钢屋盖课程设计

单层厂房钢结构是由屋盖结构、柱、吊车梁、制动梁（或制动桁架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系。,(1)横向框架(2)屋盖结构(3)支撑体系(4)吊车梁和制动梁（或制动桁架）(5)墙架承受墙体的自重和风荷载。,图1.1装配式钢筋混凝土单层厂房结构,钢屋盖结构主要由屋面、屋架和支撑三部分组成，有的还设有托架和天窗架等构件(如图1.1)。(1)屋面：主要由各种屋面板材组成，平铺于屋架上，承受外荷载。(2)屋架：主要由各种钢构件组合连接而成。(3)支撑：根据支撑设置的部位和所起的作用不同，支撑分为上弦横向支撑、下弦水平支撑、垂直支撑和系杆四种。,一、组成,1屋盖结构的组成和形式,(4)托架和天窗架屋架的跨度和间距取决于柱网布置，而柱网布置则根据建筑物工艺要求和经济合理等各方面因素而定。天窗的形式有纵向天窗、横向天窗和井式天窗等三种，一般常采用纵向天窗。纵向天窗则需单独设置天窗架，常见的几种天窗架形式如图1.2。,1屋盖结构的组成和形式,图1.2天窗架的形式,根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，钢屋盖可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种(图1.3)。当屋面材料采用预应力大型屋面板时，屋面荷载可通过大型屋面板直接传给屋架，这种屋盖体系称为无檩屋盖；当屋面材料采用瓦楞铁皮、石棉瓦、波形钢板和钢丝网水泥板等时，屋面荷载要通过檩条传给屋架，这种体系称为有檩屋盖。,二、分类,1屋盖结构的组成和形式,图1.3屋盖结构布置,(a)有檩屋盖；(b)无檩屋盖,1屋盖结构的组成和形式,1屋盖结构的组成和形式,一、常用的钢屋架形式,1、三角形钢屋架三角形屋架一般适用于坡度较大的有檩屋盖，坡度为1/2-1/3，屋架跨度通常为18-24m，屋架高度H=（1/4-1/6L）。三角形屋架的外形与铰屋架的抛物线弯矩图形状相差较大，使屋架弦杆受力不均匀，靠近支座内力较大，跨中内力较小。若弦杆采用同一截面杆件，则不能充分发挥材料的作用，不经济。三角形屋架与柱子一般为铰接，房屋的横向刚度较低。,2钢屋架的形式和尺寸,2、梯形屋架适用于屋面坡度较小的无檩体系，坡度一般为（1/8-1/16），跨度可达36m。梯形屋架的外形较接近于弯矩图，各节间弦杆受力较均匀，且腹杆较短。梯形屋架与柱可铰接也可刚接。刚接连接的横向刚度较大，是目前无檩体系的工业厂房屋盖中应用最广的屋盖形式。主要有如下几种形式：（1）人字式：如图（a）、（c）所示。（2）再分式：如图（b）所示。屋面板宽度为1.5m时，可采用再分式腹杆，使节间为1.5m，以避免上弦承受局部弯矩，用料经济，但节点和腹杆数量增多，制造费工，故仍有采用较大节间3m使上弦承受节间荷的做法，虽用钢量增多，但构造较简单。,2钢屋架的形式和尺寸,屋架的外形应与屋面材料所要求的排水坡度相适应。屋架的外形尽可能与其弯矩图相适应，使弦杆各节间的内力相差不大。腹杆的布置要合理，腹杆的总长度要短，数量要少，并应使较长的腹杆受拉、较短的腹杆受压。节点构造要简单合理、易于制造。对于设有天窗或悬挂式起重运输设备的房屋，还要配合天窗的尺寸和悬挂吊点的位置来划分节间和布置腹杆。,确定屋架形式的原则,屋架跨度、跨中高度、端部高度,1.跨度钢屋架计算跨度的确定：简支于柱顶的钢屋架，其计算跨度取决于屋架支反力间的距离。如图1.4所示。铰接封闭结合Lo=L-(300400mm)铰接非封闭结合Lo=L,二、屋架的主要尺寸,2钢屋架的形式和尺寸,2.高度取决于经济、刚度要求和运输界限等三个方面，同时又和屋面坡度相关，有时还受到建筑要求的限制。,二、屋架的主要尺寸,2钢屋架的形式和尺寸,中部高度,三角形屋架：,坡度,梯形屋架：,二、屋架的主要尺寸,2钢屋架的形式和尺寸,端部高度,刚接时一般不小于跨度的1/161/10，一般为1.82.4m,一般梯形屋架和平行弦屋架：,铰接时，由中部高度和屋面坡度决定，可为1.62.2m,屋架高度确定的主要程序：根据屋架的形式和设计经验确定出屋架的端部高度；按屋面材料对屋面坡度的要求确定出屋架的跨中高度；综合考虑其他各影响因素，最后确定屋架的高度。当屋架的外形和主要尺寸(跨度、高度)都确定之后，桁架各杆的几何长度即可根据三角函数或投影关系求得。,2钢屋架的形式和尺寸,3.起拱高度对跨度较大的屋架，在横向荷载作用下将产生较大的挠度，有损外观并可能影响屋架的正常使用，因此要起拱，即预先给屋架一个向上的反挠度，以抵消屋架受荷后产生的部分挠度，,二、屋架的主要尺寸,2钢屋架的形式和尺寸,对于15m的三角形屋架和24m梯形和平行弦屋架，采用起拱，一般为L/500。,2钢屋架的形式和尺寸,图左边的数字为该钢屋架的杆件长度,图右边的数字为该钢屋架各杆件的内力，正值代表拉力，负值代表压力,3钢屋盖的支撑系统,平面屋架在屋架平面外的刚度和稳定性很差，不能承受水平荷载。因此，为使屋架结构有足够的空间刚度和稳定性，必须在屋架间设置支撑系统。,3钢屋盖的支撑系统,一、屋盖支撑作用,保证屋盖的整体性，提高空间刚度仅由平面桁架、檩条及屋面材料组成的屋盖结构，是一个不稳定的体系，如果将某些屋架在适当部位用支撑连系起来，成为稳定的空间体系，其余屋架再由檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上，就保证了整个屋盖结构的稳定。作为屋架弦杆的侧向支撑点，保证屋架受压上弦杆在屋架平面外稳定减小了弦杆平面外的计算长度。承担和传递水平荷载（如纵向和横向风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震作用等）。保证结构安装时的稳定与方便屋盖的安装首先用支撑将两相邻屋架连系起来组成一个基本空间稳定体，在此基础上即可顺序进行其他构件的安装。,3钢屋盖的支撑系统,支撑系统的组成,二、屋盖支撑布置及要求,上弦横向水平支撑一般应设置在房屋两端或纵向温度区段两端的第一柱间或第二柱间，其最大间距为60m，否则在中间应增设一道或几道支撑。有时可将其布置在第二个柱间，但在第一个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力。,1上弦横向水平支撑,3钢屋盖的支撑系统,二、屋盖支撑布置及要求,1上弦横向水平支撑,2下弦横向水平支撑,二、屋盖支撑布置及要求,3钢屋盖的支撑系统,2下弦横向水平支撑,当屋架间距12m时，尚应在屋架下弦设置横向水平支撑，一般和上弦横向水平支撑布置在同一柱间以形成空间稳定体系的基本组成部分。但当屋架跨度比较小（18m）又无吊车或其他振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。,二、屋盖支撑布置及要求,2下弦横向水平支撑,二、屋盖支撑布置及要求,3钢屋盖的支撑系统,3下弦纵向水平支撑,当房屋较高、跨度较大、空间刚度要求较高时，设有支承中间屋架的托架，或设有重级或大吨位的中级工作制桥式吊车等较大振动设备时，均应在屋架端节间平面内设置纵向水平支撑。一般情况可以省掉。,下弦纵向水平支撑,二、屋盖支撑布置及要求,3钢屋盖的支撑系统,4垂直支撑,位于上、下弦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。（1）跨度小于30m的梯形屋架，通常在屋架两端和跨度中央各设置一道垂直支撑。,二、屋盖支撑布置及要求,3钢屋盖的支撑系统,（1）当跨度大于30m时，则在两端和跨度1/3处分别共设置四道。,3钢屋盖的支撑系统,4垂直支撑,（2）跨度小于24m的三角形屋架只需在跨度中央设一道垂直支撑；,二、屋盖支撑布置及要求,24m,3钢屋盖的支撑系统,（2）跨度大于24m跨时则在1/3跨度处共设两道。,24m,4垂直支撑,二、屋盖支撑布置及要求,4垂直支撑,二、屋盖支撑布置及要求,3钢屋盖的支撑系统,二、屋盖支撑布置及要求,5系杆,作用：系杆能保证无横向水平支撑的所有屋架在上弦杆平面外的稳定和安装时屋架的稳定，第一柱间的刚性系杆能将山墙的风荷载传到横向水平支撑。设置：在横向支撑或垂直支撑节点处应沿房屋通长设置系杆。在屋架上弦平面内，对无檩体系屋盖应在屋脊处和屋架端部处设置系杆；对有檩体系只在有纵向天窗下的屋脊处设置系杆。,3钢屋盖的支撑系统,二、屋盖支撑布置及要求,5系杆,系杆分刚性系杆（既能受拉也能受压）和柔性系杆（只能承受拉力）两种。屋架主要支承节点处的系杆，屋架上弦脊节点处的系杆均宜用刚性系杆。,二、屋盖支撑布置及要求,一般跨度房屋的系杆受力很小，柔性系杆的设计可按350，400控制，常用单角钢截面；刚性系杆的设计可按=200控制，常用双角钢十形截面。两端与屋架可靠连固的檩条，当其长细比满足要求时，可同时作为上弦系杆。,二、屋盖支撑布置及要求,3钢屋盖的支撑系统,三、屋盖支撑的计算和构造,屋架支撑为平行弦桁架，其弦杆可兼作支撑桁架的弦杆，斜腹杆一般采用十字交叉式，与弦杆的交角在30o60o之间。通常横向水平支撑节点间的距离为屋架上弦节间距离的24倍，纵向水平支撑的宽度取屋架端节间的长度，一般为6m左右。支撑中的交叉斜杆以及柔性系杆按拉杆设计，通常用单角钢做成；非交叉斜杆、弦杆、横杆以及刚性系杆按压杆设计，宜采用双角钢做成的T形截面或十字形截面，其中横杆和刚性系杆常用十字形截面使在两个方向具有等稳定性。屋盖支撑受力较小，截面尺寸一般由杆件容许长细比和构造要求决定。,作用在屋架节点上的荷载，有檩屋盖通过檩条，无檩屋盖通过大型屋面板的纵肋传在桁架的节点上。(图所示，sa阴影范围内的屋面荷载)。,一、屋架上的荷载,4钢屋架的计算,一、屋架上的荷载,4钢屋架的计算,(1)永久荷载,一、屋架上的荷载,4钢屋架的计算,屋面恒荷载(檩条、屋面板、瓦以及屋面上的保温层、防水层等屋面做法的重量)；屋架(包括支撑)自重；,(2)可变荷载包括屋面均布活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载，以及悬挂吊车荷载等，其中屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，取两者中的较大值。,一、屋架上的荷载,4钢屋架的计算,屋架内力应根据使用过程或施工过程中可能出现的最不利荷载组合计算。在屋架设计时应考虑以下三种荷载组合：永久荷载+可变荷载永久荷载+半跨可变荷载屋架、支撑和天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载屋架上、下弦杆和靠近支座的腹杆按第一种荷载组合计算；而跨中附近的腹杆按第二、三种荷载组合计算，取大值。,4钢屋架的计算,(1)轴向力屋架各杆件的轴向力可用图解法、数解法(节点法或截面法)、电算法或查表法求得。(2)局部弯矩屋架的上弦节间作用有荷载时，除轴向力外，还要产生局部弯矩。由于焊缝的约束作用，可以把上弦杆视为弹性支座上的连续梁来考虑。但为了简化，可按近似法计算，先按简支梁计算出弯矩M0。,二、内力计算,4钢屋架的计算,二、内力计算,4钢屋架的计算,二、内力计算,4钢屋架的计算,三、屋架杆件的计算长度,4钢屋架的计算,1.桁架平面内的计算长度lox,桁架按理想铰接节点考虑时，各杆件两端接近不动饺接，杆件在桁架平面内的计算长度大致为loxl，l为杆件几何长度，即节点中心间距离。,三、屋架杆件的计算长度,4钢屋架的计算,2.桁架平面外的计算长度loy,3.斜平面的计算长度,取决于弦杆侧向支承点间距离。,三、屋架杆件的计算长度,确定桁架弦杆和单系腹杆的长细比时，其计算长度应按下表规定采用。,l构件的几何长度（节点中心间距离）；l1桁架弦杆侧向支承点间的距离；,4钢屋架的计算,四、屋架杆件的容许长细比,4钢屋架的计算,五、屋架杆件的截面形式,对轴心受压杆件，宜使杆件对两个主轴有相近的稳定性，即可使两方向的长细比接近相等。基本上采用由两个角钢组成的T形截面或十字形截面形式的杆件，也可用H型钢剖开而成的T形钢代替双角钢组成的T形截面。受力较小的次要杆件可采用单角钢。,4钢屋架的计算,五、屋架杆件的截面形式,当=时，可采用两个等边角钢截面或TM截面；,上弦杆：,有节间荷载时，可采用不等边角钢长肢相连或TN型截面。,无节间荷载时，宜采用不等边角钢短肢相连的截面；,4钢屋架的计算,通常采用不等边角钢短肢相连的截面，或TW型截面以满足长细比要求。,下弦杆：,支座斜杆：,4钢屋架的计算,五、屋架杆件的截面形式,受力很小的腹杆（如再分杆等次要杆件），可采用单角钢截面。,其他一般腹杆：,宜采用等边角钢相并的截面；,连接垂直支撑的竖腹杆宜采用两个等边角钢组成的十字形截面；,4钢屋架的计算,五、屋架杆件的截面形式,由双角钢组成的T形或十字形截面杆件按实腹式杆件进行计算，必须每隔一定距离在两个角钢间加设填板。,双角钢杆件的填板：,填板的宽度一般取5080mm；填板的长度：对T形截面应比角钢肢伸出1020mm，对十字形截面则从角钢肢尖缩进1015mm。填板的厚度与桁架节点板相同。,4钢屋架的计算,五、屋架杆件的截面形式,填板的间距：对压杆l140i1，拉杆l180i1；在T形截面中，i1为一个角钢对平行于填板自身形心轴的回转半径；在十字形截面中，填板应沿两个方向交错放置，i1为一个角钢的最小回转半径，在压杆的桁架平面外计算长度范围内，至少应设置两块填板。,双角钢杆件的填板：,4钢屋架的计算,五、屋架杆件的截面形式,六、屋架杆件节点板的厚度,普通钢板中的应力十分复杂，通常不作屋架双角钢截面的杆件，在节点处以节点扳连接。节点计算，根据工程经验查表确定其厚度。,4钢屋架的计算,七、屋架杆件的截面选择,选择截面应考虑要求：(1)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。(2)角钢规格不宜小于L454或L56364。有螺栓孔时，角钢的肢宽须满足表4.9的要求。放置屋面板时，上弦角钢水平肢宽不宜小于80mm。,4钢屋架的计算,(3)一榀桁架的角钢规格应尽量统一，宜调整到不超过5-6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。,(4)桁架弦杆一般沿全跨采用等截面，但对跨度大于24m的三角形桁架和跨度大于30m的梯形桁架，可根据内力变化改变弦杆截面，但在半跨内只宜改变一次，且只改变肢宽而保持厚度不变，以便拼接的构造处理。,4钢屋架的计算,七、屋架杆件的截面选择,（1）拉杆：按净截面强度要求选择截面AnNf，并进行刚度验算；,（2）压杆：,4钢屋架的计算,七、屋架杆件的截面选择,由稳定条件确定所需的截面面积。先假定长细此(弦杆一般取=60-100，腹杆一般取=80-120)，,根据所选用角钢的实际截面积A，回转半径，按轴心受压构件进行强度、刚度和稳定性验算。不满足，可重新计算或在原选择的截面的基础上改选角钢验算。,（3）压弯或拉弯杆件：当上弦杆或下弦杆受节间荷载时，杆件同时承受轴心力和局部弯矩作用，应按压弯或拉弯构件计算、通常采用试算法初步估算截面，然后再验算其强度和刚度，对压弯构件尚应验算弯矩作用平面内和平面外的稳定性。,4钢屋架的计算,七、屋架杆件的截面选择,（4）按构造选择截面,内力很小或按构造设置的杆件，可按容许长细比选择构件的截面。首先计算截面所需的回转半径：,ixlox，iyloy，或iminlo。,再根据所需的ix、iy、imin，查角钢规格表选角钢，确定截面。,4钢屋架的计算,七、屋架杆件的截面选择,八、屋架的节点设计,1.一般原则,(1)杆件的重心线，原则上应与桁架计算简图中的几何轴线重合，以避免杆件偏心受力，但为制作方便，实际焊接桁架中通常把角钢背外表面到重心线的距离取为5mm的倍数；当弦杆截面改变时，应使角钢的肢背齐平，以便于拼接和放置屋面构件；当节点板两侧角钢因截面变化引起形心轴线错开时，应取两轴线的中线作为弦杆的共同轴线以减少偏心影响。,4钢屋架的计算,1.一般原则,(2)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。,4钢屋架的计算,八、屋架的节点设计,1.一般原则,（3）角钢端部的切割一般应与轴线垂直，为了减小节点板尺寸，可将其一肢斜切，但不得采用将一肢完全切割的斜切。,4钢屋架的计算,八、屋架的节点设计,（4）节点板的形状应力求简单规整，尽量减小切割边数宜用矩形、有两个直角的梯形或平行四边形。节点板不许有凹角，以防产生严重的应力集中。,（5）节点板的外形应简单而规则，至少宜有两边平行，如矩形、平行四边形和直角梯形等。节点板边缘与杆件轴线的夹角不应小于15。,4钢屋架的计算,1.一般原则,（6）承受集中荷载设计值过大时，采取的措施：,4钢屋架的计算,八、屋架的节点设计,2.节点的计算和构造,桁架杆件与节点板间的连接，通常采用角焊缝连接形式，对角钢杆件一般采用角钢背和角钢尖部位的侧焊缝连接；必要时也可采用三面围焊缝连接。节点板的尺寸应能保证所需角焊缝的布置要求。,4钢屋架的计算,八、屋架的节点设计,4钢屋架的计算,绘制节点大样，确定节点上需标明的尺寸，为绘制施工详图时提供必要的数据。,4钢屋架的计算,屋架正面图和侧面图中用各种符号将各杆件的编号、肢尖、肢背焊缝厚度和长度表示出来,节点设计包括：上弦、下弦一般节点；屋脊节点（拼接节点）；下弦中央节点（拼接节点）；支座节点。,2.节点的计算和构造,4钢屋架的计算,八、屋架的节点设计,下弦一般节点：指无集中荷载和无弦杆拼接的节点。,2.节点的计算和构造,4钢屋架的计算,八、屋架的节点设计,上弦一般节点：指无集中荷载和无弦杆拼接的节点。,4钢屋架的计算,上弦一般节点：指无集中荷载和无弦杆拼接的节点。,4钢屋架的计算,屋脊拼接节点,4钢