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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）

题    目：  三角形钢结构屋架设计  

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层    次：       专科起点本科      

专    业：        土木工程       

年    级：         年  季         

学    号：                     

学    生：                        

指导教师：                       

完成日期：      2023年9月1日      

内容摘要

在我国工业厂房建设中，三角形钢屋架拥有非常广泛的应用，它的设计包括材料的选择，钢屋架的几何尺寸，屋架及屋盖的支撑布置，檩条的设计节点的设计和施工图的绘制。其中，檩条、杆件和节点的设计要仔细验算各自的受力大小与特点，以保证满足设计与施工的需要。

本次设计依据包括材料力学、结构力学、房屋建筑学等专业知识，并且按照毕业设计任务书的要求，参考《钢结构设计规范》（GB50017-2017）、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2017）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）等设计规范来完成本次设计。通过对杆件的内力计算，杆件截面的选择，以及节点的设计和施工图的绘制，设计出满足实际工程需要的钢结构屋架设计。

关键词：规范；钢结构；屋架设计 

目  录

内容摘要........................................................................................................................... I

引  言............................................................................................................................... 1

1  设计基本资料及任务................................................................................................. 4

1.1  设计资料........................................................................................................... 4

1.2  荷载资料........................................................................................................... 4

1.3  设计任务........................................................................................................... 5

2  钢屋架荷载设计计算................................................................................................. 6

2.1  荷载计算........................................................................................................... 6

2.2  荷载组合........................................................................................................... 6

2.3  钢架计算简图................................................................................................... 7

2.4  钢架内力计算................................................................................................... 7

3  钢屋架杆件截面设计计算......................................................................................... 9

3.1  上弦杆截面设计计算....................................................................................... 9

3.1.1  杆件截面选择......................................................................................... 9

3.1.2  强度验算................................................................................................. 9

3.1.3  弯矩作用平面内的稳定性验算............................................................. 9

3.1.4  弯矩作用平面外的稳定性验算........................................................... 10

3.1.5  填板的设置........................................................................................... 11

3.2  下弦杆截面设计计算..................................................................................... 11

3.2.1  杆件截面选择....................................................................................... 11

3.2.2  强度验算............................................................................................... 12

3.2.3  刚度验算............................................................................................... 12

3.2.4  填板的设置........................................................................................... 12

3.3  中间竖腹杆DF截面选择.............................................................................. 12

3.4  斜腹杆DE截面选择..................................................................................... 13

3.4.1  杆件截面选择....................................................................................... 13

3.4.2  强度验算............................................................................................... 13

3.4.3  刚度验算............................................................................................... 13

3.4.4  填板的设置........................................................................................... 13

3.5  腹杆BE........................................................................................................... 13

3.6  腹杆CE........................................................................................................... 14

4  钢屋架节点设计....................................................................................................... 15

4.1  屋脊节点......................................................................................................... 15

4.1.1  DE斜腹杆与节点板的连接焊缝........................................................ 15

4.1.2  上弦杆与节点板的连接焊缝............................................................... 15

4.1.3  拼接角钢设计....................................................................................... 16

4.1.4  中间竖肢与节点板的连接焊缝........................................................... 16

4.2  上弦节点B..................................................................................................... 16

4.2.1  腹杆BE与节点板焊缝........................................................................ 16

4.2.2  上弦杆与节点板焊缝........................................................................... 16

4.3  支座节点A..................................................................................................... 16

4.3.1  下弦杆与节点板焊缝计算................................................................... 16

4.3.2  上弦杆与节点板焊缝计算................................................................... 17

4.3.3  支座底板计算....................................................................................... 17

4.3.4  所需底板厚度的计算........................................................................... 18

4.3.5  支座加劲肋设计................................................................................... 18

4.3.6  节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算........................................... 18

5  钢屋架施工图........................................................................................................... 20

参考文献......................................................................................................................... 22

引  言

近些年来，各种新型的钢结构体系大量运用于实际工程的建设中。轻钢结构在我国的发展非常迅速。钢结构领域已由大跨向中、小跨度延伸。现代轻钢结构用钢量少，造型美观,应用前景良好。三角形普通钢屋架，常用的腹杆体系有：芬克式桁架，可分为两个小桁架运输，能适用于各种跨度，应用较广。三角形腹杆桁架，结点数较少（吊杆可不设），但受压腹杆较长，适用于小跨度。上倾式斜杆桁架，虽然长杆受拉，但夹角过小，很少采用。下倾式斜杆桁架，斜杆沿短对角线布置，长度较小，且夹角适宜，结点结构方便。综上所述，芬克式钢桁架因为其跨度适中，造型简洁，又具有六节间、八节间、十节间、十二节间等多种形式，因此可以广泛用于工业、民用建筑中，具有很强的推广适用性。

钢结构厂房是近十年来发展最快的领域，这种结构工业化、商品化程度高，施工快，综合效益高，市场需求量很大，已引起结构设计人员认识。目前已经有多种的低层、多层和高层的设计方案和实例。因其可做到大跨度、大空间，分隔使用灵活，而且施工速度快、抗震有利的特点，必将对我国传统的厂房结构模式产生较大冲击。国家建筑标准图集《轻型屋面三角形钢屋架》06SG517-2中，弦杆采用热轧剖分T型钢，中竖杆采用双角钢十字截面，其余腹杆采用单角钢。此种三角形钢屋架形式简单，腹杆数量少，T型钢弦杆的腹板兼做节点板，经济性好，安装方便。由于节点的刚接作用，不可避免要产生次应力。次应力的影响是否需要考虑，对屋架极限承载力有多大的影响，尚需要进一步的研究。

在当前我国社会经济不断快速发展的背景下，国民综合素质有所提升，同时对日常生活提出的要求也越来越多样化，这种变化也逐渐体现在建筑领域中。国民对于建筑物提出的要求，已经不再只是单纯局限在使用需求等方面，而是将更多的关注度和注意力放在建筑物的外观方面，这样在无形当中就会对建筑结构设计提出更多的需求。建筑行业在发展过程中，尤其是在当前新时期背景下的发展，建筑项目数来越来越多，同时范围也越来越广，所以要想实现建筑领域的未来可持续发展，就必须要意识到建筑结构设计在其中的重要性。钢梁、钢柱是纯框架结构体系的两大构成要素，横纵双向布置钢梁，承重及主要抗侧力构件布置钢柱，梁柱节点处连接方式有刚接、半刚接及铰接。根据地震区域梁柱连接一般选择刚接，若想提升结构延性，避免梁柱节点断裂，可选择半刚接。

起初受限于钢材产量，我国钢结构住宅发展举步维艰，但随着工业化进程加快及国家政策的大力推动，我国钢结构住宅的发展出现了转机，涌现了大批钢结构示范工程。

段柏安选取纯钢框架、钢框架—支撑和钢框架—核心筒三种体系进行设计和分析，对比多遇及罕遇地震作用下三种结构形式的抗震性能，并对纯钢框架结构进行了节点半刚性研究，将钢框架—支撑结构中的中心支撑替换为偏心支撑，进一步研究耗能梁段长度对结构抗震性能的作用。最后以经济性为研究对象，通过对比钢结构住宅和钢筋混凝土结构住宅的工程成本，可以看出钢结构住宅具备明显优势，发展前景广阔。

陶宇宸基于钢体准则与改进塑性铰模型，建立了高效简捷的增量迭代方法，能够有效处理截面屈服造成的有限转动、杆件二阶效应等材料非线性与几何非线性耦合的强非线性问题。结合静力分析法和直接积分法，建立了框架结构的动力时程分析方法。针对柔性钢框架结构提出的几何非线性、材料非线性及动力非线性新型分析方法兼具高精度与高效率双重优势，这说明刚体准则对于解决复杂非线性问题具有普适性。

侯佳欣首先对钢框架结构、钢框架—中心支撑结构、钢框架—偏心支撑结构的 11 层钢结构住宅进行模态分析，对比三种结构的振型及频率，随后对三种结构形式进行弹性时程分析，对比三种结构的顶点位移、层间位移、层间位移角随抗侧刚度的变化规律，有利于对小高层钢结构住宅的选型，推动小高层钢结构住宅的进步和兴盛。

孔德超基于典型的住宅工程实例，通过分析比对得出以下结论：在低层钢结构住宅选用型钢框架结构和硅钙板复合墙体，在 7 度区和 8 度区分别采用方钢管柱型钢梁及型钢柱型钢梁的支撑结构，并且合理的柱网布置有利于缩减结构的用钢量，从多层效益出发，钢结构住宅相比传统钢筋混凝土住宅明显具有更大的优势，值得大力推广。

蒋庆益基于某钢结构住宅抗侧力结构体系分析，对其进行了方案选择及设计。通过在钢框架一剪力墙结构的端部加中心支撑，使各项参数均符合强度要求，满足规范中“强柱弱梁、强节点弱构件”的要求，控制水平荷载作用下的层间位移及顶点位移变形量，使结构设计结果达到预期效果，为小高层钢结构住宅的设计选型提供参考依据。

吴凤超基于某小高层钢结构住宅，分别建立框架剪力墙、短肢剪力墙、剪力墙三种不同的结构形式的计算模型，在 7 度区、0.10g 地震加速度的条件下进行分析，通过综合比较三种结构形式在地震作用下的综合性能表现和经济差异，根据相应结果可得出短肢剪力墙结构形式更具有优势，也为钢结构住宅设计提供一定的指导意见。

任晓阁通过使用有限元软件 ABAQUS 对某不规则 RC-钢框架组合结构发电厂建模，对其做外包钢结构处理加固混凝土构件，并对加固后的结构进行低周期反复荷载试验，探讨加固后构件和结构整体的承载能力及抗震性能。提出了适用该类 RC-钢框架竖向不规则组合结构改造方式，为这类结构的加层加固施工提供了可借鉴的经验。

本课题针对某单跨厂房钢屋架，对六节间芬克式屋架做了结构计算。很好的完成了荷载分析、组合以及屋架各杆件的内力计算，选择了合适的杆件截面并对节点连接进行了设计，最后，绘制了该屋架的结构施工图。

1  设计基本资料及任务

1.1  设计资料

某地区一单跨厂房屋盖，跨度为9.8m，长度为33.5m，柱距为5.45m。钢屋架采用跨度为9.3m的六节间芬克式三角形钢桁架。钢屋架架简支在钢筋混凝土柱上。钢材选用Q235钢，采用E43型焊条，手工焊。

1.2  荷载资料

屋面采用镀锌薄钢板，自重为；檩条采用槽钢，自重为。不上人屋面均布活荷载为，该地区基本雪压为，基本风压为。

钢屋架形式及几何尺寸：

屋面坡度：；

屋面倾角：；

钢屋架计算跨度为：；

钢屋架跨中高度为：；

上弦杆长为：；

取3节间，节间长度为：；

节间水平投影长度为：。

屋架几何尺寸如图1.1所示。

图1.1  屋架几何尺寸

根据屋盖长度，在屋盖两端第二柱间设置两道横向水平支撑。屋盖支撑结构的布置，如下图1.2所示。

 （a）上弦支撑系统； （b）竖向支撑系统

图1.2  屋盖支撑布置

1.3  设计任务

1、荷载分析、组合；

2、屋架杆件内力计算；

3、杆件截面选择；

4、节点连接设计；

5、绘制施工图。

2  钢屋架荷载设计计算

2.1  荷载计算

1、永久荷载标准值计算

屋面坡度

将沿屋面斜面分布的恒荷载换算为沿水平投影面分布的荷载，应乘以系数。

桁架沿水平投影面积分布的自重按经验公式计算^[1]。

作用在檩条上的均布线荷载为：

镀锌薄钢板                    

檩条重                        

合计                                  

2、可变荷载标准值计算

不上人屋面活载

雪荷载按不均匀分布最不利情况考虑，取

雪荷载重              

2.2  荷载组合

雪荷载与活荷载不同时考虑，取较大值，按雪荷载计算，取

因为檩条沿节间布置，先将檩条作为屋架集中荷载计算，再按经验公式计算屋架和支撑自重，最后折算为屋架上弦节点荷载^[2]。

檩条均布线荷载的组合设计值

因为屋面坡度较小，风荷载为吸力，可不考虑风荷载和积灰荷载影响^[3]。檩条作用在屋架上弦的集中力由可变荷载效应控制的组合为

屋架和支撑自重，按轻屋盖估算：

节点荷载设计值：

2.3  钢架计算简图

芬克式三角形屋架在半跨雪荷载作用下，腹杆内力不变号，故只需按全跨雪荷载和全跨永久荷载组合计算屋架杆件内力。

根据《建筑结构静力计算手册》，

图2.1 屋架计算简图

上弦杆局部弯矩计算。

按两跨连续梁计算，如下图

图2.2 节点何在上弦杆局部弯矩图

2.4  钢架内力计算

芬克式三角形屋架在半跨雪荷载作用下，腹杆内力不变号，故只需按全跨雪荷载和全跨永久荷载组合计算屋架杆件内力^[4]。

根据《建筑结构静力计算手册》，对于六节间的芬克式屋架，，先查得杆件内力系数，再乘以节点荷载，即可得出杆件内力（见下图）^[5]。最不利内力组合设计值见下表。

表2.1 不利内力组合设计值

上弦杆局部弯矩计算。

按两跨连续梁计算

端节点

中间节点及节点