钢桁架构件

§21钢桁架构件§21.1钢桁架构造及其联结系一．钢桁架梁桥的组成1.钢桁架简支梁桥的组成二、联结系的构造（图21－2，21－3，21－4）1、纵向联结系承受各种横向荷载，由主桁架的弦杆及其间的水平腹杆组成；三角形体系菱形体系，交叉式体系和K式体系，上、下部纵向水平联结系,主桁架：上下弦杆和腹杆，节点板桥面系：纵横梁桥道梁支撑桥面板上下水平的桁架纵向联结系联结系：横向联结系2、横向联结系设在桥跨结构的横向平面内端横联，桥门架，中横联交叉式、三角式、菱形体系§21.2钢桁架构件截面形式一、构件的种类及使用场合1.分类基本构件受力特点：轴心受拉构件，轴心受压构件，偏心受拉构件、偏心受压构件连接方法：焊接构件、铆接构件和螺栓连接构件结构型式：实腹式构件和空格式组合构件2.应用广泛，桁架和屋架的弦杆和腹杆，塔架，平台支架的柱子，各种钢结构的支撑杆二、截面型式及尺寸1、截面型式：可用钢板和型钢组合成各种型式，P398，图21-5，常见的几种截面型式及回转半径a)T形截面（铆合）b)焊接I字形截面受力不太大的受拉构件c)十字形（铆合）受力较小的拉杆和压杆d)H形（铆接）e)H形（焊接）f)箱形（铆接）g)箱形（焊接）h.i和j组合式截面受力较大的拉压杆b,d～g实腹构件a,c和h～j组合选择时，考虑满足强度和刚度要求，便于连接另外便于施工及日后的油漆、养护、检测，定型化减少种类，互换2.尺寸外廓尺寸，外形高度和宽度。钢桥，宽度一致，便于节点板的连接钢板厚≥8mm(次梁构件，缀条，填板除外)≥10mm（主梁节点板，焊接板厚）填板≥4mm角钢≥100×100×10纵横梁间的连接角钢≥75×75×8主梁行车系，联结系，加劲角钢及隔板中的角钢≥45×45×5缀条角钢三、组合构件1.组合构件：一般是用缀条或缀板将各个分肢连成整体构件，使各肢能够共同工作，并可适当调整两肢间的距离，以满足两个主轴方向的稳定性要求2.缀条的布置：单格式和双格式21-6可由扁钢或角钢组成设端缀板3.缀板：设置在分肢翼缘两侧平面内4.双肢翼缘15cm的空隙，便于油漆养护5.在杆件端部和箱内每隔3m以内设置横隔板§21.3轴心受拉构件一、构件的截面选择尺寸的选择取决于强度和刚度条件，一般由强度确定:初估：净截面全截面积由Am,考虑连接，可确定截面型式和尺寸(1.10~1.15)mjAA二、强度验算1.铆钉或螺栓：截面尺寸及型式确定后，经过铆钉或螺栓的设计计算，考虑铆钉或螺栓孔的削弱，可得实际An:强度验算公式：式中：[σ]—钢材基本容许应力，动荷时σ[σn]An—净截面积[]nNA2.摩擦型高强螺栓强度验算公式：全截面验算公式mN[]A'n[]NA三、刚度验算过分细长，易弯曲变形，振颤，降低寿命，不直接计算，由重要性，是否动荷载，影响程序，限制拉杆的长细比。公式：式中：loxloy,—构件对主轴x轴y轴的计算长度;i—杆件全截面的回转半径－计算长细比[λ]—容许长细比附表4-7受拉主桁弦杆[λ]=130；腹杆，[λ]=180，各联结系的受拉构件[λ]=200其它详见《公桥规》§21.4轴心受压构件一、轴心受压构件的承载能力基本计算公式：式中：N计算轴向力，Am构件的毛截面积，φ1纵向弯曲系数，按λ从附表4－9中查得；λ=lo/r，r为截面回转半径,取各方向中的最小值lo,构件的自由长度，根据各种构件的具体情况确定，见附表4-81mNA上式，可理解为构件总体稳定的验算式，而在钢筋砼和砖石结构中理解为强度计算式，二者理解上有何差别？理想的轴压构件不存在，存在初始偏心距α、初弯曲和残余应力，加载：N→N+Nαα→α+f又N+N（α+f）N越大，N（α+f）越大当初始偏心距为某一α时：如图21-11N小,f小，N→Nu，f迅速↑A是最高点,对应的外力为NL钢筋砼结构学中，NL理解为极限承载力强度计算公式。钢结构中，从稳定理论中的压溃理论出发，Nu为压杆的压溃荷载。此理论认为：曲线的BA是上升段，杆件稳定平衡，如某点受干扰变形，除去干扰后，变形小，回复，稳定的表现，AD段是下降段，不稳定平衡状态，干扰变形大，只能减少N，才能平衡，否则破坏，这种经不起干扰的平衡，是不稳定的表现。压溃荷载既代表杆件的最大承载力，又是稳定向不稳定平衡的分界。故不稳定是一种极限状态。为不出现此状态,以NL为标准，除以K，确定压杆的容许应力，合理。基于以上认识，钢结构中将公式理解为总体稳定的验算式二、受压构件的局部稳定1.钢压杆，通常系由若干较薄的钢板和型钢组成，在轴心压力作用下，有可能在压杆丧失总体稳定以前，压杆中某一薄而宽的板件在压力达到一定值时，不能再继续保持平面状态的平衡而发生局部翘曲，构件的部分板件发生翘曲的这种现象，叫做压杆丧失局部稳定后果降低承载力，提前破坏，应防止。2.公式设计压杆时要求压杆各板件的临界应力值均不小于整个杆件丧失总体稳定时的临界应力值方便设计，对H形和箱形截面，进行局部稳定试验，直接确定受压构件的单板或板束的宽度与其厚度δ的最大比值。只要压杆板件的宽厚比不超过容许的比值，可保证局部稳定，公式：ll'[]bbtt式中：b和t—板件的宽度和厚度[b/t]—容许的板件宽厚比，其规定见附表4-10三、刚度验算1.为什么必须验算刚度意外的外力弯曲变形，如自重→挠曲，活载→颤振，偶然碰撞→弯曲变形导致临界应力减小，过早失去稳定性，对压杆的刚度要求比拉杆更高。2.公式压杆的长细比应不超过容许最大长细比λ≤[λ]式中：[λ]—容许最大长细比：附表4-7规定如下：主桁架的受压弦杆和受压或压一拉腹杆100联结的受压或受压一拉构件130组合压杆的单斜杆式缀条180板拱和柱构件100四、截面设计步骤1.设计任务或目的：自由长度lo，轴心压力N和钢材标号，确定构件的截面型式和尺寸2.设计步骤：由总体稳定性和刚度，宜选外廓尺寸大，厚度小的钢板或型钢，i大，λ小由局稳，宜选厚而窄的，减小宽厚比。大多由总体稳定控制，少量长的由刚度控制。设计时可首先根据总体稳定性的要求来选择截面的型式和尺寸，然后验算其局部稳定性和刚度。设计法Am和φ1未知，先假定λ→φ1→Am试选截面，进反复验算修正。具体步骤：（1）据结构物的要求选定构件的截面型式并根据构件的重要性假定一λ,上弦杆λ=60～80，腹杆λ=80～100（2）由λ查附表4-9查得φ1，Am=N/φ1[σ]（3）由λ和lo值，求i=lo/λ（4）按选定的型式和i，拟定h和b即h=ix/αlb=iy/α2见P398图21－5（5）据Am,b×h选配截面，注意型钢钢板应符合产品规格，H、I型截面腹板不宜过薄，见《公桥规》规定铆接H形：腹板厚≥0.4×翼缘板厚焊接H形：腹板厚≥0.5×翼缘板厚（翼厚≥24mm）腹板厚≥0.6×翼缘板厚（翼厚≤24mm）（6）按选定的构件截面尺寸计算Am，及验算构件的总体稳定性、局部稳定性和刚度。如满足（允许误差±5%）则合适，否则重新验算，直至满足要求。例21-2：有一钢桁架的上弦杆，承受N=4170kN，l=8m，焊接H形截面，钢筋采用Q345钢，容许最大长细比[λ]=100。该桁架的横向联系间距等于桁架节间长度lo，试设计该弦杆。解：1.初选截面尺寸设选用钢板厚度在17～25mm之间，由附表4-1，[σ]=200MPa，假定λ=60，查附表4-9得φ1=0.705，则32141701029574.47[]0.705100mreqNAmm由附表4-8，lox=loy=800cm所需截面回转半径：由图21-5e：则：选翼板宽度：h=540mm80013360oxyliimm0.24,0.43xyinib13.313.3554,3090.240.43hmmbmm则翼板厚度（由附表4-10）：，即：取24mm，由《公桥规》，腹板厚：，取1.2cm。∴腹板宽：取320mm33/12bt54022.521224fhtmm0.52412wtmm229574.7254024304.512mwwAhtbmmt0.20.26012初定：翼板2-540×24mm，腹板2-320×120mm实际：如图21-13：22540243201229760mAmm2.总体稳定验算由图知：由附表4-9，查得，则yxII3384112245406.298610126xfIthmm8min46.298610145.52976010xxmIiimmAmax800055145.5oxli10.74414170000189.4[]2000.74297.610mNMPaMPaA满足总体稳定性。3.局部稳定性验算翼板：由附表4-10可知，翼缘构件的宽厚比不能超过12和0.2λ=0.2*55=11，可见翼缘板局部稳定性满足要求腹板：故稳定540125560,11224ffbt3205550,26.70.5532.54512wwbt或4.刚度验算：刚度满足要求。55[]100§21.5组合式受压构件（略，不做讲授）§21.6实腹式拉弯及压弯构件一、拉弯构件1.计算公式：①静力：式中：N—验算截面的计算轴心拉力或轴心压力M—验算截面的计算弯矩A—验算截面的构件净截面面积[][]wnNMAW或W—验算截面的构件净截面模量，可按照截面重心轴进行计算[σ]或[σw]—当；②受拉并在一个主平面内受弯曲或与所相当的拉弯构件承受动荷载，其疲劳强度的验算公式：式中：[σn]—结构构件的疲劳容许应力，应根据的变化范围决定ρ值，再用《公桥规》,[]NMAW时取,[]wNMAW当取[]nnnNMAWnnNMAW公式算出[σn]值。③稳定性不需要验算④刚度要求与轴拉构件相同例21－4有一焊接H形截面的抗弯构件，宽度b=460mm(图21-23)。构件与节点板采用高强度螺栓连接（孔径d0=23mm）。已知构件两个方向的计算长度lox=8.8m,loy=11.0m。钢材为Q345钢，承受N1=850kN（拉力），N=140kN（拉力），相应的弯矩My1=84kN.m,My2=6.9kN.m。试进行构件截面设计。解：1）初步确定构件截面尺寸：（1）确定疲劳容许应力[σn]应力循环特征系数由附表4-4及附表4-3可得到：（2）初选截面尺寸：所需净截面积为：所需毛截面积为：选用截面为腹板：1-436×10；翼缘板：2-260×12minmax1400.165850NN165165[]183[]20010.610.60.165nMPaMPa32max850104645[]183nnNAmm21.155342nAAmm截面布置和尺寸见图21-24实际的毛截面面积：22260124361010600Amm每块翼缘板上布置4排高强螺栓，故实际净截面面积为2）截面几何特性计算：毛截面惯性矩：2106004231228392nAmm362121226035.21012xlmm635.21057.610600xImm22641104362260122306382.21012yImm6382.210189.910600yImm26664242312224382.210110.810271.410nyyIImm净截面3）强度验算：净截面的受拉边缘应力：3611168501084.010230172.478392271.410nnNMMPaAW362226140106.91023022.53839227