10年钢结构课程设计指导书.docx

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10年钢结构课程设计指导书

浙江工业大学建筑工程学院

2009/2010学年短学期

建筑工程2007级专业课程设计指导书

课程名称：

钢结构设计

题　　目：

30m梯形钢屋架结构设计

学生姓名：

学　　号：

班　　级：

建筑工程2007

（1）

（2）

指导教师：

赵滇生吴剑国

2010年7月

钢结构设计课程设计指导书

课程名称：

房屋钢结构设计

适用班级：

建筑工程2007级开课学期：

2009/2010学年短学期

学时数：

1周上机时数：

20学时学分数：

1学分

指导教师：

赵滇生、吴剑国

一.设计目的和任务

钢结构课程设计是重要的实践性教学环节，目的在于帮助学生巩固和深化钢结构基本原理和房屋钢结构设计课程的理论和知识，培养学生理论联系实际，自已动手进行设计、分析、计算和计算机绘图等钢结构设计基本技能，以培养学生的钢结构工程实践能力和创新能力。

土木工程专业钢结构课程设计的任务是培养学生分析理解设计资料；掌握普通钢屋架的结构形式与布置原则；熟练掌握钢屋架的荷载计算、内力计算、杆件设计和节点设计；熟练绘制钢屋架及屋架支撑布置图、钢屋架施工图；学习掌握房屋钢结构设计的程序和方法；学会正确运用钢结构设计规范开展设计工作。

二.基本内容与要求

1．熟悉设计资料和相关国家设计规范

通过教师简单讲授，要求学生理解设计原始资料，熟悉《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001）（2006年版）、《钢结构设计规范》（GB50017－2003）和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018－2002）等相关国家标准。

2．掌握钢屋架及支撑布置的原则

通过教师简单讲解，要求学生掌握钢屋架及支撑布置的原则，掌握设计和绘制钢屋架及支撑布置图的方法。

3．掌握钢屋架的设计计算方法和计算说明书的编写方法

通过教师详细讲解，要求学生掌握钢屋架杆件内力的计算方法，屋架杆件和节点设计方法，计算说明书的编写方法。

4．绘制钢屋架施工图

通过教师详细讲解，要求学生掌握钢屋架施工图的绘制方法，并绘制一张A1图幅的钢屋架施工图。

三.设计资料及有关规定

1.车间平面尺寸为96m×30m，柱距6m，跨度为30m，柱网采用封闭结合。

车间内有两台15t/3t中级工作制软钩桥式吊车。

2.屋面采用长尺复合屋面板，板厚50mm，檩距不大于1800mm。

檩条采用冷弯薄壁卷边槽钢C200×70×20×2.5，屋面坡度i=l/20～l/8。

3.钢屋架简支在钢筋混凝土柱顶上，柱顶标高9.000m，柱上端设有钢筋混凝土连系梁。

上柱截面为400mm×400mm，所用混凝土强度等级为C30，轴心抗压强度设计值fc＝14.3N/mm2。

抗风柱的柱距为6m，上端与屋架上弦用板铰连接。

4.钢材用Q235-B，焊条用E43系列型。

5.屋架采用平坡梯形屋架，无天窗，外形尺寸如下图所示。

根据坡度不同，分A1～A8共8种不同的腹杆布置形式，端部高度H0的有5种不同数值，一共有40种形式的屋架，编号和区别详见下表1。

a）A1

b）A2

c）A3

d）A4

e）A5

f）A6

g）A7

h）A8

图1屋架计算简图及腹杆布置形式

表1屋架的编号及其具体尺寸

序号

屋架编号

A1H1

A2H1

A3H1

A4H1

A5H1

A6H1

A7H1

A8H1

腹杆布置形式

屋面坡度i

1/20

1/15

1/10

1/8

端部高度H0/mm

1500

序号

屋架编号

A1H2

A2H2

A3H2

A4H2

A5H2

A6H2

A7H2

A8H2

腹杆布置形式

屋面坡度

1/20

1/15

1/10

1/8

端部高度H0/mm

1650

序号

屋架编号

A1H3

A2H3

A3H3

A4H3

A5H3

A6H3

A7H3

A8H3

腹杆布置形式

屋面坡度

1/20

1/15

1/10

1/8

端部高度H0/mm

1800

序号

屋架编号

A1H4

A2H4

A3H4

A4H4

A5H4

A6H4

A7H4

A8H4

腹杆布置形式

屋面坡度

1/20

1/15

1/10

1/8

端部高度H0/mm

1950

序号

屋架编号

A1H5

A2H5

A3H5

A4H5

A5H5

A6H5

A7H5

A8H5

腹杆布置形式

屋面坡度

1/20

1/15

1/10

1/8

端部高度H0/mm

2100

6.该车间建于杭州近郊。

7.屋盖荷载标准值：

（l）屋面活荷载　　　　　　　　0.5kN/m2

（2）基本雪压s00.45kN/m2

（3）基本风压w00.45kN/m2

（4）复合屋面板自重　　　　　　0.15kN/m2

（5）檩条自重　　　　　　　　查型钢表

（6）屋架及支撑自重　　　　　　0.01lkN/m2

8.运输单元最大尺寸长度为15m，高度为4.0m。

四.课程设计的步骤和方法

1.确定屋架型式与尺寸，选择钢材及连接材料

（1）计算屋架杆件几何长度，说明运输单元的划分；

给屋架的每个节点编号，一般上弦节点宜以大写英文字母A、B、C……连续编号，下弦节点或再分腹杆的中间节点宜以小写英文字母a、b、c……编号，而且上弦节点正下方的节点用相应的小写字母编号。

这样从编号字母的顺序和大小写就可以很方便地识别节点和杆件的位置和方向。

（2）计算檩条间距，布置拉条及撑杆；

长尺复合屋面板可以不考虑搭接需要，檩条最大允许间距为1800mm。

另外，屋架上弦节点处一般应设檩条。

2.屋面结构布置

（1）合理布置屋架位置

屋架一般按等柱距（开间）布置，特别是采用有檩屋盖体系，柱距也可以不取3m或1.5m的模数，根据需要自由确定柱距（开间）。

但当采用无檩体系时，由于大型钢筋混凝土屋面板的标准长度为6m，中间柱距（开间）一般取6m，为使山墙与侧墙能够封闭结合，一般车间两端的柱距（开间）采用5.5m，将端屋架（排架或刚架）内移0.5m。

（2）根据需要设置支撑体系

一般情况下，屋架的上弦横向支撑必须设置。

屋架下弦杆为拉杆无稳定性问题，因此当房屋的跨度和高度较大（例如跨度≥24m）、或室内有悬挂吊车，或山墙抗风柱与屋架下弦相连时，应设下弦横向支撑，否则可以不设。

下弦纵向支撑仅当房屋的跨度和高度较大、或房屋为厂房并设有壁行吊车或有较大振动设备（如锻压车间），对房屋的整体刚度要求较高时应设置，否则可以不设。

对梯形屋架，纵向支撑常设在屋架的下弦端节间平面，而对三角形屋架则常设在上弦平面。

垂直支撑在任何屋盖系统内一般必须设置。

对跨度L≤30m的梯形屋架和跨度L≤24m的三角形屋架，通常只在跨度中点设置一道中间垂直支撑；当跨度大于上述情况时，则需在跨度中间设置两道垂直支撑。

此外，在梯形屋架两端则不论跨度大小均需设置垂直支撑。

垂直支撑只设在有横向支撑的同一柱间的屋架上，不设垂直支撑的其它柱间的屋架上、下弦相应点间设纵向系杆与之相连。

刚性或柔性系杆的设置：

屋脊处，当跨度较大的屋架两端的上弦端节点，天窗架立柱处的屋架上弦节点、垂直支撑的上弦节点处均应设置刚性系杆。

在有檩屋盖中，屋架上弦平面的系杆可用檩条兼充，但对兼充刚性系杆的檩条长细比应满足λ≤200。

上弦支撑其它节点处、不设横向支撑的其它屋架在垂直支撑下弦节点处设置柔性系杆即可。

（2）将钢屋架统一编号。

3.杆件内力计算

（1）荷载组合

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，

3）全跨屋架支撑自重+半跨屋面结构材料+半跨施工荷载。

按荷载规范规定，可变荷载取屋面活荷载和雪荷载中的大者设计。

（2）按上述三种组合计算节点荷载设计值。

其中第1）种荷载组合确定弦杆和腹杆的轴力，第2）和3）种荷载组合可能会影响屋架跨中部分腹杆的最不利轴力。

对于轻型屋面，应注意计算在风吸力作用下屋架的内力，考虑下弦杆可能的内力变号问题；

（3）采用结构力学中介绍的各种计算方法、力学计算手册或结构力学求解器等计算软件计算杆件内力；

（4）上弦杆承受节间荷载的，可用接近似法计算上弦杆的局部弯矩。

4.屋架节点板厚度确定，杆件截面选择和填板设置

（1）节点板的厚度确定

根据支座斜杆（三角形屋架为上弦杆端节间）内力确定支座节点板和其它节点板的厚度，一般支座节点板较其它节点板厚2mm；

（2）杆件截面选择

1）杆件的计算长度

①在桁架平面内

规范规定弦杆和支座斜杆（支座竖杆）在桁架平面内的计算长度均取l0x=l，即取μx＝1.0，l为节点中心间的杆件长度；单系腹杆（即无中间节点的腹杆），其取l0x=0.8l，但对两端不用节点板连接的腹杆，则仍应取l0x=l。

②在桁架平面外

弦杆的计算长度取其侧向支承点的距离，侧向支承点取横向支撑或垂直支撑的节点及与其用系杆相连的各个节点。

所有腹杆在平面外的计算长度都等于其各自的几何长度，即l0y＝l。

桁架弦杆、再分式腹杆的受压主斜杆和K形腹杆体系的竖杆在桁架平面外侧向支承点的间距为节间长度的2倍、两节间的轴心压力有变化时，规范规定计算长度按下式计算

式中，l1为两节间的长度，N1为两节间中的较大压力；N2为两节间中的较小压力（或拉力，对拉力应取负值）。

③在斜平面内

单角钢截面和双角钢组成十字截面的腹杆，屈曲将发生在与桁架平面斜交的平面内，规范规定不在支座处的此类腹杆，其计算长度可取l0=0.9l，对支座竖杆则取l0＝l。

2）杆件截面形式

屋架杆件的截面形式常采用双角钢组合组成的T形截面或十字形截面，对内力很小的杆件，可以采用单角钢。

十字形截面一般选用两等边角钢组成，在桁架平面内和平面外的计算长度相同，主要用于跨中的竖腹杆，有时也用于梯形屋架的端竖杆。

双角钢组成的T形截面一种是用两等边角钢组成的，还有两种是用两不等边角钢分别将两长边相连（并）或两短边相连（并）组成的。

一般应该根据等稳条件λx≈λy来确定选择合理的双角钢组合截面形式，即一般应选l0y/l0x和三种组合T形截面的iy/ix值最接近的，当l0y/l0x介于两种组合T形截面的iy/ix值之间，应同时选这两种T形截面设计，最后取用钢量较小者；若弦杆存在局部弯矩，则应将屋架平面的肢（与节点板相连的肢）宽适当加大（长肢相连的不等边角钢除外）。

3）初选杆件的角钢规格

轴心受拉构件的长细比限制一般不会成为控制，可直接根据强度计算要求的净截面面积An≥N/f，直接查型钢表初选角钢规格。

轴心受压构件则应先假定杆件的长细比λ=λx=λy，求出所需要的截面回转半径ix≥l0x/λx和iy≥l0y/λy，再根据钢材强度等级及截面类别查轴心受压构件的稳定系数表得到φ，求出所需要的截面面积A≥N/（φf），根据ix、iy和A即可根据型钢表初选比较合适的角钢规格。

对于压弯构件，考虑局部弯矩的影响，可以将轴心受压构件选择截面中的ix和A适当放大后再选择角钢规格。

将上面初选截面的杆件进行必要的验算，以确定所选截面是否合适。

轴心受拉构件验算长细比和净截面强度，轴心受压构件杆验算长细比和两个主轴方向的整体稳定，压弯构件验算长细比和弯矩作用平面内及平面外的整体稳定。

合理的截面应使杆件的安全性和经济性均较好。

验算结果若合适则可，否则应根据验算结果调整截面形式或尺寸，重新进行验算，直到合适为止。

上述验算中，对于单角钢或双角钢组成的T形截面杆件，在计算其绕对称轴整体稳定时，应采用计及扭转效应的长细比，即用下列λyz取代原来的λy计算。

①等边双角钢截面:

当b/t0.58l0y/b时

当b/t>0.58l0y/b时

②长肢相并的不等边双角钢截面:

当b2/t0.48l0y/b2时

当b2/t>0.48l0y/b2时

③短肢相并的不等边双角钢截面:

当b1/t0.56l0y/b1时，可近似取yz=y。

否则应取

对于双角钢组成的十字形截面杆件，属于双轴对称截面，故不必考虑扭转效应的影响。

计算等边单角钢截面杆件的强度和连接、稳定时应该分别取下列系数进行强度设计值折减后，可不再考虑扭转效应对绕对称轴稳定的影响。

a.按轴心受力计算强度和连接乘以系数0.85；

b.按轴心受压计算稳定性：

0.6+0.0015λ，但不大于1.0；λ为长细比，对中间无联系的单角钢压杆，应按最小回转半径计算，当λ＜20时，取λ=20。

依次选择验算上弦杆，下弦杆、主斜杆和其它所有杆件的截面。

4）杆件截面规格不宜过多，最小角钢规格为L56×36×4或L45×4，与垂直支撑相连的竖杆截面则不宜小于2L63×5。

（3）每根杆件填板的尺寸和设置数量验算，注意受压杆件在两侧向支承点之间至少设置两块填板。

5.节点设计

（1）根据构造要求先确定焊脚尺寸，再计算各腹杆及弦杆端部所需的焊缝长度，一般精确到10mm，焊脚尺寸hf和计算长lw均应满足构造要求；

节点板的尺寸主要根据布置焊缝的需要确定，应尽量规则以减小连接偏心，且宜采用至少两对边平行或两相邻边垂直的形状，便于下料时套裁，以节省钢材。

（2）设计支座节点；

（3）设计屋脊节点；

（4）设计其余节点。

6.施工图绘制

根据国家标准《房屋建筑制图统一标准》（GB/T50001—2001）和《建筑结构制图标准》（GB/T50105-2001），采用AutoCAD绘制钢屋架施工图，最后用绘图仪在白版纸上打印施工图。

五.上机时数的安排

课程设计可利用PKPM系列结构设计软件中的STS等钢结构设计软件进行分析计算和施工图的绘制，上机时数一般不少于20学时。

其中计算分析8学时，绘制施工图12学时。

六.设计成果要求

1.计算说明书要求

课程设计计算说明书应采用学院统一印定的封面，课程设计用纸统一采用浙江工业大学学生专用纸（不得有明格或明线），计算说明书可以手写，也可以用办公软件word排版打印，但纸张规格统一采用A4。

内容要求如下：

（1）目录

依次列出计算说明书的下列部分的内容及页次。

（2）设计资料

列出上述三.设计资料及有关规定中与自己设计相关的内容。

（3）屋架几何尺寸及檩条设置

1）计算屋架杆件几何长度，并画图表示，同时标出节点编号及起拱值，说明运输单元的划分。

2）计算檩条间距，用图表示，并标出拉条及撑杆。

采用长尺复合屋面板，单坡内不设搭接，檩条最大允许间距由所选屋面板规格确定。

另外，屋架上弦节点处应设檩条。

（4）支撑布置及屋架编号

1）简要说明所设支撑的必要性、并画出屋架、支撑、系杆的布置图，标出必要尺寸和轴线（不要求确定支撑系杆截面），如上下弦横向支撑的间距（开间）和跨度、各竖向支撑的位置和高度等。

2）在上图中将钢屋架编号。

数量最多的钢屋架采用普通编号如“GWJ-30”，对仅因连接支撑的螺栓孔等局部不同的，可以采用在普通编号后加a、b、c等字母以示区别，如“GWJ-30a”、“GWJ-30b”等。

（5）杆件内力计算

1）荷载组合情况

说明按荷载规范规定，取屋面活荷载和雪荷载中的大者作为可变荷载计算。

考虑三种荷载组合确定弦杆和各腹杆的轴力。

对于采用轻型屋面的屋架，计算时还应考虑风吸力可能引起的屋架下弦杆内力由拉力变为压力的不利情况，计算书中对此应加以分析说明；

2）节点荷载设计值计算过程，

3）杆件轴力计算过程，上弦杆和下弦杆应写出详细计算过程，其余杆件可列表计算；

4）如果上弦杆承受节间荷载，则用接近似法计算上弦杆局部弯矩的过程；

5）画出设计内力图表示上述轴力和局部弯矩。

（6）屋架节点板厚度确定，杆件截面选择和填板设置

1）根据支座斜杆（三角形屋架为上弦杆端节间）内力确定支座节点板和其它节点板的厚度的过程；

2）杆件截面选择

根据等稳原则确定弦杆和腹杆的截面形式，如果屋架弦杆作用有节间荷载，则就考虑局部弯矩的影响；拉杆和压杆分别根据强度和整体稳定初选截面规格；再经过具体验算，最后确定合理的角钢规格。

写出上下弦杆和主斜杆选择计算的详细步骤，其余杆件列表计算。

3）每根杆件填板尺寸、设置数量及验算过程。

（7）节点设计

1）根据构造要求先确定焊脚尺寸，再计算各腹杆及弦杆端部所需的焊缝长度，写出计算过程；

2）支座节点的构造、尺寸及各零件和焊缝尺寸，写出验算过程，焊缝用代号表示。

3）屋脊节点及下弦杆拼接节点的拼接角钢尺寸、切肢尺寸、节点板尺寸及拼接焊缝等验算过程。

4）其余节点在施工图中设计标注。

（8）说明

说明在钢屋架制作、运输、吊装过程中的有关事项。

（9）设计总结

总结课程设计过程中的收获和有待改进的问题等。

2.施工图要求

施工图纸统一采用A1规格的白版纸或硫酸纸，内容要求如下：

（1）屋架计算简图

用1:

100比例绘制屋架计算简图，在左半跨标出屋架跨度、端部和中部高度、起拱尺寸和各杆件几何长度；在右半跨标出各杆件的轴力设计值，如果上弦杆存在局部弯矩，则还应标出其设计值；并分别注明所用单位。

（2）屋架施工详图

用两种比例（轴线尺寸用小比例尺，其余用大比例尺。

其中小比例尺根据整体图面布置允许的图幅确定，大比例尺则根据能够清晰表达杆件和节点细部构造和尺寸确定）绘制屋架正面详图，上弦和下弦俯视平面图，跨中竖杆及端杆的侧视详图，支座节点详图。

给所有零件统一编号，尺寸相同的应编同一个号，编号遵循先主要杆件、后次要杆件和板件，从上到下，从左到右的原则。

施工详图中应标明的尺寸：

所有节点板尺寸及节点板边到节点中心的定位尺寸；所有杆件端部到节点中心的尺寸；所有杆件肢背到轴线的尺寸（精确到5mm）；不等肢杆件的肢宽，所有角焊缝的长度和焊脚尺寸（在说明中已说明的可省略不标）、塞焊尺寸、工地焊代号；所有填板的尺寸、焊缝；拼接角钢的规格和长度、切肢削棱的尺寸，其它必要的零件详图尺寸，连接支撑和拼接所需螺栓孔直径及定位尺寸。

绘制施工图时，计算简图、构件或零件一般用中实线，其中角钢厚度可放大绘制比例，且内侧线可稍细，以免两线叠合成一条粗线；尺寸标注和材料表用细实线；轴线用细点划线；尺寸标注的尺寸界线与对象之间应注意有适当的偏离。

（3）材料表

列出各零件编号，几何尺寸、数量、质量及屋架总质量等。

（4）说明

对采用的钢材、焊条，未在图中标明尺寸的焊缝，安装螺栓，防锈措施等有关事项逐项予以说明。

（5）标题栏

标题栏统一采用下图2所示格式和尺寸，其中“浙江工业大学建筑工程学院课程设计”、“30m梯形钢屋架施工图”和本人所在专业、班级、学号以及绘图所用比例可以直接采用计算机绘制输出，但本人姓名、指导教师和日期栏必须用墨水笔手签，不得用计算机绘制输出。

图2施工图统一标题栏尺寸及式样

七.时间安排

本课程设计总学时为1周，课内时间具体安排见下表2。

表2课程设计时间安排

课程设计内容

教学要求

重点

难点

学时安排

教学类型

作业形式

1.理解设计资料，熟悉钢结构设计规范

0.5天

设计

2.钢屋架及支撑布置方案的设计

绘制钢屋架及支撑布置图

0.5天

设计

计算说明书

3.钢屋架的设计和计算说明书的编写

3.1钢屋架的荷载计算

3.2杆件内力计算

3.3杆件设计

3.4节点设计

☆

2天

设计

计算说明书

4.绘制钢屋架施工图

☆

2天

设计

A1施工图

注：

表中教学要求：

A——熟练掌握；B——掌握。

☆代表学习重点；Δ代表学习难点。

八.考核方法

课程设计的总成绩为100分，由计算说明书和屋架施工图两部分成绩组成，两者各占50分。

根据课程设计的内容要求，计算说明书着重考核内容的系统性、编写的条理性、计算的正确性和书面质量；施工图着重考核内容完整性、表达准确性和图面质量；并应适当考虑学生在整个设计过程中的学习态度和认真程度。

九.参考资料

1.钢结构——原理与设计，夏志斌，姚谏编著，中国建筑工程出版社，2008年2月；

2.钢结构（第二版）（上册：

钢结构基础，下册：

房屋建筑钢结构设计），陈绍蕃主编，中国建筑工业出版社，2008年7月；

3.钢结构基本原理（第二版），沈祖炎，陈扬骥，陈以一编著，中国建筑工程出版社，2006年7月；

4.建筑钢结构设计，王肇民主编，同济大学出版社，2001年2月；

5.建筑结构荷载规范（GB50009－2001）（2006年版），中华人民共和国建设部主编，中国建筑工业出版社，2006年11月；

6.钢结构设计规范（GB50017－2003），中华人民共和国建设部主编，中国计划出版社，2003年10月；

7.冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018－2002），湖北省发展计划委员会主编，中国计划出版社，2002年12月；

8.钢结构工程施工质量验收规范（GB50205－2001），中华人民共和国建设部主编，中国计划出版社，2002年4月；

9.房屋建设制图统一标准（GB/T50001－2001），中华人民共和国建设部主编，中国计划出版社，2002年3月；

10.建筑结构制图标准（GB/T50105－2001），中华人民共和国建设部主编，中国计划出版社，2002年3月；

11.钢结构设计手册（上册，第三版），《钢结构设计手册》编辑委员会，中国建筑工业出版社，2004年3月；

12.建筑结构静力计算手册（第二版），《建筑结构静力计算手册》编写组，中国建筑工业出版社，1998年9月。

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