屋盖钢结构设计(课程设计).ppt

钢屋盖课程设计,一、结构布置,屋盖系统由屋面、屋架和支撑系统三大部分组成。,二、屋盖系统的组成,1、屋面,2、屋架普通屋架轻型屋架钢管屋架3、支撑系统屋架支撑系统檩条支撑系统除上述之外，还有天窗架、托架等。,1、支撑类型及作用上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑和系杆。,三、屋盖支撑体系,（1）上弦横向水平支撑1）作用：传递山墙风力；减少上弦压杆侧向计算长度；保证屋架平面外稳定。2）布置原则:A、设置在房屋两端或房屋温度区段的第一柱间或第二柱间,其最大间距为60m,否则在中间增设一道或几道。B、天窗架的支撑与屋架上弦横向水平支撑应设置在同一开间，以形成空间整体稳定性。,（2）下弦横向水平支撑1）作用：减小下弦平面外计算长度;传递悬挂吊车水平力;传递水平风力(与抗风柱相连,作为抗风柱的支点)。2）布置原则:屋架跨度大于18m；屋架跨度小于18m但屋架下弦设有悬挂吊车；厂房内设有吨位较大的桥式吊车或其他振动设备；山墙抗风柱支撑于屋架下弦;屋架下弦设有通长的纵向水平支撑时；设有上弦横向水平支撑的开间。,（3）下弦纵向水平支撑1）作用：增加厂房空间整体刚度。传递吊车刹车力;保证拖架平面外的稳定。2）布置原则:房屋内设有重级工作制吊车或吨位较大的轻、中级工作制吊车；房屋内设有锻锤等大型振动设备；屋架下弦设有纵向或横向吊轨；屋盖设有托架；房屋较高、跨度较大、空间刚度要求较高。,（4）垂直支撑1）作用：把屋架上弦的力传到柱顶；保证屋架安装时的稳定。2）布置原则:,（5）系杆1）作用：保证无支撑屋架的侧向稳定性;减小弦杆的计算长度;传递水平力。2）形式:刚性系杆可承压,通常采用双角钢或钢管.柔性系杆不可承压，通常采用单角钢或圆钢。3）布置原则:上下弦杆布置不一样，一般上弦布置密，下弦布置少些垂直支撑的屋架上、下弦节点处；屋架屋脊节点，支座节点处；当横向水平支撑布置在第二柱间，第一柱间应布置刚性系杆。,2、屋盖支撑的形式与计算（1）支撑的形式采用斜杆和弦杆交角在300600的平行弦桁架,水平支撑（横向、纵向）：一般采用十字交叉式,(2)截面尺寸1）受力较小时，杆件截面通常由长细比选择。交叉斜杆和柔性系杆按拉杆设计，选用单角钢；非交叉斜杆、弦杆、竖杆和刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成的十字形截面和T形截面。2）屋架跨度大，高度高、基本风压大、抗震设防烈度高应计算确定。计算简图如下：,垂直支撑：十字交叉式、V式、W式。,每个节点只有一个受拉斜杆参与，而受压斜杆退出工作，按平面桁架计算。,然后验算（受拉构件）强度、刚度,第三节檩条设计,一、分类,实腹式檩条与屋架的连接,二、檩条间拉条1、作用：保证檩条的整体稳定，减少檩条在使用和施工过程中的侧向变形和扭转。2、类型拉条：水平拉条、斜拉条、撑杆一般情况下，对于拉条，常采用圆钢，直径为8-12mm，而对于撑杆，由于是受压构件，其长细比不能大于200，故撑杆常用圆钢外加套管或直接用角钢。,3、拉条布置原则1）跨度小于4m可不设拉条，4-6m在跨中设一道拉条，大于6m在1/3跨度处设二道拉条。,2）当屋盖有天窗时，应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆。,拉条在高度方向应靠近檩条上翼缘，一般离上翼缘30-40mm处，拉条直接固定于檩条腹板上.,三、实腹式檩条实腹式檩条是双向弯曲构件，由于屋面板和拉条的作用，檩条只计算斜弯曲强度和垂直于屋面的挠度，而不考虑扭矩影响，也不计算整体稳定。,1、内力计算：1)无拉条：按简支梁计算,2）设一道拉条且拉条位于中间时，按两跨连续梁计算。,3）设二道拉条且拉条位于1/3跨度时，按三跨连续梁计算。,2、验算：,注：1）一般情况下，檩条截面Iy比IX小得多，因此要选择合理、经济的截面，应沿屋面对檩条设置拉条以减少檩条在最小刚度平面内的计算长度；2）在恒载和活载组合情况下，檩条上侧受压，由于其与屋面有足够联系，可不必验算整体稳定。3）在恒载与风载组合情况下，檩条下侧受压，由于其与屋面无联系，需验算整体稳定。,第四节普通钢屋架的设计,设计钢屋架，首先要选择屋架的形式，应从房屋使用、受力、构造和施工等几个方面加以考虑。使用：建筑造型美观，易于排水等。受力：外型接近于屋面梁弯矩图；弦杆内力全长均匀分布，尽量避免弦杆产生局部弯矩；腹杆布置尽量使拉杆长，压杆短。构造：构件夹角宜在300600，节点构造简单，且数量尽量少。施工：制造简单，安装运输方便。,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）一般用于坡度较陡的有檩屋面中，高跨比为1/2.51/6；2）端部与柱铰接，弦杆受力不均匀，跨中内力较小，支座处内力较大，节点构造复杂；3）常适用与中小型轻型屋面。2、梯形屋架1）一般屋面坡度平缓，高跨比为1/81/12；2）端部与柱铰接或刚接，弦杆受力合理，大大减少屋架支座处上下弦杆内力，受力比三角形屋架好，是比较常用的屋架形式；3）常适用于大中型厂房，或屋面坡度较小的房屋。,3、平行弦屋架1）构件规格少，便于工业化制作；2）弦杆受力不均；3）常适用于单坡屋面的屋架及托架或支撑体系。4、曲拱形屋架1）外形最符合弯矩图，受力最合理；2）上（下）弦弯成曲线，制作麻烦，一般改成折线形；3）适用于特殊要求的房屋。,二、腹杆体系1、腹杆布置原则钢材最有利的受力形式是承受拉力，所以布置腹杆时应注意：1）应使拉杆多，压杆少；2）应使拉杆长，压杆短；3）应使上弦节点密，下弦节点稀，避免弦杆中产生局部弯矩。,2、三角形屋架单斜式：腹杆长杆受拉，短杆受压比较经济；人字式：杆件数量少，节点构造简单；芬棵式：腹杆受力合理，还可以分为左右两榀桁架便于运输。,3、梯形屋架1）人字式：上承式、下承式使受压上弦比受拉下弦短，受力合理；荷载作用于节点，可避免局部弯矩产生。2）再分式：为避免局部弯矩产生，若节间长度过长，可采用再分式。,4、平行弦屋架人字式：腹杆数量少，节点构造简单；交叉式：用于承受反复荷载的横加桁架中，斜杆可采用柔性杆；K形：用于桁架高度较高时，可减少竖杆长度。,5、曲拱形屋架多为单斜式,三、屋架的主要尺寸1、跨度：由使用和工艺要求确定。计算跨度=支柱轴线间距-300mm2、高度：由建筑、刚度、经济、运输和屋面坡度等决定。,三角形屋架：h=(1/41/6）l梯形屋架：跨中：h=(1/81/10）l端部：铰接时为1.52.0m，刚接2.0-2.5m。3、节间宽度有檩屋盖：为檩距整数倍，一般取0.8-3m无檩屋盖：与大型屋面板宽度一致，一般取1.5和3m.四、荷载计算1、类型：1）永久荷载：结构本身自重，包括屋面材料，保温层、檩条、屋架、吊顶等。其中屋架和支撑自重近似按q=0.12+0.011LKN/m2进行估算。,2）可变荷载：包括活载、雪载、积灰荷载，风载及吊挂荷载等。注：a、活载与雪载不同时出现，两者中取大的；b、对于雪载，要考虑高低跨处积雪增大系数。2、荷载组合由于结构所受的荷载不会仅一种工况，而是多种工况同时存在，所以在结构设计时应考虑荷载组合的问题，应根据使用和施工过程中可能出现的最不利荷载组合组合计算，一般考虑三种荷载的组合：1）全跨永久荷载+全跨可变荷载（使用）2）全跨永久荷载+半跨可变荷载（使用）3）全跨屋架、支撑和天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载(施工）。,注意：A、梯形屋架中屋架上下弦杆和靠近支座的腹杆常按第一中荷载组合计算；而跨中附近的腹杆在第二、三中荷载组合下可能内力为最大而且有可能变号，故按第二、三中荷载组合计算。B、对于屋面板对称铺设的情况，则可不考虑第三中荷载组合。,五、内力计算1、计算假定1）屋架所有杆件的轴线平直且都在同一平面内相交于节点的中心；2）屋架的节点为铰接；3）荷载都作用在节点上，且都在屋架平面内。,2、计算简图1）上弦有节间荷载时，把节间荷载化为节点荷载；2）考虑节间荷载在上弦引起的局部弯矩。3、内力计算1）轴向力：按数解法、图解法、查表法或电算法等。有关手册中给出常用屋架的内力系数表，即单位节点力作用下的内力，计算屋架内力时，只要将屋架节点荷载乘以相应杆件的内力系数，即可求得该杆件的内力。2）上弦局部弯矩按多跨连续梁进行计算端节间正弯矩M1=0.8M0,其他节间正弯矩和节点负弯矩M2=0.6M0，其中M0为简支梁的跨中正弯矩。,六、杆件设计1、计算长度平面内计算长度lox平面外的计算长度loylo=l一般情况下，腹杆对弦杆起不了嵌固作用，而弦杆对腹杆起一定嵌固作用，故弦杆计算长度系数要大于腹杆。,补充,在分析压杆端部所受到的约束时，应注意以下三点：1）与计算压杆直接相连的杆件约束作用大，相距较远的杆件约束作用小。2）相连杆件约束作用大小，取决于它的线刚度和内力性质。从内力性质来看，拉杆所起的约束作用比压杆要大得多；当内力性质相同时，线刚度大的约束作用大，反之则小。3）设计中为用足承载力的压杆，也可起到一定的约束作用。,2、杆件设计1）截面选择原则：A、选肢宽壁薄的角钢，但须保证局部稳定；B、普通屋架不小于L45x4和L56x36x4；C、一榀屋架角钢种类不宜过多，一般为5-6种；D、为节约用钢量，对跨度大于24m的屋架，可根据内力的大小，在适当节间处改变弦杆截面，但以改变一次为宜。,2）上弦杆A、无节间荷载：仅受轴向压力作用i）截面选择因为loylox,而要使xy，则iyix，所以采用短肢相并的不等边角钢组成的T形截面。Ii）验算（按轴压构件设计）：强度、稳定、刚度。B、有节间荷载：受N、M作用。i）截面选择当M较大时，为提高上弦在屋架平面内抗弯能力，宜采用长肢相并的不等肢角钢组成的T形截面。ii)验算（压弯构件设计）：强度、整体稳定（平面内、平面外）、刚度。,3）下弦杆A、截面选择由于平面外计算长度大，故采用短肢相并的不等肢角钢组成的T形截面。B、验算（按拉杆设计）：强度、刚度4）支座斜腹杆A、截面选择Loy=lox,而要使xy，则iyix，采用长肢相并的不等肢角钢组成的T形截面。B、验算（压杆）：强度、稳定、刚度。5）腹杆A、截面选择Loy=1.25lox,而要使xy，则采用两个等肢角钢组成的T形截面。B、验算：按拉杆或压杆设计,七、节点设计1、构造要求1）不同杆件连接轴线应尽量与屋架的几何轴线重合，并交于节点中心，避免偏心。2）当屋架弦杆沿长度改变截面，为方便安装，应使肢背齐平，并使两个角钢重心线之间的中线与屋架的轴线重合一减小偏心作用。如轴线变动不超过较大弦杆截面高度的5%，在计算时可不考虑由此引起的偏心弯矩。,3）腹杆端部与弦杆或腹杆应留有空隙，对于焊接连接至少20mm；对于螺栓连接约为5-10mm。,4）屋架上弦刚度较差，须进行加强处理。,5）节点板形状和尺寸根据所连杆件及所需连接焊缝长度确定，杆件切割要合理。,6）节点板形状应简单而有规则，至少两边平行。,7）节点板的尺寸应尽量使连接焊缝中心受力，节点板与杆件的夹角应大于150。8）节点板应有足够的强度，以保证弦杆与腹杆的内力能安全地传递。由于节点板应力分布复杂，一般不作计算。通常节点板的厚度可按腹杆（梯形屋架）或弦杆（三角形屋架）的最大内力按下表取用。节点捕拿最小厚度为6mm。,2、节点设计杆件与杆件之间通过节点板连在一起，节点板起到杆件之间传递内力的作用，这种传递作用是通过焊缝来实现的，必须有足够的焊缝长度来实现。(1）上弦节点,A、腹杆与节点板连接焊缝,B、上弦杆与节点板连接焊缝为搁置屋面板或檩条，上弦杆的肢背与节点板采用塞焊缝，计算时塞焊当作两条角焊缝进行计算。对于该处连接，采用以下两种方式计算：集中力P由角钢肢背塞焊缝承担，而内力差N1-N2以及由此产生的偏心距M=(N1-N2)e由角钢肢尖与节点板的角焊缝承担,(2)下弦节点（同上弦节点）A、无节点荷载：,由于弦杆的大部分轴力由角钢传递，因而焊缝仅传递下弦相邻节间的内力差，通常内力差很小，所需焊缝按构造要求在节点板范围内满焊。,B、有节点荷载,（3）屋脊节点工厂拼接：长度不够而设在内力较小的节间内，采用与弦杆相同截面。工地拼接：运输限制，设于节点处，常常设于屋脊处。,A、腹杆与节点板连接焊缝同前B、上弦杆与节点板连接焊缝采用拼接角钢，热弯成型，坡度大时竖肢切口后再热弯对焊，棱角削除，竖肢切去=t+hf+5拼接角钢与上弦采用塞焊，假定节点荷载P全由上弦角钢肢背处塞焊缝承受：,C、拼接角钢连接焊缝拼接角钢与上弦杆采用四条角焊缝连接。,（4）下弦拼接节点,A、腹杆与节点板的连接,B、下弦杆与节点板连接焊缝,C、拼接角钢的连接焊缝拼接角钢与下弦杆采用四条角焊缝等强连接。,（5）支座节点有铰接和刚接；支座节点设计同柱脚设计，这里仅讨论简支支座节点中常用的平板式支座。平板式支座由支座节点板、支座底板、加劲肋和锚栓组成。支座节点传力路径：,b、底板的厚度：由底板的抗弯承载力确定。,c、加劲肋与节点板连接焊缝计算,d、加劲肋、节点板与支座底板连接焊缝计算,e）构造要求i