钢结构初中级04 钢桁架设计

第四课钢桁架设计1、钢桁架的实际应用
钢屋架常见形式
钢结构连廊、通廊等常见形式
2、桁架设计一般规定或经验
A：桁架的形式应根据建筑的要求，综合考虑屋面材料、天窗、檩条、支撑布置以及屋架与柱时铰接或刚接等因素最终确定外形尺寸和腹杆体系。

B：桁架的腹杆体系。

应使结构受力合理、节点构造简单统一。

腹杆数量少而总长度短，宜使长腹杆受拉，短腹杆受压，弦杆不产生局部弯矩。

斜腹杆与弦杆的夹角宜在35~55度。

C：常见腹杆体系有人字式、单斜式以及减小上弦的节间长度而增加的再分式腹杆体系。

人字式在屋架中应用最广泛，再分式桁架体系较加密主腹杆的结构方案更省钢材。

D：桁架节间的设置应结合建筑或工艺需求，设备吊挂等设置，并应使荷载尽量作用在节点上。

E：对于跨度较大的桁架，当变形超限时可以采用起拱解决。

起拱值可取1/500,或者将恒载作用下挠度起拱。

F：跨度小于或等于12m的桁架，可以不分段；跨度大于12m但小于20m时，可以分成两段；大于等于20m时，可以分成多段，但每段长度均不宜超过12m；拼接接头宜位于廊身跨度的1/3处；
G：当桁架节间数为奇数时，中央节间宜布置交叉腹杆。

3、桁架计算时的基本力学假定
A：桁架所有杆件的轴线都在一个平面内且相交于一点。

杆件轴线按照下列规定确定，此时可不考虑偏心的影响。

当用螺栓连接时，以靠近截面形心轴的准线为轴线；当采用焊缝连接时，对角钢可取角钢背至截面形心轴的距离为5mm的整数倍（即5mm 的模数）。

当弦杆截面在节点处有改变时，以受力较大的杆件重心线为轴线，不同截面的轴心线偏移距离在不超过较大弦杆截面高度的5%时，可不考虑此偏心的影响。

B：各节点均为铰接，但在桁架平面内，当截面高度与几何长度（节点中心距离）之比大于1/10(弦杆)或腹杆大于1/15(腹杆)时，应考虑节点刚性产生的次弯矩。

（一般取应力增大系数1.15~1.20）。

C：计算时，将荷载先作用在节点上，并按此计算出各杆件的内力。

对弦杆的节间荷载（最好不要这样，计算长度选取会出现不可靠），可假定弦杆为支撑于铰接节点的连续梁按下述近似方法计算局部弯矩。

端节间取0.8Mo，其他节间正负弯矩均取为0.6Mo。

4、杆件截面如何选择
常用的截面形式：
A：屋架杆件在平面内、外的长细比宜接近，一些常见截面的回转半径应熟记，如双角钢组合截面的回转半径如下:
B：当桁架构件采用双角钢截面且较大时，宜采用轧制T型钢代替双角钢作为桁架的上下弦杆，荷载比较大时宜采用Ｈ型钢。

Ｃ：同一桁架所采用型钢的种类不宜过多，相同规格的厚度差不得小于2mm。

D：桁架受压杆件一般来讲，宜采用宽而薄的截面以增大回转半径（不利之处？），厚度一般不宜小于4mm，大跨度或者腐蚀环境中的结构宜适当增大（可取6mm)。

5、桁架结构设计(不含维护结构，围护结构放在门刚中详细讲解)
A桁架的整体计算
结构力学中含两种方法：节点法和截面法。

某连廊连接于两构筑物（钢结构框架）之间，用于人行走及料运输，跨度为27米，通廊宽度为4.25m(两榀桁架中心间距），净高要求不小于2.8m，走道为100厚混凝土预制板，通过四个脚部的预埋件与钢梁焊接，钢材选用Q235B。

设计安全等级为二级，位于七度区0.1g，Ⅳ场地，设计地震分组为第一组。

整个设计思路及流程如下：
设计资料梳理→结构宏观尺寸确定、布置→荷载计算→构件截面初选→STS平面桁架(含竖向、水平桁架)建模计算分析、截面调整→节点验算→3d3s整体三维复核→平面桁架制图讲解及计算书整理→布置作业→作业点评
工艺资料及设计任务书理解
工艺资料会给出如下内容：通廊的立面布置、走道布置、断面图、胶带机支座布置、头轮布置、尾轮布置、拉紧装置布置等等。

净空会影响桁架高度的取值。

桁架高度的选取考虑两方面因素
其一：计算所需高度，一般荷载情况下可取其跨度的1／10～1／14,那么初选取1/12即27÷12=2.25m
其二：应满足建筑或工艺等专业要求，此处净空要求为2.8m，可取
2.9m（保留适当的余量）
总结：结合二者初选桁架高度为2.9m，高度确定之后即可结合工艺布置对主受力桁架进行布置。

一般来说对于简支桁架，如下布置方式最优。

结合工艺资料并考虑腹杆弦杆角度适宜的原则布置如-4图构件立面：
上弦荷载计算：
上弦平面投影宽度约4.9m,侧立面约3.2m
屋面自重：一般取为0.2KN/m2
上弦支撑自重：一般取为0.1KN/m2
作用在每个上弦节点为0.3x4.9x2.5/2=1.84KN
一半侧面墙身自重：取为0.2KN/m2
作用在每个上弦节点为0.2x3.2x2.5/2=0.8KN
屋面活载：按照不上人屋面取为0.5KN/m2
则作用在每个上弦节点为0.5x4.9x2.5/2=3.1KN
合计：作用在每个上弦节点的恒载为1.84+0.8=2.64KN 作用在每个上弦节点的活载为3.1KN
下弦荷载计算：
下弦走道板、走道梁及面层自重为3.2KN/m2
下弦水平支撑取为0.1KN/m2
作用在每个下弦节点为3.3x4.25x2.5/2=17.5KN
一半侧面墙身自重：取为0.2KN/m2
作用在每个下弦节点为0.2x3.2x2.5/2=0.8KN
胶带机恒载4KN/m
作用在每个下弦节点恒载为4x2.5/2=5KN
胶带机活载4KN/m
作用在每个下弦节点活载为4x2.5/2=5KN
走道净宽0.95m,活载2KN/m2
作为在每个节点走道活荷载0.95x2.5x2=4.75KN
合计：作用在每个下弦节点的恒载为17.5+0.8+5=23.3KN 作用在每个下弦节点的活载为5+4.75=9.8KN
下弦重锤部分荷载
设备加吊重230KN，分配到4各支座，各57.5KN
则分配到第二个节间的活载为
57.5+57.5x1100/2660=81.3KN
第一个节间分配的荷载为：
57.5x1560/2660=33.7KN
计算简图
均布荷载计算
（3.2+0.1）x2.5=8.25KN/m
2x2.5=5KN/m
集中荷载由胶带机传来
4x2.5=10KN(恒活数值相同)
走道梁截面高度一般可初选为跨度1/20左右，可根据荷载大小进行浮动；桁架结构中一般采用型钢，本案例选用热轧普通工字钢，初选为4250/20=212.5，选用工22a。

挠度控制取为钢结构设计规范表A.1.1第四款第三项，即[Vt]限值为1/250，[Vq]限值为l/300。

经验算，满足。

经验算，需要HN396x199x7x11才能满足要求。

其余梁设计略。

桁架支座模拟
桁架弦杆存在节间荷载的情形
STS桁架计算模型如下：
一般不允许在同一桁架中选用不同厚度的同截面大小截面。

注意钢结构规范8.1.2对最小截面及其厚度的规定以及☆工业建筑防腐蚀设计规范☆4.3节之要求。

上弦初选
A、钢结构设规范表5.3.8及抗规10.2.14，长细比限值控制为150，
=3168/150=21.12mm。

双角拟采用等边双角钢，依最大节间计算，i
min
钢填板厚度可依据本课件后面部分表格进行选取（有于该结构是静定结构，确定填板厚度时可以先随意选取截面进行计算）
根据计算结果，本案例选取填板及节点板厚度为10mm
B、经验取值：角钢桁架上弦节间长度与截面高度(桁架平面内)之比可取为20~30之间。

根据A、B初选L100x6双角钢T形组合
下弦初选
A、钢结构设规范表5.3.8及抗规10.2.14，长细比限值控制为150，拟采用等边双角钢，依最大节间计算，i
=2660/200=13.3mm。

min
B、经验取值：初步计算可取与上弦相同截面，或者小1~2级。

根据A、B初选L100x6双角钢T形组合
腹杆选取
原则先松后紧的原则（先卡着长细比选取），即不够再加。

一般杆件，结合抗规、钢规，压杆先控制为180，拉杆控制为250.拉杆的回转半径需要大于等于3829÷250=15.3mm，采用双角钢T形组合2L63x6,I min=1.93cm可满足。

压杆的回转半径需要大于等于2900÷180=16.1mm，采用双角钢十字形组合2L63x6,I yo=2.98x2-2.43=3.53，i min=i xo=2.43，满足。

注意十字形截面组合时，回转半径怎么查取？
(2)单角钢截面特性
以50x6角钢为例说明：2L50x6填板后6mm,ix=1.53cm，iy=2.32cm,则十字形组合时ix+iy=2.32+2.32=4.64cm;单角钢50X6绕U轴为1.91cm 根据Ix+Iy=Ip,可以知道ix+iy=iu+iv=定值。

则双角钢十字形组合的iu=1.91,那么十字形的iv=2.73。

带入lo/iu可得到该构件的长细比。

总结：可知对于双角钢的组合，T组合最小Imin大于十字形组合Imin 当受力模式为轴压时，采用十字组合较好，长细比采用的是换算长细比。

关键杆件，结合抗规、钢规，压杆先控制为150，拉杆控制为200.具体计算过程同上。

以上初选可用于桁架中间腹杆；其余位置腹杆大小，可依据内力变化规律从中间向端部逐渐增大。

计算完成截面如下：
STS参数的填取结合钢结构规范表5.3.8以及建筑抗震规范表10.2.14。

规范10.2.13提到了哪些是关键构件。

关于阻尼比的确定参照规范10.2.8条。

计算结果：
轴力包络图
上下弦水平支撑按拉杆设计，一般采用单角钢组成的交叉腹杆，交叉处相互连接。

一般按照拉杆设计，根据建筑抗震设计规范表10.2.14，此杆件为一般杆件，长细比限值可控制为250。

上弦横杆设计为减少桁架上弦平面外计算长度的杆件，根据钢结构规范表5.3.8，长细比可控制为200，而抗规10.2.14对压杆限值为180，因此从严控制。

该构件尚且承担屋面荷载，应按照压弯构件进行复核。

关于节点板强度及稳定控制的一些探讨：
支座节点板板厚宜较中间节点板厚2mm，中间节点板宜统一。

节点手册关于桁架焊缝计算讲解。

节点手册第二版P16、P50；第三版P18、P54.
STS节点验算
风荷载按照单向倒到杆件。