钢结构设计计算书.docx
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钢结构设计计算书
梯形钢屋架课程设计
计
算
书
专业：
土木工程
姓名：
学号：
指导老师：
完成日期：
2013-3-1
深圳大学土木工程学院
钢结构课程设计评分表
考查项目
得分
参考分
计算正确性
20
计算书
15
书面质量
表达准确性
20
图纸
15
图面质量
学习态度和认真程度
10
答辩成绩
20
总成绩
100
评语
一、设计资料
1、车间平面尺寸为150m×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，本设计取1500mm。
檩条采
用冷弯薄壁斜卷边Z形钢Z250×75×20×2.5，屋面坡度i=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，外形尺寸如图1所示。
图1屋架外形尺寸及腹杆布置形式
6、该车间建于深圳近郊。
7、屋盖荷载标准值：
（1）
屋面活荷载
0.50kN/m
（2）
基本雪压s0
0kN/m
（3）
基本风压w0
0.75kN/m
（4）
复合屋面板自重
0.3kN/m
（5）
檩条自重
0.084kN/m
（6）
屋架及支撑自重
0.12+0.011L
8、运输单元最大尺寸长度为
15m，高度为4.0m。
2
2
2
2
2
kN/m（L为屋架名义跨度，取30m）
二、屋架几何尺寸及檩条布置
1、屋架几何尺寸
屋架上弦节点用大写字母
A,B,C
连续编号，下弦节点以及再分式腹杆节点用小写字
母a,b,c
连续编号。
由于梯形屋架跨度
L
30m
24m，为避免影响使用和外观，制造
时应起拱f
L/50060mm
。
屋架计算跨度
l0L
20.153020.1529.7m。
起拱后屋架杆件几何尺寸和节点编号如图
2所示（其中虚线为原屋架，实线为起拱后
屋架）。
2
图2屋架几何尺寸
运输单元的最大尺寸为长度15m，高度4m。
此屋架跨度30m，高度3.825m，所以可将
屋架从屋脊处断开，取一半屋架作为运输单元，长度为15m，高为3.825m。
两个运输单元分别在工厂里面制作完成后，再运输至施工现场进行拼接。
2、檩条布置
采用长尺复合屋面板，单坡内不需要搭接，在屋架上弦节点设置檩条，水平檩距为1.5m。
檩条跨度l6m，在跨中二分点处设置一道拉条，为檩条提供一个侧向支撑点。
由于风荷载
较大，故在屋檐和屋脊处都设置斜拉条和刚性撑杆，以将拉条的拉力直接传递给屋架。
檩条
和撑杆的设置如图3所示。
图3檩条、拉条和撑杆的布置
三、支撑布置
1、上弦横向水平支撑
上弦横向水平支撑应设置在厂房两端的第一个柱间，且间距不宜超过60m。
本车间长度
为150m，因此需要布置四道横向水平支撑，如图4所示。
图4上弦横向水平支撑
2、下弦横向和纵向水平支撑
屋架跨度L30m24m，且车间内有两台15t/3t中级工作制软钩桥式吊车，故应设
置下弦横向和纵向水平支撑。
下弦横向水平支撑与上弦横向水平支撑布置在同一柱间，如图5所示。
图5下弦横向和纵向水平支撑
3、垂直支撑
垂直支撑必须设置。
对于本屋架结构，在跨度中央设置一道中间垂直支撑，在屋架两
端各设置一道垂直支撑。
垂直支撑只设置在有横向水平支撑的同一柱间的屋架上，如图6所示。
3
（a）跨中垂直支撑
（b）端部垂直支撑
图6垂直支撑
4、系杆
没有设置横向水平支撑的屋架，其上下弦的侧向支撑点由系杆来充当。
上弦平面内，
屋脊和屋檐处需要设置刚性系杆，
其它支撑点处设置柔性系杆。
本屋盖结构中，檩条采用冷
弯薄壁斜卷边Z
形钢
Z250×75×20×2.5，查型钢表回转半径
i23.12mm，则长细比为
lo/i3000/23.12
129.76
200，故可兼充上弦平面的刚性和柔性系杆。
下弦平面设置
两道柔性系杆（图
5），可采用
45
5
的单角钢。
四、荷载与内力计算
1、荷载计算
（1）永久荷载
复合屋面板自重
0.3kN/m2
檩条自重
0.084/1.5
0.056kN/m2
屋架及支撑自重
0.45kN/m2
永久荷载总和：
0.806kN/m2
（2）可变荷载
2
2，根据荷载规范，取两者较大
（a）活荷载：
雪荷载0kN/m
，屋面活荷载0.5kN/m
值0.5kN/m2。
（b）风荷载：
wk
zusuzw0。
z
1.0，uz
1.0，w00.75kN/m
2
，迎风面us
0.6，
背风面
0.5。
故迎风面
2
2
s
w
k
0.45kN/m
，背风面
k
0.375kN/m
。
u
w
2、荷载组合
设计屋架时，应考虑以下四种组合：
（1）组合一：
全跨永久荷载+全跨活荷载
永久荷载与活荷载大小接近，活荷载起控制作用，荷载设计值为
2
q=1.20.806+1.40.5=1.67kN/m
屋架上弦节点荷载为
P=qA=1.671.56.0=15.03kN
（2）组合二：
全跨永久荷载+半跨活荷载全跨永久荷载：
q1=1.20.806=0.97kN/m
2
P1=q1A=0.971.56.0=8.73kN
半跨活荷载：
4
2
q2=1.40.5=0.7kN/m
P2=q2A=0.71.56.0=6.30kN
（3）组合三：
全跨屋架及支撑自重+半跨屋面板重+半跨施工荷载全跨屋架及支撑自重：
q3=1.00.45=0.45kN/m
2
P3=q3A=0.451.56.0=4.05kN
半跨屋面板重+半跨施工荷载：
q4=1.2（0.3+0.056）+1.40.5=1.13kN/m
P4=q4A=1.131.56.0=10.17kN
（4）组合四：
全跨永久荷载+风荷载迎风面：
2
q5=1.00.806
1.4
0.45=0.176kN/m2
0
背风面：
q6=1.00.806
1.4
0.375=0.281kN/m
2
0
可见，风吸力不会引起屋架杆件内力由拉力变为压力，不需要考虑该组合。
上述各组合中，端部节点荷载取跨中节点荷载值的一半。
3、内力计算
本设计采用数值法计算杆件在单位节点力作用下各杆件的内力系数（单位节点力分别作用于全跨、左半跨和右半跨），内力计算结果如表1所示。
五、杆件截面设计
1、节点板厚度
对于梯形屋架，节点板厚度由腹杆最大内力（一般在支座处）按下表取用：
梯形桁架腹杆内力或三角形
180
181:
300
301:
500
501:
700701:
900
屋架弦杆端节间内力（kN）
中间节点板厚（mm）
6
8
10
12
14
支座节点板厚（mm）
8
10
12
14
16
本屋架中腹杆最大内力
N=161.59kN<180kN，因此中间节点板厚取
6mm，支座节点板厚取
8mm。
表1屋架杆件内力组合表
杆件名
内力系数
组合一
组合二
组合三
计算内力
左半跨
右半跨
P1×a+P2
P1×a+P2
P3×
P3×
P×a
（KN）
称
全跨a
c
×b
×c
a+P4×b
a+P4×c
b
上AB
-6.46-4.78
-1.69
-97.14
-86.52
-67.04
-74.76
-43.31
-97.14
5
弦
BC
-6.46
-4.78
-1.69
-97.14
-86.52
-67.04
-74.76
-43.31
-97.14
杆
CD
-15.44
-10.92
-4.52
-231.99
-203.53
-163.20
-173.55
-108.45
-231.99
DE
-15.44
-10.92
-4.52
-231.99
-203.53
-163.20
-173.55
-108.45
-231.99
EF
-19.67
-13.14
-6.53
-295.64
-254.48
-212.88
-213.27
-146.10
-295.64
FG
-19.67
-13.14
-6.53
-295.64
-254.48
-212.88
-213.27
-146.10
-295.64
GH
-21.27
-12.60
-8.66
-319.63
-265.06
-240.22
-214.31
-174.21
-319.63
HI
-21.27
-12.60
-8.66
-319.63
-265.06
-240.22
-214.31
-174.21
-319.63
IJ
-21.27
-12.60
-8.66
-319.63
-265.06
-240.22
-214.31
-174.21
-319.63
JK
-21.27
-12.60
-8.66
-319.63
-265.06
-240.22
-214.31
-174.21
-319.63
ab
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
下
bc
11.60
8.40
3.20
174.33
154.16
121.43
132.37
79.54
174.33
弦
cd
17.85
12.29
5.55
268.21
233.23
190.77
197.28
128.75
268.21
杆
de
20.42
13.15
7.27
306.96
261.14
224.11
216.46
156.67
306.96
ef
19.24
9.62
9.62
289.10
228.51
228.51
175.72
175.72
289.10
Ab
10.75
7.95
2.80
161.59
143.93
111.52
124.37
72.06
161.59
bC
-9.24
-6.51
-2.72
-138.80
-121.64
-97.78
-103.62
-65.09
-138.80
Cc
6.57
4.31
2.27
98.79
84.52
71.65
70.43
49.66
98.79
cE
-5.12
-2.96
-2.16
-76.88
-63.27
-58.26
-50.77
-42.68
-76.88
Ed
3.31
1.46
1.85
49.72
38.07
40.53
28.24
32.20
49.72
斜
dG
-2.09
-0.30
-1.79
-31.37
-20.08
-29.50
-11.46
-26.67
-31.37
腹
Gg
0.92
-0.94
1.86
13.89
2.17
19.78
-5.78
22.66
22.66/-5.78
杆
ge
0.30
-1.56
1.86
4.54
-7.18
14.35
-14.62
20.14
20.14/-14.62
gI
0.71
0.71
0.00
10.69
10.69
6.21
10.11
2.88
10.69
eh
2.27
3.95
-1.68
34.12
44.67
9.26
49.31
-7.85
49.31/-7.85
hK
2.98
4.66
-1.68
44.79
55.35
15.46
59.42
-4.98
59.42/-4.98
Ih
0.62
0.62
0.00
9.35
9.35
5.43
8.84
2.52
9.35
Aa
-10.00
-7.52
-2.48
-150.30
-134.69
-102.91
-117.01
-65.69
-150.30
Bb
-1.00
-1.00
0.00
-15.03
-15.03
-8.73
-14.22
-4.05
-15.03
Dc
-1.00
-1.00
0.00
-15.03
-15.03
-8.73
-14.22
-4.05
-15.03
竖
Fd
-1.00
-1.00
0.00
-15.03
-15.03
-8.73
-14.22
-4.05
-15.03
腹
Hg
-1.00
-1.00
0.00
-15.03
-15.03
-8.73
-14.22
-4.05
-15.03
杆
Ie
-2.00
-2.00
0.00
-30.06
-30.06
-17.46
-28.44
-8.10
-30.06
Jh
-1.00
-1.00
0.00
-15.03
-15.03
-8.73
-14.22
-4.05
-15.03
Kf
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
2、杆件计算长度系数及截面形式
（1）上弦杆
面内计算长度系数
ux
1.0。
根据上弦横向水平支撑的布置方案（图
4），面外计算长
度系数
y
4.0。
y
4x，根据等稳定原则，采用两不等边角钢短肢相并组成的
T形
6
截面。
（2）下弦杆
与上弦杆类似，面内计算长度系数ux1.0，由图5可知，面外计算长度l0y=6m。
下弦杆受拉，不需要考虑稳定性，因此下弦杆采用两等肢角钢组成的T形截面。
（3）支座腹杆（Aa）
面内和面外计算长度系数都为1.0，采用两等肢角钢组成的T形截面。
（4）再分式腹杆（Gg,ge,eh,hK）
面内计算长度系数ux1.0，面外计算长度系数：
对腹杆Gg,ge：
uy
2
（0.75
0.25
N2）
2
（0.75
0.25
20.14
）
1.94
1.0
N1
22.66
对腹杆eh,hk:
uy
2
（0.75
0.25
N2）
2
（0.75
0.25
49.31
）
1.91
1.0
N1
59.42
采用两不等角钢短肢相并组成的
T形截面。
（5）跨中竖腹杆（Kf）
采用两个等肢角钢组成的十字形截面，斜平面内计算长度系数为
0.9。
（6）其它腹杆
面内计算长度系数
x=0.8，面外计算长度系数
y=1.0，根据等稳定原则，采用两
等肢角钢组成的T形截面。
3、上弦杆
上弦杆需要贯通，各杆截面相同，按
GH、HI、IJ、JK
杆的最大内力设计，即
N
319.63N。
计算长度lox
lo
1512mm，l0y=4l=6048mm。
截面选用2140
908，
短肢相并，肢背间距a
8mm，所提供的截面几何特性为：
A
36.076cm
2
，ix
2.59cm，
iy
6.65cm。
（1）刚度验算
l0x
151.2
150
x
59.38
ix
2.59
l0y
604.8
150
y
90.95
满足
iy
6.65
（2）整体稳定验算
b
/t
140/8
17.5
0.56l
0y
/b
0.56
6048/14024.192，因此绕y
轴弯扭屈曲的换算
1
1
长细比
yz
y
90.95
yz
x，上弦杆绕y
轴弯扭屈曲，按b
类截面查得稳定系数
0.616，则
N
319.63103
143.83N/mm2
f215N/mm2
A
0.616
36.076102
4、下弦杆
下弦杆需要贯通，各杆截面相同，按
ef
杆的最大内力设计，即N
289.10kN。
计算
7
长度lox
3000mm，loy
6000mm
。
截面选用2
75
8，肢背间距a8mm，所提供的截面
几何特性为：
A
23.006cm2,ix
2.28cm，iy
3.42cm。
（1）
刚度验算
x
l0x
300.0
131.58
350
ix
2.28
满足
y
l0y
600.0
175.44
350
iy
3.42
（2）
强度验算
N
289.10
103
2
f
2
A
23.006
2
125.66N/mm
215N/mm
满足
10
5、再分式腹杆（Gg,Ge,Eh,hK）
再分式腹杆在g与h节点处不断开，采用通长杆件。
比较而言，取
hK杆的最大压应力
N
59.42kN作为控制截面。
计算长度
lox
2435mm，loy
1.89l
4602mm。
截面选用
2
100
63
6，短肢相并
，肢背间距a
8mm，所提供的截面几何特性为：
A19.234cm2，
ix
1.79cm
，iy
4.85cm。
（1）
刚度验算
lox
243.5
[
]
150
x
ix
136.03
1.79
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