本課程設計針對21m跨度三角形鋼屋架，采用芬克式結構，屋面坡度1/2.5，通過計算確定屋架幾何尺寸、桿件內力及截面選型，荷載計算考慮永久荷載（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），并對風荷載進行校驗后忽略其影響，上弦桿按壓彎構件設計，選用2∟100×10角鋼；下弦桿按拉桿設計，采用2∟56×4角鋼；腹桿根據內力大小分別選用2∟50×4、∟70×6等截面，節點設計包括焊縫長度計算及填板布置，確保滿足強度和穩定性要求，支撐系統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，間距為節間長度，跨中設拉條，最終驗算表明，所選截面滿足強度、剛度及穩定性要求，設計符合

21m三角形鋼屋架課程設計計算書

在現代建筑工程中，鋼結構因其高強度、輕質、施工速度快等優點而被廣泛應用于各類建筑的屋蓋結構中，21米跨度的三角形鋼屋架是一種常見的結構形式，適用于工業廠房、倉庫、體育館等大跨度建筑，本文將詳細介紹21m三角形鋼屋架的課程設計計算過程，包括設計依據、荷載計算、內力分析、桿件設計、節點設計及施工圖繪制等內容。

設計依據與規范

本次設計遵循以下主要規范與標準：

1. 《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB 50068-2018）
2. 《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）
3. 《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）（2016年版）
4. 《荷載結構設計規范》（GB 50009-2012）
5. 《建筑設計防火規范》（GB 50016-2014）（2018年版）

參考相關教材和設計手冊,確保設計過程科學合理。

工程概況

本工程為一單層工業廠房，采用21米跨度的三角形鋼屋架作為屋蓋結構，屋架形式為桁架結構，兩端簡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，地區基本風壓為0.4kN/m2，基本雪壓為0.5kN/m2，地震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g。

荷載計算

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計算。
2. 檁條自重：冷彎薄壁型鋼檁條，按0.1kN/m計算。
3. 屋架自重：初步估算鋼屋架自重，按經驗公式或參考類似工程，暫按0.3kN/m2計算。

永久荷載標準值（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，雪荷載標準值（Sk）取0.5kN/m2。
3. 風荷載：根據《荷載規范》，計算風荷載標準值（Wk），風荷載體型系數取μs=1.3，風壓高度變化系數取μz=1.0（假設屋架高度不超過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為風振系數，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《建筑結構可靠度設計統一標準》,進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），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：考慮雪荷載與風荷載的不同方向組合,此處略。

內力分析

1 計算模型

將21米跨度的三角形鋼屋架簡化為平面桁架模型，節點為鉸接，桿件為軸心受力構件，采用力法或位移法進行內力分析,此處采用力法。

2 節點荷載計算

將屋面荷載轉化為節點荷載，假設屋架間距為5米（即每5米設置一道屋架），則每個節點承受的荷載為： [ 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 內力計算

利用桁架內力計算公式，計算各桿件的軸力，以典型節點為例，計算其上下弦桿及腹桿的軸力，具體計算過程略,結果如下表所示：

4 內力組合與調整

根據荷載組合情況，對各桿件的軸力進行組合，并考慮一定的安全儲備,確定最終的設計內力。

桿件設計

1 材料選擇

選用Q355B鋼材，其屈服強度fy=355N/mm2，抗拉強度fu=510N/mm2，伸長率δ≥20%，沖擊功Akv≥34J（-20℃）。

2 截面選擇

根據各桿件的設計內力，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,具體截面尺寸通過計算確定。

2.1 上弦桿設計

以最大軸力N=120kN為例，計算所需截面面積： [ 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,滿足要求。

2.2 下弦桿設計

以最大軸力N=150kN為例，計算所需截面面積： [ 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,滿足要求。

2.3 腹桿設計

以最大軸力N=80kN為例，計算所需截面面積： [ 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,滿足要求。

3 穩定性驗算

對受壓桿件進行穩定性驗算，計算其穩定系數φ，并驗算是否滿足： [ \frac{N}{\varphi A} \leq f ] 具體計算過程略,結果均滿足要求。

節點設計

1 節點形式

采用焊接節點，上弦節點和下弦節點采用對接焊縫,腹桿節點采用角焊縫。

2 焊縫計算

根據桿件內力和焊縫強度，計算所需焊縫長度和厚度，以腹桿與弦桿連接為例,計算角焊縫的焊腳尺寸hf。

2.1 腹桿與上弦桿連接

假設腹桿軸力N=80kN，焊縫強度設計值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與焊縫長度l的關系為： [ A_{w1} = h_f \times l ] 假設hf=6mm，則： [ l = \frac{250}{6} \approx 41.67 \text{mm} ] 實際取焊縫長度l=50mm,滿足要求。

2.2 其他節點類似計算，結果均滿足要求。

3 構造要求

1. 焊縫質量：所有焊縫應保證質量，避免氣孔、夾渣等缺陷。
2. 節點板厚度：節點板厚度不宜小于被連接桿件厚度的1.2倍。
3. 防銹處理：所有鋼構件應進行防銹處理,如噴涂防銹漆。

施工圖繪制

根據上述計算結果，繪制詳細的施工圖，包括屋架立面圖、平面圖、節點大樣圖等，施工圖應清晰標注各桿件的尺寸、規格、連接方式及焊縫要求,確保施工人員能夠準確理解設計意圖。

通過本次21m三角形鋼屋架的課程設計，我們系統地學習了鋼結構設計的基本原理和方法，掌握了荷載計算、內力分析、桿件設計、節點設計及施工圖繪制等關鍵步驟，設計過程中，嚴格遵循相關規范與標準，確保了結構的安全性和可靠性，也認識到鋼結構設計中的復雜性和細致性，為今后的實際工程設計打下了堅實的