9桁架及屋盖.

钢结构——原理与设计第9章桁架及屋盖主要内容：桁架的外形、主要尺寸和腹杆体系屋盖的组成及主要平面尺寸屋架的支撑系统屋盖设计的内容和屋架的内力计算桁架杆件的截面形式和节点板厚度桁架杆件的计算长度和容许长细比桁架杆件的截面设计桁架的节点设计和角钢间的填板屋架的施工详图第9章桁架及屋盖9.1桁架的外形、主要尺寸和腹杆体系一、概述桁架主要是由轴心受力构件（拉杆和压杆）组成的格构式扩大构件，用以承受横向荷载和跨越较大的空间；桁架可分为空间桁架和平面桁架；空间桁架有各种塔架、网架等；平面桁架有钢屋架（房屋建筑）、桥梁等；本章主要介绍钢屋架设计。内力分析时必需借助于空间力系的平衡条件空间桁架空间桁架内力分析时必需借助于空间力系的平衡条件平面桁架（简化）工程结构中大部分钢桁架常可按平面桁架考虑。平面桁架的外形可根据不同用途和跨度，以及采用的屋面材料等条件确定；平面桁架是一种格构式受弯构件；平面屋架一般两端简支于钢筋混凝土柱顶，有时也把屋架与柱形成刚接。二.平面桁架的外形及主要尺寸（P394-395）(a)人字腹杆体系屋架(b)芬克（Fink）式屋架(c)扇形腹杆体系屋架(d)梭形屋架(e)梯形屋架(f)多角形屋架(g)人字形屋架(h)平行弦屋架(h)平行弦屋架其中a、b、c为三角形屋架特点：上弦杆短，下弦杆长三角形屋架：受力不均匀，刚度小，坡度大，排水好，用于中、小跨度轻屋面结构；梯形钢屋架：外形与弯矩图较接近，受力好，省材料；平行弦钢屋架：腹杆长度一致，杆件类型少，标准化、工业化程度高，主要用于托架、支撑体系。平面屋架通常两端简支于钢筋混凝土或砌体柱顶。为了增加排架侧向刚度，需将屋架与柱构成刚接，对于三角形屋架就必须设置隅撑（P396）。二、平面桁架的外形及主要尺寸（P395-396）横向支撑柱檩条屋面材料的跨度方向屋架托架n×lL屋架主要尺寸跨度L（名义跨度）：由使用条件和工艺要求确定，一般为3m模数，12、15、18、21、24、27、30、36m等高度：三角形h≈（1/6～1/4）L梯形跨中h≈（1/10～1/6）L端部h0≈（1/16～1/10）L跨度L：两相邻柱列定位轴线间的距离为屋架的名义跨度，屋架左右两支座中心线间的距离为屋架的计算跨度（P397）。屋架的间距l：6m、（9m、12m），约为跨度的1/3-1/5；房屋区段长度nl超过规范规定值时，需设置伸缩缝。屋架上弦节间：据屋面材料定，尽可能使荷载直接作用在屋架节点上。横向支撑柱檩条屋面材料的跨度方向屋架托架n×lL3.平面桁架的腹杆体系（P396）腹杆主要用以联系上、下弦杆构成节点并传递节点荷载，其布置原则应是：提供承受荷载的节点，尽可能使荷载都作用在节点上而使桁架的弦杆都是轴心受力构件；使荷载传递至支座的路线最短，以减少腹杆的总长度和节点数目；对非人字形的腹杆体系，应使长腹杆受拉，短腹杆受压（如图9.3实线）；对人字形腹杆体系，宜使斜腹杆的倾角在35°～55°范围内。1.有檩屋盖（P397）传力路线：屋面荷载-屋面板-檩条-屋架特点：屋面材料轻，整体性、刚度差些，有拉条（甚至斜拉条、撑杆等）、构造较复杂。可用于屋架坡度较大的屋盖。9.2屋盖的组成（P396-397）主要组成：屋架、天窗架（采光通风用）、支撑（水平支撑、垂直支撑等）、檩条、大型屋面板（无檩）。9.2屋盖的组成（P396-397）2.无檩屋盖传力路线：屋面荷载-大型屋面板-屋架（或天窗架）。特点：屋盖刚度大、整体性好、施工方便，但自重大、抗震性能差。可用于屋架坡度较小的屋盖。9.3屋架的支撑系统(P398-340)屋架不设支撑的变形情况几何可变檩条或系杆檩条或系杆系杆或柱顶连系梁屋架屋架侧倾屋架上弦屈曲成一个“半波”屋架端视图屋架上弦平面图9.3屋架的支撑系统屋架设了支撑后的变形情况垂直支撑桁架（几何不变体系）檩条或系杆上弦平面横向支撑屋架上弦屈曲成四个“半波”屋架端视图屋架上弦平面图9.3屋架的支撑系统(P398-340)9.3屋架的支撑系统(P398-340)下弦横向水平支撑下弦纵向水平支撑支撑系统的作用（P399）提高结构整体刚度、发挥结构空间作用；保证结构的几何稳定性及受压构件的侧向稳定；防止构件在动力荷载作用下产生较大的振动；承担和传递房屋所受水平荷载以及保证安装时的稳定和安全。横向支撑(P399-P400图)可分为上弦横向支撑和下弦横向支撑两种，一般设置在第一个柱间内屋架的上弦平面或下弦平面。有以下作用：1.为弦杆提供侧向支承；2.减小弦杆平面外计算长度；3.传递作用在房屋山墙上的纵向水平风荷载。一、屋盖支撑的种类和作用纵向支撑(P402图)设置于上弦平面或下弦平面，沿柱列的各屋架端部节间部位布置。对梯形屋架，纵向支撑常设在下弦平面；对三角形屋架，纵向支撑常设在上弦平面。有以下作用：1.与横向支撑形成一水平刚性盘，增加房屋的整体刚度；2.可减轻水平荷载产生的水平变形；3.当有托架时，可保证托架侧向稳定。垂直支撑(P403图)位于两屋架端部或跨间某处的竖向平面或斜向平面内。1.保持屋架侧向几何稳定性；2.下弦无横向支撑时，作为下弦系杆；3.传递山墙上的纵向风荷载等至屋架支柱；4.保证吊装屋架时的稳定和安全。一、屋盖支撑的种类和作用系杆在横向水平支撑或垂直支撑的节点处，沿房屋纵向通长设置的杆件。作用：加强屋架平面外稳定性。根据其能否抵抗轴心压力而分为刚性系杆和柔性系杆。二、横向支撑布置（P400）上弦平面一般都必须设置横向支撑。下弦为拉杆无稳定性问题。当房屋的跨度和高度较小（例如跨度小于18m）且室内无悬挂吊车时，可不设下弦平面横向支撑。横向支撑一般应设置在房屋两端或温度伸缩缝区段两端的第一个柱间内，且上、下弦平面支撑必须设在相同的两个屋架之间。房屋两端不设屋架时（以山墙承重等），横向支撑应缩进到第二个柱间内。两道横向支撑的间距不宜超过60m。不设横向支撑的其他屋架，其上弦侧向稳定性由系杆来保证。有檩屋架中上弦平面系杆可由檩条兼充，檩条长细比不超过200.三、纵向支撑布置（P401-402）仅当房屋的跨度和高度较大、或房屋为厂房并设有壁行吊车、或有较大振动设备因而对房屋的整体刚度要求较高时设置。纵向支撑通常设在屋架的下弦平面，对三角形屋架也可设在上弦平面。为增加托架的侧向稳定而设置的纵向支撑可只在局部柱间内设置，但需在托架所在柱间两侧各延伸一个柱间（右图）。对于梯形屋架，常设在下弦平面；对于三角形屋架，常设于上弦平面托架四、垂直支撑布置（P401-402）一般都需设置，且与横向支撑设在同一柱间。对跨度L≤30m的梯形屋架，在跨度中点设置。跨度L≤24m的三角形屋架只在跨度中点竖直平面内设置。跨度大于上述情况时，需在跨度中间设置两道垂直支撑。梯形屋架两端不论跨度大小均需设置垂直支撑。≤12mL≤30mL≤24m12mL30mL24m垂直支撑垂直支撑系杆布置屋脊处应设刚性系秆，当跨度较大时，屋架两端的系杆也可考虑为刚性系杆。通常刚性系杆采用双角钢组成的十字截面，柔性系杆采用单角钢。当横向水平支撑设置在第二柱间时，第一柱间均为刚性系杆。9.4屋盖设计的内容和屋架的内力计算（P403）一、屋盖设计的内容结构方案的确定和结构布置：选定屋盖的组成，确定屋架的间距、形式和腹杆体系，布置各种支撑系统等；檩条设计（有檩体系）；屋架的内力分析：屋架荷载的计算、内力分析及内力组合等；屋架杆件截面设计：钢材牌号、杆件截面形式和尺寸的选用，强度和稳定计算等；屋架节点设计：各个节点中的连接计算和构件的拼接等；施工详图的绘制包括材料表的编制。二、屋架的荷载（P403）永久荷载屋面材料、保温层、防水层、吊顶层，檩条、支撑、屋架、天窗架等结构自重。屋架自重按屋面水平投影面积的估算公式为：20.120.011(kN/m)L可变荷载屋面均布活荷载——查荷载规范。雪荷载：(kN／m2)kr0SSS0—为基本雪压；r—屋面积雪分布系数，随屋面的坡度和形式而变化。屋架荷载应根据国家标准《建筑结构荷载规范》计算，规范中所给的是荷载标准值。kzsz03.偶然荷载——如地震荷载等，一般情况下不考虑。可变荷载w0—为基本风压；z—高度为z处的风振系数，钢屋架设计中一般取1.0；z—风压高度变化系数，根据地面粗糙度不同按荷载规范查取。s—风荷载体型系数，随房屋的体型、风向等而变化。风荷载：积灰荷载——与屋面均布活荷载和雪荷载中的较大值同时考虑；其它荷载——指在某些情况下需考虑的荷载。计算假定：所有荷载都作用在节点上；所有杆件都是等截面直杆。各杆轴线均在同一平面内，且都相交于节点；所有节点均为理想铰接；三、屋架节点荷载和屋架杆件中的内力（P405）节点荷载值为:P=qlb轴向力（无节间荷载时）——结构力学方法求解。上弦杆局部弯矩（有节间荷载时）中间节间正、负弯矩:M2=0.6M0端节间正弯矩M1=0.8M0三、屋架节点荷载和屋架杆件中的内力（P405）q—单位面积的荷载设计值；l—屋架间距,单位为m，b—所计算节点左右两节间长度水平投影的平均值三角形屋架1.不论弦杆和腹杆，都是全跨满载时杆件内力最不利；2.屋架的屋面坡度通常小于30度，屋面风荷载一般为吸力，考虑风荷载反而有利，因此通常风荷载不参与内力组合；3.当屋面荷载特轻而风荷载特大时，需要考虑风荷载参与内力组合基于以上第1、2，一般的三角屋架只靠考虑全跨永久荷载+全跨可变荷载(雪荷载和屋面荷载中的较大者)基于以上第3，还应考虑全跨永久荷载+全跨可变荷载(风荷载)梯形屋架满跨荷载时可使得弦杆内力最大，而跨度中间的部分腹杆在受半跨荷载时使其内力最大。需要考虑两种基本组合。风荷载通常不参与组合，理由与三角屋架相同。全跨永久荷载+全跨可变荷载(雪荷载和屋面荷载中的较大者)全跨永久荷载+半跨可变荷载(雪荷载和屋面荷载中的较大者)四、屋架杆件的内力组合（P406）内力分析(图解法)：①施加单位荷载并求支反力②单元编号：外围每个荷载之间编一个号A、B、C…内部每个三角单元编一个号1、2、3…每个荷载及杆件均获编号，如23，DE…③按比例绘制支反力AB，荷载BC、CD…④依次作直线平行于杆件，如：B1、C1（交点为C）12、A2（交点为2）⑤量取线段长度即对应杆件内力大小⑥判别拉压：按单元号至节点号的方向定按顺时针为压(负)，逆时针为拉（正）如12号杆为压，23为拉（上弦均为压，下弦均为拉）⑦将内力标注在屋架轴线图右侧屋盖设计的内容和屋架的内力计算ABCDEFGH12345687910P407例题9.1201.00.450.45/krsskNm（1）荷载标准值(查自建筑结构荷载规范GB50009)1）按屋面水平投影技术的永久荷载标准值石棉瓦自重:0.2/cosa=0.2/0.9285=0.215kN/mm2木丝板自重:0.25/cosa=0.25/0.9285=0.269kN/mm2檩条自重（假设）:0.2kN/mm2屋架及支撑自重:0.12+0.011L=0.12+0.011*24=0.384kN/mm2永久荷载标准值qk=0.215+0.269+0.2+0.384=1.07kN/mm22）雪荷载标准值(屋面水平投影)r取值见P404。根据规范GB50009-2012、P18，取20.5/kskNm220.330.3021.80.6151.0()1.00.40.13/0.130/33.5skkkNmskNm3）风荷载标准值(垂直于受风表面)迎风面221.0()1.00.40.2/0.20.5/0.50.5skkkNmskNm背风面221.21.071.40.51.984/0.71.351.070.71.40.51.935/GkQQkGkQQkqqqkNmqqqkNm（2）节点荷载和节间荷载的设计值对三角形屋架，只需考虑