钢结构原理-第九章-钢桁架与屋盖结构-课件

第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理大纲要求大纲要求:1.1.了解单层钢结构厂房的组成与特点；了解单层钢结构厂房的组成与特点；2.2.重点了解屋架杆件内力计算及其计算假定，重点了解屋架杆件内力计算及其计算假定，节点荷载计算；节点荷载计算；3.3.了解屋架杆件的截面设计方法。了解屋架杆件的截面设计方法。4.4.了解钢屋架支撑的类型、布置及截面选择；了解钢屋架支撑的类型、布置及截面选择；5.5.掌握普通钢屋架设计的方法。掌握普通钢屋架设计的方法。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理9.1 9.1 桁架及屋盖结构的组成及应用桁架及屋盖结构的组成及应用 钢屋盖结构由屋面、屋架和支撑三部分组成。钢屋盖结构钢屋盖结构由屋面、屋架和支撑三部分组成。钢屋盖结构可分为可分为两类：两类：一类为有檩屋盖，是指在屋架上放置檩条，檩条上再铺一类为有檩屋盖，是指在屋架上放置檩条，檩条上再铺设石棉瓦、瓦楞铁皮、钢丝网水泥槽形板、压型钢板等轻设石棉瓦、瓦楞铁皮、钢丝网水泥槽形板、压型钢板等轻型屋面材料；型屋面材料；另一类称无檩屋盖，是指在屋架上直接放置钢筋混凝土另一类称无檩屋盖，是指在屋架上直接放置钢筋混凝土大型屋面板，屋面荷载由大型屋面板直接传给屋架。大型屋面板，屋面荷载由大型屋面板直接传给屋架。重屋轻、用料省、运输安装方便，但构件数屋多、构造重屋轻、用料省、运输安装方便，但构件数屋多、构造复杂、吊装次数多，屋盖横向刚度较差。有檩屋盖的屋复杂、吊装次数多，屋盖横向刚度较差。有檩屋盖的屋架间距为檩条跨度，屋架经济间距为架间距为檩条跨度，屋架经济间距为4-6m4-6m。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理 另一类称无檩屋盖，是指在屋架上直接放置钢筋混凝土另一类称无檩屋盖，是指在屋架上直接放置钢筋混凝土大型屋面板，屋面荷载由大型屋面板直接传给屋架。大型屋面板，屋面荷载由大型屋面板直接传给屋架。无檩屋盖，构件数屋少、安装简便、施工速度快，易于铺无檩屋盖，构件数屋少、安装简便、施工速度快，易于铺设保暖层，且屋盖横向刚度大、整体性好，但由于自重大设保暖层，且屋盖横向刚度大、整体性好，但由于自重大使下部结构用料增多，且对抗震不利。无檩屋盖方案的屋使下部结构用料增多，且对抗震不利。无檩屋盖方案的屋架间距为大型屋面板的跨度，一般为架间距为大型屋面板的跨度，一般为6m6m或或6m6m的倍数。的倍数。屋盖结构设计，通常包括屋盖结构设计，通常包括屋盖结构布置屋盖结构布置，屋架形式的选屋架形式的选择择，支撑布置支撑布置，屋盖荷载计算屋盖荷载计算，屋架各杆内力计算屋架各杆内力计算，屋架屋架杆件截面选择杆件截面选择，檩条檩条、拉条拉条和和撑杆的计算撑杆的计算，节点设计以及节点设计以及绘制施工图。绘制施工图。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理9.1.1 钢屋架的形式和尺寸钢屋架的形式和尺寸 屋架按外形可分为屋架按外形可分为三角形屋架三角形屋架、梯形屋架梯形屋架及及平行弦屋架平行弦屋架三三种形式。种形式。屋架的形式屋架的形式（a）、（）、（b）、（）、（d）三角形屋架；）三角形屋架；（e）、（）、（f）、（）、（g）（、）（、h）梯形屋架；）梯形屋架；（c）下撑式屋架；（）下撑式屋架；（i）平行弦屋架）平行弦屋架第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理三角形屋架三角形屋架 适用于屋面坡度较陡的有檩屋盖结构。坡度适用于屋面坡度较陡的有檩屋盖结构。坡度i=1/21/6；上、；上、下弦交角小，端节点构造复杂；外形与弯矩图差别大，受力下弦交角小，端节点构造复杂；外形与弯矩图差别大，受力不均匀，横向刚度低，只适用于中、小跨度轻屋盖结构。不均匀，横向刚度低，只适用于中、小跨度轻屋盖结构。三角形屋架的腹杆布置可有三角形屋架的腹杆布置可有芬克式、单斜式、人字式三芬克式、单斜式、人字式三种。种。芬克式屋架受力合理、便于运输，多被采用；单斜式芬克式屋架受力合理、便于运输，多被采用；单斜式屋架只适用于下弦设置天棚的屋架，较少采用；人字式屋屋架只适用于下弦设置天棚的屋架，较少采用；人字式屋架只适用于跨度小于架只适用于跨度小于18m的屋架。的屋架。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理适用于屋面坡度平缓的无檩屋盖结构。坡度适用于屋面坡度平缓的无檩屋盖结构。坡度i1/3，且跨度较，且跨度较大时多采用梯形屋架。大时多采用梯形屋架。梯形屋架梯形屋架 当屋架的上、下弦杆相平行时，称为平行弦屋架。多用当屋架的上、下弦杆相平行时，称为平行弦屋架。多用于单坡屋整和双坡屋面，或用作托架、支撑体系。腹杆多于单坡屋整和双坡屋面，或用作托架、支撑体系。腹杆多为人字形或交叉式。平行弦屋架的同类杆件长度一致、节为人字形或交叉式。平行弦屋架的同类杆件长度一致、节点类型少，符合工业化制造要求，有较好的效果。点类型少，符合工业化制造要求，有较好的效果。平行弦屋架平行弦屋架第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理 满足使用要求满足使用要求，主要是排水坡度、建筑净空、天窗、天，主要是排水坡度、建筑净空、天窗、天棚以及悬挂吊车的需要。棚以及悬挂吊车的需要。屋架的造型应符合以下原则：屋架的造型应符合以下原则：受力合理受力合理。应使屋架的外形与弯矩图相近，杆件受力均。应使屋架的外形与弯矩图相近，杆件受力均匀；短杆受压、长杆受拉；荷载布置在节点上，以减少弦杆匀；短杆受压、长杆受拉；荷载布置在节点上，以减少弦杆局部弯矩，屋架中部有足够高度，以满足刚度要求。局部弯矩，屋架中部有足够高度，以满足刚度要求。便于施工便于施工。屋架的杆件和节点宜减少数量和品种、构造。屋架的杆件和节点宜减少数量和品种、构造简单、尺寸划一、夹角在简单、尺寸划一、夹角在3060度之间。跨度和高度避免超度之间。跨度和高度避免超宽、超高。设计时应全面分析、具体处理，从而确定具体的宽、超高。设计时应全面分析、具体处理，从而确定具体的合理形式。合理形式。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理9.1.1.2 屋架的主要尺寸屋架的主要尺寸屋架的主要尺寸是指屋架的屋架的主要尺寸是指屋架的跨度跨度和和高度高度，对梯形屋架，对梯形屋架尚有端部高度；尚有端部高度；屋架的跨度屋架的跨度 根据生产工艺和建筑使用要求确定，同时应考虑结构布置根据生产工艺和建筑使用要求确定，同时应考虑结构布置的经济合理。通常为的经济合理。通常为18m、2lm、24m、27m、30m、36m等，等，以以3m为模数。为模数。当支座为一般钢筋混凝土柱当支座为一般钢筋混凝土柱且柱网为封闭结合时，计算且柱网为封闭结合时，计算跨度为跨度为 第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理 屋架的高度屋架的高度 屋架的高度取决于屋架的高度取决于建筑要求建筑要求、屋面坡度屋面坡度、运输界限运输界限、刚度刚度条件条件和和经济高度经济高度等因素。等因素。当坡度当坡度 时，时，三角形屋架三角形屋架 平行弦屋架平行弦屋架和和梯形屋架的中部高度梯形屋架的中部高度主要由经济高度决定主要由经济高度决定 梯形屋架的端部高度梯形屋架的端部高度 当屋架与柱当屋架与柱刚接刚接时时 当屋架与柱当屋架与柱铰接铰接时时 第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理陡坡梯形屋架陡坡梯形屋架的的端部高度端部高度 平坡梯形屋架平坡梯形屋架取取 9.2 9.2 桁架及屋盖结构的结构分析桁架及屋盖结构的结构分析 9.2.1 计算假定计算假定 各杆件的轴线均居于同一平面内且相交于节点中心；各杆件的轴线均居于同一平面内且相交于节点中心；各节点均视为铰接，忽略实际节点产生的次应力；各节点均视为铰接，忽略实际节点产生的次应力；荷载均作用于桁架平面内的节点上，因此各杆只受荷载均作用于桁架平面内的节点上，因此各杆只受轴向力作用。轴向力作用。对于作用于节间处的荷载需按比例分配到相近对于作用于节间处的荷载需按比例分配到相近的左、右节点上，但计算上弦杆时，应考虑局部的左、右节点上，但计算上弦杆时，应考虑局部弯曲影响。弯曲影响。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理9.2.2 节点荷载计算节点荷载计算 1屋架上的荷载屋架上的荷载 永久荷载：永久荷载：屋面材料、檩条、屋架、天窗架、支撑以及天棚等屋面材料、檩条、屋架、天窗架、支撑以及天棚等结构自重。结构自重。式中式中 屋架和支排的自重，屋架和支排的自重，kNm2，按水平投影面积，按水平投影面积计算；计算；系数，系数，第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理可变荷载：可变荷载：包括屋面均布使用活荷载、雪荷载、风荷载、积包括屋面均布使用活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载以及悬挂吊车和重物等项。灰荷载以及悬挂吊车和重物等项。时，不考虑雪荷载；时，不考虑雪荷载；时，除瓦楞铁等轻型屋面外，可不考虑风荷载时，除瓦楞铁等轻型屋面外，可不考虑风荷载以及对瓦楞铁皮等轻型屋面、开敞式房屋和风以及对瓦楞铁皮等轻型屋面、开敞式房屋和风荷载大于荷载大于屋面均匀活荷载与雪荷载不同时考虑，取两者之中较大值。屋面均匀活荷载与雪荷载不同时考虑，取两者之中较大值。时，均应计算风荷载的作用；时，均应计算风荷载的作用；第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理各种均布活荷载汇集成各种均布活荷载汇集成节点荷载节点荷载的计算式为的计算式为沿屋面坡向作用的第沿屋面坡向作用的第i i中荷载中荷载标准值，对于沿水平投影面分标准值，对于沿水平投影面分布的荷载布的荷载屋面坡度，可取上弦杆与下屋面坡度，可取上弦杆与下弦杆的夹角弦杆的夹角 ；第第i i种荷载分项系数。种荷载分项系数。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理2荷载的组合：荷载的组合：屋面均布活荷载、屋面积灰荷载、雪荷载等可变荷载，应屋面均布活荷载、屋面积灰荷载、雪荷载等可变荷载，应按全跨和半跨均匀分布两种情况考虑按全跨和半跨均匀分布两种情况考虑不利荷载组合一般考虑下列三种情况：不利荷载组合一般考虑下列三种情况：(1)全跨永久荷载全跨永久荷载+全跨可变荷载；全跨可变荷载；2)全跨永久荷载全跨永久荷载+半跨可变荷载；半跨可变荷载；(3)全跨屋架、支撑和天窗自重全跨屋架、支撑和天窗自重+半跨屋面板重半跨屋面板重+半跨屋半跨屋面活荷载。面活荷载。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理9.2.3 屋架杆件内力计算方法屋架杆件内力计算方法1节点荷载作用下的杆件内力计算节点荷载作用下的杆件内力计算 2有节间荷载作用时杆件内力计算有节间荷载作用时杆件内力计算 图解法或数解法图解法或数解法30m、三角形屋架 24m时，宜在跨中13处，或天窗架侧柱处设置两道垂直支撑；对梯形屋架两侧边应各增设一道垂直支撑；天窗架垂直支撑设于两侧，当宽度12m，还应在中央增设一道垂直支撑。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理5系杆对未设置横向支撑的屋架，均应在有垂直支撑的位置，沿房屋纵向通长设置系杆，以保证不设横向支撑的屋架的侧向稳定。系杆有两种：承受压力的截面较大的系杆称刚性系杆，多由双角钢组成；只承受拉力的截面较小的系杆称为柔性系杆，多由单角钢组成。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理上弦系杆；对有檩体系，檩条可兼作柔性系杆；对无檩体系，大型屋面板可兼作系杆，仅需在屋脊及屋架两端设置刚性系杆，当无天窗时，应在设置垂直支撑的位置设置通长的柔性系杆。下弦系杆：在设置垂直支撑的平面内，均应设置通长的柔性系杆；在梯形屋架及三角形屋架的支座处应设置通长的刚性系杆，若为混合结构，与屋架或柱顶拉结的圈梁可代替该系杆；芬克式屋架，当跨度18m时，宜在主斜杆与下弦连接的节点处设置水平柔性系杆；有弯折下弦的屋架，宜在弯折点处设置通长系杆。系杆应与横向支撑的节点相连。当横向水平支撑设在温度区段第二柱间时，第一柱间的所有系杆，包括檩条均应为刚性系杆。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理9.4.2 支撑的截面选择和连接构造屋架的横向支撑和纵向支撑均由平行弦桁架组成。其腹杆通常采用十字交叉斜杆；屋架的弦杆兼为横向支撑桁架的弦杆；屋架的下弦杆又可视为纵向支撑桁架的竖杆；斜杆和弦杆的交角宜在3060之间，横向支撑节间距为屋架弦杆节间距的24倍；纵向水平支撑的宽度取屋架下弦端节间宽度。屋盖垂直支撑也视为一平行弦桁架，可采用交叉腹杆或V形、W形腹杆。支撑和系杆一般采用角钢，交叉斜杆或柔性系杆可用单角钢，按受拉构件设计；纵向支撑的弦杆、非交叉斜杆、垂直支撑的弦杆和竖杆，以及刚性系杆，可采用双角钢组成T形或十字形截面，按受压构件设计。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理屋盖支撑的受力很小，一般不必计算。截面选择可根据构造要求和容许长细比确定。通常，凡十字交叉斜杆，按单角钢受拉设计，取容许长细比为400，重级工作制吊车厂房时，取容许长细比为350；两角钢组成的T形截面受压杆件，取容许长细比为200；十字形或T形截面受压刚性系杆，取容许长细比为200；单角钢受拉柔性系杆，取容许长细比为400。当支撑桁架跨度较大、且承受较大的墙面风荷载，或垂直支撑兼作檩条，或纵向水平支撑视为柱的弹性支承时，支撑杆件除应满足容许长细比要求外，尚应按桁架计算内力，选择截面。交叉斜腹杆支撑桁架系超静定体系，在节点荷载作用下，可作为单斜杆桁架体系分析，当荷载反向时，两组杆件的受力情况将交替。角钢支撑通常采用节点板用M16M20普通螺栓与屋架或天窗架连接，每杆两端不得少于两个螺栓。重级工作制吊车或有较大动力设备的房屋，屋架下弦支撑和系杆宜采用高强度螺桂连接，亦可采用双螈母等防止螺栓松动的措施。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理9.4.3 檩条、拉条和撑杆有檩体系屋盖中檩条设置在屋架上弦节点处或沿屋架上弦等距设置，檩条间距由屋面基层材料的规格和容许跨度以及屋架上弦节间长度等因素决定。檩条的截面形式常用槽钢、角钢和S形薄壁型钢，角钢檩条适用于跨度和荷载较小的情况；槽钢檩条制造和装运简便，应用普遍，但用钢量较大；S形薄壁型钢檩条省钢，宜优先采用，但应注意防锈。檩条应与屋架上的檩托可靠连接，檩托是焊接在屋架上的短角钢制成，檩条与檩托一般用普通螺栓连接，槽钢檩条的槽口宜朝向屋脊以利于安装；角钢和S形薄壁型钢檩条的肢尖均应朝向屋脊。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理拉条是设置在檩条之间的钢拉杆，拉条可作为檩条的侧向支承点，用以减少檩条平行屋面方向的跨度，防止侧向变形和扭屈。拉杆的设置数量n，取决于檩条的跨度 ，当 m时，宜取n=1.0；当 6m时，宜取n=2。对有天窗屋盖，尚应在天窗侧边两檩条间设置斜拉条和刚性撑杆；对采用S形薄壁型钢檩条的屋盖，需在槽口处增设斜拉条和撑杆；当无天窗时，与拉条相连接的两脊檩应在连接处互相联系。总之，应使拉条与其连接杆件形成一几何不变的稳定体系。拉条可采用直径为812mm的圆钢，撑杆应采用角钢按容许长细比为200选用截面。拉条的位置应靠近檩条的上翼缘约3040mm，并用腹板两侧的螺母固定在檩条上；撑杆则用普通螺栓和焊在檩条上的角钢固定(图717)。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理在屋面荷载 作用下，檩条截面分别受到 和 沿两主轴方向的分力作用，即檩条截面在两个主平面内产生双向弯曲和扭转，由于屋面和拉条的约束作用，可不考虑扭矩的影响，也不作整体稳定性验算。在檩条的强度计算中抗剪强度和局部承压强度一般也不必验算。檩条的抗弯强度计算应按双向弯曲梁考虑；其计算如前所述，即按下式计算 （915）符号意义同前。第九章第九章 钢桁架与屋盖结构钢桁架与屋盖结构钢结构设计原理钢结构设计原理图 917 屋盖的檩条、拉条和撑杆的布置与构造1屋架；2檩条；3屋脊；4屋梁；5直拉条；6斜拉条；7撑杆