钢屋架设计

第1111章屋盖结构设计1.31.31.31.3普通钢屋架设计1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式的选择1.3.21.3.21.3.21.3.2屋架杆件的设计1.3.31.3.31.3.31.3.3屋架节点设计普通钢屋架定义�普通钢屋架�定义：采用两个角钢组成的TTTT形或十字形截面的杆件，在杆件汇交节点处通过焊缝连接而成的钢屋架，称为普通钢屋架。�应用范围：该结构主要采用普通型钢（角钢）的厚度较大，因此耗钢量较大，适宜跨度为18-36m18-36m18-36m18-36m之间跨度的屋架。�轻型钢屋架�定义：采用圆钢、小角钢和薄壁型钢组成的结构。�应用范围：该结构采用杆件截面尺寸较小，适宜9~18m9~18m9~18m9~18m之间跨度的屋架和屋面荷载较轻的屋架，不适用于直接承受动力荷载及处于高温、高湿和强烈侵蚀环境等使用条件复杂的钢结构。1.31.31.31.3普通钢屋架设计1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择屋架外形和主要尺寸腹杆体系屋架主要尺寸确定1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择�1.1.1.1.屋架外形�屋架外形设计依据：钢屋架设计应遵循适用、经济和制造安装方便的原则，综合考虑，合理设计。�（1111）屋架的外形应与屋面材料排水的要求相适应�（2222）应尽量与弯矩图相近，使屋架弦杆的内力分布比较均匀，充分发挥材料的作用；�（3333）腹杆的布置应使短杆受压，长杆受拉，且数量少而总长度短，杆件夹角宜在30~6030~6030~6030~60°°°°之间；�（4444）还要使弦杆尽量不产生局部弯矩。�（5555）屋架的节点构造要简单，受力合理，节点总数目较少，便于制造、运输和安装。�屋架的外形主要有三角形、梯形、矩形和曲拱形等（图1.161.161.161.16）。1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择�三角形屋架（图1.16a1.16a1.16a1.16a）主要用于屋面坡度较大的有檩屋盖结构中或中、小跨度的轻型屋面结构中。这种屋架多与柱子铰接，因此房屋横向刚度较小，弦杆的内力变化较大，故弦杆截面不能充分发挥作用。�梯形屋架（图1.16b1.16b1.16b1.16b）受力情况较三角形好，腹杆较短，与柱子的连接既可做成刚接，也可做成铰接。这种屋架一般用于屋面坡度较小的屋盖结构中，是工业厂房屋盖结构的最常用形式。1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择�矩形屋架（图1.16c1.16c1.16c1.16c）的上、下弦平行，腹杆长度相等，杆件类型少，节点构造统一，便于制造，但弦杆内力分布不均匀，这种形式一般用于托架或支撑体系中。�曲拱形屋架（图1.16d)1.16d)1.16d)1.16d)的外形与简支梁承受均布荷载的弯矩图最为接近，作为简支结构受力最合理，但弦杆的曲线形制造复杂，如改为折线形则较好，这种屋架用于有特殊要求的房屋中。1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择�2.2.2.2.腹杆体系�三角形屋架的腹杆体系有单斜杆式、人字式和芬克式。单斜杆式（图1.17a1.17a1.17a1.17a）中较长的斜杆受拉，较短的竖杆受压，比较经济。人字式（图1.17b)1.17b)1.17b)1.17b)的腹杆数较少，节点少，构造简便。芬克式（图1.17c1.17c1.17c1.17c）的腹杆受力合理，还可分为两榀较小的桁架运输。1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择�梯形屋架的腹杆体系可采用人字式和再分式。人字式（图1.18a)1.18a)1.18a)1.18a)的布置不仅可使受压上弦节间短，有利于提高受压上弦的承载能力，还能使大型屋面板的主肋支承于上弦的节点上，避免上弦产生局部弯矩。受拉下弦节间长，可减少节点，便于制造。还可采用再分式腹杆形式减小上弦节间长度（图1.18b)1.18b)1.18b)1.18b)。1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择�矩形屋架的腹杆体系可采用人字式、交叉式和KKKK形。人字式（图1.19a)1.19a)1.19a)1.19a)的腹杆数目少，节点简单。交叉式（图1.19b)1.19b)1.19b)1.19b)常用于承受反复荷载的桁架中，有时斜杆可用柔性杆。KKKK形腹杆（图1.19c1.19c1.19c1.19c）用在桁架高度较高时，可减小竖杆的长度。1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择�曲拱形屋架的腹杆体系多为单斜杆式（图1.201.201.201.20）。1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择�3.3.3.3.屋架主要尺寸的确定�屋架的主要尺寸包括屋架的跨度、高度、节间宽度。�（1111）跨度应按以下要求进行设计a.a.a.a.使用和工艺的要求确定b.b.b.b.考虑结构布置的合理性c.c.c.c.无檩体系中，应与大型屋面板的宽度相配合，一般为3m3m3m3m的倍数。�屋架的计算跨度是屋架两端支座反力的距离。1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择�标志跨度�计算跨度1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择�（2222）高度应按建筑要求，经济、刚度、以及运输界限等因素来确定。�当要求屋架具有较大的坡度时，应采用三角形屋架，三角形屋架高度h=(1/6~1/4)Lh=(1/6~1/4)Lh=(1/6~1/4)Lh=(1/6~1/4)L（跨度）。梯形屋架坡度较平坦，屋架跨中高度应满足刚度要求，当上弦坡度为1/12~1/81/12~1/81/12~1/81/12~1/8时，跨中高度一般为（1/10~1/6)L1/10~1/6)L1/10~1/6)L1/10~1/6)L，跨度大（或屋面荷载小）时取小值，反之取大值。梯形屋架的端部高度当屋架与柱铰接时为1.6~2.2m1.6~2.2m1.6~2.2m1.6~2.2m，刚接时为1.8~2.4m1.8~2.4m1.8~2.4m1.8~2.4m；补充补充补充补充：对于跨度大于：对于跨度大于：对于跨度大于：对于跨度大于15m15m15m15m的三角形屋架和跨度大于的三角形屋架和跨度大于的三角形屋架和跨度大于的三角形屋架和跨度大于24m24m24m24m的梯形、的梯形、的梯形、的梯形、平行弦行家，宜采用起拱，预先给屋架桁架一个向上的反挠平行弦行家，宜采用起拱，预先给屋架桁架一个向上的反挠平行弦行家，宜采用起拱，预先给屋架桁架一个向上的反挠平行弦行家，宜采用起拱，预先给屋架桁架一个向上的反挠度，抵消其受荷载后产生的部分挠度。度，抵消其受荷载后产生的部分挠度。度，抵消其受荷载后产生的部分挠度。度，抵消其受荷载后产生的部分挠度。起拱高度一般为跨度的起拱高度一般为跨度的起拱高度一般为跨度的起拱高度一般为跨度的1/5001/5001/5001/500左右。左右。左右。左右。�（3333）屋架上弦节间的划分应根据屋面材料决定，尽量避免上弦杆产生局部弯矩。�当采用大型屋面板时，上弦节间长度应等于屋面板的宽度，一般取1.5m1.5m1.5m1.5m或3m3m3m3m；当采用檩条时，则根据檩条的间距而定，一般取0.8~3.0m0.8~3.0m0.8~3.0m0.8~3.0m。1.3.11.3.11.3.11.3.1屋架形式选择桁架荷载1.桁架荷载：永久荷载和可变荷载2.节点荷载计算3.荷载组合桁架内力计算1.三个假定2.数解法、图解法和电算法3.节间荷载计算桁架内力计算1.3.21.3.21.3.21.3.2屋架杆件设计屋架杆件内力计算屋架杆件计算长度与长细比杆件截面形式的选择截面计算�1.1.1.1.屋架杆件内力计算钢屋架的内力分析时假定各节点均为铰接。各杆件的内力可按结构力学的方法计算。�2.2.2.2.屋架杆件计算长度与长细比在理想的铰接屋架中，杆件在屋架平面内的计算长度应是节点中心之间的距离。1.3.21.3.21.3.21.3.2屋架杆件设计1.3.21.3.21.3.21.3.2屋架杆件设计�但实际上屋架节点具有一定的刚度，所以节点不是真正的铰接，而是一种介于刚接和铰接的弹性嵌固。嵌固程度与节点构造有关，也与相交于同一节点的构件刚度和受力状况有关。（1111）普通钢屋架平面内计算长度�屋架上下弦杆、支座竖杆和端斜杆的两端节点上相交的压杆多、拉杆少，杆件本身线刚度又大，所以嵌固程度较弱，同时考虑到这些杆件在屋架中较重要，可偏安全地视为铰接，计算长度可取为节点间的轴线长度，即；�对于其他腹杆，一端与受压上弦杆相连，嵌固作用不大，可视为铰接，另一端与受拉下弦杆相连，嵌固程度较大，可视为刚接，计算长度取（见图1.211.211.211.21）。0xl0xll=00.8xll=（a）桁架平面内（b）桁架平面外（2222）普通钢屋架平面外计算长度0yl�在屋架平面外，上、下弦杆的计算长度应取屋架侧向支撑节点之间的距离。�有檩屋架：上下弦杆当檩条与支撑不相连；当檩条与支撑相连，即檩距。1oyll=12oyll=1.3.21.3.21.3.21.3.2屋架杆件设计01yll=�在无檩屋盖中，根据施工情况，当能够保证大型屋面板与屋架上弦的焊点质量时，上弦杆在平面外的计算长度可取两块屋面板宽，但不大于3m3m3m3m。否则，上弦杆在平面外的计算长度可偏安全地取为支撑节点之间的距离；屋架下弦杆的计算长度取，即侧向支撑节点的距离。�当腹杆平面外屈曲时，由于节点板在屋架平面外的刚度很小，腹杆在屋架平面外的计算长度取其两端节点间距。�a.a.a.a.当屋架弦杆侧向支承点间的距离为节间长度的两倍且两个节间弦杆的内力不相等时（图1.221.221.221.22），弦杆在平面外的计算长度按下式计算：�按公式（1.11)1.11)1.11)1.11)算得的时，取20110.750.25yNllN⎛⎞=+⎜⎟⎝⎠010.5yll010.5yll=（2222）几个特例图1.221.221.221.22弦杆轴心压力在侧向支承点间的变化1.3.21.3.21.3.21.3.2屋架杆件设计�b.b.b.b.对于芬克式屋架、再分式腹杆体系中的受压杆件和KKKK形腹杆体系中的竖杆（图1.23a1.23a1.23a1.23a、bbbb、cccc），在屋架平面内的计算长度取节间长度，在屋架平面外的计算长度也按公式(1.11)(1.11)(1.11)(1.11)计算。�c.c.c.c.对于单角钢杆件和双角钢组成的十字形杆件，由于主轴不在屋架平面内，有可能发生斜平面屈曲，考虑到杆件两端对其有一定的嵌固作用，故其计算长度取。�d.d.d.d.当为交叉腹杆时，在屋架平面内的计算长度应取节点中心到交叉点间的距离。在屋架平面外的计算长度则与杆件的受力性质和交叉点的连接构造有关，可按下列规定采用：00.9ll=�压杆压杆压杆压杆：�相交的另一杆受压，且两杆的交叉点均不中断时：�相交的另一杆受压，两杆中一杆在交叉点中断但与节点板搭接时：00112NllN⎛⎞=+⎜⎟⎝⎠200112NllNπ=+1.3.21.3.21.3.21.3.2屋架杆件设计�相交的另一杆受拉，两杆在交叉点均不中断时：�相交的另一杆受拉，两杆中一杆在交叉点中断但与节点板搭接时：�拉杆拉杆拉杆拉杆：均取。001310.524NlllN⎛⎞=−≥⎜⎟⎝⎠00310.54NlllN=−≥l1.3.21.3.21.3.21.3.2屋架杆件设计a.a.a.a.节间内力不等节间内力不等节间内力不等节间内力不等b.b.b.b.再分式腹杆再分式腹杆再分式腹杆再分式腹杆d.d.d.d.交叉腹杆交叉腹杆交叉腹杆交叉腹杆式（式（式（式（1.111.111.111.11））））式（式（式（式（1.111.111.111.11））））式（式（式（式（1.12-151.12-151.12-151.12-15））））特殊情况均采用不同公式进行套用注：斜平面指与桁架平面斜交的平面，适用于构件截面两个主轴均不在桁架平面内的单角钢腹杆和双角钢十字形腹杆。摘自GB50017-2003GB50017-2003GB50017-