钢桁架与门式刚架第十二周.pptx

第一节第一节 概概 述述 一、桁架的特点和应用一、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，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，特别材料性能发挥较好，特别适用于跨度或高度较大的结适用于跨度或高度较大的结构。构。桁架主要用于空间桁架（网架和塔架）、平面桁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）。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。设计内容设计内容p确定几何外形，布置杆件，确定几何外形，布置杆件，p选择杆件截面，以及桁架平面外的支撑布置，选择杆件截面，以及桁架平面外的支撑布置，p内力分析，内力分析，p杆件的强度、稳定性和构件刚度校核，杆件的强度、稳定性和构件刚度校核，p节点设计节点设计外形设计外形设计p桁架外形设计需考虑：桁架外形设计需考虑：p结构用途结构用途p荷载特点荷载特点p与其他构件的连接要求等。与其他构件的连接要求等。常用的平面桁架的外形如图常用的平面桁架的外形如图三角形桁架三角形桁架p 当屋面坡度较大当屋面坡度较大(i15)时采用三角形桁架，由于跨中高度较大，它的外形不能很好地与弯时采用三角形桁架，由于跨中高度较大，它的外形不能很好地与弯矩图配合，故支座附近的弦杆内力较大，而跨中较小。此外，腹杆的长度也较大，矩图配合，故支座附近的弦杆内力较大，而跨中较小。此外，腹杆的长度也较大，用于中小用于中小跨度的轻屋面较适宜跨度的轻屋面较适宜(降雪量大、雨水量大而集中的地区建造房屋的屋盖较多采用这种形式；降雪量大、雨水量大而集中的地区建造房屋的屋盖较多采用这种形式；有单侧均匀充足采光要求的工业厂房屋盖和有较大悬挑的雨篷等也采用这种形式有单侧均匀充足采光要求的工业厂房屋盖和有较大悬挑的雨篷等也采用这种形式)，若屋面，若屋面太重或跨度很大，采用三角形桁架不经济。太重或跨度很大，采用三角形桁架不经济。p p 图图a通常称为芬克式桁架。它的特点是较长的腹杆受拉，较短的腹杆受压，故腹通常称为芬克式桁架。它的特点是较长的腹杆受拉，较短的腹杆受压，故腹杆所需的截面较小。此外，在施工中它可以分为三个运送单元杆所需的截面较小。此外，在施工中它可以分为三个运送单元(两个小三角形和一两个小三角形和一段下弦杆段下弦杆)，每个单元的长度和高度都较小，便于运输，每个单元的长度和高度都较小，便于运输，故应用较广，大小跨度都故应用较广，大小跨度都可采用。可采用。三角形桁架三角形桁架p图图b斜腹杆式，一般用于跨度较小的屋架，它的优点斜腹杆式，一般用于跨度较小的屋架，它的优点是杆件的节点较少，腹杆与弦杆的交角较好，是杆件的节点较少，腹杆与弦杆的交角较好，节点节点构造易于处理，构造易于处理，在三角形桁架中也是一种较好的结在三角形桁架中也是一种较好的结构形式。构形式。三角形桁架三角形桁架p图图(c)人字腹杆，其优点是短小的腹杆受压，长的腹杆受拉，缺点是腹杆人字腹杆，其优点是短小的腹杆受压，长的腹杆受拉，缺点是腹杆的总长度较大，节点数目也较多，且杆件的交角太小，节点板所用钢材较的总长度较大，节点数目也较多，且杆件的交角太小，节点板所用钢材较多。一般说来，其经济指标不及前两种桁架，多。一般说来，其经济指标不及前两种桁架，但适用于需要吊平顶的房屋。但适用于需要吊平顶的房屋。p 对于跨度较大或者屋面坡度很陡的屋架对于跨度较大或者屋面坡度很陡的屋架，可以将下弦弯折，做成图，可以将下弦弯折，做成图(d)扇扇形腹杆体系，所示的形式，以减小跨中高度和运送单元的高度。形腹杆体系，所示的形式，以减小跨中高度和运送单元的高度。梯形桁架梯形桁架p 图为陡坡梯形桁架，与三角形桁架比较，其受力情图为陡坡梯形桁架，与三角形桁架比较，其受力情况较好。一般用于屋面坡度小于况较好。一般用于屋面坡度小于13而跨度又较大而跨度又较大的情况。（厂房屋架的情况。（厂房屋架)梯形桁架梯形桁架p坡度较平的梯形桁架，坡度较平的梯形桁架，当采用卷材防水屋面时，由当采用卷材防水屋面时，由于坡度很小于坡度很小(i=18112)，宜采用这种形式的桁，宜采用这种形式的桁架。架。梯形桁架上弦节点间长度应与屋面板尺寸相配梯形桁架上弦节点间长度应与屋面板尺寸相配合合(一般为一般为15m或或30m)，尽可能使荷载作用于节，尽可能使荷载作用于节点上。如果上弦节点间距太长，可以沿屋架全长或点上。如果上弦节点间距太长，可以沿屋架全长或局部布置再分式腹杆，如图局部布置再分式腹杆，如图(c)所示。所示。平行弦桁架（矩形）平行弦桁架（矩形）p p当上下弦互相平行时为平行弦桁架，如图所示。它当上下弦互相平行时为平行弦桁架，如图所示。它的优点是上、下弦和腹杆等同类型的杆件长度一致，的优点是上、下弦和腹杆等同类型的杆件长度一致，节点的构造类型少，上、下弦的拼接数量可减少，节点的构造类型少，上、下弦的拼接数量可减少，因而因而能符合建筑工业化制造的要求。目前，这种桁能符合建筑工业化制造的要求。目前，这种桁架在屋盖结构中常用作托架、钢桥。架在屋盖结构中常用作托架、钢桥。多边形桁架多边形桁架p p当屋面坡度当屋面坡度i=1315时，还可以采用图五边形桁架，它是由三角形桁时，还可以采用图五边形桁架，它是由三角形桁架演变出来的。其优点是上、下弦相交的角度较大，故弦杆的内力较小，架演变出来的。其优点是上、下弦相交的角度较大，故弦杆的内力较小，支座节点的构造也比较容易处理，在屋面坡度不大的情况下，它比三角形支座节点的构造也比较容易处理，在屋面坡度不大的情况下，它比三角形桁架的技术经济指标好一些。桁架的技术经济指标好一些。p图图a为上弦弯折的五边形桁架，安装屋面时，可以把支座处的檩条垫高，为上弦弯折的五边形桁架，安装屋面时，可以把支座处的檩条垫高，使屋面仍保持在一个斜面上：图使屋面仍保持在一个斜面上：图b为下弦弯折的五边形桁架为下弦弯折的五边形桁架用于不需要用于不需要吊顶或设有悬挂式起重运输设备的房屋。平坦又可以增加屋架高度吊顶或设有悬挂式起重运输设备的房屋。平坦又可以增加屋架高度多边形桁架多边形桁架p(c)、(d)是由梯形桁架演变出来的多边形桁架。其优是由梯形桁架演变出来的多边形桁架。其优点是跨中高度较小，腹杆的总长度较短。当屋面坡点是跨中高度较小，腹杆的总长度较短。当屋面坡度度i15时，弦杆各节点间受力比较均匀，减少屋架时，弦杆各节点间受力比较均匀，减少屋架在跨中的高度，故在跨中的高度，故比梯形桁架经济。缺点是略有拱比梯形桁架经济。缺点是略有拱的推力作用。的推力作用。二、平面桁架的外形和腹杆体系二、平面桁架的外形和腹杆体系 影响桁架外形选择的因素：影响桁架外形选择的因素：1.满足使用要求；满足使用要求；2.受力合理受力合理；3.便于制做和安装便于制做和安装；4.综合技术经济效果好。综合技术经济效果好。桁架的基本尺寸：桁架的基本尺寸：p1、跨度、跨度L：结构的使用要求。：结构的使用要求。桁架的总跨度取决于结构的用途：工业厂桁架的总跨度取决于结构的用途：工业厂房的总跨度和分跨度一般由工艺要求确定，桥梁的总跨度由所需跨越的江房的总跨度和分跨度一般由工艺要求确定，桥梁的总跨度由所需跨越的江河、峡谷的距离决定。从力学的角度考虑，选择合理的分跨点，对结构的河、峡谷的距离决定。从力学的角度考虑，选择合理的分跨点，对结构的安全性和经济性有很重要的作用，结构技术人员应当对此予以注意。安全性和经济性有很重要的作用，结构技术人员应当对此予以注意。p2、高度、高度H：经济和刚度的要求。桁架高度较大时，弦杆受力较小，但带：经济和刚度的要求。桁架高度较大时，弦杆受力较小，但带来腹杆增大。来腹杆增大。腹杆和弦杆总重量最轻，相对挠度在要求范围内。（运输界腹杆和弦杆总重量最轻，相对挠度在要求范围内。（运输界限）限）p3、节间长度：节间长度较小时，弦杆在桁架平面内的计算长度将减少，、节间长度：节间长度较小时，弦杆在桁架平面内的计算长度将减少，一定条件下可以节约用钢。但过多的节点设置也使节点用钢量增大，同时一定条件下可以节约用钢。但过多的节点设置也使节点用钢量增大，同时增加制作费用。此外，节间长度确定还与荷载作用位置有关。增加制作费用。此外，节间长度确定还与荷载作用位置有关。pH取决于运输界限（铁路运输为取决于运输界限（铁路运输为3.85m）和建筑高度要求的最大限值）和建筑高度要求的最大限值Hmax、刚度要求的最小限值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、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。简支梯形和平行弦桁架，通常H=（1/6 1/10）L,简支梯形钢桁架简支梯形钢桁架对端部高度对端部高度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，要求矩，要求H0具有一定高度。钢屋架中常用具有一定高度。钢屋架中常用H0=（1.82.2）m。腹杆布置腹杆布置构造简单：腹杆和节点数量少，尺寸统一构造简单：腹杆和节点数量少，尺寸统一受力合理：长杆受拉，短杆受压，使节点荷载尽量能受力合理：长杆受拉，短杆受压，使节点荷载尽量能以较短的途径传至支座。以较短的途径传至支座。平行弦或梯形桁架中平行弦或梯形桁架中人字式或单斜式人字式或单斜式 人字式腹杆数及结点数最少，适用于跨度较小或节点人字式腹杆数及结点数最少，适用于跨度较小或节点荷载数较少的桁架。从受力情况分析，腹杆承受剪力，荷载数较少的桁架。从受力情况分析，腹杆承受剪力，人字式腹杆体系中荷载从所作用的结点至支座的内力人字式腹杆体系中荷载从所作用的结点至支座的内力传递途径最短。传递途径最短。跨度较大跨度较大p对于中等以上跨度的桁架，由于斜杆合理倾角的要对于中等以上跨度的桁架，由于斜杆合理倾角的要求，节问长度将随桁架高度而增大，常需附加竖杆，求，节问长度将随桁架高度而增大，常需附加竖杆，借以减小上弦的节间长度，适应次梁或屋架檩条间借以减小上弦的节间长度，适应次梁或屋架檩条间距的要求，并减少上弦压杆的计算长度，常用距的要求，并减少上弦压杆的计算长度，常用b如水如水工闸门和上承式钢引桥中的主桁架等。工闸门和上承式钢引桥中的主桁架等。人字式：人字式：p下承式钢引桥主桁架下弦结点与次梁连接，为传递下承式钢引桥主桁架下弦结点与次梁连接，为传递次梁的结点荷载尚须附加受拉竖杆次梁的结点荷载尚须附加受拉竖杆(吊杆吊杆)，图，图(c)。附。附加受压或受拉竖杆因只承受局部结点荷载，故所需加受压或受拉竖杆因只承受局部结点荷载，故所需截面较小。有时也采用单斜式腹杆体系，见图截面较小。有时也采用单斜式腹杆体系，见图(d)，其优点是较小的斜杆受拉，用钢较省，结点形状相其优点是较小的斜杆受拉，用钢较省，结点形状相同，加工方便，但杆数和结点数较多，比人字式腹同，加工方便，但杆数和结点数较多，比人字式腹杆费工。单斜式腹杆中从荷载作用的结点向支座传杆费工。单斜式腹杆中从荷载作用的结点向支座传递内力的途径最长。递内力的途径最长。交叉式：交叉式：p当桁架作为支撑桁架时，常采用交叉式的腹杆体系，当桁架作为支撑桁架时，常采用交叉式的腹杆体系，见图见图(e)。它的特点是腹杆可以承受变向荷载。它的特点是腹杆可以承受变向荷载(如风荷如风荷载、水压力等载、水压力等)，并能提高结构的稳定性和刚度。这，并能提高结构的稳定性和刚度。这种多次超静定桁架一般可简化为静定桁架来计算，种多次超静定桁架一般可简化为静定桁架来计算，即认为只有一组受拉斜杆起作用，而另一组受压斜即认为只有一组受拉斜杆起作用，而另一组受压斜杆将因长细比较大，稍一受力就会发生纵向弯曲而杆将因长细比较大，稍一受力就会发生纵向弯曲而退出工作。当荷载的方向改变时，则两组斜杆的工退出工作。当荷载的方向改变时，则两组斜杆的工作即互相交换。作即互相交换。复杂腹杆体系复杂腹杆体系p为了缩小受压弦杆长度和竖杆长度，并使斜杆保持为了缩小受压弦杆长度和竖杆长度，并使斜杆保持合理倾角，可采用较复杂的腹杆体系，如再分式、合理倾角，可采用较复杂的腹杆体系，如再分式、K形、及菱形桁架等。形、及菱形桁架等。这些桁架常用于大跨度结构中。这些桁架常用于大跨度结构中。三门式刚架三门式刚架 定义定义 门式刚架是由梁、柱单元构件组成的单跨或门式刚架是由梁、柱单元构件组成的单跨或多跨刚架，具有轻型屋盖和轻型外墙，可以设置起重多跨刚架，具有轻型屋盖和轻型外墙，可以设置起重量不大于量不大于300kN300kN（3030吨吨）的中、轻级工作制桥式吊车或）的中、轻级工作制桥式吊车或30kN30kN（3 3吨吨）悬挂式起重机的单层房屋钢结构。）悬挂式起重机的单层房屋钢结构。