的布置图；

2. 选择钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目的要求；

3. 对钢屋架进行内力、杆件截面尺寸的计算；设计一个下弦节点、一个上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点； 4. 屋架施工图

（1）手工绘制运送单元的施工图，用铅笔绘制白纸图。设计的节点应尺寸齐备、

书写规范、满足构造要求； （2）施工图内容

①屋架简图（比例1∶100），左半跨标明杆件长度，右半跨注明杆件最不利内力，以及超拱度。

②屋架正面图，上、下弦平面图（有二个比例）。 ③侧面图，剖面图及零件详图。

④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。

⑤材料表。 ⑥说明。

1.5设计要求

1. 设计内容完整、计算准确、保证经济；图纸整洁、布图合理；

2. 计算书须用打印并装订（A4），插图应按一定比例绘制，做到眉目清晰，文图配合；

3. 图纸应符合《房屋建筑制图统一标准（GB/T 50001—2001）》和《建筑结构制图标准（GB/T 50105—2001）》的要求；

4. 屋架跨度、保温层及积灰荷载取值见分组附表所示。请将自己的取值填入设计任务书中；

1.6设计进度与考核：

1. 进度

设计时间一周； 2. 考核

根据设计内容的完整性、结构合理性、计算准确性以及图纸的质量、口试、考勤等方面为评分标准；

1.7参考资料

[1] 夏志斌．钢结构原理与设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008.7. [2] 刘声扬．钢结构原理与设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008.7. [3] 夏志斌，姚谏.钢结构设计[M]．北京：中国建筑工业出版社.2005.9. [4] GB50017-2002钢结构设计规范[S]．北京：中国计划出版社.2002. [5] GB50009-2012建筑结构荷载规范 [S]．北京:中国建筑工业出版社.2012.

1.8附 图

a. 21米跨屋架几何尺寸

b. 21米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值 c. 21米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值

2 选择钢屋架的材料

根据荷载性质，钢材可采用Q345，要求保证屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯试验及碳、硫、磷含量合格。屋架连接方法采用焊接，焊条可选用E50型，手工焊。

3 确定屋架形式及几何尺寸

钢筋混凝土柱，梯形钢屋架。柱的混凝土强度等级为C30，屋面坡度i=L/10=2.1；L（21米）为屋架跨度。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为8度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台150/30t（中级工作制）。如下图：

4 屋盖及支撑的布置

根据车间长度，屋架跨度，荷载情况，以及吊车设置情况，布置下弦横向水平支撑和系杆，屋架下弦沿跨中通长设两道柔性系杆。

上弦支撑布置 下弦支撑布置

5 钢屋架的结构设计

5.1荷载计算

屋面活荷载与雪载一般不会同时出现，可取其中较大者进行计算。 屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）可按经验公式计算。

21米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值 21米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值

5.1.1荷载标准值

荷载计算中，因屋面坡度较小，风荷载对屋面为吸力，对重屋盖可不考虑，所以各荷载均按水平投影面积计算。 ①永久荷载：

三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4 kN/m 水泥砂浆找平层 0.4 kN/m2 保温层 0. 5 kN/m2 一毡二油隔气层 0.05 kN/m2 水泥砂浆找平层 0.3 kN/m2

预应力混凝土大型屋面板 1.4 kN/m2 屋架及支撑自重：按经验公式q0.120.011L计算： 0.351 KN/m2 悬挂管道： 0.15 kN/m2 合计： 3.551kN/m2 ②可变荷载：

屋面活荷载标准值： 0.7kN/m2 雪荷载标准值： 0.35kN/m2 积灰荷载标准值： 1.1 kN/m2 合计： 2.15kN/m2 5.1.2荷载组合

设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合： （1） 全跨永久荷载+全跨可变荷载 屋

架

上

弦

节

点

荷

载

（

端

点

荷

载

取

半

）

2

P(3.5511.22.151.4)1.5665.44kN

（2） 全跨永久荷载+半跨可变荷载

永久荷载作用屋架上弦节点相处的荷载：P13.5511.21.5638.35kN 可变荷载作用屋架上弦节点相处的荷载：P22.151.41.5627.09kN （3） 全跨屋架与支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载

全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载:P30.3511.21.563.79kN 作用于半跨的屋面板及活载产生的节点荷载：取屋面可能出现的活载

P4（1.41.20.71.4）1.5623.94kN

5.2内力计算 计算结果如下表：

杆件 内力系数 全跨永久荷全跨永久荷载+半跨可变荷载 全跨屋架支撑+半跨可屋面载+半跨可变荷载 计算内力 名称 左 半跨 P=1 右 半跨 全 跨 载+全跨可/kN 变荷载 ① ② ③ 上弦杆 AB 0 0 0 0 -488.96 0 -430.39 -630.71 -652.96 238.77 554.18 657.20 610.70 -447.49 330.01 -240.41 140.17 -61.55 0 -357.22 -556.41 -630.92 193.40 472.93 603.71 629.76 -362.47 282.20 -224.33 154.12 -104.14 0 0 0 -488.96 -736.98 -797.05 268.30 637.64 782.79 770.09 -502.84 380.07 -288.52 182.70 -102.87 50.14 (-23.63) BC/CD -5.310 -2.162 -7.472 -155.44 -80.08 -218.38 -136.60 -210.41 -173.50 87.60 196.44 220.72 185.46 41.63 110.69 156.32 185.46 DE/EF -7.339 -3.923 -11.262 -736.98 FG/GH -6.861 -5.319 -12.18 -797.05 268.30 637.64 782.79 770.09 -502.84 380.07 -288.52 182.70 -102.87 下弦杆 ac ce eg gh 3.010 6.663 7.326 5.884 1.090 3.081 4.636 5.884 4.100 9.744 11.962 11.768 斜腹杆 aB Bc cD De eF Fg -5.641 -2.043 -7.684 3.96 1.848 5.808 -164.17 -78.03 116.81 -79.74 39.84 -7.08 -23.63 66.25 -59.71 48.17 -42.42 33.97 -2.633 -1.776 -4.409 1.222 1.570 2.792 -0.047 -1.525 -1.572 -1.039 1.367 0.328 21.46 -15.56 50.14 gH 1.913 -1.200 0.713 46.65 79.16 -4.00 48.63 -26.03 79.16 (-26.03) 竖杆 Aa Cc Ee -0.5 -1.0 -1.0 0 0 0 -0.5 -1.0 -1.0 -32.72 -65.44 -65.44 -32.72 -65.44 -65.44 -19.98 -39.97 -39.97 -13.96 -27.73 -27.73 -1.90 -3.79 -3.97 -32.72 -65.44 -65.44 Gg -1.0 0 -1.0 -65.44 -65.44 -39.97 -27.73 -3.79 -65.44 先求出单位荷载作用于各节点时的内力，即内力系数，然后可求出当荷载作用于全跨及半跨各节点时的杆件内力，并求出三种荷载组合下的杯件内力．取其中不利内力（正、负最大值）作为设计屋架的依据。

跨中附近斜腹件的内力发生变号，由于考虑了施工阶段荷载的不利分布。如果按照正确的施工方法，屋面板采用对称吊装，就不会出现杆件内力的变号。

5.3杆件截面设计

由于屋架跨度不大于30m，上弦、下弦可不改变截面，按最大内力设计。 上弦杆计算长度，在屋梁平面内，为节间轴线长度。在屋梁平面外，根据支撑布置和内力变化情况（按大型屋面板与屋梁保证三点焊，故取两块屋面板宽度），其计算长度大于屋架平面内计算长度，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。节点板厚度需按腹杆的最大内力选用。

轴心拉杆，可按强度要求选择截面。对轴心压杆，可先假定长细比（弦杆λ=80～100，腹杆100～120）选择截面再进行验算。

屋架所有的杆件还应满足长细比限值的要求。

按腹杆最大内力NaB502.84kN，查表7-5，选中间节点板厚度为10mm，支座节点板厚度为12mm。 5.3.1上弦杆

整个上弦杆采用等截面，按最大受压杆件FG、GH内力设计，NFH-797.05kN。

l0x150.75cm， l0y301.5cm。因为l0x2l0y，截面选取两不等肢角钢，短肢相并。

假定80，查附表1.20得，

N797.051033737.1mm237.37cm2 0.688，则Af0.688310l0y301.5150.753.77cm，由附表H中型钢表，选用2 ix1.88cm ，iy8080l0xL1409010，短肢相并拼（如右图)，

A44.52cm2，

ix2.56cm，

iy6.77cm。

l0y301.5l0x150.7545，满足长细比 验算：x59，yiy6.77ix2.56maxmax{x,y}59150的要求。

由于xy只需求出minx，查轴心受压构件的稳定性系数表，x0.802，

N797.05103223.2Nmm2f310Nmm2所选截面适合。 2xA0.80244.52105.3.2下弦杆

整个下弦杆采用等截面，按最大内力Neg782.79kN计算。l0x300cm，

l0y1035cm，因l0y》l0x，选用不等边角钢，短肢相拼，如图所示：

N782.7910325.25cm2 所需截面A2f31010 由附录H中型钢表选用2 L110708，

A27.89cm2，ix1.98cm，iy5.41cm。

验算：xl1035l0x300151.5[]350 y0y191.3[]350 ix1.98iy5.41满足长细比maxmax{x,y}191.3350的要求。

N782.7910322280.67Nmmf310Nmm，满足要求。 2A27.89105.3.3斜腹杆

① aB杆：

NaB-502.84kN，l0xl0yl253.0cm。

假定100， 查附录D，0.555

N502.841032A29.2cm，选用

f0.555310102并，如图：

2 ∟125808，长肢相

查附表H，A31.98cm2，ix4.01cm，iy3.27cm xl0x253.058.6ix4.01yl0yiy253.077.43.27，满足长细比

maxmax{x,y}77.4150的要求。

查附录D2，得

N502.8410322231.9Nmmf310Nmm0.678,，满足要求。 2A0.67831.9810②Bc杆：

NBc380.07kN，l0x0.8l0.8261.3209.04cm，l0yl261.3cm。

N380.07103212.26cm A，选

f310102用2 ∟705，查附录H，A13.75cm2，

ix2.16，

iy3.24.

验算：xl0yiyl0x209.0496.8 ，ix2.16y261.380.6，满足长细比3.24maxmax{x,y}96.8350的要求。

N380.07103276.41Nmm2f310Nmm2，满足要求。 2A13.7510③cD杆：

NcD288.52kN，l0x0.8l0.8286.4229.1cm，l0yl286.4cm。 假定100， 查附表1.20，0.555

N288.521032216.7cmA17.59cm A，选用2 ∟，查附录H，， 756f0.555310102ix2.31cm，iy3.45cm。

验算 ：xll0x229.1286.499.2，y0y80.3，满足长细比

iy3.45ix2.31maxmax{x,y}99.2150的要求。 故由maxx99.2，查附录D2，得0.537

N288.5210322305.4Nmm310Nmm 满足要求。 A0.53717.59102 ④De杆：

NDe182.70kN，l0x0.8l0.8286.4229.1cm，l0yl286.4cm。

N182.7010325.9cm A，选用2∟504，则A7.79cm2，ix1.54cm，2f31010iy2.43cm. 验算：xll0x229.1286.4148.8，y0y117.9，满足长细比

iy2.43ix1.54maxmax{x,y}148.8350的要求。

N182.7010322234.5Nmmf310Nmm，满足要求. 2A7.7910 ⑤eF杆：

NeF102.87kN，l0x0.8l0.8312.4250cm，l0yl312.4cm 假定100， 查附录D2，0.555

N102.871036.0cm2，选用2 ∟634，查附录H，A9.96cm2， A2f0.55531010ix1.96cm，iy2.94cm.

验算：

x250127.6，1.96y312.4106.32.94，满足长细比

maxmax{x,y}127.6150的要求。

故由x127.6，查附录D2，得0.383

N102.87103269.7Nmm2310Nmm2，满足要求。 2A0.3839.9610⑥Fg杆：

NFg50.14kN，l0x0.8l0.8312.4250cm，l0yl312.4cm

将Fg杆按NFg50.l4kN的拉杆设计，选用屋架需采用的最小角钢2∟505都可满足要求。但考虑该杆在其他荷载组合时可能产生内力变形，故宜按压杆的容许长细比进行控制，现选用2 ∟634，查附录H，A9.96cm2，ix1.96cm，iy2.94cm.

验算：

x250127.6，1.96y312.4106.32.94，满足长细比

maxmax{x,y}127.6150的要求。

N50.1410350.3Nmm2f310Nmm2，满足要求。 2A9.9610⑦gH杆：

NgH79.16kN，l0x0.8l0.8339271.2cm，l0yl339cm

同理，亦按压杆容许长细比进行控制，选用2∟634，查附录H，A9.96cm2，

ix1.96cm，iy2.94cm.

验算：xll0x271.2339138.4 ，y0y115.3，满足长细比

iy2.94ix1.96maxmax{x,y}138.4350的要求。

N79.161032279.5Nmmf310Nmm ，满足要求。 2A9.9610（4）竖杆：

NaA32.72kN，NcCNeENgG65.44kN,其内力值大小相同，选用长细比较

大的竖杆进行设计，则可保证其它竖杆的安全可靠性。

NgG65.44kN,l0x0.8l0.8289231.2cm，l0y289cm.因内力较小，选用

2∟565，则A10.83cm2，ix1.72cm，iy2.69cm.

验算：xll0x231.2289134.4 ，y0y107.4，满足长细比

iy2.69ix1.72maxmax{x,y}134.4150的要求。

故由x134.4，查附录D02得：0.364

N65.4410322166.0Nmmf310Nmm，满足要求. 2A0.36410.8310各杆件截面选择如下表：

屋架杆件一览表

杆件 名称 内力 KN 计算长度cm 截面规格 （均为2个拼截面面积cm² 回转半径长细比 （cm） 上 接） FG 弦 下150.75 301.5 ┐┌ 140×90×10 44.52 2.56 6.77 59 45 150 0.802 223.2 eg 弦 782.79 300 1035 ┐┌ 110×70×8 27.89 1.98 5.41 151.5 191.3 350 ― 280.67 -502.8aB 4 253 253 ┐┌ 125×80×8 31.98 4.01 3.27 58.6 77.4 150 0.678 231.9 Bc 斜 腹 380.07 209.4 261.3 ┐┌ 70×5 13.75 2.16 3.24 96.8 80.6 150 ― 276.41 -288.5cD 2 229.1 286.4 ┐┌ 75×6 17.59 2.31 3.45 99.2 80.3 150 0.537 305.4 杆 De eF 182.70 229.1 286.4 ┐┌ 50×4 7.79 1.54 2.43 148.8 117.9 350 ― 234.5 -102.8250 7 312.4 ┐┌ 63×4 9.96 1.96 2.94 127.6 106.3 150 0.383 269.7 Fg gH aA 竖50.14 250 312.4 ┐┌ 63×4 ┐┌ 63×4 ┐┌ 56×5 ┐┌ 56×5 ┐┌ 56×5 ┐┌ 56×5 9.96 1.96 2.94 129.5 106.3 150 ― 50.3 79.16 271.2 339 9.96 1.96 2.94 138.4 115.3 150 ― 79.5 -32.72 199 199 10.83 1.72 2.69 115.7 74.0 150 0.428 107.9 Cc Ee Gg -65.44 183.2 229 10.83 1.72 2.69 106.5 85.1 150 0.495 122.1 杆 -65.44 207.2 259 10.83 1.72 2.69 120.5 96.3 150 0.411 147.0 -65.44 231.2 289 10.83 1.72 2.69 134.4 107.4 150 0.364 166.0 5.4节点设计

5.4.1下弦节点c

角焊缝的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，ffw200Nmm2. 设cB杆的肢背和肢尖焊缝为hf8mm和5mm.所需焊缝长度为：

0.7380.07103118.77mm 取lw150mm 肢背 lw20.782000.3380.0710381.44mm，取lw100mm. 肢尖 lw20.75200 设cD杆的肢背与肢尖的焊缝为hf8mm和6mm.

0.7288.5210390.2mm，取lw100mm 肢背 lw20.782000.3288.5210351.5mm，取lw80mm。 肢尖 lw20.76200 cC杆件内力很小，焊缝尺寸可以按照构造要求确定，取hf5mm。

0.765.4410333mm，取lw50mm 肢背 lw20.752000.365.4410314mm，取lw50mm 肢尖 lw20.75200根据以上焊缝长度，并考虑杆件之间的间隙以及制作和装配等误差，按照比例会出节点详图（如下图），确定节点板尺寸为320270。

380.07KN

288.52KN

268.30KN 637.64KN

下弦与节点板连接的焊缝长度为320mm，hf8mm，焊缝所受的力为左右下弦杆的内力差△N637.64268.30369.34kN,受力较大的肢背处焊缝应力为 所以，焊缝强度满足要求。 5.4.2上弦节点B

上弦节点B如下图。Bc杆与节点板的焊缝尺寸为和节点c相同，aB杆与节点板的

焊缝尺寸为hf10mm和6mm.NaB500.77kN。

488.96KN

502.84KN

380.07KN

0.7502.84103125.7mm，取lw150mm 肢背 lw20.7102000.3502.8410389.8mm，取lw100mm 肢尖 lw20.76200为了便于搁置屋面板，上弦节点板的上边缘缩进上弦肢背8mm，用塞焊缝把上弦角钢与节点连接起来。塞焊缝作为两条焊缝计算，设计强度乘以0.8的折减系数。考虑到屋面坡度较小，可假设集中荷载P与上弦垂直。

肢背和肢尖焊缝hf6mm和8mm，上弦与节点板间焊缝长度为340mm。 上弦肢背塞焊缝应力： 上弦肢尖塞焊缝应力： 焊缝满足要求。 5.4.3屋脊节点

弦杆的拼接，一般都采用同号角钢作为拼接角钢，为了使拼接角钢在拼接处能紧贴

被连接的弦杆并便于施焊，将角钢的尖角削去。设焊缝hf8mm，拼接角钢与弦杆的

连接焊缝的最大内力NGH797.05kN，每条焊缝长度为：lwNGH40.7hff177mm

fw拼接角钢的总长度为：l2(lw2hf)a2(17728)20406mm，取

l410mm。

上弦杆角钢肢尖与节点板的连接焊缝，应取上弦内力的15%进行计算，即：

N0.15N0.15797.05119.55kN，其产生的偏心弯矩

MNe70119.551038368.5kNm

节点板尺寸如图：

设肢尖焊脚尺寸hf28mm，则焊缝计算长度lw2200285179mm。验算肢尖焊缝强度：

129.27Nmm2ffw200Nmm2，焊缝满足要求。

5.4.4支座节点

为便于施焊，底板上表面至下弦角钢净距离为125mm,如图所示：

支座节点图

① 底板计算

支座反力R7P765.44458.08kN

根据构造需要，取底板尺寸为280mm400mm。锚栓采用2M24，并用U形缺口，柱采用C25混凝土，其轴心抗压强度设计值fc12.5N/mm2。作用与地板的压应力为：

qR458.087.7N/mm2fc12.5N/mm2 满足 An212280 底板被节点板和加劲肋分成4块两相邻边支承板，最大弯矩：

b180.10.479，查表得0.053 a1167.2则底板单位宽度上的最大弯矩

取f295N/mm2（按厚t16-35取值） 则需要底板厚度：t6M611408.815.2mm，取t20mm f295 ②加劲肋计算

对加劲肋和节点板间的两条竖直焊缝进行验算。

设hf6mm，焊缝长度lw430208402mm取焊缝最大计算长度

lw60hf360mm402mm，VR458.08114.52kN 44焊缝应力为

焊缝满足要求。

③加劲肋、节点板与底板的连接焊缝计算 假设焊缝传递全部支座反力R，每块加劲肋传递

RR，节点板传递。 42hf min1.5t1.5206.7mm，取8mm。

每块加劲肋与底板的连接焊缝的总计算长度：

R/4114.52103 f106.51Nmm2ffw200Nmm2 满足。

f0.7hflw1.20.78160节点板与底板的连接焊缝长度lw2(28012)536mm

R/2229.04103f63.58Nmm2ffw200Nmm2 满足。

f0.7hflw1.20.785366 绘制钢屋架施工图

见附图。