第9章鋼桁架及屋蓋結(jié)構(gòu)

1、1第第9章章 鋼桁架及屋蓋結(jié)構(gòu)鋼桁架及屋蓋結(jié)構(gòu) 29.1 桁架及屋蓋結(jié)構(gòu)的組成及應(yīng)用桁架及屋蓋結(jié)構(gòu)的組成及應(yīng)用鋼屋蓋結(jié)構(gòu)由屋面、屋架和支撐三部分組成。鋼屋蓋結(jié)構(gòu)可分為兩類：一類為有檁屋蓋，是指在屋架上放置檁條，檁條上再鋪設(shè)石棉瓦、瓦楞鐵皮、鋼絲網(wǎng)水泥槽形板以及壓型鋼板等輕型屋面材料；另一類稱無檁屋蓋，是指在屋架上直接放置鋼筋混凝土大型屋面板，屋面荷載由大型屋面板直接傳給屋架。有檁屋蓋質(zhì)量輕、用料省、運(yùn)輸安裝方便，但構(gòu)件數(shù)目多、構(gòu)造復(fù)雜、吊裝次數(shù)多，屋蓋橫向剛度較差。有檁屋蓋的屋架間距為檁條跨度，屋架經(jīng)濟(jì)間距為4m6m。無檁屋蓋，構(gòu)件數(shù)目少、安裝簡(jiǎn)便、施工速度快，易于鋪設(shè)保暖層，且屋蓋橫向剛度大

2、、整體性好，但由于自重大使下部結(jié)構(gòu)用料增多，且對(duì)抗震不利。無檁屋蓋方案的屋架間距為大型屋面板的跨度，一般為6m或6m的倍數(shù)。屋架的跨度和間距需結(jié)合柱網(wǎng)布置確定。 39.2 桁架及屋蓋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析桁架及屋蓋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析9.2.1 計(jì)算假定屋架桿件內(nèi)力計(jì)算采用下列假定：(1) 各桿件的軸線均居于同一平面內(nèi)且相交于節(jié)點(diǎn)中心。(2) 各節(jié)點(diǎn)均視為鉸接，忽略實(shí)際節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的次應(yīng)力。(3) 荷載均作用于桁架平面內(nèi)的節(jié)點(diǎn)上，因此各桿只受軸向力作用。對(duì)于作用于節(jié)間處的荷載需按比例分配到相近的左、右節(jié)點(diǎn)上，但計(jì)算上弦桿時(shí)，應(yīng)考慮局部彎曲影響。49.2.2 節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算1. 屋架上的荷載作用于屋架上的荷載可有：

3、(1) 永久荷載，包括屋面材料、檁條、屋架、天窗架、支撐以及天棚等結(jié)構(gòu)自重。 (2) 可變荷載，包括屋面均布使用活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載、積灰荷載以及懸掛吊車和重物等項(xiàng)。 2. 荷載的組合屋面均布活荷載、屋面積灰荷載和雪荷載等可變荷載，應(yīng)按全跨和半跨均勻分布兩種情況考慮，因?yàn)楹奢d作用于半跨時(shí)對(duì)桁架的中間斜腹桿的內(nèi)力可能產(chǎn)生不利影響。59.2.3 屋架桿件內(nèi)力計(jì)算方法(1) 節(jié)點(diǎn)荷載作用下的桿件內(nèi)力計(jì)算。節(jié)點(diǎn)荷載作用下，鉸接桁架桿件的內(nèi)力計(jì)算可采用圖解法或數(shù)解法(節(jié)點(diǎn)法或截面法)以及有限元位移計(jì)算法等。所有桿件均受軸心力作用。常用桁架的桿件內(nèi)力系數(shù)可查閱靜力計(jì)算手冊(cè)。(2) 有節(jié)間荷載作用時(shí)的桿件

4、內(nèi)力計(jì)算。 69.3 屋架桿件的截面設(shè)計(jì)屋架桿件的截面設(shè)計(jì) 屋架桿件截面設(shè)計(jì)是在經(jīng)過屋架選型、確定鋼號(hào)、荷載計(jì)算和內(nèi)力計(jì)算后，決定節(jié)點(diǎn)板的厚度和尺寸以及桿件的計(jì)算長(zhǎng)度等，最后可按軸心受力構(gòu)件，或拉彎、壓彎桿件進(jìn)行截面選擇。 79.3.1 屋架桿件的計(jì)算長(zhǎng)度8(1) 在屋架平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度考慮節(jié)點(diǎn)本身具有一定剛度，桿件兩端屬彈性嵌固，當(dāng)某一桿件的彎曲變形受到其他桿件的約束作用時(shí)，其中以受拉桿為甚，桿件的計(jì)算長(zhǎng)度將有一定程度的減小。對(duì)本身線剛度較大，而兩端節(jié)點(diǎn)嵌固程度較低的桿件，如弦桿、支座斜桿和支座豎桿，可按兩端鉸接的桿件考慮，取 ；對(duì)兩端或一端嵌固程度較大的桿件，如中間腹桿，取 。 0 xll

5、00.8xll9(2) 在屋架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度弦桿在桁架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度為 ，應(yīng)取側(cè)向支承點(diǎn)之間的距離 ，即 。在有檁屋蓋中，取橫向支撐點(diǎn)間距離或取與支撐相連接的檁條及系桿之間的距離；在無檁屋蓋中，當(dāng)屋面板與屋架三點(diǎn)焊接連接時(shí)，可取兩塊屋面板的寬度，但不大于3.0m；在天窗范圍內(nèi)取與橫向支撐，連接的系桿間距離。對(duì)下弦桿的計(jì)算長(zhǎng)度應(yīng)視有無縱向水平支撐確定，一般取縱向水平支撐節(jié)點(diǎn)與系桿或系桿與系桿間的距離。弦桿對(duì)腹板在屋架平面外的約束作用很小，故可作為鉸支承；腹桿在屋架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度可取其幾何長(zhǎng)度，即 。1l0yl01yll0yll10(3) 在斜平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度。單面連接的單角鋼腹桿及雙角鋼組

6、成的十字形截面腹桿，因截面的兩主軸均不在屋架平面內(nèi)，故當(dāng)桿件繞最小主軸失穩(wěn)時(shí)，將發(fā)生在斜平面內(nèi)，情形介于屋架平面內(nèi)和屋架平面外兩者之間，桿件兩端的節(jié)點(diǎn)具有弱于平面內(nèi)的嵌固作用；因此，可取腹桿斜平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度 。 00.9ll119.3.2 屋架桿件的截面形式(1) 上弦桿。上弦桿可采用雙不等肢角鋼短邊相并的T形截面，寬大的翼緣有利于放置檁條或屋面板；較大的側(cè)向剛度也有利于滿足運(yùn)輸和吊裝的穩(wěn)定要求。 (2) 下弦桿下弦桿可多采用雙等肢角鋼或兩不等肢角鋼短肢相并的T形截面，以提高側(cè)向剛度，利于滿足運(yùn)輸、吊裝的剛度要求，且便于與支撐側(cè)面連接。下弦桿截面主要由強(qiáng)度條件決定，尚應(yīng)滿足容許長(zhǎng)細(xì)比的要求。

7、12(3) 端斜腹桿。端斜腹桿可采用兩不等肢角鋼長(zhǎng)邊相并的T形截面。其計(jì)算長(zhǎng)度 。當(dāng)桿件短，或內(nèi)力小時(shí)可采用雙等肢角鋼T形截面。 (4) 其他腹桿。其他腹桿均宜采用雙等肢角鋼T形截面；豎桿可采用雙等肢十字形截面。以利于與垂直支撐連接和防止吊裝時(shí)連接面錯(cuò)位。00,/0.9yxyxlll ii139.3.3 墊板和節(jié)點(diǎn)板(1) 墊板。當(dāng)采用雙肢角鋼T形或十字形組合截面時(shí)，為保證兩個(gè)角鋼整體受力，在兩角鋼間每隔一定距離應(yīng)放置墊板，或稱填板。十字形截面填板應(yīng)縱橫交替放置。填板寬度一般取50mm80mm。長(zhǎng)度，對(duì)T形截面應(yīng)比角鋼肢寬大20mm30mm；對(duì)十字形截面應(yīng)從角鋼肢尖縮進(jìn)10mm15mm，以便于

8、施焊。角鋼與填板常用5mm側(cè)焊縫或圍焊縫連接。填板的厚度同節(jié)點(diǎn)板。填板間距 ，對(duì)壓桿取 ，對(duì)拉桿取 ，對(duì)T形截面 為一個(gè)角鋼對(duì)平行于填板的自身形心軸的回轉(zhuǎn)半徑；對(duì)十字形截面， 為一個(gè)角鋼的最小回轉(zhuǎn)半徑。 dld40lid80liii14(2) 節(jié)點(diǎn)板。普通鋼屋架雙角鋼截面的桿件，在節(jié)點(diǎn)處以節(jié)點(diǎn)板連接。節(jié)點(diǎn)板中的應(yīng)力十分復(fù)雜，通常不作計(jì)算，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定其厚度，金屬架節(jié)點(diǎn)板厚度取統(tǒng)一值。普通鋼屋架節(jié)點(diǎn)板厚度可按下表選用。 159.3.4 屋架桿件的截面選擇(1) 截面選擇的一般要求。截面選擇時(shí)應(yīng)遵循下列要求：應(yīng)優(yōu)先選用肢寬壁薄的角鋼，角鋼規(guī)格不宜小于 454或 56364，有螺栓孔的角鋼尚應(yīng)滿

9、足角鋼上螺栓的最小容許線距的要求；桁架的弦桿一般采用等截面，若采用變截面宜在節(jié)點(diǎn)處改變寬度而保持厚度不變，一般只改變一次；同一屋架的角鋼規(guī)格應(yīng)盡量統(tǒng)一，不宜超過69種，邊寬相同的角鋼厚度相差至少2mm，以便識(shí)別。16(2) 截面計(jì)算。軸心受拉桿件應(yīng)按強(qiáng)度條件計(jì)算桿件需要的凈截面面積： ；軸心受壓桿件應(yīng)按整體穩(wěn)定性條件計(jì)算桿件需要的毛截面面積： ；壓彎或拉彎桿件，當(dāng)上弦桿或下弦桿受有節(jié)間荷載時(shí)，桿件同時(shí)承受軸心力和局部彎矩作用，應(yīng)按壓彎或拉彎構(gòu)件計(jì)算，通常采用試算法初估截面，然后再驗(yàn)算其強(qiáng)度和剛度，對(duì)壓彎構(gòu)件尚應(yīng)驗(yàn)算彎矩作用平面內(nèi)和平面外的穩(wěn)定性。 n/AFf/AFf179.3.5 屋架的節(jié)點(diǎn)設(shè)

10、計(jì)1. 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要求(1) 桿件的重心線，原則上應(yīng)與桁架計(jì)算簡(jiǎn)圖中的幾何軸線重合，以避免桿件偏心受力，但為制作方便，實(shí)際焊接桁架中通常把角鋼背外表面到重心線的距離取為5mm的倍數(shù)；當(dāng)弦桿截面改變時(shí)，應(yīng)使角鋼的肢背齊平，以便于拼接和放置屋面構(gòu)件；當(dāng)節(jié)點(diǎn)板兩側(cè)角鋼因截面變化引起形心軸線錯(cuò)開時(shí)，應(yīng)取兩軸線的中線作為弦桿的共同軸線，以減少偏心影響。 18(2) 在節(jié)點(diǎn)板處弦桿與腹桿，或腹桿與腹桿之間應(yīng)留有20mm的空隙，以利于拼接和施焊，且避免因焊縫過于密集而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)板鋼材變脆。(3) 角鋼端部的切割一般應(yīng)與軸線垂直，為了減小節(jié)點(diǎn)板尺寸，可將其一肢斜切；但不得采用將一肢完全切割的斜切。(4) 節(jié)點(diǎn)板

11、的形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單規(guī)整，盡量減小切割邊數(shù)，宜用矩形、有兩個(gè)直角的梯形或平行四邊形。節(jié)點(diǎn)板不許有凹角，以防產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。節(jié)點(diǎn)板邊緣與桿件軸線間的夾角不宜小于，且節(jié)點(diǎn)板的外形應(yīng)盡量使連接焊縫中心受力。節(jié)點(diǎn)板應(yīng)伸出上弦桿角鋼肢背10mm15mm，以利施焊；也可將節(jié)點(diǎn)板縮進(jìn)弦桿角鋼肢背5mm10mm，稱為塞焊縫連接。 192. 節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和計(jì)算節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)首先應(yīng)按各桿件的截面形式確定節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式，根據(jù)腹板內(nèi)力確定連接焊縫的焊腳尺寸和焊縫長(zhǎng)度，然后按所需的焊縫長(zhǎng)度和桿件之間的空隙，適當(dāng)考慮制造裝配誤差，確定節(jié)點(diǎn)板的合理形狀和尺寸，最后驗(yàn)算弦桿和節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫。桁架桿件與節(jié)點(diǎn)板間的連接，通常采用角焊縫

12、連接形式，對(duì)角鋼桿件一般采用角鋼背和角鋼尖部位的側(cè)焊縫連接；必要時(shí)也可采用三面圍焊縫或L形圍焊縫連接。節(jié)點(diǎn)板的尺寸應(yīng)能保證所需角焊縫的布置要求。209.4 鋼屋架的支撐鋼屋架的支撐簡(jiǎn)支于柱頂?shù)匿撐菁軆H用大型屋面板或檁條聯(lián)系起來是一種不穩(wěn)定的幾何可變體系，在荷載作用下或在安裝過程中，屋架可能向側(cè)向傾倒，屋架上弦側(cè)向支承點(diǎn)間距過大，也容易引起側(cè)向失穩(wěn)破壞，為使屋架形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系，則需在相鄰兩屋架之間設(shè)置上弦橫向支撐、下弦橫向支撐和垂直支撐，其余屋架則由檁條、大型屋面板和系桿在縱向相連接，從而構(gòu)成穩(wěn)定的幾何不變體系。如下圖所示。21 229.4.1 屋蓋支撐的類型和布置屋蓋支撐的主要作用是：

13、承受屋蓋在安裝和使用過程中可出現(xiàn)的縱向水平力，如山墻的水平風(fēng)力、懸掛吊車的縱向水平制動(dòng)力、安裝時(shí)可能產(chǎn)生的垂直于屋架平面的水平力，以及縱向地震作用等；作為屋架弦桿的側(cè)向支承點(diǎn)，減少上弦桿在屋架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度，以提高上弦桿的穩(wěn)定性；防止受拉下弦桿因某些動(dòng)力設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生過大的水平振幅；保證屋架安裝質(zhì)量和安全施工；保證屋蓋結(jié)構(gòu)的空間整體性是屋蓋支撐最為重要的性能。支撐的布置及類型如下圖所示。2324 屋蓋支撐的布置如下： (1) 上弦橫向水平支撐。 (2) 下弦橫向水平支撐。 (3) 下弦縱向水平支撐。 (4) 垂直支撐。 (5) 系桿。 259.4.2 支撐的截面選擇和連接構(gòu)造屋架的橫向支撐和

14、縱向支撐均由平行弦桁架組成。其腹桿通常采用十字交叉斜桿；屋架的弦桿兼為橫向支撐桁架的弦桿；屋架的下弦桿又可視為縱向支撐桁架的豎桿；斜桿和弦桿的交角宜在之間，橫向支撐節(jié)間距為屋架弦桿節(jié)間距的24倍；縱向水平支撐的寬度取屋架下弦端節(jié)間寬度。屋蓋垂直支撐也視為一平行弦桁架，可采用交叉腹桿或V形、W形腹桿。269.4.3 檁條、拉條和撐桿檁條應(yīng)與屋架上的檁托可靠連接，檁托是由焊接在屋架上的短角鋼制成，檁條與檁托一般用普通螺栓連接，槽鋼檁條的槽口宜朝向屋脊以利于安裝；角鋼和S形薄壁型鋼檁條的肢尖均應(yīng)朝向屋脊。拉條是設(shè)置在檁條之間的鋼拉桿，拉條可作為檁條的側(cè)向支撐點(diǎn)，用以減少檁條平行屋面方向的跨度，防止側(cè)

15、向變形和扭屈。 279.5 普通鋼屋架設(shè)計(jì)實(shí)例普通鋼屋架設(shè)計(jì)實(shí)例9.5.1 設(shè)計(jì)資料北京地區(qū)一單跨廠房屋蓋，跨度為24m，長(zhǎng)度為114m，柱距為6m。屋架采用24m芬克式三角形鋼屋架，屋架簡(jiǎn)支在鋼筋混凝土柱上，上柱截面為400mm400mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20級(jí)，柱網(wǎng)采用封閉軸線。廠房?jī)?nèi)設(shè)有一臺(tái)起重量為Q=30t的中級(jí)工作制橋式吊車。鋼材為Q235鋼，并具有機(jī)械性能四項(xiàng)：抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服點(diǎn)、180冷彎試驗(yàn)和碳、硫、磷含量的保證；焊條采用E 43型：手工焊。28屋面采用波形石棉水泥瓦，自重為0.20kN/m2；木絲板保溫層自重為0.24kN/m2，檁條采用槽鋼。屋面均布活荷載為0.30

16、kN/m2；基本雪荷載為0.30kN/m2。屋架形式及幾何尺寸：屋面坡度i=1/2.5，屋面傾角，屋架計(jì)算跨度為，屋架跨中高度為 ，上弦長(zhǎng)度為，取六節(jié)間，節(jié)間長(zhǎng)度為 ，節(jié)間水平投影長(zhǎng)度為mm。如下圖所示。29 屋架幾何尺寸及內(nèi)力圖 309.5.2 支撐布置根據(jù)廠房長(zhǎng)度為120m60m，跨度=24m和有橋式吊車的情況，在廠房?jī)啥说诙g和廠房中部設(shè)置三道上弦橫向水平支撐、下弦橫向水平支撐及垂直支撐；并在上弦及下弦各設(shè)三道系桿。上弦因有檁條故可不設(shè)系桿。如下圖所示。31329.5.3 檁條布置(1) 檁條布置。檁條采用槽鋼檁條，每節(jié)間放兩根，檁距為2127mm/3=709mm，檁條跨中設(shè)一根拉條。(2)