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1、钢屋架,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,1.设计资料： 某厂房屋架跨度18m，屋架间距6m，屋面坡度1/3。抗震设防烈度 为7度，屋面材料为石棉水泥中波或小波瓦、油毡、木望板。薄壁 卷边Z形钢檩条，檩条斜距为0.778m，基本风压0.35kN/m2。雪载荷 为0.20kN/m2。钢材采用Q235-B，焊条采用E43型。,三角形钢屋架设计实例,屋架主要尺寸的确定,跨度,柱网轴线间距为屋架的标志跨度(18m、21m、24m、27m、30m、
2、36m )，一般以3M为模数。,计算跨度是屋架两端支座反力的距离。,封闭结合： Lo = L-(300400mm) 非封闭结合： Lo = L,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:,当上弦坡度为1/31/2时，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：当桁架与柱刚接时，一般为=(1/161/10)l，通常取2.02.5m，铰接时为1.52.0m。端弯矩大时取大值，端弯矩小时取小值。,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
3、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。,2.屋架形式、几何尺寸及支撑布置： 屋架形式、几何尺寸及支撑面布置如图2-35所示，上弦节间长度为两个檩距，有节间载荷。 上弦横向水平支撑设置在房屋两端及伸缩处的第一开间内，并在相应开间屋架跨中设置垂直支撑，在其余开间屋架下弦跨中设置一道通长得水平系杆。上弦横向水平支撑在交叉点处与檩条相连。为此，上弦杆在屋架平面外的计算长度等于其节间几何长度；下弦杆在屋架平面外的计算
4、长度为屋架跨度的一半。,1、屋架分布荷载,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,屋架荷载计算与组合,建筑结构荷载规范GB50009-2001,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,g=0.12+0.011l (1-1),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
5、不同时考虑，而取其中的较大者。,屋面水平投影面上的雪荷载标准值S按下式：,so基本雪压，见荷载规范； r屋面积雪分布系数，见荷载规范,一般在屋面坡度25时取1，50时取0,中间按直线插值；,式中：,屋面均布活荷载：,3）积灰荷载：,屋面积灰荷载同时考虑,设计生产中有大量排灰的厂房及其临近建筑时，对于具有一定除尘设施和保证清灰制度的机械、冶金、水泥等厂的厂房屋面，按荷载规范采用。,对于屋面上易形成灰堆处,当设计屋面板、檩条时，积灰荷载标准值可乘增大系数：,4）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
6、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：,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、内力计算的荷载组合,永久荷载效应控制的组合：,可变荷载效应控制的组合：,注意： G、Q的取值。,预应力混凝土大型屋面板屋面,轻型屋面,(1)全跨永久荷载+全跨屋面活荷载或雪荷载（取较大值）+全跨积灰荷载+悬挂吊车荷载；,与柱铰接采用
7、的组合：,(2)全跨永久荷载+半跨屋面活荷载或雪荷载（取较大值） +半跨积灰荷载+悬挂吊车荷载；,对屋面为大型屋面板的屋架：,(2)屋架及天窗架自重+半跨屋面板重 +半跨屋面活荷载；,(3)轻质屋面材料的屋架，应考虑风吸力,1.0永久荷载-1.4风荷载,(4)轻型屋面的厂房,当吊车起重量较大时（Q300kN）时，应考虑按排架柱分析求得的柱顶水平力是否会使下弦内力增加或引起下弦内力变号。,与柱刚接采用的组合：,先按铰接屋架计算杆件内力，再与根据框架内力分析得到的剪力对屋架端弯矩和水平力进行组合，计算屋架杆件的控制内力。,屋架端弯矩和水平力的最不利组合以下四种：,1）下弦可能受压：左端-M1MAX
8、和-H，右端-M2和-H；,2）上、下弦内力可能增加：左端+M1MAX和+H，右端+M2和+H；,3）斜腹杆内力不利：左端-M1MAX，右端+M2； 左端+M1MAX，右端-M2。,-M1MAX,-M2,+M1MAX,+M2,-H,-H,+H,+H,-M1MAX,+M1MAX,-M2,+M2,M,H=M/h,H=M/h,桁架杆件内力一般按节点荷载作用下的铰接桁架计算。这时所有杆件为轴心受力，不承受弯矩，可用多种方法进行计算。,四 、 内力,3.荷载：,（4）上弦的集中载荷及节点载荷,（4）上弦的集中载荷及节点载荷（修改）,五、 杆件截面设计,1、杆件计算长度,屋架分析模型,节点为铰接； 所有杆
9、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,实际屋架分析模型,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,1）屋架平面内的计算长度l0x,2）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,l0y=l1,有檩屋盖,无檩屋盖,l0y=2b,下弦杆：,l0y=l1,变内力压杆:,l1=2d,（1-8）,l0=0.9l,3)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
10、，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。,4)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,2、杆件容许长细比,杆件截面选取的原则：,等稳定原则,3、杆件截面形式,上弦：,垫板,无节间荷载时，在一般支撑布置下，loy2lox；为满足xy；应使iy2ix，故采用两不等边角钢短肢相并； 有节间荷载时，两不等边角钢长肢相并；,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，
11、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：,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）,4、填板,5、节点板厚度,中间节点板均采用一种厚度，支座节点板厚度比中间的增大2mm。节点板的厚度对于梯形普通钢桁架等可按受力最大的腹杆内力确定，对于三角形普通钢桁架则按其弦杆最大内力确定。,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。,6、杆件截面选择,
12、杆件截面选取的一般原则：,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。,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）。,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。,杆件截面选择和计算：,轴心拉杆：,AnNf,强度,（采用单角钢，f乘以0.85 折减）,强度，刚度,轴心压
13、杆：,验算强度，稳定，刚度,假定长细此(弦杆=60100，腹杆=80120),AnNf,选择角钢,实际截面积A，回转半径ix, iy,强度，稳定，刚度,【例题】桁架承受的荷载及内力如图，节点荷载设计值P=29.4kN。节点板厚度=10mm，试选择上弦杆截面。,【解】,(1)初选截面,上弦杆在节间和节点处的正负弯矩为：,初选,则：,塑性发展系数,查附表得,(2)截面验算,桁架平面内稳定验算,验算2点处：,桁架平面内的稳定性满足要求。,桁架平面外稳定验算,查附表得,验算2点处：,桁架架平面外的稳定性满足要求。,强度验算,验算2点处：,强度满足要求。,桁架节点处设置节点板，交汇于节点的各杆件均与节点
14、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,六、屋架节点设计,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,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,弦杆变截面时，肢背平齐，两角钢重心线之中线与轴线之距离小于较大肢宽的5时，不计偏心弯矩，否则计入偏心弯矩M=(N1+N2)e，节点第i根杆件分担次弯矩M i=(K i / K i ）M,M=(N1+N2)
15、e,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 。,节点板与焊缝布置对称于所传力。,(a) 正确；(b) 不妥,支承大型屋面板的上弦杆，当屋面节点荷载较大而角钢肢厚较薄时，应对角钢的水平肢予以加强。,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
16、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：,5)适当调整。,6)绘制大样图。,1)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
