本課程設(shè)計(jì)針對(duì)21m跨度三角形鋼屋架，采用芬克式結(jié)構(gòu)，屋面坡度1/2.5，通過(guò)計(jì)算確定屋架幾何尺寸、桿件內(nèi)力及截面選型，荷載計(jì)算考慮永久荷載（含屋面板、檁條、保溫層等）和可變荷載（活荷載與雪荷載的較大值），并對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行校驗(yàn)后忽略其影響，上弦桿按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，選用2∟100×10角鋼；下弦桿按拉桿設(shè)計(jì)，采用2∟56×4角鋼；腹桿根據(jù)內(nèi)力大小分別選用2∟50×4、∟70×6等截面，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)包括焊縫長(zhǎng)度計(jì)算及填板布置，確保滿(mǎn)足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，支撐系統(tǒng)采用上弦橫向水平支撐、下弦橫向水平支撐及垂直支撐，檁條選用[20a槽鋼，間距為節(jié)間長(zhǎng)度，跨中設(shè)拉條，最終驗(yàn)算表明，所選截面滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求，設(shè)計(jì)符合

21m三角形鋼屋架課程設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)

在現(xiàn)代建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)因其高強(qiáng)度、輕質(zhì)、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)中，21米跨度的三角形鋼屋架是一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，適用于工業(yè)廠(chǎng)房、倉(cāng)庫(kù)、體育館等大跨度建筑，本文將詳細(xì)介紹21m三角形鋼屋架的課程設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，包括設(shè)計(jì)依據(jù)、荷載計(jì)算、內(nèi)力分析、桿件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及施工圖繪制等內(nèi)容。

設(shè)計(jì)依據(jù)與規(guī)范

本次設(shè)計(jì)遵循以下主要規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)：

1. 《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068-2018）
2. 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）
3. 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（2016年版）
4. 《荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50009-2012）
5. 《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）（2018年版）

參考相關(guān)教材和設(shè)計(jì)手冊(cè),確保設(shè)計(jì)過(guò)程科學(xué)合理。

工程概況

本工程為一單層工業(yè)廠(chǎng)房，采用21米跨度的三角形鋼屋架作為屋蓋結(jié)構(gòu)，屋架形式為桁架結(jié)構(gòu)，兩端簡(jiǎn)支于鋼筋混凝土柱上，屋面材料采用壓型鋼板，檁條采用冷彎薄壁型鋼，間距1.5米，地區(qū)基本風(fēng)壓為0.4kN/m2，基本雪壓為0.5kN/m2，地震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g。

荷載計(jì)算

1 永久荷載

1. 屋面材料自重：壓型鋼板及保溫層等，按0.3kN/m2計(jì)算。
2. 檁條自重：冷彎薄壁型鋼檁條，按0.1kN/m計(jì)算。
3. 屋架自重：初步估算鋼屋架自重，按經(jīng)驗(yàn)公式或參考類(lèi)似工程，暫按0.3kN/m2計(jì)算。

永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值（Gk）： [ G_k = (0.3 + 0.1 + 0.3) \times 1.5 = 1.05 \text{kN/m} ] （考慮檁條間距1.5米）

2 可變荷載

1. 活荷載：屋面活荷載按《荷載規(guī)范》取0.5kN/m2。
2. 雪荷載：基本雪壓為0.5kN/m2，考慮屋面坡度影響，雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值（Sk）取0.5kN/m2。
3. 風(fēng)荷載：根據(jù)《荷載規(guī)范》，計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（Wk），風(fēng)荷載體型系數(shù)取μs=1.3，風(fēng)壓高度變化系數(shù)取μz=1.0（假設(shè)屋架高度不超過(guò)10米），則： [ W_k = \beta_z \mu_s \mu_z W_0 = 1.0 \times 1.3 \times 1.0 \times 0.4 = 0.52 \text{kN/m}^2 ] βz為風(fēng)振系數(shù)，取1.0。

可變荷載組合值（Qk）： [ Q_k = \max(0.5, 0.5, 0.52) = 0.52 \text{kN/m}^2 ]

3 荷載組合

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》,進(jìn)行基本組合和偶然組合。

1. 基本組合： [ S = \gamma_G G_k + \gamma_Q \psi_c Q_k ] 取γG=1.2，γQ=1.4，ψc=1.0（不考慮組合值系數(shù)），則： [ S = 1.2 \times 1.05 + 1.4 \times 0.52 = 1.26 + 0.728 = 1.988 \text{kN/m}^2 ]

2. 偶然組合：考慮雪荷載與風(fēng)荷載的不同方向組合,此處略。

內(nèi)力分析

1 計(jì)算模型

將21米跨度的三角形鋼屋架簡(jiǎn)化為平面桁架模型，節(jié)點(diǎn)為鉸接，桿件為軸心受力構(gòu)件，采用力法或位移法進(jìn)行內(nèi)力分析,此處采用力法。

2 節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算

將屋面荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載，假設(shè)屋架間距為5米（即每5米設(shè)置一道屋架），則每個(gè)節(jié)點(diǎn)承受的荷載為： [ P = S \times 5 \times 1.5 = 1.988 \times 5 \times 1.5 = 14.91 \text{kN} ] （考慮檁條間距1.5米）

3 內(nèi)力計(jì)算

利用桁架內(nèi)力計(jì)算公式，計(jì)算各桿件的軸力，以典型節(jié)點(diǎn)為例，計(jì)算其上下弦桿及腹桿的軸力，具體計(jì)算過(guò)程略,結(jié)果如下表所示：

4 內(nèi)力組合與調(diào)整

根據(jù)荷載組合情況，對(duì)各桿件的軸力進(jìn)行組合，并考慮一定的安全儲(chǔ)備,確定最終的設(shè)計(jì)內(nèi)力。

桿件設(shè)計(jì)

1 材料選擇

選用Q355B鋼材，其屈服強(qiáng)度f(wàn)y=355N/mm2，抗拉強(qiáng)度f(wàn)u=510N/mm2，伸長(zhǎng)率δ≥20%，沖擊功Akv≥34J（-20℃）。

2 截面選擇

根據(jù)各桿件的設(shè)計(jì)內(nèi)力，選擇合適的截面形式，上弦桿和下弦桿采用H型鋼，腹桿采用角鋼或圓鋼管,具體截面尺寸通過(guò)計(jì)算確定。

2.1 上弦桿設(shè)計(jì)

以最大軸力N=120kN為例，計(jì)算所需截面面積： [ A = \frac{N}{f} = \frac{120 \times 10^3}{355} = 338.03 \text{mm}^2 ] 選用HW200×100×5.5×8，其截面面積A=37.94cm2=3794mm2,滿(mǎn)足要求。

2.2 下弦桿設(shè)計(jì)

以最大軸力N=150kN為例，計(jì)算所需截面面積： [ A = \frac{N}{f} = \frac{150 \times 10^3}{355} = 422.54 \text{mm}^2 ] 選用HM250×125×6×9，其截面面積A=46.67cm2=4667mm2,滿(mǎn)足要求。

2.3 腹桿設(shè)計(jì)

以最大軸力N=80kN為例，計(jì)算所需截面面積： [ A = \frac{N}{f} = \frac{80 \times 10^3}{355} = 225.35 \text{mm}^2 ] 選用L75×5角鋼，其截面面積A=7.43cm2=743mm2,滿(mǎn)足要求。

3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)受壓桿件進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，計(jì)算其穩(wěn)定系數(shù)φ，并驗(yàn)算是否滿(mǎn)足： [ \frac{N}{\varphi A} \leq f ] 具體計(jì)算過(guò)程略,結(jié)果均滿(mǎn)足要求。

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1 節(jié)點(diǎn)形式

采用焊接節(jié)點(diǎn)，上弦節(jié)點(diǎn)和下弦節(jié)點(diǎn)采用對(duì)接焊縫,腹桿節(jié)點(diǎn)采用角焊縫。

2 焊縫計(jì)算

根據(jù)桿件內(nèi)力和焊縫強(qiáng)度，計(jì)算所需焊縫長(zhǎng)度和厚度，以腹桿與弦桿連接為例,計(jì)算角焊縫的焊腳尺寸hf。

2.1 腹桿與上弦桿連接

假設(shè)腹桿軸力N=80kN，焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ffw=160N/mm2（Q355B鋼材），則所需焊縫有效面積： [ A_w = \frac{N}{ff} = \frac{80 \times 10^3}{160} = 500 \text{mm}^2 ] 考慮雙面角焊縫，每條焊縫承擔(dān)一半荷載，即每條焊縫需要： [ A{w1} = \frac{500}{2} = 250 \text{mm}^2 ] 焊腳尺寸hf與焊縫長(zhǎng)度l的關(guān)系為： [ A_{w1} = h_f \times l ] 假設(shè)hf=6mm，則： [ l = \frac{250}{6} \approx 41.67 \text{mm} ] 實(shí)際取焊縫長(zhǎng)度l=50mm,滿(mǎn)足要求。

2.2 其他節(jié)點(diǎn)類(lèi)似計(jì)算，結(jié)果均滿(mǎn)足要求。

3 構(gòu)造要求

1. 焊縫質(zhì)量：所有焊縫應(yīng)保證質(zhì)量，避免氣孔、夾渣等缺陷。
2. 節(jié)點(diǎn)板厚度：節(jié)點(diǎn)板厚度不宜小于被連接桿件厚度的1.2倍。
3. 防銹處理：所有鋼構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行防銹處理,如噴涂防銹漆。

施工圖繪制

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繪制詳細(xì)的施工圖，包括屋架立面圖、平面圖、節(jié)點(diǎn)大樣圖等，施工圖應(yīng)清晰標(biāo)注各桿件的尺寸、規(guī)格、連接方式及焊縫要求,確保施工人員能夠準(zhǔn)確理解設(shè)計(jì)意圖。

通過(guò)本次21m三角形鋼屋架的課程設(shè)計(jì)，我們系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理和方法，掌握了荷載計(jì)算、內(nèi)力分析、桿件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及施工圖繪制等關(guān)鍵步驟，設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，確保了結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，也認(rèn)識(shí)到鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性和細(xì)致性，為今后的實(shí)際工程設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的