桁架及屋架

第九章桁架及屋架9.1桁架的外形、主要尺寸和腹杆体系9.2屋盖的组成及主要平面尺寸9.3屋架的支撑系统9.4屋盖设计的内容和屋架的内力计算9.5桁架杆件的截面形式和节点板厚度9.6桁架杆件的计算长度和容许长细比9.7桁架杆件的截面射击9.8桁架的支点设计和角钢间的填板9.9支撑系统与屋架的连接节点9.10屋架的施工详图桁架主要是由轴心受力构件（拉杆和压杆）组成的格构式扩大构件，用以承受横向荷载和跨越较大的空间。当跨度比较大时采用实腹式受弯构件将造成多费钢材时，就需要采用桁架。主要用途：房屋建筑中的屋盖、桥梁、各种塔架（起重、输电、钻探）和水工结构如闸门等建筑中，用途极为广泛。桁架的基本概念根据承受荷载后的传力路径分为：空间桁架和平面桁架桁架的基本概念上图所示的钢网架和各种塔架等常为空间钢桁架，其内力分析必需借助于空间力系的平衡条件！工程结构中的大部分钢桁架则常可按平面桁架考虑；如下图所示的屋架体系，屋面荷载有檩条传给屋架后，其内力即可借助于平面力系的平衡条件求解！注：本章下面介绍的将限于平面桁架，主要是屋架桁架的基本概念根据用途和跨度不同，平面桁架可有不同的外形，按外形可分为三角形屋架、梯形屋架及平行弦屋架三种基本形式。由三角形屋架变化而来的梭形屋架，则适用于较平屋面坡度但又需加大屋架高度时！桁架的外形A.三角形屋架适用于屋面材料要求较陡的屋盖结构。坡度i≥1/5B.梯形屋架适用于屋面坡度平缓的屋盖结构，且跨度较大时多采用梯形屋架。多角形屋架和人字形屋架均系由梯形屋架变化而来，可以减少屋架在跨中的高度右图所示的屋架的适用坡度i=1/10~1/20时桁架的外形C.平行弦屋架当屋架的上、下弦杆相平行时，称为平行弦屋架。不但可用于屋架，而且还可以用于如屋架中的各种支撑桁架、屋架和托架、皮带输送机下的支承桁架和各种栈桥桁架等。适用坡度i=1/10~1/20桁架的外形A.三角形屋架：当坡度和跨度一旦确定，屋架的高度也随之确定！B.梯形屋架：端部高度常取跨度的1/10~1/18(常用端部高度Ho=2.0m左右)，跨度愈大，比值可取小些。C.平行弦屋架：经济高度主常为跨度的1/15左右。当然还要考虑运输条件，火车运送时，构件的运送单元高度应小于3.85m桁架的主要尺寸——屋架的高度选用应考虑主要是屋面材料、屋架的跨度和房屋的使用要求！1.波形石棉瓦屋面要求坡度i=1/2.5~1/3,瓦楞铁屋面要求i大致为1/5,这种屋面的坡度过小，易造成漏雨，因此常选用三角形屋架；2.油毡防水屋面根据适用坡度选用坡度为1/10~1/12的梯形屋架等；3.近来常被采用的长尺压型钢板屋面，则可用i=1/8~1/20时，因而常选用梯形屋架和接近于平行弦的屋架。桁架的主要尺寸——屋架外形的选用◆受力合理。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，以减少弦杆局部弯矩，屋架中部有足够高度，以满足刚度要求。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，因此屋架的外形若接近抛物线，则弦杆各节间中的内力最为均匀。桁架的主要尺寸——屋架外形的选用A.三角形屋架外形与抛物线形差别大，内力分布不均匀，故跨度较大时选用三角形屋架是不经济的，其常采用跨度在24~27m以下；B.梯形屋架外形较接近于抛物线，弦杆各节间内力较为均匀，加之刚度也较三角形屋架为好，常用跨度可达36m左右；C.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。桁架的主要尺寸——屋架外形的选用平面屋架常两端简支于钢筋混凝土或砌体柱顶，但在某些采用钢柱的厂房中，为了增加排架的侧向刚度，需将屋架与柱构成刚接这对梯形屋架比较简单易行，而对三角形就必须设置隅撑，势必影响屋架下的有效净空桁架的主要尺寸——屋架外形的选用桁架中的腹杆主要用以联系上、下弦杆构成节点并传递节点荷载，布置原则应是：1.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拉构件；2.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；3.对非人字形的腹杆体系，应使长腹杆受拉，短腹杆受压。桁架的腹杆体系对人字形腹杆体系，宜使斜腹杆的倾角在35°~55°范围内。目的都是减小腹杆的截面积。上述1和2两点有时可能有矛盾，此时就需通判考虑而后作出决定。上图所示芬克式和扇式三角形屋架，其腹杆体系完全做到了长杆受拉和短杆受压，同时整个屋架在运输时可很方便地分为左、右两个半屋架和中间一根下弦杆（或带吊杆）如图中所示，因而当用三角形屋架时常采用之。桁架的腹杆体系下图所示人字形腹杆体系的三角形屋架仅当下弦有悬吊设备需要时才采用。桁架的腹杆体系梯形和平行弦等桁架基本上都采用带竖杆的人字式腹杆体系，同一节间两斜杆长度相同，其竖杆主要用以提供承受荷载的节点，并可减小受压上弦杆的节间长度。屋盖的组成由平面桁架所组成的屋盖主要由屋面材料、檩条、屋架和支撑体系等组成，必要时还应包括因采光或通风而设置的天窗架及因个别柱距增大而设置的屋架托架等。注：无檩体系中过去曾大量采用钢筋混凝土大型屋面板，由于不经济，特别对房屋抗震不利，现如今已很少采用！屋盖结构有檩体系无檩体系由大型屋面板、屋架或屋面梁及屋盖支撑组成，有时还包括有天窗架和托架等构件由小型屋面板、檩条、屋架及屋盖支撑所组成屋盖的组成有檩屋盖的平面布置基本形式如图屋盖的组成当屋架简支于钢筋混凝土柱顶时，边列柱的定位轴线为沿柱列的外边缘，中列柱的定位轴线为沿柱截面的中线两相邻柱列定位轴线间的距离为屋架的名义跨度L屋架左右两支座中心线间的距离为屋架的计算跨度屋盖的主要平面尺寸——名义跨度和计算跨度计算跨度常取名义跨度减去300mm，即假定屋架支座节点处的底板宽小于300mm，使底板的外边缘不超过边列柱的外边和中列柱的中线一般应由设计人员按经济要求确定。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实际设计时屋架间距l约为屋架跨度的1/3~1/5常用间距：6m，压型钢板屋面：6～12m屋盖的主要平面尺寸——屋架的间距当房屋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。使每一温度区段相互隔开可以自由伸缩，否则由于纵向或横向构件的温度变化将使某些构件如支柱中产生较大的温度应力和变形。屋盖的主要平面尺寸——屋架的平面尺寸屋架的支撑系统屋架在垂直于屋架平面方向，不设支撑体系不能是不能保持其几何不变，如下图，虽有檩条和系杆的连系，但屋架相互间几何可变，在侧向力作用下屋架会倾斜只有当设了垂直支撑桁架和系杆才能保持各个屋架在平面外的几何稳定性！屋架的支撑系统如果在房屋两端的柱间设置上弦横向支撑桁架，则屋架上弦将屈曲成一个“半波”，从而提高了上弦杆的整体稳定性，即提高了承载力！屋盖支撑包括上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑、纵向水平系杆、天窗架支撑等。作用保证桁架结构的空间几何稳定性及几何形状不变保证桁架结构的空间刚度和空间整体性为桁架弦杆提供必要的侧向支撑点承受并传递水平荷载保证结构安装的稳定和方便防止构件在动力荷载作用下产生较大的振动屋架的支撑系统——种类和作用A.横向支撑：布置在屋架上下弦和天窗架上弦平面屋架的支撑系统——种类和作用作用：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。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。当房屋长度较大，两端的横向支撑间距大于60m时，每隔60m左右还应增设一道横向支撑。不设横向支撑的其他屋架，其上弦的侧向稳定性由与房屋两端设置的横向支撑架节点相连的系杆来保证。屋架的支撑系统——种类和作用B.纵向支撑：布置在屋架上弦或下弦屋架的支撑系统——种类和作用作用：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。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。屋架的支撑系统——种类和作用作用：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。屋架的支撑系统——种类和作用C.垂直支撑：布置在屋架间和天窗架间布置位置：垂直支撑只设在有横向支撑的同一柱间的屋架上，对跨度L≤30m的梯形屋架和跨度L≤24m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；在梯形屋架两端则不论跨度大小均需设置垂直支撑。屋架的支撑系统——种类和作用垂直支撑是一个平行弦桁架，高度h由与其连接处的屋架高度确定；屋架间距加大后，屋盖支撑系统的作用就尤为重要，为增加整个屋盖的空间刚度，常需多设置一些垂直支撑。屋架的支撑系统——种类和作用垂直支撑的形式1.结构方案的确定和结构布置：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；2.檩条设计；3.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；4.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；5.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；6.施工详图的绘制：包括材料表的编制。屋盖设计的内容①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。其中屋面材料和保温材料的自重，荷载规范中所给的q（kN/m2）常按屋面的实际面积计算，需除以屋面倾角的余弦cosα方得按屋面水平投影面积计算的自重值。所给估算屋架自重经验公式则是按屋面的水平投影面积计算，常用估算公式为0.12+0.011L(kN/m2)式中，L是屋架的跨度，以m计（式中未包括天窗架但已包括支撑自重在内）。屋架的内力计算——屋架的荷载②屋面均布可变荷载③雪荷载屋面水平投影面上的雪荷载标准值为式中，So为基本雪压，随地区不同而异，系以当地一般空旷平坦地面上统计所得50年遇的最大积雪自重确定，规范中给出了基本雪压的分布图。山区的基本雪压应通过实际调查确定；在无实际资料时，可按当地空旷平坦地面的基本雪压乘以系数1.2采用。雪荷载的组合值系数ɸc，可取0.7。荷载规范中规定，对不上人的屋面按屋面水平投影面积计算为：标准值qok=0.5kN/m2．组合值系数ɸc=0.7。屋架的内力计算——屋架的荷载30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。5030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、开敞式房屋和风时，不考虑雪荷载；r是屋面积雪分布系数，随屋面的坡度和形式而变化屋架的内力计算——屋架的荷载④风荷载风荷载系指空气流动对建筑物所产生的流体压力或吸力，因而风荷载必然垂直于受风表面。风荷载的标准值为：屋架的内力计算——屋架的荷载μs为风荷载体型系数，随房屋的体型、风向等而变化。重要建筑物μs值应通过风洞试验确定。荷载规范中给出了一些常用房屋和构筑物的μs值。右图摘录了其中两种情况的μs值，其一为封闭式双坡屋面，另一为带天窗的封闭式双坡屋面。图中的正值表示压力，负值表示吸力。由图可见对常用坡度的屋面不论足向风面或背风面，风荷载主要是吸力，只在天窗架窗面向风面处为压力。风荷载的