港闸钢结构课程设计，21m屋架的设计与分析，21m屋架钢结构课程设计及

构 屋架 课程

本次钢结构课程设计聚焦于21m屋架的设计与分析，在设计过程中，充分考虑了屋架的受力特性、使用功能以及相关规范要求，首先进行了屋架的形式选型，结合实际情况确定了合适的结构形式，接着对屋架进行内力计算，运用力学原理和方法，准确分析各杆件在不同荷载组合下的内力情况，然后根据内力结果进行杆件截面设计，确保其具备足够的强度和稳定性，在分析方面，不仅关注结构的静力性能，还对屋架的整体稳定性进行了评估，考虑了施工过程中的可行性和便利性。

钢结构屋架概述

1 屋架的基本概念

屋架是支撑屋面荷载并将其传递至下部结构（如柱或墙）的主要承重构件，钢结构屋架通常由上下弦杆、腹杆（斜杆和竖杆）组成，形成稳定的桁架体系，根据跨度不同，屋架可采用三角形、梯形、平行弦桁架等形式。

2 21m跨度屋架的结构选型

对于21m跨度的屋架,常见的结构形式包括：

• 梯形屋架：适用于较大跨度，受力合理,经济性较好。
• 三角形屋架：适用于坡度较大的屋面，但跨中弯矩较大,材料用量较多。
• 平行弦桁架：适用于轻型钢结构，构造简单,但刚度较低。

港闸在本设计中，考虑到经济性和受力合理性，选择梯形钢屋架作为设计方案。

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设计依据与荷载计算

1 设计依据

• 规范：《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）、《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）。
• 材料：Q235B钢材，屈服强度fy=235MPa，弹性模量E=206GPa。
• 屋面材料：压型钢板+保温层，屋面活荷载0.5kN/m²，雪荷载0.3kN/m²（按地区调整）。
• 风荷载：基本风压0.4kN/m²,考虑风吸力和风压力。

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2 荷载计算

屋架的荷载主要包括恒载、活载、雪载和风载,需按最不利组合进行设计。

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（1）恒载（永久荷载）

• 屋面压型钢板：0.15 kN/m²
• 保温层：0.05 kN/m²
• 檩条及支撑：0.10 kN/m²
• 合计：0.30 kN/m²

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（2）活载（可变荷载）

• 屋面活荷载：0.50 kN/m²
• 雪荷载：0.30 kN/m²（取较大值，活载控制）

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（3）风荷载

按规范计算风压系数，考虑正风压和负风压（风吸力）。

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（4）荷载组合

按《建筑结构荷载规范》进行组合：

• 基本组合：1.2恒载 + 1.4活载
• 风荷载组合：1.0恒载 + 1.4风载

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结构内力分析

1 计算简图

采用平面桁架模型，假设节点为铰接，计算各杆件内力，屋架跨度21m，高度2.5m，节间长度3m（共7个节间）。

2 内力计算方法

采用节点法或截面法计算各杆件轴力，并利用结构力学软件（如PKPM、Midas等）进行校核。

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（1）上弦杆

主要承受压力，需验算稳定性和强度。
典型内力：N_max = -150 kN（压力）

（2）下弦杆

主要承受拉力，按轴心受拉构件设计。
典型内力：N_max = +120 kN（拉力）

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（3）腹杆（斜杆和竖杆）

斜杆可能受拉或受压，竖杆通常受压。
典型内力：

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• 斜杆：N = ±80 kN
• 竖杆：N = -50 kN

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构件设计

1 上弦杆设计

• 受力特点：轴心受压，需验算整体稳定和局部稳定。
• 截面选择：双角钢（2L100×10）或H型钢（HW150×150）。
• 稳定验算：
  [

  港闸\sigma = \frac{N}{\varphi A} \leq f_y

  港闸φ为稳定系数，按长细比λ查表确定。

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2 下弦杆设计

• 受力特点：轴心受拉，按净截面强度验算。
• 截面选择：双角钢（2L80×8）或圆钢管（Φ89×4）。
• 强度验算：
  [

  \sigma = \frac{N}{A_n} \leq f_y

  ]

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3 腹杆设计

• 斜杆：可能受拉或受压，按最不利情况设计。
• 竖杆：通常受压，按轴心受压构件设计。

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节点设计

1 节点连接方式

• 焊接：适用于工厂预制，强度高，但需考虑焊接变形。
• 螺栓连接：适用于现场安装，调整方便。

2 典型节点构造

• 上弦节点：采用节点板连接，双角钢与节点板焊接。
• 下弦节点：采用高强度螺栓连接，确保抗滑移性能。

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施工图绘制

完成计算后,需绘制以下图纸：

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1. 屋架布置图：标注跨度、高度、支撑位置。
2. 杆件详图：标注截面尺寸、连接方式。
3. 节点详图：详细绘制螺栓或焊接构造。

港闸

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本次21m钢结构屋架设计采用梯形桁架形式，通过荷载计算、内力分析、构件设计及节点构造等步骤，确保了结构的安全性和经济性,设计过程中需注意：

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• 合理选择截面，避免浪费材料。
• 节点构造应传力明确，避免应力集中。
• 施工图应清晰规范，便于现场施工。

通过本课程设计，学生能够掌握钢结构屋架的基本设计方法，为未来的工程实践奠定基础。

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参考文献

1. GB 50017-2017《钢结构设计标准》
2. GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》
3. 《钢结构设计与计算》（李国强等编著）

（完）

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