钢结构课设计算书

1.设计资料

（1）某地一金工车间，长96m ，跨度27m ，柱距6m ，采用梯形钢屋架，1.56m ?预应力钢筋混

凝土大型屋面板，上铺珍珠岩保温层，设计地点地区，保温层厚度为100mm,容重3

4/kN m ，采用封闭结合，卷材屋面，屋面坡度i=1/10，屋架简支于钢筋混凝土柱上，混凝土强度等级为C20（抗压设计强度fc=10N/mm 2），车间设有两台30/5t 中级工作制桥式吊车，轨顶标高

18.5m,柱顶标高27m 。屋面荷载标准值为20.5kN /m ，雪荷载标准值2

0.5kN /m ，积灰荷载标准值为0.5kN/m 2。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400400?。钢材采用Q235-B ，焊条采用E43型，手工焊。 （2） 屋架计算跨度 0l 270.15226.7m =-?= （3） 跨中及端部高度：

桁架的中间高度 h=3.340m

在26.7m 的两端高度 0h 2.006m = 在27.0m 轴线处两端高度 0h 1.990m = 桁架跨中起拱 l/500≈55mm

屋架高跨比3340/270001/8≈在经济围（1/6~1/10），为使屋架上弦只受节点荷

载，腹杆体系采用人字形式。

2. 结构形式及几何尺寸如图1所示，支撑布置如图2所示

图1 桁架形式及几何尺寸

根据厂房长度（96m>60m ）,跨度及荷载情况，设置三道上下弦水平支撑如图：

桁架及桁架上弦支撑布置

桁架下弦支撑布置图

垂直支撑

垂直支撑

图2：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—刚性系杆；LG—柔性系杆

3. 荷载计算

屋面活荷载和雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载为2

，等于雪荷载，故取屋面活荷载计算。沿屋面斜面分布的永久荷载应乘以

1/cos 1.005α=，换算为沿水平投影面分布的荷载。桁架沿水平投影面积分布的支撑）按经验公式w P 0.120.011l =+?计算，跨度单位为m 。 标准永久荷载：

预应力混凝土大型屋面板 22

1.005 1.4kN / 1.407/m kN m ?=

三毡四油防水层 22

1.0050.35kN /0.352/m kN m ?=

20mm 厚找平层 32

1.0050.02m 20kN /0.402/m kN m ??=

80mm 厚珍珠岩制品保温层 32

1.0050.08m 4kN /0.322/m kN m ??=

桁架和支撑重 22

0.120.1127kN/m 0.417kN/m +?= ———————————————————————

总计 2

2.900kN/m 标准可变荷载：

屋面活荷载 2

0.5kN /m

积灰荷载 2

0.3kN /m

———————————————————————

总计 2

0.8kN /m 桁架设计时，应考虑以下三种荷载组合：

（1） 全跨永久荷载+全跨可变荷载

（按永久荷载为控制的组合）全跨节点荷载设计值

222F kN m kN m kN m 1.5643.05kN

m m =???????=（1.35 2.900/+1.40.70.5/+1.40.90.3/）

（由可变荷载为主控制的组合）全跨节点荷载设计值为：

'2F 1.2 2.900 1.40.5 1.40.90.3 1.56m 41.02kN =?+?+????=（）

（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：

21.1F 1.35 2.900/ 1.5635.235kN kN m m m =???=（永久荷载控制）

2

1.2F 1.2

2.900/ 1.5631.32kN kN m m m =???=（可变荷载控制）

对结构有利时： 2

1.0

2.900/ 1.5626.10kN kN m m m ???= 半跨可变荷载设计值：

2.1F 1.4 1.567.81kN =?????=（0.70.5+0.90.3）（永久荷载控制）

2.2F 1.4 1.569.70kN =????=（0.5+0.90.3）（可变荷载控制）

（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： 3.1F 1.20.417 1.56 4.50kN =???=

对结构有利时： 3.2F 1.00.417 1.56 3.75kN =???=

半跨节点屋面板自重及活荷载设计值 4F kN

=????（1.2 1.407+1.40.5）1.56=21.50

（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载。 4. 力计算

由图解法解得F=1的桁架各杆件的力系数，然后求出各种情况下的力进行组合，计算结果见附表《杆件力组合表》。

5. 杆件设计 （1）上弦杆

整个上弦杆采用等截面，按HI 、IJ 杆件之最大设计力进行设计 N= - 824.31kN 上弦杆的计算长度：

在桁架平面，为节点轴线长度 1.508ox l m = 在桁架平面外，根据支撑布置和力变化情况。取 y 2150.8301.6cm o l =?=

因为oy ox l l >故选用两个不等肢角钢，短肢相并。

腹杆最大力N=-432.60kN 。查教材表9.6.4，节点板厚度选 用10mm ，支座节点板厚度选用12mm 。

设60λ=，属b 类截面，查教材附录4得：0.807?= 需要截面面积

2

2

N 824310A 47510.807215/N mm f N mm φ=

==? 需要的回转半径 150.8 2.5160

ox

x l cm i cm λ

=

=

= 301.6 5.0260oy y l cm

i cm λ==

= 根据需要的A 、x y i i 、，查角钢规格表，选用2L16010010??，a=10，如右图3 2

A 50.63cm = 7.7y i cm = 2.8x i cm =，按所选角钢进行验算： 150.8

53.862.8

ox x x l i λ=

==， 111603016160.560.5610.5610160

oy l b t b ==>=?= 所以 []22

1413.7160.7615052.7oy yz l t b t b λλ?

?=+=<= ? ??

? b 类截面 yz x λλ> 60.760.803y λ?=?=

22824310

202.8/215/0.8035063

y N N mm N mm A ?==

整个下弦杆采用同一截面，按最大设计值计算

784.71cd N kN = 450ox l cm = 1335oy l cm =

图3 上弦截面

图4 下弦杆截面

图5 端斜杆截面

所需截面面积为322784.71103650215/n N N A mm f N mm

?=== 初选21409010L ??, 2

44.52A cm =，因oy

ox l l ，故用不等肢角钢，短肢相并，如图4所示。

2244.5236.53A cm cm => 2.56x i cm = 6.77y i cm =

1335197[]3506.77oy cm

cm

λλ=

=<=，450175.8[]3502.56oy cm cm λλ=

=<= 考虑下弦有221.5mm φ的栓孔削弱，下弦净截面面积

222445221021.54022n A mm mm mm =-??=

3222

784.7110195.1/215/4022n N N

N mm f N mm A mm

σ?===<= 合格 （3） 端斜杆aB

杆件轴力 432.60N kN =-

计算长度 253.5ox oy l l cm == 因为ox oy l l =，故采用不等肢角钢，长肢相并，使x y i i ≈ 设800.688λ?=?=

2

2

432600A 29250.688215/N N mm f N mm

?=

==? 253.5 3.1780

ox

x y l cm

i cm i λ

=

=

== 根据需要的x y A i i 、、 选用2125808L ??

2

31.98A cm = ， 4.01x i cm =， 3.27y i cm =，如图5所示。 253.5

63.24.01

ox x x l i λ=

== 又2280253.5

100.480.4815.2

880oy l b cm t cm b ==

253.5

77.63.27

y λ=

= 所以

4

4

22222

1.09 1.0980(1)77.6(1)86.025358yz y x oy b l t λλλ?=+=?+=>?

故0.648y ?= 22

2

432600208.8/215/0.6483198y N N N mm f N mm A mm

σ?=

==<=? 所选截面合适 故aB 杆选用2L 125808?? （4） 斜腹杆 df 杆 ，fJ 杆

F 点在此处不断开，采用通长杆件

最大拉力：96.82,71.06fJ df N kN N kN ==另一端 最大压力：36.51,33.17df fJ N kN N kN =-=-另一端

平面的计算长度:2250,0.81800ox ox ox l l l mm l l mm ====上段fJ 端下段df 段 平面外的计算长度oy l ： 对受压主斜杆：21133.17

0.750.25

4500(0.250.75)439736.51

oy N l l mm N ??=+=??+= ??? 按最大压力和上段计算长度计算:

因力较小，故按32

236.5110[]1500.308551.30.308215/N N A mm f N mm λ???=====?，查表得， 225439.7

1.5,

2.93150150

ox

x y l i cm i cm λ

=

=

=== 在联合构造要求及所需的x y A 、i 、i ，试选截面2L704?，由附录8得

211.14, 2.18, 3.21x y A cm i cm i cm ===

225103.21[]1502.18ox x x l cm i cm λλ=

==<= 439.7137.0[]1503.21oy y y l cm i cm

λλ===<= 70439.717.50.580.5836.447

oy l b mm t mm b ==

322

2

36.511098.1/215/0.3341114y N N N mm f N mm A mm σ??===<=? ， 受压合格。 拉应力：3222

96.821086.9/215/1114N N

N mm f N mm A mm

σ?===<=，受拉合格格 鉴于焊脚尺寸考虑（填板厚度10mm ）并结合后面所选截面， 选用2706L ?截面。截面形式如图6所示。

（5） 腹杆Bb 受拉 342.21Bb N kN =

平面计算长度0.80.826082086ox l l mm ==?= 2608oy l mm =

32

2

342.21101592215/n N A mm f N mm

?≥== 试选2L706? 2216.3215.92, 2.15, 3.26x y A cm cm i cm i cm =>== 208.697.0[]3502.15ox x x l cm i cm λλ=

==<=，260.880.0[]3503.26oy y y l cm

i cm

λλ===<=

所选截面合格，故腹杆Bb 选用2L706?，如图7所示。 （6）端竖杆，Aa 杆。

21.52N KN =- 2005ox l l mm == y 2005o l l mm ==

因力较小，故按[]1500.308λ?==，查表得，

322

21.52103250.308215/N N A mm f N mm

??===? 需要的回转半径为：200.5 1.34[]150

ox x l cm

i cm λ=

== ，200.5 1.34[]150oy y l cm i cm λ=== 查型钢表，采用不等边角钢长肢相连，试选256364L ??

27.18A cm = ， 1.79, 1.69x y i cm i cm ==

200.5112.1[]1501.79ox x x l i λλ=

==<=，200.5

118.7[]1501.69

oy x y l i λλ===<= 2236200590.480.4826.8436

oy l b t b ==<=?= []4

4

22222

1.09 1.0936(1)118.7(1)12

2.115020054

yz y oy b l t λλλ?=+=?+=<=? 因yz y λλ<，故取y λ=122.1 ，查表得 y ?=0.426。

322

2

21.521070.36/215/0.426718x N N N mm f N mm A mm

σ??===<=?，故所选截面合格 所以端竖杆Aa 选用256364L ??，考虑焊缝尺寸要求（节点板厚度12mm ），改选263406L ??，

图8 端竖杆Aa 截面

图7 Bb 杆截面

如图8所示。 （7）竖杆Je 杆

00.9300.6l l cm == ，取[]150λ= ，[]

min 300.6

2.004150

l i cm λ=

=

= 选用2635L ?,选用十字型截面，00min 2.564 2.447y x i cm i cm i =>=>，满足长细比要求。 其余各杆件的截面选择计算过程在此不一一列出，将计算过程列于《杆件截面选择表》中。 6. 节点设计

（1）下弦节点d

用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压、抗剪强度设计值2160/w f f N mm =，设Gd 的肢背和肢尖焊缝f h = 6mm ，则所需焊缝尺寸长度为：

肢背：3

'0.70.739.01020.320.726160

w

w

e f N l mm h f ??===???，加2f h 后取6cm 肢尖：3

''0.30.339.0108.820.762160

w

w e f N l mm h f ??===???，加2f h 后取6cm

设Hd 杆的肢背和肢尖焊缝分别为5mm 则所需焊缝长度为:

肢背：3

'0.70.764.61040.420.725160

w

w

e f N l mm h f ??===???，加2f h 后取6cm 肢尖：3

''0.30.364.61017.320.725160

w

w

e f N l mm h f ??===???，加2f h 后取6cm 设fd 杆的肢背和肢尖焊缝分别为6mm ，则所需焊缝长度为:

肢背：3

'0.70.771.11037.120.726160

w

w

e f N l mm h f ??===???，加2f h 后取6cm 肢尖：3

''0.30.371.11015.920.726160

w

w

e f N l mm h f ??===???，加2f h 后取6cm 根据所绘制的节点详图可确定节点板的尺寸为 325220mm ?

下弦与节点板连接的焊缝长度为32.5cm ，f h =6mm 。焊缝所受的力为左右的下弦杆的力差

784.7766.218.5N kN ?=-= 受力较大的肢背的焊缝应为： 3

220.7518.510 5.3/160/20.76(32512)

f N mm N mm τ??==

满足要求，如图9。 （2）上弦节点G