《钢结构设计》课程设计
学生姓名: 王珑茗 指导教师： 叶成杰 学生班级：土木08-12班 学生学号：任务参数： 序号一 序号二 设计时间： 2011 年 5 月 4 日
至 2011 年 5 月 17 日
钢结构课程设计任务书
一、课程设计性质及目的
《钢结构设计》是土木工程专业的一门主要专业课程，课程设计的目的是使学生综合运用本课程所学知识进行整体结构设计，提高学生思考和解决问题能力。通过课程设计使学生学会钢屋架结构的设计及其施工图的绘制，为今后进行复杂钢结构的设计和研究等工作打下坚实的基础。 二、课程设计的任务、内容及要求
钢结构课程设计的任务就是为总则中的建筑设计钢屋盖，形式为平面桁架（亦可做网架），内容包括屋架形式的确定、屋盖支撑设置及截面选择、屋架结构所受各种荷载的计算、屋架杆件截面选择、屋架节点设计、钢屋架施工图的绘制等。
课程设计包括如下要求：
1、熟悉工程中常用屋盖钢结构的结构形式，了解每种屋盖形式的特点及适用范围； 2、了解复杂钢结构建筑的设计思路，掌握简单屋盖钢结构的设计方法，为毕业设计和将来的工作打下基础。
3、巩固所学钢结构基本设计理论，进一步理解结构布置、荷载传递、构件的计算在工程中的应用。
4、掌握钢桁架施工图的画法，学会编写计算书。 三、设计资料及要求
某屋盖结构拟采用钢结构，拟建建筑顶层平面如附图。根据甲方要求初步确定采用平面钢桁架。屋面材料可采用预应力钢筋混凝土大型屋面板，亦可以采用彩色夹心板；屋架支承在钢筋混凝土柱或圈梁上，混凝土强度等级C20。屋架下弦无悬挂荷载，风荷载、雪荷载按哈尔滨地区采用，可不考虑积灰荷载及地震作用。
对设计文件的要求如下：
1、课程设计的计算说明书必须采用A4纸打印输出（或仿宋体书写），公式录入必须利用公式编辑器进行。禁止手工书写和打印输出混合使用；计算书封面见附页。
2、课程设计说明书严格按封面、任务书、目录、正文、参考文献的顺序左侧装订，图纸折叠附在最后。
3、计算书排版格式要求：一级、二级、三级标题分别为黑体小三、四号、小四号，章节序号采用数字，如第一章第二节第三个问题是计算内力，则表示为：1.2.3 计算内力，并居中处理；正文为五号宋体；上下左右页边距均为2.5。仿宋体书写应严格控制行数及每行字数，以页面清晰整洁为准。
每名同学课程设计的设计题目及相应参数按附表一、附表二确定。 四、课程设计应完成成果
课程设计应完成以下成果：
1、钢屋架计算书一份，具体包括屋架荷载计算、内力计算、杆件的选择、各种连接的计算等。计算书以封面、任务书、目录、正文、参考文献的顺序左侧装订，图纸折叠装订在最后。A4纸手工书写或计算机输出，计算书封面、排版格式及要求见课程设计
总则。
2、屋架施工图一份，具体包括屋架尺寸图、屋架内力图、屋盖支撑布置图、屋架的重要节点详图、屋架的详细施工图。
3、图纸尺寸为2号（或2号加长），可手工出图也可微机出图，要求严格按屋架施工图标准绘制，保证图幅清洗、表答清楚。
4、编制规范的材料表。 五、考核方法及成绩评定
课程设计属于考查课，成绩分优、良、中、及格、不及格五档。成绩采取综合评定的方式给出，即：
总成绩=出勤（10%）+计算书（40%）+图纸（40%）+答辩（10%） 出勤采取指导教师和组长联合考核的方式。计算书及图纸由指导教师审阅，对于计算书主要考核选用理论是否正确、计算结果是否准确、表述是否清晰、书写或排版是否符合要求等等；对于图纸主要考核图幅布置是否合理、层次是否清晰、表答是否清楚等等。答辩的主要目的是预防、避免抄袭现象的发生，由指导组全体教师共同完成，可根据实际情况采取个别、部分或全部学生参与答辩。
对于课程设计不及格的同学，在下一届学生课程设计期间重新进行设计。
附表一 学生设计任务确定表
附 图
目 录
1 设计资料 . .................................................................................................................................................. 1 2 屋架形式及几何尺寸 . .............................................................................................................................. 1 3 支撑布置 . .................................................................................................................................................. 1 4 荷载 . .......................................................................................................................................................... 2
4.1荷载计算 . ......................................................................................................................................... 2 4.2 荷载设计值计算 . ............................................................................................................................ 3 4.3 荷载组合 . ........................................................................................................................................ 4 5 内力计算及内力组合 . .............................................................................................................................. 4 6 杆件选择 . .................................................................................................................................................. 6
6.1上弦杆 . ............................................................................................................................................. 6 6.2下弦杆 . ............................................................................................................................................. 7 6.3一般腹杆 . ......................................................................................................................................... 7 7. 节点连接计算 . ........................................................................................................................................ 11
7.1一般节点计算 . ............................................................................................................................... 11 7.2支座节点计算 . ............................................................................................................................... 14 7.3拼接节点计算 . ............................................................................................................................... 17 8. 参考资料 . ................................................................................................................................................ 19
1 设计资料
某屋盖结构拟采用钢结构，拟建建筑顶层平面如附图。屋架跨度31.2m ，长40.4m 。根据甲方要求确定采用平行弦钢桁架，屋面坡度为i =1/10，屋架间距为7.2m ，屋架与钢筋混凝土柱顶铰接。屋面材料采用彩色夹芯板，工字型檩条，檩距3.9m （水平投影距离），地面粗糙度类别为B 类，二级建筑，不考虑积灰荷载及地震作用。基本风压w 0=0. 50kN/m2，基本雪压
2
，。屋架钢材采用Q235B ，焊条采用E43型，焊接工艺采用手工焊。 s 0=0. 45kN/m
2 屋架形式及几何尺寸
平行弦屋架结构布置图及剖面图如图2—1. 檩条支撑于屋架上弦节点。均为节点荷载。经计算可知，屋架坡角（上弦与水平面之间的夹角）为α=arctan 投影间距为3.9m 。
1
=5 42'38''，檩距为3.920m 。水平10
几何尺寸内力图
3 支撑布置
依据《建筑抗震设计规范》GB50011—2001，支撑布置见图3-1，上弦横向水平支撑设置在房屋两端及伸缩缝处第一开间内，并在相应开间屋架跨中设置竖向支撑，在其余开间屋架下弦跨中设置一通长水平系杆，上弦横向水平支撑在节点处设通常系杆。故上弦杆在屋架平面外的计算长度等于横向水平支撑的节距；下弦杆在屋架平面外的计算长度为屋架跨度的一半。
图3-1 屋架上弦支撑图
4 荷载
4.1荷载计算
（1）永久荷载：(恒荷载) ：（对水平面头影）
彩 色 夹 芯 板 0. 15⨯
=0. 151kN/m2 10
2
檩 条 自 重 0.10 kN/m
2
屋 架 及 支 撑 0.30 kN/m 合 计 0.551 kN/m （2）可变荷载（活荷载）：（对水平面投影）
2
1）屋面均布活荷载 0.30kN/m2）雪荷载
基本荷载：s 0=0. 45kN
2
m 2
。据《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001），由于
α=5 42'38''
，雪荷载不与屋面活荷载
同时考虑，仅考虑两者中较大者的作用。另据《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001）可知，不考虑全跨积雪不均匀分布情况。
3）风荷载 ：风荷载高度变化系数1.25，屋面迎风面的体形系数-0.25，背风面-0.3 迎风面
ω1=-0. 25⨯5. 377⨯1. 25⨯6. 6⨯0. 5=-5. 545kN /m 2
背风面
ω2=-0. 3⨯5. 377⨯1. 25⨯6. 6⨯0. 5=-6. 654kN /m 2
由檩条传给屋架上弦节点荷载见图4-1
图4-1屋架荷载图
4.2 荷载设计值计算
由可变荷载控制的组合：
1）恒荷载设计值分项系数为1.2，故恒荷载上弦设计值为：
1. 2⨯0. 551⨯5. 377⨯6. 6=23. 46kN
2）活荷载设计值分项系数为1.4，故活荷载上弦设计值为：
1. 4⨯0. 450⨯5. 377⨯6. 6=22. 35kN
4.3 荷载组合
在荷载最不利组合过程中仅考虑以下两种情况： 1、恒载+全跨活载 2、恒载+半跨活载
5 内力计算及内力组合
具体计算结果及组合结果见表5—1：(受拉符号为正，受压符号为负）
由于实际情况存在风荷载，考虑这种效应可能是拉杆变为压杆，我们通过控制所有拉杆的长细比不超过250
。
6 杆件选择
6.1上弦杆
整个上弦不改变截面，按最大内力计算
N max =-523. 53kN ， l ox =l oy =5377mm
设λ=80 则ϕ=0. 688 f =215
A =⋅f
=-523. 53⨯10
3
⨯0. 688
=35. 39cm 2
2
选用2L 140⨯12 Z 0=39. 0mm i x =4.31cm i y =6. 23cm A =32. 5cm
λx =l ox =537. . 31=124. 7
x
l oy
y
=537. . 23
=86. 3
=140÷12=11. 67
3
σ=523. 53⨯10
0. 442⨯32. 5⨯102⨯2
=182. 2
填板放三块 537. =134. 4
所以满足即上弦杆选用2L 140⨯12
6.2下弦杆
考虑到施工及经济的要求，下弦杆也不改变截面。下弦杆主要承担拉力因此，只验算刚度和强度即可。
下弦杆最大内力N max =554. 26kN , l ox =537. 7cm , l oy =1605cm 设λ=80 则ϕ=0. 688
A =⋅f
=554. 26⨯10
3
⨯0. 688
=37. 47cm 2
2
选用2L 180⨯12 Z 0=48. 9mm i x =5.59cm i y =7. 84cm A =42. 2cm
λx =l ox =537. . 59=96. 1
x
l oy
y
==204. 7
. 84
=180÷12=15
σ=554. 26⨯10
3
. 608⨯42. 2⨯102⨯2
=108. 1
填板放两块 537. =179. 2
所以满足即上弦杆选用2L 180⨯12
6.3一般腹杆
（1）考虑到施工方便及经济性，腹杆的截面形式不宜太多也不宜太少，因此截面取三种形式，具体分组如下：3、5、26、29杆为一组，8、9、15、22、23杆为一组，12、13、18、19杆为一组。故腹杆共取三种截面。对于3、29杆为支座斜杆，但其承受拉力，故可不单独验算
对3、5、26、29杆，最大内力为N max =-200. 17kN l ox =0. 8⨯3. 506=2. 804m , l oy =3. 506m
设λ=80 则ϕ=0. 688
3
A =⋅f
=200. 17⨯10
⨯0. 688
=13. 53cm 2
2
选用2L 110⨯10 Z 0=30. 9mm i x =3.38cm i y =4. 93cm A =21. 3cm
λx =l ox =280. . 38=82. 9
x
l oy
y
=350. . 93
=71. 1
=110÷10=11
σ=200. 17⨯10
3
. 694⨯21. 3⨯102⨯2
=67. 7
填板放两块 280. =93. 4
所以满足即选用2L 110⨯10
（2）对8、9、15、22、23杆，最大轴力为：N max =-122. 01kN
l ox =0. 8⨯3. 506=2. 804m , l oy =3. 506m
设λ=100 则ϕ=0. 555
A =⋅f
=122. 01⨯10
3
⨯0. 555
=10. 22cm 2
2
选用2L 100⨯10 Z 0=28. 4mm i x =3.05cm i y =4. 52cm A =19. 3cm
λx =l ox =280. . 05=91. 9
x
l oy
y
=350. . 52
=77. 5
=100÷10=10
σ=122. 01⨯10
3
0. 661⨯19. 3⨯102⨯2
=47. 8
填板放两块 280. =93. 4
所以满足即选用2L 100⨯10
（3）对12、13、18、19杆最大轴力为：N max =-49. 92kN
l ox =0. 8⨯3. 506=2. 804m , l oy =3. 506m
设λ=100 则ϕ=0. 555
A =⋅f
3
49. 92⨯10=
⨯0. 555
=4. 18cm 2
2
选用2L 125⨯10 Z 0=34. 5mm i x =3.85cm i y =5. 52cm A =24. 4cm
λx =l ox =280. . 85=72. 8
x
l oy
y
=350. . 52
=63. 5
=125÷10=12. 5
λ=72. 8查表得ϕ=0. 757
σ=49. 92⨯10
3
0. 757⨯24. 4⨯102⨯2
=13. 5
填板放两块 280. =93. 4
所以满足即选用2L 125⨯10
屋架杆件截面选用表：
10
7. 节点连接计算
7.1一般节点计算
图7-1节点编号图
1. 上弦一般节点
1） 腹杆与节点板间的连接角焊缝
图7-1-1一般节点图 腹杆5与节点板的连接焊缝适用肢背上的焊脚尺寸
h f 1=6
肢尖上的焊脚尺寸
h f 2=6mm 则所需的焊缝长度
杆5：l w 1
8h f 1, 40}=48m m ⎧0. 7⨯200. 17⨯103⎪>l w 1min =max {==104. 2m m ⎨
l f 1=104. 2+12=116. 2mm 取l f 1=120mm
l w 2
0. 3⨯200. 17⨯103==44. 6mm
2⨯0. 7⨯6⨯160
取l w 2=48mm
l f 2=48+12=60mm
腹杆8与节点板的连接焊缝适用肢背上的焊脚尺寸
h f 1=6
肢尖上的焊脚尺寸
h f 2=6mm 则所需的焊缝长度
杆8: l =0. 7⨯109. 26⨯103⎧⎪>l w 1min =max {8h f 1, 40}=48m m w 1
2⨯0. 7⨯6⨯160=56. 9m m ⎨⎪⎩
l f 1=56. 9+12=68. 9mm 取l f 1=70mm l 0. 3⨯109. 26⨯103w 2
=2⨯0. 7⨯6⨯160
=24. 3mm
N 34=-153. 71⨯10N N 7=-399. 15⨯103N ∆N =245. 44⨯103
N
由节点详图7-1-1得实际焊缝尺寸 l f 1=l f 2=1370mm 则焊缝计算长度 l w 1=l w 2=1370-12=1358mm 若取h f 1=h f 2=h f =6mm 则焊缝应力 τ=0. 7⨯245. 44⨯103f max
2⨯0. 7⨯6⨯1358
=15. 06N w
mm 2
=160N 2 所以节点的设计满足要求 2. 下弦一般节点
取l w 2=48mm
图
7-1-2一般节点图
1）
腹杆与节点板间的连接角焊缝
腹杆8与节点板的连接焊缝适用肢背上的焊脚尺寸
h f 1=6
肢尖上的焊脚尺寸
h f 2=6mm 则所需的焊缝长度
杆8: l w 1
8h f 1, 40}=48m m ⎧0. 7⨯109. 26⨯103⎪>l w 1min =max {==56. 9m m ⎨
2⨯0. 7⨯6⨯160⎪⎩
l f 1=56. 9+12=68. 9mm 取l f 1=70mm l w 2
0. 3⨯109. 26⨯103==24. 3mm
l f 2=48+12=60mm
腹杆9与节点板的连接焊缝适用肢背上的焊脚尺寸
h f 1=6
肢尖上的焊脚尺寸
h f 2=6mm 则所需的焊缝长度
杆9: l w 1
8h f 1, 40}=48m m ⎧0. 7⨯121. 85⨯103⎪>l w 1min =max {==63. 4m m ⎨
2⨯0. 7⨯6⨯160⎪⎩
l f 1=63. 4+12=75. 46mm 取l f 1=80mm
l w 2
0. 3⨯121. 85⨯103==27. 1mm
l f 2=48+12=60mm 2） 下弦杆与节点板的连接焊缝
N 6=307. 17⨯103N N 10=492. 66⨯103N ∆N =185. 49⨯10N
由节点详图7-1-2得实际焊缝尺寸 l f 1=l f 2=1770mm 则焊缝计算长度 l w 1=l w 2=1770-12=1758mm 若取h f 1=h f 2=h f =6mm 则焊缝应力
3
0. 7⨯185. 49⨯103w
=8. 79N =160N τf =2
mm mm 2⨯0. 7⨯6⨯1758
所以节点的设计满足要求
7.2支座节点计算
图7-2 支座节点图 1）
支座底板的计算
支座反力=111. 33kN 设肢尖焊缝6mm 则所需焊缝长度为
l w 2=
N 2h e f f
w
0. 3⨯111. 33⨯103==24. 8mm 加2h f =50mm 2⨯0. 7⨯6⨯160
实际净面积 A n =280⨯280-(
π⨯502
4
⨯
1
+30⨯50) ⨯2=73437. 5mm 2 2
R 111. 33⨯103
N 底板均布应力 q = ==1. 6N 2
a 1= 240-
⎛
⎝
a 112⎫
b ==165. 4 查表得：β=0. 058 ⨯2=330. 8mm ⎪1
22⎭
M =βqa 12=0. 058⨯1. 6⨯330. 82=10155N ⋅mm
所需底板厚度：t =2）
6M 6⨯10155
==16. 9mm f 215
加劲肋与节点板的连接焊缝计算与牛腿焊缝相似，偏于安全地假定劲筋的受力桁架支座反力的
1
，即 4R 1
=⨯111. 33=27. 83kN v =
44
303
=208725N ⋅mm M =v ⨯e =27. 83⨯10⨯4
设h f =6mm 节点板厚度10mm 切角处水平长度取为20mm , 竖直长度为30mm l w =280-30-12=238mm
27. 83⨯103
τf ==11. 5N 2
mm 2⨯0. 7⨯6⨯238
σf =
6⨯208725
=2. 7N 2
mm 22⨯0. 7⨯6⨯238
2
⎛2. 7⎫2N ⎪+11. 5=11. 82
m m m m 1. 22⎝⎭
3）
节点板、加劲肋与底板的焊缝计算
底板实际焊缝长度： l w =2⨯(280+120)-6⨯1=794mm ； 焊角尺寸 h f =6mm
111. 33⨯103w
=33. 4N 焊缝实际应力： σf =2
mm 0. 7⨯6⨯794
7.3拼接节点计算
图7-3 拼接节点图 1） 腹杆节点板间的连接角焊缝尺寸 杆13、18： 取h f 1=h f 2=6mm l w 1
0. 7⨯40. 32⨯103==21mm
l f 1=48+12=60mm
l w 2
0. 3⨯49. 92⨯103==11. 1mm
l f 2=48+12=60mm
2）
拼接接头每侧上弦杆与节点板间连接焊缝计算 上弦杆肢背与节点板间焊缝承受集中力设计值为
F
，且离焊缝形心的偏心距很小加2
之集中力设计值也不大，可以不用计算，按构造焊就能满足要求。
上弦杆肢尖与节点板的连接焊缝承受的内力差设计值。 ∆N =45. 12⨯10⨯0. 15=6. 77⨯10N M =∆N ∙e =6. 77⨯10⨯
3
33
30
=50775N ⋅mm 4
焊缝焊脚尺寸仍采用h f 2=6mm 由拼接节点图节点板长为1480mm, 则拼接接头一侧的焊
缝长度l w 2 l w 2=
1480
-5-10=725mm 2
焊缝中应力为：
6. 77⨯103
=1. 2N τf =
mm 22⨯0. 7⨯6⨯725
σf =
6⨯50775
=0. 1N 2 2
mm 2⨯0. 7⨯6⨯725
2
0. 1⎫2N ⎪+1. 2=1. 3N 2
3）
拼接角钢的构造计算
拼接角钢采用与上弦杆截面相同的2L 140⨯12，拼接角钢与上弦杆连接焊缝的焊脚尺寸h f =6mm ，拼接角钢按上弦坡度考虑。
拼接接头的每侧连接焊缝共有四条，承担上弦杆的轴心力设计值N =45. 12⨯10N 按连接强度条件需要每条焊缝的计算长度l w
3
l w =
N
4⨯0. 7⨯h f ⨯f f
w
45. 12⨯103
==16. 8mm
焊缝长度l f =l w +6=48+6=54mm , 取60mm 拼接角钢总长L =2l f +6=2⨯60+6=126mm
8. 参考资料
1、《钢结构》，魏明钟。 武汉理工大学出版社
2、《轻型钢结构设计便携手册》，北京：中国建材工业出版社，2007年 3、《钢结构详图设计实例图集》，王安麟，北京：中国建筑工业出版社，1996年