钢结构梯形屋架课程设计

钢结构设计原理与施工课程设计

――钢结构厂房屋架

指导教师：班 级：学生姓名：学 号：设计时间：

梯形钢屋架课程设计

一、设计资料

某厂房总长度60m，横向跨度21m，纵向柱距6m。

1. 结构形式:钢结构厂房，梯形钢屋架。屋面坡度i=L/10；L为屋架跨度，屋面结构采用有檩体系；地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为6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：Q345钢，焊条为E50。

3.荷载：

①屋架及支撑自重：按经验公式q=0.12+0.011L，L为屋架跨度，以m为单位，q为屋架及支撑自重，以kN/m2为单位；

②屋面活荷载：施工活荷载标准值为0.7kN/m2，雪荷载的基本雪压标准值为S0=0.35kN/m2，施工活荷载与雪荷载不同时考虑，而是取两者的较大值；积灰荷载1.3 kN/m2

③屋面各构造层的荷载标准值：

防水层 0.1kN/m2 保温层 2 屋面板 0.85kN/m2

悬挂管道 0.05 kN/m2

二、桁架几何尺寸及计算简图

50.A

1.0

1.0C

1.0

1.0

01.F

1.0G

1.0H

G'F'

E'D'

C'B'A'

0-1.

0.047

33

-0.5

.641

01.-26

1.0+1

B

000.

.91

ED

86.

3

2

-1.

+1

0-1.

5-1.

.57

+3.010

c

+6.663

e

+7.326

g

+5.884

g'

+4.636

e'

+1

+3.960

00

7

-1.

0-2.

.222

39

25

+3.081

c'

76

+1.090

43

a

a'

三、荷载取值

因屋架屋面坡度较小，故对所有荷载均按水平投影计算（风荷载为 风吸 力，且本例为重屋盖，故不考虑）

四、荷载组合

a.全跨永久荷载+全跨可变荷载

F=1.5×6×（1.981×1.2+2×1.4）=46.59KN

b.全跨永久荷载+半跨可变荷载 全跨永久荷载

F1=1.5×6×1.98〃×1.2= 21.39 KN

半跨可变荷载

F2=1.5×6×1.4×2=25.2KN

全跨屋架和支撑重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载 全跨屋架和支撑重

F3=1.5×6×0.351×1.2= 3.79 KN

半跨屋面板重和半跨屋面活荷载

F4=1.5×6×（1.63×1.2+2×1.4）= 42.8 KN

五、桁架支撑布置

由于房屋长度只有60m，故仅在房屋两端部开间设置上弦横向水平支撑，在中间伸缩缝处设置两道上弦横向水平支撑，屋架两端及跨中三处设置垂直支撑，由于L=21m，且没有悬挂起重机，故可不设下弦横向水平支撑。在屋架的屋脊点和制作位置设置刚性条杆。

桁架及支撑平面布置见图

六、内力分析

力表如下：

21米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值

50.A

1.0

1.0C

1.0

1.0

01.F

1.0G

1.0H

G'F'E'D'

C'B'A'

0-1.

0.047

33

-0.5

.641

01.-2.6

+-1.0+1

B

00.

.91

ED

3

86.

2

-1.

+1

0-1.

5-1.

.+3.010

c

+6.663

e

+7.326

g

+5.884

g'

+4.636

e'

+1

+3.960

00

7

-1.

0-2.

.222

39

25

+3.081

c'

76

+1.090

43

a

a'

21米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值

七、杆件设计

1、 上弦杆

l0x=150.8cm 整个上弦采用等截面，按FH杆件的最大设计内力设计，即N=－567.47kN计算，

l0y

=150.8×2=301.6cm

=0.807. ArN/f=567.47103/0.80731010222.68cm2

根据腹杆最大设计杆力NaB＝-357.99kN，取中间节点板厚度t＝10mm，支座节点板厚t＝12mm。设λ＝60查得

ixlox/150.8/602.51cm

iyloy/301.6/605.03cm

选用2L140×90×8短肢相关T形截面，A=36.076 cm2,ix=2.59,iy=6.73 按所选角钢进行验算：

lox

＝150.8/2.59＝58.2

x=

y

loyiy

＝301.6/6.73＝44.8

N567.47103

192

xA0..8183607.6

2、下弦杆 杆eg

整个下弦采用等截面。按最大内力NeG557.31KN，lox=300cm，loy=1035cm.

N557.311032

=17.91cm An

f310

查附表，选用2L75508 ,An18.934cm2

N557.311032

305310Nmm2

An17.9710

x=

y

lox

＝300/1.4＝214

loyiy

＝885/3.83＝270

3、腹杆

(1),aB杆 N=-357.99kN ,lox=253cm，loy=253cm

选用2L125×80×10.长肢相并，查附表，ix=3.98cm，iy=3.31cm，An39.42cm2

x=

lox

＝253/3.98＝63.6

y

loyiy

＝253/3.30＝76.4

N357.99103

1273102

mmxA0.7063942

（2）Bc杆

N=270.59kN ,lox=0.8×261.3=209.04m，loy=261.3cm

2ii

选用2L50×5.查附表， A=9.606cm，x=1.53cm，y=2.46cm

x=

lox

＝209.04/1.53＝136.7

＝261.3/2.46＝106.3

y

loyiy

N270.591032

282310Nmm2

An9.60610

（3）cD杆

N=-205.429kN，lox=,0.8*286.4=229.12cm，loy=286.4cm.

选用2L125×80×10, ix=3.98cm，iy=3.31cm，An39.42cm2

x=

loyiy

lox

＝229.12/3.98＝57

y

＝286.4/3.31＝86.7

查表得=0.487

N205103

（满足要求） 234310Nmm2xA0.4871582.4

（4)De杆

N=130.08kN，lox=,0.8*286.4=229.12cm，loy=286.4cm.

2ii

选用2L50×5, A=9.606cm，x=1.53cm，y=2.46cm

x

l0x229.12133.20150ix1.72（满足）

y

l0yiy



286.4

106.461502.69

（满足）

N130.081032

（满足） 135310Nmm2

An9.60610

（5)eF杆

N=-73.24kN，lox=,0.8*312.4=249.9cm，loy=312.4cm.

2ii

选用2L80×6.查附表 A=18.79cm，x=2.47cm，y=3.65cm

x=

lox

＝249.9/2.47＝101

y

loyiy

＝312.4/3.65＝85.6

N73.24103

82310N2满足

mmxA0.641879

（6)Fg杆

N=-42.23kN，lox=,0.8*312.4=249.9cm，loy=312.4cm.

2ii

选用2L63×5.查附表 A=2×6.14=12.28cm，x=1.94cm，y=2.97cm

x

y

l0x249.12128.82150ix1.94（满足）

l0yiy



312.4

105.181502.97

（满足）查表得=0.475

N42.23103

116310N2满足

mmxA0.2951228

（7)gH杆

N=-48.66kN，lox=,0.8*339=271.2cm，loy=339cm.

2ii

选用2L63×5.查附表 A=2×6.14=12.28cm，x=1.94cm，y=2.97cm

x

y

l0x249.12128.82150ix1.94（满足）

l0yiy



312.4

105.181502.97

（满足）查表得=0.483

N48.66103

80310N2满足

mmxA0.4831228

4、竖杆 Gg杆

N=-46.59kN计算，l0x=0.8*304=243cm,

l0y

=304cm.

2ii

选用2L63×5.查附表A=12.28cm，x=1.94cm，y=2.97cm

x

y

l0x231.2119.17350ix1.94（满足）

l0yiy



289

97.303502.97

（满足）查表得=0.411

N46.59103

92310N2（满足）

mmxA0.4111228

八、杆件设计

（1）下弦节点“c”

设“Bc”杆的肢背hf＝8mm和肢尖焊缝为hf＝5mm.所需的焊缝长度为

肢背：lw

'

0.7N0.7×27059

2h+16＝136mm，取200mm。 fw

2heff20.781600.3N0.3×27059

2h+10＝57mm，取100mm。 f

2heffw20.75160

肢尖：lw

''

设“cD” 杆的肢背hf＝8mm和肢尖焊缝为hf＝5mm.所需的焊缝长度为 肢背：‘lw

'

0.7N0.7×20542

，取150mm。 2h+16＝64mm’f

2heffw20.78160

肢尖：lw

''

0.3N0.3×20542

2h+10=45.2mm，取100mm。 fw

2heff20.75160

“Cc”杆内力很小，杆的肢背hf＝6mm和肢尖焊缝为hf＝5mm.按构造要求综合取节点板尺寸345mm×310mm

下弦与节点板连接的焊缝长度为34.5cm，hf＝8mm。焊缝所受的力为左右两下弦杆的内力差ΔN＝262.95KN，受力较大处的肢背出的焊缝应力为:

τf

0.7×26295

65MPa

20.78(34512)

（2）上弦节点B

“Bc”杆的肢背和肢尖焊缝hf＝8mm和5mm，所需焊缝长度为 肢背： lw

'

0.7N0.7×27059

2h+12＝122mm,取200mm. fw

2heff20.78200

肢尖：lw

''

0.3N0.3×27059

2h+10=64mm，取100mm f

2heffw20.75160

设“aB”杆的肢背和肢尖焊缝hf＝8mm和6mm，所需焊缝长度为 肢背： lw

'

0.7N0.7×35799

2h+12＝122mm,取200mm. f

2heffw20.78200

肢尖：lw

''

0.3N0.3×35799

2h+10=75mm，取100mm fw

2heff20.76160

节点板上边缘缩进上弦肢背8mm，按构造要求取节点板的长度为410mm×270mm.用槽焊缝把

上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝作为两条焊缝计算，需在强度设计值乘以0.8的折减系数。假定集中荷载P与上弦垂直，上弦肢背槽焊缝内的应力计算如下：

1

h'f等于二分之一节点板厚度，hf＝10mm=5mm，h''f＝5mm

2

上弦与节点板焊缝长度为350mm，则

fw87MPa

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满足要求。

屋脊节点“H”

设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝hf＝6mm，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）

lw=

567470

168mm

40.76200

拼接角钢长度ls2lw+弦杆杆端空隙20，拼接角钢长度取400mm。 上弦与节点板之间的槽焊缝，假定承受节点荷载，验算如下

设“gH”杆的肢背和肢尖焊缝为hf＝5mm和5mm。所需的焊缝长度为 肢背：lw

'

0.75N0.7567470

＝66mm，取100mm。 w

2heff20.752000.25N0.25×567470

＝34mm，取50mm。

2heffw20.75200

肢尖：lw

''

验算节点板强度

节点板长度为420mm，节点板的宽度为200mm

上弦肢尖与节点板的连接焊缝，应按上弦内力的15％计算，lw＝210－10－2×5＝190mm，焊缝应力为

τ

0.15567470

64MPa

20.75190

60.15567470×65σfM131MPa2

20.75190

N

f



125MPa

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支座节点“A”

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125mm。在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板高度相等，厚度12mm。

ａ．支座底板的计算。支座反力R＝746.5910326.1310N。

设支座地板的平面尺寸采用280×400mm，现仅考虑有加劲肋部分的底板承受支座反力，验算柱顶混凝土强度：

3

3

R326.13103

q5.49MPa

An280400

支座板底厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将节点板分为四块，块板为两相邻边自由板，每块板的单位宽度的最大弯矩为

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2 M=βqa1

式中，q为底板下的平均应力。a1为两支撑边之间的对角线

a12 M=βqa1

167.2mm β为系数，由b1/a1查表，b1为两支撑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b1＝80.1mm，b1/a1＝0.479 查表得β＝0.0531

M=βqa2

18149Nm

底板厚度t

12.5mm ，取t＝15mm ．加劲肋与节点板的连接焊缝计算。假定加劲肋受力为屋架支座反力的1/4，326.13103

/4=81.5103

N,则焊缝内力为

V=81.5103

N

M=81500×60=4890000N·mm

设焊缝hf＝8mm，焊缝长度lw＝430－20－16＝314mm，焊缝应力为

23.5MPa

N，

其中每块加劲肋各R/4＝81.5103

N，节点板传递R/2＝163103

N。 节点板与底板的连接焊缝长度

l

w

＝2×（280－12）＝536mm，所需焊脚尺寸为

hR/20.7l163000

f

1.78mm ，故取hf＝8mmwfw

1.220.75362001.22。 f每块加劲肋于底板的连接焊缝长度为

l

w

＝2×（106－20－16）＝144mm

所需焊缝尺寸为

h815000

f=

0.71442001.22

3.3mm ，故取hf＝8mm。

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即

ｂｃ．节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算。设焊缝传递全部支座反力