第七章 钢桁架

第七章 钢桁架
第一节 概述
一、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）。 本章主要介绍平面简支桁架的设计。 本章主要介绍平面简支桁架的设计。 二、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。
第三节 桁架设计
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。
第二节 支撑设计
一、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（如图7 接相连桁架仍会侧向倾倒（如图7-4（(a)中虚线 (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： 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。
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=（1.8~2.2）m。
● 受压弦杆的侧向支撑点间距L1时常为节间长度的2倍（图713（a）），而弦杆两节间的轴心压力可能不相等（设N1＞N2）， 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L0Y≥0.5L1 号，拉力取符号。 计算时压力取正
（2）保证桁架结构的空间刚度和空间整体性。桁 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 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。 保证结构安装时的稳定且便于安装。 （5）保证结构安装时的稳定且便于安装。
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：双角钢T形 杆件的填板： 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 Ld≤40i1 拉杆 Ld≤80i1。
（二） 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719），以减小两个角钢的形心线错开而产生的偏心影响。 2 C 7-19 （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c≥20mm；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c≥50mm。 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。
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λx≈λy。 （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5~6种。
二、桁架杆件的计算长度
（一）
桁架平面内的计算长度L 桁架平面内的计算长度L0x 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.上下弦杆 L0X=L（节间长度） 上下弦杆： 1.上下弦杆 2. 腹 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 L0X=节点中心至交叉点间的距离（如图7-12）。 交叉腹杆： 交叉腹杆
五、桁架的杆件设计
钢桁架一般在节点处设置节点板，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。
（三）、桁架支撑的计算
1.计算原则 1.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 计算原则： 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 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 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形 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 内力计算 架是超静定体系，但因受力较小，一 般可按下述简化方法计算：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）、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： 7-4 b 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）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，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。
桁架平面外的计算长度L （二） 桁架平面外的计算长度L0Y 桁架平面外的计算长度L0Y应取侧向支撑点间的距离： 1. 上下弦杆 上下弦杆：L0Y=L1（侧向支点间的距离） 2. 腹 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。
2. 下弦横向水平支撑
布置原则：一般情况均应设置下弦横向水平支撑。只有当桁 布置原则 架跨度比较小（L≤18m），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：与上弦横向水平支撑布置在同一柱间，以形成空 布置位置 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。