07.钢屋架

1第七章钢屋架2§7.1概述钢厂房具有较大的承载能力，整体刚度、抗震性能好，耐热，考虑制造、运输、安装等因素，经济效益较高。一.单层厂房结构的组成厂房应具有足够的强度、刚度、稳定性，以抵抗各种荷载。横向平面框架或排架；屋盖系统；吊车梁系统；支撑体系；墙架系统。用钢量从多到少：柱、吊车梁、屋盖系统。厂房结构的组成3屋面荷载吊车轮压墙体荷载风荷载吊车横向水平制动力风荷载吊车纵向水平制动力吊车梁墙体（与柱有效连接）连系梁或基础梁柱牛腿吊车梁屋架屋面板山墙地基基础横向排架柱基础地基纵向排架柱屋盖支撑抗风柱→→→→→→→→→竖向荷载→→→→→→→横向水平荷载纵向水平荷载4二.厂房设计程序设计分三个阶段：1.结构选型及整体布置：柱网布置、横向框架型式和主要尺寸、屋盖结构、吊车梁系统、墙架、支撑、钢材牌号。2.技术设计：荷载计算、结构内力分析、结构尺寸及连接计算。3.绘制施工图。§7.2厂房结构的整体布置一.柱网布置1.满足生产工艺要求：与设备、生产工艺流程相配合；2.满足结构方面的要求：柱设在同一横向轴线上，以保证横向刚度；3.满足经济合理的要求：总用钢量最少；4.构件统一化、标准化：跨度以3m，柱距以6m为模数，特别时，柱距可9m。5二.变形缝1.温度缝温度变化时，结构产生温度变形和温度应力，柱子的刚度吊车梁轨顶标高温度变形梁、柱连接型式当厂房纵、横向长度小于某长度，可不考虑温度变形和温度应力。温度区段长度值，可查表。若长度和宽度太大，应设置温度缝，将其分为长度较小的温度区段，在每个温度区段中，可不考虑温度应力和温度变形，但在每个温度区段中应设置柱间支撑。温度缝的设置：上部结构断开，基础不断开。αΔtLΔL其与有关6封闭结合：伸缩缝的轴线与定位轴线重合。也可采用单柱设温度缝，即在支座处设滑动支座。2.沉降缝相邻厂房高差较大，或地基土压缩性较大，设沉降缝。沉降缝作法：缝处结构全部断开，包括基础。沉降缝可兼作温度缝，而温度缝不能兼作沉降缝。500500(750)(750)60006000(1500)600060001000非封闭结合：设置双柱7§7.3屋盖结构的形式屋盖结构包括：钢屋架、托架、天窗架、檩条、屋面板。简支屋架刚接屋架一.屋盖结构体系无檩体系：优点：横向刚度大、整体性好、构造简单。缺点：自重大，对抗震不利。有檩体系：优点：自重轻、对抗震有利。缺点：横向刚度差、屋盖构件多、构造复杂。采用轻型屋面材料，如压型钢板、压型铝板等。当压型钢板或压型铝板与檩条进行可靠连接后，能有效地传递屋面纵、横方向的水平力，提高屋面的整体刚度，此现象称为受力蒙皮效应。简支连接刚接连接屋架与柱的连接8当柱距较大，檩条或屋面板跨度大，则截面大，不经济，故设托架，托架上设屋架。二.屋架的受力特点钢屋架以承受横向弯曲的受力方式把屋面荷载传给下部结构，一般荷载作用于屋架的节点上，各杆均只有轴心力，应力均匀分布。按受荷的大小，适用的跨度，截面及构造将屋架分为普通钢屋架：结构整体刚度大，适用性强，适用跨度18~36米。截面刚度大，抗扭、抗压性能好，省钢。管与管相贯管切口与普钢屋架相比，角钢小，自重轻，抗震好，刚度差，跨度≤18m，采用轻型屋面材料。三类但管节点复杂节点板杆截面钢管屋架：轻钢屋架：9平面结构空间结构自平衡体系，支撑简化，甚至取消。三.钢屋架的外形、腹杆布置及尺寸1.基本要求应与屋面排水相适应；屋架的外形尽量与弯矩图相配合，弯矩大，应截面高，如此弦杆内力比较均匀，经济。通常，要使长杆受拉，短杆受压，杆件夹角30°～60°，便于节点处理。满足要求的前提下，尽量较少节点数，且要合理。按结构形式分为应满足安装要求：经济要求：使用要求：轻型屋面，坡度大型屋面板，坡度21~51i81~121i102.屋架外形、特点常用的屋架外形有：三角形屋架、梯形屋架、平行弦屋架等。三角形屋架：适用于坡度较陡的有檩屋盖，与柱铰接，跨度小于等于24m。缺点：它的外形与均布荷载的弯矩图不相适应，跨中M大，h大，杆力N小支座处M小，h更小，杆力N大支座处，杆件间的夹角过小，节点难于处理。内力分布不均芬克式屋架，内力分布不均节点难处理，有吊顶时，设虚线腹杆增大夹角，节点易处理，支座处弦杆内力改善。11适用于坡度较为平缓的无檩屋盖，它的形状与简支受弯构件的弯矩图接近，弦杆内力分布均匀，可与柱铰接也可刚接。无虚线时，腹杆体系为人字式有虚线时，腹杆体系为再分式端斜杆与弦杆组成的支承节点在下弦称为下承式。端斜杆与弦杆组成的支承节点在上弦称为上承式。与柱刚接时采用下承式，与柱铰接时，两者均可。单斜式水平推力较大，与柱刚接，适用于跨度较大屋盖结构减小水平推力，改善框架受力，适用于跨度较大的屋盖结构梯形屋架：12弦杆和腹杆分别等长，节点形式相同，杆件规格化，节点构造统一，但弦杆内力分布不均。主要用于单坡屋面、托架、吊车制动桁架、支撑构件等。3.屋架的主要尺寸屋架的主要尺寸有屋架跨度、跨中高度、端部高度。柱网轴线的横向间距。屋架两端支座反力的距离。屋架跨度标志跨度l：计算跨度l0：150~200内移尺寸铰接刚接（柱宽）（内移尺寸）封闭结合非封闭结合封闭结合非封闭结合平行弦屋架：400)~(3000llll020ll20ll13屋架高度：指跨中的最大高度。总用钢量最少；→确定hmin；确定hmax；桥洞、铁路。跨中高度：00.5～1.0m1.8～2.1m注意：实际是先确定跨中高度，后确定h0。il21hh0经济要求：运输界限：建筑要求：刚度要求：决定于铰接：陡坡梯形屋架h0＝梯形、平行弦屋架h＝三角形屋架缓坡梯形屋架三角形屋架h0：屋架端部高度；i：坡度l)61~10(1l)41~6(1νmaxνl)81~10(1hh0＝1.8～2.4m刚接时：14起拱：对跨度较大的桁架，在横向荷载作用下将产生很大的挠度，有损外观并可能影响桁架的正常使用。宜采用起拱，即预先给桁架一个向上的反挠度，以抵消桁架受荷后产生的部分挠度。图解法求内力时，不考虑起拱，几何尺寸计算时，考虑起拱。500l起拱高度，且以5mm为模数梯形、平行弦屋架l≥24m时，起拱。三角形屋架l≥15m时，起拱。15§7.4厂房结构的支撑体系在纵向，仅有屋面板、吊车梁，纵向为几何可变体系，刚度不够，在纵向荷载作用下，产生较大纵向变形，甚至破坏。故在平面框架之间、各屋架之间设置支撑，使厂房形成一个有足够刚度、强度、稳定性的空间整体结构。屋盖支撑柱间支撑一.屋盖支撑体系1.屋盖支撑体系的布置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屋盖支撑体系支撑体系16①上弦横向水平支撑设在两端或温度区段的两端，采用封闭结合时，设在第二柱间，与屋架采用C级螺栓连接，易产生滑动，支撑间距≤60m，否则，沿纵向在中部增设一道。1221上弦下弦下弦上弦≤60m2—21—1柔性系杆、17②下弦横向水平支撑设置位置：与上弦横向水平支撑设在同一柱间。跨度a.下弦设有悬挂吊车；b.采用下弦弯折的屋架；c.山墙抗风柱支承于屋架下弦；d.设有桥式吊车。③下弦纵向水平支撑设在屋架下弦的端节间内。a.有硬钩桥式吊车；b.设有壁行吊车或双层吊车；c.设有5t以上锻锤；d.房屋跨度≥30m，轨顶标高≥15m，起重量较大的桥式吊车；e.设有托架和中间屋架。跨度l18m设置条件设置条件中、轻级30t，重级10t18ml18下弦纵向水平支撑和下弦横向水平支撑形成封闭盘体，可传递纵向力，还可为托架提供侧向支撑。④垂直支撑设置位置：有横向支撑的柱间。在跨度方向，两端各设一道，梯形屋架跨度≤30m，跨中再设一道，梯形屋架跨度30m，中部增设一道，对三角形屋架，此界限值为24m。横向支撑相隔较远时，纵向每隔4～5个屋架加设一道垂直支撑。端部的垂直支撑是屋架上弦横向水平支撑的支撑，中部的垂直支撑还可减小屋架下弦平面外的计算长度。⑤系杆19既能承拉，又能承压仅能承拉上弦：屋脊处，设刚性系杆；支座处，设柔性系杆；下弦：跨中(垂直支撑位置)设柔性系杆，支座处，设刚性系杆。当上、下弦横向水平支撑设在第二柱间时，应在第一柱间下弦平面内设刚性系杆，以传递山墙荷载。系杆必须连于支撑节点才能起作用。支撑与弦杆的连接11耳板支撑横杆刚性系杆：柔性系杆：耳板支撑横杆交叉斜杆1—1支撑与垂直支撑的连接系杆202.屋盖支撑的作用①保证屋盖的空间稳定性，设置支撑后，纵向几何不变②保证屋架受压上弦杆在屋架平面外的稳定；③承受并传递屋盖的纵向水平力；④增加房屋的整体刚度。3.屋盖支撑的型式和杆件截面选择横向水平支撑纵向水平支撑≥4m3~4m≤3m≤3m垂直支撑处于跨中21支撑受力较小，一般不计算，按容许长细比控制。十字交叉杆、柔性系杆，按拉杆设计，用单角钢。其它杆，按压杆设计，用双角钢。当房屋较高、跨度较大且基本风压也较大时，横向、纵向支撑按桁架体系计算，杆件截面由内力确定。超静定结构，计算较复杂，可近似简化为静定桁架计算，即认为红色受压斜杆退出工作。400λλ350λλ200λλ（有重级工作制吊车梁）22二.柱间支撑的设置在每个温度区段内，设置柱间支撑。位于吊车梁上部，设在温度区段两侧，尽可能与屋盖水平支撑同一柱间。中央或临近中央柱间。下柱支撑的中心相当于不动点，距端部距离小于0.6L。下柱支撑的柱间也要设置上柱支撑，对应位置应设屋架垂直支撑。当温度区段较长，设两道柱间支撑，中心为不动点。提问：下柱柱间支撑设在一侧或两侧如何？？？柱间支撑的作用：①与框架组成刚强的纵向排架，保证厂房的纵向刚度；②承受纵向力；③为框架柱提供可靠的平面外支撑。L≤0.6L≤60m≤0.6L上柱支撑：下柱支撑：23§7.5普通钢屋架设计一.屋架杆件内力计算1.荷载计算及组合屋架屋盖支撑屋架及支撑自重按上弦节点所承担的受荷面积分配于屋架上弦节点上。自重近似按屋架自重选取。屋面材料有吊顶时，屋架及支撑自重加吊顶荷载平均分配于上、下弦节点。恒载沿屋面坡向分布标志跨度重量qk＝0.117+0.011L（kN/m2）沿水平面分布，作用在上弦节点吊顶gwk天窗架24屋面均布活荷载雪荷载积灰荷载悬挂吊车荷载风荷载回顾荷载的基本组合，由活荷载效应控制的组合由恒荷载效应控制的组合Sγ∑ψSγSγSKQQn2cQ1KQ1GKGiiii取大值活载屋面与水平面夹角大于30°轻屋面开敞式房屋风荷载标准值大于490N/m2查荷载规范查荷载规范查荷载规范—考虑情况Sγ∑ψSγSKQQn1cGKGiiii25屋架内力应据使用和施工过程中可能遇到的最不利荷载组合情况（亦称工况）计算：①全跨恒载＋全跨活载②全跨恒载＋半跨活载③屋架及支撑自重＋半跨屋面板重＋半跨屋面活荷载④全跨恒载＋风荷载此种情况与荷载规范有出入，但应考虑。说明：a、②③④情况考虑跨中某些腹杆与情况①受力方向相反；b、采用轻屋面或施工时两侧对称均匀铺设屋面板，可不考虑情况③；c、上述每种荷载组合情况均要考虑是由永久荷载效应控制的组合还是由可变荷载效应控制的组合。此时1.0γG26屋面上的荷载以集中力的形式作用到屋架的节点上。每个节点所承受的力为阴影面积。每一节点受力为式中：：荷载分项系数：水平投影面上分布的荷载标准值实际上在前面的荷载组合中已考虑了项。沿屋面坡向分布的荷载（如屋面材料）要转化为沿水平面分布。即：式中：：屋面坡度角坡度小时，近似取pppppppp/2p/2aaasssaqγpKiγiqKqγKiαcosgqwkwkα1.0cosαS：屋架间距a：上弦节点在水平投影面上的间距gwk272.杆件的内力计算假设：①节点处的所有杆件轴线在平面内相交于同一点，杆为理想直杆；②荷载作用于屋架平面的节点上；③各节点为理想铰接。实际上，假设有一定的近似性：①节点具有一定的刚度，杆件不能自由转动，介于铰接和刚接之间；②杆件在制造、安装时有偏差，有可能不交于同一点，但误差较小，设计中不考虑。据上面的假设就可按力学方法求解屋架内力，图解法：解梯形屋架、三角形屋架更快捷数解法：平行弦屋架28计算时，取半