建筑钢结构设计第一章(二)

§1.4屋盖结构一、屋盖结构形式1.屋盖结构体系a.无檩屋盖：一般用于预应力混凝土大型屋面板等重型屋面，将屋面板直接放在屋架或天窗架上。优点：屋面横向刚度大，整体性好，耐久性高；缺点：自重大，抗震不利。无檩屋盖b.有檩屋盖常用于轻型屋面材料。有檩屋盖优点：自重轻，用料省，安装方便；缺点：构件多，构造较复杂。二、屋架形式确定屋架形式的原则：1.满足使用要求屋架外形应与屋面材料的排水要求相适应。2.满足经济要求屋架外形应尽量和弯矩图接近，使上下弦杆内力沿跨度方向分布较均匀，腹杆受力较小；腹杆的布置宜使短杆受压，长杆受拉；荷载布置在节点上，减少弦杆局部受弯。3.满足制造、安装和运输要求构造简单，杆件夹角30°～60°；杆件与节点数量少；分段制造，便于运输与安装；（1）三角形屋架按腹杆布置方式不同有：芬克式：拉杆长、压杆短，受力合理人字式：杆件数量少，节点数量少，受压杆较长，但抗震性能优于芬克式屋架，适用于跨度小于18m的屋架。单斜式：杆件数量少，节点数量少，受压杆较长，但抗震性能优于芬克式屋架，适用于跨度小于18m的屋架。人字式屋架单斜式屋架特点：外形和弯矩图不相适应，弦杆内力分布不均匀，近支座处内力大，近跨中处小，横向刚度小。上下弦交角小，端节点构造复杂。可将上弦或下弦改变为折线形或陡坡梯形，以改善受力和节点构造。适用范围：跨度小，坡度大、采用轻型屋面材料的有檩体系。（2）梯形屋架按腹杆布置方式不同有：人字式：腹杆总长度短，节点少。下承式：支座斜杆与弦杆组成的支撑点在下弦；上承式：支座斜杆与弦杆组成的支撑点在上弦；上承式下承式再分式：避免非节点荷载；单斜式：多数腹杆受压，杆件数量多，总长大，应用少。特点：外形和弯矩图比较接近，弦杆内力沿跨度分布较均匀，用料经济，应用广泛。适用范围：屋面坡度平缓且跨度较大时的无檩屋盖结构。屋架高度：梯形屋架：中部高度一般为（1/10～1/8）L；a.与柱刚接的梯形屋架，端部高度一般为（1/16～1/12）L，通常取为2.0～2.5m。b.与柱铰接的梯形屋架，端部高度可按跨中经济高度和上弦坡度决定。屋架与柱刚接（3）人字形屋架（4）平行弦桁架：托架、吊车制动桁架、栈桥和支撑构件等。三、屋盖支撑1.设置支撑系统的必要性平面屋架在屋架平面外的刚度和稳定性很差，不能承受水平荷载。因此，为使屋架结构有足够的空间刚度和稳定性，必须在屋架间设置支撑系统。檩条屋面板组成上弦横向水平支撑下弦横向水平支撑纵向水平支撑垂直支撑系杆未设支撑体系设置支撑体系屋架的端视图，当在屋架端部两屋架间未设垂直支撑桁架时，虽有檩条和系杆的连系，屋架相互间仍是几何可变的，在侧向力作用下屋架会倾斜；仅当设了垂直支撑桁架和系杆，才能保持各个屋架在平面外的几何稳定性。2.支撑的作用1）保证钢屋盖的空间稳定性2）保证屋架受压上弦杆在屋架平面外稳定3）承受并传递屋架的纵向水平力4）增加房屋的整体刚度5）保证结构安装时的稳定与方便3.支撑的布置屋盖支撑系统做法（见下图所示）：在屋盖两端的两榀相邻平面屋架对应的上弦杆间、下弦杆间、端部竖杆(或斜杆)间、以及跨中某些竖杆(或斜杆）间，用水平、垂直和倾斜方向的支撑杆件互相联系。1－111222－2上弦平面下弦平面其它的屋架则用较少数量的上、下弦系杆与上述空间桁架架结构体系相连，使整个屋盖成为具有足够空间几何不变性、稳定性和刚度的屋盖结构体系。4.支撑的组成a.上弦横向水平支撑无论有檩和无檩体系均应在屋架上弦平面内设置横向水平支撑。一般设置房屋两端或温度缝区段两端的第一柱间，当山墙采用封闭结合或与天窗配合，宜设在第二柱间。支撑与屋架用普通螺栓连接。支撑间距≤60m，＞60m时应在区段中间增加上弦横向水平支撑。11－122－2b.下弦横向水平支撑当屋架跨度＞18m或屋架跨度虽＜18m，但屋架下弦设有悬挂吊车；或厂房内设有桥式吊车或采用下弦弯折的屋架以及山墙抗风柱支承于屋架下弦时；必须设下弦横向水平支撑。与上弦横向水平支撑布置同一柱间。下弦平面c.纵向水平支撑一般房屋的屋盖不设纵向水平支撑：当房屋设有托架时，必须在托架范围及其此端各廷伸一个柱间的下弦端节间平面内设置下弦纵向水平支撑。虚线为柔性杆；实线为刚性杆纵向水平支撑设置情况：屋架间距＜12m，通常布置在屋架的下弦平面内。屋架间距≥12m，宜布置在屋架的上弦平面内。其他特殊情况，可布置在上弦平面内。纵向水平支撑与横向水平支撑构造上相同，共同组成封闭的支撑体系。大大加强了屋盖的纵、横向水平刚度和整体性。具体设置情况:1.有硬钩吊车，抓斗、夹钳式和刚性料耙等特种吊车。2.设有壁行吊车或双层吊车。3.设有5t以上锻锤的厂房。4.屋盖设有托架和中间屋架。5.屋架跨度=30m,轨顶标高=15m起重吨位较大的桥式吊车（轻、中级工作制Q=30t，重级工作制Q=10t)。d.垂直支撑垂直支撑即在相邻两榀桁架的对应竖杆(或斜杆)间平面内设置的作为支撑的垂直桁架。通常情况下，当梯形屋架跨度l≤30m时在两端和跨度中央共设三道。当l＞30m时在两端以及跨度l／3处或天窗架侧柱处共设四道。l/3l/3l/3L≤30mL＞30m三角形屋架跨度l≤18m时在跨度中央设一道，l＞18m时在跨度1／3处或天窗架侧柱处设两道。垂直支撑的上、下弦通常用双角钢T形截面。l/3l/3l/3垂直支撑垂直支撑的腹杆体系取决于高跨尺寸和比例：跨中垂直支撑的高跨比例约0.5，常用双节间交叉受拉斜腹杆体系；两端垂直支撑的高跨比例约0.3，常用W形腹杆体系、腹杆截面根据杆件长度和受力情况(拉或压)而采用单角钢或双角钢T形截面。垂直支撑形式e.天窗架支撑当屋盖有天窗架时，对天窗架也应与屋架一样布置天窗架上弦横向水平支撑和垂直支撑以及相应系杆。垂直支撑通常设于相邻两榀天窗架的侧柱间平面内，天窗架跨度≥12m时还设于中央竖杆间平面内。d—天窗架上弦横向水平支撑;g—天窗架垂直支撑；f.系杆未设水平支撑的桁架，其上、下弦的侧向支承点由系杆来保证。系杆通常设于屋架两端以及有垂直支撑位置的上、下弦节点，并设于屋脊和天窗架侧柱位置的上弦节点。f—柔性系杆K—刚性系杆系杆构造：系杆按受力和构造要求可设计成柔性系杆或刚性系杆。一般跨度房屋的系杆受力很小，柔性系杆的设计可按[λ]＝350，400控制，常用单角钢截面；刚性系杆的设计可按[λ]=200控制，常用双角钢十形截面。两端与屋架可靠连固的檩条，当其长细比满足要求时，可同时作为上弦系杆。当横向支撑做在端部第二开间时，端部开间的所有系杆在正反水平荷裁下可能受拉或受压，应按刚性系杆设计。其它系杆，即位于两个横向支撑间的系杆，原则上可设计成柔性系杆，水平荷载只向系杆受拉一方传递；但通常把其中的屋脊上弦系杆、支座下弦系扦和其它较重要系杆设计成刚性系杆。5.支撑的连接示意图上、下弦横向和纵向水平支撑的交叉斜杆通常连于屋架上、下弦杆，其横杆则常做成与刚性系杆完全相同，连接也相同。a.上弦支撑b.下弦支撑柔性系杆刚性系杆系杆连接示意图柔性系杆刚性系杆支撑连接板支撑连接示意图6.支撑的计算和构造1）屋架支撑为平行弦桁架，其弦杆可兼作支撑桁架的弦杆，斜腹杆一般采用十字交叉式，与弦杆的交角在30o～60o之间。通常横向水平支撑节点间的距离为屋架上弦节间距离的2～4倍，纵向水平支撑的宽度取屋架端节间的长度，一般为6m左右。2）支撑中的交叉斜杆以及柔性系杆按拉杆设计，通常用单角钢做成；非交叉斜杆、弦杆、横杆以及刚性系杆按压杆设计，宜采用双角钢做成的T形截面或十字形截面，其中横杆和刚性系杆常用十字形截面使在两个方向具有等稳定性。3）屋盖支撑受力较小，截面尺寸一般由杆件容许长细比和构造要求决定。四、简支屋架设计（一）屋架主要尺寸1.屋架跨度;铰接、封闭结合—Lo=L-(300～400mm)铰接、非封闭结合—L2.屋架高度;a.三角形桁架高度较大，一般取跨中高度h=(1/4～1/6)L。b.梯形桁架的屋面坡度较平坦，当上弦坡度为1/8～1/12时，跨中高度一般为(1/6～1/10)L。梯形桁架的端部高度：当桁架与柱铰接时为1.6～2.2m，刚接时为1.8～2.4m。（二）屋架的荷载和内力1.荷载恒荷载：屋架(包括支撑)自重、屋面恒荷载(檩条等重量）；活荷载；雪荷载；风荷载和积灰荷载等。a.恒荷载屋面恒荷载—应按屋面实际做法和屋面板、檩条规格等与《建筑结构荷载规范》或由材料规格、厚度算得。屋架(包括支撑)自重—屋架自重的一半作用在上弦平面，另一半作用在下弦平面。当屋架下弦无其它荷载时，为简化可假定全部作用在上弦平面。b.活荷载：按国家规范取值；c.雪荷载：按国家规范取值；d.风荷载和积灰荷载等：按国家规范取值。2.荷载简化—各种均布荷载汇集成节点荷载的计算式为：aSiqiQ3.荷载组合桁架内力应根据使用和施工过程中可能遇到的同时作用的最不利荷载组合情况进行计算。不利荷载组合一般考虑下列三种情况：(1)全跨永久荷载+全跨可变荷载；(2)全跨永久荷载+半跨可变荷载；(3)全跨屋架、支撑和天窗自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载；4.内力计算1）基本假定(1)各杆件的轴线均居于同一平面内且相交于节点中心；(2)各节点均视为铰接，忽略实际节点产生的次应力；(3)荷载均作用于桁架平面内的节点上，因此各杆只受轴向力作用。对作用于节间处的荷载需按比例分配到相近的左、右节点上，但计算上弦杆时，应考虑局部弯曲影响。计算内力系数（三）屋架杆件的计算长度1.桁架平面内的计算长度Loxa.弦杆、支座竖杆、支座斜杆：本身线刚度大，但两端节点嵌固程度较低，视为两端铰接杆件。Lox=Lb.其他腹杆：两端或一端嵌固程度较大，视为弹性嵌固。Lox=0.8L2.桁架平面外的计算长度Loy取决于弦杆侧向支承点间距离。上弦杆：无檩屋盖—考虑大型屋面板一定的支撑作用，故一般取两块屋面板的宽度，但≤3.0m。有檩屋盖—檩条与支撑点交叉不连接时：；檩条与支撑点交叉连接时：。下弦杆：取纵向水平支撑节点与系杆或系杆与系杆之间的距离；腹杆：由于节点在平面外刚度很小，对杆件嵌固作用较小，故腹杆两端视为铰接，则。3.斜平面单面连接的单角钢和双角钢组成的十字形杆件腹杆，受力后有可能1lloy2/1lloylloy斜向失稳，由于两端节点有一定的嵌固作用，故斜平面计算长度略作折减(支座斜杆和支座竖杆除外），。4.变内力压杆若桁架受压弦杆侧向支承点间的距离为两倍节间长度，且两节间弦杆内力不等时，该弦杆在桁架平面外的计算长度按下式计算（但应＞0.5L1)：式中：N1—较大的压力，计算时取正值；N2—较小的压力or拉力，计算时压力取正值，拉力取负值。)25.075.0(1210NNlllloy9.0（4-1）桁架再分式腹杆体系的受压主斜杆及K形腹杆体系的竖杆等，在桁架平面外的计算长度也应按公式（4-1）确定（受拉主斜杆仍取L1）；桁架平面内的计算长度则取节点中心间距离。4.交叉腹杆计算长度平面内的计算长度：节点中心到交叉点间的距离；平面外的计算长度：a.拉杆设计时，取节点中心间的距离（交叉点不作为节点考虑）；b.压杆设计时：1）相交另一杆受压，两杆截面相同并在交叉点均不中断，则：)1(2100NNll2）相交另一杆受压，此另一杆在交叉点中断但以节点板搭接，则：3）相交另一杆受拉，两杆截面相同并在交叉点均不中断，则：4）相交另一杆受拉，此拉杆在交叉点中断但以节点板搭接，则：式中：L为桁架中心间距离（交叉点不作为节点考虑），N为所计算杆件内力，N0为相交另一杆的内力，均为绝对值。两杆均受压时，取N0≤N，两杆截面均相同。)121020NNlllNNll5.0)431(2100lNNll5.043100（四）杆件的截面形式)(yzyx杆件面选取的原则：承载能力高，抗弯强度大，便于连接，用料经济通常选用角钢和T型钢截面伸展壁厚较薄外表平整等强设计：压杆对截面主轴具有相等或接近的稳定性。yz单轴对称截面绕对称轴屈曲时考虑扭转效应的换算长细比。杆件的截面形式角钢杆件截面形式受压弦杆：yyyxxxyxxyililll0