第六章 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）。,桁架体系,三角形桁架,梯 形 桁 架,亚洲最大购物中心屋面钢桁架,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。,桁架是一种受弯构件在，主要特点是以旋杆代替梁的翼缘和一腹杆代替梁的腹板，其整体上承受弯矩。,1. 桁架的类型,木桁架,钢桁架,钢筋混凝土桁架,按材料可分为：,桁架的实际构造,第二节 桁架的外形、尺寸和腹杆布置,一、桁架的外形选择,三角形桁架,适用于屋面坡度较大的有檩屋盖结构，根据屋面的排水要求，坡度一般为 1/21/3，跨度一般在18 24m之间。三角形桁架与柱只能做成铰接.,梯 形 桁 架,适用于屋面坡度较小的屋盖体系。其坡度一般为 1/81/16。跨度可达36m。梯形桁架与柱的连接可做成刚接也可做成铰接。,平行弦桁架：可做成不同坡度，一般用于单坡屋架、托架、吊车制动桁架、栈桥或支撑体系。,平行弦桁架,立体桁架 立体桁架是由平面桁架演变而来，常用的做法是把单根的上弦或下弦分成两根，使桁架的横截面成为倒三角形或正三角形。,立体桁架（成都双流机场候机楼）,二、桁架的基本尺寸,桁架的主要尺寸包括桁架的跨度、跨中高度及梯形桁架的端部高度。,跨度:桁架的标志跨度是指定位轴线间的距离，一般以3m为模数。桁架的计算跨度是指桁架两端支座反力间的距离。,高度：三角形桁架高度较大，一般取跨中高度h=(1/41/6)l。 梯形桁架当上弦坡度为1/8-1/12时，跨中高度一般为(1/6-1/10)l。跨度大（或屋面荷载小）时取小值，跨度小（或屋面荷载大）时取大值。梯形桁架的端部高度：当桁架与柱铰接时为1.6-2.2m，刚接时为1.8-2.4m。端弯矩大时取大值，端弯矩小时取小值。,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：柱中心距离) 高度：三角形 h（1/41/6）L 梯形 跨中 h（1/61/10）L 端部 h1.62.2m（铰接时） h1.82.4m（刚接时）,三、桁架的腹杆布置,第三节 桁架间的支撑和压杆的计算长度,一、支撑,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。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）。,桁架间的支撑,桁架间的支撑,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。 （2）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。,(一)：桁架支撑的作用主要是：,（3）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。 （5）保证结构安装时的稳定且便于安装。,(二)：支撑的布置,桁架的支撑按照布置方向分为横向支撑和纵向支撑。,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超过60m时，还应在温度区段中部布置一道或几道横向水平支撑。,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。只有当桁架跨度比较小（L18m），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。,纵向水平支撑,垂直支撑： 所有厂房中均应设置垂直支撑。布置位置： 梯形屋架在跨度L30m、三角形屋架在跨度L24m时，仅在屋架跨度中央设置一道垂直支撑，当屋架跨度大于上述数值时，宜在跨度1/3附近或天窗架侧柱处设置两道。 对于梯形屋架，在屋架两端还应各设置一道垂直支撑。 沿厂房纵向，屋架的垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同一柱间。,系杆： 系杆的作用：对于不设横向支撑的其它屋架，屋架上、下弦的侧向稳定性则由与横向支撑节点相连的系杆来保证。 系杆的类型：能承受压力和拉力的系杆称为刚性系杆；只能承受拉力的系杆叫柔性系杆。其长细比分别按压杆和拉杆控制。 布置原则： 在垂直支撑的平面内一般应设置上、下弦系杆；屋脊节点及主要节点处需设置刚性系杆，天窗侧柱处及下弦跨中附近设置柔性系杆；当屋架横向支撑设在厂房端部第二柱间时，则第一柱间的所有系杆均布置为刚性系杆。,桁架的系杆,第四节 桁架的杆件设计,一、桁架的荷载,作用于桁架上的荷载有永久荷载和可变荷载两大类。,永久荷载,桁架自重,屋面材料自重,永久荷载,可变荷载,风荷载,雪荷载,可变荷载,厂房面积灰荷载,计算桁架的内力时，应根据使用过程中和施工过程中可能出现的最不利荷载组合进行桁架的计算。,对房屋桁架设计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、支撑及天窗架自重+半跨条、屋面板和活荷载,注：1、在进行跨中斜腹杆的截面选择时，无论在全跨荷载作用下是拉杆还是压杆，均按压杆考虑并控制长细比不大于150。此时，可不考虑第2、3组合。,二、桁架杆件的内力计算,1.各杆件都用光滑铰链相连接,理想桁架,2.各杆件轴线都是直线，并通过铰链中心,3.所有外力(荷载及支座反力)都作用在节点上,二 力 杆,轴 向 力,理想桁架的内力特点：,各杆件都用光滑铰链相连接,各杆件轴线都是直线，并通过铰链中心,所有外力，包括荷载及支座约束力都作用在节点上,取各节点为考察对象,取各节点为考察对象,节点法,截面法,三、杆件的截面选择,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。,第五节 普通桁架节点设计和桁架施工图绘制,桁架节点,节点处各杆件的轴线,一、结点构造的一般要求,1、杆件的轴线,在绘制桁架结点图时，首先绘制出汇交于结点的各杆件的轴线，然后画出各杆件的轮廓线，先画弦杆，再画竖杆，然后画斜杆。,截面改变引起偏心的结点受力,当单斜杆与弦杆相交时，需注意节点板的外边缘与斜杆轴线应保持不小于1：3或1：4的坡度，使杆中内力在节点板中有良好的扩散，以改善节点板的受力情况。,单斜杆与弦杆的连接,2、结点板的形状及其厚度,结点板的作用主要是通过它将交汇于结点上的腹杆连接到弦杆上，并传递和平衡结点上各杆内力。,3、腹杆角钢的切割和腹杆长度的确定,4、腹杆的焊接,二、结点板的计算,节点板只在弦杆与腹杆之间传力，不直接参与传递弦杆内力，弦杆若在节点板处断开，应设置拼接角钢在两弦杆间直接传力。,由静力平衡条件有：,上弦节点结构示意图,三、结点设计,钢结构大型复杂节点现场吊装, 据屋架几何形式定出节点的轴线关系，并按比例画出轴线（1/201/10）和杆件（1/101/5） ，弦杆肢尖与腹杆、腹杆之间距离满足前述基本要求。 计算腹杆肢背、肢尖焊缝长度，图中作出定位点。 计算弦杆与节点板的焊缝，图中作出定位点。 画出节点板，将各定位点都包括在内。 适当调整焊缝厚度、长度，重新验算。 绘制节点大样（比例尺为1/101/5），标注需要的尺寸。,节点设计步骤,四、桁架施工图的绘制,1、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。 2、比例：轴线图与节点图可取不同比例，如轴线可用1:301:20，杆件截面和节点尺寸可用1:151:10，以使节点画清楚些。 3、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，一般跨度大于等于24m的梯形屋架和跨度大于等于15m的三角形屋架，中间起拱约为跨度的1/500。,4、施工图设计分为施工设计和详图设计两个阶段，设计文件（图纸）的名称相应为施工图和施工详图，施工图是编制施工详图的依据，施工详图则是施工图的深化和补充。 5、随着国内钢结构生产企业技术能力的提高，向国际惯用做法靠拢，施工图由设计院完成，施工详图由生产企业的技术科完成。,