钢结构课程设计指导书(1)

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1、钢屋架课程设计指导书由于钢结构具有承载力高、抗震性能好、自重轻和建设周期短等优点，因而在重型或大型厂房、大跨度的公共建筑中，已愈来愈多地使用钢屋盖结构。钢屋盖的承重结构体系通常有平面钢桁架体系、空间桁架、网架和悬索等。一、屋盖结构体系1. 无檩设计方案在钢屋架上直接放置预应力钢筋混凝土大型屋面板，其上铺设保温层和防水层。这种方案的优点是整体性好，横向刚度大。所以对结构的横向刚度要求高的厂房宜采用无檩设计方案。2. 有檩设计方案在钢屋架上设置檩条，檩条上面再铺设轻型屋面材料。对于横向刚度要求不高，尤其是不需做保温层的中小型厂房宜采用。二、屋盖支撑钢屋架在其自身平面内为几何不变体系并具有较大的刚度

2、。但这种体系在垂直于屋架平面的侧向（即屋架平面外）的刚度和稳定性很差，不能承受水平荷载。为了保证房屋的安全、适用和满足施工要求，在屋盖系统中必须设置必要的支承体系，把平面屋架相互连接起来，使之成为一个稳定而刚强的整体。三、屋架的形式和主要尺寸1. 屋架形式确定的原则（1） 满足使用要求。屋架外形应与屋面材料的排水相适应。比如，当屋面采用瓦类等时，屋架上弦坡度应做得陡些，一般取 1/41/2 ，以利于排水。当采用大型屋面板时，则要求坡度平缓些，一般取 1/121/8。（2） 满足经济要求。屋架外形应尽量接近弯矩图形。腹杆的布置应使短杆受压，长杆受拉，且杆件数以少为宜。总长度要短，杆件夹角宜在30

3、60 度之间。同时应注意尽可能避免非节点荷载作用，以免弦杆局部受弯而多耗钢材。（3） 满足制造、安装和运输要求。设计节点构造要简单合理，节点数宜少，容易制造，且尽量减少节点处的应力集中。2. 普通钢屋架的形式（1） 三角形钢屋架。（2） 梯形钢屋架。（3） 平行弦钢屋架。（4） 人字形钢屋架。3. 屋架的主要尺寸（1）跨度。柱网纵向轴线的间距就是屋架的标志跨度，以 3m 为模数。屋架的计算跨度是屋架两端支反力之间的距离。（2）高度。根据屋架的容许挠度可确定最小高度，最大高度则取决于运输界限，例如铁路运输界限为 3.85m；屋架的经济高度是根据上下弦杆和腹杆的总重量为最小的条件确定；有时，建筑设

4、计也对屋架的最大高度加以某种限制。一般情况下，设计屋架时，首先根据屋架形式和设计经验先确定屋架的端部高度 ，再根据屋面坡度计算跨中高度。对于三角形屋架， =0；陡坡梯0h 0h形屋架取 =0.5-1.0m ；缓坡梯形屋架取 =1.8-2.1m。因此，跨中屋架高度0h为 02il式中 i屋架上弦杆的坡度。人字形屋架跨中高度一般为 2.02.5m，跨度大于 36m 时可取较大高度，但一般不宜超过 3m；端部高度一般为跨度的 1/81/12。人字形屋架：h（1/10-1/8） 。跨度较大的桁架，在荷载作用下将产生很大的挠度。所0l以可以采用起拱的方法：预先给屋架一个向上的反弯拱度。起拱高度一般为跨度

5、的 1/500。四、设计步骤1. 屋架荷载计算与荷载效应组合（1） 屋盖上的荷载。屋盖上的荷载有永久荷载和可变荷载两大类。永久荷载包括屋面材料和檩条、支撑、屋架、天窗架等结构的自重；可变荷载包括雪荷载、风荷载等，一般可按荷载规范查取。屋架和支撑的自重可按下面经验公式进行估算：，式中为 屋架的标志跨度。0.12kgll（2） 节点荷载汇集。屋架所受的荷载一般通过檩条或大型屋面板的边肋以集中力的方式作用于屋架的节点上。即： kPqas式中 为按屋面水平投影面分布的荷载标准值kqa 为上弦节间的水平投影长度s 为屋架的间距。（3） 荷载效应组合。设计时要考虑施工及使用阶段可能遇到的各种荷载及其组合的

6、可能情况，对屋架进行内力分析时应按最不利组合取值。一般应考虑以下三种组合：组合一：全跨恒载+全跨活载；组合二：全跨恒载+半跨活载；组合三：全跨屋架、支撑和天窗自重+半跨屋面板重+半跨屋面活载在进行荷载效应组合时，屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，取两者中的较大值进行组合。2. 屋架杆件内力计算（1） 基本假定：节点为铰接；所有杆件的轴线都在同一平面内，且相交于节点的中心；荷载都作用在节点上，且都在屋架平面内。（2） 杆件的计算长度。参考钢结构设计规范第 5.3.1 条的规定。（3） 屋架杆件的内力计算。（4） 杆件的容许长细比。3. 屋架杆件设计（1） 杆件的合理截面。（2） 垫板。为了使两个角钢

7、组成的杆件起整体作用，应在两个角钢相并肢之间焊上垫板（或填板） 。垫板厚度与节点板厚度相同，垫板宽度一般取4060左右。T 形截面时垫板长度比角钢肢宽大 1015。垫板间距 L 在受压构件中不大于 40i，在受拉杆件中不大于 80i。在 T 形截面中 i 为一个角钢对平行于垫板自身重心轴的回转半径。（3） 节点板厚度。钢桁架各杆件在节点处都与节点板相连，传递内力并相互平衡。节点板应力复杂并难于分析，通常不作计算。 钢结构设计规范给出了单壁式桁架节点板厚度选用表，设计时可参考。（4） 杆件设计。当杆件以承受轴力为主时，按轴心压杆或拉杆计算；当杆件同时承受较大弯矩时，按压弯或拉弯构件计算。计算强度

8、时，应注意对削弱处进行净截面强度验算。计算杆件整体稳定时，应注意两个方向的稳定性都进行计算。4. 屋架节点设计节点的作用是把汇交于节点中心的杆件连接在一起，一般都通过节点板来实现。各杆的内力通过各自与节点板相连的角焊缝把杆力传到节点板以取得平衡。所以节点设计的任务是：根据节点的构造要求，确定各杆件的切断位置；根据焊缝的长度，确定节点板的形状和大小。（1）下弦一般节点的设计方法下弦一般节点是指下弦杆直通连续和没有节点集中荷载的节点。计算下弦节点中各腹杆与节点板所需的连接焊缝长度：肢背焊缝： 1120.7wwfNhl肢尖焊缝： 22.fl（2）上弦一般节点的设计方法计算上弦节点中各腹杆与节点板所需

9、的连接焊缝长度与下弦节点中各腹杆与节点板所需的连接焊缝长度方法相同。（3）屋脊拼接节点的设计方法拼接角钢与受压弦杆之间的连接可按弦杆最大内力进行计算，每边共有 4条焊缝平均承受此力。则一条焊缝的计算长度为： 40.7wwfNhl拼接角钢的总长度为： 弦杆杆端空隙2sl对于弦杆与节点板之间的连接焊缝，假定节点荷载 P 由上弦角钢肢背处的焊缝承受，按下式计算： 10.8.7wffwPhl而上弦角钢肢尖与节点板的连接焊缝按上弦杆最大内力的 15计算，并考虑由此产生的弯矩 M0.15Ne。（4）下弦拼接节点的设计方法 拼接角钢与下弦杆之间每边有 4 条角焊缝连接，可近似认为 4 条焊缝均匀受力。拼接角

10、钢与下弦杆的连接焊缝按下弦杆截面积等强度计算。即有： 0.7wwfAhl拼接角钢的总长度为： 21sl下弦杆与节点板的连接焊缝按下弦较大内力的 15和两侧下弦的内力之差两者中的较大者进行。（5）支座节点的设计方法 屋架与柱的连接有简支和刚接两种形式，支承于钢筋混凝土柱或砖柱上的屋架一般为简支，而支承于钢柱上的屋架通常为刚接。简支屋架的支座节点，由节点板、加劲肋、支座底板和锚栓等部分组成。支座底板的面积 A： 锚栓孔缺口面积，R 为屋架的支座反力cf底板的厚度应按下式计算： ，6Mtf21qa式中 M 为两邻边支承板单位板宽的最大弯矩， 为系数（查表） ， 为两1a相邻支承边对角线长度。5. 屋

11、架施工图的绘制钢屋架施工图是制造厂和工地结构安装的重要依据。绘制屋架施工图时应注意以下几个方面的内容：（1）通常在图纸左上角用合适的比例画出“屋架几何轴线图（屋架简图） 。”图中一半标出几何长度，一半标出杆件的计算内力值。起拱值在屋架简图上标出来。（2）绘制屋架的施工图，通常采用两种比例尺绘制，杆件轴线一般用1：201：30 的比例尺，杆件截面和节点尺寸采用 1：101：15 的比例尺。（3）绘制屋架上、下弦杆的平面图、屋架端部和跨中的侧面图及必要的剖面图。（4）注明各杆件和板件的定位尺寸和孔洞位置等。定位尺寸主要时节点中心至腹杆顶端的距离和屋架轴线到角钢肢背的距离。这两个尺寸即能确定杆件的位置和实际长度。（5）编制材料表。包括各种零件的截面、长度、数量和重量。（6）文字说明。说明的内容包括钢材的牌号、焊条型号、加工精度要求、焊缝质量要求、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。