鋼結構設計原理課件

1、鋼結構設計原理,1,第9章桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系 9.2 屋架的組成及主要平面尺寸 9.3 屋架的支撐系統 9.4 屋蓋設計的內容和屋架的內力計算 9.5 桁架桿件的截面形式和節(jié)點板厚度 9.6 桁架桿件的計算長度和允許長細比 9.7 桁架桿件的截面設計 9.8 桁架的節(jié)點設計和角鋼間的填板 9.9 支撐系統與屋架的連接節(jié)點 9.10 屋架的施工詳圖,鋼結構設計原理,2,第9章 桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,一、概述 桁架是以軸向受力為主的桿件，通過節(jié)點連接成形成的格構式承重結構（擴大構件）。 荷載傳遞特點：平面桁架（屋架）、空間桁架（網架、網

2、殼）,鋼結構設計原理,3,第9章 桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,鋼結構設計原理,4,第9章 桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,鋼結構設計原理,5,第9章 桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,鋼結構設計原理,6,第9章 桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,鋼結構設計原理,7,第9章 桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,鋼結構設計原理,8,第9章 桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,鋼結構設計原理,9,第9章 桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,鋼結構設計原理,10,第9章 桁架

3、及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,二、平面桁架的外形和主要尺寸 三角形屋架（梭形），跨高比約1/6，適用于跨度不大，排水坡度要求大的屋面。,鋼結構設計原理,11,第9章 桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,梯形屋架，矢跨比約1/（810），適用于跨度較大，排水坡度可以較緩屋面。,鋼結構設計原理,12,第9章 桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,平行弦屋架，跨高比約1/（810），適用于跨度較大，排水坡度可以緩的屋面。,鋼結構設計原理,13,第9章 桁架及屋蓋,9.1 桁架的外形、主要尺寸和腹桿體系,三、平面桁架的腹桿體系,人字式,豪式（單斜式）,芬

4、克式,再分式（K形）,交叉式,鋼結構設計原理,14,第9章 桁架及屋蓋,9.2 屋蓋的組成及主要平面尺寸,鋼屋蓋結構通常由屋面、檁條、屋架、托架和天窗和支撐體系等構件組成。根據屋面材料和屋面結構布置情況的不同，可分為無檁屋蓋體系和有檁屋蓋體系。,鋼結構設計原理,15,第9章 桁架及屋蓋,9.2 屋蓋的組成及主要平面尺寸,鋼結構設計原理,16,第9章 桁架及屋蓋,9.2 屋蓋的組成及主要平面尺寸,鋼結構設計原理,17,第9章 桁架及屋蓋,9.2 屋蓋的組成及主要平面尺寸,鋼結構設計原理,18,第9章 桁架及屋蓋,9.2 屋蓋的組成及主要平面尺寸,鋼結構設計原理,19,第9章 桁架及屋蓋,9.2

5、屋蓋的組成及主要平面尺寸,鋼屋蓋系統的主要平面尺寸是屋架的跨度和屋架的間距。,名義跨度L一般為6m的倍數（L=18m以下可以為3m模數）,屋架間距l(xiāng)一般采用6m,廠房伸縮縫間距為60至100m，與廠房結構形式有關,鋼結構設計原理,20,第9章 桁架及屋蓋,9.3 屋架的支撐系統,平面屋架在屋架平面外的剛度和穩(wěn)定性很差，不能承受水平荷載。因此，為使屋架結構有足夠的空間剛度和穩(wěn)定性，必須在屋架間設置支撐系統。,上弦橫向水平支撐 下弦橫向水平支撐 下弦縱向水平支撐 垂直支撐 系桿,組成,鋼結構設計原理,21,第9章 桁架及屋蓋,9.3 屋架的支撐系統,系桿,垂直支撐,下弦橫向水平支撐,下弦縱向水平支

6、撐,上弦橫向水平支撐,鋼結構設計原理,22,第9章 桁架及屋蓋,9.3 屋架的支撐系統,設置屋架兩端（中間）垂直支撐并以系桿連接各屋架，防止屋架側傾,1. 垂直支撐,鋼結構設計原理,23,第9章 桁架及屋蓋,9.3 屋架的支撐系統,鋼結構設計原理,24,第9章 桁架及屋蓋,設置屋架上弦（橫向）支撐并以系桿連接各屋架，減小屋架上弦桿在屋架平面外的計算長度，防止平面外失穩(wěn)并承受山墻水平荷載。一般應設置在房屋兩端或縱向溫度區(qū)段兩端的第一柱間或第二柱間。,9.3 屋架的支撐系統,2. 上弦橫向水平支撐,鋼結構設計原理,25,第9章 桁架及屋蓋,設置屋架下弦（橫向）支撐并以系桿連接各屋架，以承受并傳遞水

7、平風荷載、懸掛吊車的水平力和地震引起的水平力，減小下弦的平面外計算長度，減小下弦的振動，與上弦橫向支撐布置在同一開間，形成穩(wěn)定的空間體系，,9.3 屋架的支撐系統,3. 下弦橫向水平支撐,鋼結構設計原理,26,第9章 桁架及屋蓋,9.3 屋架的支撐系統,4.（上）下弦縱向水平支撐 （必要時設置）,鋼結構設計原理,27,第9章 桁架及屋蓋,9.3 屋架的支撐系統,4.系桿（剛性、柔性）和隅撐,鋼結構設計原理,28,第9章 桁架及屋蓋,9.3 屋架的支撐系統,鋼結構設計原理,29,第9章 桁架及屋蓋,9.3 屋架的支撐系統,鋼結構設計原理,30,第9章 桁架及屋蓋,9.3 屋架的支撐系統,鋼結構設

8、計原理,31,第9章 桁架及屋蓋,9.4 屋蓋設計的內容和屋架的內力計算,一、 屋蓋設計的內容 結構方案的確定和結構布置（跨度、柱距、屋面屋架形式，支撐方案） 無檁體系選擇屋面板，有檁體系時進行檁條設計 分別計算各種荷載下屋架內力，組合出桿件最不利內力 根據桿件內力、計算長度和鋼材牌號，選擇桿件截面并驗算 進行節(jié)點設計計算（保證強度、穩(wěn)定、剛度并驗算連接強度） 支座設計以及與支撐體系的連接件設計 繪制施工詳圖（考慮屋架起拱）并編制材料表,鋼結構設計原理,32,第9章 桁架及屋蓋,9.4 屋蓋設計的內容和屋架的內力計算,二、 屋蓋的荷載 永久荷載： 屋面結構層、保溫層、防水層、檁條、支撐、屋架、

9、天窗架等結構自重屋架和支撐自重經驗公式：gWk=（0.12+0.11l）kN/m2 。 可變荷載：屋面活荷載（不上人屋面載gQk=0.5kN/m2 、c=0.7） 、積灰荷載、雪荷載、風荷載、懸掛吊車荷載等。屋面活荷與雪荷載不同時出現，取兩者中較大值計算。 節(jié)點荷載計算：桁架上的荷載通過檁條或大型屋面板肋以集中力方式作用于桁架節(jié)點（或節(jié)間）。 荷載組合（一般均無需考慮風荷載，除非屋面荷載特輕）: 永久荷載可變荷載 （三角形和梯形屋架） 永久荷載半跨可變荷載 （梯形屋架） 屋架、支撐和天窗架自重半跨荷載（屋面板重和施工活荷載）,鋼結構設計原理,33,第9章 桁架及屋蓋,內力分析： 鉸接桁架節(jié)間荷

10、載僅對直接受力的桿件產生附加彎矩和剪力，但不影響各桿件軸力，所以軸力計算時可歸結為節(jié)點荷載下屋架內力分析（用單位力較方便）。 軸力分析方法 圖解（借助AutoCAD） 節(jié)點力平衡 數解 截面力平衡,9.4 屋蓋設計的內容和屋架的內力計算,鋼結構設計原理,34,第9章 桁架及屋蓋,內力分析： 繪制起拱時屋架軸線并標注桿件軸線長 繪制未起拱時屋架軸線 施加單位荷載并求支反力 單元編號： 外圍每個荷載之間編一個號A、B、C 內部每個三角單元編一個號1、2、3 每個荷載及桿件均獲編號，如23，DE 按比例繪制支反力AB，荷載BC、CD 依次作直線平行于桿件，如： B1、C1（交點為C） 12、A2（交

11、點為2） 量取線段長度即對應桿件內力大小 判別拉壓：按單元號至節(jié)點號的方向定 按順時針為壓(負)，逆時針為壓（負） 如12號桿為壓，23為拉（上弦均為壓，下弦均為拉） 將內力標注在屋架軸線圖右側,9.4 屋蓋設計的內容和屋架的內力計算,鋼結構設計原理,35,第9章 桁架及屋蓋,9.4 屋蓋設計的內容和屋架的內力計算,鋼結構設計原理,36,第9章 桁架及屋蓋,9.4 屋蓋設計的內容和屋架的內力計算,鋼結構設計原理,37,第9章 桁架及屋蓋,9.4 屋蓋設計的內容和屋架的內力計算,鋼結構設計原理,38,9.5 桁架桿件的截面形式和節(jié)點板厚度,雙角鋼截面：等邊角鋼、短肢相并角鋼、短肢相并角鋼、單角鋼

12、、十字形截面； T型鋼：窄翼緣（同短肢相并）；中翼緣（同等邊角鋼）；寬翼緣（同長肢相并）,1.桿件截面形式,型鋼截面：用于跨度較大和荷載較重的桁架。,第9章 桁架及屋蓋,鋼結構設計原理,39,2.節(jié)點板厚度,節(jié)點板是連接桁架各桿件的連接件； 節(jié)點板的受力情況極其復雜，較難正確而又方便地計算其所需厚度； 一個桁架的所有節(jié)點板厚度宜相等（容許支座處節(jié)點板較其它節(jié)點的節(jié)點板加厚2mm）；,支座節(jié)點：由三角形屋架端節(jié)間的上弦桿、梯形屋架端支座處的斜腹桿的內力設計值按表9.1中的規(guī)定選用； 中間節(jié)點：支座節(jié)點板厚度減2mm。,第9章 桁架及屋蓋,9.5 桁架桿件的截面形式和節(jié)點板厚度,鋼結構設計原理,4

13、0,9.6 桁架桿件的計算長度和容許長細比,平面內： 弦桿和支座斜桿(支座豎桿)的計算長度均取 l0 x = l ； 其他腹桿其計算長度均取 l0 x = 0.8l 。 平面外： 弦桿的計算長度取 l0y = l1 ； 所有腹桿計算長度取 l0y = l 。 單角鋼截面和雙角鋼十字截面的腹桿： 非支座腹桿計算長度取 l0 = 0.9l ； 支座豎桿則取l0 = l 。,1.計算長度,第9章 桁架及屋蓋,鋼結構設計原理,41,平面外兩節(jié)間內力不等時時，計算長度應取：,N1兩節(jié)間中的較大壓力， N2為兩節(jié)間中的較小壓力(或拉力，對拉力應取負值)。,2.容許長細比,壓桿：取 l =150； 拉桿：當

14、承受靜荷載或間接承受動荷載時取 l =350， 當直接承受動荷載時取 l =250 。,第9章 桁架及屋蓋,9.6 桁架桿件的計算長度和容許長細比,鋼結構設計原理,42,9.7 桁架桿件的截面設計,上弦桿： l0y = 2l0 x ，無節(jié)間荷載時選用不等邊角鋼兩短肢相并，有節(jié)間荷載時選用不等邊角鋼兩長肢相并； 支座斜腹桿： l0y = l0 x ，選用等邊角鋼或兩長肢相并不等邊角鋼； 下弦桿： l0y l0 x ，選用兩短肢相并或等邊角鋼。 其他腹桿：l0y = 1.25l0 x ，選用等邊角鋼。,1.截面選擇方法,2.構造要求,應優(yōu)先選用厚度較薄的截面 角鋼最小規(guī)格：454，56364，18

15、m以下不受此限。 當跨度大于24m時可根據節(jié)間內力變化在半跨內改變截面一次。,第9章 桁架及屋蓋,鋼結構設計原理,43,3.截面設計,軸心拉桿： AnN / f ixl0 x / l iyl0y / l 軸心壓桿： 假定l（弦桿取40100，腹桿取80120）j AN / j f ixl0 x / l iyl0y / l,選取截面驗算截面。,選取截面驗算截面。,第9章 桁架及屋蓋,9.7 桁架桿件的截面設計,鋼結構設計原理,44,偏心壓桿：,強度驗算：,彎矩作用平 面內穩(wěn)定驗：,彎矩作用平面 外穩(wěn)定驗算：,雙角鋼壓桿和軸對稱放置的單角鋼壓桿繞對稱軸失穩(wěn)時的換算長細比lyz可以用簡化公式（6.5

16、0）（6.54）計算。,第9章 桁架及屋蓋,9.7 桁架桿件的截面設計,鋼結構設計原理,45,9.8 桁架的節(jié)點設計和角鋼間的填板,桁架桿件的軸線在各節(jié)點處必須交會于一點，軸線為截面形心線。 各桿件輪廓線間應保持最小間距c。直接承受動力荷載的焊接屋架取c50mm, 不直接承受動力荷載的焊接屋架中c不應小于20mm。,1.節(jié)點設計一般原則,第9章 桁架及屋蓋,鋼結構設計原理,46,桿端的切割面一般宜與桿件軸線垂直，也允許將角鋼的一邊切去一角(圖a，b)，但不允許作如圖(c)的端部切割方式；,節(jié)點板的外形宜采用矩形、梯形、平行四邊形或至少有一直角的四邊形，伸出角鋼肢背10-15mm。節(jié)點板的長和寬

17、宜取為l0mm的倍數。只有一根斜桿與弦桿相交時，節(jié)點板的外邊緣與斜桿軸線應保持不小于1：3的坡度；,(a),(b),(c),第9章 桁架及屋蓋,9.8 桁架的節(jié)點設計和角鋼間的填板,鋼結構設計原理,47,根據已有節(jié)點板的尺寸，通長布置弦桿與節(jié)點板間的連接焊縫；,第9章 桁架及屋蓋,9.8 桁架的節(jié)點設計和角鋼間的填板,標注尺寸：每一節(jié)點上都需標明節(jié)點板及桿件的所有外形尺寸和定位尺寸，以及焊縫符號，如圖所示。,鋼結構設計原理,48,2.節(jié)點計算和構造,（1）下弦一般節(jié)點 弦桿與節(jié)點板間的焊縫連接：,節(jié)點左右兩弦桿的內力差,較大時應計算，否則按構造要求。,角鋼肢背：,角鋼肢尖：,腹桿與節(jié)點板間的焊

18、縫連接：,角鋼肢背：,角鋼肢尖：,第9章 桁架及屋蓋,9.8 桁架的節(jié)點設計和角鋼間的填板,鋼結構設計原理,49,（2）上弦一般節(jié)點 有集中荷載P的節(jié)點構造：,將節(jié)點板縮進（0.61.0）t（節(jié)點板厚度），并進行槽焊。,第9章 桁架及屋蓋,9.8 桁架的節(jié)點設計和角鋼間的填板,鋼結構設計原理,50,角鋼背的槽焊縫承受節(jié)點荷裁P。槽焊縫按兩條hf1=0.5t的角焊縫計算： 角鋼肢尖的角焊縫承擔DN和由于DN與趾部焊縫的偏心距e而產生的彎矩M =DN e。由此可確定趾部焊縫所需的焊腳尺寸hf2，計算公式為：,剪應力：,正應力：,驗算：,無集中荷載時的節(jié)點計算與構造同下弦一般節(jié)點。,第9章 桁架及屋

19、蓋,9.8 桁架的節(jié)點設計和角鋼間的填板,鋼結構設計原理,51,（3）下弦工地拼接節(jié)點,拼接連接: 弦桿的雙角鋼截面常用同樣大小的角鋼作為拼接件。以N=Af按等強進行連接計算，拼接角鋼的總長度ls為:,節(jié)點板: 取較大內力的15和兩者內力差中較大值，計算一側弦桿與節(jié)點板間的焊縫，并分配給角鋼肢背與肢尖焊縫。,第9章 桁架及屋蓋,9.8 桁架的節(jié)點設計和角鋼間的填板,鋼結構設計原理,52,（4）屋脊節(jié)點,拼接角鋼的設計與下弦工地拼接節(jié)點類同；,第9章 桁架及屋蓋,9.8 桁架的節(jié)點設計和角鋼間的填板,上弦桿與節(jié)點板的連接：按上弦一般節(jié)點有集中荷載P的節(jié)點計算， 得出的焊縫較小，一般不用計算。,鋼結構設計原理,53,（5）支座節(jié)點,組成：節(jié)點板、底板、肋板和錨栓，與軸壓柱的柱腳相似。 底板面積A的確定：,構造要求底板的最小平面尺寸為240mm240mm。,第9章 桁架及屋蓋,9.8 桁架的節(jié)點設計和角鋼間的填板,鋼結構設計原理,54,底板厚度t ： 板中單位寬度的彎矩為： 式中 q =R/An，系數b 按b1/a1比值查表6.6 確定。底板的最小厚度一般為16mm。 底板與節(jié)點板、加勁肋板底端的角焊縫,式中：,第9章 桁架及屋蓋,9.8 桁架的節(jié)點設計和角鋼間的填板,鋼結構設計原理,55,加勁肋計算： 加勁肋