钢屋盖课程设计

单层厂房钢结构是由屋盖结构、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。(1)横向框架(2)屋盖结构(3)支撑体系(4)吊车梁和制动梁（或制动桁架）(5)墙架承受墙体的自重和风荷载。图1.1装配式钢筋混凝土单层厂房结构钢屋盖结构主要由屋面、屋架和支撑三部分组成，有的还设有托架和天窗架等构件(如图1.1)。(1)屋面：主要由各种屋面板材组成，平铺于屋架上，承受外荷载。(2)屋架：主要由各种钢构件组合连接而成。(3)支撑：根据支撑设置的部位和所起的作用不同，支撑分为上弦横向支撑、下弦水平支撑、垂直支撑和系杆四种。一、组成§1屋盖结构的组成和形式(4)托架和天窗架屋架的跨度和间距取决于柱网布置，而柱网布置则根据建筑物工艺要求和经济合理等各方面因素而定。天窗的形式有纵向天窗、横向天窗和井式天窗等三种，一般常采用纵向天窗。纵向天窗则需单独设置天窗架，常见的几种天窗架形式如图1.2。§1屋盖结构的组成和形式图1.2天窗架的形式根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，钢屋盖可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种(图1.3)。当屋面材料采用预应力大型屋面板时，屋面荷载可通过大型屋面板直接传给屋架，这种屋盖体系称为无檩屋盖；当屋面材料采用瓦楞铁皮、石棉瓦、波形钢板和钢丝网水泥板等时，屋面荷载要通过檩条传给屋架，这种体系称为有檩屋盖。二、分类§1屋盖结构的组成和形式图1.3屋盖结构布置(a)有檩屋盖；(b)无檩屋盖§1屋盖结构的组成和形式房屋横向刚度大，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。无檩体系：有檩体系：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。§1屋盖结构的组成和形式一、常用的钢屋架形式1、三角形钢屋架三角形屋架一般适用于坡度较大的有檩屋盖，坡度为1/2-1/3，屋架跨度通常为18-24m，屋架高度H=（1/4-1/6L）。三角形屋架的外形与铰屋架的抛物线弯矩图形状相差较大，使屋架弦杆受力不均匀，靠近支座内力较大，跨中内力较小。若弦杆采用同一截面杆件，则不能充分发挥材料的作用，不经济。三角形屋架与柱子一般为铰接，房屋的横向刚度较低。§2钢屋架的形式和尺寸2、梯形屋架适用于屋面坡度较小的无檩体系，坡度一般为（1/8-1/16），跨度可达36m。梯形屋架的外形较接近于弯矩图，各节间弦杆受力较均匀，且腹杆较短。梯形屋架与柱可铰接也可刚接。刚接连接的横向刚度较大，是目前无檩体系的工业厂房屋盖中应用最广的屋盖形式。主要有如下几种形式：（1）人字式：如图（a）、（c）所示。（2）再分式：如图（b）所示。屋面板宽度为1.5m时，可采用再分式腹杆，使节间为1.5m，以避免上弦承受局部弯矩，用料经济，但节点和腹杆数量增多，制造费工，故仍有采用较大节间3m使上弦承受节间荷的做法，虽用钢量增多，但构造较简单。§2钢屋架的形式和尺寸①屋架的外形应与屋面材料所要求的排水坡度相适应。②屋架的外形尽可能与其弯矩图相适应，使弦杆各节间的内力相差不大。③腹杆的布置要合理，腹杆的总长度要短，数量要少，并应使较长的腹杆受拉、较短的腹杆受压。④节点构造要简单合理、易于制造。⑤对于设有天窗或悬挂式起重运输设备的房屋，还要配合天窗的尺寸和悬挂吊点的位置来划分节间和布置腹杆。※确定屋架形式的原则屋架跨度、跨中高度、端部高度1.跨度——钢屋架计算跨度的确定：简支于柱顶的钢屋架，其计算跨度取决于屋架支反力间的距离。如图1.4所示。铰接封闭结合Lo=L-(300~400mm)铰接非封闭结合Lo=L二、屋架的主要尺寸§2钢屋架的形式和尺寸2.高度——取决于经济、刚度要求和运输界限等三个方面，同时又和屋面坡度相关，有时还受到建筑要求的限制。二、屋架的主要尺寸§2钢屋架的形式和尺寸①中部高度Lh)6/1~10/1(三角形屋架：Lh)1/4~1/6(iLhh002/1i—坡度梯形屋架：二、屋架的主要尺寸§2钢屋架的形式和尺寸②端部高度刚接时一般不小于跨度的1/16～1/10，一般为1.8～2.4m一般梯形屋架和平行弦屋架：铰接时，由中部高度和屋面坡度决定，可为1.6～2.2m屋架高度确定的主要程序：①根据屋架的形式和设计经验确定出屋架的端部高度；②按屋面材料对屋面坡度的要求确定出屋架的跨中高度；③综合考虑其他各影响因素，最后确定屋架的高度。当屋架的外形和主要尺寸(跨度、高度)都确定之后，桁架各杆的几何长度即可根据三角函数或投影关系求得。§2钢屋架的形式和尺寸3.起拱高度——对跨度较大的屋架，在横向荷载作用下将产生较大的挠度，有损外观并可能影响屋架的正常使用，因此要起拱，即预先给屋架一个向上的反挠度，以抵消屋架受荷后产生的部分挠度，二、屋架的主要尺寸§2钢屋架的形式和尺寸对于≥15m的三角形屋架和≥24m梯形和平行弦屋架，采用起拱，一般为L/500。§2钢屋架的形式和尺寸图左边的数字为该钢屋架的杆件长度图右边的数字为该钢屋架各杆件的内力，正值代表拉力，负值代表压力§3钢屋盖的支撑系统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。檩条或屋面板屋架下弦横向水平支撑上弦横向水平支撑垂直支撑§3钢屋盖的支撑系统一、屋盖支撑作用①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，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。②作为屋架弦杆的侧向支撑点，保证屋架受压上弦杆在屋架平面外稳定减小了弦杆平面外的计算长度。③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）。④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。§3钢屋盖的支撑系统支撑系统的组成二、屋盖支撑布置及要求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§3钢屋盖的支撑系统二、屋盖支撑布置及要求1．上弦横向水平支撑2．下弦横向水平支撑二、屋盖支撑布置及要求§3钢屋盖的支撑系统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。二、屋盖支撑布置及要求2．下弦横向水平支撑二、屋盖支撑布置及要求§3钢屋盖的支撑系统3．下弦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。下弦纵向水平支撑二、屋盖支撑布置及要求§3钢屋盖的支撑系统4．垂直支撑位于上、下弦水平支撑同一开间内，形成一个跨长为屋架间距的平行弦桁架。（1）跨度小于30m的梯形屋架，通常在屋架两端和跨度中央各设置一道垂直支撑。二、屋盖支撑布置及要求≤18m≤30mc)la)12mld)＞18ml＞30m≥12mb)l§3钢屋盖的支撑系统（1）当跨度大于30m时，则在两端和跨度1/3处分别共设置四道。l/3l/3l/3≤18m≤30mc)la)12mld)＞18ml＞30m≥12mb)l§3钢屋盖的支撑系统4．垂直支撑（2）跨度小于24m的三角形屋架只需在跨度中央设一道垂直支撑；二、屋盖支撑布置及要求l/2l/2≤18m≤30mc)la)12mld)＞18ml＞30m≥12mb)l24m§3钢屋盖的支撑系统（2）跨度大于24m跨时则在1/3跨度处共设两道。l/3l/3l/3≤18m≤30mc)la)12mld)＞18ml＞30m≥12mb)l24m4．垂直支撑二、屋盖支撑布置及要求c)d)3000～4000≤3000≤300060006000a)b)400060006000c)d)3000～4000≤3000≤300060006000a)b)4000600060004．垂直支撑二、屋盖支撑布置及要求§3钢屋盖的支撑系统二、屋盖支撑布置及要求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。§3钢屋盖的支撑系统二、屋盖支撑布置及要求5．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均宜用刚性系杆。二、屋盖支撑布置及要求一般跨度房屋的系杆受力很小，柔性系杆的设计可按[λ]＝350，400控制，常用单角钢截面；刚性系杆的设计可按[λ]=200控制，常用双角钢十形截面。两端与屋架可靠连固的檩条，当其长细比满足要求时，可同时作为上弦系杆。二、屋盖支撑布置及要求§3钢屋盖的支撑系统三、屋盖支撑的计算和构造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30o～60o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2～4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。作用在屋架节点上的荷载，有檩屋盖通过檩条，无檩屋盖通过大型屋面板的纵肋传在桁架的节点上。(图所示，sa阴影范围内的屋面荷载)。一、屋架上的荷载§4钢屋架的计算一、屋架上的荷载§4钢屋架的计算(1)永久荷载一、屋架上的荷载§4钢屋架的计算屋面恒荷载(檩条、屋面板、瓦以及屋面上的保温层、防水层等屋面做法的重量)；屋架(包括支撑)自重；(2)可变荷载包括屋面均布活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载，以及悬挂吊车荷载等，其中屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，取两者中的较大值。一、屋架上的荷载§4钢屋架的计算屋架内力应根据使用过程或施工过程中可能出现的最不利荷载组合计算。在屋架设计时应考虑以下三种荷载组合：①永久荷载+可变荷载②永久荷载+半跨可变荷载③屋架、支撑和天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载屋架上、下弦杆和靠近支座的腹杆按第一种荷载组合计算；而跨中附近的腹杆按第二、三种荷载组合计算，取大值。§4钢屋架的计算(1)轴向力屋架各杆件的轴向力可用图解法、数解法(节点法或截面法)、电算法或查表法求得。(2)局部弯矩屋架的上弦节间作用有荷载时，除轴向力外，还要产生局部弯矩。由于焊缝的约束作用，可以把上弦杆视为弹性支座上的连续梁来考虑。但为了简化，可按近似法计算，先按简支梁计算出弯矩M0。二、内力计算§4钢屋架的计算二、内力计算§4钢屋架的计算11/21111111/244二、内力计算0.800.6000.800.600.6000.600.600.600.600.600.600.600.600.600.600.600.600.600.600.600.60§4钢屋架的计算三、屋架杆件的计算长度§4钢屋架的计算1.桁架平面内的计算长度lox桁架按理想铰接节点考虑时，各杆件两端接近不动饺接，杆件在桁架平面内的计算长度大致为lox＝l，l为杆件几何长度，即节点中心间距离。三、屋架杆件的计算长度§4钢屋架的计算2.桁架平面外的计算长度lo