1、 钢结构课程设计 2014-2015 学年第 2 学期 题 目 院 系 专 业 班 级 姓 名 学 号 起止日期 指导教师 2015 年 6 月 钢结构课程设计是土木工程专业学生的必修课，属于专业课程， 是一个重要的实践性教学环节 。 本课程教学目的是在完成了钢结构基本原理和建筑钢结构设计两门主课相关内容的学习后，通过一榀钢屋架或一平台结构或一门式刚架的设计实践， 帮助学生深化课堂所学的设计理论和知识，掌握基本设计技能，培养理论联系实际，自已动手进行设计、分析、计算、 绘制钢结构施工图等 工作 ， 从而加深对钢结构设计原理的认识，提高对所学知识的综合运用能力。 3.1 课程设计 任务 3.1.
2、1 梯形钢屋架课程 设计任务书 一设计题目 及设计资料 拟设计 某工 业厂 房的 钢屋架，简支于钢筋混凝土柱上，柱的混凝土强度等级为 C20。柱顶截面尺寸为 400mm400mm。 车间内设有两台 20/5t 中级工作工作制桥式吊车， 钢屋架设计可不考虑抗震设防。 屋架间距 6m， 屋面坡度 i=1/10。屋面做法为： 采用 1.56m 预应力钢筋混凝土大型屋面板。 屋面材料（自上而下） ： 二 毡 三 油 加小石子防水层 0.35KN/m2 水泥找平层 2 公分厚 0.40KN/m2 泡沫砼 保温 隔热层 8 公分厚 0.48KN/m2 大型屋面板 1.5M6.0M （含灌缝） 1.50KN
3、/m2 屋架及支撑自重： 0.12+0.011L （ KN/m2） （ L 为屋架跨度，以 m 为单位。） 采用轻型屋面。屋面材料（自上而下）： 金属夹心板 0.20KN/m2 檩条 及拉条 0.20KN/m2 屋架及支撑自重： 0.12+0.011L（ KN/m2） 二 设计 任务分配 每一班级可任选上述一种屋面做法 ，然后再按表 3-1 根据学号分配设计具体任务。 表 3-1 梯形屋架设计题号 地点 北京 合肥 南京 乌鲁木齐 长度(m) 跨度 72 96 120 72 96 120 72 96 120 72 96 120 21m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 24
4、m 13 14 15 15 17 18 19 20 21 22 23 24 27m 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 30m 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 各建筑地点的雪荷载标准值： 北京 0.40 KN/m2； ；合肥 0.6 KN/m2； ；南京 0.65 KN/m2； ；乌鲁木齐 0.80 KN/m2； 。 各建筑地点的基本风压： 北京 0.45 KN/m2； ；合肥 0.35KN/m2； ；南京 0.4 KN/m2； ；乌鲁木齐 0.60 KN/m2； 。 三 设计 内容 1 确定屋架型式尺寸，选择钢材及连
5、接材料； 2 布置屋盖支撑并按比例绘出支撑布置图 ； 3 用图解法 或查表法 求杆力系数； 4 荷载汇集 计算 ； 5 进行 杆 件内 力组合； 6 合理选择杆件截面； 7 完成屋架 节点设计； 8 绘制 钢屋架 施工图 （ 图纸幅面 #1 铅面纸） ； 9 计算 说明 书一份。 3.1.2 门式刚架 课程 设计任务书 一设计题目 及设计资料 设计某单层工业厂房，采用单跨双坡门式刚架， 车间总厂 90m， 檐高 6m， 屋面坡度 1/10，地震设防裂烈度为 6 度，屋面及墙面为 单层彩板 或 夹心板，檩条 墙 梁为薄壁卷边 C 型钢，间距为 1.5m，钢材采用 Q235 钢 或 Q345 钢
6、，焊条 E43 型或 E50 型。 荷载 如下 ： 1、 静载： （见 表 3-2 设计题号表） 2、 活载： 计算刚架时为 0.3kN/m2 ，计算檩条 时为 0.5kN/m2。 3、 风载： 基本风压 0.35KN/m2，地面粗糙度： B 类，风载体型系数如下图 图 3-1 风载体型系数 图 4、 雪载： 0.2kN/m2 二 设计 任务分配 具体见 表 3-2 门式刚架设计题号。 表 3-2 门式刚架设计题号 永久荷载标准值（ kN/m2 无吊顶时 0.2kN/m2 有吊顶时 0.4kN/m2 有 悬挂设备时 0.5kN/m2 跨度 柱距（ m） 12 18 21 24 12 18 21
7、 24 12 18 21 24 4.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 6.0 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 7.5 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 9.0 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 三 设计 内容 1柱网及屋面结构布置（包括支撑体系布置）； 2门式刚架选型； 3确定梁、柱截面形式，并初估截面尺寸； 4梁、柱线刚度计算及梁、柱计算长度确定； 5荷载取值和计算荷载计算； 6用任一结构力学方法计算各工况下的内力、柱顶水平位移及横梁挠度； 7荷载组合和
8、内力组合（不考虑抗震）； 8构件及连接节点 (梁柱连接节点、屋面梁拼接节点 )设计； 9 编制 结构设计计算书 及 绘制施工图。 3.2 课程设计 指导 课程 设计的基本依据是 （ 1）课程设计任务书。（ 2） 相关的法规、技术规范、标准和政府指令 。（ 3） 各种参考资料（包括 相关图集及施工图纸 ） 。 3.2.1 梯形钢屋架课程 设计 设计指导书 一、车间 屋盖系统支撑布置图（按比例 绘出 ） 1上弦平面图 2下弦平面图 ： 包括纵剖面 注：标明 上弦横向支撑，下弦水平支撑，垂直支撑及系杆所在位置 二、屋架计算 1、确定屋架外型 2、计算各杆件的几何尺寸 1） .绘出屋架计算简图 2）
9、.列表 ：见 表 3-4 示例 ，在表中 注明各杆件编号、名称及几何长度 。 表 3-4 屋架杆件几何尺寸表 编 号 杆 件 名 称 几 何 长 度 MM 1 上弦杆 3000 3、 荷载计算 a.恒载 计算： 屋面材料 自重 b.活载 计算：屋面活 荷载 、 风载 、 雪载 的计算 c.荷载组合 ： 参 见相关参考资料中有檩无盖体系和无檩屋盖体系的荷载组合原则 ，考虑荷载组合的种类 3 4 种 。 4、 杆件内力分析（用图介法或内力系数法） 先求出 单位力作用于左半，右半跨，全跨 下的杆件内力 即内力系数 ， 然后列表进行内力组合，求出各杆件最不利内力，见表 3-5。 表 3-5 内力组合计
10、算表 杆件 名称 单位荷载 P=1 静载 （ KN） 活载 （ KN） 组合项目 8 计算内力（ KN） 9 在左跨 1 在 右 跨 2 全 跨 3 4 在 左 跨 5 在 右 跨 6 全 跨 7 上弦 下弦 腹斜杆 腹竖杆 注： 局部弯矩计算 按 跨中 M=0.8M；其他跨及支座 M=0.6M。 5、 杆件截面选择 ：见表 3-6。 表 3-6 屋面杆件截面选 择表 杆件 名称 内力（ kN） 计算长度（ cm） 截面形式和规格 截面面积（ cm2） 回转半径（ cm） 长细比 容许长细比 稳定系数 计算 应力N/mm2 l0x l0y ix iy x y yz 上弦 AB 下弦 ab 斜杆
11、 aB 竖杆 Aa 6、屋架节点设计 a、 支座节点 ； b、 屋脊拼接节点 ； c、 跨中拼接节点 ； d、 下 弦节点 ； e、 一般 节点 。 7、绘制屋架施工图（按轴线 1:20,节点大样 1： 10） 包括： 1） 结构平、立面布置图； 2） 结构详图； 3） 结构设计说明； 4）材料表。 3.2.2 门式刚架课程 设计指导书 一 结构 平面 布置 1、注意温度区段的长度设置问题及温度缝的做法。 2、屋面檩条的形式和布置应考虑天窗、通风口、采光带、屋面材料 和檩条供货等因素的影响 ，屋面压型钢板的板型与檩条间距和荷载有关，一般可直接按钢结构设计手册第六章选用。 3、山墙处应由墙梁、抗
12、风柱和横梁（或端刚架）组成山墙墙架。 二 构件内力和侧移计算 （一）变截面构件 1、内力计算 对变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，进行内力分析时宜按平面结构考虑，一般不考虑应力蒙皮效应。 变截面门式刚架的内力分析可按一般结构力学方法或利用静力计算公式、图表进行，也可采用有限元法（直接刚度法）计算。计算时宜将构件分为若干段，每段的几何特征可视为常量，也可采用楔形单元。 各校可根据具体时间安排，也可允许学生运用结构设计软件进行内力分析和计算。 2、侧移计算 当单跨变截面刚架横梁上缘坡度不大于 1： 5 时，在柱顶水平力作用下的侧移 u ，可按下列公式估算： 柱脚铰接刚架 )2(123
13、tcEIHhu 柱脚刚接刚架 ttcEIHhu 6 2312 3 其中 bct hILI / 式中 Lh, 刚架柱高度和刚架跨度，当坡度大于 1： 10 时， L 应取横梁沿坡折线的总长度 sL 2 ； bI,Ic 柱和横梁的平均惯性矩； H 刚架柱顶等效水平力，按钢结构设计手册（上册）中公式（ 9-6）（ 9-10）计算。 计算所得的侧移 u 应满足相关标准规范的要求。 （二）等截面构件 对等 截面门式刚架，采用弹性分析方法确定内力时，可参照上述 变变截面刚度的规定 进行。 （三）其他设计未尽事项见各有关参考资料。 3.3 钢屋架 课程设计 实例 10 【例题】 21m 梯形角钢屋架计算 1
14、.设计资料 某工程为跨度 21m 的单跨双坡封闭式厂房，厂房长 120m.采用梯形钢屋架，屋面坡度为i=1/10，屋架间距 为 6m,屋架铰支于钢筋混凝土柱柱顶 ，有 2 台 5t 重级工作制吊车（ A6） ,外天沟。屋架下 弦 标高为 10m,屋面材料采用金属夹芯板， C 型檀条，檀距 1.5m.。地面粗 糙度类别为 B 类，结构重要性系数为 0=1.0，抗震设防烈度为 7 度。基本风压 0=0.50kN/m2，基本雪压 s0=0.30kN/ m2。 屋架钢材 采用 Q235B，焊条采用 E43 型。 2.屋架形式及几何尺寸 梯形屋架结构布置图及剖面图如图 7-97.檀条支承于屋架上弦节点。
15、均为节点荷载。经计算可知，屋架坡角（上弦 与下弦之间的夹角）为 =arctg 101 =5 42 38，檀距为 1.508m,水平投影间距为 1.508 cos5 42 38 =1.500m。 图 3-2 屋架形式及几何尺寸 3.支撑布置 依据建筑抗震设计规范 GB50011-2001,支撑布置见图 3-3，上弦横向水平支撑设置在房屋两端及伸缩缝处第一开间内，并在相应开间屋架跨中设置竖向支撑，在其余开间展架下弦跨中设置一通水平系杆，上线横向水平支撑在节点处设通长系杆。故上弦杆在屋架平面外的设计长度等于横向支撑的节距；下弦杆在屋架平面外的设计长度为屋架跨度的一半。 图 3-3 屋架支撑平面布置图
16、 4.荷载计算（标准值） （ 1） 永久荷载（恒荷载）：（对水平投影面） 夹芯板 0.20/ cos5 42 38 =0.20kN/ m2 檀条自重 0.10 kN/ m2 屋架及支撑自重 0.15 kN/ m2 悬挂管道等 0.05 kN/ m2 合计 0. 50 kN/ m2 （ 2）可变荷载（活荷载）（对水平投影面） 1）屋面活荷载 0.30 kN/ m2 2）雪荷载 基本荷载： s0=0.30kN/ m2。据建筑抗震设计规范（ GB50009-2001）表 6.2.1，由于=5 42 38 25， 0.1r 。雪荷载标准值 sk=rs0=0.30 kN/ m2,雪 荷载不与屋面活荷载同
17、时组合，仅考虑两者中的较大作用。另据建筑抗震设计规范（ GB50009-2001） 表 6.2.1注 1 可知，不考虑全跨积雪不均匀分布情况 。 3）风荷载 基本风压： 0=0.50 kN/ m2 （ 3）荷载组合 1）恒荷载 +雪（或活）荷载 2）恒荷载 +半跨雪 （或活） 荷载 3）恒荷载 +风荷载 4）屋架、檀条自重 +半边（屋面板 +0.30 kN/ m2 吊装 活荷载） （ 4）上弦的集中荷载及节点荷载 由檀条传给屋架上弦的节点荷载见图 3-4。 图 3-4 上弦节点恒荷载计算简图 由檀条传给屋架上弦的节点荷载见图 3-5。 具体计算过程如下： 1） 全跨屋面恒荷载 上弦集中 恒荷载
18、标准值 P1=0.50 50.465.1 kN 图 3-5 上弦节点活荷载计算简图 2)全跨屋面活荷载 上弦集中活荷载标准值 P2=0.30 70.265.1 kN 假定由可变荷载组合控制，则上线节点荷载设计值为 1.2 18.970.24.15.4 kN；若永久荷载组合控制，则上限节点荷载设计值为 1.35 72.870.27.04.150.4 kN。综上可知，本工程屋面荷载由可变荷载组合控制。 3） 风荷载标准值 风载体型系数：背风面： 5.0s ， 迎风面： 6.0s ， 风压高度变化系数，（本设计地面粗糙度为 B 类，屋架下弦标高为 10.0m，坡度为 1/10，风压 高度变化 系数
19、， 00.1z ，不计风振系数 z） 计算主要承重结构： k= z s z 0 背风面： 1 25.050.00.1)5.0(0.1 kN/ m2（垂直于屋面），为风吸力 迎风面： 2 30.050.00.1)6.0(0.1 kN/ m2（垂直于屋面），为风吸力 由檀条传给屋架的上弦节点风荷载标准值 W1= 26.265 0 8.125.0 kN W2= 71.26508.130.0 kN 风荷载计算简图见图 3-6。 5.内力组合及截面选择 图 3-6 上弦节点风荷载 计算简图 杆件名称 杆件编号 全跨荷载 半跨荷载 风荷载 内力组合 最不利内力 恒荷载内力 标准值 （ kN） 活荷载内力
20、标准值 （ kN） 半跨雪荷载 内力标准值 （ kN） 左风荷载内力 标准值 （ kN） 右风荷载内力 标准值 （ kN） 1.2 恒 +1.4 活 1.2 恒 +1.4 半跨雪 1.0 恒 -1.4 左风 1.0-1.4 右风 上弦杆 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2、 3 -42.8 25.6 -18.2 18.4 15.3 -87.2 -76.8 -17.0 -21.4 -87.2 4、 5 -62.5 -37.5 -24.4 25.1 20.9 -127.5 -109.2 -27.4 -33.2 -127.5 6、 7 66.0 -39.6 -22.3 23.1 19.3
21、 -134.6 -110.4 -33.7 -39.0 -134.6 下弦杆 8 23.9 14.3 10.5 -11.3 -9.5 48.7 43.4 8.1 10.6 48.7 9 54.9 32.9 22.5 -23.0 -19.2 111.9 97.4 22.7 28.0 111.9 10 65.5 39.3 24.1 -24.4 -20.2 133.6 112.3 31.5 37.2 133.6 11 63.1 37.9 18.9 -18.8 -18.8 128.8 102.2 36.8 36.8 128.8 斜腹杆 12 -37.8 -22.6 -16.6 16.4 13.7 -77
22、.0 -68.6 -14.8 -18.6 -77.0 13 27.7 17.1 11.8 -11.1 -9.2 57.2 49.8 12.2 14.8 57.2 14 -20.2 -13.5 -8.5 6.9 5.8 -43.1 -36.1 -10.5 -12.1 -43.1 15 12.0 9.6 -2.4 5.4 -2.4 -3.7 -4.424.2 32.9 27.0 6.8 5.8 32.9 16 -6.0 -7.5 3.8 -3.4 3.5 -3.7 -17.7 -14.6 -1.1 -0.1 -17.7 17 0.2 5.2 -5.1 -5.1 3.7 -3.1 -5.6 7.6
23、-15.4 -1.1 -5.0 7.6 -15.4 18 5.0 6.9 -3.9 6.9 -6.7 1.2 17.7 17.7 -4.4 -2.8 17.7 -4.4 竖腹杆 19 -2.3 -1.4 -1.4 1.4 2.3 -4.7 -3.6 -0.3 -0.6 -4.7 20 -4.5 2.7 -2.7 2.7 2.3 -9.2 -7.0 -0.7 -1.3 -9.2 21 -4.5 -2.7 -2.7 2.7 2.3 -9.2 -7.0 -0.7 -1.3 -9.2 22 -4.5 -2.7 -2.7 2.7 2.3 -9.2 -7.0 -0.7 -1.3 -9.2 23 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
