钢结构课程设计计算书

一、设计资料

1.结构平面布置

北京地区某单层单跨工业厂房机加工车间，跨度24m，长度120m，柱距6m，屋架下弦标高16.5m。

2.排架结构体系

钢筋混凝土柱（混凝土强度等级为C20，上柱截面400×400）； 钢屋架：1.5×6.0m预应力钢筋混凝土大型屋面板，钢屋架铰支于柱上；屋面坡度 。

3.车间内设有中级工作制、起重量为30T的吊车，计算温度高于-200C。

4.材料

钢屋架选用Q235-A·F钢，焊条为E4300型。

5.荷载（标准值）

   二毡三油上铺小石子                         0.35 KN/m2

   (硫化型橡胶油毡,PVC建筑防水塑料油膏)

   砂浆找平层(厚20mm)                        0.40 KN/m2

   泡沫混凝土保温层(厚80mm)                  0.48 KN/m2

   预应力钢筋混凝土大型屋面板                1.344 KN/m2

   （包括灌缝）

   屋架及支撑自重                 （ ） KN/m2

   悬挂管道                                   0.15 KN/m2

   吊顶                                       0.55 KN/m2

   活荷载或施工荷载                           0.70 KN/m2

   雪荷载                                     0.30 KN/m2

   屋面积灰荷载                               0.50 KN/m2

6.屋架计算跨度：

跨中及端部高度：本课程设计为无檩体系屋盖方案，采用缓坡梯形屋架，取屋架在30m轴线处的端部高度，屋架的中间高度    ，则屋架在23.7m处，两端的高度为，屋架跨中起拱按，取50mm。 

二、结构形式及支撑布置

屋架形式及几何尺寸如图2-1所示。

根据厂房长度（120m>60m）、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平荷载。因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑设在第一柱间，该水平支撑的规格与中间柱间支撑的规格有所不同。在上弦平面设置了刚性系杆与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载。在设置横向水平荷载的柱间，于屋架跨中和两端各设一道垂直支撑。梯形钢屋架支撑布置如图2-2所示.

三、荷载计算

屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，去交大的荷载标准值计算，因此取屋面活荷载0.7kN/m2进行计算。屋架沿水平投影面积分布的自重（包括支撑）按经验公式计算，跨度单位为米（m），荷载计算详见表3-1.

表3荷载计算

1)全跨节点永久荷载+全跨可变荷载

2)全跨节点永久荷载+半跨节点可变荷载

a)全跨节点永久荷载为：

b)半跨节点可变荷载为：

3)全跨节点屋架（包括支撑）自重+半跨节点屋面板自重+半跨屋面活荷载

a)全跨节点屋架自重

b)半跨节点屋面板自重及活荷载为 

上述计算中，1）和2）为使用阶段荷载情况，3）为施工阶段荷载情况。

四、内力计算

屋架在上述三种荷载组合作用下的计算简图如图4-1所示。

由图解法求得F=1的屋架各杆件的内力系数（作用于全跨、左半跨和右半跨），然后求出各种荷载情况下内力进行组合，计算结果如表4-1

a图

b图

图2-2：梯形钢屋架支撑布置

（a）桁架上弦支撑布置图（b）桁架下弦支撑布置图（c）垂直支撑1-1（d）垂直支撑2-2 

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4屋架计算简图

五、杆件设计

1.上弦杆。整个上弦杆采用等截面，按FG、GH杆件的最大内力设计，即。

上弦杆计算长度计算如下。

在屋架平面内：为节间轴线长度，即

在屋架平面外：本屋架为无檩体系，并且认为大型屋面板只起到刚性系杆作用（不考虑屋面板的支撑作用），根据支撑布置和内力变化情况，取为支撑点的距离，.本设计中桁架受压侧向弦杆支撑点间的距离为2倍的节间长度，且两节间内力不等，根据规范要求，取

根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦截面选用两个不等肢角钢，短肢相并，如图5-1所示。

图5-1  上弦杆截面

弦杆最大内力，查附表4，中间节点板厚度选用12,mm，支座节点板厚度选用14mm。

假定，查Q235钢的稳定系数表，可得（双角钢组成的T型和十字形截面均属于b类），则需要的截面积：

表4-1  屋架杆件内力组合

 需要的回转半径：   

 根据需要的查附录1-附表4，选用2∟140x90x14，短肢相并，肢背间距a=12mm，则由附表4查得，，按所选角钢进行验算：

由于，由查附表17-2得，则

所以所选截面合适。

2.下弦杆。整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的gk杆计算，则。

（因下弦跨内共有三根通长系杆），所需截面积为：

选用2∟140x90x12，因，故选用不等肢角钢，短肢相并，如图5-2所示。查附录1-附表4可得.

按所选角钢进行验算：

所以，所选截面合适

图5-2  下弦杆截面

3.端斜杆aB。杆件轴力为,计算长度为。

因为，故采用不等肢角钢，长肢相并，使。选用2∟140X90X10，则查附表4，可得。按所选角钢进行验算：

因，只需求，由查附表17-2得，则：

因此，所选截面合适。

4.腹杆cB。杆件轴力为

，选2∟70×8，查附录1-附表3，。按所选角钢进行验算：

 所选截面满足要求。

5.腹杆cD。

选2∟75×10，查附表3，。按所选角钢进行验算：

所以，

根据，查表得

所以，所选截面符合要求。

6.腹杆eD。

选用2∟50×6，查附表4得，验算：

所以，所选截面满足要求

7.腹杆eF。

。

选2∟70×8，查附录1-附表3，。按所选角钢进行验算：

所以，

根据查得，；

所以，所选截面符合要求。

8.腹杆gF。考虑到该杆在内力组合时内力产生变号，故按照拉杆和压杆分别设计，然后两者取较大的截面。

a)按拉杆设计

选2∟30×4，查附表:  截面验算：

符合要求

b)按压杆设计。

选2∟56×5，查附表：，截面验算： 

所以

根据，查得

由以上可以看出选择2∟56×5.

9.腹杆gH。

a)按拉杆设计：

选2∟30×3，查附表： 截面验算：

b)按压杆计算。

选2∟63×10，查附表：，截面验算：

根据，查表得

所以应选2∟63×10。

10.腹杆kH。

a)按拉杆设88计：

 选2∟30×3，查附表： 截面验算：

b)按压杆设计：

选2∟63×10，查附表：，截面验算：

根据，查表得

所以应选2∟63×10。

11.竖杆Kk：

选2∟56×5，十字相连，查附表：。

所选截面符合要求

12.竖杆Gg。。

选用2∟56×5，查附表： 

所选截面符合要求。

13.竖杆Ee。

选用2∟56×5，查附表： 

所选截面符合要求。

14.竖杆Cc。

选用2∟50×6，查附表： 

所选截面符合要求。

15.竖杆Aa。

选用2∟50×6，查附表： 

所选截面符合要求。

现将计算结果列于表5-1

六、节点设计

1.支座节点“a”（见图6-1）。采用E43型焊条，焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值。

为了便于施焊，下弦杆角钢水平肢的底面与支座底板的净距离取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等，厚度取14mm。节点板采用380X12X440。

1) 支座底板计算。支座反力为：，支座底板尺寸为280X380.锚栓采用2M24，并用图示U型缺口。如果仅考虑有加劲肋部分的地板承受支座反力，则承压面积为，验算柱顶混凝土的抗压强度：。

支座底板的厚度按屋架反力作用下的弯矩计算，节点板和加劲肋将底板分为四块，每块板为两相邻边支承而另两相邻边自由的板，每块板的单位宽度的弯矩为

需要底板厚度： 取  

2) 加劲肋计算。对加劲肋和节点板之间的两条竖直焊缝进行验算：

设，取焊缝最大计算长度