钢结构专业课程设计任务计划书和计算报告书.doc

第一某些 钢构造课程设计任务书

一、          基本规定

1、  每位同窗务必按分组规定做，并在计算书中注明组别；
2、  计算书参照教材中例题，但内力计算图解法应用计算机绘制；
3、  图纸不得互相拷贝，为1号图；
4、  计算书中应有屋架支撑布置图；
5、  课程设计成绩单列，不计入钢构造课程成绩内；
6、  课程设计应由学生本人于7月10日前，交到指引教师。

二、           课程设计题目

某车间梯形钢屋架构造设计

三、           设计资料

1、  车间柱网布置图（L×84m）。
2、  屋架支承于钢筋混凝土柱顶（砼级别为C20），采用梯形钢屋架。
3、  屋面采用1.5×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板（屋面板不考虑作为支撑用）。
4、  柱距6m。
5、  荷载：
1)        屋架自重＝（120+11L）N/m2，其中L为屋架高度；
2)       基本荷载表：

荷载类型
序号
荷载名称
重量
静载
1
预应力钢筋混凝土屋面板（涉及嵌缝）
1500 N/m2
2
防水层
380 N/m2
3
找平层20mm厚
400 N/m2
4
保温层
970 N/m2
5
支撑重量
80 N/m2
动载
1
活载
700 N/m2
2
积灰荷载
800 N/m2
3
雪荷载
500 N/m2

四、           设计规定

1、  设计屋面支撑布置（规定对整间厂房进行布置，写入计算书）；
2、  计算屋架杆件设计内力（选用典型一榀屋架，写入计算书）；
3、  设计杆件截面；
4、  设计不少于5个典型节点；
5、  绘制屋架构造施工图（1号图纸）。

五、           内力计算考虑下面三种状况

1、  满载（全跨静荷载加全跨活荷载），——正常使用中;
2、 半跨屋面板荷载和半跨活荷载（活荷载400 N/m2）和全跨屋架自重,——在吊装过程中浮现最不对称内力。
3、 全跨静荷载和半跨活荷载，——在使用过程中最不对称。

六、           注意事项

1、  学生在计算书封皮必要显示自己组别。且在计算书工程概况中写清详细数值
（如土木工程03班25号同窗组别为：第二组—25）。
2、  图纸、计算书必要由指引教师签字方能视为有效。
3、图纸内容涉及：
⑴ 屋架计算简图（内力、尺寸）；
⑵ 半跨屋架正面图，上下弦杆俯视图，端竖杆、中央竖杆侧面图，屋架支座俯视图，必要零件大样图；
⑶ 材料表；
⑷ 图纸阐明

梯形钢屋架支撑布置如图所示：

第二某些、钢屋架设计计算
组别：丙—III—b—B、动载1、3， 24×84m、C20混凝土。
由于采用1.5×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板，故选用平坡梯形屋架。
屋架计算跨度：L。=L-300=23700mm
屋架端部高度：H。=1800mm 计算高度：h=1813mm
屋架跨中高度：H =H。+(L。/2)i=1800+(23700/2) ×(1/11)= 2880mm
屋架高跨比： H/L。=2880/23700= 1/8.23
屋架坡度：i=1/11
1.荷载计算
为使屋面节点受荷，配合屋面板1.5米宽，腹杆体系大某些采用下弦节间为3米下承式屋架。
在跨中腹杆倾角满足规定，可不必采用再分式杆系。屋架跨中起拱L/500≈50mm,
几何尺寸如图（1）所示，支撑布置如图（2）
动载取活载加雪荷载（1200N/m²）。屋架沿水平投影面积分布自重，按经验公式
P＝(120＋11×L) = 0.384 N/m²。

永久荷载原则值：
预应力钢筋混凝土大型屋面板（含嵌缝）
1.5 kN/m2
防水层
0.38kN/m2
20厚1：3水泥砂浆找平层
0.4 kN/m2
保温层
0.97kN/m2
支撑重量
0.08kN/m2
屋架自重
（120+11×24）/1000
=0.384N/m2
可变荷载原则值：
屋面活载加雪活载
1.20kN/m2
以上荷载计算中，因屋面坡度较小，风荷载对屋面为吸力，对重屋盖可不考虑，因此各荷载均按水平投影面积计算。

永久荷载设计值：1.2×（1.5+0.38+0.4+0.97+0.08+0.384）＝4.457kN/m2

可变荷载设计值：1.4×1.2＝1.68kN/m2

荷载总重4.457+1.68=6.137 kN/m2

2．内力计算

组合一：全跨恒荷载+全跨活荷载 P=6.137×1.5×6 = 55.231 kN
组合二：全跨恒荷载+半跨活荷载 P1=4.457×1.5×6 = 40.113 kN；
P2=1.68×1.5×6 = 15.12 kN
组合三：全跨屋架自重+半跨屋面板荷载+半跨活荷载（0.4 kN）
P3=1.2×0.384×1.5×6 = 4.147 kN；
P4=（1.2×1.5+1.4×0.4）×1.5×6 = 24.24 kN
由力学求解器计算屋架各杆件内力，然后乘以实际节点荷载。
计算简图如下
屋架构件内力组合表

内力系数 P=1
组合一P=55.233
KN
N=P×①
组合二
P1=40.113KN
P2=15.12KN
N左=P1×①+
P2×②；
N右=P1×①+
P2×③
组合三
P3=4.147KN；
P4=21.24KN；
N左=P3×①+
P4×②；
N右= P3×①+
P4×③
不利组合
全跨①
左半跨②
右半跨③
上弦杆
AB
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
BC
-9.640
-6.906
-2.734
-532.4
-491.1
-428.0
-186.6
-98.0
-532.4
CD
-9.640
-6.906
-2.734
-532.4
-491.1
-428.0
-186.6
-98.0
-532.4
DE
-14.964
-9.999
-4.965
-826.5
-751.4
-675.3
-274.4
-167.5
-826.5
EF
-14.964
-9.999
-4.965
-826.5
-751.4
-675.3
-274.4
-167.5
-826.5
FG
-16.878
-10.144
-6.734
-932.2
-830.4
-778.8
-285.4
-213.0
-932.2
GH
-16.878
-10.144
-6.734
-932.2
-830.4
-778.8
-285.4
-213.0
-932.2
HI
-16.342
-8.171
-8.171
-902.6
-779.1
-241.3
-902.6
下弦杆
ab
5.233
3.853
1.380
289.0
268.1
230.7
103.5
51.0
289.0
bc
12.755
8.853
3.902
704.5
645.5
570.6
240.9
135.7
704.5
cd
16.212
10.338
5.874
895.4
806.6
739.1
286.8
192.0
895.4
de
16.803
9.346
7.457
928.1
815.3
786.8
268.2
228.0
928.1
斜腹杆
aB
-9.145
-6.733
-2.412
-505.1
-468.6
-403.3
-180.9
-89.1
-505.1
Bb
7.131
4.939
2.192
393.9
360.7
319.2
134.4
76.1
393.9
bD
-5.607
-3.511
-2.096
-309.7
-278.0
-256.6
-97.8
-67.7
-309.7
Dc
3.820
1.966
1.854
211.0
183.0
181.3
57.6
55.2
211.0
cF
-2.524
-0.732
-1.792
-139.4
-112.3
-128.3
-26.0
-48.5
-139.4
Fd
1.154
0.453
1.607
63.7
39.4
70.6
4.8
38.9
63.7
70.6
dH
0.015
1.581
-1.566
0.8
24.5
-23.1
33.6
-33.2
33.6
-33.2
He
-1.100
-2.519
1.419
-60.8
-82.2
-22.6
-58.0
-25.6
-82.2
-60.8
竖 杆
aA
-0.500
-0.500
0.000
-27.6
-27.6
-20.0
-12.7
-2.1
-27.6
bC
-1.000
-1.000
0.000
-55.2
-55.2
-40.1
-25.4
-4.1
-55.2
cE
-1.000
-1.000
0.000
-55.2
-55.2
-40.1
-25.4
-4.1
-55.2
dG
-1.000
-1.000
0.000
-55.2
-55.2
-40.1
-25.4
-4.1
-55.2
eI
-1.000
-1.000
0.000
-55.2
-55.2
-40.1
-25.4
-4.1
-55.2
杆件截面设计
1.上弦杆
整个上弦不变化截面，按最大内力设计，N＝-932.2kN
上弦杆件计算长度：在屋架平面内，为节间轴线长度lox＝1506mm；
在屋架平面外，依照支撑布置和内力变化状况取loy＝2×1506＝3012mm,
由于loy＝2lox，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。
腹杆最大内力NaB＝-505.1kN,查教材表7-4，
节点板厚度选用12mm，支座节点板厚度选用14mm。
假定λ＝60，按3号钢，轴心受压构件（查附表）属于b类截面，φ＝0.807
需要截面面积A＝N/φf＝932.2×103/（0.807×215）＝5372.7mm2
需要回转半径为：ix＝＝1506/60＝25.1mm iy＝＝3012/60＝50.2mm
依照A、ix、iy查不等肢角钢规格表,选用 2L180×110×10， A＝5680mm2， ix＝31.3mm， iy＝58.1mm. 按所选角钢进行验算：
λx＝＝1506/31.3＝48.1＜[λ] ＝150 λy＝＝3012/58.1＝51.8＜[λ] ＝150（满足规定）
由于λy>λx，只需求出φmin=φy,查轴心受力稳定系数表φy＝0.852
σ＝N/φyA＝932.2×103/(0.852×5680)=192.6N/mm2＜215 N/mm2 所选截面适当，垫板每个节间设一块。
2．下弦杆
整个下弦也不变化截面，按最大内力N＝928.1kN。
按下弦支撑布置状况：计算长度Lox＝3000mm,Loy＝6000mm
计算下弦截面净面积：An＝＝928.1×103/215＝4316.7mm2
选用2L140×90×10（短肢相并），A＝4460mm2 ix＝25.6mm iy＝44.7mm.

λx＝＝3000/25.6=117.19<[λ]=350；λy＝＝6000/44.7=134.23<[λ]=350.
ó＝＝928.1×103/4460=208.1 N/ mm2＜215 N/ mm2 所选截面满足规定。
3．端斜杆
N＝-505.1kN，由于lox＝loy＝2359mm，故采用不等肢角钢，长肢相并，使ix＝iy。
如选用2L100×14，则A＝5252mm2 ix＝30.0mm，iy＝46.8mm

验算： λx＝=2359/30.0=78.6＜[λ] ＝150 λy＝=2359/46.8=50.4＜[λ] ＝150
φ＝0.701 σ＝N/φA=505.1×103/(0.701×5252)＝137.19N/mm2＜215N/mm2 满足规定。

4．竖杆Ie
N＝-55.2kN， lo＝0.9l＝0.9×2880＝2592mm
中间竖杆最小应当选用2L63×4角钢，并采用十字形截面，则A＝996mm，ixo＝24.6mm
λxo＝lo/ ixo＝2592/24.6＝105.36＜[λ]＝150 φ＝0.523
σ＝=55.2×103/(0.523×996)=105.97 N/mm2＜215 N/mm2满足规定。
5.竖杆Gd
N＝-55.2kN， lox＝0.8l＝0.8×2610＝2088mm loy＝2610mm
可按[λ]选取,需回转半径 ix＝2088/150=13.92mm iy＝2610/150=17.4 mm
按ix，iy查表选用2L50×6 A=1138 mm2 ，ix＝15.1mm,iy＝25.6mm.
别的各杆截面选取计算过程不一一列出,见下表

屋架杆件截面选取(节点板厚t=12mm)
杆件
编号
杆内力
kN
计算长度mm
截面形式
及
角钢规格
截
面
积
mm2
回转半径
长细比
容许长细比
系数
φmin
应力
σ=
N/ mm2
lox
loy
Ix
mm
Iy
mm
λx
λy
上弦
-932.2
1506
3012
┛┗
2L180×110×10
5680
31.3
58.1
48.1
51.8
150
0.852
-192.6
下弦
928.1
3000
6000
┛┗
2L140×90×10
4460
25.6
44.7
117.19
134.23
350
—
208.1
斜腹杆
aB
-505.1
2359
┛┗
2L100×14
5252
30.0
46.8
78.6
50.4
150
0.701
137.2
Bb
393.9
1990
2488
┛┗
2L90×10
3432
27.4
42.1
72.6
58.1
350
0.736
155.9
bD
-309.7
2133
2666
┛┗
2L100×8
3128
30.8
45.5
69.2
58.6
150
0.757
-131
Dc
211.0
2133
2666
┛┗
2L100×8
3128
30.8
45.5
69.2
58.6
350
89.11
cF
-139.4
2315
2894
┛┗
2L90×10
3432
27.4
42.1
87.5
68.7
150
0.638
-63.6
Fd
63.7
70.6
2315
2894
┛┗
2L63×5
1228
19.4
30.4
119.34
95.20
350
0.442
117.3
130.1
dH
33.6
-33.2
2502
3128
┛┗
2L63×5
1228
19.4
30.4
128.99
102.89
150
0.392
69.80
-69.0
He
-82.2
-60.8
2502
3128
┛┗
2L63×5
1228
19.4
30.4
128.99
102.89
350
-171
-126
竖
腹
杆

Aa
-27.6
1632
┛┗
2L63×4
996
19.6
30.2
83.25
54.03
150
0.668
41.48
Cb
-55.2
1656
2070
┛┗
2L50×6
1138
15.1
25.6
109.67
80.86
150
0.499
97.2
Ec
-55.2
1872
2340
┛┗
2L50×6
1138
15.1
25.6
123.97
91.4
150
0.416
116.6
Gd
-55.2
2088
2610
┛┗
2L50×6
1138
15.1
25.6
138.28
101.95
150
0.353
137.41
Ie
-55.2
2592
┛┗
2L63×4
996
24.6
105.36
150
0.523
105.97

八、节点设计
1.下弦节点 b
依照各杆内力表,设计此类节点环节是：先依照腹杆内力计算腹杆与节点连接焊缝尺寸，即hf和lw然后按比例绘出节点板形状和大小，最后验算下弦杆与节点板连接焊缝。用E43焊条时，角焊缝抗拉、抗压和抗剪强度设计值＝160N/mm2，
⑴ Bb杆肢背和肢尖焊缝hf＝8mm和6mm，N=393.9 kN所需焊缝长度为：
肢背：＝(0.7×393.9×103)/ (2×0.7×8×160)+10＝163.8取＝170mm
肢尖：’＝(0.3×393.9×103) / (2×0.7×6×160)+10＝97.9mm，取’＝100mm

⑵ Db杆肢背和肢尖分别采用8mm和6mm，N=309.7kN
肢背：＝(0.7×309.7×103) / (2×0.7×8×160)+10=130.98 mm,取＝140mm
肢尖：’＝(0.3×309.7×103) / (2×0.7×6×160)+10=79.13 取’＝80mm

⑶ Cb杆内力很小，N=55.2KN 。焊缝尺寸可接构造拟定取hf＝5mm. 焊缝长度≥50mm。依照以上求得焊缝长度，并考虑杆件之间应有间隙以及制作、装配误差，按比例作出节点详图，从而拟定节点板尺寸为310×380mm。

⑷ 下弦节点板连接焊缝长度380mm，hf＝6mm，
焊缝所受力为左右下弦杆内力差ΔN＝Nbc-Nba=704.5-289＝415.4kN，所需焊缝长度：
肢背：＝(0.75×415.4×103) / (2×0.7×8×160)+10=183.8 mm,取＝190mm
肢尖：’＝(0.25×415.4×103) / (2×0.7×6×160)+10=87.27 取’＝90mm
受力较大肢背处背焊缝应力为
τf＝(K1ΔN)/(2×0.7hf lw)=(0.75×415.4×103)/(2×0.7×6×(380-10))=100.24 N/mm2＜160N/mm2.
焊缝强度满足规定。
2.上弦节点：B
⑴ Bb杆与节点板连接焊缝尺寸和B节点相似。
⑵ Ba杆与节点板连接尺寸按同样办法计算， NBa＝505.1KN,
肢背和肢尖焊缝分别采用：hf＝10mm和 hf＝6mm
肢背 ＝(0.7×505.1×103)/(2×0.7×10×160)+10＝167.8mm，取＝180mm
肢尖 ’＝(0.3×505.1×103)/(2×0.7×6×160)+10＝122.7mm，取’＝140mm
⑶ 上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于搁置屋面板，上弦节点板上边沿缩进上弦肢背80mm，
上弦角钢与节点板间用槽焊连接，计算时可略去屋架上弦坡度影响，以为集中力P与上弦垂直。
P＝55.2 kN，hf＝＝12/2＝6mm，依照斜杆焊缝长度拟定节点尺寸，得节点板尺寸 470×310mm
焊缝计算长度lw＝470－10＝460mm，则肢背焊缝应力为：
τf＝＝55.2×103/(2×0.7×6×460)＝14.3N/mm2＜ftw＝160N/mm2
肢尖焊缝承受弦杆内力差ΔN＝532.4-0.0=532.4 kN 偏心距e＝100－25.1＝74.9mm
偏心力矩M＝ΔN·e＝532.4×103×74.9＝39880000N·mm，采用hf＝8mm则
τf＝ΔN/2helw＝532.4×103/(2×0.7×8×470)＝101.14N/mm2
σf＝6＝(6×39880000)/(2×0.7×8×4702)＝96.7N/mm2
＝129N/mm2＜160 N/mm2满足强度规定。

3．屋脊节点H

（1）弦杆拼接普通都采用同号角钢进行拼接。为了使拼接角钢在拼接处能紧贴被连接弦杆和便于施焊，需切去肢尖角,截去垂直肢一某些：△=t+hf+5mm设焊缝为8mm，拼接角钢与弦杆连接焊缝按被连接杆最大内力计算，N=-902.6KN .
每条焊缝长度为：＝902.6×103/（4×0.7×8×160）+10＝261.8mm，取＝270mm
拼接角钢总长L=2×270+20=560mm,垂直肢切去△=t+hf+5=23,取25mm并按上弦坡度热弯。
(2)计算屋脊处弦杆与节点板连接焊缝，取hf =5mm
=(2N Sin5.7゜-P)/(8×0.7 hf *f)
=(2×932.2×103×0.099-55.2×103)/（5×0.7×8×160）=28.88 mm.按构造决定节点板长度。
4.下弦跨中节设计e
跨中起拱高度约50 mm下弦节头设于跨中节点处,连接角钢取与下弦相似截面
2L140×90×10mm.hf=8mm,l=+10=(928.1×103/4×0.7×8×160)+10mm.取L=270 mm,
连接角钢长度L=2×270+14=526 mm.取530 mm肢尖切去△=t+hf+5=14+18+5=27mm，△A=27×14=378mm
截面削弱△A/A=378/3050=12%<15%,满足规定,

下弦杆与节点板,斜杆与节点板之间连接焊缝均按构造设计,因屋架跨中高度较大,需将屋架提成两个运送单元,在屋脊和下弦跨中设立工地拼接节点,左半边上弦,斜杆,竖杆与节点采用工厂焊,右半边手工焊,腹杆与节点连接焊缝计算办法与以上几种节点相似.
5.端部支座节点a

（1）支座底板计算。
支座反力R＝10P＝10×55.2=552kN
按构造规定采用底板面积为a×b＝280×390mm 如仅考虑加劲肋某些底板承受均布反力为:q=R/An=55/280×214=9.212 N/mm2 < fc=10 N/mm2 则底板厚度按两邻边支撑,而另两邻边自由板计算，a1＝(140-12/2) 2+1002=172mm
b1=100×134/172=78 mm，b1/ a1=78/172=0.454查表β=0.051，
则板单位宽度最大弯距为：M＝β·σ·a1 2 =0.051×9.212×1722=13899 N.mm.
底板厚度t＝＝19.6mm，取t＝20mm.底板尺寸-390×280×20 mm

(2)加劲肋与节点板连接焊缝计算:，
厚度取中部节点板相似（即－80×10×460），一种加劲肋连接焊缝所承受内力为四分之一之反力：
V=＝55/4＝138000N M＝V·e＝138000×50＝69×N/mm2
设焊缝hf＝8mm，焊缝计算长度lw＝450―10＝440mm，则焊缝应力为：
τf＝V/2helw＝138000/2×0.7×8×440＝28 N/mm2
σf＝6M/2helw2＝6×69×/2×0.7×8×4402＝19.1N/mm2
＝32.01N/mm2＜160N/mm2

（3）节点板，加劲肋与底板连接焊缝计算:
设焊缝传递所有反力R＝552kN，实际焊缝总计算长度：Σlw=2×(280-10)+4×(100-15-10)=840mm,
所需焊缝尺寸hf =55/0.7×840×160=5.88mm.取hf＝8mm
其他节点设计办法与上述办法类似，此处从略,详见屋架施工图。