1、第3章 普钢厂房结构设计,3.1 概述 3.2 结构选型与布置 3.3 横向框架的设计 3.4 吊车梁设计 3.5 普通钢屋架设计,3.5 普通钢屋架设计,确定屋架形式和尺寸 屋架荷载计算 屋架内力分析与组合 屋架杆件设计 屋架节点设计 绘制屋架盖施工图,钢屋架设计内容：,3.5.1 屋架荷载计算包括荷载取值、荷载汇集与荷载组合。 1.荷载取值作用于屋盖上的荷载包括永久荷载和可变荷载。 永久荷载：屋面材料自重（屋面板、保温隔热、防水、檩条 等）、屋架及支撑、天窗及吊顶等结构的自重； 可变荷载：屋面均布活荷载、屋面积灰荷载、雪载、风荷载以及悬挂吊车荷载等。 荷载取值方法：可由已给设计资料，查相应
2、荷载规范或者计算，得出具体的各种荷载标准值。,其屋架自重（包括支撑）估算公式为： =L L屋架跨度；按水平投影分布荷载 ;,系数，当屋面荷载 （轻屋盖）时，取=0.01；当屋面荷载 （中等屋盖）时，取=0.012； 当屋面荷载 （重屋盖）时，取=0.117/L+0.011。 注：当屋面坡度 时，对重屋盖可不考虑风载；但对于轻屋盖，应考虑负风压的影响。屋面活载与雪载不同时考虑，取两者较大值。,2.荷载汇集,将面荷载汇集为节点荷载,荷载标准值；,荷载分项因数，永久荷载1.2，可变荷载1.4，这里可变荷载不加组合系数。,荷载汇集图,注：组合（1）、（2）为使用阶段组合，（3）为施工阶段组合。 组合（
3、1）主要控制屋架上、下弦及靠近支座处的腹杆内力；组合（2）、（3）可能会使跨中部分腹杆产生最大内力或变号。通常，对于三角形屋架，只需进行第一种荷载组合即可；但对人字形屋架需进行第一、第二两种荷载组合；而对于梯形层架，尚应进行上述三种荷载组合。但当施工中能保证屋面板对称布置时，梯形屋架也可只进行上述的前两种荷载组合。,3.荷载组合为求出屋架最不利杆力，需进行荷载组合。对于简支屋架一般应考虑下列三种组合： （1）全跨永久荷载+全跨可变荷载 （2）全跨永久荷载+半跨可变荷载（考虑使用阶段的不利情况） （3）全跨屋架、支撑及天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载（考虑施工阶段的不利情况）,3.5.2
4、 屋架杆件内力计算,1.屋架杆件轴力计算 轴力计算方法：按节点荷载作用下的铰接平面桁架分析内力，屋架各杆件轴力可用图解法、数解法或矩阵位移法（电算）计算。为计算方便和减轻工作量，一般先计算屋架分别在左半跨和右半跨单位节点荷载下杆件内力，称杆件内力系数，全跨作用单位节点荷载的杆件内力系数由两者叠加得到。然后将杆件内力系数分别乖以各种荷载组合下节点荷载即得各种荷载组合下的杆件内力（常列表进行），比较各种荷载组合下的杆件内力可得杆件的计算控制内力。,注：有节间荷载作用的屋架，将节间荷载分配到相邻节点并按节点荷载求解杆件轴力。,计算内力系数计算,既要考虑杆件的连续性，又要考虑节点支承的弹性位移，一般采
5、用简化计算。端节间的正弯矩取0.8 ，其他节间的正弯矩和节点负弯矩取 ， 为将相应弦杆节间作为单跨简支梁求得的最大弯 矩（如下图）。,图7 上弦杆的局部弯矩 每节间一个集中荷载； 每节间两个集中荷载,2.节间荷载引起的局部弯矩计算有节间荷载作用的屋架，应计算节间荷载引起的局部弯矩。,3.5.3 屋架杆件截面设计,杆件截面设计步骤为：确定杆件的计算长度；确定杆件截面形式；选择合适的截面尺寸；验算杆件强度、稳定和刚度。,1.桁架杆件的计算长度和容许长细比（1）桁架杆件的计算长度,计算长度概念：将端部有约束的压杆转换为等效的两端铰接的理想轴心压杆,(a)(b)(c),杆端约束越强，杆件计算长度越短，
6、临界荷载越高 。,影响钢屋架杆端约束大小的因素：1）杆件轴力性质拉力使杆拉直，约束作用大，压力使杆件弯曲，约束作用微不足道。2）杆件线刚度大小线刚度越大，约束作用越大，反之，约 束作用越小。3）杆件连接的方式刚性相连，约束作用越大，反之，约 束作用越小。,根据杆件的刚度及其嵌固（约束程度来确定桁架杆件的计算长度。,1）桁架弦杆和单系腹杆的计算长度,桁架平面内计算长度弦杆支座斜杆 (节件长度） 支座竖杆中间腹杆,桁架平面外计算长度弦杆 （侧向支撑点间距离）腹杆 （节间长度 ）单角钢腹杆和双角钢十字形腹杆，绕最小主轴弯曲时杆轴处于斜平面内，其端部所受约束介于屋架平面内外的两种情况之间。,桁架弦杆和
7、单系腹杆的计算长度 归纳为下表2。,注：1. 为构件几何长度（节点中心间距离）； 为桁架弦杆侧向支承点间的距离。2.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。3.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。,2）变内力杆件的计算长度,式中： 较大压力，取正号；较小压力或拉力，压力取正号，拉力取负号。,平面内的计算长度仍按表2确定，但平面外变内力杆件的计算长度应按下式确定（考虑受力较小的杆件对受力大的杆件的“援助”作用）。,要求,交叉腹杆中交叉点处构造处理：1）两杆不断开。2）一杆不断开，另一杆断开，用节点板拼接。,3）桁架
8、交叉腹杆的计算长度,交叉腹杆中交叉点处构造示意,桁架平面内的计算长度应取节点中心到交叉点间的距离，即,在桁架平面内，无论另一杆为拉杆或压杆，两杆互为支承点。,在桁架平面外，拉杆可作为压杆的平面外支承点，压杆除非受力较小且不断开，否则不起侧向支点的作用。在桁架平面外的计算长度应按下表的规定采用。,（2）桁架杆件的容许长细比桁架杆件长细比的大小，对杆件的工作有一定的影响。若长细比太大，将使杆件在自重作用下产生过大挠度，在运输和安装过程中因刚度不足而产生弯曲，在动力作用下还会引起较大的振动。故在钢结构规范中对拉杆和压杆都规定了容许长细比。其具体规定见表4。,杆件容许长细比 表4,2.杆件的截面形式,
9、杆件截面选取的原则：承载能力高，抗弯强度大， 便于连接，用料经济通常 选用角钢和T型钢,截面伸展 壁厚较薄 外表平整,等稳定性设计： 对轴心受压杆件，宜使杆件对两个主轴有相近的稳定性，即可使两方向的长细比接近相等。,单轴对称截面绕对称轴屈曲时考虑扭转效应的换算长细比。,1）单壁式屋架杆件的截面形式,单壁式屋架杆件的常用截面形式,T型钢截面杆件的优点：耐腐蚀，经济性好（节省钢材12%15%)。,受压弦杆：,按等稳原则选择截面形式,受拉弦杆：,支座斜腹杆及竖杆：,其他腹杆：,连接垂直支撑的竖杆：,垂直支撑传力时竖 杆不致产生偏心，方便吊装。,2）双壁式屋架杆件的截面形式,填板的宽度：一般取5080
10、mm； 填板的长度：对T形截面应比角钢肢伸出1520mm，对十字形截面则从角 钢肢尖缩进1015mm，以便于施焊。 填板的厚度：与桁架节点板相同。 填板的间距：对压杆 ，拉杆 。 注意：在压杆的桁架平面外计算长度范围内，至少应设置两块填板。,要求：,图11,3）双角钢杆件的填板（垫板）设置 填板（垫板）作用： 保证两个角钢共同工作。,3.杆件的截面选择 一般要求：（1）在同一榀屋架中，型钢规格不宜太多，一般不超过56种。（2）尽量选用肢宽而薄的型钢，使回转半径较大，这对压杆尤为重要。（3）不得采用肢宽相同而厚度相差等于或小于 的角钢，以免施工时产生混料错误。（4）角钢型号不宜小于454或563
11、64 。（5）直接支承大型钢筋砼屋面板的上弦杆，其角钢外伸宽度不宜小于 （屋面板跨度 时），保证屋面板的支承长度。（6）计算单面连接的单角钢杆件时，钢材的强度设计值应折减，折减系数见表6。,钢材强度折减系数 表6,(7)对于连接支撑等的螺栓孔在节点板范围内，且距节点板边缘大于100mm时（图右），计算拉杆强度可不考虑截面削弱。,设计原则对轴心受拉杆件由强度要求计算所需的面积，同时应满足长细比要求。对轴心受压杆件和压弯构件要计算强度、整体稳定、局部稳定和长细比。计算方法按钢结构原理教材进行。,任务：确定节点的构造，连接焊缝及节点承载力的计算。节点的构造应传力路线明确、简捷、制作安装方便。 注意：
12、节点板只在弦杆与腹杆之间传力，不直接参与传递弦杆内力，弦杆若在节点板处断开，应设置拼接角钢在两弦杆间直接传力。,3.5.4 屋架节点设计,原则上，桁架应以杆件的形心线为轴线并在节点处相交于一点，以避免杆件偏心受力。为了制作方便，通常取角钢背或T型钢背至轴线的距离为5mm的倍数。当弦杆截面沿高度有改变时，为便于拼接和放置屋面材料，一般将拼接处两侧弦杆表面对齐，这时形心线必然错开，此时宜采用受力较大的杆件形心线为轴线（指导书图12）。当两侧形心线偏移的距离不超过较大弦杆截面高度的5%时，可不考虑此偏心影响。,1 节点设计的一般要求,当偏心e0.05h时考虑偏心对杆件产生的附加弯矩：,汇交于节点的各
13、杆件线刚度之和。,式中,在屋架节点处，腹杆与弦杆或腹杆之间焊缝的净距，不宜小于10mm，或者杆件之间的空隙不小于1520mm（上右图），以便制作，且可避免焊缝过分密集，致使钢材局部变脆。,角钢端部的切割一般垂直于其轴线图13a。有时为减小节点板尺寸，允许切去一肢的部分图13b、c，但不允许将一个肢完全切去而另一肢斜切图13d。,图13,节点板的外形 应尽可能简单而规则，宜至少 有两边平行，一般采用矩形、 平行四边形和直角梯形等。节点板边缘与杆件轴线的夹 角不应小于15图14a。单斜杆与弦杆的连接应使之不出现连接的偏心弯矩图14b。,图14,节点板的平面尺寸，一般应根据杆件截面尺寸和腹杆端部焊缝
14、长度画出大样图来确定，但考虑施工误差，宜将此平面尺寸适当放大。节点板厚度根据腹杆最大内力（梯形和人字形）或弦杆端节间内力（三角形）按表7选用。,Q235钢单壁式焊接屋架节点板厚度选用表 表7,注：1. 节点板钢材为Q345钢或Q390钢、Q420钢时，节点板厚可按表中数值适当减小。2.本表适用于腹杆端部用侧焊缝连接的情况。3.无竖腹杆相连且自由边无加劲加强的节点板，应将受压腹杆内力乘以1.25后再查表。,支承大型混凝土屋面板的上弦杆，当支承处的总集中荷载（设计值）超过表8的数值时，弦杆的伸出肢容易弯曲，应对其采用图15的做法之一予以加强。,图15,2.节点设计的一般步骤（1）确定节点构造；（2
15、）根据腹杆内力确定腹杆与节点板的连接焊缝。一般先假定焊杆尺寸 和 ，然后求焊缝计算长度 和 。,肢背焊缝计算长度 肢尖焊缝计算长度 式中：N腹杆的轴力设计值；、 角钢肢背、肢尖焊缝受力分配系数；角焊缝强度设计值。注意:焊脚尺寸和焊缝长度的构造要求，单角钢单面连接的焊缝设计强度应乘0.85折减系数。,（5）根据基本要求切断杆件，一般应使杆件长度为 的倍数。（6）根据计算结果布置焊缝。（7）适当考虑制作和装配误差，定出节点板外形，节点板应满足基本要求。（8）标注尺寸。杆件轴线位置，即轴线至肢背距离；节点中心到节点板边的距离；杆件端部至节点中心的距离；标注焊缝及其尺寸。,（3）按比例画出屋架轴线。
16、（4）根据基本要求画出杆件轮廓线。,（9）节点验算。对不同节点验算弦杆与节点板的焊缝；对拼接节点，计算拼接角钢长度、拼接焊缝，对支座节点计算支座底板、加劲肋等。,3. 角钢桁架的节点设计角钢桁架是指弦杆和腹杆均用角钢做成的桁架。一般节点指节点无集中荷载和无弦杆拼接的节点，例如无悬吊荷载的屋架下弦的中间节点（图16）。节点板应伸出弦杆1015mm以便焊接.腹杆与节点板的连接焊缝按受轴心力角钢的角焊缝计算。弦杆与节点板的连接焊缝，应考虑承受弦杆相邻节点间内力之差N=N2-N1，按下列公式计算其焊脚尺寸：,肢背焊缝： 肢尖焊缝：,式中 、 内力分配系数；角焊缝强度设计值。,通常因N很小，实际所需的焊
17、脚尺寸可由构造要求确定，并沿节点板全长满焊。,图16,角钢桁架有集中荷载的节点 节点板缩进上弦角钢背时（缩进距离不宜小于(0.5t+2)mm，也不宜大于t，t为节点板厚度）。 角钢背凹槽的塞焊缝假定只承受屋面集中荷载，按两条角焊缝（焊脚尺寸为0.5t）计算其强度：,式中 Q节点集中荷载垂直于屋面的分量；焊脚尺寸，取 ；正面角焊缝强度增大系数。对承受静力荷载和间接承受动力荷载的屋架， ；对直接承受动力荷载的屋架， 。,实际上因Q不大，可按构造满焊。,图17,肢尖角焊缝传递弦杆相邻节间的内力差和偏心力矩 。 其焊缝强度按下式计算：,式中 肢尖焊缝的焊脚尺寸。,肢背焊缝：肢尖焊缝：,式中 、 伸出肢
18、背的焊缝焊脚尺寸和计算长度；、 肢尖焊缝的焊脚尺寸和计算长度。,节点板伸出或部分伸出当肢尖焊缝不满足上式要求时，可将节点板部分向上伸出图17(c)或全部向上伸出图17(d)。 此时弦杆与节点板的连接焊缝应按下列公式计算：,角钢桁架弦杆的拼接及拼接节点,工厂拼接位置通常在节点范围以外。 工地拼接位置一般在节点处。 拼接角钢传递弦杆内力。拼接角钢宜采用与弦杆相同的截面。,图18,应将拼接角钢的棱角铲去，并切去竖肢。设置安装螺栓。,拼接角钢与节点板各焊于不同的运输单元。,拼接角钢的竖肢切处长度： mm， 式中 t 为角钢厚度， 为拼接焊缝的焊脚尺寸。,式中 N杆件的轴心力，取节点两侧弦杆内力的较小值
19、。拼接角钢的长度为：,式中 b两弦杆杆端的空隙，对于下弦拼接节点取b=1020mm；对于上弦屋脊拼接节点，取b=3050mm。,屋脊节点处的拼接角钢，一般采用热弯成形或将角钢竖肢切口再弯折后焊成（当屋面坡度较大且拼接角钢肢较宽时）。 拼接角钢或拼接钢板的长度，应根据所需焊缝长度决定。接头一侧的连接焊缝长度应为：,弦杆与节点板的连接焊缝，应按一般节点中的肢背、肢尖焊缝计算公式进行。 注意： 的取值。 取相邻节间弦杆内力之差或弦杆最大内力的15%，两者较大值。 当节点处有集中荷载时，则应采用上述 值和集中荷载Q值，按角钢桁架有集中荷载的节点计算方法验算。,焊缝计算,角钢桁架的支座节点,支座节点分类
20、：屋架与柱子的连接可以做成铰接或刚接。 支承于混凝土柱或砌体柱的屋架一般都是按铰接设计，而屋架与钢柱的连接则可为铰接或刚接。,支座节点的组成：加劲肋的作用：,支座节点的构造要求：为便于施焊，屋架下弦角钢背与支座底板的距离e（图19、图20）不宜小于下弦角钢伸出肢的宽度，也不宜小于130mm。屋架支座底板与柱顶用锚栓相连，锚栓预埋于柱顶，直径通常为2024mm。为便于安装时调整位置，底板上的锚栓孔径宜为锚栓直径的22.5倍，屋架就位后再加小垫板套住锚栓并用工地焊缝与底板焊牢，小垫板上的孔径只比锚栓直径大（12）mm。,节点板 加劲肋 底板 锚栓,提高支座节点的侧向刚度，使支座底板受力均匀，减少底
21、板弯矩,支座节点的传力路线：桁架各杆件的内力通过杆端焊缝传给节点板，然后经节点板与加劲肋之间的垂直焊缝L ，把一部分力传给加劲肋，再通过节点板、加劲肋与底板的水平焊缝H把全部支座压力传给底板，最后传给支座。,传力路径图,支座节点的计算：,1）支座底板的计算 * 支座底板的毛面积应为：,式中 R支座反力；支座钢筋混凝土局部承压强度设计值；锚栓孔的面积。,底板短边的长度一般不小于200mm。 * 底板的厚度,式中 底板下反力的平均值， ；系数，由 值按表9查得：、 对角线长度及其中点至另一对角线的距离,按均布荷载下板的抗弯计算，将基础反力看成均布荷载q,底板被节点板和加劲肋分成4块两相邻边支撑的板
22、，其单位宽度的弯矩为：,底板的厚度应为：,底板不宜太薄，一般其厚度不宜小于1620mm。,2）加劲肋设计 加劲肋：高度由节点板的尺寸决定，其厚度取等于或略小于节点板的厚度。按悬臂梁计算，固端截面的剪力 V=R/4，固端截面的弯矩M=Vb/4 。,加劲肋与节点板间竖向焊缝L:,焊缝受力： V=R/4 ，M=Vb/4 。,焊缝验算：,3）底板焊缝计算 支座底板与支座节点板、加劲肋的连接焊缝按承受全部支座反力R计算。 验算式为：,其中焊缝计算长度之和 cm， t和c分别为节点板厚度和加劲肋切口宽度（图19、图20）。,4. T 型钢作弦杆的屋架节点 当腹杆也用T型钢或单角钢时，腹杆与弦杆直接焊接(不
23、需要节点板)； 当腹杆采用双角钢时，有时需设节点板，节点板与弦杆采用对接焊缝，此焊缝承受弦杆相邻节间的内力差以及内力差产生的偏心弯矩，可按下式进行计算：,式中 由斜腹杆焊缝确定的节点板长度；节点板厚度，通常取与T型钢腹板等厚；对接焊缝抗剪强度设计值；、 对接焊缝抗拉、抗压强度设计值。,或,角钢腹杆与节点板的焊缝计算同角钢桁架。,5.连接节点处节板件的计算 （1）强度计算当节点板厚度不满足表7的要求时，节板件在拉、剪作用下的强度，应按下列公式计算： 方法1 （见图22）,式中 作用于板件的拉力；第 段破坏面的截面积，当为螺栓（或铆钉）连接时取 净截面面积；板件的厚度；第 破坏段的长度，应取板件中
24、最危险的破坏线的长度（图 22）；第 段的拉剪折算系数；第 段破坏线与拉力轴线的夹角。,图22,方法2：有效宽度法（见图23） 有效宽度法计算式：,式中 板件的有效宽度（图23），当用螺栓（或铆钉）连接时，应取净宽度图23 ；图中应力扩散角，可取为30。,图23 板件的有效宽度,（2）稳定计算 目的：为了保证桁架节点板在斜腹杆压力作用下的稳定性。 方法：满足下列条件，可不计算稳定,否则应计算稳定。,对有竖腹杆或无竖腹杆但自由边有加劲肋（图21）的节点板,图21 无竖腹杆但自由边有加劲肋的节点板,对无竖腹杆且自由边无加劲肋的节点板,且,受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆边缘的净距离；,注
25、：在任何情况下 不得大于,t为节点板厚度。,注：在任何情况下 不得大于,（3）构造要求 采用上述方法计算节点板的强度和稳定时，应满足下列要求：节点板边缘与腹杆轴线之间的夹角应不小于15；斜腹杆与弦杆的夹角应在 3060之间；节点板的自由边长度 与厚度 之比不得大于60 ，否则应根据构造要求沿自由边设加劲肋予以加强。,3.5.5 绘制屋架施工详图,屋架施工图常按安装单元或运送单元绘制。一般屋架可划分为两个或三个运送单元，但可作为一个安装单元进行安装。1.施工图的主要内容(图24）包括屋架单线图（简图）、屋架运送单元正视图、上弦及下弦杆俯视图、必要数量的侧视量以及若干零件大样图、整榀屋架的材料表及
26、说明。2. 施工图的布图原则(图24）（1）通常在图纸左上角绘整榀屋架简图，简图比例视图纸空隙大小而定，图中一半注上几何长度(mm)，另一半注上杆件的计算内力（kN）；（2）施工图的主要图面用以绘制屋架的正面图，上、下弦的平面图，必要的侧面图和剖面图，以及某些安装节点或特殊零件的大样图。,图24,3.绘图比例屋架施工图通常采用两种比例尺：杆件轴线一般为1：201：30，以免图幅太大；节点（包括杆件截面、节点板和小零件）一般为1：101：15，可清楚地表达节点的细部构造要求。,4.屋架起拱当梯形屋架跨度 L24m或三角形屋架跨度 L15m时，应考虑起拱，其起拱高度约为 （图25），起拱值可注在简
27、图中，也可以注在说明中。,图25 屋架的起拱,5.零部件编号编号顺序：按主次、上下、左右顺序逐一进行。 编号原则：只有在两个构件的所有零件的形状、尺寸、加工记号、数量和装配位置等全部相同时，才给予相同的编号。不同种类的构件（如屋架、天窗架、支撑等），还应在其编号前面冠以不同的字母代号（例如屋架用W、天窗架用TJ、支撑用C等）。此外，连支撑、系杆的屋架和不连支撑、系杆的屋架因在连接孔和连接零件上有所区别，一般给予不同编号W1、W2、W3、等，但可以只绘一张施工图。 6.尺寸标注在施工图中应全部注明各零件（杆件和板件）的定位尺寸、孔洞的位置，以及对工厂加工和工地施工的所有要求。,7.材料表的编制材
28、料表一般包括各零件的截面、长度、数量（正、反）和重量（单重、共重和合重）。材料表的用处主要是配料和算出用钢指标，其次是为吊装时配备起重运输设备，还可使一切零件毫无遗漏地表示清楚。 8. 施工图的说明应包括所有钢材的牌号、焊条型号、焊接方法和质量要求；图中未注明的焊缝和螺孔尺寸；以及油漆、运输和加工要求等图中未表现或不易表达的其他内容。,定位尺寸主要有：杆件轴线至角钢肢背的距离，节点中心至所连腹杆的近端端部距离，节点中心至节点板上、下和左、右边缘的距离等。,3.5.6 刚接屋架（框架横梁）设计特点,1.内力计算特点 2.屋架截面选择中，下弦端节间可能受压时，长细比的控制方法。 3.支座节点的连接计算特点。,屋架与柱的刚接： 刚接节点连接焊缝传递内力由以下两部分组成： 屋面荷载产生的横梁端反力， 横梁端弯矩在上下弦轴线处产生的附加水平力、附加竖向反力，下弦处的水平力中还应包括框架内力组合的相应水平剪力。,
