屋蓋鋼結構設計(課程設計).ppt

1、鋼屋蓋課程設計,一、結構布置,屋蓋系統(tǒng)由屋面、屋架和支撐系統(tǒng)三大部分組成。,二、屋蓋系統(tǒng)的組成,1、屋面,2、屋架 普通屋架 輕型屋架 鋼管屋架 3、支撐系統(tǒng) 屋架支撐系統(tǒng) 檁條支撐系統(tǒng) 除上述之外，還有天窗架、托架等。,1、支撐類型及作用 上弦橫向水平支撐、下弦橫向水平支撐、下弦縱向水平支撐、垂直支撐和系桿。,三、 屋蓋支撐體系,（1）上弦橫向水平支撐 1）作用：傳遞山墻風力；減少上弦壓桿側向計算長度；保證屋架平面外穩(wěn)定。 2）布置原則: A、設置在房屋兩端或房屋溫度區(qū)段的第一柱間或第二柱間,其最大間距為60m,否則在中間增設一道或幾道。 B、天窗架的支撐與屋架上弦橫向水平支撐應設置在同一開

2、間，以形成空間整體穩(wěn)定性。,（2）下弦橫向水平支撐 1）作用：減小下弦平面外計算長度;傳遞懸掛吊車水平力;傳遞水平風力(與抗風柱相連,作為抗風柱的支點)。 2）布置原則:屋架跨度大于18m；屋架跨度小于18m但屋架下弦設有懸掛吊車；廠房內設有噸位較大的橋式吊車或其他振動設備；山墻抗風柱支撐于屋架下弦;屋架下弦設有通長的縱向水平支撐時；設有上弦橫向水平支撐的開間。,（3）下弦縱向水平支撐 1）作用：增加廠房空間整體剛度。傳遞吊車剎車力;保證拖架平面外的穩(wěn)定。 2）布置原則:房屋內設有重級工作制吊車或噸位較大的輕、中級工作制吊車；房屋內設有鍛錘等大型振動設備；屋架下弦設有縱向或橫向吊軌；屋蓋設有托

3、架；房屋較高、跨度較大、空間剛度要求較高。,（4）垂直支撐 1）作用：把屋架上弦的力傳到柱頂；保證屋架安裝時的穩(wěn)定。 2）布置原則:,（5）系桿 1）作用：保證無支撐屋架的側向穩(wěn)定性;減小弦桿的計算長度;傳遞水平力。 2）形式:剛性系桿可承壓,通常采用雙角鋼或鋼管. 柔性系桿不可承壓，通常采用單角鋼或圓鋼。 3）布置原則:上下弦桿布置不一樣，一般上弦布置密，下弦布置少些 垂直支撐的屋架上、下弦節(jié)點處；屋架屋脊節(jié)點，支座節(jié)點處；當橫向水平支撐布置在第二柱間，第一柱間應布置剛性系桿。,2、屋蓋支撐的形式與計算 （1）支撐的形式 采用斜桿和弦桿交角在300600的 平行弦桁架,水平支撐（橫向、縱向）

4、：一般采用十字交叉式,(2)截面尺寸 1）受力較小時，桿件截面通常由長細比選擇。交叉斜桿和柔性系桿按拉桿設計，選用單角鋼；非交叉斜桿、弦桿、豎桿和剛性系桿按壓桿設計，可采用雙角鋼組成的十字形截面和T形截面。 2）屋架跨度大，高度高、基本風壓大、抗震設防烈度高應計算確定。計算簡圖如下：,垂直支撐：十字交叉式、V式、W式。,每個節(jié)點只有一個受拉斜桿參與，而受壓斜桿退出工作，按平面桁架計算。,然后驗算（受拉構件）強度、剛度,第三節(jié) 檁條設計,一、分類,實腹式檁條與屋架的連接,二、檁條間拉條 1、作用：保證檁條的整體穩(wěn)定，減少檁條在使用和施工過程中的側向變形和扭轉。 2、類型 拉條：水平拉條、斜拉條、

5、撐桿 一般情況下，對于拉條，常采用圓鋼，直徑為8-12mm，而對于撐桿，由于是受壓構件，其長細比不能大于200，故撐桿常用圓鋼外加套管或直接用角鋼。,3、拉條布置原則 1）跨度小于4m可不設拉條，4-6m在跨中設一道拉條，大于6m在1/3跨度處設二道拉條。,2）當屋蓋有天窗時，應在天窗兩側檁條之間設置斜拉條和直撐桿。,拉條在高度方向應靠近檁條上翼緣，一般離上翼緣30-40mm處，拉條直接固定于檁條腹板上.,三、實腹式檁條 實腹式檁條是雙向彎曲構件，由于屋面板和拉條的作用，檁條只計算斜彎曲強度和垂直于屋面的撓度，而不考慮扭矩影響，也不計算整體穩(wěn)定。,1、內力計算： 1)無拉條：按簡支梁計算,2）

6、設一道拉條且拉條位于中間時，按兩跨連續(xù)梁計算。,3）設二道拉條且拉條位于1/3跨度時，按三跨連續(xù)梁計算。,2、驗算：,注：1）一般情況下，檁條截面Iy比IX小得多，因此要選擇合理、經濟的截面，應沿屋面對檁條設置拉條以減少檁條在最小剛度平面內的計算長度； 2）在恒載和活載組合情況下，檁條上側受壓，由于其與屋面有足夠聯(lián)系，可不必驗算整體穩(wěn)定。 3）在恒載與風載組合情況下，檁條下側受壓，由于其與屋面無聯(lián)系，需驗算整體穩(wěn)定。,第四節(jié) 普通鋼屋架的設計,設計鋼屋架，首先要選擇屋架的形式，應從房屋使用、受力、構造和施工等幾個方面加以考慮。 使用：建筑造型美觀，易于排水等。 受力：外型接近于屋面梁彎矩圖；弦

7、桿內力全長均勻分布，盡量避免弦桿產生局部彎矩；腹桿布置盡量使拉桿長，壓桿短。 構造：構件夾角宜在300600，節(jié)點構造簡單，且數(shù)量盡量少。 施工：制造簡單，安裝運輸方便。,一、屋架的外形 三角形、梯形、平行弦、曲供形屋架等。,1、三角形屋架 1）一般用于坡度較陡的有檁屋面中，高跨比為1/2.51/6； 2）端部與柱鉸接，弦桿受力不均勻，跨中內力較小，支座處內力較大，節(jié)點構造復雜； 3）常適用與中小型輕型屋面。 2、梯形屋架 1）一般屋面坡度平緩，高跨比為1/81/12； 2）端部與柱鉸接或剛接，弦桿受力合理，大大減少屋架支座處上下弦桿內力，受力比三角形屋架好，是比較常用的屋架形式； 3）常適用

8、于大中型廠房，或屋面坡度較小的房屋。,3、平行弦屋架 1）構件規(guī)格少，便于工業(yè)化制作； 2）弦桿受力不均； 3）常適用于單坡屋面的屋架及托架或支撐體系。 4、曲拱形屋架 1）外形最符合彎矩圖，受力最合理； 2）上（下）弦彎成曲線，制作麻煩，一般改成折線形； 3）適用于特殊要求的房屋。,二、腹桿體系 1、腹桿布置原則 鋼材最有利的受力形式是承受拉力，所以布置腹桿時應注意： 1）應使拉桿多，壓桿少； 2）應使拉桿長，壓桿短； 3）應使上弦節(jié)點密，下弦節(jié)點稀，避免弦桿中產生局部彎矩。,2、三角形屋架 單斜式：腹桿長桿受拉，短桿受壓比較經濟； 人字式：桿件數(shù)量少，節(jié)點構造簡單； 芬棵式：腹桿受力合理，

9、還可以分為左右兩榀桁架便于運輸。,3、梯形屋架 1）人字式：上承式、下承式 使受壓上弦比受拉下弦短，受力合理；荷載作用于節(jié)點，可避免局部彎矩產生。 2）再分式：為避免局部彎矩產生，若節(jié)間長度過長，可采用再分式。,4、平行弦屋架 人字式：腹桿數(shù)量少，節(jié)點構造簡單； 交叉式：用于承受反復荷載的橫加桁架中，斜桿可采用柔性桿； K形：用于桁架高度較高時，可減少豎桿長度。,5、曲拱形屋架 多為單斜式,三、屋架的主要尺寸 1、跨度：由使用和工藝要求確定。 計算跨度=支柱軸線間距-300mm 2、高度：由建筑、剛度、經濟、運輸和屋面坡度等決定。,三角形屋架：h=(1/41/6）l 梯形屋架：跨中：h=(1/

10、81/10）l 端部：鉸接時為1.52.0m，剛接2.0-2.5m。 3、節(jié)間寬度 有檁屋蓋：為檁距整數(shù)倍，一般取0.8-3m 無檁屋蓋：與大型屋面板寬度一致，一般取1.5和3m. 四、荷載計算 1、類型： 1）永久荷載：結構本身自重，包括屋面材料，保溫層、檁條、屋架、吊頂?shù)取?其中屋架和支撐自重近似按q=0.12+0.011LKN/m2進行估算。,2）可變荷載：包括活載、雪載、積灰荷載，風載及吊掛荷載等。 注：a、活載與雪載不同時出現(xiàn)，兩者中取大的； b、對于雪載，要考慮高低跨處積雪增大系數(shù)。 2、荷載組合 由于結構所受的荷載不會僅一種工況，而是多種工況同時存在，所以在結構設計時應考慮荷載組

11、合的問題，應根據(jù)使用和施工過程中可能出現(xiàn)的最不利荷載組合組合計算，一般考慮三種荷載的組合： 1）全跨永久荷載+全跨可變荷載（使用） 2）全跨永久荷載+半跨可變荷載（使用） 3）全跨屋架、支撐和天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷載(施工）。,注意： A、梯形屋架中屋架上下弦桿和靠近支座的腹桿常按第一中荷載組合計算；而跨中附近的腹桿在第二、三中荷載組合下可能內力為最大而且有可能變號，故按第二、三中荷載組合計算。 B、對于屋面板對稱鋪設的情況，則可不考慮第三中荷載組合。,五、內力計算 1、計算假定 1）屋架所有桿件的軸線平直且都在同一平面內相交于節(jié)點的中心； 2）屋架的節(jié)點為鉸接； 3）荷載都作

12、用在節(jié)點上，且都在屋架平面內。,2、計算簡圖 1）上弦有節(jié)間荷載時，把節(jié)間荷載化為節(jié)點荷載； 2）考慮節(jié)間荷載在上弦引起的局部彎矩。 3、內力計算 1）軸向力：按數(shù)解法、圖解法、查表法或電算法等。 有關手冊中給出常用屋架的內力系數(shù)表，即單位節(jié)點力作用下的內力，計算屋架內力時，只要將屋架節(jié)點荷載乘以相應桿件的內力系數(shù)，即可求得該桿件的內力。 2）上弦局部彎矩 按多跨連續(xù)梁進行計算端節(jié)間正彎矩M1=0.8M0,其他節(jié)間正彎矩和節(jié)點負彎矩M2=0.6M0，其中M0為簡支梁的跨中正彎矩。,六、桿件設計 1、計算長度 平面內計算長度lox 平面外的計算長度loy lo=l 一般情況下，腹桿對弦桿起不了嵌

13、固作用，而弦桿對腹桿起一定嵌固作用，故弦桿計算長度系數(shù)要大于腹桿。,補充,在分析壓桿端部所受到的約束時，應注意以下三點： 1）與計算壓桿直接相連的桿件約束作用大，相距較遠的桿件約束作用小。 2）相連桿件約束作用大小，取決于它的線剛度和內力性質。從內力性質來看，拉桿所起的約束作用比壓桿要大得多；當內力性質相同時，線剛度大的約束作用大，反之則小。 3）設計中為用足承載力的壓桿，也可起到一定的約束作用。,2、桿件設計 1）截面選擇原則： A、選肢寬壁薄的角鋼，但須保證局部穩(wěn)定； B、普通屋架不小于L45x4和L56x36x4； C、一榀屋架角鋼種類不宜過多，一般為5-6種； D、為節(jié)約用鋼量，對跨度

14、大于24m的屋架，可根據(jù)內力的大小，在適當節(jié)間處改變弦桿截面，但以改變一次為宜。,2）上弦桿 A、無節(jié)間荷載：僅受軸向壓力作用 i）截面選擇 因為loylox,而要使xy，則iyix，所以采用短肢相并的不等邊角鋼組成的T形截面。 Ii）驗算（按軸壓構件設計）：強度、穩(wěn)定、剛度。 B、有節(jié)間荷載：受N、M作用。 i）截面選擇 當M較大時，為提高上弦在屋架平面內抗彎能力，宜采用長肢相并的不等肢角鋼組成的T形截面。 ii)驗算（壓彎構件設計）：強度、整體穩(wěn)定（平面內、平面外）、剛度。,3）下弦桿 A、截面選擇 由于平面外計算長度大，故采用短肢相并的不等肢角鋼組成的T形截面。 B、驗算（按拉桿設計）：

15、強度、剛度 4）支座斜腹桿 A、截面選擇 Loy=lox,而要使xy，則iy ix，采用長肢相并的不等肢角鋼組成的T形截面。 B、驗算（壓桿）：強度、穩(wěn)定、剛度。 5）腹桿 A、截面選擇 Loy=1.25lox,而要使xy，則采用兩個等肢角鋼組成的T形截面。 B、驗算：按拉桿或壓桿設計,七、節(jié)點設計 1、構造要求 1）不同桿件連接軸線應盡量與屋架的幾何軸線重合，并交于節(jié)點中心，避免偏心。 2）當屋架弦桿沿長度改變截面，為方便安裝，應使肢背齊平，并使兩個角鋼重心線之間的中線與屋架的軸線重合一減小偏心作用。如軸線變動不超過較大弦桿截面高度的5%，在計算時可不考慮由此引起的偏心彎矩。,3）腹桿端部與

16、弦桿或腹桿應留有空隙，對于焊接連接至少20mm；對于螺栓連接約為5-10mm。,4）屋架上弦剛度較差，須進行加強處理。,5）節(jié)點板形狀和尺寸根據(jù)所連桿件及所需連接焊縫長度確定，桿件切割要合理。,6）節(jié)點板形狀應簡單而有規(guī)則，至少兩邊平行。,7）節(jié)點板的尺寸應盡量使連接焊縫中心受力，節(jié)點板與桿件的夾角應大于150。 8）節(jié)點板應有足夠的強度，以保證弦桿與腹桿的內力能安全地傳遞。 由于節(jié)點板應力分布復雜，一般不作計算。通常節(jié)點板的厚度可按腹桿（梯形屋架）或弦桿（三角形屋架）的最大內力按下表取用。節(jié)點捕拿最小厚度為6mm。,2、節(jié)點設計 桿件與桿件之間通過節(jié)點板連在一起，節(jié)點板起到桿件之間傳遞內力的

17、作用，這種傳遞作用是通過焊縫來實現(xiàn)的，必須有足夠的焊縫長度來實現(xiàn)。 (1）上弦節(jié)點,A、腹桿與節(jié)點板連接焊縫,B、上弦桿與節(jié)點板連接焊縫 為擱置屋面板或檁條，上弦桿的肢背與節(jié)點板采用塞焊縫，計算時塞焊當作兩條角焊縫進行計算。對于該處連接，采用以下兩種方式計算： 集中力P由角鋼肢背塞焊縫承擔，而內力差N1-N2以及由此產生的偏心距M=(N1-N2)e由角鋼肢尖與節(jié)點板的角焊縫承擔,(2)下弦節(jié)點（同上弦節(jié)點） A、無節(jié)點荷載：,由于弦桿的大部分軸力由角鋼傳遞，因而焊縫僅傳遞下弦相鄰節(jié)間的內力差，通常內力差很小，所需焊縫按構造要求在節(jié)點板范圍內滿焊。,B、有節(jié)點荷載,（3）屋脊節(jié)點 工廠拼接：長度

18、不夠而設在內力較小的節(jié)間內，采用與弦桿相同截面。 工地拼接：運輸限制，設于節(jié)點處，常常設于屋脊處。,A、腹桿與節(jié)點板連接焊縫 同前 B、上弦桿與節(jié)點板連接焊縫 采用拼接角鋼，熱彎成型，坡度大時豎肢切口后再熱彎對焊，棱角削除，豎肢切去=t+hf+5 拼接角鋼與上弦采用塞焊，假定節(jié)點荷載P全由上弦角鋼肢背處塞焊縫承受：,C、拼接角鋼連接焊縫 拼接角鋼與上弦桿采用四條角焊縫連接。,（4）下弦拼接節(jié)點,A、腹桿與節(jié)點板的連接,B、下弦桿與節(jié)點板連接焊縫,C、拼接角鋼的連接焊縫 拼接角鋼與下弦桿采用四條角焊縫等強連接。,（5）支座節(jié)點 有鉸接和剛接；支座節(jié)點設計同柱腳設計，這里僅討論簡支支座節(jié)點中常用的平板式支座。平板式支座由支座節(jié)點板、支座底板、加勁肋和錨栓組成。 支座節(jié)點傳力路徑：,b、底板的厚度：由底板的抗彎承載力確定。,c、加勁肋與節(jié)點板連接焊縫計算,d、加勁肋、節(jié)點板與支座底板連接焊縫計算,e）構造要求 i