《普通钢屋架》PPT课件.ppt

屋盖结构和普通钢屋架设计,3.2.4 屋盖结构,无檩体系适用于大型屋面板,有檩体系适用于轻型屋面板,组成：,无檩体系,传力路线：,屋面荷载 大型屋面板 屋架（或天窗架）,屋架、天窗架、支撑（水平和垂直支撑）、大型屋面板,优点：,屋盖横向刚度大，整体性好，构造简单，耐久。,缺点：,屋面自重较大，抗震不利。,屋面荷载 屋面板 檩条 屋架,组成：,有檩体系,传力路线：,轻质屋面板、檩条、拉条、支撑、屋架,优点：,构件自重轻，用料省，运输安装轻便。,缺点：,构件较多，构造较复杂，吊装次数较多。,1、 屋架形式和主要尺寸,确定桁架形式的原则,屋架的外形,1）屋架形式和腹杆体系,芬克式腹杆,人字式腹杆,单向斜杆式腹杆,人字式腹杆,再分式腹杆,三角形屋架,梯形屋架,腹杆体系, 单斜式短杆拉、长杆压 人字式减短上弦支承距离，避免上弦受弯 芬克式便于运输、装配 交叉式斜杆可用柔性、省材 K型式竖杆计算长度短，弦杆计算长度短 再分式减短弦杆计算长度,2） 屋架主要尺寸的确定,跨度,高度,应按经济、刚度、建筑等要求以及运输界限、屋面坡度等因素来确定。,三角形屋架:,跨中高度h=(1/61/4)l,梯形屋架:,当上弦坡度为1/81/12时，跨中高度一般为 h=(1/101/6)l 。,梯形桁架的端部高度： 当桁架与柱铰接时为1.62.2m， 刚接时为1.82.4m,最大高度取决于运输界限，如铁路运输界限为3.85m。,节间宽度,屋架上弦节间的划分应根据屋面材料而定，要尽量使屋面荷载直接作用在屋架节点上，避免上弦杆产生局部弯矩。 若采用大型屋面板时，上弦节间长度应等于屋面板的宽度，一般取1.5m或3m； 当采用檩条时，根据檩条间距而定，一般取0.8m3.0m。,支撑系统：屋盖支撑、柱间支撑,3.2.5支撑体系,一、屋盖支撑,横向水平支撑:布置在屋架上、下弦及天窗上弦平面，是沿屋架方向布置的支撑。,纵向水平支撑:布置在屋架上或下弦，是垂直屋架方向布置的支撑。,垂直支撑:布置在屋架间及天窗间，是竖向布置的支撑。,系杆:布置在屋架上、下平面及及天窗架上弦平面内。,保证屋盖结构的几何稳定性,几何不变体 系屋架稳定,几何可变体 系屋架侧倾,1、屋盖支撑的作用,平面屋架在其本身平面内由于弦杆与腹杆构成了三角形的几何不变铰接体系而具有较大的刚度，但在垂直于屋架平面方向(通称屋架平面外)，不设支撑体系的平面屋架却不能保持其几何不变。,屋架的端视图，当在屋架端部两屋架间未设垂直支撑桁架时，虽有檩条和系杆的连系，屋架相互间仍是几何可变的，在侧向力作用下屋架会倾斜；仅当设了垂直支撑桁架和系杆，才能保持各个屋架在平面外的几何稳定性。,为弦杆提供必要的侧向支承点,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。,承担并传递水平荷载,保证结构安装时的稳定与方便,保证屋盖结构的空间刚度和空间整体性,2、屋盖支撑的布置,上弦横向水平支撑,上弦横向水平支撑布置,天窗架上弦横向水平支撑布置,抵抗端墙传来风载；增加屋盖横向刚度；减小屋架上弦计算长度。,各种屋盖，包括天窗架都要设置 布置在两端第一或第二柱间 横向间距不超过60米。,下弦横向水平支撑,抵抗端墙传来风载；增加屋盖横向刚度；减小屋架下弦计算长度。,当跨度L18m； 屋架下弦设有悬挂（Q5t），有起重量较大的桥式吊车； 屋架下弦设有通长的纵向水平支撑； 与上弦横向水平支撑布置在同一柱间。,上弦支撑布置,下弦支撑布置,下弦（或上弦）纵向水平支撑,形成封闭体系，增加屋盖纵向刚度；承受和传递吊车横向水平制动力。 有重级工作制或大吨位吊车或 锻锤等振动设备时设； 屋架下弦有纵向或横向吊车轨 道时设； 有托架时设； 屋架跨度或房屋高度较高时 设； 设在下弦端节间，与下弦横向 水平支撑构成封闭支撑系统。,垂直支撑,使相邻两屋架形成几何不变空间体系，维持屋架端部及中间截面的竖向稳定。 设在有横向支撑的柱间； 对梯形屋架，至少设三道，跨 度大于30米或有天窗时增设； 对三角形屋架，跨度24m时 中间设一道，超过24m设两道,当l30m时在两端以及跨度 l3处或天窗架侧柱处共设四道。,l /3,l /3,l /3,k,系杆,f柔性系杆,k刚性系杆,(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),在垂直支撑的平面内一般设置上下弦通长系杆； 屋脊节点及支座节点处设置通长刚性系杆，天窗侧柱处及下弦跨中或跨中附近设置柔性系杆； 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。,屋盖支撑的布置,(a)上弦横向水平支撑布置,(b)下弦横向与纵向水平支撑布置,(c)天窗架上弦横向水平支撑,(d)屋架支座与跨中垂直支撑,(e)天窗架侧竖杆垂直支撑,作业：,某单跨厂房，跨度36m，长180m，柱距6m，厂房内设有一台起重量为100t的中级工作制桥式吊车，屋面材料为大型屋面板，屋面坡度为1/4，试绘出该屋盖的支撑布置图。,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。,三、屋盖支撑的形式，计算和构造,屋盖支撑的设计原则,一般不进行内力计算，杆件截面常按容许长细比来选 。,拉杆的设计可按400控制； 压杆的设计可按=200控制,上、下弦横向和纵向水平支撑的交叉斜杆通常连于屋架上、下弦杆，其横杆则常做成与刚性系杆完全相同，连接也相同。,a. 上弦支撑,b . 下弦支撑,屋盖支撑的构造,柔性系杆,刚性系杆,3.5 屋盖结构和普通钢屋架设计 (Design of Steel Roof Truss),钢屋架设计内容及步骤,1、 屋架的选型：外形、腹杆体系、主要尺寸 2、荷载计算：永久荷载、活荷载 3、内力计算 4、内力组合 5、屋架的杆件设计 6、节点设计 7、绘制屋架施工图并编制材料表,3.5.1 屋架杆件的内力计算,荷载,1） 荷载和组合,永久荷载： 屋面构造（屋面板、保温、防 水、檩条等） 屋架及支撑 天窗及吊顶的自重,建筑结构荷载规范GB50009-2012,可变荷载： 使用活荷 （悬挂吊车、屋面 活 荷、积灰等） 风荷载 雪荷载,荷载都作用在节点上； 杆件等截面； 各杆件轴线均为直线，相交于节点的中心； 各节点均为理想的铰接。,1） 永久荷载：,屋面构造（屋面板、保温、防水、檩条等） 屋架及支撑 天窗及吊顶的自重、悬挂管道等,屋架及支撑：按经验公式,q=0.117+0.011L （kN/m2）,L屋架的跨度(m),2）屋面均布活荷载或雪荷载：,屋面均布活荷载，与雪荷载不同时考虑，而取其中的较大者。,3）风荷载：,wo基本风压，见荷载规范； z高度z处的风振系数，钢屋架取1.0； z风压高度变化系数，和地面粗糙程度和高度有关，钢屋架以屋架高度中点离地面的高度来查取； s风荷载体型系数，和房屋体型、风向有关。,式中：,荷载组合,桁架内力应根据使用和施工过程中可能遇到的同时作用的最不利荷载组合情况进行计算。不利荷载组合一般考虑下列三种情况：,(1)全跨永久荷载+全跨可变荷载； (2)全跨永久荷载+半跨可变荷载； (3)全跨屋架、支撑和天窗自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载；(大型屋面板）,与柱铰接采用的组合：,事故原因,违反钢筋混凝土屋面板安装程序面造成第36轴线屋架超载。 按设计，天窗架上的屋面板应该在天窗架两侧的屋面板全部铺设完并焊好以后才能安装。,？,内力计算,屋架分析模型,节点为铰接； 所有杆件轴线平直，且在同一平面内相交于节点中心； 荷载均作用于节点上，且均在屋架平面内,2）屋架节点荷载与局部弯矩,（1）仅有节点荷载时：,（2）有节间荷载时：,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。,简化计算,M0为将上弦节间视为简支梁所得跨中弯矩。,3.5.3 屋架杆件设计,屋架分析模型,屋架的节点为铰接； 屋架所有杆件的轴线平直，且在同一平面内相交于节 点中心； 荷载均作用于节点上，且均在屋架平面内,实际屋架分析模型,屋架理想分析模型中，所有杆件均为二力杆 实际节点具有焊缝刚度、拉力杆刚度，非理想铰节点 屋架杆件长宽比满足一定要求，可认为杆件间铰节点 次弯矩：节点刚度、轴线不相交、荷载不在节点上,屋架平面内的计算长度l0x,（1） 屋架杆件计算长度,屋架平面外的计算长度l0y,上弦杆：,l0y=l1,腹杆：,l0y=l,(节件长度）,l0y=l1/2,有檩屋盖,下弦杆：,l0y=l1,（屋面板与屋架3点可靠连接）,变内力压杆:,l1=2d,（2.19）,l0=0.9l,斜平面的计算长度l0,对于双角钢组成的十字形截面和单角钢截面腹杆,截面主轴不在桁架平面内，杆件可能绕截面较小主轴发生斜平面内失稳。此时，在桁架下弦节点处尚可起到一定的嵌固作用，故取腹杆斜平面的计算长度。,交叉腹杆中杆件的计算长度,交叉腹杆中交叉点处构造：,两杆不断开,一杆不断开，另一杆断开 用节点板拼接。,交叉腹杆中杆件在桁架平面的计算长度,容许长细比：,杆件截面选取的原则：,等稳定原则,（3）截面形式,上弦：,垫板,无节间荷载时，在一般支撑布置下，loy2lox；为满足y；应使iy2ix，故采用两不等边角钢短肢相并或等肢角钢； 有节间荷载时，两不等边角钢长肢相并或等边角钢；,下弦：,下弦杆可采用双等肢角钢或两不等肢角钢短肢相并的T形截面，以提高侧向刚度，利于满足运输、吊装的刚度要求，且便于与支撑侧面连接。下弦杆截面主要由强度条件决定，尚应满容许长细比要求。,垫板,支座斜杆及竖杆：,等肢角钢相并或两不等肢角钢长肢相并,其它腹杆：,两等肢角钢相并,与竖向支撑相连的竖腹杆，用“”字截面,为了保证双角钢共同作用，在双角钢之间至少设两块垫板，且使压杆中垫板间距l040i，拉杆l080i（i为单角钢绕1-1轴回转半径）,应选用相同截面积下宽肢薄壁角钢，增加截面的回转半径，这对压杆尤为重要。 为了防止杆件在运输和安装过程中产生弯曲和损坏，角钢的尺寸不宜小于L454或L56364（对焊接结构），或L505（对螺栓连接的结构）。 一榀桁架的角钢规格应尽量统一，宜调整到不超过56种。 同时应尽量避免使用同一肢宽而厚度相差不大的角钢，同一种规格的厚度之差不宜小于2mm，以便施工时辨认。,截面选择,例题,上弦杆采用相同一截面，按最大内力计算，N=-1117.37KN,1、计算长度： 屋架平面内取节间轴线长度 l 0x =150.8cm 屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面板能起一定的支撑作用，取上弦横向水平支撑的节间长度： l 0y =3000mm,解：,考虑x = y ，选用两个不等肢角钢，短肢相并,2、截面初选：,设 =60，b类截面， =0.807，则：,3、验算：,刚度,稳定性,3.5.4 屋架节点设计,桁架节点处设置节点板，交汇于节点的各杆件均与节点板连接。,符合计算简图 传力明确、可靠 构造简单 制造、安装方便,上弦中央拼接节点,下弦中央拼接节点,上弦节点,支座节点,下弦节点,一般节点 有集中荷载的节点 拼接节点 支座节点,1、节点设计的一般要求, 节点板的厚度：节点板厚度不小6mm，支座节点板可比其他节点板厚2mm。一般，以杆件最大内力确定节点板厚度。可参照表3.15选用。, 杆件的形心线：各杆件的形心线与杆件轴线重合，并汇交于节点中心，使实际受力与计算简图相一致，减少附加偏心弯矩。通常将角钢肢背至轴线的距离取为5mm的倍数。,节点处各杆件的轴线, 在节点板处弦杆与腹杆，或腹杆与腹杆之间应留有20mm的空隙，动载时50mm以利于拼接和施焊，且避免因焊缝过于密集而导致节点板钢材变脆。, 角钢端部的切断面一般应与其轴线垂直。,当杆件较大，为使节点紧凑，斜切时，应切去肢尖。,角钢端 部的错 误做法, 节点板的形状和尺寸在绘制施工图时候决定，应该尽量简单而有规则，至少有两条边平行，不应有凹角 。,(a) 正确；(b) 不妥, 角钢应有一定厚度，一面在集中荷载下发生过大的弯曲。,2、节点的计算与构造,3)根据已计算出的各杆件与节点板的连接焊缝尺寸，布置焊缝，并绘于图上；,1)按正确角度画出交汇于该节点的各杆轴线；,2)按比例画出与各轴线相应的角钢轮廓线，并依据杆件间距离要求，确定杆端位置；,4)确定节点板的合理形状和尺寸。,焊缝长度方向应多留2hf的长度； 垂直于焊缝长度方向应留出1015mm的焊缝位置。,注：,节点设计的步骤：,（1）下弦一般节点,节点无集中荷载也无弦杆拼接,计算内容,a）连接焊缝长度和焊脚尺寸； b）节点板形状和尺寸,受力分析,b）弦杆与节点板间角焊缝：,a）腹杆与节点板间的传力 两侧角焊缝；,下弦节点,计算,a）对于焊缝“1”,根据构造要求确定焊脚尺寸hf,计算确定肢背和肢尖焊缝计算长度 lw1 、lw2,肢背焊缝：,肢尖焊缝：,式中，,肢背焊缝：,肢尖焊缝：,b）对于焊缝“2”,由于弦杆与节点板间角焊缝传递是弦杆的内力差,则，,（2）上弦节点,节点板缩进,（缩进深度(t/2+2)mm，且t，t为节点板厚度）,上弦节点,受力分析,a）腹杆与节点板间的传力(N) 两侧角焊缝；,b）上弦与节点板间的传力(N=N1-N2 ， P),塞焊缝“K” 传递集中力K1( N1-N2) , P/2,“A”焊缝 传递弦杆内力差 K2( N1-N2)， P/2,塞焊缝,计算,a）腹杆与节点板间的连接焊缝,根据构造要求确定焊脚尺寸hf,计算确定肢背和肢尖焊缝计算长度 lw1 、lw2,肢背焊缝：,肢尖焊缝：,按两条角焊缝（焊脚尺寸为0.5t）计算所需的长度:,计算,b）上弦与节点板间的连接 塞焊缝“K” 传递力K1( N1-N2) , P/2,焊缝“A” 传递力K2( N1-N2) , P/2,按两条角焊缝（焊脚尺寸为0.5t）计算所需的长度:,另一种计算方法：,塞焊缝“K” 传递力P,焊缝“A” 传递N=N1-N2和M=Ne,节点板部分伸出,当“A”焊缝强度不足时，采用节点板部分伸出方案，,上弦节点,节点板伸出,上弦节点,（3）弦杆的拼接节点,工厂拼接：拼接点通常在节点范围之外,工地拼接：拼接点通常在节点处,双角钢杆件采用拼接角钢拼接，拼接角钢宜采用与弦杆相同的规格,拼接时通过安装螺栓定位和夹紧所连接的弦杆然后再施焊。,A、下弦跨中拼接节点,计算内容,a）腹杆和节点板的连接； b）拼接角钢和下弦的连接； c）下弦和节点板的连接。,接头一侧的焊缝计算长度为：,拼接角钢的总长度为：,b）拼接角钢和下弦的连接“1”,可按下弦杆与节点板间的焊缝传递弦杆内力之差N和弦杆较大内力的15%的较大值计算。,c）下弦和节点板的连接“2”,构造：拼接角钢的弯折角用热弯形成。,B、屋脊节点,计算内容,a）腹杆和节点板的连接； b）拼接角钢和上弦的连接； c）上弦和节点板的连接。,b）拼接角钢和上弦的连接,按传递弦杆的最大内力设计,接头一侧的焊缝计算长度为：,拼接角钢的总长度为：,节点荷载由上弦角钢肢 背处的塞焊缝承受：,上弦角钢肢尖与节点板的连接焊缝按上弦内力的15%计算,并考虑此力产生的弯矩。,c）上弦和节点板的连接,屋架与柱子的连接可以设计成铰接或刚接。,4）支座节点,节点板 加劲肋 底板 锚栓,铰接支座节点,a）底板,底板面积：,锚栓孔面积,通常底板的短边尺寸不得小于200mm,底板厚度：,厚度：当屋架跨度18m时，t16mm； 当屋架跨度18m时，t20mm。 面积：宽度一般取200360mm，长度（垂直于屋架方向）取200400mm。,b）加劲肋,加劲肋与节点板的垂直连接焊缝可假定按传递支座反力的四分之一计算，并考虑焊缝为偏心受力：,焊缝所受弯矩:,焊缝所受剪力:,每块加劲肋与支座节点板的连接焊缝的计算公式为：,c）节点板、加劲肋与支座底板的水平连接焊缝的计算公式为：,刚接节点,钢屋架施工图,(1) 图纸的左上角绘制整榀屋架的简图，左半跨注明屋架的几何尺寸，右半跨注明杆件的设计内力。 (2) 图纸的正中为屋架详图及上、下弦平面图，必要数量的侧面图和零件图。 (3) 右上角绘制材料表，把所有杆件和零件的编号、规格尺寸、数量、重量和整榀屋架的重量填入表中。 ,施工图主要包括：屋架正面详图、上弦和下弦平面图，必要数量的侧面图和零件图。当屋架为对称时，可绘制半榀屋架。,钢屋架施工图的绘制的主要内容和基本要求：,(4) 钢屋架施工图可以采用两种比例绘制，屋架轴线一般用120130的比例尺，杆件截面和节点尺寸采用110115的比例尺。 (5) 施工图上应注明屋架和各构件的主要几何尺寸。 (6) 在施工图中应全部注明各零件的型号和尺寸。 (7) 跨度较大的屋架，在自重及外荷载作用下将产生较大的挠度，特别当屋架下弦有吊平顶或悬挂吊车荷载时，则挠度更大，这将影响结构的使用和有损建筑的外观。 (8) 施工图上还应加注必要的文字说明，包括钢材的钢号，焊条型号，加工精度和质量要求，图中未注明的焊缝和螺栓孔的尺寸，以及防锈处理的要求等等。,钢屋架设计作业要求,计算书一份，要求用A4纸手写： (1) 屋盖支撑布置图 (2) 荷载统计、内力计算和内力组合 (3) 截面选择和计算，上、下弦，腹杆型号5种左右（详细验算附上、下弦，二斜腹杆、跨中竖杆） (4) 节点设计：上弦节点、下弦节点、屋脊节点（要求附图） （分工合作，并注明工作内容）,荷载组合:,(3)全跨屋架、支撑和天窗自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载,(1)全跨永久荷载+全跨可变荷载,屋架上弦节点荷载（永久荷载效应控制的组合）,屋架上弦节点荷载（可变荷载效应控制的组合）,取：,(2)全跨永久荷载+半跨可变荷载,全跨永久荷载：,半跨可变荷载：,全跨屋架、支撑和天窗自重：,半跨屋面板重+半跨屋面活荷载：,取：,eI中央竖杆的计算:,十字形截面 2638 N=100.62kN,l0x=0.8l=255.2cm, l0y=l=319cm, l0=0.9l=287.1cm; A=19.03cm2,ix0=2.40cm,x0,x0,图纸目录 设计总说明 柱脚锚栓布置图 纵、横、立面图 结构布置图 节点详图 构件图 钢材及高强度螺栓估算表,钢结构设计图的内容,（一）设计总说明:,