重型厂房结构设计.ppt

,第2章 重型厂房结构设计,钢结构厂房的特点：承载能力大，整体刚度大，抗震性能好，耐热（但不耐火），制做安装运输都方便，因此在重型厂房及大型厂房中应用很普遍。1大型冶金厂房：炼钢车间、轧钢车间，如鞍钢，首钢，武钢，宝钢的主要厂房都是钢结构。,2重型机械制造厂房，如大型电机装配车间，通常大型装配车间配有双层吊车，这 里主要是柱子的计算及构造。3大型造船厂，火力发电厂，飞机制造车间，过去，通常也做成平面结构，而近年 来，采用平板网架结构。,2.1 结构形式和结构布置,单层厂房钢结构一般是由屋盖结构、柱、吊车梁、制动梁（或制动桁架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系。这些构件按其作用可分为下面几类：(1)横向框架由柱和它所支承的屋架或屋盖横梁组成，是单层厂房钢结构的主要承重体系，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)屋盖结构承担屋盖荷载的结构体系，包括横向框架的横梁、托架、中间屋架、天窗架、檩条等。,（3）支撑体系包括屋盖部分的支撑和柱间支撑等，它一方面与柱、吊车梁等组成单层厂房钢结构的纵向框架，承担纵向水平荷载；另一方面又把主要承重体系由个别的平面结构连成空间的整体结构，从而保证了单层厂房钢结构所必需的刚度和稳定。(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。此外，还有一些次要的构件如梯子、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。,屋盖结构体系：,钢屋架大型屋面板结构体系,钢屋架檩条轻型屋面板结构体系,横梁檩条轻型屋面板结构体系,吊车的工作制等级与工作级别的对应关系,（按照吊车使用的频繁程度）,2.1.1.1 柱网布置和计算单元,柱网布置：就是确定单层厂房钢结构承重柱在平面上的排列，即确定它们的纵向和横向定位轴线所形成的网格。单层厂房钢结构的跨度就是柱纵向定位轴线之间的尺寸，单层厂房钢结构的柱距就是柱子在横向定位轴线之间的尺寸。幻灯片 16,1.影响柱网布置因素：1）生产工艺流程要求：2）结构上的要求：在保证厂房具有必需的刚度和强度的同时，注意柱距和跨度的类别尽量少些，以 利施工。3）经济要求：4）模数要求：柱距L的取值:一般地，在跨度不小于30m、高度不小于14m、吊车额定起重量不小于50t时，柱距取12m较为经济;参数较小的厂房取6m柱距较为合适。如果采用轻型围护结构，则取大柱距15m，18m及24m较适宜。,温度伸缩缝温度变化将引起结构变形，使厂房钢结构产生温度应力。故当厂房平面尺寸较大时，为避免产生过大的温度变形和温度应力，应在厂房钢结构的横向和纵向设置温度伸缩缝(temperaturejoint)。温度伸缩缝的布置决定于厂房钢结构的纵向和横向长度。纵向很长的厂房在温度变化时，纵向构件伸缩的幅度较大，引起整个结构变形，使构件内产生较大的温度应力，并可能导致墙体和屋面的破坏。为了避免这种不利后果的产生，常采用横向温度伸缩缝将单层厂房钢结构分成伸缩时互不影响的温度区段。按规范规定，当温度区段长度不超过下表的数值时，可不计算温度应力。,温度伸缩缝最普遍的做法是设置双柱。即在缝的两旁布置两个无任何纵向构件联系的横向框架，使温度伸缩缝的中线和定位轴线重合；在设备布置条件不允许时，可采用插入距的方式，将缝两旁的柱放在同一基础上，其轴线间距一般可采用1m，对于重型厂房由于柱的截面较大，可能要放大到1.5m或2m，有时甚至到3m，方能满足温度伸缩缝的构造要求。为节约钢材也可采用单柱温度伸缩缝，即在纵向构件（如托架、吊车梁等）支座处设置滑动支座，以使这些构件有伸缩的余地。不过单柱伸缩缝使构造复杂，实际应用较少。当厂房宽度较大时，也应该按规范规定布置纵向温度伸缩缝。,幻灯片,拔柱：由于工艺要求或其它原因，有时需要将柱距局部加大。如图22中，在纵向轴线B与横向轴线L相交处不设柱子，因而导致轴线k和m之间的柱距增大，这种情形有时形象地称为拔柱。托架（托梁）：上承屋架，下传柱子。,2.1.1.2 横向框架及其截面选择,横向框架1.类型1)按跨度：单跨、双跨和多跨2)按静力计算模式 横梁与柱刚接、横梁与柱铰接,横梁与柱铰接的框架，在传统单层厂房钢结构中常可见到。由于其横向刚度较差，常不能满足吊车使用上的要求，因此这种结构类型现在很少采用。横梁与柱刚接的框架具有良好的横向刚度，但对于支座不均匀沉降及温度作用比较敏感，需采取防止不均匀沉降的措施。轻钢厂房采用的门式刚架属于横梁与柱刚接，而且由于结构自重与传统单层厂房钢结构相比大为减轻，沉降问题不甚严重，因而是一种较好的结构形式。,2.主要尺寸1)跨度：一般为3米的倍数。框架的主要尺寸如图所示。框架的跨度，可由下式定出：,截面选择,框架柱按结构形式可分为等截面柱、阶形柱和分离式柱三大类。柱截面有实腹式和格构式两种，重型工业厂房通常采用格构式。等截面柱将吊车梁支于牛腿上，构造简单，但吊车竖向荷载偏心大，只适用于吊车起重量Q150kN，或无吊车且房屋高度较小的轻型钢结构中。,阶形柱也可分为实腹式和格构式两种。从经济角度考虑，阶形柱由于吊车梁或吊车桁架支承在柱截面变化的肩梁处，荷载偏心小，构造合理，其用钢量比等截面柱节省，因而在单层厂房钢结构中广泛应用。阶形柱还根据房屋内设单层吊车或双层吊车做成单阶柱或双阶柱。阶形柱的上段由于截面高度h不大（无人孔时h=400600mm；有人孔时h=9001000mm），并考虑柱与屋架、托架的连接等，一般采用工字形截面的实腹柱。下段柱，对于边列柱来说，由于吊车肢受的荷载较大，通常设计成不对称截面，中列柱两侧荷载相差不大时，可以采用对称截面。下段柱截面高度1m时，采用实腹式；截面高度1m时，采用缀条柱,分离式柱由支承屋盖结构的屋盖肢和支承吊车梁或吊车桁架的吊车肢所组成，两柱肢之间用水平板相连接。吊车肢在框架平面内的稳定性就依靠连在屋盖肢上的水平连系板来解决。屋盖肢承受屋面荷载、风荷载及吊车水平荷载，按压弯构件设计。吊车肢仅承受吊车的竖向荷载，当吊车梁采用突缘支座时，按轴心受压构件设计；当采用平板支座时，仍按压弯构件设计。分离式柱构造简单，制作和安装比较方便，但用钢量比阶形柱多，且刚度较差，只宜用于吊车轨顶标高低于10m、且吊车起重量Q750kN的情况，或者相邻两跨吊车的轨顶标高相差很悬殊，而低跨吊车的起重量Q500kN的情况。优点：减小两肢在框架平面内的计算长度,两肢分别单独承担荷载。,双肢格构式柱是重型厂房阶形下柱的常见型式，下图是其截面的常见类型。阶形柱的上柱截面通常取实腹式等截面焊接工字形或类型（a）。下柱截面类型要依吊车起重量的大小确定：类型（b）常见于吊车起重量较小的边列柱截面；吊车起重量不超过50t的中柱可选取（c）类截面，否则需做成（d）类截面；显然，截面类型（e）适合于吊车起重量较大的边列柱；特大型厂房的下柱截面可做成（f）类截面。,厂房结构形式的选取不仅要考虑吊车的起重量，而且还要考虑吊车的工作级别及吊钩类型，对于装备A6A8级（重级工作制）吊车的车间除了要求结构具有大的横向刚度外，还应保证足够大的纵向刚度。,柱的截面验算,厂房柱主要承受轴向力N，框架平面内的弯矩Mx、剪力Vx；有时还要承受框架平面外的弯矩My。单阶柱的上柱，一般为实腹工字形截面，选取最不利的内力组合，按压弯构件进行截面验算。,阶形柱的下段柱一般为格构式压弯构件，需要验算在框架平面内的整体稳定以及屋盖肢与吊车肢的单肢稳定。框架平面内的整体稳定：,计算单肢稳定时，应注意分别选取对所验算的单肢产生最大压力的内力组合 将单肢看作桁架体系的弦杆，按下式确定两肢件的轴力,对缀条柱，按轴心受压构件的稳定验算公式验算其单肢的稳定性。单肢的计算长度，在弯矩作用平面内，取缀条体系节间的轴线距离；在弯矩作用平面外，取两侧向支承点间的轴线距离。对缀板柱的单肢，尚应考虑剪力作用引起的局部弯矩。将按 算得的剪力和压弯构件的实际剪力比较后，取其大者作为构件的计算剪力，再按 确定作用在单肢上的计算弯矩。在弯矩作用平面内，按压弯构件验算单肢的稳定性。,考虑到格构式柱的缀材体系传递两肢间的内力情况还不十分明确，为了确保安全，还需按吊车肢单独承受最大吊车垂直轮压Rmax进行补充验算。此时吊车肢承受的最大压力为：,式中 吊车竖向荷载及吊车梁自重等所产生的最大计算压力；使吊车肢受压的下段柱计算弯矩，包括的作用；与相应的内力组合的下段柱轴向力；仅由作用对下段柱产生的计算弯矩，与同一截面；柱截面重心轴至屋盖肢重心线的距离；下柱屋盖肢和吊车肢重心线间的距离。,当吊车梁为突缘支座时，其支反力沿吊车肢轴线传递，吊车肢按承受轴心压力N1计算单肢的稳定性。当吊车梁为平板式支座时，尚应考虑由于相邻两吊车梁支座反力差（R1-R2）所产生的框架平面外的弯矩 My全部由吊车肢承受，其沿柱高度方向弯矩的分布可近似地假定在吊车梁支承处为铰接，在柱底部为刚性固定，分布如图所示。吊车肢按实腹式压弯杆验算在弯矩My作用平面内（即框架平面外）的稳定性。,肩梁 连接阶形柱上、下段柱的部件。它将上段 柱的轴心力、弯矩传给下段柱。肩梁一般包括腹板(单 腹板或双腹板)、上部板和下部板三部分。肩梁要有足 够的刚度，使其在受力变形时，在上段柱顶部相应产生 的水平变位和角变位保持在容许范围之内;在下段往 的分肢中相应产生的弯矩可以忽略不计，或由此弯矩 产生的应力与其它应力的组合值不超过规定值。按最 不利组合求出肩梁剪力和弯矩，并验算肩梁强度、肩梁 与上下段柱的连接焊缝的强度和传递内力的加劲肋的 焊缝的强度。,双臂肩梁：刚度大，整体性好，适宜用于柱截 面宽度较大（不小于900mm)的情形。,肩梁,单臂肩梁（图2-7a）,双臂肩梁（图2-7a）,构造要求：肩梁惯性矩宜大于上柱的惯性矩，其线刚度与下柱单肢线刚度之比一般宜不小于25，其高跨比可控制在0.350.5之间。,单壁式肩梁,肩梁只有一块腹板，为单壁式肩梁。当吊车梁为突缘支座时，将肩梁腹板嵌入吊车肢的槽口。为了加强腹板，可在吊车梁突缘宽度范围内，在肩梁腹板两侧局部各贴焊一小板，以承受吊车梁的最大支座反力或将肩梁在此范围内局部加厚。吊车梁为平板式支座时，宜在吊车肢腹板上和吊车梁端加劲肋的相应位置上设置加劲肋，如图所示。外排柱的上柱外翼缘直接以对接焊缝与下柱屋盖肢腹板拼接，上柱腹板一般由角焊缝焊于该范围的上盖板上。单壁式肩梁的上柱内翼缘应开槽口插入肩梁腹板，由角焊缝连接，受力如图所示：,计算内力可近似按下式计算：,式中M1、N1上柱下端使R1绝对值最大的最不利内力组合中的弯矩和轴压力；a1上柱两翼缘中心间的距离。,肩梁腹板按跨度为a，受集中荷载R1的简支梁计算，如图所示。肩梁与下柱屋盖肢的连接焊缝按肩梁腹板反力RA计算，肩梁与下柱吊车肢的连接焊缝按肩梁腹板反力RB计算。当吊车梁为突缘支座时应按（Rmax+RB）计算，Rmax为吊车荷载传给柱的最大压力。这些连接焊缝的计算长度应取不大于60hf，而hf8mm。吊车梁为平板支座时，吊车肢加劲肋按吊车梁最大支座反力计算端面承压应力和连接焊缝，加劲肋高度不宜小于500mm，其上端应刨平顶紧盖板。,双壁式肩梁,单壁式肩梁构造简单，但平面外刚度较差，较为大型的厂房柱通常采用双壁式肩梁，如下图所示。其计算方法与单壁式基本相同，只是在计算腹板时，应考虑两块腹板共同受力。,2.1.1.3 柱间支撑,1作用：（1）保证厂房纵向刚度；（2）承受并传递纵向水平荷载；（3）为框架柱提供平面外支撑，减小柱平面外计算长度。2.柱间支撑的布置：1）每列柱都要设柱间支撑。2）多跨厂房的中列柱的柱间支撑要与边列柱的柱 间支撑布置在同一柱间。3）下层柱间支撑一般宜布置在温度区段的中部，以减少纵向温度应力的影响。4）上层柱间支撑除了要在下层柱间支撑布置的柱 间设置外,还应当在每个温度区段的两端设置。5）每列柱顶均要布置刚性系杆。,3.柱间支撑的形式：,一般情况柱间支撑按拉杆设计，压杆退出工作。采用角钢时，柱间支撑截面不宜小于L756；采用槽钢时不宜小于12。对于大吨位吊车，为提高厂房纵向刚度，下柱支撑可按压杆设计，常采用双角钢或槽钢。设置为双片，双片之间以缀条相连。缀条常采用单角钢，长细比不超过200，且不小于L505。,有关连接构造1)与柱位置关系等截面：在柱轴线处，有人孔则布置在两侧。边柱：外侧有大型板材或墙梁时仅布置在内侧，否则内外两侧均有。变截面中柱：内外两侧均需布置，且应有连杆。2)连接节点采用焊接连接或高强螺栓连接,2.1.2 屋架外形及腹杆形式,2.1.2.1 桁架的应用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。,2.1.2.2桁架的外形及腹杆形式,屋架外形常用的有三角形、梯形、平行弦和人字形等。桁架的外形取决于建筑物的用途、用料、施工、连接、刚度以及屋面的排水坡度等。在制造简单的条件下，桁架外形应尽可能与其弯矩图接近。腹杆的布置应尽量长杆受拉、短杆受压，数目宜少，总长度要短，斜腹杆的倾角一般在3060，使荷载作用在节点上，避免使弦杆承受局部弯矩，节点构造要简单合理，便于制造。,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,2梯形屋架,再分式,特点：可避免节间直接受荷（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，弦件内力分布不均匀。一般用于托架和支撑体系。,2.1.2.3 确定桁架形式的原则：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。,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1/21/8,2.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。,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,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,3.制造简单及运输与安装方便 构造简单，杆件夹角3060；杆件与节点数量少；杆件尺寸划一及节 点构造形式划一 分段制造，便于运输与安装；4.综合技术经济效果好,2.1.2.4 桁架主要尺寸的确定,主要尺寸指屋架跨度L和高度H，L由使用和工艺要求决定；H则由经济条件、刚度条件、运输界限、屋面坡度等因素决定。三角形：H（1/61/4）L梯形屋架：中部 H（1/101/6）L 端部H0（1/161/10）L（常为1.8 2.1m）,钢屋盖由屋面、屋架和支撑组成。,2.1.3 屋盖支撑,其它：托架、天窗、檩条等。,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。,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。,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,图216屋盖支撑作用示意图,1.保证屋盖结构的几何稳定性。,几何可变体系屋架侧倾,几何不变体系屋架稳定,2.1.3.1屋盖支撑的作用,2.保证屋盖的刚度和空间整体性 横向水平支撑是一个水平放置(或接近水平放置)的桁架,支座是柱或垂直支撑。纵向水平支撑：提高屋架平面内（横向）抗弯刚度，使框架协同工作，形成空间整体性，减少横向水平荷载作用下的变形。,3.为弦杆提供适当的侧向支承点 支撑可作为屋架弦杆的侧向支承点，减小弦杆在屋架平面外的计算长度，保证受压上弦杆的侧向稳定，并使受拉下弦保持足够的侧向刚度。4.承担并传递水平荷载 如传递风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震荷载。5.保证结构安装时的稳定与方便,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,当跨度L18m；设有悬挂式吊车起重量大于5吨；厂房内设有较大的振动设备。与上弦横向水平支撑布置在同一柱间。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或有壁行吊车，或有锻锤等大型振动设备；，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。,下弦纵向水平支撑,垂直支撑联系屋架上、下弦水平支撑，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,所有房屋中均应设置垂直支撑。梯形屋架在跨度L30m，三角形屋架在跨度L24m时，仅在跨度中央设置一道。当跨度大于上述数值时宜在跨度13附近或天窗架侧柱外设置两道。梯形屋架不分跨度大小，其两端还应各设置 一道，当有托架时则由托架代替。垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同 一柱间。,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。分类：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。设置：在垂直支撑的平面内一般设置上下弦系杆；屋脊节点及主要支承节点处需设置刚性系杆，天窗侧柱处及下弦跨中或跨中附近设置柔性系杆；当屋架横向支撑设在端部第二柱间时，第一柱间所有系杆均应为刚性系杆。,2.1.3.3 屋盖支撑的杆件及支撑的计算原则,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。,荷载计算刚架内力计算,2.2 计算原理,计算单元,简化,单层房屋结构,平面桁架,1.永久荷载（恒载）,屋面恒载檩条自重屋架、其它构件自重和围护结构自重,2.可变荷载（活载）屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载 及吊车荷载。3.施工荷载,2.2.1 荷载计算,风荷载：标准值：z 风压高度变化系数s体型系数z风振系数风荷载标准值Wk是沿垂直建筑物表面方向作用的，为方便将其投影到水平上。,刚架计算单元宽b、跨度方向长为h范围内风荷载应合力为：投影到水平面上的值Po为：,为简化计算，引入当量惯性矩将格构式拄和屋架换算为实腹式构件进行内力分析。当量惯性矩：,2.2.2 刚架内力计算,A和A分别为格构柱两肢（或屋架上下两弦）截面积 X和X格构式柱两肢（屋架上下两弦）的截面形心到 格构式柱截面中性轴的距离。,反映剪力和几何形 状的修正系数。,=0.9 平行弦=0.8 上弦坡度i=0.1=0.7 上弦坡度i=0.125,对于屋架：其当量惯性矩为：h为上下两弦截面形心之间的距离。屋架尺寸未定时，可按下式估算其当量惯性矩。Mmax简支屋架在屋面荷载作用下的跨中 弯矩。f 弦杆抗拉强度设计值。,内力分析：依叠加原理，内力分析只需针对几种基本类型进行。单跨刚架：（1）永久荷载；（2）屋面活荷载；（3）左风（右风荷载）；（4）吊车左（右）刹车力；（5）吊车小车靠近左（右）时的重力。手算或电算,按照建筑结构荷载规范(GB50009)的规定，结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态，依照组合规则进行荷载效应的组合，并取最不利组合进行设计。,2.2.3 内力组合原则,对于一般的刚(框)架，按承载能力极限状态设计时，构件和连接可取下列简化公式中的最不利值确定：SGK、SQK按规范规定的标准值算得的永久荷载效 应和可变荷载效应 G、Q永久荷载分项系数和可变荷载分项系数,荷载效应组合的目的：找到最不利组合情形对构件和连接进行校核。分别按校核构件中出现的内力，寻求它们分别取可能的最大值时的组合进行校核。受弯构件：,压弯构件：,内力组合表,2.3 钢屋架设计,2.3.1 屋架的内力计算,屋架上的荷载包括恒载、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、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,2.3.2 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,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。,2.3.3 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。,2.3.4 杆件的截面选择,1.一般要求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，对单壁式屋架，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），按表2-8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，不应超过56种，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。,2.杆件的截面选择,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。,2.3.5 钢桁架的节点设计,1.节点设计的一般要求 桁架应以杆件的形心线为轴线并在节点处相交于一点，以避免偏心受力。为了制作方便，通常取角钢背或T形钢背至轴线的距离为5mm的整数倍。,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（动载50mm），或者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（不允许切肢背）。,弦杆截面沿长度有改变时，一般将拼接处两侧弦杆表面对齐，形心线错开，宜采用受力较大的杆件形心线为轴线。当两侧形心线偏移的距离e不超过较大弦杆截面高度的5时，可不考虑此偏心影响。当偏心距离e超过上述值，或者节点处有较大偏心弯矩时，应根据交汇处各杆的线刚度，将此弯矩分配于各杆。所计算杆件承担的弯矩为 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。,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。,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。,2、节点板设计（1）节点板的形状和尺寸,（2）节点板计算,梯形钢屋架和平行弦屋架的节点板将腹杆的内力传给弦杆，节点板厚度由腹杆最大内力来决定。三角形屋架支座处节点板传递端节间弦杆内力，节点板厚度由上弦杆内力来决定。中间节点板厚度参照下表选用。一般支座处节点板受力大，中间节点板受力小，支座处节点板厚度比中间节点板厚度大2mm。同一榀屋架中除支座处节点板外其余节点板厚度取相同厚度。,（2）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，节点板厚度不满足要求时应按下列公式计算,角钢桁架节点板的强度除按上式验算外也可用有效宽度法按下式计算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：a、对有竖腹杆或无竖腹杆但自由边有加劲肋的节点板，；b、对无竖腹杆且自由边无加劲肋的节点板，,如不满足则计算节点板稳定性任何情况c/t不得大于22,在采用上述方法计算节点板的强度和稳定时，尚应满足下列要求：节点板边缘与腹杆轴线之间的夹角应不小于15；斜腹杆与弦杆的夹角应在3060之间；节点板的自由边长度 与厚度t之比不得大于，否则应根据构造要求沿自由边设加劲肋予以加强。,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,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，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：,通常因N很小，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。,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：,式中 肢尖焊缝的焊脚尺寸。,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；,下弦跨中拼接节点,下弦一般采用与下弦尺寸相同的角钢来拼接，并保持拼接处原有下弦杆的刚度和强度,见图。在下弦的拼接中，为了使拼接角钢与原来的角钢相紧贴，对拼接角钢顶部要截去棱角，宽度为r(r为角钢内圆弧半径)；对其竖向肢应割去t+hf+5mm(t为角钢厚度)，见图,以便施焊。因切割而对拼接角钢截面的削弱则考虑由节点板补偿。当节点两侧下弦杆的角钢截面不相同时，拼接角钢的截面可采用与较小截面的相同。,下弦拼接角钢与弦杆的连接计算及拼接角钢总长度的确定拼接角钢与下弦杆角钢间共有4条角焊缝，承担节点两侧较小截面中的内力设计值N2（当节点两侧弦杆截面不相同时），对轴心拉杆的拼接，常偏安全地取N2A2f，即按截面的抗拉强度承载力进行连接计算。4条角焊缝都位于角钢的肢尖，其与角钢截面形心距离大致相同，因而可认为平均受力。由连接焊缝的需要可求出拼接角钢的总长度为,+2hf,B为拼接处原角钢间的空隙，一般取1020mm。,拼接角钢长度：L=2 l1+b,下弦杆与节点板的连接角焊缝下弦杆与节点板的连接焊缝，按两侧下弦较大内力的15%，和两侧下弦的内力差两者中的较大值来计算，但当拼接节点处有外荷载作用时，则应按此较大值与外荷载的合力进行计算。,上弦跨中拼接节点,在此节点上，左右两弦杆必然断开因而需用拼接件拼接。拼接件通常采用与弦杆相同的角钢截面，同时需将拼接角钢的棱角截去并把竖向肢t+hf+5mm的一部分切除。对屋面坡度较小的梯形桁架，拼接角钢可热弯成形；对屋面坡度较大的三角形桁架，则常需将拼接角钢的竖直边割一口子，如图所示，而后冷弯成形并对焊连接。,拼接角钢与弦杆的连接计算及拼接角钢总长度的确定拼接角钢与受压弦杆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，因而焊缝长度为,弦杆与节点板的连接焊缝计算上弦与节点板的连接焊缝时,假定节点荷载P由上弦角钢肢背处的槽焊缝承受,按前上弦节点计算。弦杆与节点板间的焊缝所承受的竖向力为 P-（N1+N2）Sin,角钢桁架的支座节点,屋架与柱子的连接可以做成铰接或刚接。支承于混凝土柱或砌体柱的屋架一般都是按铰接设计，而屋架与柱子的连接则可为铰接或刚接。,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，它还是保证支座节点板平面外刚度的必要零件。为便于施焊，屋架下弦角钢背与支座底板的距离e不宜小于下弦角钢伸出肢的宽度，也不宜小于130mm。屋架支座底板与柱顶用锚栓相连，锚栓预埋于柱顶，直径通常为2024mm。为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，屋架就位后再加小垫板套住锚栓并用工地焊缝与底板焊牢，小垫板上的孔径只比锚栓直径大12mm。,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，然后经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。,支座节点应进行以下计算：支座底板的毛面积应为按计算需要的底板面积一般较小，主要根据构造要求(锚栓孔直径、位置以及支承的稳定性等)确定底板的平面尺寸。,底板的厚度应按底板下柱顶反力(假定为均匀分布)作用产生的弯矩决定。底板经节点板及加劲肋分隔后成为两相邻边支承的四块板，其单位宽度的弯矩按下式计算 式中：q底板下反力的平均值，；系数，值由查表得；a1、b1对角线长度及其中点至另一对角线的距离底板的厚度应为 为使柱顶反力比较均匀，底板不宜太薄，一般其厚度不宜小于1620mm。,加劲肋的高度由节点板的尺寸决定，其厚度取等于或略小于节点板的厚度。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1/4，它与节点板的连接焊缝承受剪力 VR/4和弯矩=Ve，并应按下式验算,底板与节点板、加劲肋的连接焊缝按承受全部支座反力及计算。验算式为,屋架与柱刚接,屋架下弦节点与支承端板的连接焊缝计算：,下弦节点的支承端板在水平拉力H作用下受弯，近似按嵌固于两列螺栓间的梁式板计算，所需厚度为：,钢屋架施工图,屋架对称时，可仅绘半榀屋架的施工图，大型屋架则需按运输单元绘制。施工图的绘制特点和要求说明如下：（1）通常在图纸左上角绘一屋架简图，简图比例视图纸空隙大小而定，图中一半注上几何长度(mm)，另一半注上杆件的计算内力(kN)。当梯形屋架跨度L24m或三角形屋架跨度L15m时，挠度较大，影响使用与外观，制造时应考虑起拱，拱度约为L/500，起拱值可注在简图中，也可以注在说明中。,（2）施工图的主要图面用以绘制屋架的正面图，上、下弦的平面图，必要的侧面图和剖面图，以及某些安装节点或特殊零件的大样图。屋架施工图通常采用两种比例尺：杆件轴线一般为1:201:30，以免图幅太大；节点(包括杆件截面、节点