本次鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)聚焦于21m屋架的設(shè)計(jì)與分析，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮了屋架的受力特性、使用功能以及相關(guān)規(guī)范要求，首先進(jìn)行了屋架的形式選型，結(jié)合實(shí)際情況確定了合適的結(jié)構(gòu)形式，接著對(duì)屋架進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，運(yùn)用力學(xué)原理和方法，準(zhǔn)確分析各桿件在不同荷載組合下的內(nèi)力情況，然后根據(jù)內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行桿件截面設(shè)計(jì)，確保其具備足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在分析方面，不僅關(guān)注結(jié)構(gòu)的靜力性能，還對(duì)屋架的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估，考慮了施工過(guò)程中的可行性和便利性。

鋼結(jié)構(gòu)屋架概述

1 屋架的基本概念

屋架是支撐屋面荷載并將其傳遞至下部結(jié)構(gòu)（如柱或墻）的主要承重構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)屋架通常由上下弦桿、腹桿（斜桿和豎桿）組成，形成穩(wěn)定的桁架體系，根據(jù)跨度不同，屋架可采用三角形、梯形、平行弦桁架等形式。

2 21m跨度屋架的結(jié)構(gòu)選型

對(duì)于21m跨度的屋架,常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式包括：

• 梯形屋架：適用于較大跨度，受力合理,經(jīng)濟(jì)性較好。
• 三角形屋架：適用于坡度較大的屋面，但跨中彎矩較大,材料用量較多。
• 平行弦桁架：適用于輕型鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)造簡(jiǎn)單,但剛度較低。

在本設(shè)計(jì)中，考慮到經(jīng)濟(jì)性和受力合理性，選擇梯形鋼屋架作為設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)依據(jù)與荷載計(jì)算

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

• 規(guī)范：《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）。
• 材料：Q235B鋼材，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=235MPa，彈性模量E=206GPa。
• 屋面材料：壓型鋼板+保溫層，屋面活荷載0.5kN/m2，雪荷載0.3kN/m2（按地區(qū)調(diào)整）。
• 風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓0.4kN/m2,考慮風(fēng)吸力和風(fēng)壓力。

2 荷載計(jì)算

屋架的荷載主要包括恒載、活載、雪載和風(fēng)載,需按最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）恒載（永久荷載）

• 屋面壓型鋼板：0.15 kN/m2
• 保溫層：0.05 kN/m2
• 檁條及支撐：0.10 kN/m2
• 合計(jì)：0.30 kN/m2

（2）活載（可變荷載）

• 屋面活荷載：0.50 kN/m2
• 雪荷載：0.30 kN/m2（取較大值，活載控制）

（3）風(fēng)荷載

按規(guī)范計(jì)算風(fēng)壓系數(shù)，考慮正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓（風(fēng)吸力）。

（4）荷載組合

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行組合：

• 基本組合：1.2恒載 + 1.4活載
• 風(fēng)荷載組合：1.0恒載 + 1.4風(fēng)載

結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

采用平面桁架模型，假設(shè)節(jié)點(diǎn)為鉸接，計(jì)算各桿件內(nèi)力，屋架跨度21m，高度2.5m，節(jié)間長(zhǎng)度3m（共7個(gè)節(jié)間）。

2 內(nèi)力計(jì)算方法

采用節(jié)點(diǎn)法或截面法計(jì)算各桿件軸力，并利用結(jié)構(gòu)力學(xué)軟件（如PKPM、Midas等）進(jìn)行校核。

（1）上弦桿

主要承受壓力，需驗(yàn)算穩(wěn)定性和強(qiáng)度。
典型內(nèi)力：N_max = -150 kN（壓力）

（2）下弦桿

主要承受拉力，按軸心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)。
典型內(nèi)力：N_max = +120 kN（拉力）

（3）腹桿（斜桿和豎桿）

斜桿可能受拉或受壓，豎桿通常受壓。
典型內(nèi)力：

• 斜桿：N = ±80 kN
• 豎桿：N = -50 kN

構(gòu)件設(shè)計(jì)

1 上弦桿設(shè)計(jì)

• 受力特點(diǎn)：軸心受壓，需驗(yàn)算整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。
• 截面選擇：雙角鋼（2L100×10）或H型鋼（HW150×150）。
• 穩(wěn)定驗(yàn)算：
  [ \sigma = \frac{N}{\varphi A} \leq f_y ] φ為穩(wěn)定系數(shù)，按長(zhǎng)細(xì)比λ查表確定。

2 下弦桿設(shè)計(jì)

• 受力特點(diǎn)：軸心受拉，按凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算。
• 截面選擇：雙角鋼（2L80×8）或圓鋼管（Φ89×4）。
• 強(qiáng)度驗(yàn)算：
  [ \sigma = \frac{N}{A_n} \leq f_y ]

3 腹桿設(shè)計(jì)

• 斜桿：可能受拉或受壓，按最不利情況設(shè)計(jì)。
• 豎桿：通常受壓，按軸心受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)。

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1 節(jié)點(diǎn)連接方式

• 焊接：適用于工廠預(yù)制，強(qiáng)度高，但需考慮焊接變形。
• 螺栓連接：適用于現(xiàn)場(chǎng)安裝，調(diào)整方便。

2 典型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

• 上弦節(jié)點(diǎn)：采用節(jié)點(diǎn)板連接，雙角鋼與節(jié)點(diǎn)板焊接。
• 下弦節(jié)點(diǎn)：采用高強(qiáng)度螺栓連接，確?？够菩阅堋?

施工圖繪制

完成計(jì)算后,需繪制以下圖紙：

1. 屋架布置圖：標(biāo)注跨度、高度、支撐位置。
2. 桿件詳圖：標(biāo)注截面尺寸、連接方式。
3. 節(jié)點(diǎn)詳圖：詳細(xì)繪制螺栓或焊接構(gòu)造。

本次21m鋼結(jié)構(gòu)屋架設(shè)計(jì)采用梯形桁架形式，通過(guò)荷載計(jì)算、內(nèi)力分析、構(gòu)件設(shè)計(jì)及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等步驟，確保了結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,設(shè)計(jì)過(guò)程中需注意：

• 合理選擇截面，避免浪費(fèi)材料。
• 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)傳力明確，避免應(yīng)力集中。
• 施工圖應(yīng)清晰規(guī)范，便于現(xiàn)場(chǎng)施工。

通過(guò)本課程設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠掌握鋼結(jié)構(gòu)屋架的基本設(shè)計(jì)方法，為未來(lái)的工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

1. GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》
2. GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》
3. 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算》（李國(guó)強(qiáng)等編著）

（完）