钢结构计算书(昆明理工大学钢结构课程设计)

课程设计
课程名称：钢结构设计
设计题目：昆明地区某工厂金工车间钢屋架设计学院：土木工程学院
专业：土木工程、工程力学
年级：
姓名：
学号：********
指导教师：
日期：
教务处制
课程设计任务书
土木工程学院学院土木工程专业年级姓名：学号：20111100
课程设计题目：昆明地区某工厂金工车间钢屋架设计
课程设计主要内容：
（一）设计资料
昆明地区某工厂金工车间，长度90m，柱距6m，车间内设有两台30/5t中级工作制桥式吊车，屋面采用1.5×6m预应力钢筋混凝土大型屋面板。

20mm厚水泥砂浆找平层，三毡四油防水层，屋面坡度1/10~1/12。

屋架两端铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400×400m m，混凝土C20，屋面活荷载0.50 kN/m2，屋面积灰荷载0.75 kN/m2，屋架跨度、屋架计算跨度、屋面做法和屋架端高按指定的数据进行计算。

1、屋架跨度（1）21m（2）24m
2、屋面计算跨度（1）L0＝L （2）L0＝L-300mm
3、屋面做法（1）有保温层（2）无保温层
4、屋架端高（1）h0=1.8m （2）h0=1.9m （3）h0=2.0m
h=2.1m
（4）0
（二）设计要求
1、由结构重要性，荷载特征（静荷），连接方法（焊接）及工作温度选用钢材及焊条。

2、合理布置支撑体系，主要考虑
（1）上弦横向水平支撑
（2）下弦横向水平支撑
（3）垂直支撑
（4）系杆（刚性或柔性）
并在计算书上画出屋盖支撑布置图，并对各榀屋架进行编号
3、荷载及内力计算
（1）屋面恒载计算。

（2）屋面活荷载与屋面雪荷载不同时考虑。

（3）屋面积灰荷载属于可变荷载。

（4）利用结构的对称性，仅计算屋架左半跨杆件内力。

（5）计算屋架杆力时，应考虑三种荷载组合。

（6）将屋面分布荷载转化为屋架节点荷载，利用左半跨单位节点荷载内力图计算杆力。

（7）确定各杆最不利内力（最大拉力或最大压力）
4、杆件截面选择
（1）屋架杆件常采用双角钢组合组成的T形截面或十字形截面，要根据λx=λy的等稳条件选择合理的截面形式。

（2）正确确定杆件的长细比，由轴心受力杆件确定杆件截面及填板数量。

（3）设计小组内每位同学所计算的上弦杆，下弦杆，斜杆截面选择过程要在计算书内详细说明，其余杆件截面选择可按同组内其他同学计算成果统一列表取用。

（4）杆件截面规格不宜过多，与垂直支撑相连的竖杆截面则不宜小于2L63×5。

5、节点设计
（1）熟知节点设计的基本要求及一般步骤。

（2）要在计算书内写出一般上下弦节点，下弦跨中节点，下弦支座节点及屋脊节点设计过程。

6、屋架施工图
（1）用铅笔绘制1#施工图
（2）施工图应包括
①屋架简图（比例1∶100），左半跨标明杆件长度，右半跨注明杆件最不利内力，以及起拱度。

②屋架正面图，上、下弦平面图（轴线比例1：20，杆件、节点比例1：10）。

③侧面图，剖面图及零件详图。

④注明全部零件的编号，规格及尺寸（包括加工尺寸和定位尺寸）孔洞位置，孔洞及螺
栓直径，焊缝尺寸以及对工厂加工和工地施工的要求。

⑤材料表（一榀屋架的材料用量）。

⑥说明（钢号、焊条型号、起拱要求、图中未注明的焊缝尺寸和油漆要求等）。

设计指导教师（签字）：
教学基层组织负责人（签字）：
年月日计算书
1.屋架及支撑形式:
2.荷载何内力计算
1)荷载标准值永久荷载标准值：
20mm厚水泥砂浆找平层: 0.4 kN/m2
三毡四油防水层：0.4 kN/m2
预应力钢筋混凝土大型屋面板：1.4 kN/m2
屋架和支撑自重：(0.117+0.011L)=(0.117+0.011×21)=0.348 kN/m2可变荷载标准值：
屋面活荷载：0.5 kN/m2
屋面积灰荷载：0.75 kN/m2
2）节点荷载计算
①全跨屋面永久荷载作用下
P=（1.4+0.4+0.4+0.348）×6×1.6=2.548×6×1.5=22.932（kN）
②全跨可变荷载作用下
P=0.5×6×1.5+0.75×0.9×6×1.5=（0.5+0.9×0.75）×6×1.5=10.575（kN）③当基本组合由可变荷载效应控制时，上弦节点荷载设计值为
S 1.2×22.932+1.4×（0.5+0.9×0.75）×6×1.5
=
p
=1.2×22.932+1.4×10.575=42.323（kN）
当当基本组合由永久荷载效应控制时，上弦节点荷载设计值为
S 1.35×22.932+1.4×（0.7×0.5+0.9×0.75）×6×1.5
=
p
=30.958+12.915=43.873（kN）
由上可知，本工程屋面荷载组合由永久荷载效应控制，节点集中力设计值取P=43.873 (kN)。

④屋架节点荷载计算计算是考虑下列三种荷载组合情况：
全跨恒荷载+全跨屋面均布活荷载
全跨恒荷载+半跨屋面均布活荷载（左）
屋架及支撑自重+半跨屋面板自重（左）+半跨屋面活荷载（左）
设：
P——由永久荷载换算得的节点集中荷载；
1
P——由可变荷载换算得的节点集中荷载；
2
P——由部分永久荷载（屋架及支撑自重）换算得的节点集中荷载；
3
P——由部分永久荷载（屋面板重）和可变荷载（屋面活荷载）换换算得
4
的节点集中荷载。

P=1.35×22.932=30.958（kN）
则：
1
P=1.4×（0.7×0.5+0.9×0.75）×6×1.5=12.92（kN）
2
P=1.35×0.348×6×1.5=5.47（kN）
3
P=（1.35×1.4+1.4×0.5）×6×1.5=23.31（kN）
4
内力计算杆 力 组 合 表
3.杆件截面选择
(1)上弦杆(选用两根不等边角钢短肢相并)
FH N =-529.169kN （最大） ox l =150.8cm oy l =301.6cm
腹杆max N =318.993kN,查表2.8得节点板t=10mm ，支座节点板厚度t=12mm 假定λ=60cm l i ox
x 15.260
8
.150===λ ， cm l i oy y 02.5606.301===λ 选用2L125×80×8短肢相并，A=31.9782cm
x i ＝2.28cm ，y i ＝6.07cm 验算：
][14.6628
.28.150λλ<===
x ox x i l =150 ][69.4907
.66
.301λλ<==
=
y
oy y i l =150 因为
51.13125
301656.056.062.158125
11=⨯===b l t b oy > 所以150][4.60)125
7.5286.3011(81257.3)7.521(7.34
2
2412
21==⨯⨯+⨯⨯=+=λ<b t l t b l oy yz 由表查得773.0=x ϕ,8
.3197773.0529169
⨯==A N x ϕσ=21422/215m m /mm N f N =< （2）下弦杆
cd N =519.954kN ，ox l =300 cm ，oy l =1050cm ，节点板t=10mm,支座节点板t=12mm ，
λ=60 , φ=0.807
277.2996215
807.0519954
mm f N A =⨯==
ϕ cm l i ox
x 560
300
==
=
λ
, cm l i oy y 5.17601050===λ 选用2L125×80×8短肢相并A=31.9782cm
x i ＝2.28cm ，y i ＝6.07cm 验算：][58.13128
.2300
λλ<===
x ox x i l =350 ][98.17207
.61050
λλ<==
=
y
oy y i l =350 因为704.4125
105056.056.062.158125
11=⨯===b l t b oy >
所以350][13.58)1257.52810501(81257.3)7.521(7.34
2
2412
21==⨯⨯+⨯⨯=+=λ<b t l t b l oy yz
===
8.3197519954A N σ=162.622/215m m /mm N f N =< （3）端斜腹杆aB
B N a =-318.993kN ，ox l =oy l =270.9cm ，t=10mm, λ=60 , φ=0.807
252.1838215
807.0318993mm f N A =⨯==
ϕ cm l i ox
x 52.460
9
.270===λ ， cm l i oy y 52.4609.270===λ 选用2L100×80×7长肢相并，A=19.3122cm
x i ＝2.39cm ，y i ＝4.71cm 验算：][35.11339
.29
.270λλ<===
x ox x i l =150 ][52.5771
.49
.270λλ<==
=
y
oy y i l =150 因为
25.1680
270948.048.042.11780
22=⨯===b l t b oy > 所以65.64124.152.57)727098009.11(2
24
=⨯=⨯⨯+=y yz l λ 查表得788.0=yz ϕ
2
.1931788.0318993
⨯=
A N ϕσ=209.6222/215m m /mm N f N =<
Bd,bD,Dc 同aB,计算长度ox l =0.8oy l （4）斜杆cF
cF N =-68.889kN ，ox l =0.8⨯322.6 =258.08cm ，oy l =322.6cm ，t=10mm, λ=60 ,
φ=0.807
2397215
807.068889mm f N A =⨯==
ϕ cm l i ox
x 30.460
08
.258===λ ， cm l i oy y 38.5606.322===λ
选用2L75×50×5，A=12.25c ㎡。

长肢相并
x i ＝2.39cm ，y i ＝2.20cm 验算
][98.10739
.208.258λλ<===
x ox x i l =150 ][64.14620
.26
.322λλ<==
=
y
oy y i l =150
所以45.150026..164.146)532265009.11(2
24
=⨯=⨯⨯+=y yz l λ 由yz l 查表的306.0=yz ϕ
1225
306.068889
⨯=
A N ϕσ=183.7822/215m m /mm N f N =<
Fd dH 同cF 计算长度ox l =0.8oy l (5)竖杆Gd
Gd N =-43.878kN ，ox l =0.8⨯300 =240cm, oy l =300cm
内力小，按[λ]选择
cm l i ox
x 6.1150
240
===λ ， cm l i oy y 2150300===
λ 选择2L50×5 A=9.606c ㎡ x i =1.53≈1.6cm y i =2.45cm EC, Cb 同Gd ox l =0.8oy l Aa 也同Gd ox l =oy l
屋架杆件截面选择表
4.节点板计算
(1)上弦节点 “B ”。

节点板尺寸为-250⨯340⨯10
kN N kN N Bb B 543.250,993.318-a ==，只要计算Ba 杆即可。

对aB 杆，肢背肢尖焊缝分别采用mm h f 8=和6mm ，则所需焊缝长度为：
肢背：mm f h N k l w t t w
116160
87.02318993
65.07.021'
=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=，取140mm
肢尖：mm f h N k l w
t
t w
8316067.02318993
35.07.022'
'=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=，取100mm 对bB 杆，肢背肢尖焊缝分别采用mm h f 8=和6mm ，则所需焊缝长度为：
肢背：mm f h N k l w
t
t w
9116087.02250543
65.07.021'=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=，取110mm 肢尖：mm f h N k l w t t w
65160
67.022*******.07.022''=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=，取80mm
为了便于在上弦搁置大型屋面板，节点板上边缘可缩进肢背8mm ，用塞缝连接，
这时mm t h f 52
==，mm l l w w
36010370'
''=-== 承受集中力P=43.873kN
22/160/4.17360
57.0243873
7.02mm N f mm N l h P w t w f f ==⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=
<τ
肢尖焊缝承担弦杆内力差△N=318.993-0=318.993kN=318993N 偏心矩e=8-1.9=6.1cm
M=△N ·e=318993×61=19458573N ·mm ，mm h f 8=,则
22/160/308..86330
87.02318993
7.02mm N f mm N l h N w t w f N ==⨯⨯⨯=⨯⨯∆=
∆<τ
2
2/723.95330
87.021********mm N W M w M =⨯⨯⨯⨯==
σ
222
222/160/944.120)22
.1723.95(
04.92)22
.1(
mm N f mm N w t M
N ==+=+∆<στ
上弦节点 “D ”。

节点板尺寸为-200⨯300⨯10
kN N kN N Dc Db 542.121,869.190=-=只要计算Db 杆。

对Db 杆，肢背肢尖焊缝分别采用mm h f 8=和6mm ，则所需焊缝长度为：
肢背：mm f h N k l w
t
t w
6916087.02190869
65.07.021'=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=，取90mm 肢尖：mm f h N k l w t t w
50160
67.021*******.07.022''=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=，取70mm
对Dc 杆，肢背肢尖焊缝分别采用mm h f 8=和6mm ，则所需焊缝长度为：
肢背：mm f h N k l w t t w
44160
87.02121542
65.07.021'=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=，取60mm
肢尖：mm f h N k l w
t
t w
3216067.02121542
35.07.022'
'=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=，取60mm 为了便于在上弦搁置大型屋面板，节点板上边缘可缩进肢背8mm ，用塞缝连接，这时mm t h f 52
==，mm l l w w
29010300'
''=-== 承受集中力P=43.873kN
22/160/612.21290
57.0243873
7.02mm N f mm N l h P w t w f f ==⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=
<τ
肢尖焊缝承担弦杆内力差△N=190.869-0=190.869kN=190869N 偏心矩e=8-1.9=6.1cm
M=△N ·e=190869×61=11643009N ·mm ，mm h f 8=,则
22/160/765.58290
87.02190869
7.02mm N f mm N l h N w t w f N ==⨯⨯⨯=⨯⨯∆=
∆<τ
22/166.74290
87.021********mm N W M w M =⨯⨯⨯⨯==
σ 222
222/160/552.85)22
.1166.74(
765.58)22
.1(
mm N f mm N w t M
N ==+=+∆<στ 上弦节点 “F ”。

节点板尺寸为-180⨯260⨯10
kN N kN N Fd Fc 67.22,68.889-=-=只要计算Fc 杆。

对Db 杆，肢背肢尖焊缝分别采用mm h f 5=和4mm ，则所需焊缝长度为：
肢背：mm f h N k l w t t w
40160
57.0268889
65.07.021'=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=，取60mm
肢尖：mm f h N k l w
t
t w
916047.0222670
35.07.022'
'=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=，取50mm 对Db 杆，肢背肢尖焊缝分别采用mm h f 5=和4mm ，则所需焊缝长度为：
肢背：50'
=w
l 肢尖：50'
=w
l 节点板上边缘可缩进肢背8mm ，用塞缝连接，这时mm t
h f 52
==
，mm l l w w 25010260'
''=-==
承受集中力P=43.873kN
22/160/07.25250
57.0243873
7.02mm N f mm N l h P w t w f f ==⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=
<τ
肢尖焊缝承担弦杆内力差△N=68.889-0=68.889kN=68889N 偏心矩e=8-1.9=6.1cm
M=△N ·e=68889×61=4202229N ·mm ，mm h f 8=,则
22/160/603.24250
87.0268889
7.02mm N f mm N l h N w t w f N ==⨯⨯⨯=⨯⨯∆=
∆<τ
22/019.36250
87.024*******mm N W M w M =⨯⨯⨯⨯==
σ 222
222/160/431.38)22
.1019.36(
603.24)22
.1(
mm N f mm N w t M
N ==+=+∆<στ 对于节点“C ”“E ”“G ”,所受内力较小，杆件Aa,Cb,Ec,Gd 采用焊缝脚寸5=f h ，最小焊缝长度mm l w 50=。

（2）下弦节点板b 设计：角焊缝强度设计值2/160mm N f w f =
Bb 杆的肢背和肢尖焊缝分别采用mm H f
8= mm
H f 6=
Db 杆同理计算
Cb 杆内力很小，mm H f 5=，根据构造绘出节点大样图，可知节点板尺寸为
290×265mm
下弦杆与节点板连接的焊缝长度为290mm ，mm H f
6=
kN 685.213370.212055.426=-=∆N
61.14<160(2
/mm N ) 满足强度要求 下弦节点板c 设计：角焊缝强度设计值
2/160mm N f w f =
Dc 杆的肢背和肢尖焊缝分别采用mm H f
8= mm
H f 6=
Fc 杆同理计算
Ec 杆内力很小，mm H f 5=，根据构造绘出节点大样图，可知节点板尺寸为
160×175mm
下弦杆与节点板连接的焊缝长度为160mm mm H f
6=
mm N 899.93055.426954.519=-=∆
55.89(2
/mm N ) <160(2
/mm N ) 满足强度要求 下弦节点板d 设计：角焊缝强度设计值2/160mm N f w f =
Fd 杆的肢背和肢尖焊缝分别采用mm H f
8= mm
H f 6=
Hd 杆同理计算
Gd 杆内力很小，mm H f 5=，根据构造绘出节点大样图，可知节点板尺寸为
140×180mm
下弦杆与节点板连接的焊缝长度为140mm mm H f
6=
mm N 336.8618.511954.519=-=∆
5.72(2
/mm N ) <160(2
/mm N ) 满足强度要求 (3)支座节点板“a ”计算
支座反力R=7x43.873=307.111KN
23.214763
.14307111mm f R A cc n ===
支座底板取用30cmx20cm 。

若仅考虑有加筋肋部分的底板作为有效面积，则底板承受的均布反力为
q=R/An=307111/(300x200)=5.119(N/m ㎡) 2/3.14mm N f cc =< 底板的厚度按两邻边支撑而另两邻边自由板计算；
查表2.9的β=0.029，则板的单位宽度的最大弯矩为
M=βq 21a =0.029×5.119×172×172=4392(N/mm)
底板厚度为
设焊缝
f
h =8mm,焊缝计算
节点板 加筋肋与地板的连接焊缝计算：设焊缝传递全部
支座反力R=307.111KN 初设mm H f
8=。

实际的焊缝总长度为
采用mm
H f
6=
(4)屋脊节点H ，采用同号刚拼接，切角部分)5(++=∆f h t 最大内力杆为544.15KN
mm h f h N l f w
f f w 11.118102160
107.04529169
27.04=⨯+⨯⨯⨯=+⨯=
取160mm 拼接角钢总长mm L 340201602=+⨯=,取400mm 切掉)5(++=∆f h t =23mm 取30mm
计算屋脊处弦杆与节点板的连接焊缝，取mm h f 5=
mm f h P Sin N l w
f f FH w 67.1316057.0843873
7.5sin 52916927.082=⨯⨯⨯-⨯⨯=⨯⨯-=
α
按构造要求决定节点板的尺寸。