大工10秋《钢结构》辅导资料十七.docx

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大工10秋《钢结构》辅导资料十七

钢结构辅导资料十七

主题：

第七章屋盖结构

第一节钢屋盖系统

第二节桁架的形式及尺寸

第三节屋盖支撑

第四节桁架的荷载和内力计算

学习时间：

2011年2月7日－2月13日

内容：

本章的学习要求及需要掌握的重点内容如下：

1、了解钢屋盖系统；

2、熟悉桁架的形式及尺寸；

3、熟悉屋盖支撑；

4、掌握桁架的荷载和内力计算；

基本概念：

钢屋盖结构的组成体系与钢屋架形式，支撑体系及其作用，钢桁架结构的荷载。

知识点：

钢屋盖支撑体系；钢桁架结构的荷载与杆件内力计算。

本周内容共包含两大部分：

第一部分是知识点讲解，第二部分是本周练习题，包含了本周学习的知识点，题型以考试题型为主。

第一部分本周主要内容讲解及补充

一、钢屋盖系统

钢屋盖结构由屋面、屋架和支撑三部分组成。

钢屋盖结构可分为两类：

一类为有檩屋盖，是指在屋架上放置檩条，檩条上再铺设石棉瓦、瓦楞铁皮、钢丝网水泥槽形板、压型钢板等轻型屋面材料；另一类称无檩屋盖，是指在屋架上直接放置钢筋混凝土大型屋面板，屋面荷载由大型屋面板直接传给屋架。

有檩屋盖重量轻、用料省、运输安装方便，但构件数量多、构造复杂、吊装次数多，屋盖横向刚度较差。

有檩屋盖的屋架间距为檩条跨度，屋架经济间距为4～6m。

无檩屋盖，构件数量少、安装简便、施工速度快，易于铺设保暖层，屋盖横向刚度大、整体性好，但由于自重大使下部结构用料增多，且对抗震不利。

无檩屋盖方案的屋架间距为大型屋面板的跨度，一般为6m或6m的倍数。

屋架的跨度和间距需结合柱网布置确定。

当柱距较大时，可采用在柱间设置托梁和中间屋架，或采用格构式檩条的布置方案。

屋盖结构设计，通常包括屋盖结构布置，屋架形式的选择，支撑布置，屋盖荷载计算，屋架各杆内力计算，屋架杆件截面选择，檩条、拉条和撑杆的计算，节点设计以及绘制施工图。

钢屋架的形式和尺寸

屋架是由各种直杆相互连接组成的一种平面桁架；在横向节点荷载作用下，各杆件产生轴：

心压力或轴心拉力，因而杆件截面应力分布均匀，材料利用充分，具有用钢量小、自重轻、刚度大、便于加工成形和应用广泛的特点。

屋架按外形可分为三角形屋架、梯形屋架及平行弦屋架三种形式。

屋架的选型应符合以下原则：

第一、满足使用要求，主要是排水坡度、建筑净空、天窗、天棚以及悬挂吊车的需要。

第二、受力合理。

应使屋架的外形与弯矩图相近，杆件受力均匀；短杆受压、长杆受拉；荷载布置在节点上，以减少弦杆局部弯矩，屋架中部有足够高度，以满足刚度要求。

第三、便于施工。

屋架的杆件和节点宜减少数量和品种、构造简单、尺寸划一、夹角在30°～60°之间。

跨度和高度避免超宽、超高。

设计时应全面分析、具体处理，从而确定具体的合理形式。

屋架的形式：

a）、b）、d）三角形屋架；e）、f）、g）、h）梯形屋架；c）下撑式屋架；i）平行弦屋架

屋架的形式

1、三角形屋架

三角形屋架（上图a、b、d）适用于屋面坡度较陡的有檩屋盖结构。

坡度i=1／2-1／6；上、下弦交角小，端节点构造复杂；外形与弯矩图差别大，受力不均匀，横向刚度低，只适用于中、小跨度轻屋面结构。

三角形屋架的腹杆布置可有芬克式、单斜式、人字式三种。

芬克式屋架受力合理、便于运输，多被采用；单斜式屋架只适用于下弦设置天棚的屋架，较少采用；人字式屋架只适用于跨度小于18m的屋架。

2、梯形屋架

梯形屋架（上图e、f、s、h）适用于屋面坡度平缓的无檩屋盖结构。

坡度i<1／3，且跨度较大时多采用梯形屋架。

梯形屋架外形与弯矩图接近，弦杆受力均匀；腹杆多采用人字式，当端斜杆与弦杆组成的支承点在下弦时称为下承式，多用于刚接支承节点；反之，为上承式。

梯形屋架上弦节间长度应与屋面板的尺寸配合，使荷载作用于节点上，当上弦节间太长时，应采用再分式腹杆。

3、平行弦屋架

当屋架的上、下弦杆相平行时，称为平行弦屋架（上图i）。

多用于单坡屋盖和双坡屋盖，或用作托架、支撑体系。

腹杆多为人字形或交叉式。

平行弦屋架的同类杆件长度一致、节点类型少，符合工业化制造要求，有较好的效果。

二、桁架的形式及尺寸

1、桁架的应用

桁架是指由直杆在端部相互连接而组成的格子式结构。

桁架中的杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力，截面上应力分布均匀，因而节省材料，结构的自重小，且易于构成各种外形以适应不同用途。

桁架是一种应用及其广泛的结构，除了经常用于屋架结构外，还用于皮带运输机桥、输电线塔架、桥梁等。

在工业与民用房屋建筑中，当跨度比较大时用梁作屋盖的承重结构是不经济的，这时都要用桁架。

这种用于屋盖承重结构的梁式桁架叫屋架。

此外，拱架、网架也都能用作屋盖的承重结构。

2、桁架的外形及腹杆形式

桁架的外形直接受其用途的影响，就屋架来说，外形一般分为三角形、梯形及平行弦三种。

桁架的腹杆形式常用的有人字式、芬克式、豪氏式、再分式及交叉式五种。

3、确定桁架形式的原则

桁架外形与腹杆形式的选择，应经过下述几个方面的综合考虑来确定。

（1）满足使用要求

对屋架而言，上弦的坡度应适合防水材料的需要。

此外，屋架在端部与柱是简支还是刚接，房屋内部净空有何要求，有无吊顶，有无悬挂吊车，有无天窗及天窗形式及建筑造型的需要等，也都影响屋架外形的确定。

三角形屋架上弦坡度比较陡，坡度一般在1/2～1/3。

适应于轻型屋面材料，如石棉瓦、瓦楞铁皮等。

三角形屋架端部尺寸较小，一般与柱间形成铰接，也可通过加偶撑与柱形成刚接。

梯形屋架上弦较平坦，适合于采用大型钢筋混凝土屋面板（常为1.5×6m）、板上敷设油毡防水材料，坡度一般在1/8～1/12。

当采用长压型钢板顺坡铺设屋面时，其坡度最缓可用到i=1/20甚至更小。

梯形屋架的端部可以做成足够的高度，因而既可铰支于柱也可以通过两个结点与柱相连形成刚接框架。

平行弦屋架可以做成不同大小的坡度，其端部可以铰接或刚接，并能用于单坡屋盖和双坡屋盖。

近年来许多国家在工业厂房中多采用平行弦双坡屋架，我国宝钢初轧厂的屋架如图所示。

这种屋架的杆件尺寸及结点划一，制作简便，且制作时不必起拱。

对于斜置的皮带运输机的桁架，通常跨度不特别大，一般采用平行弦桁架，腹杆体系采用带竖杆的人字式或豪氏式。

（2）受力合理

为了节省材料，需作到受力合理。

对于弦杆而言，应使各节间弦杆的内力相差不太大，这样可使得用一根通长的弦杆时不致造成过大的浪费。

简支梯形屋架与均布荷载下的弯矩图接近，各处弦杆内力差别较小；三角形屋架及平行弦式屋架其内力差别要大一些。

对于腹杆来说，应该使长杆受拉，短杆受压，数量宜少且腹杆总长度应小。

芬克式腹杆屋架中虽然腹杆数量多，但长杆受拉短杆受压，受力合理且可拆分便于运输；人字型腹杆，数量少，总长度也较小，下弦结点少，因之减少了制造工作量。

在梯形和平行弦屋架中，用单斜式腹杆时使长杆受拉短杆受压，受力合理，但腹杆数量、结点数量较人字式多。

在三角形屋架中，单斜式腹杆使长杆受压，受力不尽合理，且数量较多。

当房屋需吊顶时采用该腹杆体系，这样可以获得较小的下弦节间以便于安装。

再分式腹杆虽然增加了腹杆数量和结点数量，但可使上弦节间尺寸减小，并可与（1.5×6m）大型屋面板一起使用，以便屋架只承受节点荷载作用，因此再分式屋架应用也非常广泛。

交叉式腹杆主要用于可能从不同方向受力的支撑体系。

塔架是主要承受水平荷载作用的桁架。

根据受力情况，通常其外形做成棱锥形。

当塔架高度不大时，一般采用直线棱锥形，高度较大时，采用折线棱锥形。

腹杆体系采用交叉式以适应荷载方向的不同。

（3）制造简单及运输与安装方便。

从制造简单来看，应该是杆件数量少、节点少、杆件尺寸划一及节点构造形式划一。

平行弦桁架最容易符合上述要求。

就腹杆体系而言，芬克式屋架便于运输，人字式和单斜式腹杆相比，腹杆数目少，节点也少，有利于制造。

（4）综合技术经济效果好。

在确定桁架形式和主要尺寸时，除考虑上述三个方面的因素外，还应考虑诸如跨度的大小、荷载的情况、材料供应的条件、建设速度的要求等，以期获得较好的综合技术经济效果。

在满足上述原则的基础上，根据具体条件，桁架形式可以采取多种变化。

图所示三角形屋架的变化形式，能够克服原三角形屋架支座节点构造上的一些困难，且屋架重心降低，从而提高了屋架的空间稳定性。

图平行弦双坡屋架，下弦中部取水平段后，可以改善屋架的受力条件。

4、桁架主要尺寸的确定

桁架的主要尺寸是指它的跨度L和高度H（包括梯形屋架的端部高度

）。

跨度L，对屋架来说由使用和工艺方面的要求决定。

屋架的高度则由经济条件、刚度条件（屋架的挠度限值为L/500）、运输界限（铁路运输界限高度为3.85米）及屋面坡度等因素来决定。

根据上述原则，各种屋架中部高度H常在下述范围：

三角形屋架H=（1/4—1/6）L；梯形屋架H=（1/6—1/10）L，但当屋架跨度大时要注意尽可能不超出运输界限。

梯形屋架的端部高度

与中部高度相关联。

当为多跨屋架时，

应取一致，以利屋面构造。

我国常将

取为（1.8—2.1）米等较整齐的数值。

当屋架与柱刚接时，应取足够的大小，以便能较好地传递支座弯矩而不使端部弦杆产生过大内力。

端部高度的常用范围是

三、屋盖支撑

屋盖支撑的作用

1、保证屋盖结构的几何稳定性

在屋盖结构中屋架是主要承重构件。

各个屋架仅用檩条或大型屋面板来联系时，屋盖结构属几何可变体系，在荷载作用下或者甚至在安装时，各屋架就会向一侧倾倒。

当用支撑体系合理连接时，才能组成几何不变体系的屋盖结构。

首先用支撑将两个相邻的屋架组成空间稳定体，然后用檩条或大型屋面板以及上下弦平面内的一些系杆将其余各屋架与空间稳定体连接起来，以形成几何不变的屋盖结构体系。

空间稳定体（图中的

与

之间）是由相邻两屋架和它们之间的上弦横向水平支撑，下弦横向水平支撑以及两端和跨中竖直面内的垂直支撑所组成的，它们形成一个六面的盒式体系。

对于三角形屋架，只在跨中设置垂直支撑。

2、保证屋盖的刚度和空间整体性

横向水平支撑是一个水平放置（或接近水平放置）的桁架，桁架两端的支座是柱或垂直支撑，桁架高度常为6m（柱距方向），在屋面平面内具有很大的抗弯刚度。

在山墙风荷载或者在吊车纵向刹车力作用下，可以保证屋盖结构不产生过大的变形。

下弦纵向水平支撑提供的抗弯刚度能使各框架协同工作形成空间整体性，减小横向水平荷载作用下的变形。

由屋面系统及各类支撑、系杆所组成的屋盖结构，在各个方向都具有一定的刚度，并保持空间整体性。

3、为弦杆提供适当的侧向支承点

支撑可作为弦杆的侧向支承点，减小弦杆在屋架平面外的计算长度，保证受压的上弦杆的侧向稳定，并使受拉下弦保持足够的侧向刚度。

4、承担并传递水平荷载（如风载、悬挂吊车水平荷载和地震荷载）。

5、保证结构安装时的稳定与方便。

屋盖支撑的布置

1、上弦水平支撑

在有檩条（有檩体系）或不用檩条而只采用大型屋面板（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。

在能保证每块大型屋面板与屋架的三个焊点的焊接质量时，大型屋面板在屋架上弦平面内形成刚度很大的盘体，此时可不设上弦横向水平支撑。

但考虑到工地焊接的施工条件不易保证焊点质量，所以一般仅考虑大型屋面板起系杆的作用。

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的两端。

一般设在第一柱间或设在第二柱间。

横向水平支撑的间距

以不超过60m为宜，所以在一个温度区段（为120m、180m或220m）的中间还要布置一或几道。

2、下弦横向水平支撑

一般情况下应该设置下弦横向水平支撑。

当跨度较小（L≤18m），且没有悬挂式吊车，或虽有悬挂式吊车但起重吨位不大，厂房内也没有较大的振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。

下弦横向水平支撑与上弦横向水平支撑设在同一柱间，以形成空间稳定体。

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（三角形屋架可在下弦或上弦）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能提高房屋纵、横向的刚度。

4、垂直支撑

所有房屋中均应设置垂直支撑。

梯形屋架在跨度

，三角形屋架在跨度

时，仅在跨度中央设置一道，当跨度大于上述数值时宜在跨度1/3附近或天窗架侧柱处设置两道。

梯形屋架不分跨度大小，其两端还应各设一道，当有托架时则由托架代替。

垂直支撑本身是一个平行弦桁架，根据尺寸的不同，一般可设计成图的形式。

5、系杆

没有参与组成空间稳定体的屋架，其上下弦的侧向支承点由系杆来充当，系杆的另一端最终连接于垂直支撑或上下弦横向水平支撑的节点上。

能承受拉力也能承受压力的系杆，截面要大一些，叫刚性系杆；只能承受拉力的，截面可以小些，叫柔性系杆。

上弦平面内，大型屋面板的肋可起系杆的作用，此时一般只在屋脊及两端设系杆，当采用檩条时，檩条可代替系杆。

有天窗时，屋脊节点的系杆对于保证屋架的稳定有重要意义，因为屋架在天窗范围内没有屋面板或檩条。

下弦平面内，在跨中或跨中附近设置一或两道系杆，此外，在两端设置系杆。

系杆的布置原则是：

在垂直支撑平面内一般设置上下弦系杆；屋脊节点及主要支撑节点处需设置刚性系杆，天窗侧柱及下弦跨中附近设置柔性系杆；当屋架横向支撑设在端部第二柱间时，则第一柱间所有均应为刚性系杆。

四、桁架的荷载和内力计算

桁架的荷载计算

1、桁架的荷载

设计桁架时需首先计算桁架上的荷载并由此计算各杆件的内力。

下面以屋架为例说明。

对于其他桁架，荷载作用方式和计算方法类似。

作用于屋架上的荷载有：

屋架自重、屋面恒荷载（檩条、屋面板、瓦以及屋面上的保温层、防水层等重量）、活荷载、雪荷载、风荷载等。

有的房屋还有吊顶（棚）重、吊挂管道重、积灰荷载等。

以上荷载可看作是均布于屋面倾斜面积或水平投影面积上的荷载，以kN/m2计，其值可由《建筑荷载规范》或手册查得，或按材料的厚度或规格算得。

计算杆件内力时应按荷载标准值乘以相应分项系数（恒载取1.2，活荷载取1.4）计算。

①屋面恒荷载

②屋架自重

通常假定屋架自重的一半作用在上弦平面，另一半作用在下弦平面。

但当屋架下弦无其他荷载时，为简化可全部假定作用在上平面。

③雪荷载或屋面活荷载

当屋面积雪不均匀时，对某些杆件的内力不利，设计时，通常考虑全跨、或仅左或右半跨积雪的情况。

设计屋架时屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，取其中较大者。

④风荷载

屋面坡度≤300时通常是各面都受风吸引力，只在坡度＞300或有天窗时个别迎风面受风压力。

对恒载较大的屋面结构，风荷载的影响较小，一般可不考虑。

对轻屋面结构，则要考虑风吸引力对结构的影响。

2、桁架的节点荷载的计算

桁架上的荷载通常是集中或均布作用于上弦或下弦的荷载，应按实际传力情况考虑。

当荷载通过檩条、大型屋面板边肋或梁格系以集中荷载形式作用于上弦或下弦时，集中荷载作用情况如图。

当檩条或梁间距或大型屋面板板宽与弦杆节间长度一致时，每个集中荷载F1正好也是该节点的节点荷载。

计算节点荷载值时通常可按各传力点的中线（即按桁架间距和节间的中线，如图阴影线范围）划分荷载范围。

对端部节点或节间尺寸不同的节点，由于荷载面积的不同，代入式所得节点荷载值也将不同。

3、桁架的荷载组合

设计桁架时，不同的荷载组合将对各杆件产生不同的内力，因此应分析每根杆件各种可能的恒荷载和活荷载组合情况，以计算其最不利内力，取其一组或几组作为该杆的设计内力。

桁架杆件多数为轴心受力，故设计内力应取其最大拉力或压力；当杆件同时承受弯矩时，还应考虑最大正或负弯矩和相应轴心力的组合。

承受一般荷载的屋架，通常考虑下列三种可能发生的荷载组合：

①组合一：

全跨恒荷载和活（雪）荷载；

②组合二：

全跨恒荷载+左或右半跨活（雪）荷载；

③组合三：

全跨屋架和支撑重+左或右半跨檩条、屋面板和活（雪）荷载。

组合三是针对通常的屋架安装方法和步骤而规定的，即屋架安装完毕后从其一侧顺次吊装檩条屋面板并在其上作用施工活荷载。

对于某些屋架（主要是某些三角形屋架），荷载组合还应考虑向左或向右风荷载或没有风荷载的内力。

桁架中绝大多数杆件在左半跨或右半跨荷载下引起同号（拉或压）内力，全跨都有荷载时叠加内力更大，故只需考虑第一组合。

只对很少数左、右半跨荷载引起异号内力的杆件（主要是梯形或平行弦桁架中靠近跨中的某些腹杆）才考虑第二、三组合。

三角形屋架一般全部杆件没有异号内力，不考虑第二、三组合。

4、桁架的内力计算

①杆件内力计算的原则和方法

桁架节点一般为焊缝、铆钉或螺栓连接，具有很大的刚性，接近于刚接，各杆件既受轴心力又受弯矩。

但是，普通钢桁架中各杆件截面高度一般都小于其长度的1/15（对腹杆）和1/10（对弦杆），抗弯刚度较小；因而在节点荷载作用下按刚接桁架算得的杆件弯矩M常较小，而轴心力N与铰接桁架计算结果相差很小，故一般都按节点荷载铰接桁架计算。

即假定杆件只承受轴向力，不承受弯矩。

计算方法有图解法、节点或截面数解法、有限元位移计算机法等。

由于存在弯应力，按刚接桁架计算的杆件应力将比铰接桁架有所增加，加大部分称为次应力。

对于少数荷载较重桁架，当杆件截面高度超过其长度的1/10时，次应力常可达主应力的10%～30%。

必要时可作计算。

②有节间荷载时的杆件内力计算

当桁架的某些杆件承受节间荷载时，桁架杆件将既受轴心力又受节间荷载引起的弯矩，普通钢桁架中通常可按下列简化方法计算：

杆件轴心力N：

把各节间荷载按简支梁关系分配到该节间的两端作为两个节点集中荷载；或者也可按桁架间距和节间中线划分荷载范围的方法求桁架的各节点荷载。

然后按铰接桁架计算各杆件的轴心力。

杆件弯矩M：

把有间荷载的杆件按连续梁或其它近似假设计算其弯矩。

设计钢桁架时应尽量避免节间荷载，使杆件只受轴心力而无弯矩，则截面大为节省。

③内力系数法计算杆件内力

计算桁架内力时要考虑多种荷载组合，进行多次桁架内力分析。

为了尽可能减少内力分析次数，常采用内力系数法。

即先求出单位荷载作用下的内力（称为内力系数），然后根据不同的荷载及组合，列表进行计算。

第二部分本周练习题

简答题

疲劳破坏有哪些特征。

答：

疲劳破坏的特征是，在循环荷载作用下，结构或构件在低于抗拉强度，甚至低于屈服强度的应力状态断裂，疲劳断裂常呈脆性破坏。

计算题

两钢板截面为：

18×400，两面用盖板连接，钢材Q235，承受轴心力设计值N=1181kN，采用M22普通C级螺栓连接，

，按下图连接。

试验算节点是否安全。

，

，

。

解：

（1）螺栓强度验算。

单个螺栓抗剪承载力设计值

单个螺栓承压承载力设计值

故取

每侧12个螺栓，承载力为

（2）验算被连接钢板的净截面强度。