钢结构课程设计大纲

银川能源学院
《钢结构》
课程设计大纲适用专业：土木工程
建筑工程学院
2015. 09
《钢结构》课程设计教学大纲
【课程名称】钢结构课程设计【授课专业】土木工程专业
【实践学时】24 学时【先修课程】材料力学、结构力学、建筑CAD
一、课程设计的性质与任务
钢结构课程设计是在《钢结构》课程教学结束后，为提高学生的动手能力及使学生对钢结构更深的理解而进行的教学环节。

此环节要求学生做到以下几点：1）理解钢结构的基本概念；2）熟悉钢桁架结构的设计流程；3）掌握钢桁架结构的设计要点；4）学习绘制钢结构施工图。

二、课程设计的教育目标
（一）知识目标
通过课程设计使学生将所学的各种科学融会贯通、提高理解能力和综合运用能力。

（二）能力目标
提高学生对钢结构的受力分析与设计能力，强化学生对钢结构施工图的理解能力。

（三）德育能力
培养学生的敬业精神，加强学生的职业道德意识。

三、课程设计的内容及要求
（一）设计题目
根据教学大纲，由辅导教师给出钢结构课程设计题目及要求（发给学生钢结构课程设计任务书及指导书）。

（二）设计要求
1.在规定的时间内，要求学生完成一套完整的钢结构课程设计计算书。

2.在规定的时间内，要求学生绘制课程设计的钢结构施工图。

四、设计时间
根据教学大纲，钢结构课程设计时间为一周，其具体安排如下。

五、成绩评定
课设成绩占总评成绩20%。

课设成绩根据平时考勤、设计计算书质量、施工图绘制质量、纪律、表现评定。

其中，学生自评(20%)、学生互评(20%)、教师评价(60%)。

课设成绩评定参考标准如下：
附件：
1.《钢结构课程设计任务书》
2.《钢屋架课程设计指导书》
编制:
审核:
钢结构课程设计任务书
1 题目
钢结构课程设计
——梯形钢屋架设计
2设计资料
（1）某厂房内设有200/50KN中级工作制吊车。

计算温度高于-200C，地震设计烈度为7度，采用1.5×6m预应力混凝土大型屋面板，卷材屋面（不上人屋面）。

屋架铰支于钢筋混凝土柱柱顶，上柱截面为400mm×400mm，混凝土标号为C25，钢材采用Q235-B，焊条采用E43型，手工焊。

（2）屋架形式为梯形屋架，屋架上弦节间尺寸1.5m。

（3）保温层情况：按有保温层或无保温层。

（8cm厚泡沫混凝土保护层0.5 kN/m2。

）
（4）计算统一荷载：防水屋面为二毡三油上铺小石子0.35 kN/m2，2cm厚水泥砂浆找平层0.35 kN/m2，预应力混凝土大型屋面板（包括灌缝）1.5 kN/m2，悬挂管道0.15 kN/m2，。

（5）梯形屋架建议形式：上承式或下承式，必要时可加再分式腹杆。

3 设计内容
（1）屋架选型：确定各杆件计算长度和截面形式、节点板；
（2）屋盖支撑布置；
（3）荷载计算及内力分析；
（4）各杆件截面设计；
（5）节点设计；
（6）绘制钢屋架施工图，并列出材料表。

4 设计要求
（1）做屋架几何尺寸及内力图；
（2）布置屋盖支撑系统（在设计计算书上作出简图）；
（3）选择各杆截面（选下弦截面时，考虑柱对屋架的附加拉力或压力，将下弦内力增加5%）；
（4）节点及焊缝设计计算，画出屋脊节点、支座节点、下弦节点，一般上、下弦节点的构造图；
（5）绘制钢屋架施工图一张（A1）
施工图的主要图面用以绘制屋架的正面图，上、下弦的平面图，必要的侧面图和剖面图，以及某些安装节点或特殊零件的大样图。

屋架施工图通常采用两种比例尺：杆件轴线一般为1:20~1:30，以免图幅太大；节点（包括杆件截面、节点板和小零件）一般为1:10~1:15，可清楚地表达节点的细部构造要求。

（6）完成计算书一套(应有封面和目录)，计算书书写工整，图纸布局均匀、图面整洁，线型正确，比例适当。

（7）设计题号分配见下表
梯形钢屋架课程设计任务分配表
5 建议参考文献
[1]《轻钢结构设计手册》中国建筑工业出版社
[2]《钢结构课程设计解析与实例》唐兴荣机械工业出版社
[3]《钢结构课》赵根田机械工业出版社
[4]《钢结构课程设计》赵根田机械工业出版社
[5]《钢结构设计规范》中国计划出版社
[6]《钢结构课程设计指导》王静峰武汉理工大学出版社
钢屋架课程设计指导书
设计资料：某工程为跨度24m的单跨双坡封闭式厂房，厂房长54m，采用梯形钢屋架，屋面坡度i=1/10，屋架间距为6m，屋架铰支于钢筋混凝土柱柱顶。

屋面材料采用1.5*6m钢筋混凝土大型屋面板，屋面板上设150加气混凝土保温层，再设20水泥砂浆找平层，防水屋面为二毡三油上铺小石子。

上弦节间尺寸1.5m，结构重要性系数为γ0=1.0，地区基本风压w0=0.45kN/m2，基本雪压s0=0.25 kN/m2，冬季室外计算温度-200C，不考虑地震设防。

1、屋架选型
由题目条件，屋面坡度1/12或1/10，屋架跨度（24m），故选用普通梯形钢屋架，屋架端部高度取2000mm，则跨中高度H=2000+1/12×24000/2=3000mm。

然后按节间尺寸绘出屋架几何尺寸图，计算各杆的长度。

当采用1.5m宽度大型屋面板时，宜尽量使荷载作用于节点上。

2、支撑布置
根据厂房设计资料，一般应设置：①上弦横向支撑，位置一般应放在厂房的两端部第一或第二柱间(屋面板与屋架有可靠连接时，可不设)。

②下弦横向水平支撑，位置应与上弦横向支撑在同一柱间。

③垂直支撑，位置在上、下弦横向支撑同一柱间内，并根据屋架的跨度分别在屋架两端部和跨中的竖直平面内设置。

④系杆，在设置垂直支撑的竖直平面的上、下弦杆位置通长设置。

3、荷载计算及荷载组合
（1）恒载
根据屋盖的构造层次，分别计算其自重（KN/m2），最后总计在一起，即得屋盖的恒载。

屋架
q=+⨯跨度（单位：m）估算，按水平投影面积计及支撑自重（KN/m2），按经验公式0.120.011
k
算。

（2）活载
根据题目条件，本建筑屋面雪荷载（0.25KN/m2），小于屋面均布活载（0.5KN/m2），故计算时以屋面均布活载为准。

根据恒载、活载的计算结果以及屋架节点的受荷面积即可求得屋架节点荷载(参见教材相关章节)。

（3）荷载组合
屋架内力根据其使用过程中可能同时作用的荷载按最不利的原则组合。

荷载组合一般考虑以下二种情况：
1）全跨永久荷载+全跨可变荷载；
2）全跨永久荷载+半跨可变荷载；（内力组合，斜腹杆要用到）。

3）半跨屋面板荷载+半跨安装活荷载
4、内力计算
内力计算可以用数解法计算各杆的轴向力N；也可采用静力计算表查出内力系数计算各轩的轴向力。

当上弦作用有节间荷载时，还应计算上弦的局部弯矩。

每块屋面板需保证三点焊接，屋架上弦平面外考虑屋面板的支撑作用，计算长度取3.0m。

5、杆件截面设计
（1）轴心受拉杆件
1）用公式f A N n ≤/计算出所需的净截面面积。

2）按所需的净截面面积在型钢表中找到合适的截面（一般为两个角钢组成的截面）。

3）截面选定后，用选定的截面，验算强度和长细比。

杆件容许长细比，受压构件[λ]≤150，受拉构件[λ]≤350 （2）轴心受压杆件
1）假定长细比λ，查出ϕ值，计算所需截面面积和所需的最小回转半径。

即：f
N A ϕ≥，
x
ox
x l i λ=
，y oy
y l i λ=。

2）根据y x i i A ，，选定型钢（角钢）规格。

3）按选定的截面验算杆件的稳定性和长细比。

对于有较大截面削弱的杆件，尚应验算截面的强度。

（3）压弯构件
采用先假定截面，然后进行平面内、外的稳定性验算及长细比计算，必要时进行强度计算，不行再调整直到符合要求为止。

具体验算公式见教材有关章节。

6、节点设计
（1）下弦中间节点
1）确定节点板轮廓尺寸
节点上的下弦杆、斜腹杆、竖杆的轴线应交于一点。

计算时先计算斜腹杆、竖杆与节点板的连接焊缝长度，焊缝可采用侧面直角角焊缝，也可采用L 形和三面围焊。

根据计算出所需焊缝长度定出能容纳这些焊缝长度的节点板的边缘点。

将这些连成线并考虑下弦下边缘伸出10mm ，定出合理的节点板的外围尺寸。

2）焊缝计算
节点板尺寸定下后，节点无集中荷载时，即可验算下弦与节点板的连接焊缝强度。

此时焊缝承担内力为下弦节点两侧杆件轴力：
△N=N 2-N 1或15%Nmax ，取二者的大值。

（2）上弦节点
1）确定节点板尺寸
2）计算上弦与节点板的焊缝长度。

①当无动力荷载时，上弦节点荷载作用下：w
f fy
l h P
•⨯=
7.04σ
；
②节点两侧轴力差△N 作用下，对于等肢角钢而言，肢背焊缝的剪应力：w
f f l h N
K •⨯∆=
7.021τ，
肢尖焊缝的剪应力：f l h N
K •⨯∆=
7.022τ，75.01=K ，25.02=K 。

故w
f f fy f ≤+⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=22
22.1τσσ （3）支座节点
1）根据腹杆与下弦杆所需焊缝长度定出节点板的外围尺寸。

注意下弦杆下边缘的距离较其它节点为大，一般不少于下弦水平肢长或130mm 。

且支座节点除节点板外，还有加肋和底板。

2）底板计算
①底板面积按下式计算：A A A n ∆+=，cc
n f N A =
考虑到锚栓孔的需要，通常要求底板的短边尺寸不得小于200mm 。

②底板厚度： f M t /6=
对于跨度大于18m 的屋架，底板厚度t ＞20mm 。

3）加劲肋与节点板的连接焊缝的计算： 加劲肋承担的内力，4R V =
，2
b V M ⋅=。

2
7.026w
f fy l h M •⨯=
σ，w
f f l h V
⋅⨯=
7.02τ 。

仅承受静荷载时：w
f f fy f ≤+⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=22
22.1τσσ。

其中：
w f w
f c b B l
≤--+=∑60)(42。

（工地拼接）
（4）弦杆的拼接节点
一般为上弦脊节点和下弦中央节点，分为工厂与工地拼接。

作为工地拼接点，这时的拼接角钢采用与上、下弦同样规格的角钢，（通常不利用节点板作为拼接材料），并铲去肢脊棱角和将竖直直肢切去mm h t f 5++=∆，t 为连接角钢的厚度，切去后的截面削弱由垫板补强。

拼接角钢长度由所需焊缝长度决定。

每条焊缝的长度为：
mm f h N l w
f
f w 107.04max
+⨯=
(m ax N 为拼接弦杆中最大杆力) （5）屋架施工图的绘制
1）图纸的左上角绘一屋架简图。

图中注上屋架的主要外形尺寸，在屋架的一半杆件上注意出杆件轴线长度，另一半杆件注上设计内力，以便校核。

梯形屋架跨度大于或等于24m 时，制作时应起拱约为跨度的1/500，并注在屋架简图上。

2）屋架详图部分，应绘制屋架正面图，上下弦杆的平面图，必要数量的侧面图和剖面图，以及零件的大样图。

3）比例：屋架杆件的轴线长度一般用1:20—1:30；杆件和零件常用1:5—1:15的比例绘制。

4）施工图中，应特别注意把所有杆件和零件的定位尺寸注全。

腹杆应注出杆端至节点中心的距离。

节点板应注出上、下两边至弦杆轴线的距离，以及左右两边至通过节点中心线的垂线的距离。

5）施工图中应列出材料表。

把所有杆件和零件的编号、规格尺寸、数量（区别正、反）、重
量都依次填中，并算出整榀屋架的重量。

6）设计说明：包括所选用的钢号（Q235—B.F）焊条（E43xx）和质量要求及加工精度，热处理及施工要求：图中应注明的焊缝及螺栓尺寸、油漆（包扩底漆、面漆和防火漆）运输要求以及其他应说明的内容。