钢结构课程设计指导书Word下载.docx
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跨度、跨数、柱距。
首先取决于生产工艺要求。
另外，从结构方面考虑，柱网布置时应把柱子布置在同一横向轴线上，以便与屋架组成横向框架，保证横向刚度。
从经济方面考虑，柱距和跨度的变化对用钢量影响较大，一般要进行方案比较（柱子、屋盖结构及吊车梁系统总用钢量），确定最经济柱距和跨度。
国内外厂房的跨度和柱距都有逐渐增大的趋势（将柱距15米做为经济柱距）。
从构件统一化、标准化考虑，跨度一般以3米，柱距一般以6米为模数。
2．温度缝
温度应力
温度区段长度的概念：
不动点到温度区段端部距离的两倍。
温度缝处的结构处理
3．屋盖结构布置
●无檩方案和有檩方案
构造
结构特点
施工特点
缺点
无檩布置方案
屋架上直接设置大型屋面板
刚度大，整体性好
构造简单，施工速度快
自重大；
对抗震不利
有檩布置方案
屋架上设置檩条，檩条上再铺设轻型屋面材料
横向整体刚度较差，自重轻，用料省
运输安装均较轻便
构件数量多，构造复杂，吊装次数多
无檩方案多用于对刚度要求较高的中型以上厂房，有檩方案则多用于刚度要求不高的中、小型房屋。
最终确定屋盖的布置方案还要综合考虑厂房规模、受力特点，使用要求、材料供应及运输、安装等条件而定。
●常用屋面材料
为减小承重结构的截面尺寸、节约钢材。
除个别有特殊要求者外，首先应采用轻型屋面。
轻型屋面的材料宜采用轻质高强，耐火、防火、保温和隔热性能好，构造简单，施工方便，并能工业化生产的建筑材料。
如压型钢板、瓦楞铁和各种石棉水泥瓦。
我国曾采用过的几种屋面材料有
Ø
粘土瓦或水泥平瓦。
0.55kN/m2。
适应性强，可用于一些地方性工程。
木质纤维波形瓦。
0.08kN/m2。
轻质高强，耐久性差。
石棉水泥波形瓦。
0.2kN/m2。
国内外广泛采用的传统型材料。
脆性大，吸水后龟裂变形。
加筋石棉水泥中波瓦。
加一层φ1.4钢丝网，增加了抗折强度。
压型钢板。
0.07kN/m2～0.14kN/m2。
用镀锌钢板、冷轧钢板、彩色钢板作原料，经辊压冷弯成各种波形的压型板。
轻质高强、美观耐用、施工简便、抗震防火等特点。
加工和安装已做到标准化、工厂化、装配化。
已形成系列化产品，各项设计和使用指标可根据厂家提供的产品规格选用。
分长尺和短尺两种。
夹芯板。
0.12kN/m2～0.25kN/m2保温隔热与面板一次成型双层压型钢板。
芯材可采用聚氨酯、聚苯或岩棉。
板长不超过12m。
钢丝网水泥波形瓦。
0.4kN/m2～0.5kN/m2。
10mm×
10mm钢丝网和425水泥砂浆振动成型的。
瓦厚平均15mm。
瓦型类似石棉水泥大波瓦。
为提高瓦强度和抗裂性，由六波改为现在的四波和三波。
预应力槽瓦。
0.85kN/m2～1.0kN/m2。
构造简单，施工方便，能长线叠层生产。
GRC板（GlassFiberReinforcedCement）。
玻璃纤维增强的水泥制品。
GRC复合夹芯板。
加气混凝土层面板。
0.75~1.0kN/m2。
承重、保温和构造合一的轻质多孔板材。
发泡水泥复合板（太空板）。
0.6kN/m2～0.72kN/m2应用逐年增多，还编制了国家标准专用构件图集02ZG710。
品种丰富。
上铺0.1kN/m2的SBS改性沥青防水卷材，可承受1.0~5.0kN/m2的外荷载设计值。
混凝土屋面板。
柱距6m的工业厂房中一般采用1.5×
6.0m的预应力混凝土大型屋面板（本身重1.4kN/m2）。
混凝土屋面板需另设找平和隔热层，加上铺小石子的油毡防水层，重量为2.5~3kN/m2。
屋面自重大。
但应用历史久，适应性强。
塑料瓦、瓦楞铁。
前者较柔，易老化，多用于临时建筑。
后者锈蚀严重。
1.5厂房结构的支撑体系（参见教材及参考书资料）
在厂房设计时，必须将厂房结构组成一个具有足够强度、刚度和稳定性的空间整体结构。
在设计时因为按平面结构考虑，因此解决纵向的稳定和传力问题，可靠而又经济合理的方法是在平面框架之间有效地设置支撑。
厂房支撑体系主要有屋盖支撑和柱间支撑两部分。
下面介绍各类支撑的作用和布置方法。
一、屋盖支撑
1．屋盖支撑的作用
屋盖支撑体系由上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑及系杆，这些支撑都设置在屋架之间，以保证钢屋盖结构在施工和使用期间正常而又安全的工作。
屋盖支撑具有下列作用：
（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的稳定。
（3）承受并传递屋盖的纵向水平力。
（4）增加房屋的整体刚度，起到空间工作的作用。
（a）上弦支撑布置（b）下弦支撑布置
1.屋架2.上弦横向水平支撑3.下弦横向水平支撑4.垂直支撑5.刚性系杆6.柔性系杆
2．屋盖支撑布置
屋盖支撑根据房屋跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式及荷载作用等情况进行布置。
（1）有檩体系和无檩体系均应在屋架上弦和天窗上弦平面内设置横向水平支撑。
一般设在房屋两端。
（2）当屋架跨度较大或下弦有明显受力或传力作用时，应设下弦横向水平支撑。
并与上弦横向水平支撑设置在同一柱间。
以便组成稳定的空间结构体系。
（3）纵向水平支撑一般在有吊车或有托架和中间屋架时设置。
（4）凡是有横向支撑的柱间都要沿房屋的纵向设置垂直支撑。
沿跨度方向设置几道垂直支撑要根据屋架形式和跨度而定。
（5）凡是未设置横向支撑的屋架或天窗架，均应在屋架上弦横向水平支撑的某些节点或垂直支撑处，沿房屋的纵向通长地设置系杆。
系杆有刚性系杆和柔性系杆之分。
二、柱间支撑
1．柱间支撑的作用
（1）保证厂房的纵向刚度
（2）承受厂房的纵向力
（3）为框架柱在框架平面外提供可靠的支撑
2．柱间支撑的设置
分上柱支撑和下柱支撑。
一般设置在温度区段的中部。
1.6钢屋盖的主要承重构件
钢屋盖的主要承重构件包括：
钢屋架、托架、天窗架、檩条、屋面板等。
我们本次课程设计重点介绍钢屋架的设计。
2钢屋架设计
2.1钢屋架的受力特点及类型
1．钢屋架主要承受横向荷载，从整体上通过弯曲的受力方式把屋面荷载传递给下部结构。
但由于结构材料构成特点及连接方式、荷载作用方式决定了，每个屋架杆件实际上只承受轴心力的作用。
与实腹梁相比能更为充分地利用材料。
因此屋架具有经济、能跨越更大跨度及可制作成各种形式等优点。
2．按能承受荷载的大小、适用跨度、杆件截面的组成及构造特点可将屋架区分为普通角钢屋架（普通钢屋架）、钢管屋架和轻钢屋架等三类：
2.2钢屋架的外形，腹杆布置及尺寸（参见教材及参考书资料）
（1）基本原则
使用要求——排水，有檩陡1/5~1/2，无檩缓1/12~1/8
经济——与弯矩图相一致，内力均匀，腹杆长杆受拉，短杆受压
制造安装简便——节点数少，便于分段制作、运输及现场安装
（2）常用的外形
外形轮廓：
三角形、梯形和平行弦等
腹杆布置形式：
芬克式，人字形、单斜式
（3）屋架的主要尺寸
跨度：
标志跨度l（厂房跨度）、计算跨度l0——支座反力间距l0=l-构造尺寸（300）
高度：
跨中最大高度h（经济、刚度、建筑及运输界限3.85）
根据屋架形式和设计经验确定端高h0：
1.8~2.1米
h=h0+1/2×
l0×
i
刚度要求屋架高度可在下列范围内采用：
梯形屋架h=（1/10~1/6）×
l，三角形屋架h=（1/6~1/4）×
l
起拱：
跨度较大时，挠度过大将影响外观，可考虑起拱。
l/500
2.3荷载统计及内力计算
1．荷载统计
永久荷载（恒荷载）：
屋面构造层、屋架支撑、吊顶的自重
屋架及支撑自重的荷载可按下面的经验公式估算：
kN/m2，l—为屋架标志跨度，以米计。
可变荷载（活荷载）：
使用荷载、风荷载、雪荷载
确定各个节点上的荷载——按负荷面积的方法确定。
P=γqk×
a×
s
荷载设计值＝荷载标准值×
荷载分项系数
2．内力计算
考虑主要因素，忽略次要因素。
按理想静定铰支桁架确定内力。
结构力学内容。
数解法，图解法，查表法
为应用方便，求出杆力系数。
即单位荷载作用在屋架半跨和全跨时的杆力系数。
3．荷载组合得到最不利内力
将所有可能的荷载组合下的杆件内力计算出来，找出最不利内力。
使用阶段：
全跨恒荷载＋半跨活荷载
全跨恒荷载＋全跨活荷载
施工阶段：
全跨屋架支撑自重＋半跨屋面板重＋半跨施工荷载重
2.4钢屋架的杆件设计（参见教材及参考书资料）
1．杆件的计算长度和容许长细比
计算构件的稳定及验算轴向受力构件刚度时，需要确定构件的计算长度。
前面已提到屋架内力按理想铰接桁架考虑，即每个节点处按理想铰考虑，于是理论上屋架杆件为两端简支的轴向受力杆件，因此杆件计算长度为节点中心之间的距离。
考虑到实际构造与理想铰还是有一定差距，有弹性嵌固的效应，相当于减小了杆件的计算长度，对压杆工作是有利的。
各种杆件计算长度
杆件种类
受压弦杆
下弦
其他腹杆
支座竖杆
端斜杆
计算长度
平面内
0.8l
平面外
侧向固定点间距离
侧向支承点间距离
2
≥2
1.25
1
其他一些不常见的杆件，如再分式腹杆、十字形截面腹杆、交叉腹杆等可参考有关规定。
各种桁架杆件的刚度要求，由容许长细比限制，参见规范规定。
2．屋架杆件的截面形式和选择
（1）截面形式
考虑经济、连接方便及必要的刚度等方面的要求，普通钢屋架一般选用双角钢组成的T形截面、或十字形截面。
两各角钢在节点处都与节点板连接。
考虑到压杆的承载力由稳定条件控制，因此对压杆来说选用沿两个主轴等稳定的截面形式将是最经济的。
即
，
钢屋架常用杆件截面形式
项次
截面类型
截面形式
回转半径
之比ix/iy
应用部位
两不等边角钢短肢相连
2LB×
b×
d
2.0~2.5
屋架上、下弦
两不等边角钢长肢相连
2LB×
0.8~1.0
受节间荷载的上下弦
3
两等边角钢相连
2Lb×
1.3~1.5
腹杆、下弦杆
4
两等边角钢组成十字形截面
1.0
中央及端竖杆
5
单角钢
-
小型三角形屋架的下弦或腹杆
汇交与节点的各杆通过节点板相连，因此节点板上受力复杂，不作计算，其厚度根据屋架形式、杆件最小内力及节点的部位等因素查表得到。
最小厚度为6mm。
节点板厚度选用表
腹杆最大杆力（梯）或弦杆端节间杆力（三角）kN
节点板钢号
Q235
≤150
160~250
260~400
410~550
560~750
Q345
≤200
210~300
310~450
460~600
610~800
中间节点板厚度
mm
6
8
10
12
14
支座节点板厚度
16
（2）截面选择
每根杆件的内力、计算长度、截面形式已知了，就可以按照轴心受力构件（只受节点荷载）或偏心受力构件（受节间荷载）选择截面尺寸。
选择截面时，宜选用肢宽而薄的角钢。
跨度较小时（≤24m），上下弦可采用不变截面，当跨度较大时为节省钢材，可根据内力大小，在适当节间处改变弦杆截面，这时为简化拼装构造，一般保持厚度不变而改变肢宽。
由连接安装等构造要求，钢屋架杆件不宜选用小于L45×
4或L56×
36×
4的截面。
为便于钢材备料，同一屋架所用的角钢规格应尽量统一，一般以不超过5～6种为宜。
初选角钢规格过多时，应予调整。
为避免制造时混用弄错，不要选择肢宽相同而厚度相差小于2mm的角钢。
需用螺栓与支撑和系杆连接的角钢，肢宽应符合下表所示要求。
需用螺栓与支撑连接的角钢最小肢宽
连接螺栓直径
孔径d0（mm）
最小肢宽（mm）
17.5
63
18
19.5
70
20
21.5
75
当采用大型屋面板时，上限角钢伸出肢宽不宜小于70mm；
采用12m长的大型屋面板时，角钢肢宽不宜小于90mm，厚度不小于下表规定。
直接承受大型屋面板的上弦角钢厚度（mm）
每块屋面板荷载kN
30
40
55
100
关于垫板的设置：
为使两个角钢组成的T型截面或十字形截面能共同工作，在角钢相并肢间应每隔一定距离设置一块垫板，并与角钢焊住。
垫板宽度视角钢大小取50～80mm，高度比角钢肢宽大（T型截面）20～30mm，小（十字形截面）20～30mm。
垫板厚度应与节点板厚度相同，垫板间距离40i（压杆，400～500mm）或80i（拉杆）。
垫板不宜设于两支点的正中间，因该处的剪力正好为零，垫板不起作用。
两侧向支承点间垫板不应少于两块。
（3）截面验算
选取完截面尺寸后，对杆件的强度、稳定、刚度进行验算。
2.5钢屋架的节点设计（参见教材及参考书资料）
普通钢屋架中，通常采用节点板把汇交的各杆连接在一起，各杆内力通过各自与节点板的焊缝传到节点板上取得平衡。
（1）一般要求
为避免偏心，各杆的重心线应在节点上汇交于一点。
考虑到制造方便一般取角钢肢背至重心线的距离为5mm的模数
为便于施焊和避免焊缝过于密集导致材料变脆，节点上的腹杆与弦杆或腹杆与腹杆之间焊缝的净距不宜小于10mm，因此通过控制节点上腹杆与弦杆或腹杆与腹杆端缘间的空隙C≥15～20mm来保证。
节点板通常伸出弦杆角钢肢背10～15mm，以便施焊。
在有檩屋架中，由于上弦杆水平肢上要安放槽钢檩条，节点板要缩进肢背5～10mm，以塞焊相连。
角钢切割时宜采用垂直杆轴的直切。
当为减小节点板尺寸腹杆弦杆角钢也可采用斜切，但不允许将肢背全部切掉。
节点板的形状和尺寸根据所连杆件及所需连接焊缝长度确定。
为节约钢材和减少切割工作量，节点板的形状应力求规整，如矩形、平行四边形及直角梯形等，一般至少要有两条边平行。
节点板外形还应尽量考虑传力均匀，不得有凹角。
对于只连一根腹杆的节点板，从强度方面考虑，角度α不应小于15°
，并避免弦杆焊缝偏心受力。
（2）典型节点的设计（计算与构造，参见教材及参考书资料）
节点设计包括确定节点构造，计算焊缝及确定节点板的形状和尺寸，应结合屋架施工图绘制进行。
（a）无节点荷载的下弦节点
各腹杆与节点板的连接角焊缝按各腹杆的杆力计算，用于确定节点板尺寸。
是一个角钢与节点板之间的焊缝总长度，按比例分配于肢尖和肢背。
弦杆与节点板的连接角焊缝，验算长度是否够。
弦杆角钢连续通过节点时，弦杆的大部分轴力由角钢直接传递，角钢与节点板的焊缝只承受两节间的杆力差△N=N1-N2，所需焊缝长度仍按上式计算。
通常△N很小，按构造均能满足。
（b）有集中荷载的上弦节点
●无檩设计屋架上弦节点
腹杆与节点板连接焊缝长度计算，同前。
即可确定出节点板尺寸。
弦杆与节点板的连接角焊缝
由于上弦坡度很小，集中力P对上弦杆与节点板间焊缝的偏心一般很小，可认为该焊缝只承受集中力与杆力差的作用。
在△N作用下，角钢肢背与节点板间焊缝所受的剪应力为：
在P力作用下，上弦与节点板间的四条焊缝平均受力，其正应力：
肢背处焊缝受力最危险，在正应力和剪应力作用下，应满足下式：
●有檩设计屋架上弦节点
有檩体系屋架坡度较大，节点集中荷载P相对于上弦焊缝有较大的偏心e，因此弦杆与节点板焊缝除受△N和P作用外，还受偏心弯矩P·
e作用。
考虑到角钢肢背处与节点板的塞焊缝不易保证质量，可采用如下近似方法验算焊缝。
假定塞焊缝均匀地只承受P力作用，△N和偏心弯矩均由角钢肢尖与节点板间的焊缝承担。
塞焊缝应满足：
其中，
，t为节点板的厚度。
肢尖焊缝承受的力有，杆力差：
△N=N1-N2，偏心弯矩：
M＝P·
e+△Ne’
△N在焊缝中产生的平均剪应力为：
M在焊缝中产生的正应力为：
受力最大的点的应力应满足：
（c）弦杆的拼接节点
屋架弦杆的拼接有两种：
工厂拼接和工地拼接。
工厂拼接是为了型钢接长而设的杆件接头，宜设在杆力较小的节间。
工地拼接是由于运输条件限制而设的安装接头，通常设在节点处。
弦杆一般用拼接角钢拼接。
拼接角钢的作用是传递弦杆的内力和保证弦杆在拼接节点处具有足够的刚度。
拼接时，通过安装螺栓定位和夹紧所连接的弦杆，以利安装焊缝施焊。
拼接角钢一般采用与被连弦杆相同的截面。
为了保证能与弦杆角钢密贴，需将连接角钢的棱角铲去，为了施焊方便和保证连接焊缝的质量，还需将拼接角钢的竖直肢切去Δ＝t＋hf＋5mm。
这一过程称为“削棱切肢”。
削棱切肢对截面的削弱一般不超过角钢面积的15％。
如果截面削弱超过了受拉下弦截面的15%，宜采用比受拉弦杆厚一级的连接角钢，以免过大增加节点板的负担。
为了减少应力集中，如弦杆肢宽在130mm以上时，应将连接角钢肢斜切。
根据节点构造需要，连接角钢需要弯成某一角度时，一般热弯即可，如需弯较大角度时，则采用先切肢后冷弯对焊的方法。
弦杆与拼接角钢连接焊缝的计算，拼接角钢的长度即由所需焊缝长度确定。
弦杆和拼接角钢的连接焊缝要能传递被连接弦杆的最大杆力，认为杆力平均分配给连接角钢肢尖的四条焊缝，因此，每条焊缝所需的长度为：
由此，拼接角钢的长度应为：
L=2lw1+10mm，其中10mm是空隙尺寸。
考虑到拼接节点刚度，L应不小于40～60cm，跨度大的屋架取大值。
●下弦拼接节点
弦杆与节点板的连接焊缝。
对于受拉的下弦杆，截面由强度计算确定，面积的削弱势必降低连接角钢的承载力，这部分降低的承载力则由节点板来承受，所以下弦杆与节点板的连接焊缝应按下式验算：
●上弦拼接节点
对于受压的上弦杆，截面由稳定承载力决定，连接角钢面积的削弱一般不会降低接头的承载力，因此在上弦拼接接头处上弦杆与节点板的焊缝可根据传递竖向集中力P计算即可，而在脊节点处则按竖向合力计算。
此处连接焊缝的长度为：
上弦水平力则由连接角钢本身承受。
（d）支座节点
重点介绍支承于钢筋混凝土柱或砖柱上的简支屋架支座节点。
支座节点的构造包括节点板、加劲肋、支座底板及锚栓等几部分。
加劲肋的作用是：
加强支座底板的刚度，以能较为均匀地传递支座反力；
增强支座节点的侧向刚度。
加劲肋要设在支座节点中心处，使其轴线与支座反力作用线重合。
为便于施焊，屋架下弦杆和支座底板间应留有一定距离h，h不小于下弦水平肢的宽度，也不小于130mm。
柱顶一般预埋锚栓，直径20～25mm，为便于安装就位，底板上的锚栓孔径一般为锚栓直径的2～2.5倍，可开圆孔或开椭圆孔，安装就位后，将垫板套住锚栓并与底板焊连以固定屋架，垫圈孔径稍大于锚栓直径。
支座节点的传力路线是：
屋架杆件的内力通过连接焊缝传给节点板，然后经由节点板和加劲肋传给底板，最后传给柱子。
沿着这个传力路线，所有力经过的板件和焊缝都要经过计算。
因此，支座节点的计算包括底板计算、加劲肋及其焊缝计算与底板焊缝计算三部分，计算原理同轴压柱柱脚计算相同。
底板计算
支座底板所需净面积为：
净面积为刨除锚栓孔面积，所以底板所需的毛面积为：
采用正方形底板时边长为：
。
也可采用矩形底板尺寸。
一般按支座反力所得底板面积均较小。
考虑到开孔等构造要求，通常要求底板的短边尺寸不得小于200mm。
底板厚度按下式计算：
M按两直角支承板时单位板宽的板计算所得。
计算出的底板厚度可能不大，为使柱顶压力较均匀地分布，底板不宜过薄，对普通钢屋架不得小于14mm。
加劲肋计算
加劲肋高度由节点板尺寸确定。
三角形屋架支座节点的加劲肋应紧靠上弦水平肢并焊连。
加劲肋厚度取与节点板相同。
加劲肋与节点板间的垂直焊缝可近似按传递支座反力的四分之一计算。
焊缝为偏心受力，每块肋板两条垂直焊缝承受内力为：
底板焊缝计算
节点板、加劲肋与底板的水平焊缝可按均匀传递支座反力计算。
考虑到节点板与底板间的水平焊缝连续通过，加劲肋应切角。
计算焊缝计算长度时，应减掉切角部分。
2.6钢屋架施工图绘制
选定了屋架杆件截面，设计了主要节点（屋架跨中上、下弦杆拼接节点和支座节点）及计算了腹杆杆端所需焊缝长度
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