《普通钢屋架设计》PPT课件.ppt
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1、第第3 3章章 普钢厂房结构设计普钢厂房结构设计3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 结构选型与布置结构选型与布置3.3 3.3 横向框架的设计横向框架的设计3.4 3.4 吊车梁设计吊车梁设计3.5 3.5 普通钢屋架设计普通钢屋架设计3.5 普通钢屋架设计普通钢屋架设计 v确定屋架形式和尺寸确定屋架形式和尺寸v屋架荷载计算屋架荷载计算v屋架内力分析与组合屋架内力分析与组合v屋架杆件设计屋架杆件设计v屋架节点设计屋架节点设计v绘制屋架盖施工图绘制屋架盖施工图钢屋架设计内容:钢屋架设计内容:3.5.1 3.5.1 3.5.1 3.5.1 屋架荷载计算屋架荷载计算屋架荷载计算屋架荷载计算 包括
2、荷载取值、荷载汇集与荷载组合包括荷载取值、荷载汇集与荷载组合。1.1.1.1.荷载取值荷载取值荷载取值荷载取值 作用于屋盖上的荷载包括永久荷载和可变荷载。作用于屋盖上的荷载包括永久荷载和可变荷载。永久荷载永久荷载:屋面材料自重(屋面板、保温隔热、防水、檩条:屋面材料自重(屋面板、保温隔热、防水、檩条 等)、屋架及支撑、天窗及吊顶等结构的自重;等)、屋架及支撑、天窗及吊顶等结构的自重;可变荷载可变荷载:屋面均布活荷载、屋面积灰荷载、雪载、风荷载:屋面均布活荷载、屋面积灰荷载、雪载、风荷载 以及悬挂吊车荷载等。以及悬挂吊车荷载等。荷载荷载取值方法取值方法:可由已给设计资料,查相应荷载规范或者计算,
3、得出具可由已给设计资料,查相应荷载规范或者计算,得出具体的各种荷载标准值。体的各种荷载标准值。其其屋架自重(包括支撑)估算公式屋架自重(包括支撑)估算公式为:为:=LLL屋架跨度;屋架跨度;屋架跨度;屋架跨度;按水平投影分布荷载按水平投影分布荷载按水平投影分布荷载按水平投影分布荷载 ;系数,当屋面荷载系数,当屋面荷载 (轻屋盖轻屋盖)时,)时,取取;当屋面荷载当屋面荷载 (中等屋盖中等屋盖)时,)时,取取;当屋面荷载当屋面荷载 (重屋盖重屋盖)时,)时,取取。注注:当屋面坡度当屋面坡度 时,对重屋盖可不考虑风载;但对于时,对重屋盖可不考虑风载;但对于轻屋盖,应考虑负风压的影响。轻屋盖,应考虑负
4、风压的影响。屋面活载与雪载不同时考虑,取两者较大值。屋面活载与雪载不同时考虑,取两者较大值。2.2.2.2.荷载汇集荷载汇集荷载汇集荷载汇集 将面荷载汇集为节点荷载将面荷载汇集为节点荷载 荷载标准值;荷载标准值;荷载分项因数,永久荷载,可变荷载,这里可变荷载荷载分项因数,永久荷载,可变荷载,这里可变荷载不加组合系数。不加组合系数。荷载汇集图荷载汇集图 注注:组合(:组合(1 1)、()、(2 2)为使用阶段组合,()为使用阶段组合,(3 3)为施工阶段组合。)为施工阶段组合。组合(组合(1 1)主要控制屋架上、下弦及靠近支座处的腹杆内力;组合()主要控制屋架上、下弦及靠近支座处的腹杆内力;组合
5、(2 2)、)、(3 3)可能会使跨中部分腹杆产生最大内力或变号。)可能会使跨中部分腹杆产生最大内力或变号。通常,对于三角形屋架,只需进行第一种荷载组合即可;但对人字形通常,对于三角形屋架,只需进行第一种荷载组合即可;但对人字形屋架需进行第一、第二两种荷载组合;而对于梯形层架,尚应进行上述三屋架需进行第一、第二两种荷载组合;而对于梯形层架,尚应进行上述三种荷载组合。但当施工中能保证屋面板对称布置时,梯形屋架也可只进行种荷载组合。但当施工中能保证屋面板对称布置时,梯形屋架也可只进行上述的前两种荷载组合。上述的前两种荷载组合。3.3.3.3.荷载组合荷载组合荷载组合荷载组合 为求出屋架最不利杆力,
6、需进行荷载组合为求出屋架最不利杆力,需进行荷载组合。对于简支屋架一般应考虑下列对于简支屋架一般应考虑下列三种组合三种组合:(1 1)全跨永久荷载)全跨永久荷载+全跨可变荷载全跨可变荷载(2 2)全跨永久荷载)全跨永久荷载+半跨可变荷载(考虑使用阶段的不利半跨可变荷载(考虑使用阶段的不利情况)情况)(3 3)全跨屋架、支撑及天窗架自重)全跨屋架、支撑及天窗架自重+半跨屋面板重半跨屋面板重+半跨半跨屋面活荷载(考虑施工阶段的不利情况)屋面活荷载(考虑施工阶段的不利情况)3.5.2 3.5.2 3.5.2 3.5.2 屋架杆件内力计算屋架杆件内力计算屋架杆件内力计算屋架杆件内力计算 1.1.1.1.
7、屋架杆件屋架杆件屋架杆件屋架杆件轴力计算轴力计算轴力计算轴力计算轴力计算方法轴力计算方法:按节点荷载作用下的铰接平面桁架分析内力,:按节点荷载作用下的铰接平面桁架分析内力,屋架各杆件轴力可用屋架各杆件轴力可用图解法、数解法或矩阵位移法(电算)图解法、数解法或矩阵位移法(电算)计计算。算。为计算方便和减轻工作量,一般先计算屋架分别在左半跨和为计算方便和减轻工作量,一般先计算屋架分别在左半跨和右半跨右半跨单位节点荷载下杆件内力单位节点荷载下杆件内力,称杆件,称杆件内力系数内力系数,全跨作用,全跨作用单位节点荷载的杆件内力系数由两者叠加得到。然后将杆件内单位节点荷载的杆件内力系数由两者叠加得到。然后
8、将杆件内力系数分别乖以各种荷载组合下节点荷载即得各种荷载组合下力系数分别乖以各种荷载组合下节点荷载即得各种荷载组合下的杆件内力(常列表进行),比较各种荷载组合下的杆件内力的杆件内力(常列表进行),比较各种荷载组合下的杆件内力可得杆件的计算控制内力。可得杆件的计算控制内力。注注:有节间荷载作用的屋架有节间荷载作用的屋架,将节,将节间荷载分配到相邻节点并按节点荷间荷载分配到相邻节点并按节点荷载求解杆件轴力。载求解杆件轴力。计算内力系数计算计算内力系数计算 既要考虑杆件的连续性,又要考虑节点支承的弹性位移,一既要考虑杆件的连续性,又要考虑节点支承的弹性位移,一般采用般采用简化计算简化计算。端节间的正
9、弯矩取端节间的正弯矩取0.8 0.8 ,其他节间的正弯矩和节点负弯矩,其他节间的正弯矩和节点负弯矩取取 ,为将相应弦杆节间作为单跨简支梁求得的最大弯为将相应弦杆节间作为单跨简支梁求得的最大弯矩(如下图)。矩(如下图)。图图7 上弦杆的局部弯矩上弦杆的局部弯矩每节间一个集中荷载;每节间一个集中荷载;每节间两个集中荷载每节间两个集中荷载 2.2.节间荷载引起的节间荷载引起的节间荷载引起的节间荷载引起的局部弯矩计算局部弯矩计算局部弯矩计算局部弯矩计算 有节间荷载作用的屋架,应计算节间荷载引起的局部弯矩。有节间荷载作用的屋架,应计算节间荷载引起的局部弯矩。3.5.3 3.5.3 3.5.3 3.5.3
10、 屋架杆件截面设计屋架杆件截面设计屋架杆件截面设计屋架杆件截面设计杆件截面设计步骤杆件截面设计步骤为:为:确定杆件的计算长度;确定杆件的计算长度;确定杆件确定杆件截面形式;截面形式;选择合适的截面尺寸;选择合适的截面尺寸;验算杆件强度、稳定验算杆件强度、稳定和刚度。和刚度。1.1.桁架杆件的计算长度和容许长细比桁架杆件的计算长度和容许长细比桁架杆件的计算长度和容许长细比桁架杆件的计算长度和容许长细比 (1 1)桁架杆件的计算长度)桁架杆件的计算长度)桁架杆件的计算长度)桁架杆件的计算长度 计算长度概念:计算长度概念:计算长度概念:计算长度概念:将端部有约束的压杆转换为等效的两端将端部有约束的压
11、杆转换为等效的两端将端部有约束的压杆转换为等效的两端将端部有约束的压杆转换为等效的两端铰接的理想轴心压杆铰接的理想轴心压杆铰接的理想轴心压杆铰接的理想轴心压杆(a)(b)(c)杆端约束越强,杆件计算长度越短,临界荷载越高杆端约束越强,杆件计算长度越短,临界荷载越高 。影响钢屋架杆端约束大小的因素:影响钢屋架杆端约束大小的因素:1 1)杆件轴力性质)杆件轴力性质 拉力使杆拉直,约束作用大,压力使杆拉力使杆拉直,约束作用大,压力使杆 件弯曲,约束作用微不足道。件弯曲,约束作用微不足道。2 2)杆件线刚度大小)杆件线刚度大小 线刚度越大,约束作用越大,反之,约线刚度越大,约束作用越大,反之,约 束作
12、用越小。束作用越小。3 3)杆件连接的方式)杆件连接的方式 刚性相连,约束作用越大,反之,约刚性相连,约束作用越大,反之,约 束作用越小。束作用越小。根据杆件的刚度及其嵌固(约束根据杆件的刚度及其嵌固(约束 程度来确定桁架杆件的计程度来确定桁架杆件的计算长度。算长度。1)桁架弦杆和单系腹杆的计算长度)桁架弦杆和单系腹杆的计算长度桁架桁架平面内平面内计算长度计算长度 弦杆弦杆 支座斜杆支座斜杆 (节件长度)节件长度)支座竖杆支座竖杆 中间腹杆中间腹杆 q 桁架桁架平面外平面外计算长度计算长度 弦杆弦杆 (侧向支撑点间距离)(侧向支撑点间距离)腹杆腹杆 (节间长度(节间长度 )单角钢腹杆和双角钢十
13、字形腹杆,单角钢腹杆和双角钢十字形腹杆,绕最小主轴弯曲时杆轴处于斜平面内,其端部所受约束介绕最小主轴弯曲时杆轴处于斜平面内,其端部所受约束介于屋架平面内外的两种情况之间。于屋架平面内外的两种情况之间。桁架弦杆和单系腹杆的计算长度桁架弦杆和单系腹杆的计算长度 归纳为下表归纳为下表2 2。项项 次次弯曲方向弯曲方向弦弦 杆杆腹杆腹杆支座斜杆和支支座斜杆和支座座竖竖杆杆其他腹杆其他腹杆1 1在桁架平面内在桁架平面内 0.8 0.82 2在桁架平面外在桁架平面外3 3斜平面斜平面 0.9 0.9注:注:注:注:1.1.1.1.为构件几何长度(节点中心间距离);为构件几何长度(节点中心间距离);为构件几
14、何长度(节点中心间距离);为构件几何长度(节点中心间距离);为桁架弦杆侧向支承点间的距离。为桁架弦杆侧向支承点间的距离。为桁架弦杆侧向支承点间的距离。为桁架弦杆侧向支承点间的距离。2.2.2.2.斜平面系指与桁架平面斜交的平面,适用于构件截面两主轴均不在桁架平面内斜平面系指与桁架平面斜交的平面,适用于构件截面两主轴均不在桁架平面内斜平面系指与桁架平面斜交的平面,适用于构件截面两主轴均不在桁架平面内斜平面系指与桁架平面斜交的平面,适用于构件截面两主轴均不在桁架平面内的单角钢腹杆和双角钢十字形截面腹杆。的单角钢腹杆和双角钢十字形截面腹杆。的单角钢腹杆和双角钢十字形截面腹杆。的单角钢腹杆和双角钢十字
15、形截面腹杆。3.3.3.3.无节点板的腹杆计算长度在任意平面内均取其等于几何长度。无节点板的腹杆计算长度在任意平面内均取其等于几何长度。无节点板的腹杆计算长度在任意平面内均取其等于几何长度。无节点板的腹杆计算长度在任意平面内均取其等于几何长度。2 2 2 2)变内力杆件的计算长度)变内力杆件的计算长度)变内力杆件的计算长度)变内力杆件的计算长度式中:式中:较大压力,取正号;较大压力,取正号;较小压力或拉力,较小压力或拉力,压力取正号,拉力取负号。压力取正号,拉力取负号。平面内平面内的的计计算算长长度仍按表度仍按表2 2确定,但确定,但平面外平面外变内力杆件变内力杆件变内力杆件变内力杆件的计的计
16、的计的计算长度算长度算长度算长度应应按下式确定(按下式确定(考虑受力较小的杆件对受力大的杆件的考虑受力较小的杆件对受力大的杆件的“援助援助”作用作用)。要求要求交叉腹杆中交叉点处构造处理:交叉腹杆中交叉点处构造处理:1 1)两杆不断开。)两杆不断开。2 2)一杆不断开,另一杆断开,用节点板拼接。)一杆不断开,另一杆断开,用节点板拼接。3 3 3 3)桁架交叉腹杆的计算长度)桁架交叉腹杆的计算长度)桁架交叉腹杆的计算长度)桁架交叉腹杆的计算长度交叉腹杆中交叉点处构造示意交叉腹杆中交叉点处构造示意桁架平面内的计算长度桁架平面内的计算长度应取节点中心到交叉点间的距离,即应取节点中心到交叉点间的距离,
17、即在桁架平面内,在桁架平面内,无论另一杆为拉杆或压杆,两杆互为支承点。无论另一杆为拉杆或压杆,两杆互为支承点。在桁架平面外,在桁架平面外,拉杆可作为压杆的平面外支承点,拉杆可作为压杆的平面外支承点,压杆除非受力较小且不断开,否则不起侧向支点的作用。压杆除非受力较小且不断开,否则不起侧向支点的作用。在桁架平面外的计算长度应按下表的规定采用。在桁架平面外的计算长度应按下表的规定采用。(2 2 2 2)桁架杆件的容许长细比)桁架杆件的容许长细比)桁架杆件的容许长细比)桁架杆件的容许长细比 桁架杆件长细比的大小,对杆件的工作有一定的影响。桁架杆件长细比的大小,对杆件的工作有一定的影响。若长细比太大,将
18、使杆件在自重作用下产生过大挠度,在运若长细比太大,将使杆件在自重作用下产生过大挠度,在运输和安装过程中因刚度不足而产生弯曲,在动力作用下还会输和安装过程中因刚度不足而产生弯曲,在动力作用下还会引起较大的振动。故在钢结构规范中对拉杆和压杆都规定了引起较大的振动。故在钢结构规范中对拉杆和压杆都规定了容许长细比。其具体规定见表容许长细比。其具体规定见表4 4。压压 杆杆拉拉 杆杆150150承受静力荷承受静力荷载载或或间间接承受接承受动动力荷力荷载载直接承受直接承受动动力荷力荷载载无吊无吊车车或有或有轻轻、中、中级级工作工作制吊制吊车车有重有重级级工作制工作制吊吊车车3503502502502502
19、50 杆件容许长细比杆件容许长细比杆件容许长细比杆件容许长细比 表表表表4 4 2.2.2.2.杆件的截面形式杆件的截面形式杆件的截面形式杆件的截面形式 杆件截面选取的原则杆件截面选取的原则:承载能力高,抗弯强度大,承载能力高,抗弯强度大,便于连接,用料经济通常便于连接,用料经济通常选用角钢和选用角钢和T T型钢型钢截面伸展截面伸展壁厚较薄壁厚较薄外表平整外表平整等稳定性等稳定性设计:设计:对轴心受压杆件,宜使杆件对两个主轴有相近的稳定性,对轴心受压杆件,宜使杆件对两个主轴有相近的稳定性,即可使两方向的长细比接近相等。即可使两方向的长细比接近相等。单轴对称截面绕对称轴屈曲时考虑扭转效应的单轴对
20、称截面绕对称轴屈曲时考虑扭转效应的换算长细比。换算长细比。1 1 1 1)单壁式屋架杆件的截面形式)单壁式屋架杆件的截面形式)单壁式屋架杆件的截面形式)单壁式屋架杆件的截面形式单壁式屋架杆件的常用截面形式单壁式屋架杆件的常用截面形式单壁式屋架杆件的常用截面形式单壁式屋架杆件的常用截面形式T T型钢截面杆件的优点型钢截面杆件的优点:耐腐蚀,经济性好(节省钢:耐腐蚀,经济性好(节省钢材材12%12%15%)15%)。受压弦杆:受压弦杆:有节间荷载时有节间荷载时按等稳原则选择截面形式按等稳原则选择截面形式按等稳原则选择截面形式按等稳原则选择截面形式受拉弦杆:受拉弦杆:支座斜腹杆及竖杆:支座斜腹杆及竖
21、杆:其他腹杆:其他腹杆:连接垂直支撑的竖杆连接垂直支撑的竖杆:垂直支撑传力时竖垂直支撑传力时竖杆不致产生偏心,杆不致产生偏心,方便吊装。方便吊装。2 2 2 2)双壁式屋架杆件的截面形式)双壁式屋架杆件的截面形式)双壁式屋架杆件的截面形式)双壁式屋架杆件的截面形式填板的填板的宽度宽度:一般取:一般取505080mm80mm;填板的填板的长度长度:对:对T T形截面应比角钢肢伸出形截面应比角钢肢伸出151520mm20mm,对十字形,对十字形截面则从角钢肢尖缩进截面则从角钢肢尖缩进101015mm15mm,以便于施焊。,以便于施焊。填板的填板的厚度厚度:与桁架节点板相同。:与桁架节点板相同。填板
22、的填板的间距间距:对压杆:对压杆 ,拉杆,拉杆 。注意注意:在压杆的桁架平面外计算长度范围内,:在压杆的桁架平面外计算长度范围内,至少应设置两块至少应设置两块填板填板。要求:要求:要求:要求:图图11 3 3 3 3)双角钢杆件的填板(垫板)设置)双角钢杆件的填板(垫板)设置)双角钢杆件的填板(垫板)设置)双角钢杆件的填板(垫板)设置填板(垫板)作用填板(垫板)作用:保证两个角钢共同工作。保证两个角钢共同工作。3.3.3.3.杆件的截面选择杆件的截面选择杆件的截面选择杆件的截面选择 一般要求:一般要求:一般要求:一般要求:(1 1)在同一榀屋架中,型钢规格不宜太多,一般不超过)在同一榀屋架中,
23、型钢规格不宜太多,一般不超过5 56 6种。种。(2 2)尽量选用肢宽而薄的型钢,使回转半径较大,这对压)尽量选用肢宽而薄的型钢,使回转半径较大,这对压杆尤为重要。杆尤为重要。(3 3)不得采用肢宽相同而厚度相差等于或小于)不得采用肢宽相同而厚度相差等于或小于 的角的角钢,以免施工时产生混料错误。钢,以免施工时产生混料错误。(4 4)角钢型号不宜小于)角钢型号不宜小于454454或或56364 56364。(5 5)直接支承大型钢筋砼屋面板的上弦杆,其角钢外伸宽)直接支承大型钢筋砼屋面板的上弦杆,其角钢外伸宽度不宜小于度不宜小于 (屋面板跨度(屋面板跨度 时),保证屋面板的支时),保证屋面板的
24、支承长度。承长度。(6 6)计算单面连接的单角钢杆件时,钢材的强度设计值应)计算单面连接的单角钢杆件时,钢材的强度设计值应折减,折减系数见表折减,折减系数见表6 6。钢材强度折减系数钢材强度折减系数钢材强度折减系数钢材强度折减系数 表表表表6 6 6 6 按按轴轴心受力构件心受力构件计计算算强强度和度和连连接接时时0.850.85按按轴轴心受心受压压构件构件计计算算稳稳定定时时等等边边角角钢钢0.6+0.0015 0.6+0.0015 ,但不大于但不大于1.01.0短短边边相相连连的不的不等等边边角角钢钢0.6+0.0015 0.6+0.0015 ,但不大于但不大于1.01.0长边长边相相连连
25、的不的不等等边边角角钢钢0.700.70 (7)(7)对于连接支撑等的螺栓孔在节点对于连接支撑等的螺栓孔在节点板范围内,且距节点板边缘大于板范围内,且距节点板边缘大于100mm100mm时时(图右),计算拉杆强度可不考虑截面(图右),计算拉杆强度可不考虑截面削弱。削弱。设计原则设计原则设计原则设计原则 对对轴心受拉杆件轴心受拉杆件由强度要求计算所需的面积,同时应满足由强度要求计算所需的面积,同时应满足长细比要求。长细比要求。对对轴心受压杆件和压弯构件轴心受压杆件和压弯构件要计算强度、整体稳定、局部要计算强度、整体稳定、局部稳定和长细比。计算方法按钢结构原理教材进行。稳定和长细比。计算方法按钢结
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