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1、,建筑钢结构设计,一教学目的与要求 掌握屋盖结构形式，支撑布置原则及杆件截面的选型，能够设计一般形式的桁架，并绘制施工图。二 教学主要内容及学时分配 1-1厂房结构形式与布置（2学时）1-2厂房结构的框架形式（1学时）1-3支撑体系（1学时）1-4屋盖结构（2学时）1-5厂房柱设计（1学时）1-6 普通钢屋架设计（3学时）三教学方法与手段 多媒体教学与课堂讨论结合 进行屋架的课程设计（一周）,第1章单层厂房结构,1-1厂房结构形式与布置1.1.1 厂房结构组成 屋盖结构、柱、吊车梁（或桁架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系,（1）横向框架由柱和它所支承的屋架组成，它是厂房的主要承重体系，
2、承受结构的自重、风、雪荷载和吊车的竖向与横向荷载，并把这些荷载传递到基础。（2）屋盖结构由檀条、天窗架、屋架、托架和屋盖支撑所构成，承受屋面荷载。（3）支撑体系包括屋盖支撑和柱间支撑，其作用是将单独的平面框架连成空间体系，从而保证了结构的刚度和稳定，同时也承受风荷载和吊车的制动力。（4）吊车梁和制动梁（或制动桁架）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。（5）墙架承受墙体的自重和风荷载。,图1.1 厂房结构示例,1.1.2厂房结构的设计步骤,第一步，要对厂房的建筑和结构进行合理的规划，使其满足工艺和使用要求，并考虑将来可能发生的生产流程变化和发展。第二步，根据工艺设计
3、确定车间平面及高度方向的主要尺寸，同时布置柱网和温度伸缩缝，选择主要承重框架的形式，并确定框架的主要尺寸。第三步，布置屋盖结构、吊车道结构、支撑体系及墙架体系。按设计资料进行静力计算、构件及连接设计。第四步，绘制施工图，设计时应尽量采用构件及连接构造的标准图集。,1.1.3柱网和温度伸缩缝的布置,1.1.3.1柱网布置满足生产工艺的要求 满足结构方面的要求 符合经济合理的要求 符合柱距规定要求1.1.3.2温度伸缩缝布置为避免产生过大的温度变形和温度应力，应在厂房的横向或纵向设置温度伸缩缝。见p3表1.1,1.2厂房结构的框架形式,厂房横向框架的柱脚一般与基础刚接，而柱顶可分为铰接和刚接两类。
4、1.2.1横向框架主要尺寸和计算简图,图1.3横向框架的主要尺寸 图1.4柱与吊车梁轴线间的净空,（1-1）,（1-2）,框架由柱脚底面到横梁下弦底部的距离：,（1-3）,（1-4）,1.2.1.2计算简图,图1.5横向框架的计算简图（a）柱顶刚接；（b）柱顶铰接,框架的计算跨度L（或L1、L2）取为两上柱轴线之间的距离。,横向框架的计算高度H：,柱顶刚接时，可取为柱脚底面至框架下弦轴线的距离（横梁假定为无限刚性），或柱脚底面至横梁端部形心的距离（横梁为有限刚性）图1.6（a）、（b）；柱顶铰接时，应取为柱脚底面至横梁主要支承节点间距离图1.6（c）、（d）。对阶形柱应以肩梁上表面作分界线将H
5、划分为上部柱高度H1和下部柱高度H2。,横向框架的计算高度H：,图1.6横向框架的高度取值方法（a）柱顶刚接，横梁视为无限刚性；（b）柱顶刚接，横梁视为有限刚性；（c）柱顶铰接，横梁为上承式；（d）柱顶铰接，横梁为下承式,1.2.2横向框架的荷载和内力,永久荷载：屋盖各级组织主、柱、吊车梁系统、墙架、墙板及设备管道和的自重。（这些重量可参考有关资料、表格、公式进行估计）。永久荷载的荷载分项系数为 可变荷载：风、雪荷载、积灰荷载、屋面均布活荷载、吊车荷载、地震荷载等。（这些荷载可由荷载规范和吊车规格查得）。可变荷载的荷载分项系数,雪荷载一般不与层面均布活荷载同时考虑，积灰荷载与雪荷载或屋面均布活
6、荷载两者中的较大者同时考虑。,1.2.2.2内力分析和内力组合,为了计算框架构件的截面，必须将框架在各种荷载作用下所产生的内力进行最不利组合。要列出上段柱和下段柱的上下端截面中的弯矩M、轴向力N和剪力V。此外还应包括柱脚锚固螺栓的计算内力。每个截面必须组合出Mmax和相应的N、V；Mmax和相应的N、V；Nmax和相应的M、V；对柱脚锚栓则应组合出可能出现的最大拉力：即Mmax和相应的N、V；Mmax和相应的N、V。,1.2.3 框架柱的类型,图1.8框架柱的形式（a）等截面实腹柱；（b）等截面格构柱；（c）阶形实腹柱；（d）阶形格构柱；（e）双阶柱；（f）分离式柱,1.3支撑体系厂房（屋盖支
7、撑和柱间支撑）,1.3.1.1屋盖支撑的作用(1)提高结构的整体刚度、发挥结构的空间作用；(2)保证结构的几何稳定及受压构件的侧向稳定；(3)防止构件在动力荷载作用下产生较大的振动；(4)承担和传递房屋所受水平荷载（如风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震荷载等）；(5)保证结构安装时的稳定与方便。,1.3.1.2 屋盖支撑的种类,(1)横向水平支撑上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑。(2)纵向水平支撑设于屋架的上弦或下弦平面。(3)垂直支撑(4)系杆,屋盖支撑作用示意图,1.3.2 屋盖支撑的布置,1.3.2.1横向水平支撑(1)上弦横向水平支撑,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（
8、图1.10，图1.11）。有时在山墙承重，或设有纵向天窗但此天窗又未到温度区段尽端而退一个柱间断开时，为了与天窗支撑配合，可将屋架的横向水平支撑布置在第二个柱间，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（图1.11）。两道横向水平支撑间的距离不宜大于60m，当温度区段长度较大时，尚应在中部增设支撑，以符合此要求。,垂直支撑,下弦横向支撑,下弦纵向支撑,上弦横向支撑,系杆,梯形屋架的支撑典型布置,垂直支撑的布置和形式,返回,(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，但当屋架跨度比较小（L18m）又无吊车或其他振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。下弦
9、横向水平支撑一般和上弦横向水平支撑布置在同一开间，它们和相邻的两个屋架组成一个空间桁架体系图1.10(a)、图1.11。当屋架间距12m时，由于在屋架下弦设置支撑不便，可不必设置下弦横向水平支撑，但上弦支撑应适当加强，并应用隅撑或系杆对屋架下弦侧向加以支承图1.10(b)。当屋架间距18m时，如果仍采用上述方案则檩条跨度过大，此时宜设置纵向次桁架，使主桁架（屋架）与次屋架组成纵横桁架体系，次桁架间再设置檩条或设置横梁及檩条，同时，次桁架还对屋架下弦平面外提供支承。,1.3.2.2 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为保证托架的侧向稳定时，或设有重级或
10、大吨位的中级工作桥式吊车、壁行吊车或有锻锤等较大振动设备时，均应在屋架端节间平面内设置纵向水平支撑。纵向水平支撑的作用有：(1)纵向水平支撑和横向水平支撑形成封闭体系将大大提高房屋的纵向刚度。(2)当房屋为工厂车间并设有吊车时，在吊车横向制动力作用下使框架起空间作用，可减轻受荷较大的框架所受水平荷载和产生的水平变形。(3)当有托架时，可保证托架的侧向稳定。单跨厂房一般沿两纵向柱列设置，多跨厂房（包括等高的多跨厂房和多跨厂房的等高部分）则要根据具体情况，沿全部或部分纵向柱列布置。屋架间距12m时，纵向水平支撑通常布置在屋架下弦平面，但三角形屋架及端斜杆为下降式且主要支座设在上弦处的梯形屋架和人字
11、形屋架，也可以布置在上弦平面内。屋架间距12m时，纵向水平支撑宜布置在屋架的上弦平面内图1.10(b)。,1.3.2.3 垂直支撑,无论有檩屋盖或无檩屋盖，通常均应设置垂直支撑。屋架的垂直支撑应与上、下弦横向水平支撑设置在同一柱间 对三角形屋架的垂直支撑，当屋架跨度18m时，可仅在跨度中央设置一道；当跨度18m时，宜设置两道（在跨度1/3左右处各一道）。对梯形屋架、人字形屋架或其他端部有一定高度的多边形屋架，必须在屋架端部设置垂直支撑，此外尚应按下列条件设置中部的垂直支撑：当屋架跨度30m时，可仅在屋架跨中布置一道垂直支撑；当跨度30m时，则应在跨度1/3左右的竖杆平面内各设一道垂直支撑；当有
12、天窗时，宜设置在天窗侧腿的下面（图1.12）。若屋架端部有托架时，就用托架等代替，不另设端部垂直支撑。,1.3.2.4 系杆,为了保证未设置横向水平支撑屋架的侧向稳定以及传递水平荷载，应在横向支撑或垂直支撑节点处，沿房屋纵向通长地设置系杆（图1.10、图1.11）。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。在屋架下弦平面内，当屋架间距为6m时，应在屋架端部处、下弦杆有弯折处、与柱刚接的屋架下弦端节间受压但未设纵向水平支撑的节点处、跨度18m的芬克式屋架的主斜杆与下弦相交的节点处等部位皆应设置系杆。当屋架间距12m时，支撑杆件截面
13、将大大增加，多耗钢材，比较合理的做法是将水平支撑全部布置在上弦平面内并利用檩条作为体系的压杆和系杆，而作为下弦侧向支承的系杆可用支于檩条的隅撑代替。系杆分刚性系杆（既能受拉也能受压）和柔性系杆（只能受拉）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，当横向水平支撑设置在房屋温度区段端部每二个柱间时，第一个柱间的所有系杆图1.11(b)均为刚性系杆，其他情况的系杆可用柔性系杆。,1.3.3 柱间支撑,柱间支撑由两部分组成：在吊车梁以上的部分称为上层支撑，吊车梁以下部分称为下层支撑，下层柱间支撑与柱和吊车梁一起在纵向组成刚性很大的悬臂桁架。显然，将下层支撑布置在温度区段的端
14、部，在温度变化的影响方面将是很不利的。因此，为了使纵向构件在温度发生变化时能较自由地伸缩，下层支撑应该设在温度区段中部。只有当吊车位置高而车间总长度又很短（如混铁炉车间）时，下层支撑设在两端不会产生很大的温度应力，而对厂房纵向风度却能提高很多，这时放在两端才是合理的。当温度区段小于90m时，在它的中央设置一道下层支撑图1.13(a)；如果温度区段长度超过90m，则在它的1/3点处各设一道支撑图1.13(b)，以免传力路程太长。,图1.13柱间支撑的布置,1.4屋盖结构,1.4.1.1屋盖结构体系（1）无檩屋盖（2）有檩屋盖1.4.1.2屋架的形式（1）三角形（2）梯形（3）平行弦（4）人字形,
15、芬克式(a)、(b),人字式(d),单斜式腹杆的屋架(c),（预应力混凝土大型屋面板等重型屋面）,（轻型屋面）,适用于陡坡屋面（i1/3）的有檩屋盖体系,（L18m）,H（1/61/4）L,梯形屋架,单斜式、人字式和再分式,屋面坡度较为平缓的无檩屋盖,坡度为1/201/10,（1/101/8）L,（1/161/12）L,平行弦桁架,弦杆及腹杆分别等长、节点形式相同、能保证桁架的杆件重复率最大,单坡屋架、吊车制动桁架、栈桥和支撑构件,芬克式腹杆三角形屋架,人字式腹杆三角架形屋架,下承式梯形屋架,上承式梯形屋架,返回,1.4.3简支屋架设计,1.4.3.1屋架的内力分析（1）基本假定（a）将荷载集
16、中到节点上（b）节点处的所有杆件轴线在同一平面内相交于一点，而且各节点均为理想铰接（2）节间荷载引起的局部弯矩 有节间荷载作用的屋架，除了把节间荷载分配到相邻节点并按节点荷载求解杆件内力外，还应计算节间荷载引起的局部弯矩。,每节间一个集中荷载,每节间两个集中荷载,节间荷载引起的局部弯矩,（3）内力计算与荷载组合,（a）内力计算方法电算法各种形状的屋架图解法几何形状不很规则 的屋架解析法形状不复杂的（如梯形、平行弦屋架）及杆件数不多的屋架,（b）荷载组合可变荷载效应控制的组合永久荷载效应控制的组合,与柱铰接的屋架应考虑下列荷载作用情况（屋面倾角300不考虑风载）全跨荷载：全跨永久荷载+全跨屋面活
17、荷载或雪荷载（取大值）+全跨积灰荷载+悬挂吊车荷载半跨荷载：全跨永久荷载+半跨屋面活载（或半跨雪载）+半跨积灰荷载+悬挂吊车荷载大型混凝土屋面板尚应考虑安装时可能的半跨荷载：屋架及天窗架（包括支撑）自重+半跨屋面板重+半跨屋面活载对梯形屋架,人字形屋架,平行弦屋架,在进行上述可能产生内力变号的跨中斜腹杆的截面选择时,不论全跨荷载下它们是拉杆还是压杆,均按压杆考虑并控制长细比不大于150。按此处理后一般不必再考虑半跨荷载组合,对轻质屋面材料的屋架一般考虑负风压的影响对轻屋面厂房吊车起重量（Q300KN）考虑按框架分析求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屋架和支承自重g=(kN/m
18、2水平向)屋面荷载 屋架下弦未设天棚，屋架和支承自重全部作用在上弦 屋架下弦设天棚，屋架和支承自重上下弦平均分配,（c）节点荷载,q/2,q,q,q,q,S,S,a,a,a,a,a,(d)上弦承受节间荷载时的局部弯矩按简支梁弯矩M0乘以调整系数端节间正弯矩M1=0.8M0其它节间正弯矩和节点负弯矩M=0.6M0,1.4.3.2杆件的计算长度和容许长细比1 弦杆和单系腹杆的计算长度（见下图）（1）平面内：弦杆、支座斜杆、竖杆 其他中间腹杆（2）平面外：弦杆 侧向支承点之间的距离 支座斜杆、竖杆 其他腹杆（3）斜平面：支座斜杆、竖杆 其他腹杆 2 变内力杆件的计算长度（见下图）平面外：3 交叉腹杆
19、的计算长度 平面内：平面外：见下表 容许长细比：受压构件150、支撑压杆200、直接动荷拉杆250、静力拉杆350、支撑拉杆400,交叉腹杆在桁架平面外的计算长度,桁架杆件在桁架平面内计算长度,桁架杆件在桁架平面外 计算长度,侧向支承点间压力有变化的弦杆平面外的计算长度,1.4.3.3杆件的截面形式 受压弦杆：两等肢，两短肢相并角钢，两长肢相并（有节点荷载）受拉弦杆：两短肢相并，等肢 梯形支座处斜杆及竖杆：两等肢 垂直支撑竖杆：两等肢十字截面 受力小腹杆：单角钢 四 屋架构造一般要求与杆件截面选择 1 屋架构造一般要求 2 杆件截面选择（1）角钢规格：（a)拉杆：强度、刚度验算（2）节点板厚度
20、(b)压杆：整体稳定性,局部稳定性,刚度验算（3）缀板(c)压弯杆：平面内外稳定性、局部稳定，刚 度验算，强度验算(d)拉弯：强度验算，刚度验算(d)雪荷载或活荷载在半跨上腹杆应按压杆设计,优先选用肢宽薄壁L454或L56364同一屋架角钢规格应尽量统一，一般不超过56种，不应使用肢宽相同而厚度相差不大规格对于跨度大于24米屋架，弦杆可根据内力变化改变截面，但半跨内只宜改变一次，且只改变肢宽,拉杆强度,拉杆和其他构件用磨檫高强螺栓连接时净截面强度,拉杆和其他构件用磨檫高强螺栓连接时毛截面强度,拉杆长细比验算,压杆强度,压杆和其他构件用磨檫高强螺栓连接时毛截面强度,压杆和其他构件用磨檫高强螺栓连
21、接时净截面强度,压杆整体稳定性,压杆局部稳定性计算表,轴心受压构件板件宽厚比,杆件截面形式,返回,1-5 桁架节点的设计 1节点设计的一般原则各杆轴线应交汇于节点形成节点中心角钢切断面一般应与轴线垂直，斜切时只能切肢尖点板形状应简单、规则、并能充分利用材料各杆件在节点板焊接或者直接焊接于弦杆上，也可拼接,2 节点的构造与计算一般节点（无集中力也无弦杆拼接）,肢背焊缝,肢尖焊缝,一般,允许,不允许,允许,节点设计的一般程序按比例绘出杆件轴线及角钢外形由腹板内力确定焊缝厚度和长度留出杆件之间的间隙确定节点板合理形状及尺寸验算弦杆和节点板连接焊缝,有集中荷载的节点 节点板不伸出,静力荷载和间 接 动
22、力荷载,动力荷载,屋架上弦节点,上弦角钢的加强,屋架下弦中间节点,B 节点板部分伸出,肢背焊缝,肢尖焊缝,C 弦杆拼接节点 弦杆常用拼接角钢拼接(1)拼接角钢与弦杆同规格(2)上弦拼接角钢热弯、屋面较陡可将竖肢开口弯折对焊(3)工地拼接节点设置安装螺栓(4)弦杆拼接节点计算弦杆自身拼接传力焊缝各杆与节点板之间传力焊缝(5)拼接角钢长度,下弦工地拼接节点,上弦工地拼接节点,D 支座节点(1)下弦角钢边缘与底板间距离e不宜小于下弦伸出肢的宽度,也不宜小于130(2)锚栓直径 通常2024mm(3)支座传递路线:屋架杆件合力 节点板 肋板 水平焊缝 底板(4)支座节点计算内容,底板面积,水平焊缝,底
23、板厚度,竖直焊缝,三角形屋架的支座节点,返回,1-6桁架的施工图和工程 实例,图绘制要点：纸左上角绘桁架简图（对称可一半杆件几何长度，一半为杆件内力）梯形 L24m 三角形L15m应起拱，拱度L/500 施工详图包括：屋架正面，上、下弦平面图，侧面图，安装节点，特殊零件大样图，材料表，比例：杆件轴线1：201：30 节点1：101：15在图中要全部注明各零件型号和尺寸，包括加工尺寸，零件定位尺寸、孔洞位置，对工厂和工地加工要求。在图中各零件要进行详细编号、按主次、上下、左右一定顺序逐一进行图中文字说明包括不易用图表达以及为简化图面而易用文字集中说明的内容节点板边线对杆件边线间的扩散角通常宜1:41:3应使节点板在杆件两侧有主够的扩散角,节点板没有狭长的夹角突出,节点中心在节点板范围内,节点板在杆件端部切断处有足够的宽度,其截面积大于被连接杆件内力和偏心影响计算的需要值,先确定焊缝肢背,肢尖长度,找出控制点,将控制点连接起来,来确定节点板尺寸.,E 桁架与柱的刚性连接F T字钢弦杆桁架节点,T型钢作弦杆的屋架节点,
