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钢结构课程设计单层工业厂房讲解


钢结构课程设计

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钢结构课程设计

本课程设计的性质和任务
《钢结构设计原理》课程的实践训练环节。
其主要任务是使学生能综合运用所学知识分析 问题和解决问题,掌握钢结构的设计方法和过程,并 能根据其设计结果绘制施工图。
w

ww.

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本课程设计的主要内容和基本要求
1.设计方法 根据任务书所给条件进行荷载组合,选出一组最不 利的荷载进行杆件内力计算,根据各杆件内力进行杆件 截面选择,并进行节点设计,包括确定节点板尺寸,节

点板与各连接杆件的焊缝尺寸等内容。
2.设计成果及内容 设计最终成果包括半榀钢屋架的设计计算及说明书; 绘制一张半榀钢屋架的施工图。

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计算书内容:

屋盖结构及支撑的布置图;
钢屋架的杆件内力计算; 杆件截面尺寸的确定、各连接板(包括节点板、缀板 等)的尺寸确定、各板件与杆件的连接焊缝计算; 主要节点的设计(包括支座节点、一般上弦节点、一

般下弦节点、屋脊节点及下弦拼接节点)。
绘制一张一个运送单元的施工图(半榀屋架),要求图 纸应符合规范及建筑制图标准。

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对能力培养的要求 理论联系实际、运用科学的研究方法分析、解决实际问 题的能力和设计能力。

运用本专业知识进行数据处理和工程计算的能力。
依据国家有关标准绘制钢结构施工图的能力,包括螺栓 、焊缝及尺寸的标注等。 设计说明书和计算书的撰写能力。 正确选择钢材的能力,掌握钢结构的计算方法及构造要 求。

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§1 单层厂房钢结构的组成及布置原则 1.1 单层厂房钢结构的组成 单层厂房钢结构一般由屋盖结构、柱、吊车梁、 制动梁(或制动桁架)、各类支撑及墙架等构件组成 的空间体系。按其作用分为:

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1.横向框架 2.屋盖结构

3.支撑体系 4.吊车梁和制动梁
5.墙架

1.2 柱网和温度伸缩缝的布置 1.柱网布置 2.温度伸缩缝

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柱间支撑

上层柱间支撑 下层柱间支撑

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屋盖结构体系
1.了解钢屋盖的种类、截面形式和应用; 2.掌握屋盖支撑体系的作用和布置原则;

3.掌握钢屋盖的设计和施工图的绘制;
普通钢屋架设计内容: ?屋架的荷载计算; ?杆件内力计算和组合; ?正确选择杆的截面型式和确定计算长度; ?选择截面并验算各杆件的承载力; ?计算节点连接并绘制钢屋架施工图。

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钢屋盖的类别包括:

平 面 钢 屋 架

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空间桁架:

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网架

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1 钢屋盖结构的形式、组成及布置 钢屋盖结构通常由屋面、檩条、屋架、托架和天窗等构 件组成。根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同,可分为 无檩屋盖体系和有檩屋盖体系。 1.无檩屋盖 结构体系: 一般用于预应力混凝土大型屋面板等重 型屋面,将屋面板直接放在屋架上。 房屋横向刚度大,整体性、耐久性 好;屋 面板自重大,屋盖及下部结构用料多,对抗 震不利。 2.有檩屋盖 结构体系: 常用于轻型屋面材料的情况。 屋架间距灵活,构件重量轻、施工、安 装方便;屋盖构件数量多,整体刚度差。

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钢屋架-大型屋面板结构体系

无檩体系

优点:屋盖横向刚度大,整体性好,构造简单,耐久 缺点:屋面自重较大,抗震不利

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钢屋架-檩条-轻型屋面板结构体系 优点:构件自重轻,用料省,运输安装轻便 缺点:构件较多,构造较复杂,吊装次数较多

檩条

有檩体系

垂直支撑

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钢屋盖结构由屋面、屋架和支撑三部分组成。钢屋盖 结构两类:有檩屋盖,无檩屋盖.

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3.天窗架形式

4.托架形式

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2 钢屋盖支撑 平面屋架在屋 架平面外的刚度和 稳定性很差,不能 承受水平荷载。因 此,为使屋架结构 有足够的空间刚度 和稳定性,必须在 屋架间设置支撑系 统。 上弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑

组成

下弦纵向水平支撑 垂直支撑 系杆
图 无檩屋盖

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屋架支撑布置 平面屋架在其本身平面内.由于弦杆与腹杆构成了三 角形的几何不变铰接体系而具有较大的刚度,但在垂直于 屋架平面方向(通称屋架平面外),不设支撑体系的平面屋架

却不能保持其几何不变。

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屋架的端视图,当在屋架端部两屋架间未设垂直支撑 桁架时,虽有檩条和系杆的连系,屋架相互间仍是几何可 变的,在侧向力作用下屋架会倾斜;仅当设了垂直支撑桁 架和系杆,才能保持各个屋架在平面外的几何稳定性。

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图为屋架上弦平面图,在未设上弦平面内的支撑桁架 时,虽有檩条把各个屋架连成一片,但当屋架上弦杆因受

压而失稳时,整个上弦会屈曲成一个“半波”。

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如在房屋两端的柱间内设置上弦横向支撑桁架,则屋架上 弦将屈曲成多个“半波”,从而提高上弦杆的整体稳定性,亦 即提高了承载能力。由此可见平面桁架如无支撑系统从侧面 “扶持”,将不能发挥它的承重作用。

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屋盖支撑系统做法是:

首先在屋盖两端的两榀相邻平面屋架对应的上弦杆间、
下弦杆间、端部竖杆(或斜杆)间、以及跨中某些竖杆(或斜 杆)间,用水平、垂直和倾斜方向的支撑杆件互相联系;

这样就在垂直于两相相邻屋架的侧向形成许多水平和垂直
支撑桁架(即图中的上、下弦横向水平支撑和端部、跨中垂 直支撑),并与两榀相邻屋架共同组成坚强的空间桁架结构 体系。

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其它的屋架则用较少数量的上、下弦系杆与上述空间桁 架架结构体系相连,使整个屋盖成为具有足够空间几何不变 性、稳定性和刚度的屋盖结构体系。

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1.上弦横向水平支撑
组成: 屋架上弦、斜向杆件、檩条、系杆 作用: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。 布置:
上弦横向水平支撑一般应设置在房屋两端或纵向温度区段 两端的第一柱间或第二柱间,其最大间距为60m,否则在中间 应增设一道或几道支撑。有时可将其布置在第二个柱间,但在 第一个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力。

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上弦横向水平支撑,通常采用单角钢柔性铰 。 叉斜腹杆和双角钢十形或T 形截面受压横腹杆(横腹杆型式与 下面所述刚性系杆完全相同)体系。

1

2

1-1

1

上弦平面

2

2-2

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a —屋架上弦横向水平支撑

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2.下弦横向水平支撑

组成: 屋架下弦杆、斜杆、系杆 作用: 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。 布置: 与上弦横向支撑布置在同一开间,形成稳定的空间体 系,其最大间距为60m。 屋架跨度大于18m时, 屋架下弦设有悬挂吊车时, 抗风柱支承在屋架下弦时, 屋架下弦设通长纵向支撑时,宜设屋架下弦横向支撑。

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下弦横向水平支撑。在相邻两 榀桁架的下弦平面内沿跨度全 长设置。其杆件形式同上弦横 向水平支撑。

下弦平面

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3.下弦纵向水平支撑 组成:系杆、斜杆 作用:增加屋盖空间刚度,承 受和传递吊车横向水平制动力。 布置:屋架两边,与横向支撑 形成封闭框。 当房屋较高、跨
度较大、空间刚度要求较高时, 设有支承中间屋架的托架,或设 有重级或大吨位的中级工作制桥 式吊车等较大振动设备时,均应 在屋架端节间平面内设置纵向水 平支撑。 一般情况可以省掉。

下弦纵向水平支撑

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下弦纵向水平支撑 一般房屋的屋盖不设纵向水平支撑:当房屋设有托架时, 必须在托架范围及其此端各廷伸一个柱间的下弦端节间平面

内设置下弦纵向水平支撑。

虚线为柔性杆;实线为刚性杆

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4.垂直支撑 组成:系杆、斜杆 作用:使相邻屋架形成几何不变的空间体系,保证侧向稳定。 布置位置: 屋架的垂直 支撑应与上、 下弦横向水 平支撑设置 在同一柱间。 每隔4~5个 开间布置一道。

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布置原则: (1)梯形或平行弦屋架 无天窗,跨 度l<30m,布置 在屋架两端、跨 中。
图 a 垂直支撑的布置

无天窗,跨度 l>30m,布置在屋 架两端、跨度l/3 处。
图 b 垂直支撑的布置

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垂直支撑

垂直支撑即在相邻两榀桁架的对应竖杆(或斜杆)间平
面内设置的作为支撑的垂直桁架。通常情况下,当梯形屋 架跨度l≤30m时在两端和跨度中央共设三道。

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有天窗、跨 度l<30m,布置 在屋架两端、跨 中、天窗架两 端。
图 c 垂直支撑的布置

有天窗、跨 度l<30m,布置 在屋架两端、跨 度l/3处、天窗架 两端 。
图 d 垂直支撑的布置

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当l>30m时在两端 以及跨度 l/3处或天窗 架侧柱处共设四道。

l /3 l /3

l /3

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垂直支撑的腹杆体系取决于高跨尺寸和比例:中央垂直 支撑的高跨比例约0.5,常用双节间交叉受拉斜腹杆体系;两 端垂直支撑的高跨比例约0.3,常用W形腹杆体系、腹杆截面 根据杆件长度和受力情况(拉或压)而采用单角钢或双角钢T形

截面。

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5.系杆 作用:在无支撑的开间处,保证屋架的侧向稳定,减小弦 杆的计算长度,传递水平荷载。 系杆分刚性系杆(既能受拉也能受压)和柔性系杆(只能 承受拉力)两种。屋架主要支承节点处的系杆,屋架上弦 脊节点处的系杆均宜用刚性系杆。 布置: 在横向支撑或垂直支撑节点处应沿房屋通长设置系杆。 水平横向支撑设在第二柱间时,第一柱间端屋架需与第 二榀屋架用刚性系杆连接,其余设置刚性或柔性系杆均可。 屋脊节点、屋架支座节点设置刚性系杆。

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末设水平支撑的桁架,其上、下弦的侧向支承点由系杆 来保证。系杆通常设于屋架两端以及有垂直支撑位置的上、 下弦节点,并设于屋脊和天窗架侧柱位置的上弦节点。

f—柔性系杆

K —刚性系杆

此外,对受压的 上弦,必要时也对下 弦,还应根据控制弦 杆长细比的要求按一 定间距增设中间系杆。

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系杆的端部应可靠地连接到上、下弦横向水平支撑或

垂直支撑的节点,以便屋盖水平力能通过系杆的拉力或压
力最终传递到这些节点。系杆按受力和构造要求可设计成 柔性系杆或刚性系杆。一般跨度房屋的系杆受力很小,柔

性系杆的设计可按[λ]=350,400控制,常用单角钢截面;
刚性系杆的设计可按[λ]=200控制,常用双角钢十形截面。 两端与屋架可靠连固的檩条,当其长细比满足要求时,可 同时作为上弦系杆。

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6. 支撑的计算和构造
屋架支撑为平行弦桁架,其弦杆可兼作支撑桁架的弦 杆,斜腹杆一般采用十字交叉式,与弦杆的交角在30o~ 60o之间。通常横向水平支撑节点间的距离为屋架上弦节 间距离的2~4倍,纵向水平支撑的宽度取屋架端节间的 长度,一般为6m左右。 支撑中的交叉斜杆以及柔性系杆按拉杆设计,通常用 单角钢做成;非交叉斜杆、弦杆、横杆以及刚性系杆按 压杆设计,宜采用双角钢做成的T形截面或十字形截面, 其中横杆和刚性系杆常用十字形截面使在两个方向具有 等稳定性。 屋盖支撑受力较小,截面尺寸一般由杆件容许长细比 和构造要求决定。支撑与屋架的连接通常用M20的C级螺 栓,支撑与天窗架的连接通常用M16的C级螺栓 。

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在布置屋盖支撑时尚应考虑以下情况: 通常把屋架和天窗架的所有上、下弦横向水平支撑和各 垂直支撑尽量都布置在屋盖同一处的两榀桁架间。支撑通常 在房屋或每个温度区段的两端各设一道。当其间净距超过

60m时再在中间增设一道或几道。

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屋盖支撑的构造
上、下弦横向和纵向水平支撑的交叉斜杆通常连于屋架上、 下弦杆,其横杆则常做成与刚性系杆完全相同,连接也相同。

a. 上弦支撑

b . 下弦支撑

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柔性系杆

刚性系杆

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刚性系杆
柔性系杆 支撑连接板

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7.支撑的作用

① 保证屋盖的整体性,提高空间刚度
仅由平面桁架、檩条及屋面材料组成的屋盖结构,是一个不稳定的 体系,如果将某些屋架在适当部位用支撑连系起来,成为稳定的空间体 系,其余屋架再由檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上,就保证 了整个屋盖结构的稳定。

② 避免压杆侧向失稳,防止拉杆产生过大的振动
支撑可作为屋架弦杆的侧向支撑点,减小弦杆出平面外的计算长度。

③ 承担和传递水平荷载(如纵向和横向风荷载、 悬挂吊车水平荷载和地震作用等)。 ④ 保证结构安装时的稳定与方便
屋盖的安装首先用支撑将两相邻屋架连系起来组成一个基本空间稳 定体,在此基础上即可顺序进行其他构件的安装。

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6

桁架的形式和截面设计

桁架是由杆件组成的几何不变体,即是指由直杆在杆端 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,杆件截面上应力分布均匀,材料性能发 挥较好,从而能节省钢材和减轻结构自重,特别适用于跨度 和高度较大的结构。
桁架在钢结构中应用很广,分为空间桁架和平面桁架两 类。网架结构和各种塔架结构为空间桁架,常用的平面桁架 如屋架、吊车桁架、支撑、桥梁等。平面简支桁架的杆件内 力不受支座沉降和温度变化的影响,且构造简单、安装方便 最为常用。本节着重讨论平面简支钢桁架——屋架的设计。

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6.1 桁架的形式和主要尺寸
确定屋架形式的原则: 满足适用、经济和制造安装方便的原则。 1.满足使用要求 屋架外形应与屋面材料的排水要求相适应。 2.满足经济要求 ·屋架外形应尽量和弯矩图接近,使上下弦杆 内力沿跨 度方向分布较均匀,腹杆受力较小; ·腹杆的布置宜使短杆受压,长杆受拉; ·荷载布置在节点上,减少弦杆局部受弯。 3.满足制造、安装和运输要求 ·构造简单,杆件夹角30°~60°; ·杆件与节点数量少; ·分段制造,便于运输与安装;

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1. 桁架的形式 主要有三角形、梯形、矩形等。
(1)三角形桁架 受力不均匀,刚度小,坡度 大,排水好,适用于中、小跨度 (l在18~24m)采用轻型屋面材 料的有檩体系。 ·外形和弯矩图不相适应,弦杆内 力分布不均匀,近支座处内力大, 近跨中处小,横向刚度小。
芬克式

芬克式

·上下弦交角小,端节点构造复杂。 可将上弦或下弦改变为折线形或陡 坡梯形,以改善受力和节点构造。
图 三角形桁架

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(2)梯形桁架 外形与弯矩图较接近,受力好,省材料,应用广泛。 适 用于屋面坡度平缓且跨度较大时的无檩屋盖结构。
人字式

特点:腹杆总长度短,节点少。

再分式

特点:可避免节间直接受荷(非节点荷载)。 屋架高度 梯形屋架的中部高度一般为 (1/10~1/6)L,与柱刚接的 梯形屋架,端部高度一般为 (1/16~1/12)L,通常取为 1.6~2.4m。 与柱铰接的梯形屋架,端部 高度可按跨中经济高度和上弦 坡度决定。

图 梯形桁架

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(3)平行弦桁架 屋架的外形和弯矩图分布 不接近,弦件内力分布不均 匀。 上、下弦杆水平,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 。

L h L h0 L 图 平行弦桁架 h

腹杆体系 桁架中的腹杆主要用以联系上下弦杆和构成节点并传递 节点荷载。常用的腹杆体系人字式、交叉式、再分式。

h

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2.桁架主要尺寸 跨度:据工艺需要定,一般为3m模数,12、15、18、21、 24、27、30、36m等(注意:柱轴线距离) 。 l0(桁架两端支座反力间的距离)= l-(300~400mm) 高度:根据经济、刚度和建筑要求,以及屋面坡度,运输 条件等确定。 三角形跨中 h≈(1/4~1/6)l 梯形 跨中 h≈(1/6~1/10)l,上弦坡度(1/8~1/15) 端部 h0≈1.6~2.2m(铰接时) h0≈1.8~2.4m(刚接时) 屋架跨中最大高度取决于运输界限,如铁路运输界限 为3.85m 。 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 ,避免上弦杆产生局部弯距。

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6.2 桁架的荷载和内力计算
1. 桁架的荷载计算与荷载组合 (1)桁架荷载 永久荷载: 屋面材料、保温层、防水层、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。

桁架和支撑自重可按经验公式: gWk=(0.12+0.011L)kN/m2

桁架上的荷载通过檩条和大型屋面板肋以集中力方式作用于桁架节点

(2)节点荷载计算

(3)荷载组合
① 永久荷载+可变荷载 ② 永久荷载+半跨可变荷载 ③ 屋架、支撑和天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载

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? 房屋还有吊顶(棚)重、吊挂管道重、积灰荷载由于位 于水泥厂、高炉、转炉、冲天炉等车间附近的房屋等。 ? 以上荷载通常可看作是均布于屋面倾斜面积或水平投 影面积上的荷载,以kN/m2计,其值可由《建筑结构荷载 规范》GB50009-2001或手册查得,或按材料的厚度或规格 算得。 ? 计算杆件内力时应按设计荷载,即荷载标准值乘以相 应分项系数。

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雪荷载或屋面活荷载:屋面水平投影面上的雪荷载设计值S 按下式:

S ? ? ?s

式中s0为房屋所在地区的基本雪压,可由建筑结构荷载 规范查得;μ为屋面积雪分布系数,一般在屋面坡度≤25 ?时 取1,≥50?时取0。中间按直线插值;1.4为雪荷载分项系数。 设计屋架时还要考虑屋面活荷载,与雪荷载不同时考 虑,而取其中的较大者;也考虑全跨或仅左或右半跨情况。 建筑结构荷载规范规定不上人屋面的活荷载。 设计屋面时,活荷载应按上述均布活荷载取。

0

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风荷载:作用在一般房屋和屋盖表面上的风荷载设计值w

按下式:

w ? ? s ? ? z ? w0
风荷载一般可不予考虑 对轻型屋面、开敞式房屋或风荷载标准值大时,应根

据房屋体形、坡度情况及封闭状况等,按荷载规范的规定
计算风荷载的作用。

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各种均布荷载 汇集成节点荷载的计 算式为:

Q ?? ?q ?S ?a i i

γi——第i种荷载分项系数。

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2. 桁架杆件的内力计算 基本假定
a. 桁架的各节点均视为铰接。 b. 桁架所有杆件的轴线平直且都在同一平面内且在节点处交汇。 c. 荷载都作用在节点上,且都在桁架平面内。

内力计算
用数解法或图解法或借 助电算,求出节点荷载作用 下屋架各杆件的内力
0.6M0 0.6M0 0.6M0 0.8M0

0.6M0 0.6M0 0.6M0 0.6M0

局部弯矩

图 局部弯矩作用的计算简图

上弦有节间荷载时,除轴心力外还产生局部弯矩。理论上应 按弹性支座的连续梁进行计算,一般偏于安全地简化取端部节间正 弯矩M1=0.8M0,其它节间的正弯矩和节点负弯矩M2=±0.6M0, M0是把弦杆节间视为简支梁求得的最大弯矩。

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1.杆件内力计算的原则和方法

桁架杆件内力.一般按节点荷载作用下的铰接桁架计 算。这时所有杆件为轴心受力,不承受弯矩,具体计算可 用图解法、数解法、计算机法等。

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实际桁架节点为焊缝、铆钉或螺栓连接,具有很大刚性,

接近于刚接,各杆件将既受轴心力又受弯矩。但是,普通钢
桁架中各杆件截面高度一般都小于其长度的1/15(对腹杆)和 1/10(对弦杆),抗弯刚度较小,因而在节点荷载作用下按刚

接桁架杆算得的杆件弯矩M常比较小,而轴心力N与铰接情
况计算结果相差很小,故一般都按铰接桁架计算。 由于存在弯曲应力,按刚接桁架计算的杆件应力将比铰 接桁架有所增加,加大部分称为次应力。对于少数荷载较重 的桁架,当杆件截面高度超过其长度的1/10时,次应力常 可达主应力的10%~30%。必要时可作计算。

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屋架杆件内力计算采用下列假定:
(1)各杆件的轴线均居于同一平面内且相交于节点中心; (2)各节点均视为铰接,忽略实际节点产生的次应力; (3)荷载均作用于桁架平面内的节点上,因此各杆只受轴 向力作用。对作用于节间处的荷载需按比例分配到相近 的左、右节点上,但计算上弦杆时,应考虑局部弯曲影 响;

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计算内力系数
1/2 1 1 1 1/2

D

B
A

C

计算出图示半跨单位荷载作用下的内力,称为各杆件的 内力系数。利用内力系数可以求出实际荷载作用下的内力。

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1/2 1/2

1

1

1

1

1

1

1 1/2

1

1

1

1/2

1/2

1

1

1 1/2

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1/ 2A 1/ 2
2

1 1 B

1

1

1

1

1 1/2 D C

NAB=NA1B1+NA2B2 1 1 1 1/2
B1

D
1 NAB=NA1B1+NC1D1

A1

C
1

NC1D1=NA2B
A2
B2

1/ 2

1

1

1 1/2 D C
2

2

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6.3 桁架杆件的计算长度和容许长细比
1. 桁架平面内计算长度l0x
弦杆、支座斜杆、支座竖 杆 l0x=l, 中间腹杆 l0x=0.8l 。

2. 桁架平面外计算长度l0y 取决于弦杆侧向支承点间距离。 图 a 杆件平面内的计算长度
无檩方案: 能保证大型屋面板三点与上弦杆焊接时: ?上弦杆 l0y=2b(≤3m) b—屋面板宽度。 有檩方案: 檩条与支撑点交叉不连接时:l0y=l1 檩条与支撑点交叉连接时:l0y=l1 ? 下弦杆:取纵向水平支撑节点与系杆或系 杆与系杆之间的距离。 ? 腹杆:由于节点在平面外刚度很小,对杆 件嵌固作用较小,故腹杆两端视为铰接,则 图 b 杆件平面外的计算长度 l0y=l

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当受压弦杆侧向支承点间距为2倍节间长度,且两个节间弦杆 内力不同,则弦杆平面外的计算长度:
? N2 ? ? l 0 ? l1 ? 0 . 75 ? 0 . 25 ? N1 ? ? ?

( 3)

当l0<0.5l1时,取l0=0.5l1,N1为 较大的压力,取“+”,N2为较小 的压力或拉力,压力取“+”,拉力 取“-”。 芬克式屋架、再分式腹杆受压 杆件在平面外计算长度同上,平面内 计算长度为节点长度。 l1——屋架弦杆侧向支承点之间的距 离。

图 杆件内力变化时在桁架平面外 的计算长度

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N

1 ——较大的压力,计算时取正值;

取负值;

N ——较小的压力或拉力,计算时压力取正值,拉力 2

N

2

N1

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3. 斜平面的计算长度l0 单面连接的单角钢和双角钢组成的十字形杆件,受力后 有可能斜向失稳,由于两端节点有一定的嵌固作用,故斜平 面计算长度略作折减(支座斜杆和支座竖杆除外),l0=0.9l

确定桁架弦杆和单系腹杆的长细比时,其计算 长度应按下表规定采用。
腹 项 次 1 弯曲方向 在桁架平面内 弦 杆 杆 其他腹杆 支座斜杆和支座 竖杆

l l1

l l

0.8 l l

2
3

在桁架平面外
斜平面



l

0.9 l

l — 构件的几何长度(节点中心间距离); l1— 桁架弦杆侧向支承点间的距离;

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4.桁架杆件容许长细比 杆件长细比过大,在运输和安装过程中容易因刚度不足 而产生弯曲,在动力荷载作用下振幅较大,在自重作用下有 可见挠度 ,因此应控制杆件的允许长细比。 受压构件 ? ≤[?]=150
受拉构件 ? ? ≤ [?]=350 无吊车或轻、中级工作制吊车。 ? ≤ [?]=300 有重级工作制吊车 。 ? ≤ [?]=250 直接承受动荷载 。 ?? 、 [?]——分别为杆件的长细比和允许长细比。

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截面伸展 6.4 桁架杆件的截面选择和计算 壁厚较薄 外表平整 1. 截面形式 普通钢屋架的杆件通常采用双角钢拼成的T形截面或十字 形截面。 原则:使两个主轴方向的长细比接近,以达到经济的目的。 等稳定原则。 ? x ? ? y ( ? yz )

杆件截面组合方式 二不等边角钢短肢相并 iy ≈(2.6~2.9)ix

截面形式

用途 计算长度l0y较大的 上、下弦杆 L0y≥2l0x,iy ≈2ix 端斜杆、端竖杆、 受较大弯矩作用的 弦杆l0y=l0x,iy ≈ix

二不等边角钢长肢相并 iy ≈(0.7~1.0)ix

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杆件截面组合方式 二等边角钢相并 iy ≈(1.3~1.5)ix

截面形式

用途 其余腹杆、下弦杆 l0x= 0.8l0y,iy ≈1.25ix 与竖向支撑相连 的屋架竖杆 l0x=l0y=0.9l,iy ≈ix 轻型钢屋架中内 力较小的杆件

二等边角钢组合 成的十字形截面 iy ≈1.0ix 单角钢

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2.填板的设置 为了使两个角钢组成的截面能够整体工作,需在角钢相 并肢之间每隔一定间距,焊一块填板。
40~60

i=iy

i=iy0

图9.6.9 桁架杆件的填板

在受压杆件两侧向支承点之间填板数不得少于2个。 3.节点板的厚度 对于梯形普通钢桁架按受力最大的腹杆内力确定。

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1. 杆件的截面形式 1)上弦杆 上弦杆可采用双不等肢角钢短边相并的T形截面, 宽大的翼缘有利放置檩条或屋面板;较大的侧向刚度也有 利于运输和吊装的稳定要求。

垫板

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柔性系杆

刚性系杆

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刚性系杆
柔性系杆 支撑连接板

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在一般支撑布置下,loy=2lox;为满足λx=λy;应使iy= 2ix,当有节间荷载时,为提高杆件截面平面内抗弯能力,宜 采用双等肢角钢或长边相并的两不等肢角钢T形截面。

垫板

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2)下弦杆 下弦杆可采用双等肢角钢或两不等肢角钢短肢相并的 T形截面,以提高侧向刚度,利于满足运输、吊装的刚度 要求,且便于与支撑侧面连接。下弦杆截面主要由强度条 件决定,尚应满容许长细比要求。

垫板

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3)端斜腹杆 端斜腹杆可采用两不等肢角钢长边相并的T形截面, 其计算长度loy=lox=l;iy / ix=1.0。当杆件短.或内力小时 可采用双等肢角钢T形截面。 4)其它腹杆 其它腹杆均宜采用双等边角 钢T形截面;竖杆可采用双等肢 十字形截面,以利于与垂直支 撑连接和防止吊装时连接面错 位。

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2. 节点板和填板 普通钢板中的应力十分复杂,通常不作屋架双角钢截 面的杆件,在节点处以节点扳连接。节点计算,根据工程 经验查表确定其厚度。 填板厚度同节点板厚度。 填板厚度同节点板厚,宽度一般取40~60mm,长度取: T形截面比角钢肢宽大10~15mm;十字形截面则由角钢肢 尖两侧各缩进10~15mm。

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Q235

中间节点板均采用一种厚度,支座节点板由于受力大很 重要,厚度比中间的增大2mm。节点板的厚度对于梯形普通 钢桁架等可按受力最大的腹杆内力确定,对于三角形普通钢 桁架则按其弦杆最大内力确定。

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ld

ld

填板间距ld,对压杆取ld<40i;对拉杆取ld<80i,对T形 截面i为一个角钢对平行于垫板的自身形心轴的回转半径;对十 字形截面.i为一个角钢的最小回转半径。垫板数在压杆的两个 侧向固定点间不宜少于两块。T形截面比角钢肢宽大10~15mm; 十字形截面则由角钢肢尖两侧各缩进10~15mm。

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4.截面选择

考虑下列基本要求:

同一榀屋架中规格不宜过多,5~7种。 角钢尺寸不宜过小,一般不小于L45×4或L56×36×4。 对压杆,选择回转半径大的材料。 屋架弦杆至多变一次截面,变肢宽不变肢厚,跨度小于30m的 梯形屋架和跨度小于24m的三角形屋架一般不变。

同时应尽量避免使用同一肢宽而厚度相差不大的角钢, 同一种规格的厚度之差不宜小于2mm,以便施工时辨认。 桁架弦杆一般沿全跨采用等截面,但对跨度大于24m的三 角形桁架和跨度大于30m的梯形桁架,可根据内力变化改 变弦杆截面,但在半跨内只宜改变一次,且只改变肢宽而 保持厚度不变,以便拼接的构造处理。

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5.截面计算 轴心受拉杆件应验算强度和长细比要求。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。
轴拉杆按强度确定杆件所需的截面面积:
An ? N / f

轴压杆按稳定条件计算所需的毛截面面积: A ? N /? f

先假定? ,弦杆80左右,腹杆100左右,查表?,算出A, 选定材料规格,再验算。

内力很小或按构造设置的杆件,可按容许长细比选择构
件的截面。首先计算截面所需的回转半径: ix=lox /[λ],iy=loy/ [λ] ,或imin=lo/ [λ] 。

再根据所需的ix、iy 、 imin,查角钢规格表选角钢,确定截面。

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§7

桁架的节点设计

7.1 节点设计步骤和一般设计原则
(1)节点设计步骤 ① 据屋架几何形式定出节点的轴线关系,杆件按比例画出, 弦杆肢尖与腹杆距离满足前述基本要求。 ② 计算腹杆焊缝,一般腹杆焊缝厚度同肢厚,图中作出定位 点。 ③ 计算弦杆与节点板的焊缝,假定焊缝厚度,计算长度,图 中作出定位点。 ④ 画出节点板,将各定位点都包括在内。 ⑤ 适当调整焊缝厚度、长度,重新验算。

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(2)节点设计原则 ①各杆件的形心线应尽量与屋架的几何轴线重合,并交于 节点中心,以避免由于偏心而产生节点附加弯矩。 但考虑 制造上的方便,通常把角钢肢背到屋架轴线的距离调整为 5mm的倍数。 ②弦杆材料规格沿长度变化时,屋架轴线取在两种材料的 重心线中间,偏心不超过较大弦杆截面高度的5%。

图 弦杆截面改变时的轴线位置

③节点板形式简单,应优先采 用矩形、梯形、平行四边形, 避免凹角。

图 节点板的外形

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在节点板处弦杆与腹杆,或腹杆与腹杆之间应留有 ≥20mm的空隙,动载时≥50mm以利于拼接和施焊,且避免 因焊缝过于密集而导致节点板钢材变脆。

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④角钢端部的切割一般垂直于它的 轴线,可切去部分肢,但绝不允许 垂直肢完全切去而留下平行的斜切 肢。
图 角钢端部的切割

⑤斜杆与弦杆连接, 尽可能避免较大的偏心。

图 节点板焊缝的位置

⑥绘制大样(1:10~1:5)

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计算好的各腹杆与节 点的连接焊缝尺寸,进行焊 缝布置并绘于图上,而后定 出节点板的外形。 确定节点板外形时,要注 意沿焊缝长度方向应多留约 2hf 的长度以考虑施焊时的 焊口,垂直于焊缝长度方向 应 留 出 10~15mm 的 焊 缝 位 置.

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节点板边缘与杆件轴线间的夹角。不宜小于15?,

且节点板的外形应尽量使连接焊缝中心受力。节点板
应伸出上弦杆角钢肢背10~15mm,以利施焊;也可将 节点板缩进弦杆角钢背,称为塞焊缝连接。

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根据已有节点板的尺寸,布置弦杆与节点板间的连接焊缝。 当弦杆在节点处改变截面,则还应在节点处设计弦杆拼接。 绘制节点大样, 确定节点上需标 明的尺寸,为绘 制施工详图时提 供必要的数据。

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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:

腹杆与节点板的连接 焊缝按角钢角焊缝承 受轴心力方法计算。 节点板应伸出弦杆10~ 15mm以便焊接。

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7.2 节点计算和构造
节点设计时,根据腹杆截面和内力确定连接焊缝的焊脚尺寸和 长度,然后再根据焊缝长度和施工误差确定节点板的形状和尺寸。

1.上弦节点
上弦节点常有大型屋面板或檩条传来的集中荷载,在计算时需 考虑上弦杆节间的内力差ΔN与集中荷载F的共同作用。 假定集中荷载为F,对梯形屋 架上弦节点计算时,忽略坡度的影 F 响,认为F垂直于上弦。因上弦节 点上搁置屋面板或檩条,节点板需 缩进角钢肢背,缩进的距离 (0.6~1.0)t ,节点板缩进后用槽 焊缝连接,计算时槽焊缝可作为两 条焊缝(hf= t /2) ,强度设计值 图 屋架上弦节点 乘以0.8的折减系数。

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上弦杆可按下述的近似方法进行计算:集中荷载F由肢背 槽焊缝承受,上弦节点相邻节间的内力差N1-N2由角钢肢尖与 节点板的角焊缝承受,考虑偏心力矩M=?Ne的作用。 肢背: ? f ? 肢尖: ? ? f
?f ?
F ? 2 ? 0 .7 h f? l w ? 0 .8 ? f f f
w

( 4)

?N ?? 2 ? 0 .7 h f??l w

上弦节点的腹杆与节点的 的连接焊缝长度
? 肢背: l w ? w ( 1) 2 ? 0 .7 h f? f f ( 5) K1N

6M ?? 2 ? 0 .7 h f??l w
2

2

肢尖: l w ? ??

K2N
w 2 ? 0 .7 h f?? f f ( 2)

??f ? ? ? ? ?? f ? ?f ?

?

2

? ff

w

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2.下弦节点
腹杆与节点板的连接按肢尖、肢 背分配力后计算焊缝长度和焊缝厚度。 弦杆与节点板的连接,无节点荷载时, 按相邻节间内力差ΔN=N1-N2,在 肢尖、肢背上分配力计算,往往ΔN较 小,所以按构造确定焊缝。

有节点荷载作用时弦杆与节点 板的连接焊缝应按下列公式计算: 肢背焊缝:
( K1?N ) ? (0.5 F /1.22)
2 2

肢尖焊缝:

? 2 ? 0.7 hf?lw ( K 2 ?N ) ? (0.5F /1.22)
2 2

? ff

w

图 屋架下弦节点
? ff
w

?? 2 ? 0.7hf??lw

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3. 屋脊拼接节点

屋架一般在工厂制成两半,工地拼接后再安装就位。工 厂制造时节点板和中央竖杆属于左半桁架,焊缝在车间施焊; 节点板与右方杆件的焊缝为工地施焊,称为安装焊缝。

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注意施工顺序,拼接角钢的型 号与弦杆相同,需刨角切肢。 拼接角钢与弦杆的连接焊缝通 常按被连接弦杆的最大内力计算, 每条焊缝的计算长度:
lw ? N 4 ? 0 .7 hf f f
w

( 8)

式中: N ——相邻上弦节间中较大的内力。 拼接角钢实际长度L=2(lw+10)+b, b是两弦杆端的空隙,
图 屋脊节点 a) 无天窗 b) 有天窗

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上弦与节点板连接焊缝:集中荷载F由上弦角钢肢背处 槽焊缝承受。 F w ( 4) ?f ? ? 0 .8 ? f f f
? 2 ? 0 .7 h f? l w

肢尖与节点板的连接焊缝承受上弦内力的15%(按经 验),并考虑附加弯矩作用M=0.15Ne。
?f ?
N

0 .1 5 N 2 ? 0 .7 h f l w

( 10)

?f ?
M

6M 2 ? 0 .7 h f l w
2

( 11)

??f ? ? ? ? f

M

? ? ? ?? fN ? ?

2

?

2

? ff

w

( 12)

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屋架弦杆的拼接有工厂拼接和工地拼接两种。 弦杆的拼接一般用连接角钢。拼接时通过安装螺栓定位 和夹紧所连接的弦杆然后再施焊。

Δ=t+hf+ 5mm

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连接角钢为便于施焊须铲去角钢背棱角,并采用与被 连接件相同的截面,连接角钢的竖肢应切去宽度为Δ=t+hf +5mm,t为连接角钢的厚度.hf为拼接角焊缝厚度。 割棱切肢引起的截面削弱不宜超过原截面的15%,并 由节点板和填板补偿。

Δ=t+hf+ 5mm

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拼接角钢为独立零件,左、右两半屋架工地拼接后, 再将拼接角钢与左右两半榀屋架的弦杆焊接。为便于安装 就位.节点板与右方腹杆间应设一个安装螺接连接;拼接 角钢应与左、右弦杆间设2个安装螺栓固定夹紧。 1)上弦杆与拼接角钢连接的计算:
lw ? N max 4 ? 0.7h f f f
w

l s ? 2 ( l w ? 2 h f m m )+ 弦 杆 杆 端 空 隙

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2)上弦杆与节点板间连接计算 对一般上弦拼接节点,上弦杆与节点板间的连接焊缝 可根据集中力Q计算;对于脊节点处,则需承受接头两侧弦 杆的竖向分力及节点荷裁Q的合力。

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计算上弦与节点板的连接焊缝时。 假定节点荷载由上弦角钢肢背处的焊缝承受, 按
Q 2 ? 0 .7 h f l w
' '

? 0 .8 ?

f

ff

w

计算。

上弦角钢肢尖与节点板的连接焊缝按上弦内 力的15%计算,并考虑此力产生的弯矩。
M ? 0 . 15 N ? e

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?

M f

?

6M 2 ? 0 .7 h f l w
2

?

N f

?

0 . 15 N 2 ? 0 .7 h f l w
?
M f

(?

N f

) ?(
2

)

2

? f

w f

1 . 22

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上弦杆与节点板间连接焊缝的计算 节点处上弦杆与节点板间的连接焊缝共有8条焊缝, 每条焊缝的长度可按下式计算:

lw ?
D = Q- 2Nsinα为 竖杆中内力 上弦杆的水 平分力,应由 拼接角钢传递

Q ? 2 N sin ? 8 ? 0.7h f f f
w

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(4)下弦拼接节点 下弦拼接角钢与下弦连接焊缝 长度计算:
lw ? A2 f 4 ? 0 .7 h f f f
w

( 13)

Af ——下弦杆最大抗拉承载力,节 点焊缝计算时与杆件等强度设计。 图 a)中拼接角钢端部直切,下 弦内力传递时,由于力线转折引起较 大的应力集中。 图b)中角钢肢宽大于125mm, 将拼接角钢的肢端斜切,使内力均匀 传递。

图 下弦拼接节点

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下弦与节点板的连接焊缝计算时,荷载N为:
N ? max

?N

1

? N 2 , max

? N 1 , N 2 ? ? 15 % ?

N1,N2为节点两侧杆件的内力。 当下弦节点有竖向荷载P作用时,同时考虑P、N的作用。

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4.下弦杆的拼接节点

下弦杆的拼接节点 的连接与工作原理同上弦杆的拼接节点。

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1)下弦杆与节点板间连接的焊缝计算 节点板与每侧下弦杆角钢间的焊缝计算,内力较大一侧弦 杆与节点板的连接,按两侧下弦较大内力15%和节点两侧弦杆 内力差ΔN=Nl—N2的较大值计算: k—为角钢肢背或 k?N w 角钢尖内力分配系数kl ?f ? ? ff 或k2,查表定。 2 ? 0.7h f l w 下弦杆与节点板间连接的焊缝计算 当两侧弦杆内力相等,即ΔN=0时,按两弦杆较大内力 的15%,即0.15Nmax计算:

?f ?

k ? 0.15 N max 2 ? 0.7 h f l w

? ff

w

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2)下弦拼接角钢与弦杆的连接计算 拼接角钢与下弦杆角钢间共有4条角焊缝,承担节点两侧 内力设计值。 对轴心拉杆的拼接,按截面的抗拉强度承载力进行连接计 算。认为平均受力。

lw ?

N max 4 ? 0.7h f f f
w

由连接焊缝的需要可求出拼接角钢的总长度为
ls ? A2 f ? ? 2 ? 4 ? 0 .7 h ? f f ? ? ? 2 h f mm ? ? (10 ~ 20 ) mm ? ?

w f

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5 . 铰接支座节点: 支座节点包括节点板、 加劲助、支座底板和锚栓 等部件。加劲肋设在支座 节点中心处,用来加强支 座底板刚度,减小底扳弯 矩,均匀传递支座反力并 增强支座节点板的侧向刚 度;

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支座底板的作用是 增加支座节点与混凝土 柱顶的接触面积,把节 点板和加劲肋传来的支 座反力均匀地传递到柱 顶上;锚栓应预理于柱 顶,一般取直径d=20~ 24 mm。

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为了安装时便 于调整屋架支座位 置,底板上的锚栓 孔直径取锚栓直径 的2.0~2.5倍,并开 成开口的椭圆豁孔。

垫板厚度与底板相同,孔径稍大于锚栓直径1~2mm, 屋架安装就位.并经调整正确后,将垫板与底板焊牢。

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1

铰接屋架支座 a)底板所需的净截面面积:
An ? R fc
1-1 q a 1
c

2

式中: R ——屋架支座反力; fc ——混凝土轴心抗压强度设计值; An ——支座底板净面积。 底板所需的毛截面面积
A ? A n ? ΔA

b1

e 2-2

b

a1

ΔA ——锚栓孔的面积。 连接锚栓的直径一般取20~25mm,为便于安装,锚栓 孔的直径取(2~2.5)d,通常取40 ~60 mm。

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支座节点板、加劲肋与支座底板的水平连接焊缝
?f ?
R 1 . 22 ? 0 . 7 h f ? l w ? ff
w

Σlw——节点板、加劲肋与支座底板的水平焊缝总长度。

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b)底板厚度
t ? 6M f

式中 M ——两相邻支承边支座底板单位宽度上的最大弯矩; ?——系数,按下表选用; q——底板单位面积的压力; a1——两相邻支承边对角线长度; b1——支承边交点至对角线的垂直距离。 两相邻边支承矩形板的弯矩系数

M ? ? qa 1

2

b1 /a1

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

?

0.026 0.042 0.058 0.072 0.085 0.092 0.104 0.111

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c)加劲肋与节点板的连接焊缝 焊缝受剪力
V ? R 4

焊缝受弯矩

M ? Ve ?

R 4

?e

加劲肋与支座节点板的焊缝
? V ? ? 2 ? 0 .7 h l f w ? ? ? 6M ? ?? ? ? 2 ? 0 . 7 h l 2 ? 1 . 22 f w ? ?
2

? ? ? ?

2

? ff

w

支座下伸不得小于下弦外伸肢体及130mm

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7.3 桁架施工图
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。

起拱:跨度较大的屋架,特别是荷载较大时,中间挠度较 大,因此为确保安全使用和外部美观,一般跨度≥24m的梯形 屋架和跨度≥15m的三角形屋架,中间起拱约为跨度的1/500。

施工图的内容

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施工图的内容 1.通常在图纸的左上角用合适的比例画以屋架简图。一半 标出几何长度,另一半杆件的计算内力值。 2.屋架的正面图。其轴线图与节点图可取不同比例,如轴 线可用1:30~1:20,杆件截面和节点尺寸可用1:15~1:10,以 使节点画清楚些。 3.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的定位尺寸和孔 洞位置等。 5.编制材料表,对所有零件应进行详细编号,编号应按零 件的主词、上下,左右一定的顺序逐一进行。 6.文字说明包括所用钢材的钢号及保证项目;焊条型号, 焊接方法和质量要求;图纸上未注明的焊缝和栓孔尺寸要求; 油漆、加工和运输要求等。

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绘图步骤

1.左上角:屋架简图一半标几何长度,一半内力由于 外荷载较大产生较大挠度, 起拱l/500,简图标明

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屋架正面图 (主要)

? 轴线? 杆件? 腹板焊缝 定节点板形状 ? 标尺寸
2 种比例 轴 线 1:30 1:15 杆件、节点

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1.上、下弦杆平面、端部和跨中侧面 注意螺栓孔位置、实虚线、填板位置、 拼接点; 2.尺寸 轴线至肢背距离 5mm 的倍数 三道 节点中心至杆近端距离:定杆件长度 节点中心至节点板边缘距离:定节点板尺寸 板件和角钢的切角、切棱、切肢、栓孔位置

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区别

工厂焊 工地焊

有支撑 无支撑

GWJ-2 GWJ-1

螺栓孔

1.材料表 编号 按主次、上下、左右 完全相同编同一个号; 仅螺栓孔、切肢对称标正、反 配料表:节点板按外轮廓尺寸

? 上下弦杆 腹杆

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杆件编号、屋脊细部图

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