《钢结构基本原理》 课程设计指导书
《钢结构基本原理 《钢结构基本原理》 课程设计指导书
《钢结构》讲义 钢屋盖设计 钢屋盖结构由屋面、屋架和支撑三部分组成。 钢屋盖结构设计的内容： 屋盖结构布置：屋架形式的选择：支撑布置：屋盖荷载计算：屋架各杆内力计算：屋 架杆件截面选择：檩条、拉条和撑杆的计算：节点设计以及绘制施工图。 一、材料选择 由结构重要性，荷载特征（静荷或动荷），连接方法（焊接或螺栓连接）选用钢材及 焊条。 二、屋盖结构布置 钢屋盖结构可分为两类：一类为有檩体系屋盖，是指在屋架上放置檩条，檩条上再铺 设石棉瓦、瓦楞铁皮、钢丝网水泥槽形板、压型钢板等轻型屋面材料，屋面荷载由檩条传 给屋架：另一类称无檩体系屋盖，是指在屋架上直接放置钢筋混凝土大型屋面板、太空板 等，屋面荷载由大型屋面板直接传给屋架。 三、屋架形式及几何尺寸 屋架是由各种直杆相互连接组成的一种平面桁架：在横向节点荷载作用下，各杆件产 生轴心压力或轴心拉力，因而杆件截面应力分布均匀，材料利用充分，具有用钢屋小、自 重轻：刚度大、便于加工成形和应用广泛的特点。 屋架按外形可分为三角形、梯形、拱形及平行弦四种形式。 屋架的造型应符合以下原则：第一，满足使用要求，主要是排水坡度、建筑净空、天 窗、天棚以及悬挂吊车的需要。第二，受力合理。应使屋架的外形与弯矩图相近，杆件受 力均匀：短杆受压、长杆受拉：荷载布置在节点上，以减少弦杆局部弯矩，屋架中部有足 够高度，以满足刚度要求。第三，便于施工。屋架的杆件和节点宜减少数量和品种、构造 简单、尺寸划一、夹角在30~60度之间。跨度和高度避免超宽、超高。设计时应全面分析、 具体处理，从而确定具体的合理形式。 1.梯形屋架 1)适用于屋面坡度平缓的无懔屋盖结构。屋架形式有普通式（人字式、单斜式）、再 分式。根据跨度、坡度、荷载和有无吊车的条件，再分式的形式有所不同。坡度i<1/3,且 跨度较大时多采用梯形屋架。梯形屋架外形与弯矩图接近，弦杆受力均匀：腹杆多采用人 字式：当端斜杆与弦杆组成的支承点在下弦时称为下承式，多用于刚接支承节点，反之为 上承式。梯形屋架上弦节间长度应与屋面板的尺寸配合，使荷载作用于节点上，当上弦节 间太长时，应采用再分式。 2)屋架计算跨度为屋架两端支座反力的距离，应考虑屋架支座处的构造尺寸，根据房 屋定位轴线及支座构造的不同，屋架的计算跨度的取值尚有下述情况：当支座为一般钢筋 混凝土柱且柱网为封闭结合时，计算跨度为L,(300~400)m:当柱网采用非封闭结 合时，计算跨度为=L,标志跨度L为柱网横向轴线间的距离。 屋架中部高度H=(1/10~1/6)L,跨度大时取小值，跨度小时取大值
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 2 钢屋盖设计 钢屋盖结构由屋面、屋架和支撑三部分组成。 钢屋盖结构设计的内容： 屋盖结构布置；屋架形式的选择；支撑布置；屋盖荷载计算；屋架各杆内力计算；屋 架杆件截面选择；檩条、拉条和撑杆的计算；节点设计以及绘制施工图。 一、材料选择 由结构重要性，荷载特征（静荷或动荷），连接方法（焊接或螺栓连接）选用钢材及 焊条。 二、屋盖结构布置 钢屋盖结构可分为两类：一类为有檩体系屋盖，是指在屋架上放置檩条，檩条上再铺 设石棉瓦、瓦楞铁皮、钢丝网水泥槽形板、压型钢板等轻型屋面材料，屋面荷载由檩条传 给屋架；另一类称无檩体系屋盖，是指在屋架上直接放置钢筋混凝土大型屋面板、太空板 等，屋面荷载由大型屋面板直接传给屋架。 三、屋架形式及几何尺寸 屋架是由各种直杆相互连接组成的一种平面桁架：在横向节点荷载作用下，各杆件产 生轴心压力或轴心拉力，因而杆件截面应力分布均匀，材料利用充分，具有用钢屋小、自 重轻；刚度大、便于加工成形和应用广泛的特点。 屋架按外形可分为三角形、梯形、拱形及平行弦四种形式。 屋架的造型应符合以下原则：第一，满足使用要求，主要是排水坡度、建筑净空、天 窗、天棚以及悬挂吊车的需要。第二，受力合理。应使屋架的外形与弯矩图相近，杆件受 力均匀；短杆受压、长杆受拉；荷载布置在节点上，以减少弦杆局部弯矩，屋架中部有足 够高度，以满足刚度要求。第三，便于施工。屋架的杆件和节点宜减少数量和品种、构造 简单、尺寸划一、夹角在 30～60 度之间。跨度和高度避免超宽、超高。设计时应全面分析、 具体处理，从而确定具体的合理形式。 1.梯形屋架 1）适用于屋面坡度平缓的无檩屋盖结构。屋架形式有普通式（人字式、单斜式）、再 分式。根据跨度、坡度、荷载和有无吊车的条件，再分式的形式有所不同。坡度 i<1/3，且 跨度较大时多采用梯形屋架。梯形屋架外形与弯矩图接近，弦杆受力均匀；腹杆多采用人 字式；当端斜杆与弦杆组成的支承点在下弦时称为下承式，多用于刚接支承节点，反之为 上承式。梯形屋架上弦节间长度应与屋面板的尺寸配合，使荷载作用于节点上，当上弦节 间太长时，应采用再分式。 2）屋架计算跨度为屋架两端支座反力的距离，应考虑屋架支座处的构造尺寸，根据房 屋定位轴线及支座构造的不同，屋架的计算跨度的取值尚有下述情况：当支座为一般钢筋 混凝土柱且柱网为封闭结合时，计算跨度为 L0= L-（300～400）mm；当柱网采用非封闭结 合时，计算跨度为 L0= L , 标志跨度 L 为柱网横向轴线间的距离。 屋架中部高度 H =（1/10～1/6）L，跨度大时取小值，跨度小时取大值
《钢结构》讲义 屋架端部高度儿，常将儿取为：与柱刚接时，端部高度一般为(1/16一1/12)L,常 取1.8~2.4m:与柱铰接时，与屋架中部高度及屋面坡度相关，常取1.6一2.2m范围内。 3)屋架上弦节间的划分，主要根据屋面材料的尺寸来定，尽可能使屋面荷载作用于屋 架节点。 2.三角形屋架 1)适用于屋面坡度较陡的有檩屋盖结构。屋架形式有人字式、单斜式、芬克式。因芬 克式受力合理比较常用。 2)屋架计算跨度L。的计算同梯形屋架。 屋架中部高度与屋面坡度有关H=(1/4~1/6)L 3)三角形屋架适用于有檩屋盖结构，上弦节间的划分，主要根据屋面檩条的间距来定， 般上弦节间长度为0.8一3.0m 3.设计屋架尺寸时，首先根据屋架形式和工程经验确定端部尺寸；然后，根 据屋面材料和屋面坡度确定屋架跨中高度：最后综合考虑各种因素，确定屋架 的高度。当屋架的外形和主要尺寸（跨度、高度）确定后，屋架各个杆件的几何 尺寸即可根据三角函数或投影关系求得。 4.对跨度15m的三角形桁架和跨度超过24如的梯形、平行弦桁架，当下弦无向 上曲折时，宜采用起拱，抵消桁架受荷后产生的部分挠度。起拱高度一般为其 跨度的1/500左右。当采用图解法求桁架杆件内力时，图解时可不考虑起拱高 度：可取50m(计算杆件的几何尺寸时不考虑起拱)。 四、支撑布置 钢屋盖和柱组成的结构体系是一平面排架结构，纵向刚度很差，在荷载作用下，存在 者所有屋架同向倾覆的危险。此外，在这样的体系中，由于模条和屋面板均不能作为上弦 杆的侧向支承点，故上弦杆在受压时，极易发生侧向失稳现象，其承载力极低。 为使屋架形成稳定的空间结构体系，则需在相邻两屋架之间设置上弦横向支撑、下 横向支撑和垂直支撑，其余屋架则由檩条、大型屋面板和系杆在纵向相连接，从而构成稳 定的几何不变体系。屋盖支撑的主要作用是：承受屋盖在安装和使用过程中可出现的纵向 水平力，如山墙的水平风力、悬挂吊车的纵向水平制动力、安装时可能产生的垂直于屋架 平面的水平力，以及纵向地震作用等：作为屋架弦杆的侧向支承点，减少上弦杆在屋架平 面外的计算长度，以提高上弦杆的稳定性：防止受拉下弦杆因某些动力设备运转时产生过 大的水平振幅：保证屋架安装质量和安全施工：保证屋盖结构的空间整体性能是屋盖支撑 最为重要的性能。 根据车间长度，屋架跨度，荷载情况，以及吊车设置情况，合理布置支撑体系。主要 考虑：
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 3 屋架端部高度 H。，常将 H。取为：与柱刚接时,端部高度一般为（1/16～1/12）L ,常 取 1.8～2.4m；与柱铰接时，与屋架中部高度及屋面坡度相关，常取 1.6～2.2m 范围内。 3）屋架上弦节间的划分，主要根据屋面材料的尺寸来定，尽可能使屋面荷载作用于屋 架节点。 2．三角形屋架 1）适用于屋面坡度较陡的有檩屋盖结构。屋架形式有人字式、单斜式、芬克式。因芬 克式受力合理比较常用。 2）屋架计算跨度 L。的计算同梯形屋架。 屋架中部高度与屋面坡度有关 H =（1/4～1/6）L 3）三角形屋架适用于有檩屋盖结构，上弦节间的划分，主要根据屋面檩条的间距来定， 一般上弦节间长度为 0.8～3.0m。 3.设计屋架尺寸时 3.设计屋架尺寸时，首先根据屋架形式和工程经验确定端部尺寸 ，首先根据屋架形式和工程经验确定端部尺寸；然后，根 据屋面材料和屋面坡度确定屋架跨中高度；最后综合考虑各种因素 ；最后综合考虑各种因素，确定屋架 的高度。当屋架的外形和主要尺寸 。当屋架的外形和主要尺寸(跨度、高度)确定后，屋架各个杆件 ，屋架各个杆件的几何 尺寸即可根据三角函数或投影关系求得。 4.对跨度 15m 的三角 15m 的三角形桁架和跨度超过 24m 的梯形 24m 的梯形、平行弦桁架，当下弦无向 上曲折时，宜采用起拱，抵消桁架受荷后产生的部分挠度 ，抵消桁架受荷后产生的部分挠度。起拱高度一般为其 。起拱高度一般为其 跨度的 1/500 左右 1/500 左右。当采用图解法求桁架杆件内力时 。当采用图解法求桁架杆件内力时，图解时可不考虑起拱高 ，图解时可不考虑起拱高 度;可取 50mm（计算杆件的几何尺寸 计算杆件的几何尺寸时不考虑起拱）。 四、支撑布置 钢屋盖和柱组成的结构体系是一平面排架结构，纵向刚度很差，在荷载作用下，存在 着所有屋架同向倾覆的危险。此外，在这样的体系中，由于檩条和屋面板均不能作为上弦 杆的侧向支承点，故上弦杆在受压时，极易发生侧向失稳现象，其承载力极低。 为使屋架形成稳定的空间结构体系，则需在相邻两屋架之间设置上弦横向支撑、下弦 横向支撑和垂直支撑，其余屋架则由檩条、大型屋面板和系杆在纵向相连接，从而构成稳 定的几何不变体系。屋盖支撑的主要作用是：承受屋盖在安装和使用过程中可出现的纵向 水平力，如山墙的水平风力、悬挂吊车的纵向水平制动力、安装时可能产生的垂直于屋架 平面的水平力，以及纵向地震作用等；作为屋架弦杆的侧向支承点，减少上弦杆在屋架平 面外的计算长度，以提高上弦杆的稳定性；防止受拉下弦杆因某些动力设备运转时产生过 大的水平振幅；保证屋架安装质量和安全施工；保证屋盖结构的空间整体性能是屋盖支撑 最为重要的性能。 根据车间长度，屋架跨度，荷载情况，以及吊车设置情况，合理布置支撑体系。主要 考虑：
。钢结构》讲义 1.上弦横向水平支撑： 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。 2.下弦横向水平支撑 当屋架间距<12时，尚应在屋架下弦设置横向水平支撑， 一般和上弦横向水平支撑布 置在同一柱间以形成空间稳定体系的基本组成部分。但当屋架跨度比较小(<18如)又无吊 车或其他振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。 3.纵向水平支撑： 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。屋架间距<12m时，通常布置在屋架下弦平面。屋架间距≥12m时，宜布置在屋 架的上弦平面内。 4.垂直支撑： 在相邻两屋架间和天窗架间设置与上、下弦横向水平支撑相对应的垂直支撑，以确保 屋盖结构为几何不变体系。垂直支撑一般设置在上、下弦横向支撑的柱间内，在屋架两端 及跨中的竖直面内：当梯形屋架跨度！≤30m、三角形屋架跨度/>24m时，可仅在屋架跨中 设置一道垂直支撑。当梯形屋架I>30加、三角形屋架>24如时，宜在跨中1/3处，或天窗架 侧柱处设置两道垂直支撑：对梯形屋架两侧边应各增设一道垂直支撑：天窗架垂直支撑设 于两侧，当宽度≥12m,还应在中央增设一道垂直支撑。 5.系杆（刚性或柔性）： 系杆能保证无横向水平支撑的所有屋架在上弦杆平面外的稳定和安装时屋架的稳定， 第一柱间的刚性系杆能将山墙的风荷载传到横向水平支撑。对未设置横向支撑的屋架，均 应在有垂直支撑的位置，沿房屋纵向通长设置系杆，以保证不设横向支撑的屋架的侧向稳 定。系杆有两种：承受压力的截面较大的系杆称刚性系杆，多由双角钢组成：只承受拉力 的截面较小的系杆称为柔性系杆，多由单角钢组成。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」 上弦系杆：对有檩体系，檩条可兼作柔性系杆：对无檩体系，大型屋面板可兼作系杆， 仅需在屋脊及屋架两端设置刚性系杆，当无天窗时，应在设置垂直支撑的位置设置通长的 柔性系杆。 下弦系杆：在设置垂直支撑的平面内，均应设置通长的柔性系杆：在梯形屋架及三角
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 4 1．上弦横向水平支撑： 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。 2．下弦横向水平支撑： 当屋架间距<12m 时，尚应在屋架下弦设置横向水平支撑，一般和上弦横向水平支撑布 置在同一柱间以形成空间稳定体系的基本组成部分。但当屋架跨度比较小（<18m）又无吊 车或其他振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。 3．纵向水平支撑: 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。屋架间距<12m 时，通常布置在屋架下弦平面。屋架间距≥12m 时，宜布置在屋 架的上弦平面内。 4．垂直支撑： 在相邻两屋架间和天窗架间设置与上、下弦横向水平支撑相对应的垂直支撑，以确保 屋盖结构为几何不变体系。垂直支撑一般设置在上、下弦横向支撑的柱间内，在屋架两端 及跨中的竖直面内；当梯形屋架跨度l ≤30m、三角形屋架跨度l ＞24m 时，可仅在屋架跨中 设置一道垂直支撑。当梯形屋架l >30m、三角形屋架l >24m 时，宜在跨中 1／3 处，或天窗架 侧柱处设置两道垂直支撑；对梯形屋架两侧边应各增设一道垂直支撑；天窗架垂直支撑设 于两侧，当宽度≥12m，还应在中央增设一道垂直支撑。 5．系杆（刚性或柔性）： 系杆能保证无横向水平支撑的所有屋架在上弦杆平面外的稳定和安装时屋架的稳定， 第一柱间的刚性系杆能将山墙的风荷载传到横向水平支撑。对未设置横向支撑的屋架，均 应在有垂直支撑的位置，沿房屋纵向通长设置系杆，以保证不设横向支撑的屋架的侧向稳 定。系杆有两种：承受压力的截面较大的系杆称刚性系杆，多由双角钢组成；只承受拉力 的截面较小的系杆称为柔性系杆，多由单角钢组成。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。 上弦系杆；对有檩体系，檩条可兼作柔性系杆；对无檩体系，大型屋面板可兼作系杆， 仅需在屋脊及屋架两端设置刚性系杆，当无天窗时，应在设置垂直支撑的位置设置通长的 柔性系杆。 下弦系杆：在设置垂直支撑的平面内，均应设置通长的柔性系杆；在梯形屋架及三角
《钢结构》讲义 形屋架的支座处应设置通长的刚性系杆，若为混合结构，与屋架或柱顶拉结的圈梁可代替 该系杆：芬克式屋架，当跨度≥18m时，宜在主斜杆与下弦连接的节点处设置水平柔性系 杆：有弯折下弦的屋架，宜在弯折点处设置通长系杆。 系杆应与横向支撑的节点相连。当横向水平支撑设在温度区段第二柱间时，第一柱间 的所有系杆，包括檩条均应为刚性系杆。 并在计算书上画出屋盖支撑布置图。 五、荷载和内力计算 作用于屋架上的荷载可有： 水久荷载：屋面材料、檩条、屋架、天窗架、支撑以及天棚等结构自重。 可变荷载：屋面均布使用活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载以及悬挂吊车和重物等。 1.荷载计算 1)屋面永久荷载按屋面实际做法对应值计算。 屋架和支撑自重可按经验公式估算 8=(0.12+0.0111)kN/m水平投影面积 屋架自重的一半作用在上弦平面，另一半作用在下弦平面。当屋架下弦无其它荷载 时，为简化可假定全部作用在上弦平面。 2)屋面活荷载与屋面雪荷载不同时考虑，取其中较大者进行计算。 3)屋面积灰荷载属于可变荷载。 4)当屋面坡度α≤30°时，除瓦楞铁等轻型屋面外，一般可不考虑风荷载。 2.荷载组合 设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合 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)全跨屋架与支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载 我们只要求考虑第一种荷载组合 3.内力计算 1)将屋面均布荷载转化为屋架节点荷载或节间荷载， % 大 0=Y9;S-a
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 5 形屋架的支座处应设置通长的刚性系杆，若为混合结构，与屋架或柱顶拉结的圈梁可代替 该系杆；芬克式屋架，当跨度≥18m 时，宜在主斜杆与下弦连接的节点处设置水平柔性系 杆；有弯折下弦的屋架，宜在弯折点处设置通长系杆。 系杆应与横向支撑的节点相连。当横向水平支撑设在温度区段第二柱间时，第一柱间 的所有系杆，包括檩条均应为刚性系杆。 并在计算书上画出屋盖支撑布置图。 五、荷载和内力计算 作用于屋架上的荷载可有： 永久荷载：屋面材料、檩条、屋架、天窗架、支撑以及天棚等结构自重。 可变荷载：屋面均布使用活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载以及悬挂吊车和重物等。 1．荷载计算 1）屋面永久荷载按屋面实际做法对应值计算。 屋架和支撑自重可按经验公式估算 屋架自重的一半作用在上弦平面，另一半作用在下弦平面。当屋架下弦无其它荷载 时，为简化可假定全部作用在上弦平面。 2）屋面活荷载与屋面雪荷载不同时考虑，取其中较大者进行计算。 3）屋面积灰荷载属于可变荷载。 4）当屋面坡度α ≤ 30o时，除瓦楞铁等轻型屋面外，一般可不考虑风荷载。 2．荷载组合 设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合： 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）全跨屋架与支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载 我们只要求考虑第一种荷载组合。 3. 内力计算 3. 内力计算 1）将屋面均布荷载转化为屋架节点荷载或节间荷载, S a i q i Q=γ ⋅ ⋅ ⋅