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1、第七章 单层房屋钢结构,第一节 概述 第二节 钢屋架设计,第一节 概述,单层房屋 钢结构,大跨度公共建筑,单层工业厂房,重型厂房钢结构,门式刚架轻型钢结构,2,重型单层工业厂房的结构体系,横向平面 框架,纵向平面 框架,屋盖体系,支撑系统,3,一. 框架体系,横向框架的作用 （1）承担竖向荷载； （2）形成必要的横向刚度，承担横向水平荷载；,横向框架的力学模型 （1）柱脚刚性连接时，横梁与柱可采用铰接或刚接； (梁柱刚接时，对基础不均匀沉降敏感) （2）柱脚铰接连接时，横梁与柱只能采用刚性连接； (例如轻钢厂房) （3）如按跨度来分，则有单跨、双跨和多跨。,纵向框架的作用 承担纵向水平荷载,4
2、,二. 屋盖结构,无檩屋盖结构体系 钢筋混凝土大型屋面板（常用1.5m*6m）直接作用于钢屋架之上，屋架的间距即为屋面板跨度，通常为6m 屋面板上采用卷材防水，适用于较小屋面坡度(1:81:12)，因此常采用梯形屋架 构件种类少，构造、安装方便，施工快，且屋盖刚度大，整体性能好；但屋面自重大，用钢量大，对抗震也不利,组成：屋面、檩条、屋架、托架和天窗架等 分类：无檩屋盖结构体系和有檩屋盖结构体系,5,二. 屋盖结构,2）有檩屋盖结构体系 采用轻型屋面材料：压型钢板、压型铝合金板、石棉瓦、瓦楞铁皮等 屋架间距通常为6m；大于12m时，采用托架支承中间屋架 屋面坡度较陡(1:21:3)，以便排水，
3、常采用三角形屋架或变截面工字钢梁 所用材料种类较多，但屋面布置较灵活，自重轻，用料省，运输和安装较轻便,6,包括屋盖支撑和柱间支撑； 它与柱、吊车梁、屋面系杆等组成纵向框架， 承担纵向水平荷载； 把单榀的横向框架连成空间整体结构，从而保 证了单层厂房钢结构所必需的刚度和稳定。,三. 支撑结构,7,钢盖支撑,钢屋架为平面桁架，各个平面桁架要通过各种支撑及纵向系杆连成一个空间几何不变的整体结构，才能承受荷载 这些支撑及系杆统称为屋盖支撑 包括：上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑及系杆组成。,8,作用：增加结构整体刚度、减小屋架杆件的平面外计算长度,9,承受墙体的自重和风
4、荷载。,四. 吊车梁和制动梁（桁架）,主要承受吊车竖向及水平荷载，并将这些荷载传到横向框架和纵向框架上。,五. 墙架,如梯子、走道、门窗等。 在某些单层厂房钢结构中，由于工艺操作上的要求，还设有工作平台。,六.其它,10,柱网的布置,纵向定位轴线,横向 定位轴线,跨度,柱距,11,柱网布置原则：,应满足生产工艺要求 应满足结构的要求 柱子应布置在同一横向轴线上，以便于屋架或横梁组成横向框架；柱子纵向也宜在同一轴线。,应符合经济合理的原则 为了降低工作量、实现标准化，应满足模数的规定： 跨度小于或等于18m时，应以3m为模数，即9m、12m、15m、18m；当厂房跨度大于18m时，则以6m为模数
5、，即24m、30m、36m。 柱距一般采用6m较为经济，当工艺有特殊要求时，可局部抽柱，即柱距做成12m；对某些有扩大柱距要求的单层厂房钢结构也可采用9m及12m柱距。,12,温度缝的设置,温度将引起结构变形、产生温度应力： 为避免过大的温度变形和应力，应设置温度伸缩缝 解决纵向区段过长横向设置伸缩缝 解决横向区段过长纵向设置伸缩缝,设双柱，两侧无任何横纵向联系,13,第二节 钢屋架设计,一. 确定屋架形式和几何尺寸 二.屋架支撑布置 三.荷载和内力计算 四.杆件截面选择 五.屋架结点设计 六.绘制屋架施工详图,14,一 . 确定屋架形式和几何尺寸,屋架的受力特点,屋架整体：抗弯 各杆件：轴心
6、力,平面钢桁架,15,选择屋架的形式需考虑的因素：,屋架的形式,（1）满足使用要求：排水坡度、建筑净空要求等 （2）受力合理：外形尽量与弯矩图接近；短杆受压， 长杆受拉；荷载尽量作用在节点上 （3）便于制作和安装：杆件数量和规格尽量少, 杆件间夹角宜在30-60度之间 （4）综合技术经济效果好：省工省料,16,屋架的常用形式,三角形桁架： 适用于屋面坡度较大的屋盖，坡度i=1/21/3；跨度1824m 支座只能铰接，房屋横向刚度较低 (a)(c)为芬克式桁架,腹杆受力合理,分为两榀小桁架便于运输 (b)是两端高度为500mm,可以降低支座处上、下弦内力,17,梯形钢屋架：,外形接近弯矩图，受力
7、均匀 适于坡度较小的屋盖体系，i=1/81/16 跨度可达36m 支座可以做成刚接也可做成铰接 腹杆体系有人字式、再分式 按支座节点可分为上承式和下承式,18,屋架的几何尺寸,主要尺寸：屋架的跨度、跨中高度及端部高度 跨度: 标志跨度l柱网轴线的横向间距 计算跨度l0屋架两端支座反力间的距离,19,屋架高度的确定,最大高度取决于运输界限和建筑要求 最小高度根据桁架容许挠度确定 经济高度根据桁架杆件的总用钢量最少的条件确定,三角形桁架跨中高度h=(1/41/6)l，跨度大时取小值，反之取大值,梯形桁架： 跨中高度h=(1/61/10)l 端部高度：铰接时1.62.2m， 刚接时为1.82.4m,
8、20,起拱,桁架跨度较大时，竖向荷载将产生较大的挠度，影响外观： 跨度15m的三角形桁架和跨度24m的梯形弦桁架， 当下弦无向上曲折时，宜采用起拱l/500左右，抵销挠度,图中所标示的长度为考虑起拱后的长度 当求桁架杆件内力时，可不考虑起拱高度,21,二. 屋盖支撑布置,钢屋架为平面桁架，各个平面桁架要通过各种支撑及纵向系杆连成一个空间几何不变的整体结构，才能承受荷载 这些支撑及系杆统称为屋盖支撑 包括：上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑及系杆组成。,22,1. 桁架的荷载计算,三. 荷载和内力计算,荷载： 永久荷载：屋面材料(保温层、防水层、屋面板等)、檩条、 屋
9、架、天窗架、支撑及天棚等自重 可变荷载：屋面活荷载、风荷载、积灰荷载、雪荷载及 悬挂吊车荷载，取值可由荷载规范查得或根 据材料的规格计算。,屋架和支撑的自重可按下面经验公式进行估算： 式中 l为桁架的标志跨度(m)，gwk按屋面的水平投影面分布(kN/m2),23,荷 载：,凡沿屋面斜面分布的永久荷载均应换算为水平投影面上分布的荷载，即： 屋面坡度较小时，可将沿斜面上分布的荷载近似地视为水平投影面上分布的荷载，即 建筑荷载规范给出的屋面均布活荷载、雪荷载均为水平投影面上的荷载，故实际计算时不再作上述换算,24,荷 载：,上述荷载一般通过檩条或大型屋面板肋以集中力的方式作用于屋架的节点上每个上弦
10、节点所承受的集中荷载P可按阴影面积计算：,a上弦节间的水平投影长度 s屋架的间距 qk面荷载标准值,屋架,25,荷载组合：,使用和施工过程中均可能出现最不利情况，应进行荷载组合，找到最不利内力，一般情况下，应考虑以下三种荷载组合： 全跨永久荷载+全跨可变荷载 全跨永久荷载+半跨可变荷载 全跨桁架、天窗架和支撑自重+半跨屋面板自重 +半跨屋面活荷载,屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，可取两者中的较大值计算 一般不考虑风荷载（除坡度较大，屋面较轻，风荷载标准值超过0.49kN/m2） 第一种组合通常为最不利。后两种组合，桁架跨中附近的斜腹杆内力可能变号(拉变压)、或内力增大，故须考虑 如两侧屋面板对称
11、均匀铺设，则可不考虑第三种荷载组合,26,计算模型：,2. 内力计算,(1)各节点均为铰接 (2)所有杆件的轴线都在同一平面内且在节点处交汇 (3)荷载均作用于节点上,内力计算方法： 数解法、图解法或电算法等 一般只需计算单位荷载作用下的杆件内力计算系数，再将节点荷载值乘以相应的内力系数，即可求得该杆件内力,27,计算内力系数,28,1. 确定屋架杆件的计算长度,四.杆件截面选择,节点形式：各杆件与节点板用焊缝连接，节点本身具有一定刚度并非完全铰接 杆件的相互作用：节点板上有多个杆件，当某一压杆平面内失稳屈曲时，将受到其它杆的阻碍与约束并非完全铰接 嵌固能力减小了计算长度,节点上的拉杆数量越多
12、、线刚度和拉力越大，嵌固越强，杆件的计算长度就可减小得越多,平面内计算长度的影响因素？,29,杆件计算长度：,桁架平面内计算长度l0 x,弦杆、支座竖杆和支座斜杆： 两端约束较小，可偏安全地视为铰接，l0 x=l 其它腹杆： 上弦节点处拉杆少，嵌固作用不大，但下弦节点处拉杆较多、拉力较大、刚度也大，有一定嵌固能力，l0 x=0.8l,再分式腹杆： 上段(N2段)杆件两端弹性嵌固作用均较差，l0 x=l 下段(N1段)，l0 x=0.8l,支座竖杆,支座斜杆,l:杆件的几何长度 （节点中心间距离）,30,桁架平面外计算长度l0y,杆件计算长度：,取弦杆侧向支承点之间的距离，即l0y=l1 上弦杆
13、： 有檩体系中檩条与支撑的交叉点不相连时 檩条与支撑的交叉点用节点板焊牢时 上弦杆上直接放置钢筋混凝土大型屋面板时(三点焊接与否) ,31,受压上弦杆的侧向支承点范围内，节间内力不相等时： 如图侧向支承点间距l1为节间长度的两倍，且N1N2 ，其平面外计算长度：,N1为较大压力(取正)；N2为较小的压力或拉力(压为正,拉为负)。,32,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，可能绕截面较小主轴发生斜平面失稳 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l0=0.9l,33,桁架各杆件在平面内和平面外的计算长度,34,屋架杆件的
14、容许长细比(为保证一定刚度要求),张紧的圆钢支撑不受长细比限制,35,采用两个角钢组成的T形或十字形截面，中间夹节点板。选择截面时，应近似满足杆件等稳定性，即x=y(因截面均属b类，故x=y),2. 杆件截面设计,36,桁架上弦,桁架上弦：计算长度l0y2l0 x，为满足等稳定原则，要求截面的iy2ix，宜采用两个不等边角钢短肢相连的T 形截面,如有较大局部弯矩，也可采用两个不等肢角钢长肢相连或两个等肢角钢组成的T形截面,37,桁架下弦：承受拉力，按强度要求选择截面 下弦平面外的计算长度通常较大，为增强其刚度，宜采用两个不等肢角钢短肢相连的T形截面，平面外计算长度不大时，也可使用两等边角钢,桁
15、架下弦,38,梯形桁架的支座竖杆和斜杆，由于l0 x=l0y，为使ix=iy，宜采用两个不等肢角钢长肢相连的T形截面。,支座竖杆和斜杆,39,由于l0 x=0.8l0y，为使ix=0.8iy，宜采用两个等肢角钢组成的T截面。受力很小的腹杆亦可用单角钢，可交替地单面连接在桁架平面的两侧，或在两杆端开槽嵌入节点板对称置于桁架平面,其它腹杆,40,为确保由两角钢组成的T形或十字形截面杆件能整体共同受力，必须每隔一定距离在两个角钢间设置填板并用焊缝连接杆件才可按实腹式杆件计算 填板间距:对压杆ld40i，对拉杆ld80i。受压杆不少于2个,i为单角钢绕1-1轴或2-2轴的回转半径,填板的设置,41,填
16、板厚度同节点板厚 宽度一般取5080mm 长度:T形截面比肢宽大1015mm,十字形截面缩进1015mm,填板的设置,42,(1)相同面积情况下，优先选用宽肢薄壁的角钢，对压杆尤为重要 (2)角钢规格不宜小于L454或L56 36 4，有螺栓孔时，需满足附录中的线距要求 (3)角钢规格应尽量统一，一般不超过56种，同一种规格的厚度之差不宜小于2mm，以便施工时辨认 (4)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，可在半跨内改变一次截面，且只改变肢宽而保持厚度不变，以便拼接的构造处理,截面选择的一般原则,43,按强度条件确定所需的净截面面积 An，即：,当采用单角钢单面连接时， f应乘以0.85的折减系数,根据An选用角钢，然后按轴心受拉构件验算刚度,当连接支撑的螺栓孔位于连接节点板内且a100mm时，由于连接焊缝已传递部分内力给节点板，节点板一般可以补偿孔洞的削弱，故可不考虑该孔对角钢截面的削弱,a,截面计算
