最新18米跨度钢结构课程设计-示例

18米跨度钢结构课程
设计-示例
钢结构课程设计示例
附录A 梯形钢屋架设计示例
－、设计资料
某一单层单跨工业长房。

厂房总长度为120m，柱距6m，跨度为18m。

车间内设有两台中级工作制桥式吊车。

该地区冬季最低温度为－20℃。

屋面采用1.5m×6.0m预应力大型屋面板，屋面坡度为i=1:10。

上铺120mm厚泡沫混凝土保温层和三毡四油防水层等。

屋面活荷载标准值为0.7kN/㎡，雪荷载标准值为0.5kN/㎡，积灰荷载标准值为0.75kN/㎡。

屋架采用梯形钢屋架，其两端铰支于钢劲混凝土柱上。

柱头截面为400mm×400mm，所用混凝土强度等级为C20。

根据该地区的温度及荷载性质，钢材采用Q235B，其设计强度f=215kN/㎡,焊条采用
E43型，手工焊接。

构件采用钢板及热轧钢劲，构件与支撑的连接用M20普通螺栓。

屋架的计算跨度：Lo=18000-2×150=17700mm，端部高度：h=2000mm（轴线处），
h=2015mm（计算跨度处）,中部高度2900mm。

二、结构形式与布置
屋架形式及几何尺寸见图A-1所示。

图A-1 屋架形式及几何尺寸
屋架支撑布置见图B-2所示。

符号说明：GWJ-（钢屋架）；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）
图A-2 屋架支撑布置图
三、荷载与内力计算
1.荷载计算
荷载与雪荷载不会同时出现，故取两者较大的活荷载计算。

永久荷载标准值
防水层（三毡四油上铺小石子） 0.35kN/㎡
找平层（20mm厚水泥砂浆） 0.02×20=0.40kN/㎡
保温层（120mm厚泡沫混凝土） 0.12×6=0.70kN/㎡
预应力混凝土大型屋面板 1.40kN/㎡
钢屋架和支撑自重 0.12+0.011×18=0.318kN/㎡
管道设备自重 0.10 kN/㎡
总计 3.068kN/㎡可变荷载标准值
雪荷载 0.75kN/㎡
积灰荷载 0.50kN/㎡
总计 1.25kN/㎡永久荷载设计值 1.2×3.387=4.0644 kN/㎡（由可变荷载控制）
可变荷载设计值 1.4×1.25=1.75kN/㎡
2.荷载组合
设计屋架时，应考虑以下三种组合：
组合一全跨永久荷载+全跨可变荷载
屋架上弦节点荷载 P=(4.0644+1.75) ×1.5×6=52.3296 kN
组合二全跨永久荷载+半跨可变荷载
屋架上弦节点荷载
P=4.0644×1.5×6=36.59 kN
1
P=1.75×1.5×6=15.75 kN
2
组合三全跨屋架及支撑自重+半跨大型屋面板重+半跨屋面活荷载
屋架上弦节点荷载
P=0.417×1.2×1.5×6=4.5 kN
3
P=(1.4×1.2+0.75×1.4) ×1.5×6=24.57 kN
4
3.内力计算
本设计采用程序计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数，见表A-1。

由表内三种组合可见：组合一，对杆件计算主要起控制作用；组合三，可能引起中间几根斜腹杆发生内力变号。

如果施工过程中，在屋架两侧对称均匀铺设面板，则可避免内力变号而不用组合三。

杆件名称全跨⑴左半跨⑵右半跨⑶P×⑴P1×⑴＋P2×⑵P1×⑴＋P2×⑶P3×⑴＋P4×⑵P3×⑴＋P4×⑶计算内力(KN) AB0.000.000.000.000.000.000.000.000.00 BCD-11.11-8.01-3.74-616.38-557.79-477.09-246.80-141.89-616.38 DE-17.89-12.26-6.79-992.54-886.13-782.75-381.73-247.34-992.54 EFG-18.47-12.84-6.79-1024.72-918.31-803.96-398.59-249.95-1024.72 GHIJ-20.14-12.19-9.44-1117.37-967.11-915.14-390.14-322.57-1117.37 a-b 5.93 4.37 1.89329.00299.51252.64134.0673.12329.00 b-c14.9410.52 5.33828.87745.33647.24325.71198.19828.87 c-d21.0813.489.161169.521025.88944.23426.06319.921169.52 d-e18.259.809.801012.51852.81852.81322.91322.911012.51 Aa-0.50-0.500.00-27.74-27.74-18.29-14.54-2.25-27.74 Ba-11.16-8.22-3.54-619.16-563.59-475.14-252.19-137.20-619.16 Bb8.96 6.29 3.21497.10446.64388.43194.87119.19497.10 Cb-1.00-1.000.00-55.48-55.48-36.58-29.07-4.50-55.48 Db-7.44-4.88-3.08-412.77-364.39-330.37-153.38-109.16-412.77 Dc 5.48 3.21 2.73304.03261.13252.06103.5391.74304.03 Ec-1.50-1.500.00-83.22-83.22-54.87-43.61-6.75-83.22 E10.730.730.0040.5040.5026.7021.22 3.2940.50 c1-4.56-1.78-3.35-252.99-200.45-230.12-64.25-102.83-252.99 F1-1.00-1.000.00-55.48-55.48-36.58-29.07-4.50-55.48 G1-3.76-0.98-3.35-208.60-156.06-200.86-41.00-99.23-208.60 Gd-2.26-2.930.51-125.38-138.05-73.03-82.16 2.36 2.36 -138.05 Hd0.000.000.000.000.000.000.000.000.00 H20.000.000.000.000.000.000.000.00-156.06 I20.000.000.000.000.000.000.000.000.00 J2d 2.69 3.50-0.61149.24164.5586.8798.10-2.88164.55 -2.88 Je0.000.000.000.000.000.000.000.000.00
屋架杆件内力组合表表A-1
注：表内负责表示压力；正值表示拉力
图A-3 屋架简图
四、杆件截面设计
腹杆最大内力，N=-619.16KN，由屋架节点板厚度参考可知：支座节点板刚度取
14mm；其余节点板与垫板厚度取12mm。

1.上弦杆
整个上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算，N=-1117.37KN
计算长度：屋架平面内取节间轴线长度
x
l
=150.8cm
屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面板能起一定的支撑作用，取上弦横向水平支撑
的节间长度：
y
l
=3000cm
因为2
x
l
≈
y
l
，故截面宜选用两个不等肢角钢，且短肢相并，见图A-4
图A-4 上弦截面
设λ=60，查轴心受力稳定系数表，ϕ=0.807
需要截面积*A =
f
N
.ϕ
=
215
807
10
37
11173
⨯
⨯
.
.=64402
mm
需要回转半径
*
x
i=
60
1508
=
λ
ox
l
=2.51 cm
*
y
i
=
60
3000
=
λ
ox
l
=5.00 cm
根据需要的*A、
*
x
i、*y i查角钢型钢表，初选 2 L 160⨯100⨯14，A=69402mm，x
i=2.80cm ，y i =7.86m。

按所选角钢进行验算
x
λ=
x
ox
i
l
=
8
2
8
150
.
.=52.9＜[λ]=150
y
λ
=
y
oy
i
l
=
86
7
300
.
=38＜[λ]=150
由于5
10
160
3000
56
56
4
11
14
1601
1
.
/
.
b/
l
.
＞
.
/
t/
b oy=
⨯
=
=
=
则：44416
7524130014116737521734
2
24221.)..(..)b .t l (t b .oy yz =⨯⨯+⨯=+=λ＜[λ]=150
由于 y yz x λλλ>>，只需求出x min ϕϕ=，查轴心受力稳定系数表，x ϕ＝0.8384
6940
83840103711173
⨯⨯=..A N x ϕ=192N/2mm <215 N/2mm 所选截面合适。

2 .下弦杆
整个下弦杆采用同一截面，按最大内力计算，N=1169.52kN 计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度Ox
l =4500mm
屋架平面外根据支撑布置取Oy
l =13350mm
计算需要净截面面积*
A =
215
105211693
⨯=.f N =5439.62
mm
选用 2 L140⨯90⨯14（短肢相并），见图A-5。

图 A-5 下弦截面
A=69402
mm ， x i =2.51cm ，y i =6.93cm 。

按所选角钢进行截面验算，取A A =n
（若螺栓孔中心至节点板边缘距离大于100mm ，则可不计截面削弱影响）
6100
105211693
⨯=.A N n =191.7 N/2mm <215 N/2
mm
x λ=
x
ox i l 51
2450
.=
=179.3<[λ ]=250
y λ===
93
61335
.i l y
oy 192.6<[λ]=350 所选截面满足要求。

3. 端斜杆B a 已知N ＝-619.16kN ，Ox
l ＝
Oy
l ＝253.9cm
因为
Ox
l ＝
Oy
l ，故采用等肢角钢，使x i ＝y i
选用角钢2 L 100⨯12,见图A-6
图 A-6 端斜杆Ba
A ＝45602mm ，x i ＝3.03cm ，y i
＝4.64cm
截面刚度和稳定验算
x λ= ==
03
39
253..i l x
ox
=83.8<[λ ]=150 y
λ=
64
49
253..i l y
oy =
=54.7<[λ ]=150 由于1092535805803832110/..b /l .../t /b oy ⨯=<===14.73
5572192531047501754475012
24
224
.)...(.)t
l b .(oy y yz =⨯⨯+=+
=λλ
==x min ϕϕ0.6624
=⨯⨯=4560
6624010166193
..A N x ϕ205N/2mm <215 N/2mm 所选截面满足要求。

填板放两块，a ι
=84.6 cm ＜40x i =40×3.03=121.2 cm
4. 斜杆Bb 已知N=497.1kN
计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度Ox
l =0.8×l=0.8×2622=2097.6mm
屋架平面外根据支撑布置取Oy
l =2622mm
选用 2 L100⨯6，见图A-7。

图 A-7 斜杆Bb
A=23862
mm ， x i =3.10cm ，y i =4.44cm 。

2368
1014973
⨯=.A N =208.34 N/2mm <215 N/2
mm
x λ=x
ox
i l 10
376
209..=
=67.7<[λ ]=350
y λ===44
42262..i l y
oy 59.1<[λ]=350 所选截面满足要求。

填板放两块，a ι
=87.4cm ＜80x i =80×3.10=248cm 5.再分腹杆c1G
=1N 1c N =-252.991kN ， =2N 1G N =-208.6kN ，
1ι=4174 mm
计算长度：屋架平面内取节点间轴线长度Ox
l =0.8×l=0.8×2087=1669.6mm
屋架平面外根据支撑布置取
Oy
l =1ι（0.75+0.25
2
1
N N ）=4174（0.75+0.25620899252..）=4396mm
选用 2 L100⨯6，见图A-8。

图 A-8 再分腹杆c1G 图 A-9 中竖杆Je
A=23862
mm ， x i =3.10cm ，y i =4.44cm 。

x λ=x
ox
i l 10
396
166..=
=53.9<[λ ]=350
y λ===44
46439..i l y
oy 99<[λ]=350
由于1064395805807166010/..b /l .../t /b oy ⨯=<===25.5
8105606439104750199475012
24
2
24
.)...()t
l b .(oy y yz =⨯⨯+=+
=λλ
==yz min ϕϕ0.5182
=⨯⨯=2386
5128010992523
..A N
yz ϕ204.6N/2mm <215 N/2mm 所选截面满足要求 填板放两块，a ι
=109.9cm ＜40x i =40×3.10=124cm 6.中竖杆Je
已知N ＝0，l l 9.00=＝0.9 ⨯335＝301.5cm
中间竖杆选用2 L75⨯6的角钢，并采用十字形截面，见图A-9 A=17.62cm ,4520.i x = cm,
91
25
3010..i l x o ox =
=
λ=103.6<[λ ]=150 所选截面满足要求 填板放五块，a ι
=60.3cm ＜400x i =40×2.45=98cm
其余各杆件截面选择过程不一一列出，计算结果见表A-2
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢18
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五、节点设计
用E43焊条时，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值 2/160mm N f w f = 各杆件内力由表2查得，最小焊缝长度不应小于f h 8 1. 下弦节点b 见图A-10
图 A-10 下弦节点b
（1） 斜杆Bb 与节点的连接焊缝计算： N=497.1kN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm 和5mm 。

所需焊缝长度为：
肢背：160670210149732
3
⨯⨯⨯⨯⨯=..l w +12=285.6mm ，取w l ＝270mm
肢尖：160
570210149731
3
⨯⨯⨯⨯⨯=..l `w +10=158mm ，取`
w l ＝170mm
（2） 斜杆Db 与节点的连接焊缝计算： N=412.77kN
设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm 和5mm 。

所需焊缝长度为
肢背：160
6702107742132
3
⨯⨯⨯⨯⨯=..l w +12=216.7，取w l ＝250mm
肢尖：160
5702107741231
3
⨯⨯⨯⨯⨯=..l `w +10=132.8，取`
w l ＝150mm
（3）竖杆Cb 与节点板连接焊缝计算：N = 55.48kN
因其内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸f h =5mm 焊缝长度w l ≥40mm ，取w l =60mm
（4）下弦杆与节点板连接焊缝计算：焊缝受力为左右下弦杆的内力差
△N=1828.87-329＝499.87KN ，设肢尖与肢背的焊脚尺寸为6mm ，所需焊缝长度为：
肢背： 1606702108749932
3
⨯⨯⨯⨯⨯=..l w +12=260，取w l ＝300mm
肢尖：160
6702108749931
3
⨯⨯⨯⨯⨯=..l `w +12=136，取`
w l ＝150mm
（5）节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作装配等误差，按比列作出构造详图，从而定出节点尺寸。

如图A-11所示
图 A-11 节点板b 尺寸
图A-12 上弦节点B
2 .上弦节点B
（1）斜杆Bb 与节点板连接焊缝计算，与下弦节点b 中Bb 杆计算相同。

（2）斜杆Ba 与节点板连接焊缝计算，N=619.16kN 。

设肢背与与肢尖的焊脚尺寸分别为10mm 和6mm 。

所需焊缝长度为
肢背： 16010702101661932
3
⨯⨯⨯⨯⨯=..l w +20=184.27，取w l ＝200mm
肢尖：160
67021019661931
3
⨯⨯⨯⨯⨯=..l `w +12=165.6，取`
w l ＝180mm
（3）上弦杆与节点板连接焊缝计算：为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm 。

用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。

槽焊缝可按两条焊缝计算，计算时可略去屋架上弦坡度的影响，而假定集中荷载P 与上弦垂直。

假定集中荷载P 由槽焊缝承受，P=55.3296kN ，焊脚尺寸为5mm 所需槽焊缝长度为:
w f f w f h P l ⨯⨯⨯=7.02+10=1605702103296523
⨯⨯⨯⨯..+10=59.51mm ,取w l =65mm 上弦杆尖焊缝受力为左右上弦杆的内力差 △N=619.38-0.0＝619.38kN 偏心距 e =100-24.3＝75.7mm
设肢尖焊脚尺寸8mm ，设需焊缝长度为480mm ，则
23
61181648087021036162mm /N .)
(..l h N
w e
f =-⨯⨯⨯⨯==
∑
∆τ 22
3111616480870286810386196mm /N .)
(...W M F f =-⨯⨯⨯⨯⨯⨯==σ 2222
221601*********
1611822
1mm /N mm /N ..)..(
)().(f f
<=+=+τσ
（4）节点板尺寸：方法同前，如图A-13所示
图 A-13 节点板B 尺寸
3. 屋脊节点J 见图A-14
图A-14 脊节点J
（1） 弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：弦杆一般用与上弦杆同号角钢进行拼接，为使拼接角
钢与弦杆之间能够密合，并便于施焊，需将拼接角钢进行切肢、切棱。

拼接角钢的这部分削弱可以靠节点板来补偿。

拼接一侧的焊缝长度可按弦杆内力计算。

N=1117.37KN ，设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm ，则需焊缝长度为
=+⨯⨯⨯=167.04w f f w f h N l mm (8327161608702103711173)
=+⨯⨯⨯⨯，取w l =375mm 拼接角钢长度取2⨯375+50＝800mm
（2）弦杆与节点板的连接焊缝计算：上弦肢背与节点板用槽焊缝，假定承受节点荷载
上弦肢尖与节点板用角焊缝，按上弦杆内力的15%计算。

N=1117.37⨯15%＝1167.6kN ，设焊脚尺寸为8mm ，弦杆一侧焊缝长度为250 mm ，
23
641625087021061672mm /N )
(..l h N
w e
f =-⨯⨯⨯⨯==
∑
∆τ 22
311241625087028681061676mm /N .)
(...W M F f =-⨯⨯⨯⨯⨯⨯==σ 2222
2216021206422
1112422
1mm /N mm /N .)..(
)().(
f f
<=+=+τσ （3）中竖杆与节点板的连接焊缝计算：N=0kN
此杆内力很小，焊缝尺寸可按构造确定，取焊脚尺寸f h =5mm 焊缝长度w l ≥40mm ，取w l =60mm （4）斜杆J2与节点板连接焊缝的计算
N=164.55KN ，设肢背与肢尖的焊角尺寸分别为6mm 和5mm ，所需焊缝长度为：
肢背：mm ...l w 68112160
670210551643
2
3
=+⨯⨯⨯⨯⨯=，取w l =100 mm
肢尖：mm ..l `w 5010160
5702105516433
=+⨯⨯⨯⨯⨯=，取焊缝长度`
w l =60mm
（4）节点板尺寸：方法同前，如图A-15所示
图 A-15 节点板J 尺寸
4 .下弦跨中节点e 见图A-16
图 A-16 下弦跨中节点e
（1）弦杆与拼接角钢连接焊缝计算：拼接角钢与下弦杆截面相同，传递内力N=1012.51kN 设肢尖、肢背焊脚尺寸为8mm ，则需焊缝长度为
=+⨯⨯⨯=167.04w f f w f h N l mm (5298161608702105110123)
=+⨯⨯⨯⨯，取w l =300mm 拼接角钢长度不小于2⨯300+12=612mm
（2）弦杆与节点板连接焊缝计算：按下弦杆内力的15%计算。

kN .%.N 915115511012=⨯= 设肢背、肢尖焊脚尺寸为6mm ，弦杆一侧需焊缝长度为
肢背：mm ...l w 48712160
67021091513
2
3
=+⨯⨯⨯⨯⨯=，取w l =90mm
肢尖mm ...l `w 64912160
670210915133
=+⨯⨯⨯⨯⨯=：，按构造要求，取焊缝长度`
w l ≥48mm ，
取`w l =60mm
（4）节点板尺寸：方法同前，如图A-17所示
图 A-17 节点板e 尺寸
5 .端部支座节点a
图A-18 支座节点a
（1）为便于施焊，下弦角钢水平肢的底面与支座底板的距离一般不小于下弦伸出肢的宽度，故可取为160mm 。

在节点中心线上设置加劲肋，加劲肋的高度与节点板的高度相同，厚度同端部节点板为14mm 。

支座底板计算：支座反力
[]kN ./....R 015522329652250918329652=⨯⨯+⨯=
取加劲肋的宽度为80mm ，考虑底板上开孔，按构造要求取底板尺寸为280mm ⨯400mm ，偏安全地取有加劲肋部份的底板承受支座反力，则承压面积为
25992012802280mm )(A c =+⨯⨯=
验算柱顶混凝土的抗压强度：
223
692959920
1001552mm /N .f mm /N ..A R c n =<=⨯==σ (满足) 底板的厚度按支座反力作用下的弯矩计算,节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两边支承而另两块相邻边自由的板，每块板的单位宽度的最大弯矩为
22βσα=M
式中σ--------底板下的平均应力， σ=9.2N/2
mm 2α--------两边支承对角线长， 2α=mm .)/(416610021414022=+-
β--------系数，由22/αb 决定。

2b 为两边支承的焦点到对角线2α的垂直距离。

由相似三角形的关系，得 4
1661001402.b ⨯==84.1mm 22/αb =0.46 ，查表得β＝0.0576
M=0.0576⨯9.2⨯166.42
＝14672.9mm N ⋅ 底板厚度21591467266/.f /M ⨯==20.2mm, 取t=25mm
（2） 加劲肋与节点板的连接焊缝计算：偏安全地假定一个加劲肋的受力为支座反力的1/4，
则焊缝受力
N .V 33
101384
1001552⨯=⨯= mm .N ..Ve M 6310555674510138⨯=⨯⨯==
设焊缝尺寸为6mm ，焊缝长度210mm ，
237263162106702101382mm /N .)
(.l h N
w e f =-⨯⨯⨯⨯==∑∆τ
226
/57.93)
16200(67.021093.46mm N W M F f =-⨯⨯⨯⨯⨯==σ 222322622160312819867021013819867022211055566221mm /N mm /N .).()...()().(f f
<=⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+τσ 加劲肋高度不小于210mm 即可
（3）节点板加劲肋与底板的连接焊缝计算：设底板连接焊缝传递全部支座反力R=552.01kN 节点板、加劲肋与底板连接焊缝总长度:
∑=--⨯+-⨯=mm )()(l w 82420161004163002
设焊缝尺寸8mm ，验算焊缝应力
2305598824
8702211001552221mm /N ....l h .R w e f =⨯⨯⨯⨯=⨯=∑σ，满足要求 （4）下弦杆、腹杆与节点板的连接焊缝计算：
①竖杆与节点板的连接焊缝计算： N=26.33KN ，焊缝尺寸可按构造确定，焊脚尺寸
mm h f 5=，焊缝长度w l ≥40mm 。

① 斜杆Ba 与节点板连接焊缝计算，同上
肢背：w l =170mm ，肢尖：`w l ＝140mm
② 下弦杆与节点板连接焊缝计算：
N=244.3KN ，设焊缝尺寸8mm ，需要焊缝长度为 肢背：mm l w 18.13312160
67.02103.244323
=+⨯⨯⨯⨯⨯=，取w l =140mm 肢尖：mm l w 25.3712160
67.021081.101313
`=+⨯⨯⨯⨯⨯=，`w l ＝80mm
六、施工图（见施工图纸）。