钢结构课程设计指导书及例题Word文档下载推荐.docx
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学生可选择其中的一个题目和地点进行设计，题目尽量多样化避免集中在几个题目上。
1.3设计内容及要求
1、确定屋架的形式及尺寸
根据实际情况（荷载、使用要求、跨度等）可选择三角形屋架也可选择梯形屋架及其他形式的屋架进行设计
2、设计屋面支撑布置
布置时注意支撑布置的数量和位置要符合规范的要求
3、计算屋架内力
内力计算时考虑三种情况：
满载、在吊装过程中可能出现的半跨屋面板荷载和半跨活载、在使用过程中全跨静载和半跨活载，一般情况下可按满载的情况计算。
内力方法可按结构力学中的方法计算，也可通过查阅相关的设计手册进行计算
4、设计杆件的截面
计算从强度、刚度及稳定性等几个方面考虑，截面选择时应优先选用宽而薄的板件或肢件组成的截面以增加截面的回转半径，但受压构件应满足局部稳定的要求
5、设计节点
节点设计时在原则上桁架应以杆件的形心线为轴线并在节点处相交于一点，以避免偏心
6、书写结构计算书一份
计算书中应包括以下内容：
设计资料、支撑布置、荷载和内力的计算、截面设计和节点设计
5、绘制钢屋架施工图一张（1号图纸），并编制材料表
施工图要求真正做到施工图的深度，交给工地既能付诸施工。
图面要求布图匀称、表达准确、线条清晰、图面整洁、有必要的文字说明，并附有材料表
1.4成绩考核及评定
根据平时、计算书及施工图三方面综合考虑，并按优秀、良好、中等、及格和不及格五级分制评定成绩。
1.5参考资料
1、《钢结构设计规范》（GB50017-2002）
2、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）
3、《建筑结构设计术语与符号标准》（GB/T50083-97）
4、罗邦富等，钢结构设计手册，北京：
中国建筑工业出版社，1988
5、《建筑结构静力计算手册》
1.6参考进度
课程设计安排时间为一周，第一天至第四天进行相关的计算，第五天至第七天整理并书写结构计算书，绘制施工图。
1.7注意事项
1、要求学生高标准、高质量的完成课程设计；
2、在教师的指导下，注意理解设计内容，独立的完成设计，在设计过程中杜绝抄袭现象的发生；
3、必须按上课时间在教室内进行设计；
4、设计中注意运用前面所学的理论知识，在设计中加深理解并巩固提高。
第二部分钢屋架设计的内容指导
1、屋盖结构体系及屋盖支撑的布置
1.1屋盖结构体系
1无檩体系
无檩屋盖一般用大型屋面板，将屋面板直接放在屋架或者天窗架上。
优点是刚度大，整体性好，施工方便，缺点是自重大，不利于抗震。
2有檩体系
有檩屋盖一般用于轻型屋面板情况，屋面荷载通过檩条传递给屋架。
优点是自重轻、用料省、柱距不受限制，缺点是整体刚度差，需加设支撑，构造复杂
1.2屋盖支撑的布置
1.2.1作用
为保证承重结构在安装和使用过程中的整体稳定，提高结构的空间作用，减小屋架杆件在平面外的计算长度，应根据结构的形式、跨度、房屋高度、吊车吨位和所在地区的设防烈度等设置支撑系统。
屋盖支撑系统主要包括横向支撑、纵向支撑、竖向支撑和系杆（刚性系杆和柔性系杆）
1.2.2设置原则
1在设置有纵向支撑的谁平面内必须设置横向支撑，并将二者布置为封闭型。
2所有横向支撑、纵向支撑和竖向支撑均应与屋架、托架、天窗架等的杆件或者檩条组成几何不变的桁架体系。
3在房屋的每个区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑系统。
4传递风力、吊车水平力和水平地震作用的支撑，应能使外力由作用点尽快传递到结构的支座。
5柱距越大，吊车工作量越繁重，支撑刚度应越大。
6在地震区应适当增加支撑，并加强支撑节点的连接强度。
1.2.3布置和形式
三角形屋架常见的支撑布置形式如图1所示
1横向支撑
所有的屋架中均应设置上弦横向支撑，檩条一般可兼作支撑中的直撑，并与斜撑在交点处相连。
由于屋架的下弦杆一般为拉杆，所以当屋架的跨度≤18m和吊车吨位≤5t时，也可以不设置下弦横向支撑，此时下弦杆在屋架平面外的长细比可用系杆来保证。
但对于以下情况已设置下弦横向支撑：
（1）屋架跨度≥18m时
（2）房屋较高，风力较大，端墙风力宜由屋架下弦平面传至柱顶时；
（3）房屋内设有10t及以上桥式吊车时
（4）屋架下弦可能出现压力，需设置系杆时；
（5）屋架下弦有通常纵向支撑时。
设置时上下横向支撑一般应设于房屋两端或伸缩缝区段两端的第一开间内，当房屋端部不设置屋架而是以山墙承重时，支撑可缩进第二开间设置。
支撑间的距离一般不宜大于60m，当房屋单元两端的横向支撑间距较大时，已根据具体情况在房屋的中部加设支撑。
图1三角形屋架支撑布置示意图
2纵向支撑
纵向支撑一般设置在屋架的下弦平面内，但三角形屋架也可设置在上弦平面内，当设置在上弦平面时，可利用檩条兼作纵向支撑中的直撑。
纵向支撑一般具备下列情况时设置：
（1）当房屋较高，跨度较大，空间刚度要求较高时
（2）柱距大于6m时
（3）屋面刚度较差，吊车吨位≥20t时
3竖向支撑
所有房屋均应设置竖向支撑，且应与上、下弦横向支撑布置在同一开间内。
当房屋跨度≤30m时，可在屋架段部（梯形屋架）和中央设置一道，当跨度>
30m时可适当增加，宜在两端和跨度1/3处分设一道。
跨度<
18m的三角形屋架只需在跨度中央设置一道垂直支撑，大于18米时则在1/3跨处各设一道。
垂直支撑中央腹杆的形式由支撑高跨比决定，一般采用W形或者双节点交叉斜杆等形式。
腹杆截面可采用单角钢或双角钢T形截面。
4系杆
系杆分为刚性系杆和柔性系杆两种，刚性系杆能承受压力一般按压杆设计常用双角钢T形截面或十字形截面，柔性系杆支撑承受拉力，一般按拉杆设计常采用单角钢或圆钢截面。
与上、下弦横向支撑或竖向支撑节点相连的系杆可作为屋架上、下弦的侧向面定点，以减小上下弦杆在屋架平面外的长细比，有时也可用檩条代替。
系杆设置部位按以下确定：
（1）竖向支撑所在的平面的屋架下弦节点处
（2）当屋架下弦杆考虑以竖向支撑处的系杆作为支点后不能满足其容许长细比的要求时，应增设与下弦横向支撑点相连的系杆
（3）当支撑设在单元两端第二开间时，在端部第一开间的上、下弦应增设刚性系杆
（4）除端开间外，横线和纵向支撑中的直杆、上弦屋脊处、屋架段部的上下线端节点处设置刚性系杆，其他连接节点处设置柔性系杆。
2、檩条的设计
2.1檩条的形式及特点
檩条一般用于轻型屋面，其形式有实腹式和柑架式两种。
擦条一般设计成单跨简支构件，实腹式凛条也可设计成连续构件。
1实腹式檩条
实腹式檩条包括普通型钢和冷弯薄壁型钢两种，其截面形式如图2所示。
图2实腹式檩条
（1）热轧工字钢、槽钢檩条
热轧工字钢、槽钢檩条分普通和轻型两种（图7-1a、b），普通檩条因型材的厚度较
厚，强度不能充分发挥，用钢量较大。
轻型檩条虽比普通型钢檩条有所改进，但仍不够理
想。
（2）高频焊接轻型H型钢擦条
高频焊接轻型H型钢（以下简称“轻型H型钢”）系引进国外先进技术生产的一种轻
型型钢（图7-1c），具有腹板薄、抗弯刚度好、两主轴方向的惯性矩比较接近及翼缘板平
直易于连接等优点，目前常用于檩距≥1.5m或跨度>
6m，荷载较大的屋面。
（3）冷弯薄壁卷边槽钢檩条
冷弯薄壁卷边槽钢（C形）檩条〔图7-1d〕的截面互换性大，应用普遍，用钢量省，
制造和安装方便。
目前常用于凛条跨度≤6m，荷载较小的平坡屋面中。
（4）冷弯薄壁卷边Z形钢檩条
冷弯薄壁卷边Z形钢檩条有直卷边Z形钢（图7-1e）和斜卷边Z形钢（图7-1f）。
它
的主平面x轴的刚度大，用作檩条时挠度小，用钢量省，制造和安装方便。
斜卷边Z形
钢存放时还可叠层堆放，占地少。
当屋面坡度较大时常采用这种檩条。
2桁架式檩条
当跨度及荷载较大采用实腹式檩条不经济时，可采用桁架式檩条。
桁架式檩条的跨度
通常为6一l2m，一般采用平面桁架式和空间桁架式。
2.2檩条的截面选择
1截面高度h
实腹式核条的截面高度h，一般为跨度的1/35－1/50桁架式檩条的截面高度h一
般为跨度的1/12一1/20。
2.截面宽度b
实腹式檩条的截面宽度b，由截面高度h所选用的型钢规格确定；
空间桁架式檩条上
弦的总宽度b，取截面总高度的1/1.5一1/2.0。
3桁架式檩条的弦杆节间长度和腹杆
桁架式檩条的上弦杆节间长度a（见图7，可根据上弦的弯矩值由计算确定。
一般
可取上、下弦杆节间长度为400一800mm。
2.3檩条的荷载计算
1永久荷载（恒荷载）
屋面材料重量（包括防水层、保温或隔热层等）、支撑及檩条结构自重。
2可变荷载（活荷载）
可变荷载主要包括屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载和风荷载。
屋面均布荷载标准值（按投影面积计算）对不上人屋面一般为0.5kN/m2（不与雪荷载同时考虑），而在《钢结构设计规范》中补充规定了对支承轻型屋面的构件或结构（檩条、屋架、框架等），当仅有一个可变荷载且其受荷水平投影面积超过60m2时，屋面均布荷载标准值应取0.3kN/m2。
对上人屋面按使用要求确定，但不得小于2kN/m2。
雪荷载和积灰荷载按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001或当地资料取用。
对于檩距小于1m的檩条，尚应验算1.0kN（标准值）施工或检修集中荷载作用于跨中时构件的强度。
对于实腹式檩条，可将检修集中荷载按2×
1.0/al（kN/m2）换算为等效均布荷载，a为擦条水平投影间距（m），l为擦条跨度（m）。
3.荷载组合
（1）均布活荷载不与雪荷载同时考虑，设计时取两者中的较大值;
（2）积灰荷载应与均布活荷载或雪荷载中的较大值同时考虑;
（3）雪荷载和积灰荷载应按《建筑结构荷载规范》考虑不均匀分布的增大系数;
（4）施工或检修集中荷载不与均布活荷载或雪荷载同时考虑;
（5）对于平坡屋面（坡度为1/8–1/20），可不考虑风正压力；
当风荷载较大时，应验算在风吸力作用下，永久荷载与风荷载组合下截面应力反号的情况，此时永久荷载的分项系数取1.0。
2.4檩条的计算
檩条的形式很多，最常见的是实腹式檩条，其计算主要包括内力分析、强度计算、刚度计算和稳定性计算。
1内力分析
实腹式檩条承受的均布荷载p应分解为px和py两个荷载分量，因此其计算应按两个主轴平面内双向受弯梁来进行计算，其受力图如图3所示
图3檩条受力图
式中p—檩条竖向荷载设计值
—p与主轴y的夹角
檩条的弯矩可按下列规定计算
（1）在刚度最大的主平面（对x轴）由py引起的弯矩
对单跨简支梁：
跨中最大弯矩My=pyl2/8，其中l为檩条的跨度
对多跨连续构件：
不考虑活荷载的不利组合，跨中和支座弯矩均近似取Mx=pyl2/10
（2）在刚度最小的主平面（对y轴）由px引起的弯矩
檩间无拉条时，跨中弯矩My=pxl2/8
一根拉条位于l/2时，跨中负弯矩My=-pxl2/32
两根拉条位于l/3时，l/3处负弯矩My=-pxl2/90，跨中正弯矩My=pxl2/360
1强度计算
按双向受弯构件计算其强度
3稳定计算
（1）当屋面能够阻止檩条侧向失稳和扭转时，可不计算檩条的整体稳定性。
（2）当屋面不能够阻止檩条侧向失稳和扭转时，需要计算檩条的整体稳定性
4变形验算
为使屋面较平整，实腹式檩条应验算垂直于屋面方向的挠度，其挠度的计算可以采用结构力学的方法，也可以利用经验公式来进行简化计算。
3、钢屋架的设计
3.1屋架的形式与特点
屋架的形式主要由房屋的使用要求、屋面材料、屋架与柱的连接方式、屋盖的整体刚度等因素决定。
屋架的形式按结构形式分主要有三角形屋架、梯形屋架、两铰拱屋架、三铰拱屋架和梭形屋架等。
按材料分主要由普通钢屋架、轻型钢屋架和薄壁型钢屋架。
屋面按照坡度可分为平坡屋面和斜坡屋面，平坡屋面有采用大型屋面板的无檩屋盖体系和采用长尺压型钢板的有檩唔该体系。
斜坡屋面一般为有檩屋盖体系，根据坡度i的大小屋面材料可采用以下材料：
卷材防水屋面i=1/12~1/8
长尺压型钢板和夹芯板屋面i=1/20~1/8
波形石棉瓦屋面i=1/4~1/2.5
瓦楞铁、短尺压型钢板和夹芯板屋面i=1/6~1/3
1梯形屋架
梯形屋架形式如图4所示，通常用于屋面坡度较为平缓的大型屋面板或长尺压型钢材的屋面，跨度一般为15-36米，柱距6-12米，跨中经济高度为（1/8-1/10）跨长,与柱刚接的梯形屋架端部高度一般为（1/12-1/16）跨长，通常取为2-1.5米；
与柱铰接的梯形屋架端部通常取1.5-2.0米，而跨中高度可根据端部高度和上弦的坡度确定。
图4梯形屋架
2三角形屋架
三角形屋架通常用于坡度较陡的有檩条体系屋盖，屋面材料为波形石棉瓦、瓦楞铁或短尺压型钢板，屋面坡度一般为1/3或1/2.5。
上弦节间长度通常为1.5米，常见的三角形屋架形式如图所示。
工程中常用的布置形式为芬克式（图5a，b图所示），其特点是以等腰三角形再分，短杆受压长杆受拉，节点构造简单，受力合理。
当屋架下弦有吊顶或悬挂设备时，可采用图5c图所示的斜杆式和图5d图所示的人字式的腹杆体系，其特点是下弦节间长度通常相等。
图5三角形屋架
3三铰拱屋架和梭形屋架
三铰拱屋架和梭形屋架属于采用圆钢或小角钢的轻型屋架，一般用于跨度≤18米，具有起重量≤5吨轻、中轻级工作制（A1-A5）桥式吊车，且无高温；
高湿和强烈侵蚀环境的房屋以及中小型仓库，农业用温室，商业售货棚等的屋盖，如图6、7所示
图6三铰拱屋架
图7梭形屋架
4屋架的起拱
跨度≥24米的梯形屋架和跨度≥15米的三角形屋架，当下弦无曲折时宜起拱，起拱度一般为L/500，L为跨度。
起拱的方法一般是使下弦成直线弯折而将整个屋架抬高，即上下弦同时起拱。
3.2屋架荷载
1永久荷载
屋架上的永久荷载主要包括屋面材料，防水、保温或隔热层、屋架、天窗架、檩条、支撑及管道等的重量。
2可变荷载
屋面的可变荷载主要包括活荷载、雪荷载、施工荷载、积灰荷载、风荷载、悬挂吊车荷载等。
屋面的活荷载标准值对于支撑轻型屋面板的屋架，当其受荷水平投影面积超过60m2时取0.3kN/m2，其他情况取0.5kN/m2。
雪荷载和积灰荷载按荷载规范或者当地资料取用。
对轻型屋面屋盖结构应该考虑风吸力与永久荷载组合下屋架杆件内力变号及发生屋架支座负反力的情况。
3偶然荷载
偶然荷载主要包括地震荷载、爆炸荷载及其他意外事故产生的荷载
3.3屋架的内力计算
1内力计算
屋架内力分析时当屋架上弦杆有节间荷载时，首先把节间荷载换算为节点荷载，然后按照上弦无节间荷载计算屋架杆件的轴心力。
节间荷载换算成节点荷载的方法主要有两种，一种是将所有节间内的荷载按照该段节间为简支的支座反力分配到相邻的两个节点上作为节点荷载；
另一种方法是按节点处的负荷面积换算为该节点的集中荷载。
上弦杆由于节间荷载的存在从而产生的局部弯矩，可按下列规定取用
（1）端节点按铰接取为零，但当有悬挑时取最大悬臂弯矩
（2）端节间的正弯矩取为0.8M0，其他节间的正弯矩和节点负弯矩均取为±
0.6M0，其中M0为相应节间按单跨简支梁计算的最大弯矩。
屋架各杆件轴力的计算可按照结构力学桁架的内力计算方法来进行计算，方法主要是截面法和节点法，也可以查阅《建筑结构静力计算手册》上相关的表格进行计算。
2荷载组合
永久荷载和各种可变荷载的不同组合将对各杆件引起不同的内力，与柱铰接的屋架杆件各种可能的荷载组合主要有以下几种：
（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载
可变荷载中屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，设计计算时取二者中的较大值，然后与积灰荷载、吊车荷载等组合。
另外，当雪荷载较大起控制作用时还应考虑雪荷载不均匀引起的情况。
（2）全跨永久荷载+半跨屋面活荷载（或半跨雪荷载）+半跨积灰荷载+吊车荷载
这种组合可能导致某些腹杆的内力增大或者变号。
若在截面选择时，对内力可能变号的腹杆不论在全跨荷载作用下是拉杆还是压杆均按压杆λ不大于150控制其长细比，此时可不必考虑半跨荷载组合。
（3）对轻型屋面材料的屋架，当风荷载（荷载分项系数1.4）较大时，风吸力可能大于屋面永久荷载（荷载分项系数1.0），此时屋架弦杆和腹杆中的内力均可能变号，所以必须考虑此项荷载组合
（4）轻型屋面的房屋，当吊车起重量≥20t或者风荷载较大时，还应考虑排架柱顶剪力对屋架下弦杆内力的影响。
3.4杆件的截面选择
3.4.1选用原则
1杆件的截面尺寸应根据不同的受力状况按照轴心受力构件和压弯、拉弯构件设计计算确定
2应优先选用具有较大刚度的薄板件或薄肢件组成的截面，但受压或者压弯杆件应满足局部稳定要求。
3普通钢屋架的角钢不得小于L45×
４或L56×
36×
4（对焊接构件），或L50×
5。
4同一榀屋架中，杆件的截面规格不宜过多，在用钢量增加不多的情况下，宜将杆件截面规格相近的加以统一。
一般来说同一榀屋架杆件的截面规格不宜超过6-7种。
5用填板连接而成的双角钢或双槽钢截面，应按组合截面计算，但填板间的距离不应超过40i（压杆）和80i（拉杆）。
其中i为一个角钢或槽钢平行于填板形心轴的回转半径，对十字形截面为一个角钢的最小回转半径。
受压杆两个侧向支撑点之间的填板数一般不少于两个。
6计算单面连接的单角钢拉杆和压杆时，钢材和其连接的强度设计值应乘以附录C.4所示的折减系数
3.4.2截面形式
选择屋架杆件截面形式时，应考虑构造简单、施工方便、易于连接且尽可能增大屋架的侧向刚度。
对轴心受力构件宜使杆件在屋架平面内和平面外的长细比接近。
1屋架杆件截面一般采用双角钢组成的T形截面或者十字形截面，受力较小的次要杆件可采用单角钢。
屋架杆件一般可参照以下情况选择截面：
（1）当上弦杆平面外的计算长度等于或大于平面内计算长度的2倍时，宜采用短肢相连的不等边角钢组成的T形截面（如图8.b）；
当平面内和平面外计算长度相等或者上弦有节间荷载时，宜采用等肢角钢组成的T形截面（如图8.a）。
（2）屋架下弦杆可采用等肢或不等肢角钢组成的T形截面，用钢量变化不大的情况下优先选用短肢相连的不等肢角钢组成的T形截面（如图8.b）。
（3）支座受压斜腹杆一般采用长肢相连的不等肢角钢组成的T形截面（如图8.c）或等肢角钢组成的T形截面。
当支座受压斜腹杆在屋架平面内设有再分式腹杆时，宜采用短肢相连的不等边角钢组成的T形截面。
（4）与屋架垂直支承相连的竖杆，一般采用等肢角钢组成的十字截面（如图8.d）。
一般的竖杆和腹杆可采用等肢角钢组成的T形截面，对于受力较小的次要短杆件，可采用单角钢截面（如图8.e）。
（5）也可用热轧T型钢代替双角钢截面，不仅可节省节点板和钢材，还可以避免双角钢肢背相连处出现腐蚀现象且受力合理。
（6）当上弦杆内力很大，用双角钢不能满足要求时，可采用立放的的H型钢。
图8常见的屋架杆件截面形式
3.4.3杆件的计算长度
表1杆件在平面内、平面外及斜平面的计算长度如表所示
项次
弯曲方向
弦杆
腹杆
支座斜杆和支座竖杆
其他腹杆
1
屋架平面内
l
0.8l
2
屋架平面外
l1
L
3
斜平面
—
0.9l
上表中l为构件几何长度即节点中心间的距离，l1为屋架弦杆侧向支撑点之间的距离，斜平面指的是与桁架平面斜交的平面，适用于构件截面两主轴均不在桁架平面内的单角钢腹杆和双角钢十字形截面腹杆。
无节点板的腹杆计算长度在任意平面内均取其几何长度（钢管除外）
当屋架弦杆侧向支承点之间的距离为节间长度的2倍，且两节点的弦杆轴心压力有变化时，则该弦杆在屋架平面外的计算长度loy由下式确定，但不得小于0.5l1。
3.5节点及其计算
1基本要求
（1）角钢屋架节点一般采用节点板，各汇交杆件都与节点板相连，杆件截面重心轴线应汇交于节点重心。
（2）屋架节点板除支座节点外，其余节点宜采用同一厚度的节点板，支座节点板宜比其他节点板厚2mm。
节点板的厚度可根据三角形屋架上弦杆端节间的最大内力（KN）或梯形屋架支座斜腹杆的最大内力参照下表或者根据计算选择
Q235
最大内力
≤160
161-300
301-500
501-700
701-950
951-1200
1201-1550
1551-2000
Q345
≤240
241-360
351-570
571-780
781-1050
1051-1300
1301-1650
1651-2100
中间节点板厚
6
8
10
12
14
16
18
20
支座节点板厚
22
表中内力的单位为kN，节点板厚的单位为mm
（3）节点板的形状应简单，如矩形和梯形，以制作简便及切割钢板时能充分利用材料为原则。
节点板的尺寸一般为5mm的倍数，尺寸应尽量紧凑。
焊接屋架节点处腹杆与弦杆、腹杆与腹杆边缘之间的间隙a不小于20mm。
屋架弦杆的节点板一般伸出弦杆10-15mm，有时为了支承屋面结构，上弦节点板（厚度为t）一般从弦杆缩进5-10mm，且不宜小于t/2+2mm，如图9所示。
图9节点板与杆件的连接构造
（4）角钢端部的切断面一般应与轴线垂直（图a），当杆件较大为
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