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1、第9章 桁架及屋盖,第九章 桁架及屋盖,桁架的外形、主要尺寸和腹杆体系屋盖的组成 屋架的支撑系统 屋盖设计的内容和屋架的内力计算桁架杆件的截面形式和节点板厚度桁架的节点设计和角钢间的填板,主要内容：,重点：,支撑系统，内力计算，节点设计,第9章 桁架及屋盖,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹杆体系,第9章 桁架及屋盖,桁架是指由直杆在端部相互连接而组成的格子式结构。桁架中的杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力。应力在截面上均匀分布，桁架用料经济，结构 的自重小，易于构成各种外形以适应不同的用途。在工业与民用房屋建筑中，当跨度比较大时用梁作屋盖的承重结构是不经济的，这时都要用桁架。,9.1.1 桁架
2、的应用,第9章 桁架及屋盖,9.1.2 桁架的外形及腹杆形式,第9章 桁架及屋盖,三角形屋架：适合于波形石棉瓦、瓦楞铁皮,坡度一般在1/31/2,梯形屋架：压型钢板和大型钢筋混凝土屋面板，坡度一般在1/21/8,1.满足使用要求：,9.1.3 确定桁架形式的原则,第9章 桁架及屋盖,2.受力合理：1）弦杆：使各节间弦杆的内力相差不太大。简支屋架外形与均布荷载下的抛物线 形弯矩图接近时，各处弦杆内力才比 较接近。,2）腹杆：应使长杆受拉短杆受压，且腹杆数 量宜少，腹杆总长度也应较小。,第9章 桁架及屋盖,单向斜杆式：,斜腹杆受拉 竖腹杆受压 合理,斜腹杆受压竖腹杆受拉不合理,第9章 桁架及屋盖,
3、再分式腹杆减少受压上弦节间尺寸，避 免节间的附加弯矩也减少了上 弦杆在屋架平面内的长比。交叉式腹杆主要用于可能从不同方向受力 的支撑体系。,再分式腹杆,交叉式腹杆,第9章 桁架及屋盖,3.制造简单及运输与安装方便 杆件数量少，节点少，杆件尺寸划一及节 点构造形式划一。平行弦桁架最容易符合 上述要求。4.综合技术经济效果好,第9章 桁架及屋盖,三角形屋架下弦下沉，弦杆交角增大，方便制造，屋架重心降低，提高了稳定性。,可有效降低屋架对支撑结构的推力。,根据不同的条件桁架形式可以有很多变化,第9章 桁架及屋盖,跨度 L工艺及使用要求 高度 H经济、刚度、运输、坡度等 各种屋架中部高度：三角形屋架：中
4、部高度H(1/61/4)L 梯形屋架：中部高度H(1/101/6)L 端部高度H0(1.82.1m),9.1.3桁架主要尺寸的确定,第9章 桁架及屋盖,屋盖结构,有檩体系,无檩体系,由大型屋面板、屋架或屋面梁及屋盖支撑组成，有时还包括有天窗架和托架等构件,由小型屋面板、檩条、屋架及屋盖支撑所组成,屋盖结构,9.2 屋盖的组成,第9章 桁架及屋盖,1、无檩体系 这是常用的一种做法。其做法是将大型屋面板直接放置在屋架或屋面梁上，屋架（屋面梁）放在柱子上。这种做法的整体性好，刚度大，可以保证厂房的稳定性，而且构件大、类别少，数量少，施工速度快，便于工业化施工，但要求施工吊装能力强。,第9章 桁架及屋
5、盖,2、有檩体系这种做法是将各种小型屋面板或瓦直接放在檩条上，檩条可以采用钢筋混凝土或型钢做成。这种体系构件小、重量轻、吊装容易，但构件数量多，施工烦琐，工期长，多用在施工机械起吊能力较小的施工现场。檩条支承在屋架或屋面梁上。有檩体系的整体刚度较差，适用于吊车吨位小的中小型 厂房。,第9章 桁架及屋盖,（1）上弦横向水平支撑,屋盖支撑包括上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑、纵向水平系杆、天窗架支撑等。,构成：沿厂房跨度方向用交叉角钢、直腹杆和屋架上弦杆构成的水平 桁架。,作用：保证屋架上弦的侧向稳定性；增强屋盖的整体刚度；作为山墙抗风柱的顶端水平支座，承受由山墙传来的风
6、荷载和其他纵向水平荷载，并传至厂房纵向柱列。,布置：当屋盖为有檩体系，或屋盖为无檩体系，但屋面板与屋架的连接质量不能保证且抗风柱与屋架上弦连接，每一伸缩缝区段端部第一或第二柱间布置；当设有天窗，且天窗通过厂房端部的第二柱间或通过伸缩缝，应在第一或第二柱间的天窗范围内设置，并在天窗范围内沿纵向设置13道通长的受压系杆，将天窗范围内各榀屋架与上弦横向水平支撑连系起来。,9.3 屋盖的支撑系统,第9章 桁架及屋盖,上弦横向水平支撑布置,第9章 桁架及屋盖,（2）下弦横向水平支撑,构成：沿厂房跨度方向用交叉角钢、直腹杆和屋架下弦杆构成的水平桁架。,作用：将山墙风荷载及纵向水平荷载传至纵向柱列；防止屋架
7、下弦侧向振动。,布置：当屋架下弦设有悬挂吊车，或厂房内有较大振动，或山墙风荷载通过抗风柱传至屋架下弦，应在每一伸缩缝区段两端的第一或第二柱间设置，宜与上弦横向水平支撑设置在同一柱间。,下弦横向水平支撑布置,第9章 桁架及屋盖,屋盖支撑,第9章 桁架及屋盖,（3）纵向水平支撑,构成：由交叉角钢、直杆和屋架下弦第一节间组成的纵向水平桁架。,作用：加强屋盖结构的横向水平刚度；保证横向水平荷载的纵向分布，加强厂房的空间工作；保证托架上弦的侧向稳定。,布置：当设有软钩桥式吊车且厂房高度大、吊车起重量较大，应在屋架下弦端节间沿厂房纵向通长或局部设置一道；当已设有下弦横向水平支撑时，为保证厂房空间刚度，应尽
8、可能与横向水平支撑连接，以形成封闭的水平支撑系统。,纵向水平支撑布置,第9章 桁架及屋盖,（4）垂直支撑,构成：由角钢杆件与屋架直腹杆组成的垂直桁架，形式为十字交叉形或W形。,作用：保证屋架受荷后在平面外的稳定；传递纵向水平力。,布置：应与下弦横向水平支撑布置在同一柱间内。,当厂房跨度小于18m且无天窗时，一般可不设垂直支撑和水平系杆；,当厂房跨度1830m、屋架间距为6m、采用大型屋面板时，应在每一伸缩缝区段端部的第一或第二柱间，屋架跨中设置一道垂直支撑；,当屋架跨度大于30m时，应在每一伸缩缝区段端部的第一或第二柱间，屋架跨度1/3左右的节点处设置两道垂直支撑。,第9章 桁架及屋盖,垂直支
9、撑和水平系杆布置图,第9章 桁架及屋盖,（5）水平系杆,构成：分为上弦水平系杆和下弦水平系杆。,作用：上弦水平系杆是为保证屋架上弦或屋面梁受压翼缘的侧向稳定；下弦水平系杆是为防止在吊车或有其它水平振动时屋架下弦侧向颤动。,布置：当屋盖设置垂直支撑时，未设置垂直支撑的屋架间，在相应于垂直支撑平面内的屋架上弦和下弦节点处，设置通长的水平系杆。,刚性系杆（压杆）：凡设在屋架端部主要支承节点处和屋架上弦屋脊节点处的通长水平系杆，均应采用刚性系杆；当屋架横向水平支撑设在伸缩缝区段两端的第二柱间内时，第一柱间内的水平系杆均应采用刚性系杆。,柔性系杆（拉杆）：其余均可采用柔性系杆。,第9章 桁架及屋盖,（6
10、）天窗架支撑,构成：包括天窗架上弦横向水平支撑、天窗架间的垂直支撑和水平系杆。,作用：保证天窗架上弦的侧向稳定；将天窗端壁上的风荷载传给屋架。,布置：,纵向位置（柱间）：一般天窗架上弦横向水平支撑和垂直支撑均设置在天窗端部第一柱间内。,横向位置（道）：一般垂直支撑设置在天窗两侧。,水平系杆：在未设置上弦横向水平支撑的天窗架间设置；应在上弦节点处设置柔性系杆；对有檩屋盖体系，檩条可以代替柔性系杆。,第9章 桁架及屋盖,天窗架支撑布置,第9章 桁架及屋盖,柱间支撑布置,构成：由交叉钢杆件组成，交叉倾角宜取45，支撑钢构件的截面尺寸需经承载力和稳定计算确定。,柱间支撑是纵向平面排架中最主要的抗侧力构
11、件。,作用：提高厂房的纵向刚度和稳定性；将吊车纵向水平制动力、山墙及天窗端壁的风荷载、纵向水平地震作用等传至基础。,柱间支撑作用示意图,第9章 桁架及屋盖,柱间支撑,第9章 桁架及屋盖,分类：对于有吊车的厂房，按其位置可分为上柱柱间支撑和下柱柱间支撑。,上柱柱间支撑：位于牛腿上部，并在柱顶设置通长的刚性系杆；承受作用在山墙及天窗壁端的风荷载，并保证厂房上部的纵向刚度。,下柱柱间支撑：位于牛腿下部；承受上部支撑传来的内力、吊车纵向制动力和纵向水平地震作用等，并将其传至基础。,形式：十字交叉形；当柱间要通行或放置设备，或柱距较大而不宜采用交叉支撑时，可采用门架式支撑。,门架式柱间支撑,柱间支撑布置
12、,第9章 桁架及屋盖,布置：当设有A6A8的吊车，或A1A5的吊车起重量10t时或厂房跨度18m，或柱高8m时或厂房每列纵向柱总数7根时或设有3t以上的悬挂吊车时或露天吊车栈桥的柱列，应设置柱间支撑。,上柱柱间支撑设置：一般在伸缩缝区段两端与屋盖横向水平支撑相对应的柱间以及伸缩缝区段中央或临近中央的柱间。,下柱柱间支撑设置：在伸缩缝区段中部与上柱柱间支撑相应的位置。,柱间支撑布置,第9章 桁架及屋盖,优点：纵向水平荷载作用下传力路线较短；厂房两端的温度伸缩变形较小；厂房纵向构件的伸缩受柱间支撑的约束较小，所引起的结构温度应力也较小。,柱间支撑与伸缩变形的关系,柱间支撑布置,第9章 桁架及屋盖,
13、结构方案确定和结构布置檩条设计屋架内力分析屋架杆件截面设计屋架节点设计绘制施工图，编制材料表,9.4 屋盖设计内容和屋架内力计算,第9章 桁架及屋盖,一.杆件计算长度1.桁架平面内 理想桁架压杆在平面内计算长度为节点中心距，考虑到拉杆对节点转动的约束作用，一般可根据节点的嵌固程度确定。如下所示，弦杆、支座斜杆和支座竖杆计算长度不折减，其他受压腹杆计算长度l0 x0.8l0,9.4.1 屋盖设计内容和屋架内力计算,第9章 桁架及屋盖,2.桁架平面外 取侧向支承点之间的距离。上弦：上弦横向水平支撑的节间长度（1）有檩屋盖如檩条与横向水平支撑的交叉点用节点板焊牢，可取檩条间距。,（2）无檩屋盖，横向
14、支撑由屋面板代替时取两块屋面板的宽度。一般不大于3.0m。,第9章 桁架及屋盖,下弦：取纵向水平支撑节点与系杆或系杆与系杆之间的距离。腹杆：节点在桁架平面外的刚度很小，取l0yl0。3.斜平面 单面连接的单角钢和双角钢组成的十字形杆件，斜平面计算长度取l00.9l，支撑斜杆和支座竖杆不变。,第9章 桁架及屋盖,第9章 桁架及屋盖,4.其他杆件 桁架受压弦杆侧向支承点距离为两倍节间长度且两节间弦杆内力不等时，则该弦杆在 桁架平面外的计算长度可按下式计算：,N1较大的压力，计算时取正值；N2较小的压力或拉力，计算时压力取正值，拉力取负值。,第9章 桁架及屋盖,桁架再分式腹杆体系的受压主斜杆在桁架平
15、面内的计算长度取节点中心间距，在桁架平面外的计算长度按上式计算。,压力有变化的受压腹杆平面外计算长度（a）再分式腹杆体系的受压主斜杆（b）K形腹杆体系的竖杆,第9章 桁架及屋盖,第9章 桁架及屋盖,受拉构件的容许长细比,第9章 桁架及屋盖,受压构件的容许长细比,第9章 桁架及屋盖,二、截面形式1.单壁式屋架杆件的截面形式,第9章 桁架及屋盖,确定原则等稳定上弦杆：节间无荷载：满足计算长度loy2lox，要使y=x 应使iy2ix，宜采用不等边角钢短肢相连的截面或TW截面；当loy=lox时，可采用两个等边角钢截面或TM截面。节间有荷载：为加强桁架平面内的抗弯能力，可采用不等边角钢长肢相连的截面
16、或TN截面。下弦杆：一般loylox，采用不等边角钢短肢相连的截面或TW截面。,第9章 桁架及屋盖,支座斜杆：一般loy=lox，采用不等边角钢长肢相连的截面或等边角钢截面，连有再分式杆件的斜腹杆因loy=2lox，可采用等边角钢相连的截面。腹杆：一般loy=lo，lox=0.8l即loy=1.25lox，采用等边角钢相连的截面，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，受力很小的腹杆，可采用单角钢截面。,第9章 桁架及屋盖,2.双壁式屋架杆件的截面形式 屋架跨度较大时，弦杆等杆件较长，单榀屋架的横向刚度比较低。为保证安装时屋架的侧向刚度，对跨度42m的屋架宜设计成双壁式。其中
17、由（a）和（b）适用于弦杆和腹杆，（c）适用于大跨度的重型双壁式屋架的弦杆和腹杆。,第9章 桁架及屋盖,双角钢T形截面,3.双角钢杆件的填板,第9章 桁架及屋盖,双角钢十字形截面,第9章 桁架及屋盖,填板宽度：5080mm填板长度：T形截面比角钢肢伸出1020mm 十字形截面从角钢肢尖缩进10 15mm。填板厚度：与桁架节点板相同。填板间距：压杆l140i1，拉杆l180i1，压 杆平面外计算长度范围内，至少 设两块。,第9章 桁架及屋盖,第9章 桁架及屋盖,三.截面选择1.一般原则应优先选用肢宽而薄的板件或肢件组成的截面以增加截面的回转半径，但受压构件应满足局部稳定要求。一般情况下，板件或肢
18、件的最小厚度为5mm，对小跨度屋架可用到4mm。角钢杆件或T型钢的悬伸肢宽不得小于45mm。开螺栓孔时，尚应满足孔径要求。屋架节点板(或T型钢弦杆的腹板)的厚度，对单壁式屋架，可根据腹杆的最大内力(梯形和人字形屋架)或弦杆端节间内力(三角形屋架)，按表选用；对双壁式屋架，则可按上述内力的一半选用,第9章 桁架及屋盖,跨度较大的桁架(例如24m)与柱铰接时，弦杆宜根据内力变化而改变截面，但半跨内一般只改变一次。变截面位置宜在节点处或其附近，通常是变肢宽而保持厚度不变，以便处理弦杆的拼接。同一屋架的型钢规格不宜太多，以便订货，一般不超过56种。同时应尽量避免选用相同边长或肢宽而厚度相差很小的型钢，
19、以免施工时产生用料错误。,第9章 桁架及屋盖,当连接支撑等的螺栓孔在节点板范围内且距节点板边缘距离100mm时，计算杆件强度可不考虑截面削弱。,单面连接的单角钢杆件，在按轴心受拉或轴心受压计算其强度或稳定以及连接时，钢材和连接的强度设计值应乘以相应的折成系数，考虑受力偏心的影响。,第9章 桁架及屋盖,9.5 桁架节点设计,第9章 桁架及屋盖,1.一般要求1）各杆的重心线应与屋架轴线重合，汇交于节点中心；角钢肢背至重心线的距离取5mm的倍数，小角钢可取1mm的倍数；2）弦杆截面有改变时，一般将拼接处弦杆肢背对齐，屋架轴线在两个杆件形心线中间，如形心线偏移距离超过较大弦杆截面高度5，应考虑由此引起
20、的偏心弯矩，杆件弯矩按下式计算：,式中：M节点偏心弯矩；Ki所计算杆件线刚度；Ki汇交于节点的各杆件线刚度之和。,第9章 桁架及屋盖,3）节点处腹杆与腹杆、腹杆与弦杆之间的净距不小于1520mm；角钢端部切割宜垂直于轴线，为减小节点板尺寸可采用(b)和(c)，不允许一肢完全切去而另一肢伸出的斜切。,第9章 桁架及屋盖,4）节点板的形状应尽量简单规则，宜采用矩形，也可采用平行四边形和梯形等，一般至少有两条边平行；节点板不允许有凹角；节点板尺寸尽量使焊缝中心受力，节点板边缘与杆件轴线夹角不应小于150；节点板应伸出角钢肢背1015mm，也可缩进（上弦搁置屋面板、檩体需要）t1/2t1，t1为节点板
21、厚度；同一屋架采用相同节点板厚度。,第9章 桁架及屋盖,5）支承大型混凝土屋面板的上弦杆，当支承处的总集中荷载(设计值)超过表8.5的数值时、弦杆的伸出肢容易弯曲，应对其加强。,第9章 桁架及屋盖,2.节点设计步骤1）根据腹杆内力计算各杆所需焊缝长度和焊脚尺寸。2）画出屋架轴线。3）按比例画出各杆件的角钢轮廓线(表示角钢厚度的线可示意画出)，满足要求1、2。4）切断角钢，满足要求3。5）进行焊缝布置。6）定出节点板的外形，适当考虑制作和装配误差。,第9章 桁架及屋盖,7）标注尺寸：腹杆端部至节点中心的距离。数字准确到mm b节点板的平面尺寸。节点中心至节点板边的长度。,各杆件轴线至角钢肢背的距
22、离。每条角焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度。8）验算弦杆与节点板的连接焊缝。,第9章 桁架及屋盖,3.屋架上弦节点,第9章 桁架及屋盖,腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两侧焊为便于大型屋面板或檩条连接角钢的放置，常将节点板缩进上弦角钢背，缩进距离不宜小于t1/2t1，也不宜大于t1，t1为节点板厚度。角钢背凹槽的塞焊缝可假定只承受屋面集中荷裁，按两条角焊缝计算：,Q节点集中荷载垂直于屋面的分量；hf1焊脚尺寸，取hf1 0.5t；f正面角焊缝强度增大系数。,第9章 桁架及屋盖,弦杆角钢肢尖与节点板连接焊缝承受相邻杆的内力差N及引起的弯矩M=Ne，计算：,式中,hf2肢尖焊缝的焊脚尺寸。,第9章 桁架及屋
23、盖,式中,hf1、lw1肢背的焊缝焊脚尺寸和计算长度；hf2、lw2肢尖焊缝的焊脚尺寸和计算长度。,当节点板向上伸出不妨碍屋面构件的放置，或因相邻弦杆节间内力差N较大，胶尖焊缝按上式不满足时，节点板部分向上伸出或全部向上伸出，弦杆与节点板的连接焊缝计算：,肢背：肢尖：,第9章 桁架及屋盖,肢背肢尖,4.下弦节点节点上无集中荷载时：,一般内力差很小，实际的焊缝焊脚尺寸按构造确定，并沿节点板全长满焊。,第9章 桁架及屋盖,节点上有集中荷载时：,肢背：肢尖：,第9章 桁架及屋盖,5.屋脊节点上弦在屋脊处断开，用角钢拼接。拼接角钢棱角铲去，切肢=(t+hf+5)mm拼接角钢一般热弯成形，坡度较大或角钢
24、肢较宽时，切口后弯折焊成。,第9章 桁架及屋盖,式中，N节点两侧弦杆内力较小值。拼接角钢长度弦杆与节点板的连接焊缝，按上弦节点，但N取弦杆最大内力的15，,拼接角钢长度由焊缝长度要求确定,接头一侧的每条连接焊缝长度应为,第9章 桁架及屋盖,6.下弦拼接节点当杆件长度不够或弦杆截面有改变时，一般在工厂拼接，拼接位置通常在节点范围以外。当 屋架分为几个运送单元时在工地进行拼接，拼接位置一般在节点处，为减轻节点板负担和保证整个屋架平面外刚度，通常不利用节点扳作为拼接材料，而以拼接角钢传递弦杆内力。拼接角钢宜采用与弦杆相同的截面，使弦杆在拼接处保持原有的强度和刚度。拼接角钢的切角、截肢和长度计算同前。
25、弦杆与节点板的连接焊缝，按下弦节点，但N取为相邻节间弦杆内力之差和弦杆最大内力15两者较大值。,第9章 桁架及屋盖,三角形屋架的支座节点,7.支座节点 支承于混凝土柱或砖柱的屋架按铰接设计，支承于钢柱的屋架铰接或刚接。,第9章 桁架及屋盖,人字形或梯形屋架支座节点（a）上承式（b）下承式,支于混凝土柱的支座节点由节点板、底板、加劲肋和锚栓组成。支座节点的中心应在加劲肋上，加劲肋起分布支承处支座反力的作用，保证支座节点板平面外刚度。,第9章 桁架及屋盖,为便于施焊，屋架下弦角钢背与支座底板的距离不宜小于下弦角钢伸出肢的宽度及130mm。屋架支座底板与柱顶预埋锚栓相连锚栓直径通常为2024mm。为
26、便于安装时调整位置，底板上的锚栓孔径宜为锚栓直径的22.5倍，小垫扳上的孔径比锚径直径大(12)mm。支座节点的传力路线是：桁架各杆件的内力通过杆端焊缝传给节点板，通过节点板与加劲肋之间的垂直焊缝，把一部分力传给加劲肋，再通过节点板、加劲肋与底板的水平焊缝把全部支座压力传给底板，最后传给支座。,第9章 桁架及屋盖,式中，R支座反力；fc支座混凝土局部承压强度设计值；A0锚栓孔的面积。一般短边不小于200mm，考虑锚栓孔要求来确定底板平面尺寸。底板厚度由柱顶反力作用产生的弯矩决定，计算方法同铰接柱脚底板。不宜小于1620mm。加劲肋的高度由节点板尺寸和焊缝要求决定，其厚度取等于或略小于节点板的厚
27、度。,支座底板的毛面积为：,第9章 桁架及屋盖,加劲肋可视为支承于节点板上的悬臂梁，一个加劲肋通常假定传递支座反力的14，它与节点板的连接焊续承受剪力vR4和弯短MVb4，加劲肋与节点板连接焊缝验算：底板与节点板、加劲肋的连接焊缝验算：,lw2a+2(b-t-2c)-6cm，t和c分别为节点板厚度和加劲肋切口宽度。,第9章 桁架及屋盖,8.T型钢作弦杆的屋架节点当腹杆也用T型钢或单角钢时，腹杆与弦杆直接焊接，不需要节点板；当腹杆采用双角钢时，有时需设节点板，节点板与弦杆采用对接焊缝，此焊缝承受弦杆相邻节间的内力差及产生的偏心弯矩，可按下式进行计算：,第9章 桁架及屋盖,lw由斜腹杆焊缝确定的节点板长度，若无引弧板时要出去弧坑；t节点板厚度，通常取与T型钢腹板等厚或相差不超过1mm；对接焊缝的抗剪强度设计值；对接焊缝抗拉抗压强度设计值。,第9章 桁架及屋盖,9.连接节点处板件的计算连接节点处的板件在拉、剪作用下的强度,第9章 桁架及屋盖,角钢桁架节点板的强度也可用有效宽度法按下式计算：,可取30度,第9章 桁架及屋盖,为了保证桁架节点板在斜腹杆压力作用下的稳定性，受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆边缘的净距离c应满足下列条件：有竖腹杆的节点板无竖腹杆的节点板节点板的自由边长度与厚度之比不得大于 否则应沿自由边设加劲肋予以加强。,
