钢结构(第三版)第三章经典讲义.ppt

第七章 单层房屋钢结构第一节 概述一、钢结构设计一般步骤1、判断结构是否适合用钢结构；2、结构选型与结构布置 考虑不同结构形式的特点。当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载工业厂房，可采用网架。雪载大时屋面曲线应有利于积雪滑落(切线50o不考虑雪载)，如采用网壳。在框架中布置支撑比节点刚接框架经济性更好。大跨度建筑可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层建筑采用钢混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则的高层中，宜选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。结构布置 根据体系特征、荷载分布和性质等综合考虑。要刚度均匀，符合力学模型，尽量限制大或移动荷载的影响范围，以最直接的线路传递到基础。柱间支撑的分布均匀，形心尽量靠近侧向力(风、震)的作用线，否则应考虑结构的扭转。结构抗侧应有多道防线，有支撑框架的柱子应单独承受1/4的总水平力以上。框架结构的楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。次梁沿短向布置时截面小，会使主梁截面加大，减少了楼层净高；把次梁支撑在较短的主梁上，次梁截面加大，但主梁截面减小，应综合分析。3、预估截面 根据受力情况合理选择安全经济美观的截面。钢梁梁高H=l/20l/50。翼缘宽度b按l/b限值确定时，不作整体稳定计算。板件厚度可按局部稳定的构造规定预估。柱截面按长细比预估，通常50150。4、结构分析 目前钢结构设计结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-，p-效应。典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形，结构通过手算进行分析，复杂结构需要建模运行程序并做详细的结构分析。完全依赖结构软件有可能带来结构灾难，注重概念设计、工程判定（评估各向周期、总剪力、变形特征等，修改模型重新分析,或修正计算结果。）和构造措施有助于避免这种灾难。5、构件设计 材料的选择：强度起控制作用时，可选择Q345；稳定控制时，宜使用Q235。使用结构软件应注意：（1）构件的截面验算时，计算长度系数的取值有时会不符合规范的规定。尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件，应该逐个检查。（2）预估的截面不满足时，加大截面方法：抗弯和抗剪强度不满足，分别加大翼缘和腹板厚度。变形超限加大截面的高度。6、节点设计 （1）焊接 焊接焊缝尺及形式规范有强制规定。焊缝重心尽量与被连接构件重心接近。（2）栓接（3）梁腹板高强螺栓常用M16M30。要验算栓孔处腹板的净截面抗剪。承压型连接还需验算孔壁局部承压。考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等，方便现场定位与临时固定。钢管连接节点的相贯线的切口可能需要数控机床等设备才能完成。（4）便于施工（5）制作条件7、图纸编制 钢结构工程应按方案设计、初步设计和施工图设计三个阶段进行设计。小型和技术要求简单的钢结构工程经有关主管部门同意，方案设计可代替初步设计，经审批后可直接转入施工图设计。1）方案设计 根据设计任务书及建(构)筑物的建筑设计方案进行编制，由设计说明书、设计图纸及投资估算等三部分组成。深度应满足建筑工程设计招投标及业主向规划部门送审的要求。（1）方案设计文件的编排顺序 封面：写明方案名称、编制单位、编制年月；扉页：写明方案编制单位行政及技术负责人、具体编制设计负责人；方案设计文件目录；设计说明书；设计图纸；工程投资估算。（2）设计说明书 设计依据及设计要求：设计与施工应依据的规范、规程及规定；所在场地地震基本烈度、建筑场地类别；荷载选用。设计主要阐述内容：结构选型概述；结构抗震设防情况；新结构、新材料采用情况；条件许可时阐述基础选型及钢结构连接方式；其它需要阐述的问题。（3）设计图纸 有建筑方案设计图的工程，结构方案可通过建筑设计图进行表达，不另行提供图纸。对无建筑方案设计图的钢结构工程应画出反映上部结构的构件平立面布置图并标注出柱网平面、立面高度等主要尺寸，以及构件的主要断面形式。（4）投资估算 投资估算文件包括投资估算的编制说明、投资估算表及用钢量估算表。2）初步设计 由设计说明书、设计图纸、工程概算书（包括钢材估算书）三部分组成。（1）初步设计文件的编排顺序 封面：写明方案名称、编制单位、编制年月；扉页：写明方案编制单位行政及技术负责人、具体编制设计负责人；初步设计文件目录；设计说明书；设计图纸；工程概算书。（2）深度 应满足建筑工程审批的要求。原则上应符合已审定的方案设计；应提供工程设计的概算，作为审批、确定项目投资的依据；能据以进行施工图设计；业主能据以进行施工招标准备。（3）设计说明书设计说明书包括：设计依据与设计要求 设计与施工依据的规范、规程及规定；所在场地地震基本烈度、建筑场地类别；地质初勘报告；荷载选用；设计的其它要求（防腐、防火要求等）。设计说明应包括以下内容 工程地质和水文地质概况，特殊地质应加以说明；基础方案选择、地基处理方案及基础形式确定（桩基应说明桩类型，选定桩基持力层及进入深度）；上部结构选型；抗震设防烈度；伸缩缝、沉降缝抗震缝的设置；特殊结构处理；钢材及连接材料的选用与说明；高层钢结构的主要结构特征参数；防腐和防火处理办法；新技术、新结构、新材料的采用；其它需说明的内容。（4）设计图纸反映结构特征的图纸，包括：桩位（对桩基础）及基础平面布置图；上部结构主要钢构件平立面布置图，应标注出柱网平面、立面高度等尺寸及构件断面形式、规格等。内部作业文件（结构简图、计算书、文字说明）均应经过校审并妥善保存以供查对和进行施工设计时使用。（5）概算 单项钢结构工程的设计概算文件包括概算编制说明、工程概算书、其它工程和费用概算书及钢材、水泥等主要材料表。3）施工图设计（1）内容 根据已批准的初步设计进行编制，包括封面、图纸目录、设计施工说明、图纸以及结构计算书、工程预算书等。（2）分类 一般可为施工图设计和详图设计二个阶段，设计图纸的名称相应为施工图和施工详图。施工图是编制施工详图的依据、施工详图则 是施工图的深化和补充。（3）施工图深度 能据以编制施工图预算和施工招标；能据以进行备料；能满足加工制作单位据以完成施工详图的要求；能据以进行工程验收。（4）施工详图深度（5）结构计算书 应满足据以完成构件制作、安装的要求。节点详图的连接形式和方式是否符合施工图要求、结构关键部位是否符合施工图要求应得到施工图设计者的确认。应采用经鉴定的软件，注明软件名称、代号及版本。荷载简图、原始数据和电算结果应注明来龙去脉。计算书手算时，应绘出平面布置和计算简图，标出构件编号、计算公式及计算过程。计算步骤要条理分明，引用数据要有可靠依据。内容与图纸一致，若图纸作修改，应在计算书中反映，以供查核。采用标准图集时，应结合工程作必要的选用和核算工作；采用重复利用图时，应作因地制宜的修改及进行必要的核算，以切合工程实际。计算书（电算书）应经认真校审，留有痕迹，并装订成册，设计人、校审人应在计算书封面分别签字，封面上应注明项目名称编号和计算日期。计算书成品稿应作为设计技术文件归档。（6）钢结构施工图内容图纸目录 工程编号及名称、图纸版本号、图纸（包括套用标准图）编号及名称、规格大小、张数、出图日期等。设计施工总说明 设计依据及设计要求：设计与施工应依据的规范、规程及规定；工程地质详细勘察报告；设计抗震设防烈度、近震及远震、建筑场地类别；设计上0000相当的绝对标高值；长度计量单位；荷载选用；其它设计依据与设计要求。材料选用：包括钢材牌号（必要时提出的具体要求）、型钢成材方式（热轧、冷弯、焊接等）；连接材料或焊接材料的名称规格要求。除锈、涂装及防火要求；构造、制作和安装技术要求；连接焊缝质量等级及无损检测的要求；其它必要的设计施工说明。基础平面图及基础详图 除常规的钢筋混凝土基础表示内容外，应有钢柱与基础连接的平面位置、连接方式及构造要求等内容（预埋螺栓的方式、位置、规格、数量或预留杯口大小、深度、位置及预留钢筋等）。结构的构件平面布置图 构件平、立面布置图上的构件可用单线（粗实线）表示。内容包括：构件几何轴线在平、立面（或空间）的位置、标高及与建筑相互关系；构件轴线尺寸及构件相互间的几何关系；构件的编号或规格；需进一步表达的节点、构件断面等部位的详图索引编号。构件设计图 构件设计图应有构件名称及编号，必要的平、立、剖视图及外形尺寸，组成构件的零件规格、尺寸、位置及加工要求，各零件间焊缝的形式和尺寸或螺栓的规格、数量、位置等。构件设计图难以表达清楚的节点详图和说明。平面或空间杆系结构的设计图应有构件名称及编号，杆件内力、杆件几何轴线尺寸、杆件编号或规格的杆件布置图。节点设计详图 详图名称或索引详图编号；标有构件编号及构件间相互关系的节点构造详图；节点间的连接形式和方式（焊接、螺栓连接等），节点内力；节点连接件的设置要求；节点设计计算要求。（7）钢结构施工详图内容图纸目录施工详图说明 在直接操作过程中所依据的规范、规程、标准及规定；选用钢材、焊接材料、连接件、焊接坡口形式、焊接工艺评定、无损检测、构件几何尺寸允许偏差、除锈、涂装、防火、包装、运输、保管、组件预拼装、现场安装等要求。构件平（立）面布置图（注明构件位置、编号、构件清单、图例等）。构（组）件施工详图 施工详图应清晰显示构件几何形状和断面尺寸。包括构件在平、立面图中所处安装位置、编号、轴线、标高；构件材料表，其内容包括构件名称、数量、材质、品种、规格、单重、总重；构件连接件品种、规格、数量；构件开孔及焊接要求（开孔位置，大小、数量、焊缝、坡口形式、焊缝尺寸、衬垫）；相关件连接尺寸、方向、标志等。节点施工详图 在施工图节点设计详图的基础上确定连接件（节点板、预埋件等）连接材料（焊缝、螺栓、栓钉等）的型式、材质、规格、位置、数量、重量等要求。施工安装图和预拼装图（如需要）内容应包括：构件平、立面布置图（可用单线绘制），标明构（部）件位置、编号、标高、方向等要求以及螺栓、栓钉、预埋件等布置要求。4）工程施工预算书 由原设计单位或具有相应资质的工程造价咨询单位编制工程施工预算书，并与已批准的初步设计概算进行核对，其造价应控制在批准的初步设计概算造价之内。加工程预算书超过初步设计概算时，应分析原因，提出建议。二、桁架的特点和应用 桁架是指由直杆在杆端相互连接而组成的以抗弯为主的格构式结构。桁架中的杆件大多只承受轴向力，材料性能发挥较好，特别适用于跨度或高度较大的结构。桁架主要用于空间桁架（网架和塔架）、平面桁架（屋架、吊车桁架、水工结构中的钢栈桥、钢桁架引桥、钢闸门中的桁架等）三、平面桁架的外形和腹杆体系 影响桁架外形选择的因素：1.满足使用要求；2.受力合理；3.便于制做和安装；4.综合技术经济效果好。常用的平面桁架的外形如图三角形屋架：受力不均匀，刚度小，坡度大，排水好，用于中、小跨度轻屋面结构。梯形钢屋架：外形与弯矩图较接近，受力好，省材料。矩形钢屋架：腹杆长度一致，杆件类型少，标准化、工业化程度高，主要用于托架、支撑体系。桁架应具有适当的中部高度H和端部高度H0。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、刚度要求的最小限值、以及使弦杆和腹杆总用钢量最少的经济高度。简支梯形和平行弦桁架，通常H=（1/6 1/10）L,钢屋架中常用H0=1.82.2m。屋架上弦节间：据屋面材料定，尽可能使荷载直接作用在屋架节点上 四门式刚架一）特点和应用1.定义 门式刚架是由梁、柱单元构件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的中、轻级工作制桥式吊车或30kN悬挂式起重机的单层房屋钢结构。2门式刚架的特点(1)结构自重轻,基础造价低。(2)外形简洁、美观。(3)对抗震非常有利。(4)建造速度快，装拆方便。3适用范围 门式刚架通常用于跨度为936m（我国单跨门式刚架的跨度已达到72m）；柱距为4.512m；柱高为4.59m；设有吊车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑。二）门式刚架的结构形式1按选材分普通和薄壁型钢、钢管刚架等；2按跨度分单跨、双跨或多跨的单、双坡门式刚架。3按截面形式分等截面和变截面。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。4 横梁与柱刚接，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。5 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1.定位轴线及尺寸 刚架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。四）桁架支撑设计（一）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。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。（2）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。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。（5）保证结构安装时的稳定且便于安装。（4）承受并传递水平荷载。（二）桁架支撑的种类和布置1.桁架支撑的种类2.设置(1)上弦横向水平支撑 保证屋架侧向刚度和屋盖的空间刚度，减小上弦在平面外计算长度，承受和传递端墙的风荷载。有檩体系或采用大型屋面板（无檩体系)的屋盖中都应设置上弦横向水平支撑。上弦横向水平支撑应设置在房屋的两端或当有横向伸缩缝时在温度缝区段的两端。横向水平支撑的间距不宜超过60m。（2）下弦横向水平支撑 山墙抗风柱的支点，承受并传递水平风荷载、悬挂吊车的水平力和地震引起的水平力，减小下弦的平面外计算长度，减小下弦的振动。当L18m，且没有悬挂吊车和较大的振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。其它情况均应设置下弦横向水平支撑。下弦横向水平支撑应与上弦横向水平支撑设在同一柱间，以形成空间稳定体系。（3）纵向水平支撑 增加屋盖空间刚度，承受和传递吊车横向水平制动力。设有托架、有重级、中级工作制吊车、锻锤等大型振动设备，以及房屋较高、跨度较大，空间刚度要求高时，均应在屋架下弦端节间设置纵向水平支撑。纵向水平支撑与横向水平支撑形成闭合框，加强屋盖结构的整体性并提高房屋纵、横向的刚度。（4）垂直支撑 使相邻屋架形成几何不变的空间体系，保证侧向稳定。房屋都应设置垂直支撑。梯形屋架两端都应设置，托架可起垂直支撑作用。垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同一柱间。（5）系杆 无横向支撑的其它桁架上下弦的侧向稳定性由与横向支撑节点相连的系杆来保证。能承受拉力也能承受压力的系杆，叫刚性系杆；只能承受拉力的，叫柔性系杆。（三）桁架支撑的计算 支撑桁架受力较大，或结构按空间工作计算（纵向水平支撑体系需作为柱的弹性支座）时，支撑杆件应按桁架体系计算内力，进行截面设计。有交叉斜腹杆的支撑桁架是超静定体系，一般常用简化方法进行分析。可采用柔性方案设计，腹杆只考虑拉杆参于工作。如图中用虚线表示的一组斜杆因受压而退出工作，此时桁架按单斜杆体系分析。当荷载反向作用时，则认为另一组斜杆退出工作。当斜杆按可以承受压力设计时（刚性方案设计），可按结构力学的方法进行内力分析。支撑连接的构造力求简单，安装方便。一般用M20粗制螺栓连接，杆件每端至少2个螺栓。圆钢作柔性支撑杆件时，采用花篮螺栓，将杆件张紧。五）门式刚架支撑设计空间整体结构。支撑与刚架一般采用铰接连接。门式刚架支撑主要有屋面横向水平支撑及系杆、柱间支撑和水平系杆、隅撑等。屋面横向水平支撑一般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，再通过系杆(或檩条)将不设横向水平支撑的框架梁连系起来，使屋盖形成一个整体。柱间支撑应与横向水平支撑布置在同一开间，承受和传递房屋的纵向水平风荷载、吊车纵向水平制动力和纵向水平地震作用，减小柱子的侧向计算长度和保证房屋的纵向刚度和整体刚度。在框架梁下翼缘受压区段内的每根檩条处和框架柱中靠近柱上端内缘翼压应力较大的区段，均应设置隅撑，作为框架梁和柱受压翼缘的侧向支承，提高梁和柱的整体稳定性；隅撑加强了檩条的竖向刚度，有利于提高檩条的承载能力。2支撑结构布置和计算(1)屋面横向水平支撑及系杆 房屋(或温度区段)两端应布置，最大间距60m。在横向水平支撑的节点处应设通长系杆，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。檩条可以代替系杆，但必须满足受力要求，刚性系杆可采用钢管，也可以采用两根槽形截面檩条。计算横向水平支撑的内力时，应考虑由房屋两端抗风柱所传递的纵向风荷载及阻止框架梁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杆件，通常采用圆钢，按拉杆设计，通过两端螺帽或中间花兰螺栓使保证其张紧状态。横向水平支撑中的竖杆应按压杆设计。(2)柱间支撑和水平系杆 沿纵向布置，最大间距60m，当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置。在柱间支撑的节点处，沿纵向柱列应设通长的刚性水平系杆。柱间支撑内力计算时应考虑由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承受的力。当厂房内设置吊车时，还应计入吊车的纵向制动力。柱间支撑的计算简图可按支承于柱脚基础上的悬臂桁架计算。支撑的交叉杆按拉杆设计。水平系杆按压杆设计。为了加强房屋的纵向刚度，柱间交叉支撑有时也可按压杆设计。三、钢檩条设计1、实腹式檩条计算 简图 荷载计算 对x-x轴 qy=qcos 对y-y轴 qx=qsin q为线荷载。屋面均布活荷载的取值：不上人屋面：对压型钢板等轻质屋面，验算屋面板和檩条时取0.5kN/m2，验算屋架、刚架等承重结构时取0.3kN/m2，施工荷载较大时按实际情况取。上人屋面：按使用要求确定，但不小于1.5kN/m2。强度：按照梁的计算公式计算。注意：无拉条、一根拉条时，采用檩条跨中弯矩；有两根拉条时，如跨中qyqx/3.5，采用跨度1/3处的弯矩。挠度：只验算垂直于屋面方向的挠度，以保证屋面平整。整体稳定性 如果满足：设置檩间拉条、屋面坡度1/7、屋面刚度较大且与檩条用焊缝或螺栓连牢时，可不作整体稳定性验算。否则需按梁的计算公式验算。第二节 重型厂房钢结构设计一、桁架的内力计算1.计算简图 荷载、荷载分项系数、组合系数等，按荷载规范计算。永久荷载：屋面材料、保温层、防水层、吊车梁、檩条、支撑、屋架、天窗架等结构自重。可变荷载：屋面活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载、悬挂吊车荷载等。屋面活荷载与雪荷载不同时出现，取两者中较大值计算。荷载组合：永久荷载可变荷载；永久荷载半跨可变荷载；屋架、支撑和天窗架自重半跨屋面板重半跨屋面活荷载。实际钢桁架的节点刚性大，接近于刚接。通常钢桁架中各杆件的抗弯刚度较小，按刚接桁架算得的杆件弯矩M常较小，杆件的轴心力N与按铰接桁架计算的结果相差不大。故一般情况都按铰接桁架进行计算。对于承受较大荷载的重型钢桁架，例如铁路桁架桥等，当杆件截面高度超过其长度的1/10时，M引起的次应力的比重逐渐增大，可达1030%或以上，应按刚接桁架进行内力计算。2.计算方法 桁架只承受节点荷载时，可用数解法（节点法或截面法）、图解法或有限单元法按节点荷载作用下的铰接桁架计算杆件的轴力。有节间荷载作用的桁架，可按刚接桁架用计算机求解内力。也可采用简化法，先把所有节间荷载按该段节间为简支，求出支座反力，再把支座反力反向与节点荷载叠加，按只有节点荷载作用，计算桁架各杆的轴力。然后对有节间荷载的杆件计算局部弯矩。M0为将上弦节间视为简支梁所得跨中弯矩，取中间节间正弯矩及节点负弯矩为M=0.6 M0,而端节间正弯矩为M=0.8 M0,弦杆端节点按铰接M=0或取悬臂负弯矩Me。3.内力组合 应进行内力组合对比，求出杆件的最不利内力。受拉为主并可能受压的杆件，如梯形桁架跨中的一些腹杆，在满跨荷载作用时受拉，但在半跨荷载作用时可能受压。其最不利内力为最大轴心拉力和可能最大轴心压力。对于拉（压）弯杆件，还应考虑最大正或负弯矩的不利组合。二、桁架的计算长度1.桁架平面内的计算长度 铰接节点桁架杆件在桁架平面内的计算长度l0 x应等于节点中心间的距离。实际桁架的节点接近于刚接，相邻杆件将约束该杆件端部转动，从而提高其整体稳定承载力。计算l0 x 时可折减l来考虑杆端的嵌固作用。2.桁架平面外的计算长度 杆件在桁架平面外的计算长度ly 应取侧向支承点间的距离。弦杆的侧向支承点应是水平支撑、垂直支撑或相应系杆的连接节点。腹杆与弦杆的连接节点可认为是腹杆的侧向支承点。当受压弦杆的侧向支承点间距l1为弦杆节间长度的两倍，弦杆两节间的轴心压力N1N2，用N1验算弦杆平面外稳定时如果计算长度取用l1显然过于保守。平面外的计算长度应为121025.075.0NNlly且l0y 0.5l13.斜平面的计算长度 当腹杆截面为单角钢或双角钢组成的十字形截面时，受压杆件将绕截面最小回转半经imin的轴发生整体失稳。杆件弯曲方向是在一斜平面内。杆件两端的约束程度介于桁架平面内和平面外之间，杆件的计算长度取为前述l0 x和l0y的平均值，l0=0.9l。三、桁架杆件的截面形式 根据用料经济、连接构造简单和具有足够刚度等要求确定截面形式。应尽量使（xy）;当有M作用时，应适当加大弯矩作用方向的截面高度。钢桁架常采用双角钢组合T形截面，少数杆件用双角钢组合十字形截面。受力小的腹杆也可用单角钢截面。T字钢是一种性能优越的截面形式。T字钢做 弦杆和双角钢组合截面做腹杆的桁架比全角钢桁架用钢量可节省1215%。薄壁钢管各方向的回转半径相等，比其它型钢回转半径大，抗扭能力强，钢管结构的节点可直接焊接，构造简单，连接方便，钢管结构比其它型钢结构可节约钢材达20%30%。圆管绕流条件好，如承受风荷载或波浪压力时，其阻力可降低约2/3左右。钢管端部可以密封，有利于耐大气及海水腐蚀，管截面周长最小，所需油漆等维护费用也小。四、杆件截面设计 杆件按第四章和第六章的方法进行设计。普通钢桁架杆件截面设计时还应注意下列问题：选用截面的板件厚度应较薄，并注意最小截面规格限制。1需用螺栓与其它杆件连接的角钢杆件，应注意所能采用的螺栓最大直径。2为减少拼接的设置，桁架弦杆的截面常根据弦杆的最大杆力来选用。当必须设置角钢拼接时，可根据节间内力变化在半跨内改变截面一次，宜改变角钢的边长而保持厚度不变，以利拼接。3角钢上的螺栓孔位置若位于竖向节点板范围以内并距竖向节点板边缘100mm时，可考虑节点板的补偿作用，计算杆件的净截面强度时可不计孔对弦杆截面的削弱。否则应考虑其影响。4当采用双角钢组成的T形截面时，应选用iy/ix值与杆件的l0y/l0 x相近的截面，使x与y相接近，以获得经济的截面。5当桁架竖杆的外伸边需与垂直支撑相连接时，则该竖杆宜采用由双角钢组成的十字形截面。可使垂直支撑对该竖杆的连接偏心为最小，竖杆位于桁架跨中时，在吊装时桁架的左、右端可以任意放置。6单面连接的单角钢截面，因连接偏心易使构件弯扭失稳，故只能用于跨度较小的桁架或桁架中受力较小、长度较短的次要腹杆。7为了便于备料，整榀桁架所用的角钢规格品种不宜超过5 6 种。在选出各杆的截面规格后，可进行调整，以减少规格数量。同一榀桁架中应避免采用边长相同但厚度不同的角钢。8五、桁架的节点设计 主要讲述双角钢杆件组成的钢桁架节点设计。一般在节点处设置节点板，各杆件都与节点板相连接。在节点处连续的杆件把两侧的内力差N传给节点板，其它杆件把全部内力N传给节点板。当杆件上作用有荷载F时，则传给节点板的力为N或N与F的合力R。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。螺栓连接常用于输电线路塔架和一些可装拆的桁架以及安装连接与工地现场拼接。1.节点板的厚度 杆件在节点处都与节点板相连，传递内力并互相平衡。节点板中的应力分布复杂，节点板厚度主要依据杆件中的最大内力来确定。普通钢桁架节点板的厚度可参照表7-2选用，但应进行强度和稳定验算。双角钢T形或十字形截面是组合截面，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）。填板宽度一般采用约5080mm；与中间节点板同厚。填板长度对T形截面应伸出角钢背和角钢尖各1015mm，对十字形截面则从角钢尖缩进1015mm。角钢与填板通常依构造用侧面或周围角焊缝连接。压杆和拉杆填板间距应满足构造要求。受压杆件的两个侧向支承点之间的填板数不得少于两个。十字形截面一横一竖交替布置。2.节点设计的基本要求（1）杆件的形心线理论上应与杆件轴线重合，以免造成偏心受力。但为了方便制造，通常将角钢肢背至轴线的距离取为5mm的倍数,作为角钢的定位尺寸。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，以减少因两个角钢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，以利拼接和施焊，并避免焊缝过分密集而使钢材焊接过热变脆。c按构造要求确定。（3）角钢的切断面一般应与其轴线垂直，为使节点紧凑需要斜切时，只能切肢尖。节点板的形状和尺寸在绘制施工图时决定。节点板的形状应简单，以能充分利用材料为原则。节点板的长和宽宜取为10mm的倍数。（4）节点板外边缘与杆件边线间的扩大角宜 15o20o，强度用足的杆件宜 25o。扩大角太小会引起节点板截面过窄，致使强度不足，或引起较大的构造和传力上的偏心。（5）在屋架双角钢截面上弦杆上放置檩条或大型屋面板时，角钢的水平伸出边一般应70 90mm。角钢应有一定厚度，以免在集中荷载作用下发生过大的弯曲，可参考表7-3要求选用。当确有困难而不能满足要求时，应设置竖向加劲肋或在集中荷载范围设置局部水平盖板。六.桁架的节点构造和计算 节点设计宜结合绘制桁架施工图进行。节点的设计步骤为：按正确角度画出交汇于该节点的各杆轴线。按比例画出与各轴线相应的角钢轮廓线，并依据杆件间距离要求c，确定杆端位置。根据已计算出的各杆件与节点板的连接焊缝尺寸，布置焊缝，并绘于图上。确定节点板的合理形状和尺寸。节点板应框进所有焊缝。钢桁架的节点主要有一般节点、有集中荷载的节点、弦杆的拼接节点和支座节点几种类型，下面分别说明其设计方法。各腹杆与节点板连接的角焊缝应按第三章中角钢连接的角焊缝计算。弦杆与节点板的连接焊缝，按相邻节间弦杆的内力差N计算。2.有集中荷载的节点 承受由檩条或大型屋面板传来的集中荷载P的作用。为了放置上部构件，节点板须缩入上弦角钢背约2/3的深度，并用塞焊缝连接。塞焊缝质量一般较难保证，计算多采用近似方法，假定其相当于两条焊脚尺寸各为hf1=/2、长度为lw1 的角焊缝，且仅承受垂直于焊缝的P作用进行计算。角钢肢尖焊缝按承受弦杆的内力差N和由其产生的弯矩M=N e 的共同作用设计。当N较大，按上法计算的肢尖焊缝强度难以满足要求时，可采用节点板部分伸出上弦角钢背的做法。此时肢背和肢尖角焊缝共同承受N和P的合力N 作用。P往往较小，N 作用方向与杆轴线相差较小，可近似取N 沿轴线作用，按第三章中方法计算角钢肢尖和肢背的焊缝。3.弦杆的拼接节点 分为工厂拼接和工地拼接。工厂拼接通常设在内力较小的节间内。工地拼接是在桁架分段制造和运输时的安装接头，弦杆拼接节点多设在跨度中央。为保证拼接处的强度和刚度，采用拼接角钢拼接。拼接角钢截面取与弦杆截面相同，直角边应切棱，角钢竖肢切肢。切棱和切肢引起的截面削弱，节点板可以补偿。屋架屋脊节点的拼接角钢应采用热弯成型。拼接角钢的长度应根据拼接焊缝的长度确定，一般可按被拼接处弦杆的最大内力或偏于安全地按与弦杆等强（宜用于拉杆）计算，并假定4条拼接焊缝均匀受力。拼接角钢的总长度为：l=2(lw+10)+a a为弦杆端头的距离。下弦取a=1020mm，上弦取a=3050mm。wffwfhAfl7.04 弦杆与节点板的连接焊缝可按较大一侧弦杆内力N的15%与节点两侧弦杆的内力差N两者中的较大值计算。当节点处还作用有集中荷载P时，则应按两方向力共同作用计算。为了拼接节点能正确定位和施焊，宜设置安装螺栓。4.支座节点 桁架与柱的连接分铰接和刚接两类。SflNt231maxNmax 一个螺栓所受的最大拉力；l1 两竖列螺栓的间距；S 受力最大螺栓的端距加螺栓竖向间距的一半。铰接支座节点由节点板、底板、加劲肋和锚栓组成。加劲肋的作用是分布支座反力，减小底板弯矩和提高节点板的侧向刚度。加劲肋的轴线与支座反力的作用线重合。为便于施焊，下弦杆和底板间一般应不小于下弦角钢水平肢的宽度。锚栓常用M20 M24。为便于桁架安装，底板上的锚栓孔d0=(22.5)d或做成U形缺口。待桁架调整定位后，用孔径d0=d+(12mm)的垫板套进锚栓并与底板焊牢。节点的传力路线是：各杆件的内力通过杆端焊缝传给节点板，再经节点板和加劲肋间的竖直焊缝将一部分力传给加劲肋，然后通过节点板、加劲肋和底板间的水平焊缝将全部支座反力传给底板，最终传至柱。可采用铰接柱脚类似方法进行计算。5.T型钢作弦杆的桁架节点 桁架的弦杆采用T型钢,腹杆采用双角钢时，双角钢可以直接与T型钢腹杆连接。当不需要节点板时，可省工省料。6.节点处板件的计算根据试验研究，连接节点处的板件承受拉、剪作用时，强度验算公式为ftlNii)(ii2cos21/1节点板的外形往往不规则，采用上式计算比较麻烦。根据试验研究，节点板的强度也可按下式计算：=N/(bet)f be板件有效宽度，螺栓连接时应取净宽度。节点板在斜腹杆压力作用下的稳定性 有竖腹杆的节点板:当 时，可不计算稳定。无竖腹杆的节点板:当 时，节点板的稳定承载力可取为0.8betf。否则按规范附录F进行稳定计算。尚应满足构造要求。yfta/23515/yfta/23510/七.桁架的施工图1.种类施工图是钢结构制造和安装的依据。（1）构件布置图 表达各类构件位置的整体图，主要用于钢结构安装。一般包括平面图、侧面图、必要的剖面图、安装节点大样、构件编号、构件表及总说明等。（2）构件详图表达所有单体构件的详细图，主要用于钢结构制造。2.钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 施工图需明确：屋架几何尺寸，各部分详图，相关尺寸，构件所用钢材的钢号、材料规格，连接材料的强度指标、规格，焊条型号，焊缝长度、厚度，防腐处理等。（1）一般应按运输单元绘制，当桁架对称时，可仅 绘制半榀桁架。（2）构件详图应包括桁架的正面图，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。（3）在图面左上角绘制桁架简图。图中左半部应注明杆件的几何长度（mm），右半部注明杆件的轴力设计值（kN）。当桁架跨度较大时，为防止挠度值较大，须在制造时起拱。拱度一般取l/500，并在桁架简图中注明。（4）应注明各零件的型号和尺寸，包括加工尺寸、定位尺寸(轴线至角钢肢背的距离，节点中心至各杆件杆端和节点板上、下、左、右边缘的距离等)、孔洞位置以及对工厂制造和工地安装的要求(零件切斜角、孔洞直径和焊缝尺寸等)。工地拼接焊缝要注意标出安装焊缝符号，以适应运输单元的划分和拼装。（5）应对零件详细编号，编号应按构件主次、上下、左右顺序逐一进行。零件尺寸完全相同的可采用统一编号。系镜面对称时，亦采用同一编号，但在材料表中应注明正或反字样，以示区别。当桁架仅在少数部位的构造略有不同（螺栓孔有无）时，可在图上螺栓孔处注明所属桁架的编号，这些桁架就可绘在一张施工图上。（6）材料表应包括各零件的编号、截面规格、长度、数量（正、反）和重量等。材料表的作用不但可归纳各零件以便备料和计算用钢量，同时也可供选择起吊和运输设备时参考。（7）文字说明应包括钢号和附加条件、焊条型号、焊接方法和质量要求，图中未注明的焊缝和螺栓孔尺寸，油漆、运输、安装和制造要求，以及一些不易用图表达的内容。（8）桁架施工详图通常采用两种比例绘制，杆件的轴线一般用120130；节点和杆件截面尺寸用110115。重要节点大样，比例还可较大，以清楚地表达节点的细部尺寸为准。施工图设计分为施工设计和详图设计两个阶段，设计文件（图纸）的名称相应为施工图和施工详图，施工图是编制施工详图的依据，施工详图则是施工图的深化和补充。随着国内钢结构生产企业技术能力的提高，向国际惯用做法靠拢，施工图由设计院完成，施工详图由生产企业的技术科完成。第四节 门式刚架设计一、内力和侧移计算1变截面门式刚架内力计算 可能在几个截面同时出现塑性铰，刚架构件的腹板通常很薄，截面发展塑性的潜力不大，故应采用弹性分析方法按平面结构进行内力分析。蒙皮效应是将屋面板视为沿房屋全长伸展的深梁，可用来承受平面内荷载。面板可视为平面内横向剪切的腹板，其边缘构件可视为承受轴向力的翼缘。考虑屋面板的蒙皮效应可提高结构的刚度和承载力，但由于研究资料尚不充分，一般不考虑应力蒙皮效应。考虑屋面板的蒙皮效应的条件见门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102:98的条文说明。变截面门式刚架的内力分析可按一般结构力学方法或利用静力计算公式、图表进行；也可采用有限元法计算。计算时宜将构件分为若干段，每段的几何特征可视为常量；也可采用楔形单元。如需考虑地震作用效应时，可采用底部剪力法确定。2变截面门式刚架侧移计算(1)单跨刚架 当单跨变截面刚架横梁上缘坡度不大于1:5时，在柱顶水平力作用下的侧移u可按下式估算柱脚铰接刚架:柱脚刚接刚架:)2(123tcEIHhuttcEIHhu2623123t 为刚架柱与刚架梁的线刚度比值t=ICL/(HIb)；当横梁坡度大于1:10时，L取横梁坡折线总长度2s；IC、Ib为柱和横梁的平均惯性矩；吊车水平荷载或柱高度均布的水平风荷载作用时，化为柱顶等效水平力，公式见教材。(2)两跨刚架 中间柱为摇摆柱的两跨刚架，柱顶侧移可采用单跨刚架公式计算，但计算t时，应以 2s代替L。当中间柱与横梁刚性连接时，可将多跨刚架视为多个单跨刚架的组合体(每个中柱分为两半，惯性矩各为I/2)，按下式计算整个刚架在柱顶水平荷载作用下的侧移：Ki为各单跨刚架的侧向刚度。各参数计算公式见教材。iKHu/)2(123tiieiihEIK3等截面门式刚架 等截面门式刚架可采用弹性设计法或塑性设计法。当采用弹性分析方法确定内力时，可参考上述方法进行。塑性设计法要求钢材具有充分塑性变形能力。当荷载增加到某一值时，在结构Mmax截面出现塑性铰。荷载继续增加时，Mmax截面像铰一样发生转动，而弯矩保持不变，荷载的增长部分由结构其他截面的弯矩增长来保持平衡。结构的塑性铰将依次出现，塑性铰相当于构造铰，每出现一个塑性铰，结构的超静定次数就