钢屋架设计：桁架与屋盖

2023年1月2日浙江大学钢结构研究室1第三章 桁架与屋盖2023年1月2日浙江大学钢结构研究室2内容l1.1 钢桁架概述l1.2屋盖的组成及主要平面尺寸l1.3 屋架l1.4屋架的支撑系统l1.5实腹式檩条设计l1.6桁架杆件的计算长度和容许长细比l1.7 桁架杆件的截面形式、节点板厚度和角钢间的填板l1.8桁架杆件的截面设计l1.9桁架的节点设计l1.10 屋架的施工详图1.1 钢桁架概述2023年1月2日浙江大学钢结构研究室4平面桁架与空间桁架2023年1月2日浙江大学钢结构研究室5构件截面与节点形式2023年1月2日浙江大学钢结构研究室61.2屋盖的组成及主要平面尺寸1，屋盖组成2，屋面系统：有檩体系，无檩体系（屋面材料等等）3，屋架的名义跨度和计算跨度4，屋架间距5，屋盖平面尺寸 2023年1月2日浙江大学钢结构研究室8屋盖的组成l屋架，支撑系统，屋面系统2023年1月2日浙江大学钢结构研究室92023年1月2日浙江大学钢结构研究室10屋面系统l有檩体系，无檩体系2023年1月2日浙江大学钢结构研究室11屋架的名义跨度和计算跨度l两相邻柱列定位轴线间的距离为屋架的名义跨度 Ll屋架左右两支座中心线间的距离为屋架的计算跨度l。l计算跨度常取名义跨度减去300mm 2023年1月2日浙江大学钢结构研究室12屋架间距l一般应由设计人员按经济要求确定。l当屋架间距增大，所有纵向构件如檩条等因跨度加大而需增大其截面；但在一定建筑面积下，屋架和支柱（包括柱基础）数目则可减少，利用求极值的数学方法理论上可求得使整个屋盖和支柱用钢量最少或工料最省时的屋架经济间距 l实际设计时屋架间距l约为屋架跨度的1/31/5l常用间距：6m，压型钢板屋面：612m2023年1月2日浙江大学钢结构研究室13屋盖平面尺寸l当区段长度超过某规定值时，需设置伸缩缝。最常用的设置方法是在伸缩缝处设置双柱。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室141.3 屋架 1，平面桁架的外形及主要尺寸 2，平面桁架的腹杆体系 2023年1月2日浙江大学钢结构研究室16平面桁架的外形l三角形、梯形、平行弦、人字行、多边形2023年1月2日浙江大学钢结构研究室17上弦坡度l主要由屋面材料确定：l1）波形石棉瓦屋面要求屋面坡度，瓦楞铁屋面要求，若这种屋面的坡度过小，易造成漏雨，因此常需选用三角形屋架。l2）油毡防水屋面则要求，因此常用的梯形屋架l3）近来常被采用的长尺压型钢板屋面，则可用于时，因而常选用梯形屋架和接近于平行弦的屋架。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室18屋架的适用跨度l平面桁架作为两端简支的受弯构件在满跨均布荷载作用下，弯矩图形为一抛物线，其上、下弦杆主要承受桁架截面上的弯矩，而腹杆则主要承受桁架截面上的剪力。l三角形屋架外形与抛物线形差别较大，因而其弦杆各节间的内力很不均匀，屋架端部高度小，该处节间的内力最大，因弦杆截面常按整根弦杆的最大内力选用，造成弦杆截面钢材的增加，故跨度较大时选用三角形屋架是不经济的，其常用跨度宜在2427m以下。l梯形屋架因为外形接近于抛物线形，则弦杆各节间中的内力最为均匀。加之刚度也较好，常用跨度可达36m左右l平行弦屋架弦杆内力不及梯形屋架均匀，但其腹杆长度一致，杆件类型少，节点构造统一，便于制造，是其优点。l屋架外形图与弯矩图的比较2023年1月2日浙江大学钢结构研究室19屋架的高跨比l对三角形屋架，1/41/6。l与柱刚接的梯形屋架的端部高度常取跨度的（常用端部高度2m左右），端弯矩愈大，比值可取大；跨度愈大，比值可取小些。高跨比：1/6-1/10。l与柱铰接的梯形屋架的常用端部高度2m左右，保证连续性。l平行弦桁架的经济高度常为其跨度1/15的左右。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室20平面桁架的腹杆体系 l布置原则l1.提供承受荷载的节点，尽可能使荷载都作用在节点上而使桁架的弦杆都是轴心受力构件；l2.使荷载传递至支座的路线最短，以减少腹杆的总长度和节点数目；l3.对非人字形的腹杆体系，应使长腹杆受拉，短腹杆受压。对人字形腹杆体系，宜使斜腹杆的倾角在3555范围内。目的都是减小腹杆的截面积。1.4屋架的支撑系统1，横向支撑2，纵向支撑 3，垂直支撑4，系杆 5，支撑系统与屋架的连接节点2023年1月2日浙江大学钢结构研究室22支撑系统图2023年1月2日浙江大学钢结构研究室232023年1月2日浙江大学钢结构研究室242023年1月2日浙江大学钢结构研究室25支撑系统作用l保证桁架结构的空间几何稳定性，及几何形状不变l保证桁架结构的空间刚度和空间整体性l为桁架弦杆提供必要的侧向支撑点l承受并传递水平荷载l保证结构安装的稳定和方便l防止构件在动力荷载作用下产生较大的振动2023年1月2日浙江大学钢结构研究室26横向支撑布置在屋架上下弦和天窗架上弦平面l功能:1，对保证上弦杆的侧向稳定性有着重要的作用。2，传递作用在房屋山墙上的纵向水平风荷载的作用。3，在传力平面增加屋盖结构的刚度 l横向支撑一般应设置在房屋两端（或温度伸缩缝区段两端）的第一个柱间或第二柱间，两道横向支撑的间距不宜超过60m。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室272023年1月2日浙江大学钢结构研究室28纵向支撑布置在屋架上弦或下弦l功能:1.与横向支撑一起形成一水平刚性盘，增加房屋的整体刚度；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。l布置位置：纵向支撑仅当房屋的跨度和高度较大 或房屋为厂房并设有壁行吊车或有较大振动设备（如锻压车间）因而对房屋的整体刚度要求较高时始设置之。对梯形屋架，纵向支撑常设在屋架的下弦平面，而对三角形屋架则常设在上弦平面，与横向支撑构成环路。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室292023年1月2日浙江大学钢结构研究室302023年1月2日浙江大学钢结构研究室31垂直支撑：布置在屋架间和天窗架间l垂直支撑的作用是：1.保持屋架侧向的几何稳定性；2.下弦无横向支撑时，作为下弦系杆的支点；3.传递山墙所受纵向风荷载等至屋架支柱；4.保证吊装屋架时的稳定和安全。l布置位置：垂直支撑只设在有横向支撑的同一柱间的屋架上，对跨度L30m的梯形屋架和跨度L24m的三角形屋架，通常只在跨度中点设置一道中间垂直支撑；当跨度大于上述情况时，则需在跨度中间设置两道垂直支撑。此外，在梯形屋架两端则不论跨度大小均需设置垂直支撑。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室322023年1月2日浙江大学钢结构研究室33垂直支撑形式2023年1月2日浙江大学钢结构研究室34系杆2023年1月2日浙江大学钢结构研究室35支撑系统与屋架的连接节点2023年1月2日浙江大学钢结构研究室361.5屋盖设计的内容和屋架的内力计算2023年1月2日浙江大学钢结构研究室38屋盖设计内容l1.结构方案的确定和结构布置 例如选定屋盖的组成，确定屋架的间距、形式和腹杆体 系，布置各种支撑系统等；l2.檩条设计；l3.屋架的内力分析 包括屋架荷载的计算、内力分析及内力组合等；l4.屋架杆件截面设计 包括钢材牌号、杆件截面形式和尺寸的选用，强度和稳定计算等；l5.屋架节点设计 包括各个节点中的连接计算和构件的拼接等；l6.施工详图的绘制 包括材料表的编制。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室39屋架的荷载l永久荷载：包括屋面材料、保温材料、檩条及屋架（包括支撑及天窗）的自重。l屋面均布可变荷载l雪荷载l风荷载 l其他荷载（吊顶，积灰）2023年1月2日浙江大学钢结构研究室40屋架的内力计算l计算假定：1.所有荷载都作用在节点上；2.所有杆件都是等截面直杆；3.各杆轴线在节点处都能相交于一点；4.所有节点均为理想铰接。在这些假设下，桁架杆件就只承受轴心拉力或压力。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室41屋架内力包括：构件的轴力，和有节间荷载时的上弦弯矩l杆件轴力由节点荷载计算，节点荷载包括所有荷载，就是屋面水平投影计算的荷载。l上弦弯矩由节间荷载计算，节间荷载应从屋面水平投影计算的荷载中应扣除屋架自重再加上屋架上弦杆的自重，在上弦杆的截面尚未知道时，可取上弦杆的自重为屋架和支撑自重估计值的1/41/5。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室422023年1月2日浙江大学钢结构研究室432023年1月2日浙江大学钢结构研究室442023年1月2日浙江大学钢结构研究室45屋架的内力组合l三角形屋架荷载组合：l1.2全跨恒荷载+1.4全跨活荷载l梯形屋架荷载组合：l1.2全跨恒荷载+1.4全跨活荷载（左、右）l1.2全跨恒荷载+1.4半跨活荷载（左、右）l1.2全跨屋架及支撑自重+（1.2半跨屋面板自重+1.4半跨活荷载）（左、右）1.6桁架杆件的计算长度和容许长细比2023年1月2日浙江大学钢结构研究室47桁架平面内计算长度l弦杆和支座斜杆（支座竖杆）在桁架平面内的计算长度系数均取1.0l对单系腹杆（即无中间节点的腹杆），其上端与受压弦杆相连，对其转动约束影响不大，而其下端则与刚度较大的受拉弦杆相连，对其转动约束的影响较大。取0.8，l非单系腹杆（即有中间节点的腹杆），其在桁架平面内的计算长度应取节点中心间距离。l在桁架交叉腹杆所在平面内，计算长度应取节点中心到交叉点间的距离；l注意：只有一端与受压的上弦相连，一端与受拉的下弦相连的腹杆（支座斜杆与支座竖杆除外）取0.8。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室482023年1月2日浙江大学钢结构研究室49桁架平面外计算长度l在桁架平面外，弦杆的计算长度取其侧向支承点的距离。l所有单系腹杆在平面外的计算长度都等于其各自的几何长度，。l桁架弦杆侧向支承点间距为节间长度2倍时弦杆的平面外计算长度：l同样适用再分式腹杆体系中的受压主斜杆和K形腹杆体系的竖杆lNNll0.5)25.075.0(121y02023年1月2日浙江大学钢结构研究室50桁架交叉腹杆所在平面外计算长度l在桁架交叉腹杆所在平面外，当两交叉杆的长度相等时，其计算长度按下列规定采用：2023年1月2日浙江大学钢结构研究室51斜平面计算长度l单角钢截面和双角钢十字截面的腹杆，斜平面计算长度系数可取0.9l对支座竖杆则取1.0。l当确定交叉腹杆中单角钢杆件，斜平面内计算长度应取节点中心至交叉点的距离。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室52桁架构件计算长度2023年1月2日浙江大学钢结构研究室53容许长细比2023年1月2日浙江大学钢结构研究室541.7 桁架杆件的截面形式、节点板厚度和角钢间的填板截面形式图节点构造节点板厚度（表，给出计算规范出处）角钢间的填板2023年1月2日浙江大学钢结构研究室56截面形式2023年1月2日浙江大学钢结构研究室57节点构造l单节点板l双节点板l无节点板2023年1月2日浙江大学钢结构研究室58节点板厚度表9.1 单节点板桁架和屋架的节点板厚度（mm）三角形屋架弦杆或梯形屋架（包括平行弦屋架）支座斜杆的最大内力设计值（kN）180181300301500501700701950951 12001201155015512000中间节点板厚688101214161820支座节点板厚810121416182024注：表列厚度系按钢材为Q235钢考虑，当节点板为Q345钢或其它低合金高强度结构钢时，其厚度可较表列数值减小12mm，但板厚不得小于6mm。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室59l在通常设计中仍可按上述表9.1选用节点板厚度而不经计算。l仅当遇到重要的节点或拟采用较表9.1规定的板厚为小的节点板时，可按规范的规定进行复核。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室60角钢间的填板l填板作用：格构式构件的缀板。l设计规范GB50017中规定：用填板连接的双角钢（或双槽钢）构件，可按实腹式构件进行计算，但填板间的距离不应超过下列数值：l受拉构件 80i，受压构件 40il受压构件除满足 外，在构件的两个侧向支承点之间的填板数还应不得少于2个。l填板的尺寸：l厚度：节点板厚度l宽度：保证最小焊缝长度，可按构造要求采用。l高度：当为T形截面时，角钢连接边宽度+2（1015）mm，即填板伸出角钢连接边每边1015mm；当为十字形截面时，填板不伸出角钢轮廓以外，每边缩进1520mm，以布置焊缝。il4012023年1月2日浙江大学钢结构研究室612023年1月2日浙江大学钢结构研究室621.8桁架杆件的截面设计l注意9点l（一）应优先选用厚度较薄的截面，使在相同用钢量下截面具有较大的刚度（截面回转半径）。与此同时，还需注意规范中规定的最小截面。规范GB50017规定，在钢结构的受力构件及其连接中不宜采用：厚度小于4mm的钢板；厚度小于3mm的钢管；截面小于454或56364的角钢（对焊接结构），或截面小于505的角钢（对螺栓连接的结构）。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室63l（二）凡需用C级螺栓与支撑杆件相连接的屋架杆件角钢的边长，应注意其所能采用的螺栓最大直径。连接支撑系统的C级螺栓直径一般为d20mm，拼接处定位用的安装螺栓直径可用d16mm（直径为18mm的螺栓为不常用规格，必要时才选用），相应的角钢开孔边的最小边长将为70mm和63m（参阅第5章表5.2）。l（三）为减少拼接的设置，屋架弦杆的截面常根据受力最大的节间杆力选用。只当跨度较大（例如大于24m）、因角钢供应长度限制而必须设置拼接以接长时，可根据节间内力变化在半跨内改变截面一次。改变截面时宜改变角钢的边长而保持厚度不变，以利拼接。各种型号角钢通常的供应长度见角钢的国家标准2023年1月2日浙江大学钢结构研究室64l（四）焊接屋架中，弦杆角钢水平边上连支撑构件的螺栓孔的位置，若位于竖向节点板范围以内并距竖向节点板边缘100mm时，考虑节点板的参与，计算弦杆净截面时可不计孔对弦杆截面的削弱。否则应考虑其影响。l（五）由于屋架杆件在屋架平面内和平面外的计算长度有的相同（例如支座斜杆），有的不同（例如一般单系腹杆和上、下弦杆），当采用以角钢组成的T形截面时，应根据图9.18（b）所示相应截面的值，尽可能使两个方向的长细比与相接近，以获得经济的截面。例如一般单系腹杆，此时宜选用两等边角钢；又如弦杆的2，则宜选用长边外伸的两不等边角钢，但当上弦杆承受节间荷载时，宜改用两个等边角钢；支座斜杆1.0，则宜选用短边外伸的两不等边角钢。选用截面时，最好能预先得知型钢规格的供应情况，据此选用，则不易造成制造时的截面替代而多费钢材。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室65l（六）当屋架竖杆的外伸边需与垂直支撑相连接，则该竖杆宜采用由双角钢组成的十字截面。十字截面不但刚度大于T形截面，而且还可使垂直支撑对该竖杆的连接偏心为最小。此外当该竖杆位于屋架中央时还可使在工地吊装时屋架的左、右端可以任意放置（如用T形截面，由于截面对杆件轴线为不对称，屋架左、右端不能任意放置，否则各屋架中央竖杆截面的外伸边将不在同一竖向平面）。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室66l（七）单面连接的单角钢截面，因连接偏心易使构件受压时弯扭失稳，故只能用于跨度较小的桁架或桁架中受力较小、长度较短的次要腹杆。l（八）为了便于备料，整榀屋架所用角钢规格品种不宜超过56种。当两种规格尺寸相近时，宜尽量使其统一，以减少规格数量。l（九）屋架的弦杆可选用热轧剖分T型钢，此时腹杆可直接焊接在T型钢的腹板上，省去节点板。2023年1月2日浙江大学钢结构研究室671.9桁架的节点设计l节点设计时，构造很重要，每种构造都是为了保证使用方便，并确保力的安全传递，不同节点构造有不同的传力路径。节点设计就是先根据受力特点确定节点构造，再计算每一个传力步骤，保证其满足强度要求即可 2023年1月2日浙江大学钢结构研究室68点设计的步骤和一般设计原则l画出节点轴线，轴线交于一点。l确定构件的轴心线，依据轴线画出构件外轮廓l切断杆件l布置焊缝l确定节点板外形l布置节点板与弦杆焊缝l绘制节点大样l尺寸标注：l杆端到节点距离l节点板平面尺寸l轴线到肢背距离l角钢边长l焊缝标注2023年1月2日浙江大学钢结构研究室692023年1月2日浙江大学钢结构研究室70主要节点的设计 l一般节点 al有集中荷载的上弦节点 bl下弦拼接节点 cl屋脊拼接节点 dl支座节点 e 2023年1月2日浙江大学钢结构研究室71一般节点l要求验算：弦杆与节点板间的焊缝。l由于弦杆在节点处是连续的，因此弦杆与节点板间的焊缝只需抵抗节点左右两弦杆的内力差 2023年1月2日浙江大学钢结构研究室72有集中荷载的上弦节点2023年1月2日浙江大学钢结构研究室73l主要受力：1）承受弦杆两节间的内力差，2）承受檩条传给上弦杆的竖向节点荷载。l近似假设：l（1）弦杆角钢背的槽焊缝承受节点荷载。l（2）弦杆角钢趾部的两条角焊缝承担内力差和由于内力差与趾部焊缝的偏心距而产生的弯矩。l计算公式：P4302023年1月2日浙江大学钢结构研究室74下弦拼接节点2023年1月2日浙江大学钢结构研究室75验算内容1,拼接角钢的截面和长度l截面：切角，断肢l长度：2,下弦杆与节点板的连接角焊缝：l1)传递内力差 l2)较大内力的15%l注意：工厂焊缝与工地焊缝 201027.042fwff2shfhfAl2023年1月2日浙江大学钢结构研究室76屋脊拼接节点2023年1月2日浙江大学钢结构研究室77验算内容l1.拼接角钢与弦杆角钢的连接计算及拼接角钢总长度的确定：l拼接角钢与受压弦杆的连接可按弦杆中的实际压力设计值进行计算，每边共有4条焊缝平均承受此力 wff7.04fhNlwfws22hll+弦杆杆端空隙2023年1月2日浙江大学钢结构研究室782.弦杆与节点板的连接计算内力：弦杆内力的竖向分力与作用在屋脊节点弦杆上的节点荷载之差 节点每侧的焊缝按 计算 由于屋脊节点的节点板宽度相对较大 值一般不大，求得的焊缝焊脚尺寸常较小。与有拼接的下弦节点设计一样，还需考虑焊缝必须有一必要的最小承载力，取为 PNVsin2VN15.0 2sin1PNV2023年1月2日浙江大学钢结构研究室79支座节点2023年1月2日浙江大学钢结构研究室80验算内容l1锚栓l2.底板l3.加劲肋l4.节点板，加劲肋板与底板1.10 屋架的施工详图2023年1月2日浙江大学钢结构研究室82l1屋架杆件的轴线长度及起拱、杆件的内力设计值。l2屋架的正面图（主视图）、上弦杆的俯视图、下弦杆的俯视图、左右端视图及必要的剖面图和特殊的零件图。l3材料表。l4必要的文字说明。l说明：1构件编号l2起拱l3正反