《钢结构原理与设计》课程设计指导书.doc

1 钢结构原理与设计 课程设计指导书 某车间钢屋盖设计 2014 11 10 2 一 屋架形式和主要尺寸 1 屋架形式的选取 综合考虑房屋的用途 建筑造型 屋面材料的排水要求 屋架的跨度 荷载的大小等因 素 使之符合适用 受力合理 经济和施工方便等原则来选取 按其外形可分为以下三种 1 三角形屋架 适用于屋面坡度较大的有檩屋盖结构 根据屋面排水 上弦坡度一般为 i 1 2 1 3 跨 度一般在 18 24m 屋架与柱铰接 房屋的横向刚度较低 且屋架弦杆内力变化大 支座大 跨中小 承载力不能充分利用 常见的腹杆体系有单斜杆式 人字式和芬克式 2 梯形屋架 适用于屋面坡度较小的无檩屋盖结构 上弦坡度一般为 i 1 8 1 6 跨度 36m 屋架与 柱可刚接也可铰接 梯形屋架外形较接近于弯矩图 受力合理 是目前无檩体系的工业厂房 屋盖中应用最广的形式 常见的腹杆体系有人字式和再分式 3 平行弦屋架 该屋架具有杆件规格统一 节点构造统一 便于制造等优点 其上下弦杆相互平行 且 可做成不同坡度 一般用于托架或支撑体系 2 屋架主要尺寸的确定 1 跨度 屋架的标志跨度 l 指柱网轴线间的横向间距 无檩体系屋盖中应与大型屋面板的宽度相 适应 以 3m 为模数 计算跨度 l0 屋架两端支座反力间的距离 简支于柱上 柱网封闭式 0 300 400 llmm 柱网非封闭式 0 ll 与钢柱刚接时 取钢柱内侧面距离 2 高度 屋架高度应根据经济 刚度和建筑等要求 以及屋面坡度 运输条件等条件确定 最大高度 由运输条件和建筑高度确定 最小高度 由屋架容许挠度确定 经济高度 由屋架杆件的总用钢量最少的条件确定 一般情况下 可按下式估算 三角形 跨中 4 6hll 梯形 跨中 梯形 端部 6 10hll 1 1 6 2 2 1 8 2 4 m h m 刚刚 刚刚 3 注 跨度较大 三角形屋架 15m 和梯形屋架 24m 的屋架 因较大挠度不满足要求 时 可起拱 预先给屋架一个向上的反挠度 以抵消屋架受荷后的部分挠度 起拱高度为 跨度的 1 500 3 上弦节间长度 上弦节间长度的划分应根据屋面材料而定 尽量使屋面荷载直接作用在屋架节点上 避 免上弦杆件产生局部弯矩 无檩体系 上弦节间长度应等于屋面板的宽度 一般取 1 5 或 3m 有檩体系 根据檩条间距而定 一般取 1 2 2m 二 屋盖支撑布置 屋架为平面桁架 需要用各种支撑和纵向杆系连成空间几何不变的体系 才能承受荷载 屋盖支撑的设置不仅增强屋盖结构的空间刚度 还为屋架上下弦节点提供侧向支撑点 减小 计算长度 提供侧向稳定性 并保证屋盖结构安装时的稳定和方便 下面分别介绍各类支撑 级系杆的布置 组成 形式及计算 1 上弦横向水平支撑 一般布置在屋盖两端 或每个稳定区段的两端 的两榀相邻屋架的上弦杆之间 位于屋 架上弦平面内沿屋架全垮布置 形成平行弦桁架 其节间长度约为屋架节间距的 3 4 倍 它 的弦杆为屋架的上弦杆 腹杆由交叉的斜杆和竖杆组成 交叉斜杆可用单角钢也可用圆钢制 成 竖杆常用双角钢的 T 形截面 当屋架有檩条时 竖杆也可由檩条兼任 2 下弦横向水平支撑 它与上弦横向水平支撑同一开间布置 位于屋架下弦平面 也形成一个平行弦桁架 构 造同上弦横向支撑 3 下弦纵向水平支撑 它位于屋架下弦两端节间处 位于下弦平面 沿房屋全长布置 也组成一个有交叉斜杆 及竖杆的平行弦桁架 其端竖杆为屋架端节间的下弦 它与横向水平支撑组成封闭的支撑框 架 以保证屋盖结构有足够水平刚度 一般可不设置下弦纵向水平支撑 仅在厂房有较大起重量的桥式吊车 壁行吊车或锻锤 等较大振动荷载时 以及厂房高度或跨度较大或空间刚度要求较大时 进行才设置 4 垂直支撑 垂直支撑位于上 下弦横向水平支撑同一开间内 形成一个跨长为屋架间距的平行弦桁 架 它的上下弦杆分别为上下弦横向水平支撑的竖杆 端竖杆是屋架的竖杆 中央腹杆的形 式根据高跨比决定 可采用 W 形或双节间交叉斜杆等 截面为单角钢或双角钢 T 形截面 4 图 1 屋盖支撑布置 具体设置如下 梯形屋架 l 30m 两端和跨中各设一道 l 30m 两端和 1 3 处共设 4 道 三角形屋架 l 18m 跨中设一道 l 18m 1 3 处共设 2 道 5 系杆 在未设置横向支撑的开间 相邻平面屋架由系杆连接 通常在屋架两端 有垂直支撑位 置的上下弦节点及屋脊和天窗侧柱位置 沿房屋纵向通长布置 对有檩体系可用檩条兼做 5 系杆分为 柔性 只能承受拉力 按 l 350 设置 常采用单角钢和圆钢截面 刚性 能承受压力 按 l 200 设置 常用双角钢 T 形和十字形截面 注 一般在屋架下弦端部及上弦屋脊处设置刚性系杆 其余为柔性系杆 当房屋两端为山墙时 上下弦横向水平支撑和垂直支撑可设在第二开间 此时第一 开间的系杆为刚性的 当房屋大于 60m 时 应在中间增设一道或几道上下弦横向水平支撑和垂直支撑 支撑因受力较小不进行内力计算 其截面按 l 和构造要求设置 交叉斜杆按拉杆 l 350 控制 非交叉斜杆 弦杆按压杆 l 200 设置 例 1 某车间跨度 30m 柱距为 6m 厂房总长度为 90m 屋面采用 1 5m 6m 预应力大型屋 面板 其屋面支撑系统布置如图 1 三 屋架的荷载和内力计算 1 荷载计算 1 屋架荷载 永久荷载 屋面材料 保温层 防水层 屋面板等 和檩条 屋架 天窗架 支撑及天 棚等结构自重 对于屋架和支撑按下面估算 按屋面水平投影面分布 0 120 011 WK gl 式中 l 为屋架的标志跨度 当屋架下弦不设吊顶近似假定全部作用于屋架的上弦节点 当设 有吊顶假定上下弦节点平均分配 可变荷载 屋面活荷载 风荷载 积灰荷载 雪荷载和悬挂吊车荷载 注 屋面荷载沿屋面斜面分布时应换算为水平投影面上 其中只有风荷载是垂直于屋面 斜面上 其它均为水平投影面上的荷载 无需换算 2 节点荷载 屋架荷载通过檩条和大型屋面板肋以集中力形式作用于屋架的节点上 G QK Pq a s 式中 s 为屋架的间距 a 为上弦节点的水平投影长度 如图 2 所示 注 弦杆若有节间荷载 先分配到相邻的两个节点上 与该节点原有节点荷载叠加 解得各 杆轴力 然后计算由实际节间荷载作用情况下的弦杆内局部弯矩 2 荷载组合 6 图 2 考虑施工和使用过程中可能出现的不利荷载组合 一般有 全跨永久荷载 全跨可变荷载 全跨永久荷载 半跨可变荷载 全跨屋架 天窗架和支撑自重 半跨屋面板自重 半跨屋面活荷载 注 1 活 荷 载 与 雪 荷 载 不 同 时 考 虑 取两者大值 2 第一种组合在大多数情况下为最不利内力 后两种组合考虑跨中部分的斜腹杆内力 可能变号 而且可能最大 故给予考虑 3 若安装过程中 屋面板采用对称均匀铺设 可不考虑第三种组合 4 坡度较大时和自重较轻时 还应考虑风吸力组合 3 内力计算 计算屋架杆件内力时 通常可近似采用如下假定 1 屋架节点视为铰接 2 所有杆件轴线都在同一平面内且在节点处交汇 3 荷载均作用在屋架平面内的节点上 屋架内力可根据以上假定计算简图采用数解法 图解法和借助电算等求得 对一些常用 形式的屋架 可利用建筑结构手册中的单位节点荷载作用下的杆件内力计算系数表 设计时 只要将屋架节点荷载值乘以相应杆件的内力系数 即可得该杆件的内力 7 图 3 图 4 四 屋架杆件的计算长度和 l 1 屋架计算长度 1 屋架平面内计算长度 弦杆 支座竖杆和斜杆 0 x ll 其它腹杆 0 0 8 x ll 2 屋架平面外的计算长度 上 下弦杆 01y ll 其中 l1为侧向支撑点的距离 具体规定 图 3 有檩体系中檩条与支撑交叉点不相 连时取横向水平支撑与上弦交点间距离 即支撑节点间距离 当交叉点用节点板 焊牢时 取檩距 无檩体系中用大型屋面板能保证三 点可靠焊接取两块屋面板宽度 不能保证时取支撑点间距离 注 A 当受压弦杆侧向支撑点间的距离 l1为节间长度 l 的 2 倍 图 4 且两杆内力不相等 时 计算长度为 且 2 01 1 0 750 25 y N ll N 01 0 5 y ll 式中 N1 N2为较大和较小的力 压为正拉为负 B 再分式受压主斜杆平面外计算长度按公式计算且 受 2 01 1 0 750 25 y N ll N 01 0 5 y ll 拉主斜杆仍取 平面 01y ll 内上段取节间距离 下段取 0 8 倍节间间距 腹杆 0y ll 3 斜平面计算长度 对双角钢组成的十字形 和单角钢截面 绕斜平面 8 最小主轴 失稳 取 0 0 9ll 4 l 杆件受力很小或为零时 要按 l 确定其截面 不同杆件的容许长细比详见教材 五 屋架杆件的截面选择和计算 1 截面形式 屋架杆件一般采用两个角钢组成的 T 形截面和十字形截面 杆件通过夹在角钢中的节点 板连接形成 通过不同角钢的截面组合 近似地满足杆件等稳定性 l x l y 的要求 上弦杆 无弯矩时 因为 由 l x l y 要求所以选不等边短肢相连的 T 00 2 yx ll 2 yx ii 形截面 有弯矩时 提高平面内的抗弯承载力 宜采用不等边长肢相连 2 6 2 9 yx ii 或等边相连组成的 T 形截面 0 75 1 0 yx ii 1 3 1 5 yx ii 下弦杆 受拉力由强度确定 但平面外计算长度较大 优先采用不等边短肢相连或等边 相连组成的 T 形截面 刚度大 便于连接 端斜杆 宜采用不等边角钢长肢相连组成的 T 形 00 xy ll 其它腹杆 宜用等边角钢相连组成的 T 形截面 00 1 25 xy ll 1 25 yx ii 2 填板的设置 作用 保证截面杆件能形成一整体杆件共同受力 构造要求 厚度同节点板 宽度为 40 60mm 长度取为 T 形截面比角钢肢宽 10 15mm 十字形由角钢肢尖两侧各缩进 10 15mm 间距为 压杆 40i 且侧向支撑点间不 少于 2 个 拉杆为 80i 3 节点板厚度 其内力与所连构件内力大小有关 但一般不做计算 同一榀屋架中 取一种厚度 支座 可比中间大 2mm 梯形屋架根据受力最大腹杆内力确定 三角形屋架按弦杆最大内力确定 见表 1 表 1 梯形屋架腹杆或三角形屋 架弦杆最大内力 kN 18 0 181 300 301 500 501 700 701 950 951 1200 1201 1550 1551 2000 中间节点板厚度 mm 68101214161820 支座节点板厚度 mm 810121416182022 4 截面选取原则 9 图 5 图 6 1 相同 A 时 选用宽肢薄壁角钢 以增加截面的回转半径 2 最小角钢规格 L45 4 或 L56 36 4 3 角钢规格尽量统一 一般宜调整到不超过 5 6 种 4 屋架弦杆沿全跨采用等截面 若要采用变截面时 半跨内宜改变一次 保持厚度不 变 5 截面计算 1 轴拉杆 按强度选取 2 轴压杆 按稳定条件确定截面 3 拉弯或压弯构件 根据经验或参照已有资料进行试算 4 支撑或零杆 按刚度条件选择杆件截面 六 屋架的节点设计 传力明确 可靠 构造简单和制造 安装方便 1 节点设计步骤和一般设计原则 1 布置桁架杆件时 原则上应使杆件形心线与桁架几何轴线重合 以免偏心受力 为 便于制造 通常取角钢肢背至形心距离为 5mm 的整倍数 当弦杆截面沿跨度变化时 保持 肢背齐平 并使两侧角钢形心线中线与桁架几何轴线重合 若轴心线引起的偏心不超过较大 弦杆截面高度的 5 计算 中不考虑其引起的弯矩 节点处各杆件的轴线如图 5 所示 图中 e0按 e1和 e2的平均数取 5mm 的倍数值 e3 e4则按角钢形心距取 5mm 的整 数值 2 根据已画出的杆件轴线 按一定比例尺画出各杆件的角钢轮廓尺寸 并按各杆轮廓 间的最小间距 c 焊接动荷载为 50mm 静荷载时为 20mm 非焊接时为 5 10mm 定出各杆件的端部位置 3 根据事先计算好的各腹杆与节点的连接焊缝 包括角钢肢背和肢尖两者 尺寸 进行焊缝布置并绘 10 图 7 节点上尺寸 于图上 而后定出节点板的外形 在确定节点板外形时 要注意沿焊缝长度方向多留出 2hf 的长度 垂至于焊缝长度方向应留出 10 15mm 的焊缝位置 如图 6 所示 节点板外形应力 求简单 宜优先采用矩形 梯形 平行四边形或至少一直角边的四边形 当只有一斜杆和弦 杆相交时 节点板外边缘与斜杆轴线应保持不小于 1 3 的坡度 图 6 4 根据已有节点板的尺寸布置弦杆和节点板间的连接焊缝 当弦杆在节点处改变截面 时 则还应在节点处设计弦杆拼接 5 绘制节点大样 比例为 1 5 1 10 确定每一节点上都需标明的尺寸 为今后绘制施 工详图时提供必要的数据 节点上需标注的尺寸有 每一腹杆端部至节点中心的 距离 如图 7 所示的 l1 l2和 l3 此 距离主要用于制造时的拼装 还可 由此计算每一腹杆的实际长度 由 腹杆两端的节间几何长度减去两端 至各节点的距离之和 节点板的平面尺寸 应从节 点中心分两边分别注明其宽度和高 度 如图 7 所示的 b1 b2和 h1 h1 尺寸分别平行和垂至于弦杆 的轴线 主要用于制造时节点板的定位 各杆件轴线至角钢肢背的距离 如图 7 所示的 e1和 e2等 当截面为不等边角钢时 还要标注角钢连接边的边长 b 每条角焊缝的焊角尺寸 hf和焊缝长度 l 2 节点计算与构造 节点计算的内容及过程如下 由腹杆内力 计算其与节点板的焊缝 hf和 lw 确 定节点板形状和尺寸 验算弦杆与节点板的焊缝 1 上弦节点 腹杆与节点板的焊缝 肢背 1 1 1 2 0 7 w w ff K N l hf 肢尖 2 2 2 2 0 7 w w ff K N l hf 11 图 8 上弦节点构造 弦杆与节点板的焊缝 计算该节点时 应考虑上弦杆内力与集中荷载的共同作用 为连接方便一般角钢肢背采 用槽焊 肢尖采用角焊缝 计算时采用以下近似假设 A 弦杆角钢肢背槽焊缝承受节点荷载 P 槽焊缝按两条角焊缝 hf1 0 5t 计算 图 8 11 sin 2 0 7 f fw P h l 2 1111 cos6 2 0 72 0 7 f fwfw PM h lh l 22 0 8 fw ff f f 式中 M 是竖向节点荷载 P 对槽焊缝长度中点的偏 心距所引起的力矩 当为 梯形屋架时 坡度为 1 12 时 且 P 作用在槽焊缝中心 则以上公式cos1 0 sin0 可简化为 11 0 8 2 0 7 w ff fw P f h l B 弦杆角钢肢尖的两条角焊缝承担相邻弦杆的内力差及其产生的偏心矩 12 NNN MN e 22 2 0 7 f fw N h l 2 22 6 2 0 7 f fw M h l 12 图 10 屋脊节点 22 fw ff f f 2 下弦节点 腹杆焊缝同上弦 弦杆与节点板的焊缝无外荷载时仅受相邻节间内力差 12 NNN 一般较小 按构造确定 具体计算如下 肢背 1 1 1 2 0 7 w w ff KN l hf 肢尖 2 2 2 2 0 7 w w ff KN l hf 3 屋脊节点 此节点处左右弦杆断开 需要拼接件拼接 拼接件一般与上弦杆同截面 同时将角钢的 棱角截去并把竖向肢的部分切除 图 9 对于坡度较小的梯形屋面 拼接角钢可热弯成形 也可将竖向肢沿中切开冷弯成形对焊连接 拼接计算 拼接角钢与受压弦杆的连接按最大受压弦杆内力计算 每边共有 4 条焊缝平均承担此力 因而焊缝长度为 max 4 0 7 w w ff N l hf 则拼接角钢长度 ls 2 lw 2hf 10 20mm 弦杆杆端空隙 13 弦杆与节点板的连接焊缝 计算时假定节点力 P 由上弦角钢肢背的槽焊缝承担 按计算 肢 11 0 8 2 0 7 w ff fw P f h l 尖的受力按上弦内力的 15 计算 并计入其产生的弯矩0 15MN e 0 15 2 0 7 f f w N h l 2 6 2 0 7 f f w M h l 22 fw ff f f 注 此处存在工地拼接问题 左半边上弦 斜杆和竖杆与节点板的连接为工厂焊缝 而右半 边的上弦 斜杆和节点板的连接为工地焊缝 拼接角钢与上弦的连接全为工地焊缝 为了便 于工地焊接 需设置临时性安装螺栓 如图 10 所示 4 下弦拼接节点 此节点处左右弦杆断开 需要拼接件拼接 与下弦杆同截面 将角钢的棱角截去并把竖 向肢的部分切除 拼接计算 拼接角钢 图 11 与下弦杆角钢共有 4 条焊缝 按截面的抗拉强度承载力进 22 NA f 行连接计算 2 4 0 7 w w ff N l hf 拼接角钢长度 ls 2 lw 2hf 10 20mm 14 图 11 下弦角钢工地拼接节点 连接焊缝 下弦与节点板连接焊缝受力 N 按下弦较大内力的 15 和两侧下弦的内力差两者中较大 值来计算 当节点处有外荷载时 按该较大值与外荷载的合力进行计算 肢背 1 1 1 2 0 7 w w ff K N l hf 肢尖 2 2 2 2 0 7 w w ff K N l hf 注 此处也存在工地拼接问题 左半边上弦 斜杆和竖杆与节点板的连接为工厂焊缝 而右 半边的上弦 斜杆和节点板的连接为工地焊缝 拼接角钢与上弦的连接全为工地焊缝 为了 便于工地焊接 需设置临时性安装螺栓 如图 11 所示 5 支座节点 铰接支座节点由节点板 底板 加劲肋和锚栓等组成 只传递屋架的竖向反力 其传力 路线为 屋架内力通过连接焊缝传给节点板 然后由节点板和加劲肋把力传给支座底板 最 后传给柱子 锚栓 15 图 12 支座节点 一般不计算 根据构造取 2 个直径为 20 25mm 的锚栓 底板上的锚栓孔为开口式 直 径为锚栓的 2 2 5 倍 待屋架安装就位后 再用垫板套在锚栓顶部并与底板焊接 垫板孔 径为 d 1 2 mm 锚栓可设于底板中线上 或设于中线旁 其影响加劲肋的设置 如图 12 所 示 底板 底板反力通过底板的中心 并与下弦杆和斜杆的轴线相交于节点中心 其底板面积根据 柱顶混凝土或砌体的轴心抗压强度设计值确定 锚栓孔缺口面积 2 2 n Aa b c Rf 构造要求底板最小尺寸约为 240240mmmm 底板厚度按相邻两边支承的矩形板受柱顶的均布反力确定 a b n qR A 最小厚度为 20 6 tMf 底板与节点板 加劲肋板底端的焊缝计算 图 12 0 7 w fff fw R f hl 其中 1 2 2242 wff lahbch 加劲肋板 用于增加节点板平面外刚度和减小底板中的弯矩 厚度与节点板 肋板底端应切角 c1 以避免 3 条互相垂直的角焊缝交于一点 肋板与节点板的竖向焊缝可按假定传递 1 4 支 座反力计算 考虑偏心作用 则焊缝同时承受剪力 V 和弯矩 M 近似取为 16 4 R V 2 b MV 则竖向连接角焊缝中应力为 0 7215 f ff V hhh 2 6 0 7215 f ff M hhh 式中 15mm 为切角高度 设定完 hf可由下列条件确定 l 22 fw ff f f 为了便于下弦角钢肢背施焊 下弦角钢水平肢的底面和支座底板之间的净距 s 不应小于 下弦杆角钢外伸边的边长 同时又不小于 130mm 七 屋架结构施工图 是制造厂加工制造构件和工地结构安装的主要依据 包括结构安装图和构件详图两种类 型 有时还有总说明 1 结构安装图 结构安装图用于将工厂制成的全部构件在工地安装成整体结构 包括结构布置图 安装 节点和大样图 构件统计表及说明等 结构布置图通常是结构平面图 各方向视图和剖面图等 图中表明有关轴线 尺寸和标 高 表示出全部需要安装构件 柱 屋架 天窗架 檩条 屋面板和各种支撑构件等 的编 号 安装位置 轴线 标高 相邻构件位置关系 和控制尺寸等 并用剖面符号 引出线和 圆圈等标明有关安装节点和大样的索引符号 布置图中杆件用单根粗线条或简单外形图表示 同类构件有差异就应给以不同编号 或 相同编号附不同尾标