大工15秋《结构设计原理》辅导资料

结构设计原理辅导资料十八

主题：课件第20、21讲钢结构设计——钢桁架型式的选择；桁架的荷载和内力；桁架杆件的截面设计。

学习时间：2016年1月25日－1月31日

目的和要求：

我们这周主要学习第7章钢结构设计中钢桁架型式的选择；桁架的荷载和内力；桁架杆件的截面设计的内容。

本章主要包含以下几个方面内容：

1．桁架型式的选择；

2．桁架的荷载和内力；

3．桁架杆件截面的设计。

基本内容：选型、荷载计算、截面设计。

一、学习要求

1．掌握桁架杆件荷载及内力计算；

2．掌握桁架杆件的截面设计方法。

二、主要内容

桁架是由直杆在端部互相连接而组成的格构式结构，主要承受横向荷载，整体受弯。

桁架的应用很广，最常用的是平面钢桁架，例如，建筑结构的屋架和吊车梁。各种型式的塔架、网架等则属于空间桁架结构。与实腹梁相比，桁架节省钢材，结构自重轻，因而适用于跨度或高度较大的结构。此外，还便于按照不同的使用

要求制成各种需要的外形。主要缺点是杆件节点较多，制造较费工。

钢桁架按杆件内力、杆件截面和节点构造可分为普通、重型和轻型钢桁架。普通钢桁架的杆件通常采用两个角钢组成的T形截面，在节点处用一块节点板连接，构造简单，应用最广。重型钢桁架杆件由钢板或型钢组成，需用两块平行的节点板，常用于跨度和荷载较大时。轻型钢桁架采用小角钢和圆钢或冷弯薄壁型钢截面，主要用于跨度较小、屋面较轻的屋盖结构。本周介绍普通钢桁架的设计要点。

钢桁架杆件通常采用焊缝连接，其支撑系统常用C级普通螺栓或高强度螺栓连接。

桁架型式的选择

以屋架为例说明如何选择桁架型式。设计屋架的最主要工作是确定弦杆的布置形式，因为它对屋架的内力分布起决定作用。屋架弦杆的布置形式主要有三角形、梯形、拱形和折线形等。图7.6.1比较了承受相同屋面均布荷载，相同跨度、矢高屋架的轴向力分布情况，图中“+”为拉力，“-”为压力。由图可见，三角形屋架中杆件内力大且很不均匀，为了减小内力，必须增大矢高，腹杆长，因而自重大，不经济。梯形屋架杆件的内力也不均匀，且由于端部高度较大，需在端部设置垂直支撑以保证屋架的稳定。拱形屋架的内力均匀，腹杆内力为零，但抛物线上弦杆制作不便，为此，可改成折线形，内力的分布基本不变。折线形屋架的上弦由几段直线杆件连接而成，具有拱形屋架的基本优点，又减缓了屋面的坡度。所以，拱形和折线型屋架有较好的技术经济指标。

屋架的跨度和间距根据工艺和建筑要求确定，简支于柱顶上的钢屋架的计算跨度取屋架支座反力间的距离。屋架的高度取决于建筑设计、刚度和经济三方面

的要求，同时要考虑屋面坡度和运输界限的要求。通常，高度与跨度之比（高跨比）为：三角形屋架为1/6～1/4；梯形屋架跨中为1/10～1/6，端部高度一般为1.8～2.1m。

桁架的荷载和内力

设计桁架时需先计算桁架荷载并由此计算各杆件的内力，以屋架为例说明。

（一）屋架上的荷载

屋面永久荷载有屋架自重（包括支撑自重）、屋面永久荷载（檐口板、屋面板、瓦以及屋面保温层、防水层等重量）；屋面可变荷载有屋面均布荷载、雪荷载、积灰荷载，风荷载；有的房屋还有下弦的吊顶重、吊挂管道等。

以上荷载应是均布于水平投影面积上的荷载，以2

/

kN m计，其值可由荷载规范查得或按材料的厚度或规格计算。

屋架上的荷载通常以集中或均布的形式作用于上弦杆或下弦杆。当荷载为均布并通过檩条或大型屋面板的边肋传力时，每个集中荷载的计算范围取相邻屋架的中线与相邻檩条或边肋中线围成的面积，如图7.6.2所示，其值等于这一面积乘以均布荷载设计值。

钢桁架杆件细长，抗弯能力差，故布置桁架节点和节间时应尽量避免或减小节间荷载。

（2）桁架的内力计算

桁架节点一般为焊接、螺栓连接，具有较大的刚性。但是，由于通常钢桁架杆件截面较小，抗弯刚度不大，按节点刚接桁架计算得到的杆件轴力值与按节点铰接桁架计算的结果相差不多，弯矩较小。所以，当桁架仅承受节点荷载时，可

以按铰接桁架计算杆件内力。对实际上存在的节点弯矩可以在节点的构造设计中予以考虑。

求得各种荷载下的杆件内力后，应进行内力组合，取每一杆件可能的最不利内力（拉力、压力）作为杆件截面设计内力。一般考虑三种荷载组合：

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；

3）全跨屋架、天窗架和支撑自重+半跨屋面板重+半跨屋面可变荷载。

三、桁架杆件截面设计

选定桁架型式、确定钢材并求出各杆件的设计内力后，需再确定杆件在各个方向的计算长度、截面的组成形式、节点板厚度等，然后进行截面选择。

（1）桁架杆件的计算长度

杆件在桁架平面内、平面外的支承条件不同，计算长度应分别考虑。钢结构规范规定了杆件在桁架平面内的计算长度ox l 和平面外的计算长度oy l 。

（2）杆件的截面形式和一般构造

1）杆件截面形式

桁架杆件的截面形式应根据用料经济，连接构造简单和强度、刚度等要求确定。桁架中全部或多数杆件一般为轴心受力杆件，设计时应尽量使杆件在桁架平面内和平面外的长细比相接近（x y λλ≈），既使刚度和稳定性符合要求又节省钢材。一般支承条件下，普通钢桁架上、下弦杆通常采用短边相并的双不等边角钢组成的T 形截面，x λ与y λ相近，并能保证运输和吊装时的侧向刚度，也便于在上弦杆上放置屋面板或檩条。跨度和荷载较大的桁架弦杆也可采用双等边角钢T 形等截面。支座腹杆通常采用长边相并的双不等变角钢T 形截面。一般腹杆通常

采用双等边角钢T 形截面。双角钢十字形截面具有较大的回转半径，故桁架中长度较大而内力较小的受压杆件可采用十字形截面。支撑和轻型桁架的某些杆架可用单角钢截面。

各种截面型式双角钢的x i ，y i ，xo i ，yo i 值由角钢表直接查的，这些截面/y x i i 的大致比值如图7.6.3所列。

少数构件采用双等肢角钢组成的十字形截面，节点处用双角钢之间的节点板

连接。

（2）双角钢截面中角钢之间的填板

双角钢T 形或十形截面是组合截面，应每隔一定间距再角钢间放置填板以保证整体共同受力，如图7.6.4所示。填板宽度一般约60mm ，厚度t 与节点板相同，填板间距140d l i =（压杆）和180d l i =（拉杆），1i 为一个角钢对l-1形心轴的回转半径（T 形截面中l-1轴平行于填板方向，十字形截面中l-1轴为斜向最小回转半径轴）。杆件在两个侧向支承点间的填板数量应不少于2个（T 形截面）和3个（十字形截面，常用奇数）。