《钢屋架设计》PPT课件.ppt

2.1 结构形式与结构布置 2.2 计算原理 2.3 钢屋架设计 内容提示： v 一般说明 v 屋架外形及腹杆形式 v 屋盖支撑 2.1 结构形式和结构布置 q 重型厂房的组成： 柱、屋架、吊车梁、天窗架、支撑。 （图2-1示） q 重型厂房结构形式： 单层刚(框)架 多层刚架 2.1.1 一般说明 柱 屋架 吊车梁 天窗架 柱间支撑 q 屋盖结构体系： 钢屋架大型屋面板结构体系 钢屋架檩条轻型屋面板结构体系 横梁檩条轻型屋面板结构体系 q吊车的工作制等级与工作级别的对应关系 工作制等级 轻级 中级 重级 特重级 工作级别 A1A3 A4,A5 A6,A7 A8 （按照吊车使用的频繁程度） 1.影响柱网布置因素： 1）生产工艺流程要求 2）结构上的要求：在保证厂房具有必需的刚度和强 度的同时，注意柱距和跨度的类别尽量少些，以 利施工。 3）经济要求：应使总用钢量最少。 4）模数要求：柱距L的取值: 一般地，在跨度不小于 30m、高度不小于14m、吊车额定起重量不小于 50t时，柱距取12m较为经济;参数较小的厂房取 6m柱距较为合适。如果采用轻型围护结构，则取 大柱距15m，18m及24m较适宜。 2.1.1.1 柱网布置和计算单元 图2-2 柱网布置 计算单元 （拔柱时设置托梁或托架） q拔柱：由于工艺要求或其它原因，有时需要将 柱距局部加大。如图22中，在纵向轴线B与 横向轴线L相交处不设柱子，因而导致轴线k和 m之间的柱距增大，这种情形有时形象地称为 拔柱。 q托架（托梁）：上承屋架，下传柱子。 q 托架与屋架的连接 叠接：构造简单，便于施工，但托架（托 梁）受扭。 平接：可以有效地减轻托架（托梁）受扭的 不利影响，较常用。 托梁与屋架的连接 2.温度收缩缝 : 超出表2-1中数值时,应考虑温度应力和温度变形 的影响。通常是设置双柱，也可通过设置滑动支座 。 结构情况 纵向温度区段(垂 直屋架或构架跨度 方向) 横向温度区段(屋架或构架跨 度方向) 柱顶为刚接柱顶为铰接 采暖房屋和非采暖 地区的房屋 热车间和采暖地区 的非采暖房屋 露天结构 220120150 180100125 120- 温度区段长度表(m) 表2-1 2.1.1.2 横向框架及其截面选择 横向框架梁与柱的连接形式： 刚接框架：（a)、（b）横梁与柱子的刚接连接 铰接框架：（c）横梁与柱子的铰接连接。 （a）（b）（c） q 柱脚刚接：可以削减上柱柱顶的弯矩值， 增大横向框架的刚度。 q 铰接框架：横梁与柱子铰接，适用于吊车起 重量不很大的轻型维护结构。 q 刚接框架：横梁与柱子刚接。适用于设有 双层吊车，装备硬钩吊车等的 单跨重型厂房。 q 阶梯形柱： 上段柱：实腹 式,格构式。 下段柱：缀条格 构式。 q 分离式柱： 吊车肢,屋盖肢 优点：减小两肢在 框架平面内的计算长度, 两肢分别单独承担荷载 。 q 阶梯形下柱的常见截面形式： 图2-6 双肢格构式柱 阶形柱的上柱起重量较小的边柱起重量50t的中柱 起重量50t的中柱起重量较大的边柱特大型厂房的下柱 q A6一A8级吊车的单跨厂房 柱子与基础 刚性连接 纵向刚度 横向刚度 柱间 支撑 屋架与柱子 刚性连接 q 双臂肩梁：刚度大，整体性好，适宜用于柱截 面宽度较大（不小于900mm)的情形。 q 肩梁 ：将各阶柱段连在一起。 肩梁 单臂肩梁 （图2-7a ） 双臂肩梁（ 图2-7a） 构造要求：肩梁惯 性矩宜大于上柱的 惯性矩，其线刚度 与下柱单肢线刚度 之比一般宜不小于 25，其高跨比可控 制在0.350.5之 间。 q下层柱间支撑：吊车梁下部的柱间支撑 2.1.1.3 柱间支撑 q上层柱间支撑：吊车梁上部的柱间支撑 刚性系杆刚性系杆 下层柱间支撑 上层柱间支撑 垂直 支撑 1.柱间支撑的布置： 1）每列柱都要设柱间支撑。 2）多跨厂房的中列柱的柱间支撑要与边列柱的柱 间支撑布置在同一柱间。 3）下层柱间支撑一般宜布置在温度区段的中部， 以减少纵向温度应力的影响。 4）上层柱间支撑除了要在下层柱间支撑布置的柱 间设置外,还应当在每个温度区段的两端设置。 5）每列柱顶均要布置刚性系杆。 2.柱间支撑的作用： 1）承受并传递纵向水平荷载： 作用于山墙上的风荷载、吊车纵向水平荷载、 纵向地震力等。 2）减少柱在平面外的计算长度。 3) 保证厂房的纵向刚度。 3.柱间支撑的形式： (a)单层十字形；(b)人字形；(c)门形; (d)双层十字形 下层柱间 支撑的形式 (a)十字形； (b)人字形； (c)V字形 上层柱间 支撑的形式 q桁架是指由直杆在端部相互连接而组成的格子式结构 。桁架中的杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力。 应力在截面上均匀分布，桁架用料经济，结构 的自重小，易于构成各种外形以适应不同的用途 。 q在工业与民用房屋建筑中，当跨度比较大时用梁作屋 盖的承重结构是不经济的，这时都要用桁架 。 2.1.2 屋架外形及腹杆形式 2.1.2.1桁架的应用 2.1.2.2桁架的外形及腹杆形式 芬克式腹杆人字式腹杆豪式腹杆 人字式腹杆再分式腹杆 人字式腹杆交叉式腹杆 三角形屋架 梯形屋架 平行弦屋架 2.1.2.3.确定桁架形式的原则 三角形屋架：适合于波形石棉瓦、瓦楞铁皮, 坡度一般在1/31/2 梯形屋架：压型钢板和大型钢筋混凝土屋面板， 坡度一般在1/21/8 1.满足使用要求： 2.受力合理： 1）弦杆：使各节间弦杆的内力相差不太大 。 简支屋架外形与均布荷载下的抛物线 形弯矩图接近时，各处弦杆内力才比 较接近。 2）腹杆：应使长杆受拉短杆受压，且腹杆数 量宜少，腹杆总长度也应较小。 q 单向斜杆式： 斜腹杆受拉 竖腹杆受压 合理 斜腹杆受压 竖腹杆受拉 不合理 q再分式腹杆减少受压上弦节间尺寸，避 免节间的附加弯矩也减少了上 弦杆在屋架平面内的长比 。 q交叉式腹杆主要用于可能从不同方向受力 的支撑体系。 再分式腹杆交叉式腹杆 3 .制造简单及运输与安装方便 杆件数量少，节点少，杆件尺寸划一及节 点构造形式划一。平行弦桁架最容易符合 上述要求。 4. 综合技术经济效果好 q 三角形屋架下 弦下沉，弦杆交 角增大，方便制 造，屋架重心降 低，提高了稳定 性。 q 可有效降低屋 架对支撑结构的 推力。 根据不同的条件桁架形式可以有很多变化 跨度 L工艺及使用要求 高度 H经济、刚度、运输、坡度等 各种屋架中部高度： 三角形屋架： 中部高度H(1/61/4)L 梯形屋架 ： 中部高度H(1/101/6)L 端部高度H0(1.82.1m) 2.1.2.4 桁架主要尺寸的确定 2.1.3屋盖支撑 屋盖上弦横向水平支撑 屋盖下弦横向水平支撑 屋盖下弦纵向水平支撑 竖向支撑 系杆 图216屋盖支撑作用示意图 1.保证屋盖结构的几何稳定性。 几何可变体 系屋架侧倾 几何不变体 系屋架稳定 2.1.3.1屋盖支撑的作用 2.保证屋盖的刚度和空间整体性 横向水平支撑是一个水平放置(或接近水平 放置)的桁架,支座是柱或垂直支撑 。 纵向水平支撑：提高屋架平面内（横向）抗 弯刚度，使框架协同工作，形成空间整体性， 减少横向水平荷载作用下的变形。 3.为弦杆提供适当的侧向支承点 支撑可作为屋架弦杆的侧向支承点，减小弦杆 在屋架平面外的计算长度，保证受压上弦杆的 侧向稳定，并使受拉下弦保持足够的侧向刚度。 4.承担并传递水平荷载 如传递风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震荷载。 5.保证结构安装时的稳定与方便 2.1.3.2屋盖支撑的布置 1.上弦横向水平支撑布置原则: 在有檩条或只采用大型屋面板的屋盖中都应设 置屋架上弦横向水平支撑，当有天窗架时，天 窗架上弦也应设置横向水平支撑。 设置在房屋的两端 ,一般设在第一个柱间或设 在第二个柱间,间距L060m。 上弦横向水平支撑布置图 2.下弦横向水平支撑布置原则 ： 当跨度L18m； 设有悬挂式吊车起重量大于5吨； 厂房内设有较大的振动设备。 与上弦横向水平支撑布置在同一柱间。 3.纵向水平支撑布置原则 ： 厂房内设有托架，或有较大吨位的重级、中级 工作制的桥式吊车； 或有壁行吊车，或有锻锤等大型振动设备； 以及当房屋较高，跨度较大，空间刚度要求高时 。 下弦水平支撑布置图 4.垂直支撑布置原则 ： q所有房屋中均应设置垂直支撑。 q梯形屋架在跨度L30m，三角形屋架在跨度 L24m时，仅在跨度中央设置一道 。当跨度大 于上述数值时宜在跨度13附近或天窗架侧柱 外设置两道 。 q梯形屋架不分跨度大小，其两端还应各设置 一道，当有托架时则由托架代替 。 q垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同 一柱间。 屋盖支撑布置图 屋架的垂直支撑布置 5.系杆 刚性系杆：能承受拉力也能承受压力的系杆。 柔性系杆：只能承受拉力的系杆。 作用：为没有参与组成空间稳定体的屋架提供 上下弦的侧向支承点。 布置原则： q在垂直支撑的平面内一般设置上下弦系杆； q屋脊节点及主要支承节点处需设置刚性系杆， 天窗侧柱处及下弦跨中或跨中附近设置柔性系杆； q当屋架横向支撑设在端部第二柱间时，第一柱间 所有系杆均应为刚性系杆。 各种支撑都是一个平面桁架，桁架的腹杆一般采用交 叉斜杆 。 2.1.3.3 屋盖支撑的杆件及支撑的计算原则 竖腹杆：竖杆 弦杆：相邻屋架弦杆兼作 横向支撑桁架的弦杆 腹杆 支撑 桁架 斜腹杆：支撑 q屋盖支撑受力比较小，一般不进行内力计算，杆件 截面常按容许长细比来选 。 q拉杆单角钢 q压杆双角钢 q当支撑桁架受力较大，应按桁架体系计算内力，按 图示拉杆（压杆退出工作）计算并据以选择截面。 屋盖支撑一般按简支平行弦桁架计算 柱间支撑可按悬臂平行弦桁架计算 支撑受力一般较小，可按刚度要求确定 构件截面 交叉支撑按拉杆设计 常用截面形式：角钢/圆钢（张紧装置） 斜腹杆与弦杆夹角3060度 支撑体系支撑构件的设计 v荷载计算 v刚架内力计算 2.2 计算原理 计算单元 简化 单层房 屋结构 平面 桁架 1.永久荷载（恒载） 屋面恒载 檩条自重 屋架、其它构件自重和围护结构自重 2.可变荷载（活载） 屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载 及吊车荷载。 3.施工荷载 2.2.1 荷载计算 风荷载：标准值： z 风压高度变化系数 s体型系数 z风振系数 风荷载标准值Wk是沿垂直建筑物表面方 向作用的，为方便将其投影到水平上。 q屋架计算单元宽b、跨度方向长为h范 围内风荷载应合力为： q投影到水平面上的值Po为： q为简化计算，引入当量惯性矩将格构式拄和屋架 换算为实腹式构件进行内力分析。 当量惯性矩： 2.2.2 架内力计算 A和A分别为格构柱两肢（或屋架上下两弦）截面积 X和X格构式柱两肢（屋架上下两弦）的截面形心到 格构式柱截面中性轴的距离。 反映剪力和几何形 状的修正系数。 =0.9 平行弦 =0.8 上弦坡度i = 0.1 =0.7 上弦坡度i = 0.125 对于屋架：其当量惯性矩为： h为上下两弦截面形心之间的距离。 屋架尺寸未定时，可按下式估算其当量惯性矩。 Mmax简支屋架在屋面荷载作用下的跨中弯矩。 f 弦杆抗拉强度设计值。 内力分析： q依叠加原理，内力分析只需针对几种 基本类型进行。 单跨刚架： （1）永久荷载； （2）屋面活荷载； （3）左风（右风荷载）； （4）吊车左（右）刹车力； （5）吊车小车靠近左（右）时的重力。 q手算或电算 按照建筑结构荷载规范(GB50009)的规定， 结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出 现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限 状态，依照组合规则进行荷载效应的组合，并取 最不利组合进行设计。 2.2.3 内力组合原则 对于一般的刚(框)架，按承载能力极限状态设计时， 构件和连接可取下列简化公式中的最不利值确定： SGK、SQK按规范规定的标准值算得的永久荷载效 应和可变荷载效应 G、Q永久荷载分项系数和可变荷载分项系数 荷载效应组合的目的：找到最不利组合情形对构件 和连接进行校核。分别按校核构件中出现的内力，寻 求它们分别取可能的最大值时的组合进行校核 。 q 受弯构件： q 压弯构件： 内力组合表 v桁架的内力计算 2.3 钢屋架设计 v桁架杆件的计算长度 v杆件截面型式 v一般构造要求与截面选择 v桁架的节点设计 v桁架施工图 1. 荷载分项系数及荷载组合系数按建筑结构荷 载规范选取。 2. 按节点荷载作用下的铰接平面桁架分析内力， 常用的内力分析方法有图解法、解析法、电 算。具体分析时，可先分别计算全跨和半跨单 位节点荷载作用下的内力，根据不同的荷载组 合，列表计算。 2.3.1 桁架内力计算 计算内力系数 3.节点刚性影响 节点刚性引起杆件次应力，次应力一般较小， 不予考虑。但荷载很大的重型桁架有时需要计 入次应力的影响。 4.杆件的内力变号 屋架中部某些杆件在全跨荷载时受拉，而在半 跨荷载时可能受压。 半跨荷载：活荷载、雪荷载、积灰荷载、单侧 施工 5.节间荷载作用的屋架 将节间荷载分配到相邻的节点上，按只有节点荷载作 用的屋架计算各杆内力。 直接承受节间荷载的弦杆为压弯构件（N，M）。 局部弯矩M理论上应按弹性支座上的连续梁计算。 M0为将上弦节间视为简支梁所得跨中弯矩。 简化计算： 计算长度概念：将端部有约束的压杆化作等 效的两端铰接的理想轴心压杆。 (a) (b) (c) 杆端约束越强，杆件计算长度越短，临界荷 载越高 。 2.3.2桁架杆件的计算长度 1. 影响钢屋架杆端约束大小的因素： 1）杆件轴力性质 拉力使杆拉直，约束作用大，压力使杆 件弯曲，约束作用微不足道。 2）杆件线刚度大小 线刚度越大，约束作用越大，反之，约 束作用越小。 3）与所分析杆直接刚性相连的杆件作用大， 较远的杆件作用小。 2.3.2.1受压弦杆和单系腹杆的计算长度 2. 杆件计算长度： q 桁架平面内计算长度 弦杆 支座斜杆 (节间长度） 支座竖杆 中间腹杆 屋架杆件的计算长度 q 桁架平面外计算长度 弦杆 （侧向支撑点间距离） 腹杆 （节间长度 ） 单角钢腹杆和双角钢十字形腹杆， 绕最小主轴弯曲时杆轴处于斜平面内，其端部 所受约束介于屋架平面内外的两种情况之间。 平面内计算长度: 平面外计算长度： 考虑受力较小的杆件对受力大的杆件的“援助”作用。 2.3.2.2 变内力压杆的计算长度 q 交叉腹杆中交叉点处构造： 1）两杆不断开。 2）一杆不断开，另一杆断开 用节点板拼接。 2.3.2.3交叉腹杆中压杆的计算长度 q 桁架平面内计算长度： 无论另一杆为拉杆或压杆，两杆互为支承点。 q 桁架平面外计算长度： 拉杆可作为压杆的平面外支承点，压杆除非受力 较小且不断开，否则不起侧向支点的作用。 GB50017规范中交叉腹杆中压杆的平面外 计算长度计算公式（P90，表2-4）： 1）相交另一杆受压，两杆截面相同并在交 叉点不中断 2) 相交另一杆受压，此另一杆在交叉点中 断但以节点板搭接。 3）相交另一杆受拉，两杆截面相同并在交叉点 不中断。 4）相交另一杆受拉，此拉杆在交叉点中断但以 节点板搭接。 当此拉杆连续而压杆在交叉点中断但以节点板搭接。 若 或拉杆在桁架平面外的抗弯刚度 时， 式中， 为节点之间的距离， 为所计算杆内力， 为相交另一杆内力，取绝对值。 容许长细比，查规范（GB50017)。 当另一杆受拉，且两杆拉压力相同时，不论此拉杆 是否中断，压杆的计算长度均为 ,当另一杆受 压时，若两杆压力相同且不中断，计算长度为 ， 若另一杆断开，则压杆的计算长度将大于 。 刚度要求： 桁架杆件的容许长细比 杆 件 名 称 压杆 拉杆 承受静力荷载或间接承受动力荷载 的结构 直接 承受 动力 荷载 的结 构 无吊车和有轻中级 工作制吊车的厂房 有重级工作 制吊车的厂 房 普通钢屋架的 杆件 150350 250250 轻钢屋架的主 要杆件 天窗构件 屋盖支撑杆件 200400350 轻钢屋架的其 他杆件 350 杆件截面选取的原则： 承载能力高，抗弯强度大， 便于连接，用料经济，通常 选用角钢和T型钢 等强设计： 压杆对截面主轴具有相等或接近的稳定性。 单轴对称截面绕对称轴屈曲时考 虑扭转效应的换算长细比。 2.3.3杆件截面型式 截面伸展 壁厚较薄 外表平整 角钢杆件截面形式 受压弦杆： 有节间荷载时 受拉弦杆： 支座斜腹杆及竖杆： 其他腹杆： 连接垂直支撑的竖杆 ： 垂直支撑传力时竖 杆不致产生偏心， 方便吊装。 优点：耐腐蚀，经济性好（节省钢材12%15%), 减少用工15%20%。 T型钢-屋架弦杆 屋架构造的一般要求 1.同一榀屋架中，角钢的规格不超过56种 最小角钢 L45X4或L56X36X4,L18m 的小角钢屋 架不受此限。 2.3.4 一般构造要求与截面选择 2.屋架杆件中的填板。 作用：保证两角钢共同工作。 间距：压杆 拉杆 i 一个角钢的回转半径。T形截面为 对平行于填板形心轴；十字形截面为最小值。 数量：不小于2个。 拉杆：强度，刚度 压杆：强度，稳定，刚度。 压弯构件：强度，稳定，刚度。 双角钢压杆和轴对称放置的单角钢压杆绕对称轴失稳时 的换算长细比可以用简化公式（2-6a2-9b)计算。 2.3.4.2 桁架杆件截面选择 任务：确定节点的构造，连接焊缝及节点承载力的计 算。节点的构造应传力路线明确、简捷、制作安装方便 。 注意：节点板只在弦杆与腹杆之间传力，不直接参与 传递弦杆内力，弦杆若在节点板处断开，应设置拼接角 钢在两弦杆间直接传力。 2.3.5 桁架节点设计 1.节点设计的一般原则 双角钢截面杆件在节点处以节点板相连，各杆 轴线（型钢形心轴线）汇交于节点中心。 角钢的切断面应与其轴线垂直，需要斜切以便 使节点紧凑时只能切肢尖。 2.3.5.1双角钢截面杆件的节点 如弦杆截面需变化，截面改变点应在节点上。 偏心力矩： -第i杆的线刚度 当偏心e0.05h时考 虑偏心对杆件产生的 附加弯矩： 节点板上各杆件之间的间距a: 受静载时， 受动载时， (5)节点板的尺寸与形状 节点板形状对焊缝受力的影响 (a) 正确；(b) 不妥 2.节点板设计： 形状简单、规则，如矩形、梯形 梯形和平行弦屋架的节点半板厚度由腹 杆最大内力确定，三角形屋架节点半板 厚度由上弦杆内力决定。在一榀屋架中 支座节点板厚度可以大2mm,其他节点板 厚度相同。 节点板的拉剪破坏： 第i段的拉剪折算系数 第i段破坏线与拉力轴线的夹角 第i段破坏面的截面积 单根腹杆的节点板按下式计算： 节点板的有效宽度，当用螺栓连接时，应取净宽度 板件厚度， 应力扩散角，取30。 对无竖腹杆的节点板， 当 节点板的稳定承载力可取为 c为受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向 由试验研究，桁架节点板在斜腹杆压力作用下的稳定 ： 对有竖腹杆的节点板，当 在任何情况下 不得大于 ， 至弦杆的净距离，t为节点板厚度。 可不计算稳定,否则应进行稳定计算 。 时， 时， 1）节点板边缘与腹杆轴线之间的夹角不小于30 2）斜腹杆与弦杆夹角应在3060 3）节点板的自由边长度与厚度之比不得大于 ，否则应沿自由边设加劲肋。 用上述方法计算桁架节点板强度和稳定的要求 在任何情况下，不得大于 当时，应进行稳定计算 3.节点的构造与计算 一般节点 节点无集中荷载也无弦杆拼接的节点。 腹杆与节点板间的传力-两侧角焊缝 （L形围焊缝，三面围焊缝），按受轴 心力角钢的角焊缝计算。 弦杆与节点板间角焊缝只传递差值， 按下式计算其焊缝长度。 肢背焊缝： 肢尖焊缝： 有集中荷载的节点 q节点板伸出 槽焊缝“K”假定只传递P力，按两条角焊缝 （焊脚尺寸为0.5t）计算所需的长度。 “A”焊缝传递弦杆两端内力差N=N1-N2和偏 心力矩M=Ne。焊缝两端的最大 合成应力： q 节点板部分伸出 当“A”焊缝强度不足时，采用 节点板伸出方案， 肢尖“A” 与肢背“B”两条焊缝传递弦杆 与节点板间内力， P较小，近似按只承受轴力时 的肢尖和肢背的分配系数将 下弦跨中拼接节点 构造：拼接角钢采用与弦杆相同的规格， 切去竖肢及切去直角边棱，安装螺栓， 拼接角钢与节点板各焊于不同的连接单元。 焊缝计算 弦杆自身拼接焊缝（“C”焊缝），传递两侧弦杆 内力的较小值N,考虑到截面形心处的力与拼接角 钢两侧的焊缝近于等距，N力由两根拼接角钢的四 条焊缝平分传递。弦杆和连接角钢连接一侧的焊 缝长度为： 拼接角钢长度为 内力较大一侧的下弦杆与节点板间的焊缝