钢结构实践专题报告

普通钢屋架的设计过程与计算方法介绍钢结构是一种具有较大优势的建筑结构，近年来随着我国改革开放进程的加快和钢材产量的不断提高，钢结构具有钢结构在工程中得到了广泛的应用和发展。对于钢结构的设计需要因地制宜，量材而用，根据工程实际选择合适的结构方案，并进行技术经济比较，同时还要总结、创造和推广先进的制造和安装技术。普通钢屋架的设计是钢结构设计中的一个重要内容之一，熟悉和掌握普通钢屋架的设计过程与计算方法具有重要理论与实践意义。因此，本文将对普通钢屋架的设计过程与计算方法进行详细介绍。1屋架形式的选择普通钢屋架的设计首先需要选择合理的屋架形式，主要从满足使用要求和经济要求两个方面出发。从使用要求方面来看，屋架的外形应与屋面材料的排水要求相适应；从经济要求方面来看，屋架的外形尽量与弯矩图相近，使屋架弦杆的内力分布均匀，充分发挥材料的作用，同时使弦杆尽量不产生局部弯矩，屋架的节点形式要简单合理，便于制造、运输和安装。根据所选的屋架形式进而确定屋架的跨度、高度、节间宽度等主要尺寸。屋架的主要形式有三角形、梯形、矩形和曲拱形等，如图1所示。图1屋架主要形式图图1屋架主要形式图2屋架荷载的选取及组合屋架上的荷载主要包括永久荷载和可变荷载两类，其中，永久荷载主要包括屋面材料，防水、保温或隔热层、屋架、天窗架、檩条、支撑及悬挂管道等重量；可变荷载主要包括屋面均布活荷载、雪荷载、施工荷载、积灰荷载、风荷载以及悬挂吊车荷载等。永久荷载和各种可变荷载的不同组合将对屋架各杆件引起不同的内力。设计时应考虑各种可能的荷载组合,并选取最不利的荷载组合进行屋架各杆件内力的计算。与柱铰接的屋架，引起屋架杆件最不利内力的各种可能荷载组合有如下几种：（1） 全跨永久荷载+全跨可变荷载。可变荷载中屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，设计时取两者中的较大值与积灰荷载、悬挂吊车荷载组合；当雪荷载较大时，将起控制作用。（2） 半跨永久荷载+半跨可变荷载。（3） 屋架和支撑自重+半跨屋面板重+半跨施工荷载（取等于屋面活荷载）。当屋面与水平面的倾角小于30°时，风荷载对屋面产生吸力，起着卸载的作用，一般不考虑风荷载的作用。但对于采用轻质屋面材料的屋架，在风荷载和永久荷载的作用下可能使受拉杆件变为受压杆件，在计算杆件内力时，应根据荷载规范的规定，计算风荷载的作用。3屋架内力计算屋架内力计算时，应将荷载集中在节点上（节间荷载可换算为节点荷载），并假定所有杆件位于同一平面内，杆件重心线汇交于节点中心，且各节点均为理想铰，不考虑次应力的影响，可采用数解法或内力系数法计算屋架杆件的轴心力。当但杆件截面高度与其几何长度（节点中心间的距离）之比大于1/10（弦杆）和1/15（腹杆）时，则应考虑节点刚性引起的次弯矩。对于节间荷载换算为节点荷载主要有两种近似方法：将所有节间内的荷载按该段节间为简支的支座反力分配到相邻两个节点上作为节点荷载；按节点处的负荷面积换算为该节点的集中荷载。上弦杆由于节间荷载产生的局部弯矩可近似按下列规定取用：（1） 端节点按铰接时，该处弯矩取为0，但当有悬挑时，去最大悬臂端弯矩。（2） 端节间的正弯矩取0.8M。。（3） 其他节间的正弯矩和节点负弯矩（包括屋脊节点）均可取0.6M。，其中M0为相应节间按单跨简支梁计算的最大跨中弯矩。4屋架杆件设计4.1杆件计算长度的确定在理想的铰接屋架中，杆件在屋架平面内的计算长度应是节点中线的距离，但实际上，汇交于节点处的各杆件是通过节点板焊接在一起的，并非正真的铰接，节点具有一定的刚度，杆件两端均属于弹性嵌固。此外，节点的转动还受到汇交于节点的拉杆的约束，拉杆的线刚度越大，约束作用越大，压杆在节点的嵌固程度越大，其计算长度越小。因此，需考虑节点的实际嵌固作用来确定各杆件的计算长度，如表1所示。表1桁架弦杆和单系腹杆的计算长度项次弯曲方向弦杆腹杆支座斜杆和支座竖杆其他腹杆1在桁架平面内110.812在桁架平面外11113斜平面-10.91注:1.1为构件的几何长度（节点中心间的距离）；11为桁架弦杆侧向支撑点间的距离。斜平面系指与桁架平面斜交的平面，适用于构件截面两主轴均不在桁架平面内的单角钢腹杆和双角钢十字形截面腹杆。无节点板的腹杆计算长度在任意平面内均取其等于几何长度。4.2杆件截面选择屋架的杆件应根据其受力特性（拉杆还是压杆）、计算长度、构造要求等选择合适的截面形式。杆件截面选择一般遵循以下原则：（1） 选用肢宽而壁薄的角钢，但最薄厚度不小于4mm。（2） 为了便于订货和制作，相近的角钢应尽量统一，同一屋架所采用的角钢型号不超过5〜6种。（3） 屋架弦杆一般采用等截面，但当跨度大于24m时，弦杆可根据内力的变化改变截面，通常保持厚度不变而缩小肢宽，以利于拼接节点的构造处理。（4） 经济性要求。为满足刚度（长细比）要求，应使截面尽量开展，且对于压杆来说应尽量实现等稳定要求，即申=申。xy4.3杆件截面设计对于拉杆应满足强度和刚度要求；对于压杆应满足强度、稳定和刚度要求。由于角钢屋架杆件是按实腹式截面设计的，因此为保证两角钢协同受力，尚应按构造设置一定数量的填板，填板尺寸按构造要求确定。5屋架节点设计屋架节点主要包括上弦节点、下弦节点、屋脊节点和支座节点。屋架节点的设计则主要包括上述节点的设计以及节点板的设计。5.1上弦节点设计

上弦杆与节点板的连接焊缝是由角钢肢背的槽焊缝和角钢肢尖的两条角焊缝组成，假定角钢肢背的槽焊缝承受节点荷载P，角钢肢尖的两条角焊缝承担和由于与肢尖焊缝的偏心距e而产生的弯矩△“=△"e。当屋面坡度较缓时，角钢肢背槽焊缝的强度可按下式计算:P<pfw（1）2x0.7h1fff1w1式中，Pf是正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构pf=1.22；对直接承受动力荷载的结构pf=1.0o角钢肢尖焊缝的强度计算：ANT=f2x0.7hlf2w2(3)6AM(3)b=f2x0.7h12f2w2(4)5.2下弦节点设计下弦节点是指下弦杆直通连续和没有节点集中荷载的节点，下弦节点中各腹杆与节点板所需的连接焊缝长度按下式计算：(5), aN(5)l> —w1 2x0.7hfwfif(6)7 aN(6)l> 2—w2 2x0.7hfwf2f弦杆与节点板的连接焊缝，应考虑承受弦杆相邻节间内力之差△"，按下式计算下弦杆与节点板连接所需的焊脚尺寸：(7)1 aAN(7)h> 1/1 2x0.71fww1f(8)t aAN(8)h> 2f2 2x0.71fww2f通常弦杆相邻节间内力之差△N很小，实际需要的焊脚尺寸可由构造要求确定，并沿节点板全长满焊。5.3屋脊节点设计

屋脊拼接拼接角钢与受压弦杆之间的连接可按弦杆最大内力进行计算,每边共有4条焊缝平均承受此力，则一条焊缝的计算长度为:N4N4x0.7hfw一条焊缝的实际长度为:TOC\o"1-5"\h\zl=l+2h (10)w f拼接角钢的总长度(l)为:sl=2l+10〜20mm (11)s5.4支座节点设计屋架与柱的连接有简支和刚接两种形式，支承于钢筋混凝土柱或砖柱上的屋架一般为简支，而支承于钢柱上的屋架通常为刚接，它的设计和轴心受压柱铰接柱脚相似。支座底板的面积A和厚度t应按下式计算：ct>(12)ct>(13)加劲肋的高度由节点板的尺寸决定，厚度可与节点板的厚度相同。加劲肋可视为支承于节点板上的悬臂梁，一个加劲肋通常假定传递支座反力的1/4,并考虑偏心弯矩M。一个加劲肋与支座节点板的连接焊缝按下式进行强度计算：2<f2<fw(14)6M12Xb.hflw丿支座节点板与支座底板、加劲肋与支座底板的水平连接焊缝，按下式进行强度计算：卩fX0卩fX0-7hfE(15)5.5节点板设计节点板的平面尺寸主要取决于该节点所连杆件的截面尺寸和所需焊缝长度。由于节点板受力比较复杂，因此节点板的厚度一般不进行计算，而根据经验确定，对于采用侧面角焊缝连接的节点，节点板的厚度可按相关规范确定。6钢屋架施工图绘制钢屋架施工图是制造厂加工制造和工地结构安装的主要依据，如图2所示。当屋架形式、各杆件尺寸、杆件截面以及各腹杆与节点板的连接焊缝确定后，即可按运输单元绘制施工图。绘制屋架施工图应注意以下几个方面的内容：（1） 通常在图纸左上角用合适的比例画出“屋架几何轴线图（屋架简图）”。图中一半标出几何长度，另一半标出杆件的计算内力值。当屋架跨度较大时，在自重及外荷载作用下将产生较大的挠度，影响结构的使用并有损建筑物的外观。因此，当跨度＞24m的梯形屋架和跨度＞15m的三角形屋架，在制作时需要起拱，起拱值约为跨度1/500。起拱值应在屋架简图上标出来，而在屋架详图上不必表示。（2） 绘制屋架的施工图，通常采用两种比例尺绘制，杆件轴线一般用1:20~1:30的比例尺，杆件截面和节点尺寸采用1:10~1:15的比例尺，这样可使节点的细节表示清楚。（3） 绘制屋架上、下弦杆的平面图、屋架端部和跨中的侧面图及必要的剖面图。（4） 标注尺寸，要全部注明各杆件和板件的定位尺寸和孔洞位置等。定位尺寸主要是节点中心至腹杆顶端的距离和屋架轴线到角钢肢背的距离。由这两个尺寸即能确定杆件的位置和实际长度，杆件的实际断料长度为杆件几何轴线长度减去两端的节点中心到腹杆顶端的距离。（5） 编制材料表，对所有零件应进行详细编号，编号应按零件的主次、上下、左右一定顺序逐一进行。完全相同的零件用同一编号，当两个形状、尺寸相同只是栓孔位置成镜面对称时，可编同一号，但在材料表上注明正和反。材料表包括各种零件的截面、长度、数量（正、反）和重量。材料表的用途是供配料、计算用钢指标以及选用运输和安装器具之用。（6） 施工图上还应有文字说明，说明的内容包括钢材的钢号、焊条型号、加工精度要求、焊缝质量要求、图中未注明的焊缝和螺栓孔的尺寸以及防锈处理的要求等等。凡是在施工图中没有绘上的一切要求均可在说明中表达。

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