2钢结构课程设计指导书

《钢结构课程设计》指导书。

适用专业：土木工程专业

教学周数： 1 周

编写单位：土木工程系

编写作者：万虹宇

编写时间： 2024年5月

钢结构课程设计》指导书。

1．课程设计的目的。

钢结构课程设计，是一次综合性，实践性的教学环节。通过本设计，使学生将《钢结构原理》课程涉及的基本理论和专业技术知识进行一次比较全面的综合性应用；培养学生使用各种规范、查阅手册和资料的能力；培养学生概念设计的能力；熟悉钢屋架设计步骤和相关的设计内容；学会钢屋架的设计计算方法；培养学生图纸表达能力；培养写生语言表达能力；同时理论联系实际，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。

2．课程设计的基本要求。

课程设计的成果包括课程设计计算书和设计图纸。课程设计计算书应装订成册，课程设计计算书包括封面、目录、课程设计计算书正文。

2.1设计计算书。

2.1.1封面。

封面采用重庆科技学院课程设计统一封面，《重庆科技学院课程设计报告》

2.1.2目录。

编写目录时应注意与设计计算书相对应，尽量细致划分、重点突出。

2.1.3正文。

正文为课程设计计算说明书，主要记录全部的设计计算过程，应完整、整洁、正确，要求采用a4纸手写。计算步骤要求条理清楚，应用数据要有依据，采用计算图标和计算公式应注明**或出处，构件编号、计算结果（如构件截面尺寸、配筋等）应与图纸表达一致，以便核对。

当采用计算机计算时，应在计算书中注明采用的计算机软件名称及代号，计算机软件必须经过审定（或鉴定）才能在工程设计中推广应用，电算结果应经过分析认可。荷载简图、原始数据和电算结果应整理成册，与手算计算书统一整理，若采用自己编写的程序进行电算，需将程序附在设计计算说明书中。

选用标准图集时，应根据图集的说明，进行必要的选用计算，作为设计计算书的内容之一。

2.2图纸。

图纸采用a1图纸，依据国家制图标准《房屋建筑制图统一标准》（gb/t50001-2010）和《建筑结构制图标准》（gb/t50105-2010），采用手绘方式完成，内容满足规范要求，图面布置合理，表达正确，文字规范，线条清楚，达到施工图要求。

3．课程设计内容。

3.1钢屋盖体系的设计。

钢结构屋盖体系包括屋面系统、屋架系统以及支撑系统三部分。

3.1.1屋面系统的设计。

屋面系统包括无檩设计和有檩设计两种方案。

1）无檩设计方案。

在钢屋架上直接放置预应力钢筋混凝土大型屋面板，其上铺设保温层和防水层，此方案屋盖的横向刚度大、整体性好，对结构的横向刚度要求高的厂房采用此方案。由于大型屋面板与屋架上弦杆的焊接得不到保证，只能有限考虑其空间作用，屋盖支撑不能取消。预应力混凝土屋面板的跨度通常采用6m，有条件时也采用12m。

屋面板自重大导致屋盖结构自重大，其抗震性能差。本课程设计采用的是无檩设计方案。

2）有檩设计方案。

在钢屋架上设置檩条，檩条上再铺设轻型屋面材料（如压型钢板、压型铝合金板、石棉瓦、瓦楞铁皮等），对横向刚度要求不高，中小型厂房适用。

图1 厂房结构的组成示例。

a）无檩屋盖；（b）有檩屋盖。

3.1.2屋架系统的设计。

）屋架形式的确定应满足经济、适用和制造安装方便的原则。

满足使用要求：

屋架外形应与屋面材料的排水要求适应。屋面采用瓦类、铁皮或钢丝网水泥槽板时，屋架上弦坡度一般取1/5~1/2；采用大型屋面板上铺卷材防水屋面，坡度一般取1/12~1/8。

满足经济要求：

屋架外形应尽量接近弯矩图，一般跨度的屋架弦杆通常设计成等截面的，腹杆的布置应使短杆受压，长杆受拉，且杆件数以少为宜。总长度要短，杆件夹角宜在30°~60°之间，尽量避免非节点荷载作用。

满足制造、安装和运输要求：

节点构造简单合理、节点数宜少，尽量避免节点处应力集中。

）普通钢屋架形式：三角形钢屋架、梯形钢屋架、平行弦钢屋架、人字形钢屋架。

本课程设计主要涉及梯形钢屋架，以下主要介绍梯形钢屋架的适用范围及选型。

梯形屋架适用于屋面坡度较为平缓的无檩屋盖体系，其与简支受弯构件的弯矩图比较接近，弦杆受力较为均匀。梯形屋架与柱的连接可以做成刚接和铰接两种形式。

梯形钢屋架的腹杆体系一般可分为单斜式、人字式和再分式（图2）；按照支座斜杆与弦杆组成的支承点在下弦或上弦又可分为下承式（图2（b）（d））和上承式（图2（a）（c））。一般情况下，与柱刚接的屋架宜采用下承式；与柱铰接时两种方式均可采用。下承式的优点是减小排架柱计算高度且便于在下弦设置纵向水平支撑；上承式的优点是使屋架重心降低，支座斜腹杆受拉，施工安装方便。

屋架下弦需要做天棚时，需设置吊杆（图2（b）中的虚线）或者采用单斜式腹杆（图2（a））。当上弦的节间长度大于屋面板宽度时，为避免节间荷载，可采用再分式腹杆将节间距减小（图2（d））。

图2 梯形屋架。

）屋架的主要尺寸：

1）跨度。屋架的跨度应根据生产工艺和建筑使用要求确定，同时考虑结构布置的经济合理。通常为18m、21m、24m、27m、30m、36m等，以3m为模数。

屋架跨度分为计算跨度和标志跨度两种。对于简支于柱顶的钢屋架，屋架的计算跨度为屋架两端支座反力的距离。屋架的标志跨度为柱网纵向轴线的间距。

标志跨度应与大型屋面板的宽度（1.5m~3.0m）相一致。

根据房屋定位轴线及支座构造的不同，屋架的计算跨度的取值尚有下述情况：当支座为一般钢筋混凝土柱且柱网为封闭结合时，计算跨度，如图3（a）所示；当柱网采用非封闭结合时，计算跨度，如图3（b）所示。

图3 屋架的计算跨度与标志跨度。

2）高度。屋架跨中的最大高度由经济、刚度、建筑要求和运输界限限制等因素来决定。根据屋架的容许挠度可确定最小高度，最大高度则取决于运输界限；屋架的经济高度根据上下弦和腹杆的总重量为最小的条件确定。

设计屋架时，首先根据屋架形式和设计经验先取定屋架的端部高度，再按照屋面坡度计算跨中高度。对于三角形屋架；陡坡梯形屋架取=0.5~1.

0ｍ；缓坡梯形屋架取1.8~2.1ｍ，与柱刚接时，（1/16~1/12），常取2.

0~2.5m。跨中高度，跨中高度一般不宜小于（1/15~1/10）。

人字形屋架跨中高度一般为2ｍ～2.5ｍ，跨度大于36m时可取较大高度但不宜超过3m端部高度一般为跨度的1/18~1/12。屋架的几何尺寸示意图如下：

图4 梯形屋架尺寸标注图。

一般屋架跨中高度可在下列范围内采用：

梯形和平行弦屋架：

三角形屋架：

人字形屋架：

跨度较大的桁架，在荷载作用下将产生较大的挠度。对跨度为15m及以上的三角形屋架、跨度为24m及以上的梯形及平行弦屋架，当下弦不向上曲折时，宜采用起拱的方法，起拱高度一般为跨度的l/500。

3.1.3支撑系统的设计。

屋盖支撑的作用：保证桁架结构的空间几何形状不变，保证桁架平面外稳定；保证桁架结构的空间刚度和空间整体性；为桁架弦杆提供必要的侧向支撑点；承受并传递水平荷载；保证结构安装时的稳定和方便。屋盖支撑有水平支撑、垂直支撑和系杆。

1）支撑的主要形式。

1）水平支撑。

水平支撑分为横向水平支撑、纵向水平支撑。

横向水平支撑一般采用十字交叉式，分为上弦的横向水平支撑、下弦的横向水平支撑。

上弦横向水平支撑一般布置在房屋或纵向温度区段（温度缝）两端，在组成空间桁架结构的相邻两榀钢梁的上弦平面沿跨度方向全长布置，形成一个平行弦桁架，其净距不宜大于60m，否则还需要在房屋中间增设横向水平支撑。为有利于传递房屋端部的风荷载，房屋两端的支撑（水平支撑和垂直支撑）宜布置第一开间。有时为了减少支撑种类，统一支撑尺寸也将其布置在第二开间，此时第一开间必须在支撑节点处用刚性系杆与端部相连。

有时在山墙承重，或设有纵向天窗，但此天窗又未到温度区段尽端而退一个柱间断开时，为了与天窗支撑配合，也可将屋架的横向支撑布置在第二柱间，但在第一柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力，示意图如图5。大型屋面板与屋架焊牢可起一定支撑作用，但一般焊接质量难以保证，仅考虑其起系杆作用。有檩屋盖的檩条可视为横向水平支撑的横杆，屋架间距大于12m时，上弦水平支撑应加强。

图5 桁架上弦横向支撑布置图。

下弦横向水平支撑应该布置在与上弦横向水平支撑同一开间，组成空间桁架结构的相邻两榀钢梁的下弦平面沿跨度方向全长布置，形成一个平行弦桁架，以形成空间稳定体系，如图6。屋架间距小于12m时，应设置下弦横向水平支撑，但当屋架跨度小于18m且无吊车或振动设备时，可不设置下弦横向水平支撑。当屋架间距大于等于12m时，由于在屋架下弦设置支撑不便，可不必设置下弦横向水平支撑，但上弦支撑应适当加强，并应用隅撑或系杆对屋架下弦侧向加以支撑。

屋架间距大于等于18m时，宜设置纵向次桁架，是屋架与次桁架组成纵横桁架体系，次桁架件再设置檩条或设置横梁及檩条。

图6 桁架下弦横向支撑布置图。

纵向水平支撑一般也采用十字交叉式，一般不设置纵向水平支撑，仅当房屋较高、跨度较大、空间高度要求较高时，设有支承中间钢梁的托架保证托架的侧向稳定时，或房屋有较大的起重的桥式吊车、壁式吊车或锻锤等较大振动设备时，才设置纵向水平支撑。单跨厂房一般沿两纵向柱列设置，多跨厂房根据具体情况沿全部或部分纵向柱列布置。当钢屋架间距小于12m时，纵向水平支撑通常布置在屋架下弦平面，沿房屋全长布置。

但三角形屋架及端斜杆为下降式且主要支座设在上弦处的梯形屋架和人字形屋架，也可布置在屋架的上弦平面内。当钢屋架间距大于等于12m时，纵向水平支撑宜布置在钢屋架的上弦平面内。

2）垂直支撑。

垂直支撑一般采用十字交叉式、v式和w式三种，当高和长的尺寸相差不大时，采用交叉式，相差较大时，采用v式和w式。它通常布置在与上、下弦横向水平支撑同一柱间内，形成一个跨长为钢屋架间距的平行弦桁架，以确保桁架结构组成的空间不变体系。它的上、下弦杆分别为水平支撑竖杆，它的端杆就是钢梁的竖杆（或斜腹杆）。

桁架的垂直支撑在沿跨度方向设置的位置和数量须结合桁架的形式和跨度确定。三角形屋架，当跨度小于等于18m时，可仅在跨中设置一道；当跨度大于18m时，宜设置两道（在跨度1/3左右各设一道）。梯形屋架、人字形屋架等端部有一定高度的屋架，必须在屋架的端部设置垂直支撑，此外尚应按下列条件设置中部的垂直支撑：

屋架跨度小于等于30m时，可在屋架跨中设置一道垂直支撑，；屋架跨度大于30m时应在屋架跨度1/3左右的竖平面内各设置一道垂直支撑；当有天窗时，宜设置在天窗侧腿的下面，如图7所示。若屋架端部有托架时，可用托架代替端部的垂直支撑。

天窗架的垂直支撑设置与屋架相同，也设置在端部，并应在天窗两侧柱平面内布置，对多竖杆和三支点式天窗架，当跨度大于12m时，尚应在**竖杆平面内增设一道。

图7 桁架垂直支撑的布置与形式。

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