钢结构课程设计

一、设计资料

1、已知条件：梯形钢屋架跨度21m，长度60m，柱距6m。冬季最低温度为－20℃，地震设计烈度为8度。采用1.5m×6m预应力混凝土大型屋面板，80mm 厚泡沫混凝土保温层，卷材屋面，屋面坡度i＝1/10。屋面活荷载标准值为0.5 kN/m2，雪荷载标准值为0.4 kN/m2，积灰荷载标准值为1.1 kN/m2。屋架铰支在钢筋混凝土柱上，混凝土标号为C30。钢材采用Q345B级，焊条采用E50型。

2、屋架计算跨度：l

=21m-2×0.15m=20.7m。

二、结构形式与布置

屋架形式及几何尺寸如图1所示。

1

图 1

根据厂房长度（60m≤60m）、跨度及荷载情况，设置两道上下弦横向水平支撑。柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间。在上弦平面设置刚性系杆与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载。在设置横向水平支撑的柱间。由于l=21m<30m，故在

跨度中央设置一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置图如图2所示。

图2

(

a)

图 2 (b)

图 2 (c)

图2 梯形钢屋架支撑布置

（a）桁架上弦支撑布置图；（b）桁架下弦支撑图；（c）垂直支撑1—1

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

三、荷载计算

考虑到屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时取较大的荷载标准值进行计算。因此，取活荷载标准值0.5kN/m2。屋架沿水平投影积分的重分布的自重(包

=(0.12+0.011L)kN/m2计算.跨度单位为米(m).荷载计算见括支撑)按经验公式g

k

表1。

F=（4.388+0.7×0.7+1.54×0.9）×1.5×6=56.376KN

支座反力：R=7F=7×56.376=395KN

设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合，在组合时，偏于安全不考虑屋面活荷载和积灰荷载的组合值系数。

（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为

F=(4.388+2.24)×1.5×6=59.652kN

（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载。

全跨节点永久荷载：

F1=4.388×1.5×6=39.492kN

半跨可变荷载:

F2=2.24×1.5×6=20.16kN

（3）全跨屋架(包括支撑)自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载。

全跨节点屋架自重:

F3=0.608×1.5×6=5.47kN

半跨节点屋面板自重及活荷载:

F4=(2.24+0.5) ×1.5×6=24.66kN

上述计算中，（1）,（2）为使用节点活荷载情况,（3）为施工阶段荷载情况.

四、内力计算

屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图3所示。

图2.1 桁架计算简图

(c)

(b)

(a)

由图解法或数解法（本设计采用结构力学求解器）F=1的屋架的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨），然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果如表2。

表2 屋架杆件内力组合

五、杆件设计

（1） 上弦杆。整个上弦采用等截面，按FG 、GH 杆件的最大内力设计，即N=-726.56KN 。上弦杆计算长度如下。 在屋架平面内：为节间轴线长度，即

l ox =l 0=1.5075 m

在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用，根据支撑布置和内力变化情况，取l oy 为支撑点间的距离，即

l oy =l 1 =1.5075×4=6.03 m

根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等角肢钢，短肢相并。

腹杆最大内力为N=-458.366kN ，查周俐俐主编《钢结构》表8-4，中间节点板厚度选用10mm ，支座节点板厚度选用12mm 。

设60=λ，钢材选用Q345，查稳定系数表，可得741.0=ϕ（b 类截面），则需要的截面积为：

23

4.93162310

741.0106.5726mm f N A =⨯⨯==ϕ

需要的回转半径为

m m l i ox

x 125.2560

.5

1507==

=

λ

mm l i oy

y 100.560

6030

==

=

λ

图 4 上弦杆截面

根据需要的A 、x i 、y i 、查角钢规格表，选用2L160×100×10，肢背间距a=10mm,如图4，则A=5060mm 2 ,x i =2.85cm ， y i =7.7cm

按所选角钢进行验算：

89

.10/235131010/100/b 1509.852.5

28.51507x 1501.37877

6030

x x =<==<===

<==

=

fy h i l i l o y

oy y λλ

满足长细比及宽厚比要求。

故所选截面合适。

（2） 下弦杆。整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的de 杆计算，则

N=713.557kN mm l ox 3000=，

mm mm l oy 103502

20700

==

，所需截面为 2202.238.2301310

1000557.713cm mm f N A ==⨯==

选用2L125×80×10，因为ox oy l l >>，故用不等肢角钢，短肢相并。见图5，

查周俐俐主编《钢结构》附录14、15可得

A=39.422cm >23.022cm ,x i =2.26cm,y i

=6.11cm 。

按所选角钢进行验算：

35074.1326

.223000

<===x ox x i l λ ；35040.1691.6110350<===y oy y i l λ 因此，所选截面合适。

（3） 端斜杆aB 。杆件的轴力为N=-458.366kN ，计算长度为=ox l mm l oy 2530=。

图5 下弦杆截面 图6 端杆aB 截面