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第六章钢桁架与门式刚架目录第一节概述第二节支撑设计第三节桁架设计第四节门式刚架设计第一节概述一、桁架的特点和应用二、平面钢桁架的外形和腹杆体系三、门式刚架的特点和应用四、门式刚架的结构形式五、结构平面布置一、桁架的特点和应用桁架是指由直杆在杆端相互连接而组成的以抗弯为主的格构式结构。桁架中的杆件大多只承受轴向力，材料性能发挥较好，特别适用于跨度或高度较大的结构。桁架在钢结构中应用很广，分为空间桁架和平面桁架两类。空间桁架：网架结构、各种塔架平面桁架：屋架、吊车桁架、水工结构中的钢栈桥、钢桁架引桥、钢闸门中的桁架二、平面钢桁架的外形和腹杆体系影响桁架外形选择的因素：1.满足使用要求；2.受力合理；3.便于制做和安装；4.综合技术经济效果好。常用的平面桁架的外形如图所示。桁架应具有适当的中部高度H和端部高度H0。H取决于运输界限（铁路运输为3.85m）和建筑高度要求的最大限值、刚度要求的最小限值、以及使弦杆和腹杆总用钢量最少的经济高度。简支梯形和平行弦桁架，通常H=（1/6～1/10）L,钢屋架中常用H0=1.8～2.2m。桁架形式三、门式刚架的特点和应用定义:门式刚架是由梁、柱单元构件成的单跨或多跨刚架，具有轻型屋盖和轻型外墙，可以设置起重量不大于300kN的中、轻级工作制桥式吊车或30kN悬挂式起重机的单层房屋钢结构。图示1、门式刚架的特点（1）结构自重轻,基础造价低。（2）外形简洁、美观。（3）对抗震非常有利。（4）建造速度快，装拆方便。2、适用范围门式刚架的适用范围很广，通常用于：跨度9～36m，若有特殊需要，跨度可进一步加大，我国单跨门式刚架的跨度已达到72m；柱距为4.5～12m；柱高为4.5～9m，必要时可适当加大；设有吊车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑(超市、娱乐体育设施、车站候车室、码头建筑)。四、门式刚架的结构形式1．按结构选材分有普通型钢、薄壁型钢和钢管刚架等；2．按跨度分为单跨、双跨或多跨的单、双坡门式刚架。图示3、按截面形式分：有等截面和变截面刚架。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。4、节点横梁与柱为刚接，柱脚多采用铰支。当用于厂房且有吊车时，或水平荷载较大，檐口标高较高或刚度要求较高时，宜将柱脚设计为刚接。5、围护结构屋盖常采用压型钢（铝）板屋面板和Z形冷弯薄壁型钢檩条。外墙宜采用槽形或帽形冷弯薄壁型钢墙梁和双层压型钢板，并在双层压型钢板中间设置玻璃纤维棉等卷材隔热(或保温)层的结构体系。墙梁宜布置在刚架柱的外侧。墙体底部1m高也可采用砌体结构，对保护墙体非常有利，在实际工程中采用较多。板缝宜采用咬合或扣合式方式。支座若采用可滑动式连接件，可解决温度应力问题。五、结构平面布置1、定位轴线及尺寸2、柱网布置3、山墙结构布置4、墙梁布置1、定位轴线及尺寸●刚架边柱的定位轴线取柱外皮；斜梁轴线取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。檐口高度取地坪至房屋外侧檩条上缘的高度；最大高度取地坪至屋盖顶部檩条上缘的高度；宽度取房屋侧墙墙梁外皮之间的距离；长度取两端山墙墙梁外皮之间的距离。2、柱网布置●在满足使用要求和经济要求的前提下确定最佳跨度和柱距。门式刚架房屋钢结构的纵向温度区段长度不大于300m，横向温度区段长度不大于150m。当需要设置伸缩缝时，可在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔并使该处屋面板在构造上允许胀缩；或者设置双柱。3、山墙结构布置山墙结构方案（1）由屋面斜梁、两侧角柱、抗风柱、墙梁和墙板组成的结构体系。优点是角柱有利于纵、横两个方向的墙梁连接，缺点是山墙架结构的横向刚度较差，并且不利于房屋的纵向扩建。（2）用横向框架代替斜梁和角柱。这种结构方案的优点是加强了山墙架结构的横向刚度，特别适用于有桥式吊车的厂房和沿纵向需要扩建的房屋。抗风柱的布置应与屋面横向水平支撑的节点位置相配合。4、墙梁布置墙梁的间距与墙板的承载能力、房屋所在地区的基本风压及房屋的高度等有关，同时在门、窗框上端、窗台、檐口及室内地面处均应设置墙梁第二节支撑设计一、桁架支撑的作用二、桁架支撑的种类和布置三、桁架支撑的计算四、门式刚架支撑设计一、桁架支撑的作用平面桁架在其本身平面内具有较大的刚度，但在垂直于桁架平面方向（桁架平面外）不能保持其几何不变，即使桁架上弦与檩条或屋面等铰接相连桁架仍会侧向倾倒。为了防止桁架侧向倾倒破坏和改善桁架工作性能，对于平面桁架体系，必须设置支撑系统。桁架支撑的作用主要是：（1）保证桁架结构的空间几何稳定性即形状不变。（2）保证桁架结构的空间刚度和空间整体性。桁架上弦和下弦的水平支撑与桁架弦杆组成水平桁架，桁架端部和中部的垂直支撑则与桁架竖杆组成垂直桁架，无论竖向或纵、横向水平荷载，都能通过一定的桁架体系把力传向支座，有足够的刚度和整体性。（3）为桁架弦杆提供必要的侧向支撑点。水平和垂直支撑作为桁架弦杆的侧向支承点，减小弦杆在桁架平面外的计算长度，提高其整体稳定承载力。（4）承受并传递水平荷载。（5）保证结构安装时的稳定且便于安装。二、桁架支撑的种类和布置种类：1、上弦横向水平支撑2、下弦横向水平支撑3、纵向水平支撑4、垂直支撑5、系杆1、上弦横向水平支撑在有檩条或不用檩条而采用大型屋面板（无檩体系)的屋盖中都应设置屋架上弦横向水平支撑，当有天窗架时，天窗架上弦也应设置横向水平支撑。上弦横向水平支撑应设置在房屋的两端或当有横向伸缩缝时在温度缝区段的两端。横向水平支撑的间距L0以不超过60m为宜2、下弦横向水平支撑3、纵向水平支撑当房屋内设有托架，或有较大吨位的重级、中级工作制的桥式吊车，或有壁行吊车，或有锻锤等大型振动设备，以及房屋较高、跨度较大，空间刚度要求高时，均应在屋架下弦端节间设置纵向水平支撑。纵向水平支撑与横向水平支撑形成闭合框，加强了屋盖结构的整体性并提高房屋纵、横向的刚度。4、垂直支撑房屋都应设置垂直支撑。梯形屋架两端都应设置，托架可起垂直支撑作用。垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同一柱间。5、系杆无横向支撑的其它桁架上下弦的侧向稳定性由与横向支撑节点相连的系杆来保证。能承受拉力也能承受压力的系杆，叫刚性系杆；只能承受拉力的，叫柔性系杆。三、桁架支撑的计算当支撑桁架受力较大，或结构按空间工作计算（纵向水平支撑体系需作为柱的弹性支座）时，支撑杆件应按桁架体系计算内力，进行截面设计。有交叉斜腹杆的支撑桁架是超静定体系，一般常用简化方法进行分析。可采用柔性方案设计，腹杆只考虑拉杆参于工作。如图中用虚线表示的一组斜杆因受压而退出工作，此时桁架按单斜杆体系分析。当荷载反向作用时，则认为另一组斜杆退出工作。当斜杆按可以承受压力设计时（刚性方案设计），可按结构力学的方法进行内力分析。四、门式刚架支撑设计1、门式刚架支撑的作用2、支撑结构布置和计算1、门式刚架支撑的作用支撑与相邻两刚架的连接一般采用铰接连接。这些支撑杆件与梁柱杆件的交点可以作为梁柱构件平面外的侧向支承点（如图所示）。门式刚架支撑主要有屋面横向水平支撑及系杆、柱间支撑和水平系杆、隅撑等。屋面横向水平支撑柱间支撑隅撑屋面横向水平支撑屋面横向水平支撑一般设置在框架梁的上翼缘平面。由框架梁的上翼缘作为弦杆，檩条和交叉斜杆作为腹杆而组成的水平桁架，再通过系杆(或檩条)将不设横向水平支撑的框架梁连系起来，使屋盖形成一个整体。作用：能减小框架梁上翼缘的侧向计算长度，提高框架梁的侧向稳定性，并增强屋盖结构的整体刚度及有效地传递由山墙传来的风荷载及屋盖处的地震。柱间支撑隅撑在框架梁下翼缘受压区段内的每根檩条处和框架柱中靠近柱上端内缘翼压应力较大的区段，均应设置隅撑（如图所示）。作用:作为框架梁和框架柱受压翼缘的侧向支承，可提高框架梁、柱的整体稳定性；隅撑加强了檩条的竖向刚度，有利于提高檩条的承载能力；隅撑对加强门式刚架房屋钢结构的空间刚度非常有利。2、支撑结构布置和计算（1）屋面横向水平支撑及系杆（2）柱间支撑和水平系杆（3）隅撑（1）屋面横向水平支撑及系杆房屋（或温度区段）两端应布置，最大间距≤60m。在横向水平支撑的节点处应设通长系杆，其中屋脊和檐口处系杆及当横向支撑布置在房屋两端第二开间时的第一开间系杆均为刚性系杆，其它为柔性系杆。檩条可以代替系杆，但必须满足受力要求，刚性系杆可采用钢管，也可以采用两根槽形截面檩条。计算横向水平支撑的内力时，应考虑由房屋两端抗风柱所传递的纵向风荷载及阻止框架梁失稳而起支撑作用所应承受的内力。横向水平支撑中的交叉杆件，通常采用圆钢，按拉杆设计，通过两端螺帽或中间花兰螺栓使保证其张紧状态。横向水平支撑中的竖杆应按压杆设计。（2）柱间支撑和水平系杆沿纵向布置，最大间距≤60m，当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置。在柱间支撑的节点处，沿纵向柱列应设通长的刚性水平系杆。柱间支撑内力计算时应考虑由横向水平支撑传来的纵向风荷载及为了减小柱的侧向计算长度而起支撑作用所承受的力。当厂房内设置吊车时，还应计入吊车的纵向制动力。柱间支撑的计算简图可按支承于柱脚基础上的悬臂桁架计算。支撑的交叉杆按拉杆设计。水平系杆按压杆设计。为了加强房屋的纵向刚度，柱间交叉支撑有时也可按压杆设计。（3）隅撑在框架梁中，隅撑设置在下翼缘受压的区段内，隅撑与框架梁腹板的夹角不宜小于45°，一般在45°～60°之间。在框架柱中，隅撑一端与框架柱的内翼缘或靠近内翼缘的腹板用螺栓连接，另一端则与墙梁腹板相连，布置数量应根据墙梁位置等具体情况而定，构造与框架梁中的隅撑相同。第三节桁架设计一、桁架的内力计算二、桁架的计算长度三、桁架杆件的截面形式四、杆件截面设计五、桁架的节点设计六、桁架的节点构造和计算七、桁架的施工图一、桁架的内力计算一般情况按铰接桁架进行计算。承受节点荷载时，数解法（节点法或截面法）、图解法或有限元法。有节间荷载作用的桁架，先把节间荷载按该段节间为简支求出支座反力再把支座反力与节点荷载叠加，按只有节点荷载作用计算轴力然后对有节间荷载的杆件计算局部弯矩。进行荷载组合对比，求出杆件的最不利内力。二、桁架的计算长度（一）桁架平面内的计算长度（二）桁架平面外的计算长度（三）斜平面的计算长度（一）桁架平面内的计算长度理想铰接节点桁架杆件在桁架平面内的计算长度lox应等于节点中心间的距离。实际桁架的节点接近于刚接，相邻杆件将约束该杆件端部转动，从而提高其整体稳定承载力。计算l0x时可折减l来考虑杆端的嵌固作用。（二）桁架平面外的计算长度杆件在桁架平面外的计算长度loy应取侧向支承点间的距离。弦杆的侧向支承点应是水平支撑、垂直支撑或相应系杆的连接节点。腹杆与弦杆的连接节点可认为是腹杆的侧向支承点。杆件在桁架平面内和外的计算长度见表。交叉腹杆受压弦杆压杆：与它相交的另一斜杆受拉且二杆皆不中断时，取为0.5l；与它相交另一斜杆受拉，两杆中有一杆中断并以节点板相搭接时取为0.7l；其它情况，如两杆皆受压（此时不宜有杆件中断）时，取为l。拉杆:因为压杆不作为它在平面外的支承点，故为l。受压弦杆侧向支承点间距l1为弦杆节间长度的两倍，弦杆两节间的轴心压力N1N2，用N1验算弦杆平面外稳定时如果计算长度取用l1显然过于保守。平面外的计算长度应为且loy≥0.5l1计算时压力取正号，拉力取负号。（三）斜平面的计算长度当腹杆截面为单角钢或双角钢组成的十字形截面时，受压杆件将绕截面最小回转半经imin的轴发生整体失稳。杆件弯曲方向是在一斜平面内。杆件两端的约束程度介于桁架平面内和平面外之间，杆件的计算长度取为前述lox和loy的平均值，lo=0.9l。三、桁架杆件的截面形式桁架杆件的截面形式应根据用料经济、连接构造简单和具有足够刚度等要求确定。桁架杆件一般是轴心受力杆件，设计时应尽量使其在桁架平面内和平面外的稳定性或长细比相近（λx≈λy），当有M作用时，应适当加大弯矩作用方向的截面高度。钢桁架常采用双角