钢结构设计第一节钢屋架课程设计任务书一、设计题目24m跨钢屋架设计。

二、设计任务1．材料选择。

2．屋架形式及屋架几何尺寸的确定。

3．屋架及屋盖支撑的布置。

4．屋架的结构设计。

5．绘制屋架施工图。

三、设计资料西安某厂一车间长度为72m，跨度24m，柱距6 m。

内设两台20／5t中级工作制桥式吊车和两台5t锻锤，冬季计算温度为―20C°，设防烈度为8度，近震。

屋面采用1．5×6．0m大型屋面板，卷材防水屋面（其具体构造已由建筑设计确定），屋面坡度i=1／10。

屋活荷载标准值0．7kN／rn2，雪荷载标准值0．5kN／m2，积灰荷载标准值0．75kN／m2。

第二节钢屋架设计计算一、屋架类型由于车间内部设有M台5t锻锤，又具有加热设备炉。

拟采用钢屋架，钢筋混凝土柱，混凝土采用C25（f c= 12．5N／mm2）。

二、钢材及焊条根据该地区的冬季计算温度和荷载性质，钢材采用AY3F(甲类顶吹氧气转炉3号沸腾钢)，要求保证抗拉强度，伸长率。

屈服强度，冷弯试验及碳、硫、磷含量合格。

屋架连接方法采用焊接，焊条选用E43型，手工焊，根据结构的重要性，焊缝质量要求达到一级标准。

三、屋架形式及几何尺寸因屋面采用预应力混凝土大型屋面板，屋面坡屋i=1／10，故采用梯形屋架。

屋架计算跨度取支柱轴线L=L―2×150=24000―间的距离减去300mm。

300=23700mm。

屋架端部高度H0=1990mm（H0与屋架中部高度及屋面坡度相关，我国常将H 0取为1．8～2．lm 等较整齐的数值，以利多跨屋架时的屋面构造。

当屋架与柱刚结时，H 0有足够的大小，亦能较好地传递支座弯矩而不使端部弦杆产生过大内力）。

屋架中部高度 H=H 0＋2L i ＝1990十0.1×224000=3190mm 屋架的高跨比H ／L =3190／24000=l ／7．5，在经济范围（1／6～1／10）内，为使屋架上弦只受节点荷载，腹杆体系采用节间为3m 的人字形式，1．5×6m 屋面板传来的荷载，正好作用在节点上，使之传力更好。

屋架跨中起拱50mm （≈l ／500）几何尺寸如图l 所示。

图1图2GWJ一屋架；SC一水平支撑；LG一系杆；CC——垂直支撑四、支撑布置根据车间长度72m，屋架跨度L=24m荷载情况，以及吊车、锻锤设置情况，布置三道上、下弦横向水平支撑，二道纵向水平支撑，垂直支撑和系杆（如图2）屋脊节点及屋架支座处沿厂房通长设置刚性系杆，屋架下弦沿跨中通长设一道柔性系杆。

凡与支撑连接的屋架（两端和中间共6榀屋架），编号为GWJ—2，其它编号均为GWJ—1。

五、荷载和内力计算1．荷载计算屋面活荷载与雪载一般不会同时出现，从前面可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载进行计算。

屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式p w=（0．12＋0．011×跨度）计算，跨度单位为m。

永久荷载标准值：三毡四油绿豆砂0．35kN／m220厚1：3水泥砂浆找平层0．02×20=0．40kN／m2 泡沫混凝土保温层80厚0．08×6=0．48kN／m2 大型屋面板（含灌缝）1．40kN／m2屋架和支撑自重0．12＋0．011×24=0．38kN／m2 管道自重0．1kN／m2———————————————————————∑3．11kN／m2 可变荷载标准值屋面活载0．7kN／m2 积灰荷载0．75kN／m2———————————————————————∑1．45kN／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，所以各荷载均按水平投影面积计算。

永久荷载设计值：1．2×3．11=3．73kN／m2可变荷载设计值：1．4×1．45=2．03kN／m22．荷载组合设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合：（1）全跨永久荷载十全跨可变荷载屋架上弦节点荷载：P=（3．73＋2．03）×1．5×6=51．84kN支座反力：R A=51．84×（1／2×2＋7）=414．72kN=R Aˊ（屋架另一端支座）（2）全跨永久荷载十半跨可变荷载屋架上弦节点荷载：P半=3．73×1．5×6=33．57kNP半＝2．03×1．5×6＝18．27kN（3）全跨屋架与支撑十半跨屋面板十半跨屋面活荷载全跨屋架和支撑自重产生的节点荷载：P全=1．2×0．38×1．5×6=4．10kN作用于半跨的屋面板及活载产生的节点荷载。

取屋面可能出现的活载（即不利活载）P全=（1．2 ×1．4 ＋l．4 ×0．7）×1．5×6=23．94kN 以上（1），（2）为使用阶段荷载组合，（3）为施工阶段荷载组合。

图3（注）全跨节点作用单位荷载时各杆内力图解；（b）半跨，节点作用单位荷载时各杆内力图解3．内力计算按图解法，解析法或电算法均可计算屋架各杆件内力。

本设计采用图解法计算内力。

应用图解法求得单位荷载作用于全跨及半跨各节点的各杆内力，即内力系数，然后可求出当荷载作用于全跨及半跨各节点时的杆件内力，并求出三种荷载组合下的杆件内力，取其中不利内力（正、负最大值）作为设计屋架的依据。

具体计算见图3。

屋架各杆件内力组合见表1。

全跨永久荷载十全跨可变荷载组合各杆件计算内力图由上述计算可见，跨中附近斜腹杆的内力发生变号，是由于考虑了施工阶段荷载的不利分布，如果按照正确的施工方法，屋面板采用对称吊装，就不会出现杆件内力的变号。

六、杆件截面设计1．上弦整个上弦不改变截面，按最大内力设计（见内力图），N kM= ―790．56kN。

上弦杆计算长度：在屋架平面内，为节间轴线长度x L 0= 1508m m ；在屋架平面外，根据支撑布置和内力变化情况取y L 0=2×1508=3016mm （按大型屋面板与屋架保证三点焊，故取两块屋面板宽度）。

因为y L 0=2x L 0，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。

腹杆最大内力N= ―458．76kN （压力需稳定计算），查（上一章）表4，节点板厚度选用10mm ，支座节点板厚度选用12mm 。

上弦杆截面：（T 型轴心受压构件应计算λyz ）设λ= 6 0，按 3号钢（Q235），轴心受压构件属 b 类载面。

查附表 4－4，得φ=0．807。

需要截面积A=215807.01056.790f N 3⨯⨯=ϕ=4556mm 2，需要的回转半径：mm L i ox x 2.25601508===λmm L i oy y 3.50603016===λ 根据A 、i x 、i y 查附表3—25，p396页，选用2L140×90×10，A=4452．2mm 2，i x =25．6m i y ＝67．7mm 。

按所选角钢进行验算：[]15091.586.251508=<===λλxox x i L []1505.447.673016=<===λλyoy y i L （满足要求） 由于λx >λy ，只需求φx ，查附表4－4得，φx =0．813223x mm /N 215mm /N 4.2182.4452813.01056.790A N ≈=⨯⨯=ϕ=σ 所选截面合适，如 图4所示。

垫板每个节间设一块。

2．下弦整个下弦也不改变截面，按最大内力N DE =787．97kN 设计（拉力不需稳定计算）。

按下弦支撑布置情况：x L 0=3000mm ，y L 0=6000mm 计算所需下弦截面净面积：2336652151097.787mm f N A dn =⨯== 根据A 查附表3—25, 选用2L125×80×10（短肢相并），A=3942．4mm 2，i x =22．6mm ，i y =61．1mm ，截面如图5所示。

图4 图5验算：如果连接支撑的螺栓孔中心至节点板边缘距离不小于100mm ，螺栓孔对下弦截面的削弱可不考虑，所以A n =A 。

[]35074.1326.223000=<===λλmm i L xox x []35020.981.616000=<===λλmm i L y oy y （满足要求）每个节间设一块垫板。

3、端斜杆AG （T 型轴心受压构件应计算λyz ） N AG = ― 458．78kN ，x L 0=y L 0= 2535mm 。

查附表3—25,节点板厚度选用10mm ，如选用 2L125×80×8，长肢相并，则 A=3197．8mm 2，i x =40．1mm ，i y ＝32．7mm 。

验算，[]15022.631.402535=<===λλx ox x i L []15052.777.322535=<===λλyoy y i L由于λy >λx ，只需求φy ，查附表4－4有φmin =φy =0．704223m m /N 215m m /N 79.2038.3197704.01078.458<=⨯⨯=σ 满足要求，截面如图6所示。

图6 图74．斜腹杆GBN GB = 357．7kN ，拉杆，几何长度，为L =2608mm ，x L 0=0．8·L =0．8×2608=2086．4mm ，y L 0=2608mm 。

所需截面面积：2372.1663215107.357mm f N A dn =⨯== 查附表3—24（等边角钢组合表）,节点板厚度选用10mm ，选用2 L80×6，则A=1880mm 2，i x =24．7mm ，i y =36．5mm验算：223m m /N 215m m /N 190271880107.357A N <=⨯==σ[]35047.847.244.2086=<===λλxox x i L []35045.716.352608=<===λλyoy y i L 满足要求，截面如图7所示。

5．竖杆AF 、BH 、CJ 、DL 、EN （T 型轴心受压构件应计算λyz ）N AF =N BH =N CJ =N PL =N EN = ―51．84kN ，其内力大小相同，选用长细比较大的竖杆进行设计，则可保证其他竖杆的安全可靠性。

N DL = ―51．84kN ，ox L =0．8L =0．8×2890=2312mm ，oy L =2890mm 。

内力较小，按各杆允许长细比而［λ］＝150选择角钢，所需回转半径为:[]mm L i oxx 40.151502312===λ[]mm L i oy y 27.191502890===λ 根据A 、i x 、i y 查附表3—24，节点板厚度选用10mm ，选用2L56×5，则 A ＝1083mm 2，i x ＝17．2mm ，i y ＝26．9rnm[]1504.1342.172312=<===λλxox x i L []15043.1079.262890=<===λλyoy y i L 满足要求。