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1、钢屋盖结构设计,大纲要求:,1.了解钢屋盖的种类、截面形式和应用；,3.掌握钢屋盖的设计和施工图的绘制；,2.掌握屋盖支撑体系的作用和布置原则；,普通钢屋架设计内容：屋架的荷载计算；杆件内力计算和组合；正确选择杆的截面型式和确定计算长度；选择截面并验算各杆件的承载力；计算节点连接并绘制钢屋架施工图。,钢屋盖的类别包括：,概 述,平面钢屋架,空间桁架：,网架,7.1 钢屋盖的组成,钢屋盖由屋面、屋架和支撑组成。其它：托架、天窗、檩条等。,7.1.1 屋盖结构体系,屋面板,檩条,房屋横向刚度大，整体性、耐久性 好；屋面板自重大，屋盖及下部结构用料多，对抗震不利。,屋架间距灵活，构件重量轻、施工、安
2、装方便；屋盖构件数量多，整体刚度差。,一般用于预应力混凝土大型屋面板等重型屋面，将屋面板直接放在屋架上。,常用于轻型屋面材料的情况。,3.满足制造、安装和运输要求 构造简单，杆件夹角3060；杆件与节点数量少；分段制造，便于运输与安装；,确定屋架形式的原则：1.满足使用要求屋架外形应与屋面材料的排水要求相适应。,7.1.2 屋架的形式,2.满足经济要求 屋架外形应尽量和弯矩图接近，使上下弦杆 内力沿跨度方向分布较均匀，腹杆受力较小；腹杆的布置宜使短杆受压，长杆受拉；荷载布置在节点上，减少弦杆局部受弯。,按腹杆布置方式不同有：芬克式,特点：长腹杆受拉，短腹杆受压，受力合理，应 用广泛。,1三角形
3、屋架,杆件数量少，节点数量少，受压杆较长，但抗震性能优于芬克式屋架，适用于跨度小于18m的屋架。,单斜式,腹杆和节点数量较多，长腹杆受拉，但夹角小，适用于下弦设置天棚的屋架。,人字式,适用范围：跨度小，坡度大、采用轻型屋面材料的有檩体系。,特点：外形和弯矩图不相适应，弦杆内力分布不均匀，近支座处内力大，近跨中处小，横向刚度小。上下弦交角小，端节点构造复杂。可将上弦或下弦改变为折线形或陡坡梯形，以改善受力和节点构造。,按腹杆布置方式不同有：人字式,2梯形屋架,特点：腹杆总长度短，节点少。,按支座斜杆与弦杆组成的支承点在下弦或在上弦又可分为下承式和上承式两种。,上承式,下承式,再分式,特点：可避免
4、节间直接受荷（非节点荷载）。,单斜杆式 特点：多数腹杆受压，杆件数量多，总长大，应用少。,特点 外形和弯矩图比较接近，弦杆内力沿跨度分布较均匀，用料经济，应用广泛。适用范围 适用于屋面坡度平缓且跨度较大时的无檩屋盖结构。屋架高度 梯形屋架的中部高度一般为（1/101/8）L，与柱刚接的梯形屋架，端部高度一般为（1/161/12）L，通常取为2.02.5m。与柱铰接的梯形屋架，端部高度可按跨中经济高度和上弦坡度决定。,3.人字形桁架 上、下弦可为平行，坡度为1/201/10，节点构造较为统一；上、下弦可以具有不同坡度或下弦有一部分水平段，以改善屋架受力情况。跨中高度一般为2.02.5m，跨度大于
5、36m时可取较大高度但不宜超过3m；端部高度一般为跨度的1/181/12。4.平行弦屋架 上、下弦杆水平，杆件和节点规格化、便于制造。屋架的外形和弯矩图分布不接近，杆件内力分布不均匀。一般用于托架和支撑体系。,平面屋架在屋架平面外的刚度和稳定性很差，不能承受水平荷载。因此，为使屋架结构有足够的空间刚度和稳定性，必须在屋架间设置支撑系统。,7.2 屋盖支撑,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 系杆,组成,檩条屋面板,保证屋盖的整体性，提高空间刚度 仅由平面桁架、檩条及屋面材料组成的屋盖结构，是一个不稳定的体系，如果将某些屋架在适当部位用支撑连系起来，成为稳定的空间体系
6、，其余屋架再由檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上，就保证了整个屋盖结构的稳定。避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动 支撑可作为屋架弦杆的侧向支撑点，减小弦杆出平面外的计算长度。承担和传递水平荷载（如纵向和横向风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震作用等）。保证结构安装时的稳定与方便 屋盖的安装首先用支撑将两相邻屋架连系起来组成一个基本空间稳定体，在此基础上即可顺序进行其他构件的安装。,7.2.1 支撑的作用,7.2.2 支撑的布置,上弦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的第一柱间或第二柱间，其最大间距为60m，否则在中间应增设一道或几道支撑。有时可将其布置在第二个柱间，但在第一
7、个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力。,1上弦横向水平支撑,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，一般和上弦横向水平支撑布置在同一柱间以形成空间稳定体系的基本组成部分。但当屋架跨度比较小（18m）又无吊车或其他振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。,3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，或设有重级或大吨位的中级工作制桥式吊车等较大振动设备时，均应在屋架端节间平面内设置纵向水平支撑。一般情况可以省掉。屋架间距12m时，通常布置在屋架下弦平面。屋架间距12m时，宜布置在屋架的上弦平面内。,垂直支撑联系屋架上、下弦
8、水平支撑，并和屋架水平支撑一起形成几何不变的屋盖空间结构，是上弦横向水平支撑的支承点，在屋盖安装过程中保证屋盖稳定。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。,4垂直支撑,5系杆,作用：系杆能保证无横向水平支撑的所有屋架在上弦杆平面外的稳定和安装时屋架的稳定，第一柱间的刚性系杆能将山墙的风荷载传到横向水平支撑。设置：在横向支撑或垂直支撑节点处应沿房屋通长设置系杆。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。系杆分刚性系杆（既能受拉也能受压）和柔性系杆（只能承受拉力）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
9、均宜用刚性系杆。,屋架支撑为平行弦桁架，其弦杆可兼作支撑桁架的弦杆，斜腹杆一般采用十字交叉式，与弦杆的交角在30o60o之间。通常横向水平支撑节点间的距离为屋架上弦节间距离的24倍，纵向水平支撑的宽度取屋架端节间的长度，一般为6m左右。支撑中的交叉斜杆以及柔性系杆按拉杆设计，通常用单角钢做成；非交叉斜杆、弦杆、横杆以及刚性系杆按压杆设计，宜采用双角钢做成的T形截面或十字形截面，其中横杆和刚性系杆常用十字形截面使在两个方向具有等稳定性。屋盖支撑受力较小，截面尺寸一般由杆件容许长细比和构造要求决定。,7.2.3 支撑的计算和构造,7.3 简支屋架设计,7.3.1 屋架的内力分析,屋架上的荷载包括恒
10、载、活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载及悬挂荷载等。（1）基本假定 通常将荷载集中到节点上，并假定屋架各杆均为理想直杆，各杆轴线在同一平面内且汇交于节点中心，各节点均为理想铰接，忽略实际节点产生的次应力。,（2）节间荷载引起的局部弯矩节间荷载作用的屋架，除把节间荷载分配到相邻节点外，还应计算节间荷载引起的局部弯矩。,（3）内力计算与荷载组合,全跨恒载+全跨活载：即全跨永久荷载+全跨屋面活载或雪荷载（取较大值）+全跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。全跨恒载+半跨活载：即全跨永久荷载+半跨屋面活载（或半跨雪荷载）+半跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。采用大型混凝土屋面板的屋架，尚应考虑安装时可能的半跨荷载：即屋架、
11、支撑和天窗自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载。,屋架上、下弦杆和靠近支座的腹杆由作用时会引起杆件的最不利内力；跨中附近的腹杆可能由两种荷载组合控制。,B.中间腹杆：两端或一端嵌固程度较大，视为弹性嵌固。lox=0.8l,(1)在桁架平面内,A.弦杆、支座斜杆、支座竖杆：本身线刚度大，但两端节点嵌固程度较低，视为两端铰接杆件。lox=l,7.3.2 杆件的计算长度和容许长细比,1.杆件的计算长度,下弦杆：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：由于节点在平面外刚度很小，对杆件嵌固作用较小，故腹杆两端视为铰接，则lOy=l,(2)在桁架平面外,取决于弦杆侧向支承点间距离。,上弦杆,
12、无檩方案:,有檩方案:,能保证大型屋面板三点与上弦杆焊接时:,lOy=l1（l13m）,l1 两块屋面板宽度。,檩条与支撑点交叉不连接时：lOy=l1檩条与支撑点交叉连接时：lOy=l1/2,单面连接的单角钢和双角钢组成的十字形杆件，受力后有可能斜向失稳，由于两端节点有一定的嵌固作用，故斜平面计算长度略作折减(支座斜杆和支座竖杆除外），l0=0.9l,(4)其他 如桁架受压弦杆侧向支承点间的距离为两倍节间长度，且两节间弦杆内力不等时，该弦杆在桁架平面外的计算长度按下式计算：,，,式中：Nl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,但不小于0.5ll,(3)腹
13、杆在斜平面内的计算长度,确定桁架弦杆和单系腹杆的长细比时，其计算长度应按下表规定采用。,l 构件的几何长度（节点中心间距离）；l1 桁架弦杆侧向支承点间的距离；,2.杆件的容许长细比规范中对拉杆和压杆都规定了容许长细比。,7.3.3 杆件的截面形式,对轴心受压杆件，宜使杆件对两个主轴有相近的稳定性，即可使两方向的长细比接近相等。基本上采用由两个角钢组成的T形截面或十字形截面形式的杆件，也可用H型钢剖开而成的T形钢代替双角钢组成的T形截面。受力较小的次要杆件可采用单角钢。,当=时，可采用两个等边角钢截面或TM截面；,通常采用不等边角钢短肢相连的截面，或TW型截面以满足长细比要求。,上弦杆：,有节
14、间荷载时，可采用不等边角钢长肢相连或TN型截面。,无节间荷载时，宜采用不等边角钢短肢相连的截面；,下弦杆：,受力很小的腹杆（如再分杆等次要杆件），可采用单角钢截面。,支座斜杆：,其他一般腹杆：,宜采用等边角钢相并的截面；,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；,由双角钢组成的T形或十字形截面杆件按实腹式杆件进行计算，必须每隔一定距离在两个角钢间加设填板。,双角钢杆件的填板：,填板的间距对压杆l140i1，拉杆l180 i1；在T形截面中，i1为一个角钢对平行于填板自身形心轴的回转半径；在十字形截面中，填板应沿两个方向交错放置，i1为一个角钢的最小回转半径，在压杆的桁架平面外计
15、算长度范围内，至少应设置两块填板。,填板的宽度一般取5080mm；填板的长度：对T形截面应比角钢肢伸出1020mm，对十字形截面则从角钢肢尖缩进1015mm。填板的厚度与桁架节点板相同。,7.3.4 杆件的截面选择,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，一般板件或肢件的最小厚度为5mm。角钢杆件或T型钢的悬伸肢宽不得小于45mm。直接与支撑或系杆相连的最小肢宽，应根据连接螺栓的直径d而定。屋架节点板（或T型钢弦杆的腹板）的厚度，可根据腹杆的最大内力（对梯形和人字形屋架）或弦杆端节间内力（对三角形屋架），按教材表7-3选用。跨度较大的桁架（24m）与柱铰接时，弦杆宜根据内力变化改
16、变截面，半跨内一般只改变一次。,同一屋架的型钢规格不宜太多，以便订货。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的削弱。,轴心受拉杆件应验算强度和长细比要求。轴心受压杆件和压弯构件要计算强度、整体稳定、局部稳定和长细比。,单面连接的单角钢杆件，在按轴心构件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减系数。,2.杆件的截面选择,7.3.5 钢桁架的节点设计,1.节点设计的一般要求 以桁架杆件的形心线为轴线并在节点处相交于一点，肢背至轴线的距离为5mm的倍数。,节点处，腹杆与弦杆或腹杆与腹杆之间焊缝的净距，不宜小于10mm，或者
17、杆件之间的空隙不小于1520mm。,角钢端部的切割一般垂直于其轴线。有时允许切去一肢的部分，但不允许将一个肢完全切去而另一肢伸出的斜切。,节点板的外形应简单而规则，至少宜有两边平行，如矩形、平行四边形和直角梯形等。节点板边缘与杆件轴线的夹角不应小于15。,2.角钢桁架的节点设计,一般节点一般节点是指无集中荷载和无弦杆拼接的节点,节点板的平面尺寸，一般应根据杆件截面尺寸和腹杆端部焊缝长度画出大样图来确定。,肢背焊缝：,腹杆与节点板的连接焊缝按角钢角焊缝承受轴心力方法计算。,节点板应伸出弦杆1015mm以便焊接。,弦杆与节点板的连接焊缝，应考虑承受弦杆相邻节间内力之差，按下式计算:,通常因N很小，
18、实际所需的焊脚尺寸可由构造要求确定，并沿节点板全长满焊。,肢尖焊缝：,为便于大型屋面板或檩条的放置，常将节点板缩进上弦角钢背，缩进距离不宜小于(0.5t+2)mm，也不宜大于节点板厚度t。,角钢桁架有集中荷载的节点,角钢背凹槽的塞焊缝可假定只承受屋面集中荷载，按下式计算其强度：,式中：Q 节点集中荷载垂直于屋面的分量；焊脚尺寸，取 0.5t；正面角焊缝强度增大系数。一般因Q不大，按构造满焊,计算时应考虑偏心弯矩MNe（e为角钢肢尖至弦杆轴线距离），按下列公式计算：,弦杆角钢肢尖与节点板的连接焊缝承受弦杆相邻节间的内力差,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，肢尖焊
19、缝不满足强度要求时，可将节点板部分向上伸出或全部向上伸出。,此时弦杆与节点板的连接焊缝应按下列公式计算：肢背焊缝：,肢尖焊缝：,式中：、伸出肢背的焊缝焊脚尺寸和计算长度；,工地拼接下弦节点 屋脊跨度过大时，需将其分成几个运输单元运到工地进行拼接。A、拼接角钢的截面、长度要求：拼接角钢常与下弦角钢截面相同，为紧贴原角钢，肢背部位截去棱角；竖直边割去hf+t+5mm。若节点两侧下弦杆规格相异时，拼接角钢同较小截面。若角钢边长大于125mm时，为改善受力，避免产生较大应力集中，作如下处理：将角钢肢尖焊缝处两端各切去一角。,B、下弦角钢与节点板的连接角焊缝屋脊节点,支座节点：一般为铰接连接，适用于混凝
20、土柱顶、砌体顶部、钢柱柱顶连接。此时节点由：底板、肋板、锚栓三部分组成。A、锚栓：常按构造设置，一般选用2个2024mm的锚栓，锚栓孔常采用开口式，为了便于安装，垫片在安装就位后与底板焊接；B、底板：底板面积按AWR/fc确定；C、加劲肋板：底端应切角，以避免三条焊缝交于一点引起的应力集中。,1.3.4钢屋架施工图 施工图的内容：屋架正面详图、上弦及下弦平面图、部分侧面图和零件图、整榀屋架的几何轴线图和材料表。施工图布置：左上角为屋架几何轴线图；图纸正中从上而下依次为上弦平面、屋架正面详图、下弦平面；右上角为材料表；右下角为必要的图纸说明。材料表的内容：所有杆件和零件的编号、规格尺寸、长度、数量（正、反）和重量、整榀屋架的总用钢量。说明的内容：钢材的钢号、焊条型号、加工精度要求、焊缝质量等级、图中未注明的焊缝和螺栓孔的尺寸、防锈及防火处理及其他特殊要求。,施工图的绘制要点：1.通常在图纸上部绘制一桁架简图作为索引图。2.详图中，主要图面绘制屋架的正面图，上、下弦的平面图，必要的侧面图，以及某些安装节点或特殊零件的大样图，施工图还应有材料表。3.施工图中，要全部注明各零件的型号和尺寸。4.施工图中，各零件要进行详细编号。5.文字说明应包括不易用图表达以及为了简化图面而易于用文字集中说明的内容。,
