钢结构课程设计 题 目：21m跨厂房梯形钢屋架设计 姓 名：
目 录 一、设计资料.......................................................（2）
二、结构形式与支撑布置.............................................（2）
1.屋架形式及几何尺寸...........................................（2）
2.屋架支撑布置.................................................（3）
三、荷载计算.......................................................（4）
1.荷载设计值...................................................（4）
2.荷载组合.....................................................（4）
四、内力计算.......................................................（6）
五、杆件设计.......................................................（7）
1.上弦杆.......................................................（7) 2.下弦杆.......................................................（8) 3.斜腹杆“Ba”.................................................（9) 4.竖杆“Gg”...................................................(10) 5.各杆件的截面选择计算..........................................(10) 六、节点设计........................................................(12) 1.下弦节点“c”.................................................(12) 2.上弦节点“B”.................................................(13) 3.屋脊节点“H”.................................................(15) 4.支座节点“a”.................................................(16) 七、屋架施工图......................................................(19) 附节点详图1-6......................................................(20) 一、设计资料 某厂房总长度为90m，跨度为L=21m，屋盖体系为无檩体系，纵向柱距为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为 屋架跨度。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，不考虑地震设防，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），锻锤为2台5t。
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：用Q345钢，焊条为E50型。
3.屋盖结构及荷载: 无檩体系：采用1.5m×6.0m预应力混凝土屋板（考虑屋面板起系杆作用）。
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0.8kN/m2。
③屋面各构造层的荷载标准值：
三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 0.4kN/m2 水泥砂浆找平层 0.4kN/m2 保温层 0.65kN/m2 一毡二油隔气层 0.05kN/m2 水泥砂浆找平层 0.3kN/m2 预应力混凝土屋面板 1.45kN/m2 二、结构形式与支撑布置 1.屋架形式及几何尺寸如下图1所示：
图1 屋架形式及几何尺寸 2.屋架支撑布置如下图2所示：
符号说明：
SC—上弦支撑 XC—下弦支撑 CC—垂直支撑 GG—刚性系杆 LG—柔性系杆 图2 屋架支撑布置 三、荷载计算 由于屋架的受荷水平投影面积为：，故按《建筑结构荷 载规范》取屋面活荷载（按上人屋面）标准值为0.7kN/m2，雪荷载为0.35kN/m2， 取屋面活荷载与雪荷载中较大值0.7kN/m2。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括 支撑）按经验公式q=0.12+0.011L计算，L为屋架跨度，以m为单位。
1.荷载设计值 永久荷载设计值：
预应力混凝土屋面板 屋架及支撑自重 三毡四油（上铺绿豆砂）防水层 水泥砂浆找平层 保温层 一毡二油隔汽层 水泥砂浆找平层 合计 4.862 可变荷载设计值：
屋面活荷载 积灰荷载 合计 2.1 2.荷载组合 设计屋架时，应考虑以下3种荷载组合：
使用阶段荷载情况：
（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载 全跨节点永久荷载及可变荷载：
（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载 全跨节点永久荷载：
半跨节点可变荷载：
施工阶段荷载情况：
（3）全跨屋架包括支撑+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载 全跨节点屋架自重：
半跨节点屋面板自重及活荷载：
屋架在上述3种荷载组合作用下的计算简图如下图3所示：
图3 荷载组合作用下的计算简图 四、内力计算 由以下图4得F=1时屋架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨）
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 图4 屋架各杆件的内力系数 由屋架各杆件的内力系数求出各种组合荷载情况下的内力，计算结果见下表1：
杆件名称 内力系数（F=1）
第1种组合 第2种组合 第3种组合 计算杆 件内力 （kN）
全跨 左半跨 右半跨 上弦 AB 0.000 0.000 0.000 0 0 0 0 0 0 BC，CD -7.472 -5.310 -2.162 -468.196 -427.334 -367.837 -172.261 -89.035 -468.196 DE，EF -11.262 -7.339 -3.923 -705.677 -631.532 -566.97 -242.072 -151.760 -705.677 FG，GH -12.18 -6.861 -5.319 -763.199 -662.67 -633.526 -233.351 -192.584 -763.199 下弦 ac 4.100 3.010 1.090 256.906 236.305 200.017 97.069 46.308 256.906 ce 9.744 6.663 3.081 610.559 552.328 484.628 217.724 123.023 610.559 eg 11.962 7.326 4.636 749.539 661.919 611.078 244.715 173.596 749.539 gh 11.768 5.884 5.884 737.383 626.175 626.175 205.763 205.763 737.383 斜腹杆 Ba -7.684 -5.641 -2.043 -481.479 -442.867 -374.865 -181.917 -86.793 -481.479 Bc 5.808 3.960 1.848 363.930 329.002 289.085 129.471 73.634 363.930 Dc -4.409 -2.633 -1.776 -276.268 -242.702 -226.504 -88.420 -65.763 -276.268 De 2.792 1.222 1.570 174.947 145.274 151.851 44.218 53.418 174.947 Fe -1.572 -0.047 -1.525 -98.502 -69.679 -97.613 -7.949 -47.024 -98.502 Fg 0.328 -1.039 1.367 20.552 -5.284 40.190 -26.070 37.540 40.190 -26.070 Hg 0.713 1.913 -1.200 44.677 67.357 8.521 53.618 -28.684 67.357 -28.684 竖杆 Aa -0.5 -0.5 0.00 -31.33 -31.33 -21.88 -15.352 -2.133 -31.33 Cc，Ee -1.0 -1.0 0.00 -62.66 -62.66 -43.76 -30.704 -4.266 -62.66 Gg -1.0 -1.0 0.00 -62.66 -62.66 -43.76 -30.704 -4.266 -62.66 表1 屋架杆件内力组合表 注：=62.66kN，=43.76kN，=18.9kN，=4.266kN，=26.438kN 五、杆件设计 腹杆最大内力N= -481.479kN，查表7.4，中间节点板厚度选用10mm，支座节点板 厚度选用12mm。
1.上弦杆（图5）
整个上弦采用等截面，按FG、GH杆件的最大内力设计。
N= -763.199kN= -763199N，上弦杆平面内计算长度；
在屋架平面外， 根据支撑布置和内力变化情况，平面外计算长度。
因为，故截面宜选用两个不等肢角钢短肢相并，选用，如下 图5所示：
图5 上弦杆截面图 设，查附表4.2得 需要截面面积为：
需要的回转半径为：
根据需要的、、查角钢规格表，选用，截面特征为：
，=2.26cm，=6.11cm，按所选角钢进行验算：
满足长细比要求。由于，只需求，查表得，于是 ， 所选杆件满足要求。
2.下弦杆（图6）
图6 下弦杆截面图 整个下弦采用同一截面，按最大内力所在的计算。
, ， 所需截面面积为：
选用，因为，故选用不等肢角钢短肢相并。
，=2.00cm，=5.39cm ， 满足长细比要求，故所选杆件满足要求。
3.斜腹杆“Ba”（图7）
图7 斜腹杆“Ba”截面图 杆件轴力 计算长度，因为，故采用不等肢角钢长肢相并，使。
选用，则，=3.15cm，=2.72cm ， ，故只需求=0.601， ， 所选杆件满足要求。
4.竖杆“Gg”（图8）
图8 竖杆“Gg”截面图 ，， 由于内力较小，故按选择，所需的回转半径为：
查型钢表，选择截面的回转半径较计算的要略大些，故选用。
，=1.75cm，=2.64cm 因为，故只需求， ，杆件满足要求。
5.其余各杆件的截面选择计算过程不一一列出，其计算结果见表2（在下一页）。
六、节点设计 1.下弦节点“c”（图9）
图9 下弦节点“c” 详图 （1）腹杆与节点板间连接焊缝长度的计算 用型焊条角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值为。
Bc杆：设“Bc”杆的肢背和肢尖焊缝和，则所需的焊缝长度为：
Dc杆：设“Dc”杆的肢背和肢尖焊缝和，则所需的焊缝长度为：
Cc杆：由于“Cc”杆内力很小，故焊缝尺寸可按构造要求确定，取。
（2）确定节点板尺寸 根据上面求得的焊缝长度，按构造要求留出杆件间应有的间隙并考虑制作和装配等 误差，按比例绘出节点详图，从而确定节点板的尺寸为。
（3）下弦杆与节点板间连接焊缝的强度验算 下弦与节点板连接的焊缝长度为，取，焊缝所受的力为左右两下 弦杆的内力差，对受力较大的肢背处焊缝进 行强度验算：
， 焊缝强度满足要求。
2.上弦节点“B”(图10) 图10 上弦节点“B”详图 （1）腹杆与节点板间连接焊缝长度的计算 Bc杆与节点板的连接焊缝尺寸和下弦节点“c” 相同。
Ba杆：肢背和肢尖焊缝分别采用和，则所需的焊缝长度为：
(2)确定节点板尺寸(方法同下弦节点“c”) 确定节点板尺寸为。
(3)上弦杆与节点板间连接焊缝的强度验算 应考虑节点荷载和上弦相邻节间内力差的共同作用，并假定角钢肢背槽焊缝承 受节点荷载的作用，肢尖角焊缝承受相邻节间内力差及其产生的力矩作用。肢 背槽焊缝强度验算：
节点荷载，P=62.66kN 肢尖角焊缝强度验算：
弦杆内力差为， 轴力作用线至肢尖焊缝的偏心距为 偏心力矩为， 则 满足强度要求。
3.屋脊节点“H”（图11）
图11 屋脊节点“H” 详图 （1）
腹杆与节点板间连接焊缝长度的计算方法与以上几个节点相同，计算过程略，结 果见图11。
（2）确定节点板尺寸为：
（3）计算拼接角钢长度 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。
拼接角钢规格与上弦杆相同，长度取决于其与上弦杆连接焊缝要求，设焊缝 ，则所需焊缝计算长度为（一条焊缝）：
拼接角钢总长度，。
竖肢需切去，取并按上弦坡度热弯。
（4）上弦杆与节点板间连接焊缝的强度验算 上弦角钢肢背与节点板之间的槽焊缝承受节点荷载，焊缝强度验算同上弦节点 “B”，计算过程略。
上弦角钢肢尖与节点板的连接焊缝强度按上弦内力的验算。设，节 点板长度为，节点一侧焊缝的计算长度为 则 焊缝强度满足要求。
因屋架的跨度较大，需将屋架分为两个运输单元，在屋脊节点和下弦跨中节点设置 工地拼接，左半跨的上弦杆、斜腹杆和竖腹杆与节点板连接用工厂焊缝，而右半跨 的上弦杆、斜腹杆与节点板连接用工地焊缝。
4.支座节点“a”（图12）
` 图12 支座节点“a”详图 为了便于施焊，下弦杆轴线至支座底板的距离取，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，厚度为。
（1）支座底板的计算 支座底板尺寸按采用， 承受支座反力，若仅考虑有加劲肋部分的底板承受 支座反力作用，则承压面积为，则柱顶混凝土的抗 压强度按下式验算：
式中，为混凝土强度设计值，对混凝土，。
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，见图12。板的厚度由均布荷载作用下板 的抗弯强度确定：
底板下的平均应力为：
两支承边之间的对角线长度为：
由相似三角形关系得：
， 为两支承边的相交点到对角线的垂直距离，由查表确定，查表得 。
每块板单位宽度的最大弯矩为：
底板厚度为：
根据构造要求，屋架跨度为，，取。
底板尺寸为：。
（2）加劲肋与节点板的连接焊缝计算 设，焊缝计算长度。
加劲肋与节点板间的竖向焊缝计算与牛腿焊缝相似，偏于安全的假定一个加劲肋受 力为屋架支座反力的，即，并考虑其偏心弯矩， 按下列公 式验算：
，焊缝强度满足要求。
（3）节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算 实际的焊缝总长为，设焊缝传递全 部支座反力，设，焊缝强度按下式验算：
焊缝强度满足要求。
（4）其余节点详图见施工图（附节点详图1-6，在下一页）
七、绘制屋架施工图，见施工图 下弦节点“c”详图1 上弦节点“B”详图2 屋脊节点“H”详图3 支座节点“a”详图4 上弦节点“A”详图5 上弦节点“C”详图6 内容仅供参考，如果您需解决具体问题，建议您详细咨询相关领域专业人士。