第七章---钢桁架与门式刚架课件.pptx
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1、 常用的平面桁架的外形如图 桁架应具有适当的中部高度H和端部高度H0(三角形桁架端部高度为零)。H取决于运输界限(铁路运输为3.85m)和建筑高度要求的最大限值Hmax、刚度要求的最小限值Hmin、以及使弦杆和腹杆总用钢量最少的经济高度Hec。简支梯形和平行弦桁架,通常H=(1/6 1/10)L,简支梯形钢桁架对端部高度H0无特殊要求。当梯形钢桁架与柱刚接时,桁架端部有负弯矩,要求H0具有一定高度。钢屋架中常用H0=(1.82.2)m。三门式刚架的特点和应用三门式刚架的特点和应用 1.定义 门式刚架是由梁、柱单元构件组成的单跨或多跨刚架,具有轻型屋盖和轻型外墙,可以设置起重量不大于300kN(
2、30吨)的中、轻级工作制桥式吊车或30kN(3吨)悬挂式起重机的单层房屋钢结构。2 2门式刚架的特点门式刚架的特点 (1)(1)结构自重轻结构自重轻,基础造价低。基础造价低。(2)(2)外形简洁、美观。外形简洁、美观。(3)(3)对抗震非常有利。对抗震非常有利。(4)(4)建造速度快,装拆方便。建造速度快,装拆方便。3 3适用范围适用范围 门式刚架通常用于跨度为门式刚架通常用于跨度为9 936m36m(我国单(我国单跨门式刚架的跨度已达到跨门式刚架的跨度已达到72m72m);柱距为);柱距为4.54.512m12m;柱;柱高为高为4.54.59m9m;设有吊车起重量较小的单层工业房屋或;设有吊
3、车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑。公共建筑。四门式刚架的结构形式四门式刚架的结构形式四门式刚架的结构形式四门式刚架的结构形式 门式刚架的结构形式可按不同的考虑划分门式刚架的结构形式可按不同的考虑划分门式刚架的结构形式可按不同的考虑划分门式刚架的结构形式可按不同的考虑划分:1.1.按刚架的构件体系:按刚架的构件体系:按刚架的构件体系:按刚架的构件体系:可分为实腹式和格构式刚架。可分为实腹式和格构式刚架。可分为实腹式和格构式刚架。可分为实腹式和格构式刚架。2.2.按结构选材分按结构选材分按结构选材分按结构选材分 :有普通型钢截面、薄壁型钢截面和钢有普通型钢截面、薄壁型钢截面和钢有普通型钢截面、
4、薄壁型钢截面和钢有普通型钢截面、薄壁型钢截面和钢管截面刚架等管截面刚架等管截面刚架等管截面刚架等 ;3按跨度分为 单跨、双跨或多跨的单、双坡门式刚架。4按截面形式分 有等截面和变截面刚架。设有桥式吊车时,柱宜采用等截面构件。5节点 横梁与柱为刚接,柱脚多采用铰支。当用于厂房且有吊车时,或水平荷载较大,檐口标高较高或刚度要求较高时,宜将柱脚设计为刚接。6围护结构 屋盖常采用压型钢(铝)板屋面板和Z形冷弯薄壁型钢檩条。外墙宜采用槽形或帽形冷弯薄壁型钢墙梁和双层压型钢板,并在双层压型钢板中间设置玻璃纤维棉等卷材隔热(或保温)层的结构体系。墙梁宜布置在刚架柱的外侧。墙体底部1m高也可采用砌体结构,对保
5、护墙体非常有利,在实际工程中采用较多。板缝宜采用咬合或扣合式方式。支座若采用可滑动式连接件,可解决温度应力问题。三结构平面布置三结构平面布置 1.定位轴线及尺寸 刚架边柱边柱的定位轴线取柱外皮;斜梁轴线取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。檐口高度取地坪至房屋外侧檩条上缘的高度;最大高度取地坪至屋盖顶部檩条上缘的高度;宽度取房屋侧墙墙梁外皮之间的距离;长度取两端山墙墙梁外皮之间的距离。2.柱网布置 在满足使用要求和经济要求的前提下确定最佳跨度和柱距。门式刚架房屋钢结构的纵向温度区段长度不大于300m,横向温度区段长度不大于150m。当需要设置伸缩缝时,可在搭接檩条的螺栓连接处采用长
6、圆孔并使该处屋面板在构造上允许胀缩;或者设置双柱。3.山墙结构布置 山墙结构方案(1)由屋面斜梁、两侧角柱、抗风柱、墙梁和墙板组成的结构体系。优点是角柱有利于纵、横两个方向的墙梁连接,缺点是山墙架结构的横向刚度较差,并且不利于房屋的纵向扩建。(2)用横向框架代替斜梁和角柱。这种结构方案的优点是加强了山墙架结构的横向刚度,特别适用于有桥式吊车的厂房和沿纵向需要扩建的房屋。抗风柱的布置应与屋面横向水平支撑的节点位置相配合。4.墙梁布置 墙梁的间距与墙板的承载能力、房屋所在地区的基本风压及房屋的高度等有关,同时在门、窗框上端、窗台、檐口及室内地面处均应设置墙梁。第二节 支撑设计一、桁架支撑设计(一)
7、桁架支撑的作用 平面桁架在其本身平面内具有较大的刚度,但在垂直于桁架平面方向(桁架平面外)不能保持其几何不变,即使桁架上弦与檩条或屋面等铰接相连桁架仍会侧向倾倒(如图7-4((a)中虚线所示)。为了防止桁架侧向倾倒破坏和改善桁架工作性能,对于平面桁架体系,必须设置支撑系统(水工结构中也称为联结系)。桁架支撑的作用主要是:(1)保证桁架结构的空间几何稳定性即形状不变。保证桁架结构的空间几何稳定性即形状不变。(2)保证桁架结构的空间刚度和空间整体性保证桁架结构的空间刚度和空间整体性。桁架上弦和下弦的水平支撑与桁架弦杆组成水平桁架,桁架端部和中部的垂直支撑则与桁架竖杆组成垂直桁架,无论竖向或纵、横向
8、水平荷载,都能通过一定的桁架体系把力传向支座,有足够的刚度和整体性。(3)为桁架弦杆提供侧向支撑点为桁架弦杆提供侧向支撑点。水平和垂直支撑作为桁架弦杆的侧向支承点,减小弦杆在桁架平面外的计算长度,提高其整体稳定承载力。(4)承受并传递水平荷载。承受并传递水平荷载。(5)保证结构安装时的稳定且便于安装)保证结构安装时的稳定且便于安装。(二)、桁架支撑的种类和布置如图7-4(b)所示,桁架支撑一般包括下列几种:1.上弦横向水平支撑 位于相邻两榀桁架上弦杆之间的横向水(斜)平面内。沿厂房的纵向,上弦横向水平支撑应设置在房屋的两端,或当有温度缝时设置在温度缝区段的两端。一般设在第一个柱间(图7-4b)
9、或设在第二个柱间。横向水平支撑的间距L0不宜超过60m。当温度区段长度Lt超过60m时,还应在温度区段中部布置一道或几道横向水平支撑。2.下弦横向水平支撑 布置原则布置原则:一般情况均应设置下弦横向水平支撑。只有当桁架跨度比较小(L18m),且没有悬挂式吊车,或虽有悬挂吊车但起重吨位不大,厂房内也无较大的振动设备时,可不设下弦横向水平支撑。布置位置布置位置:与上弦横向水平支撑布置在同一柱间,以形成空间稳定体。3.纵向水平支撑 布置位置:在屋架下弦(三角形屋架可在下弦或上弦)端节端节间间沿厂房纵向水平面内布置。布置原则: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
10、有锻锤等大型振动设备,以及房屋较高、跨度较大,空间刚度要求较高时,均应布置纵向水平支撑。4.垂直支撑:所有厂房中均应设置垂直支撑。布置位置布置位置:梯形屋架在跨度L30m、三角形屋架在跨度L24m时,仅在屋架跨度中央设置一道垂直支撑,当屋架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。对于梯形屋架,在屋架两端还应各设置一道垂直支撑。沿厂房纵向,屋架的垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同沿厂房纵向,屋架的垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同一柱间。一柱间。5.系杆:系杆的作用系杆的作用:对于不设横向支撑的其它屋架,屋架上、下弦的侧向稳定性则由与横向支撑节点相连的系杆来保证。系
11、杆的类型系杆的类型:能承受压力和拉力的系杆称为刚性系杆刚性系杆;只能承受拉力的系杆叫柔性系杆柔性系杆。其长细比分别按压杆和拉杆控制。布置原则布置原则:在垂直支撑的平面内一般应设置上、下弦系杆;屋脊节点及主要节点处需设置刚性系杆,天窗侧柱处及下弦跨中附近设置柔性系杆;当屋架横向支撑设在厂房端部第二柱间时,则第一柱间的所有系杆均布置为刚性系杆。(三)、桁架支撑的计算1.1.计算原则计算原则计算原则计算原则:除系杆外各种桁架支撑均是垂直于屋架平面的平面除系杆外各种桁架支撑均是垂直于屋架平面的平面桁架,由设置的支撑杆件和屋架的弦杆或竖杆组成。桁架,由设置的支撑杆件和屋架的弦杆或竖杆组成。当支撑桁架受力
12、较小时,可不做内力计算,杆件截面按容许长当支撑桁架受力较小时,可不做内力计算,杆件截面按容许长细比选择;交叉斜杆和柔性系杆按拉杆设计,可用单角钢;非交细比选择;交叉斜杆和柔性系杆按拉杆设计,可用单角钢;非交叉斜杆、弦杆、竖杆及刚性系杆按压杆设计,可用双角钢组成叉斜杆、弦杆、竖杆及刚性系杆按压杆设计,可用双角钢组成T T形形或十字形截面。或十字形截面。当支撑桁架受力较大时,需按平面桁架体系计算支撑桁架的杆当支撑桁架受力较大时,需按平面桁架体系计算支撑桁架的杆件内力,进行杆件截面设计。件内力,进行杆件截面设计。2.内力计算内力计算:有交叉斜腹杆的支撑桁架是超静定体系,但因受力较小,一般可按下述简化
13、方法计算:即只考虑即只考虑受拉腹杆按柔性方案参与工作受拉腹杆按柔性方案参与工作。如图7-5中用虚线表示的一组斜腹杆因收压而退出工作,此时桁架按单斜杆静定体系计算;当荷载反向作用时,则认为另一组斜腹杆退出工作。二、门式刚架支撑设计门式刚架支撑设计 (一)门式刚架支撑的作用一)门式刚架支撑的作用1.门式刚架支撑的作用和类型门式刚架支撑的作用和类型:支撑的作用支撑的作用:通过在门式刚架之间设置支撑,使其与各个平行的刚架连成一体,形成一个具有足够强度、刚度和稳定性的空间整体结构,从而保证门式刚架结构在厂房纵向的几何不变性及梁柱构件在刚架平面外的稳定性。支撑的类型:支撑的类型:如图7-6所示;门式刚架的
14、支撑主要有:屋面横向水平支撑及系杆、柱间支撑、水平系杆、隅撑等。屋面横向水平支撑屋面横向水平支撑:系设置在框架梁的上翼缘平面,由框架梁的上翼缘作为弦杆,檩条和交叉斜杆作为腹杆而组成的水平桁架。对于未设置横向水平支撑的框架梁则通过系杆(或檩条)与之相连,从而使屋盖形成一个整体。柱间支撑柱间支撑:设置在纵向柱列轴线位置,并且应与屋面横向水平支撑布置在同一开间。隅撑:隅撑:为了提高框架梁、柱的整体稳定性,应在下列梁、柱的受压翼缘区域布置隅撑:(1)框架梁下翼缘受压区段内的每根檩条处;(2)框架柱中靠近柱上端内翼缘压应力较大的区段。隅撑也加强了檩条的竖向刚度,有利于提高檩条的承载力;隅隅撑对加强门式刚
15、架房屋钢结构撑对加强门式刚架房屋钢结构 的空间刚度非常有利。的空间刚度非常有利。(二)支撑结构的布置和计算 1.屋面横向水平支撑和系杆 布置原则:布置原则:横向水平支撑一般布置在厂房(或温度区段)两端第一或第二开间,并且每隔30 40m再布置一道,最大间距不应大于60m(图7-8)。在横向水平支撑的节点处应设置通长系杆,其中屋脊和檐口处系杆及当横向支撑布置在房屋两端第二开间时的第一开间系杆均为刚性系杆,其它为柔性系杆。内力计算:内力计算:屋面横向水平支撑的计算,应考虑由厂房两端抗风柱所传递的纵向风荷载及因阻止框架梁侧向失稳而起支撑作用所应承受的内力。横向水平支撑中的交叉斜杆可按拉杆设计,其竖腹
16、杆应按压杆设计。2.柱间支撑和水平系杆柱间支撑和水平系杆 布置原则:布置原则:柱间支撑通常沿纵向柱列每隔3040m布置一道,最大间距不应大于60m,当房屋高度较大时,柱间支撑应分层设置(如图7-9所示)。在柱间支撑的节点处,沿纵向柱列应设置通长的刚性水平系杆。内力计算:内力计算:柱间支撑内力计算时,应考虑屋面横向水平支撑传来的纵向风荷载及为了减小柱的侧向计算长度而起支撑作用所应承受的力。当厂房设有吊车时,还应计入吊车的纵向制动力。柱间支撑的计算简图可按支撑于柱脚基础上的悬臂桁架计算柱间支撑的计算简图可按支撑于柱脚基础上的悬臂桁架计算(如图7-9 所示)。3.隅撑隅撑 在框架梁中在框架梁中,隅撑
17、设置在框架梁下翼缘受压的区段内;而在而在框架柱中框架柱中,隅撑则设置在框架柱中靠近柱上端内翼缘压应力较大的区段。隅撑与梁、柱的连接方式如图7-7所示。第三节第三节 桁架设计桁架设计 一、桁架的内力计算一、桁架的内力计算 1.作用荷载:桁架上的作用荷载包括永久荷载和可变荷载两类,计算桁架内力时,应考虑荷载分项系数、荷载组合系数,并按最不利荷载组合情况计算桁架杆件内力。2.桁架计算简图:按铰接平面桁架计算简图进行内力计算。3.内力计算:首先把桁架上的作用荷载等效地转换到桁架节点上得节点荷载,然后可按结构力学中的数解法、图解法或平面桁架有限元程序计算铰接平面桁架杆件的轴力。待求得节点荷载作用下各杆件
18、的轴力后,对有节间荷载的弦杆,再按刚接桁架计算该类杆件的正负弯矩值。简化计算方法如图7-11所示。二、桁架杆件的计算长度二、桁架杆件的计算长度 (一一)桁架平面内的计算长度桁架平面内的计算长度L L0 x0 x 桁架平面内的计算长度根据杆件的节间长度和两端约束情况确定:1.1.上下弦杆上下弦杆:L0X=L(节间长度)2.腹腹 杆杆:支座处竖腹杆和斜腹杆L0X=L(节间长度)中部其它腹杆L0X=0.8L(L为节间长度)3.交叉腹杆交叉腹杆:L0X=节点中心至交叉点间的距离(如图7-12)。(二)(二)桁架平面外的计算长度桁架平面外的计算长度L L0Y0Y 桁架平面外的计算长度L0Y应取侧向支撑点
19、间的距离:1.上下弦杆上下弦杆:L0Y=L1(侧向支点间的距离)2.腹腹 杆杆:L0Y=L(节间长度)3.交叉腹杆交叉腹杆:交叉腹杆在桁架平面外计算长度的确定与杆件 受拉和受压有关,也与杆件在交叉点处的断开情况有关,具体计算参见教材的相关规定。受压弦杆的侧向支撑点间距L1时常为节间长度的2倍(图7-13(a),而弦杆两节间的轴心压力可能不相等(设N1N2),当用较大的轴力N1验算弦杆平面外稳定时,如果计算长度仍用L1显然过于保守。此时应按下式确定平面外的计算长度:L0Y=L1(0.75+0.25N2/N1)且L0Y0.5L1 计算时压力取正号,拉力取符号。再分式腹杆的受压主斜杆在桁架平面外的计
20、算长度(图7-13b),也按上式计算。在桁架平面内的计算长度则取节点间的距离。对于再分式受拉主斜杆在桁架平面外的计算长度仍取L1。(三)斜平面的计算长度三)斜平面的计算长度对于单角钢或双角钢组成的十字形截面腹杆,受压杆件将绕截面最小回转半径imin的轴整体失稳。该方向相对于桁架平面为一斜平面。绕该轴的计算长度取为:L0=0.9L(L为节间长度)三、桁架杆件的截面形式选择三、桁架杆件的截面形式选择 基本原则:基本原则:桁架杆件的截面形式应根据用料经济、连接构造简单和具有足够刚度等要求综合确定。(1)对于轴心受力的腹杆,应考虑两方向(绕X轴、Y轴)的等稳定性要求。(2)对于上弦杆,当为轴心压杆时,
21、应考虑等稳定性要求;当为压弯构件时,应适当加大弯矩作用方向的截面高度。(3)对于下弦杆,作为平面桁架的外框,应适当加大杆件在桁架平面外的刚度。普通桁架的杆件截面常采用角钢组合成的T形、十字形或单角钢截面。重型桁架常采用H型钢、箱形截面或两槽钢组合截面。此外,钢管(圆管或方管)也 是桁架结构中的杆件常用截面。四、桁架杆件截面设计四、桁架杆件截面设计 桁架的杆件一般为轴心受力构件,当桁架弦杆作用有节间荷载时,则弦杆为压弯(上弦)或拉弯(下弦)构件。对于轴心受力构件和拉弯、压弯构件的截面设计方法可分别参考第四章和第六章内容。普通纲桁架杆件截面设计时尚需注意下列问题:(1)宜优先选用肢宽壁薄的截面,使
22、杆件在相同用钢量的情况下截面具有较大的回转半径和惯性矩。(2)需用C级螺栓与支撑杆件相连接的桁架杆件角钢的边长,应注意其所能采用的螺栓最大直径。(3)为减少拼接的设置,桁架弦杆的截面宜根据弦杆的最大内力来选择,对于跨度不大的桁架宜采用等截面弦杆。(4)对于桁架的杆件,应根据杆件在桁架平面内、外的计算长度不同,选择不同形式的双角钢组合截面,尽量做到xy。(5)当桁架竖杆的外伸边需与垂直支撑相连时,则该竖杆宜采用由双角钢组成的十字形截面,以使垂直支撑对该竖杆的连接偏心为最小。(6)为了便于备料,整榀桁架所用的角钢规格不宜超过56种。五、桁架的杆件设计五、桁架的杆件设计 钢桁架一般在节点处设置节点板
23、,交汇于节点的各杆件都与节点板相连接,形成桁架的节点(图7-17),各杆件把力传给节点板并相互平衡。一般杆件(腹杆和端部弦杆)把杆件全部内力N传给节点板,而在节点处连续的杆件(如中部区域弦杆)则把节点两侧的内力差N传给节点板。当节点上作用有荷载P时,则传给节点板的力为N或N与P(如图7-24)。有局部弯矩的杆件则还要传递弯矩和剪力。杆件与节点板的连接通常采用焊接。对于输电线路塔架和一些需拆卸的桁架以及安装连接时也常采用C级螺栓。高强度螺栓连接在重型桁架中应用较多,可在工地现场进行拼装。本节主要介绍双角钢杆件组成的普通桁架的节点设计。本节主要介绍双角钢杆件组成的普通桁架的节点设计。(一)节点板的
24、厚度 钢桁架各杆件在节点处都与节点板相连接,传递内力并相互平衡。节点板中的应力分布非常复杂,确定节点板厚度的主要依据是各节点处每根杆件传给节点板的内力。因为整榀桁架的节点板厚度相同,故应以桁架的最大腹杆内力Nmax(对三角形桁架取弦杆端节间内力)来确定全桁架的节点板厚度。如表7-2所示。杆件的填板:杆件的填板:双角钢T形或十字形是组合截面,为保证两个角钢能整体共同受力,应每隔一定间距在两角钢间放置填板(缀板),如图7-18所示。填板中距Ld分别为:压杆 Ld40i1 拉杆 Ld80i1。(二)(二)节点设计的基本要求节点设计的基本要求 (1)各杆件的形心线理论上应与杆件轴线重合,以免出现偏心受
25、力而引起附加弯矩。但为了方便制造,通常将角钢肢背至杆件轴线的距离取为5mm的整数倍,所取数值应使轴线与杆件的形心线间距最小,作为角钢的定位尺寸(如图7-19)。当弦杆截面有改变时,为方便拼接和安放屋面构件,应使角钢的肢背齐平;此时应取两形心线的中线作为弦杆的共同轴线(图7-19),以减小两个角钢的形心线错开而产生的偏心影响。(2)节点处各杆件边缘间应留一定间隙C(图7-19),以便于拼接和施焊,并避免焊缝过于密集而使钢材焊接过热变脆。一般取c20mm;对直接承受动力荷载的焊接桁架,腹杆与弦杆之间的间隙取c50mm。但在桁架图中一般不直接表明各处c值,而是注明各切断杆件的端距以控制有足够的间隙c
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