大工13春《钢结构》辅导资料十八.docx
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大工13春《钢结构》辅导资料十八
钢结构辅导资料十八
主题:
第七章屋盖结构
第五节桁架的计算长度和容许长细比
第六节桁架杆件的截面设计
第七节桁架的节点设计
第八节钢屋架施工图
学习时间:
2013年7月29日-8月4日
内容:
一、学习要求
1、掌握桁架的计算长度和容许长细比;
2、掌握桁架杆件的截面设计;
3、熟悉桁架的节点设计;
4、了解钢屋架施工图。
基本概念:
各种杆件的受力及截面,各类节点构造与设计,钢屋架施工图。
知识点:
杆件的计算长度;各类节点设计与焊缝计算;施工图绘制。
二、主要内容
桁架的计算长度和容许长细比
桁架的计算长度
1、弦杆和单斜腹杆的计算长度
计算长度的概念来源于理想轴心压杆的弹性分析。
在桁架中,根据杆件两端的嵌固程度来确定压杆的计算长度,也近似地用这一概念来确定拉杆的计算长度。
在理想铰接的屋架中,压杆屈曲变形如图b所示,压杆弯曲变形的同时,杆端将绕节点中心转动。
由于节点被假设为理想的铰,杆端的转动不受约束,拉杆仍为直线形式其端部也不转动。
但实际桁架的节点接近于刚接,杆件受压失稳将受到相邻杆件的影响和制约。
如相邻杆件中有较多拉杆尤其是截面粗大的拉杆时,将约束该杆失稳时的端部转动(称为嵌固作用),从而提高其整体稳定性,可将其计算长度折减。
2、变内力杆件的计算长度
受压弦杆的侧向支承点间距时常为弦杆节间长度的两倍,而弦杆两节间的轴线压力可能不相等(设N1>N2)。
3、交叉腹杆的计算长度
斜杆的几何长度为l,在交叉点处无论是否有斜杆断开,两斜杆总是用螺栓连接的。
在桁架平面内,无论杆件为拉杆或压杆,认为两杆可互为支承点,其计算长度都取节点与交叉点之间的距离,即
。
在桁架平面外,拉杆可作为压杆平面外支承点,故杆件的计算长度与受拉或受压有关,也与其断开情况有关。
对于压杆:
与它相交的另一斜杆受拉且二杆皆不中断时,取为0.5l;与它相交的另一斜杆受拉,两杆中有一杆中断并以节点板相搭接时取为0.7l;其它情况取为l。
对于拉杆,因压杆不作为它在平面外的支承点,故取为l。
桁架容许长细比
为保证桁架及支撑的杆件的刚度要求,钢结构规范规定了其长细比大小的容许值。
此容许长细比值因杆件的受力条件和重要程度不同而异。
如在桁架中,受压杆件的容许长细比为150;支撑的受压杆件为200;直接承受动力荷载的桁架中的拉杆为250;对承受静力荷载作用的桁架的拉杆仅计算其在竖向平面内的长细比,容许值为350;支撑的受拉杆件为400;还有其它的规定,详见钢结构设计规范的有关条文。
桁架杆件的截面设计
截面型式
1、杆件截面型式
桁架杆件截面型式应根据用料经济、连接构造简单和具有必要的强度、刚度等要求确定。
一般桁架中全部或多数杆件为轴心受力杆件,应尽量使杆件在桁架平面内和平面外的长细比相接近(
),这样可保证刚度和稳定性好且节省钢材。
常用的截面型式见图;普通钢桁架中主要用双等边或不等边角钢T形截面,个别杆件用双等边角钢十字形截面,支撑和轻型桁架的某些杆件可用单角钢截面。
图中截面的具体应用如下:
(1)上、下弦杆:
,
,一般
远大于
(2倍以上);为满足
,应使
,故通常采用短边相并的双不等边角钢T形截面(
)。
整个桁架在运输和吊装过程中要求有较大的侧向刚度,采用这种宽度较大的弦杆截面型式十分有利。
截面宽度较大也便于上弦杆上放置屋面板或檩条。
跨度和荷载较大的桁架中弦杆截面已足够粗大时,也可采用双等边角钢T形截面(
)。
有节间荷载的弦杆将同时承受N和
,根据
的大小可采用双等边角钢或长边相并的双不等边角钢T形截面。
(2)支座腹杆:
,故通常采用长边相并的双不等边角钢T形截面。
内力和截面较小或杆件较短时则可采用双等边角钢截面。
(3)一般腹杆:
,故通常采用双等边角钢T形截面。
(4)再分式腹杆:
再分式主斜杆
,但是一般杆件较短,故常采用双等边角钢,必要时也可用短边相并的双不等边角钢。
再分式次要腹杆
,但是一般杆件较短、内力较小,常采用较小规格的双等边角钢。
(5)双角钢十形截面:
这种截面具有较大的回转半径
,而同样规格T形截面仅为
。
故桁架中长度较大而内力较小的受压杆件,需要降低其长细比或由容许长细比[λ]确定角钢规格时,都可采用十形截面。
如桁架中连接垂直支撑的竖杆尤其适用此种截面。
2、双角钢截面角钢间的填板
双角钢T或十形截面属组合截面,应每隔一定间距在两角钢间放置填板。
厚度
普通钢桁架中双角钢截面的杆件在节点处以节点板连接。
桁架节点板厚度t的确定应在选择杆件截面之前。
节点板中应力复杂,难于分析,通常不作计算而根据经验确定其厚度,并全桁架统一。
确定厚度的主要依据指标是各节点处每根杆件传给节点板的内力,以其中最大者为准。
在三角形桁架中的所有杆件中,最大内力是上弦杆端节间内力,这个内力也就是节点板所传最大内力。
在梯形或平行弦桁架中,弦杆内力虽较大,但其端节间N和中节间△N小于斜腹杆内力,故节点板所传最大内力为各腹杆的最大内力。
截面选择和计算
1、截面选择的一般要求
(1)应优先选用较宽较薄的角钢规格以增加截面的回转半径和节省钢材。
(2)角钢最小规格一般按∟50×5或∟75×50×5(受力较小的桁架可按∟45×4或∟56×36×4)。
有垂直支撑处桁架竖杆则通常用≥2∟63×5。
有螺栓孔时角钢最小边宽应符合如下规定:
对M16、18、20螺栓分别对应角钢为≥∟63、70、75(对临时性安装螺栓可酌量减小)。
上弦角钢上直接放置大形屋面板时,角钢水平边宽宜≥80mm(屋架间距>6m时为100mm)。
(3)桁架的弦杆一般采用通长等截面。
但对跨度大于30m梯形桁架和大于24m三角形桁架,也可根据弦杆内力的变化情况,在每半跨内改变弦杆截面一次。
弦杆变截面通常是改变角钢边宽而保持厚度不变,并在节点处改变,以使拼接方便。
变截面两侧角钢通常做成外表面平齐;也可做成形心轴线(取整至5mm)重合,这时拼接处需加设填板使表面平齐。
(4)一个桁架中角钢规格常较多。
设计时应适当统一和归并相近的规格,减少角钢规格种数。
变宽相同角钢的厚度应相差至少2mm,以便制造时区别。
2、桁架杆件截面选择的公式和步骤
桁架杆件一般是轴心受拉或受压构件,当有节间荷载时则是拉弯或压弯构件。
拉杆应进行强度验算和刚度验算。
强度验算中在有螺栓孔削弱时,应该用净截面;如果螺栓孔位置处于节点板内且离节点板边缘有一定距离(大于100mm)时,可不计截面削弱。
刚度验算应使杆在两个方向的长细比中的较大者小于容许长细比。
压杆应进行稳定性和刚度的计算,压弯杆(当上弦有节间荷载时)应进行平面内外的稳定性和刚度的验算,压弯杆的容许长细比近似采用轴心压杆的数值。
这两种杆件,必要时还应进行强度验算。
桁架中内力很小或为零的杆件,其强度或整体稳定型不成问题,可直接按杆件满足容许长细比[λ]和构造最小尺寸的要求来确定需用角钢的规格。
桁架的节点设计
一般原则
普通钢桁架中,各交汇杆件一般都焊在节点板上,组成桁架的节点。
少数情况下也可省去节点板,直接将腹杆焊于弦杆上。
为了安装简便,也可以在工厂制造时用焊接而在工地安装连接处用高强度螺栓连接。
理论上桁架各杆件的形心线应与桁架杆件轴线重合,并在节点处交汇于一点,以免节点偏心受力引起杆件附加弯矩。
为了制造方便,实际焊接中通长把角钢背外表面到形心轴线的距离调整到最靠近的5mm的倍数,作为角钢轴线的定位尺寸。
这样交汇时给杆件轴线力带来的偏心都很小,计算中略去不计。
腹杆和弦杆或各腹杆边缘之间应留一定的空隙,以利拼装和施焊。
一般取c略大于20mm;承受直接动力荷载的桁架中腹杆与弦杆间取c略大于50mm。
节点板通常伸出弦杆角钢外边缘15mm左右,以布置焊缝。
并注明节点板尺寸h2来控制。
角钢端部的切割一般应垂直于轴线。
当需要斜切时,应按图所示把角钢的连接边斜切。
如图所示的切割方式是不允许的。
节点板的形状应尽量简单如矩形、梯形等,必要时也可用其它形状,但总以制作简便并切割钢板时能充分利用材料为原则。
在内力较大的桁架中,节点板的厚度不足也有可能失稳。
构造与计算
1、一般节点
指无节点集中荷载也无弦杆拼接的节点。
设计时对于N3、N4、N5一般用两侧焊缝实现,也可用L形围焊缝或三面围焊缝实现。
对于弦杆,其与节点板的焊缝只传递了差值⊿N=N1-N2,由⊿N算得的焊缝长度往往很小,此时按构造要求在节点板范围内进行满焊。
其它如杆间间隙及节点设计应满足一般设计要求。
2、有集中荷载的节点
如图所示有集中荷载的上弦节点。
当荷载P较大而上弦角钢较薄时,其伸出肢容易弯曲,可用水平板予以加强。
为使檩条或几种荷载下水平板能够放置,节点板有不伸出或部分伸出的两种作法。
3、弦杆拼接节点
杆件拼接有车间拼接和工地拼接两种。
当桁架受运输或安装条件限制,需要在车间做成几段运至工地后进行的拼接,称为桁架的工地拼接。
如图是下弦及上弦中央工地拼接节点。
在节点处用拼接角钢将弦杆拼接。
拼接角钢的规格与弦杆相同,并切肢及切去直角边棱。
4、支座节点
钢桁架通常可铰接支承在墙或钢筋混凝土柱上。
支座节点处各杆件交汇于一点,由此竖直向下应正好或接近通过支座底板的形心,则底板的承压应力可视为均布。
支座节点的构造和设计方法与轴心受压柱脚基本相同。
底板所需净面积应按桁架反力R和混凝土抗压设计强度
确定,由此确定跨度方向和垂直方向的底板尺寸L×B。
一般屋架的反力不大,底板尺寸通常由螺栓间距和构造要求控制,一般采用边长为240-400mm的矩形,b略大而a稍小些。
底板外轮廓应在柱边线以及相邻屋架分界线范围以内,留空隙不小于10mm。
通常做法是把节点板和垂直于节点板的加劲肋焊于底板,共同传递支座反力。
它们把底板分割成四个相同的二邻边支承区格a×b,可按公式确定底板厚度。
一般取t≥20mm,屋架跨度l<18m时可用。
锚栓常用2个M20-24,底板上开孔直径取锚栓直径的2-2.5倍,并常在外侧穿插,以便屋架安装;锚栓垫板厚度于底板相同。
钢屋架施工图
钢结构施工图是制造厂商加工制造构件和结构安装的主要依据,通常包括结构安装图和构件图两种类型;或者还有制造和安装总说明。
本节主要阐述钢屋架结构施工图。
结构安装图主要包括结构布置图、安装节点和大样图以及构件统计表。
用于工地安装,形成整体结构。
结构布置图的形式包括平面、剖面和各方向视图等,表示出柱、屋架、檩条、支撑等全部需要安装构件的编号、安装位置、与结构轴线或其它构件的位置关系、控制尺寸和标高等。
图中每一个构件用与其它构件断开的单根粗线或简单外形图表示。
同类型构件只要略有尺寸或制造上的差异要求就应给以不同编号,或相同编号后附以不同编号,或相同编号后附以不同尾标。
安装节点和大样图包括正面、平面、侧面、剖面图等,规定不同构件间的位置、尺寸和安装关系,以及螺栓或焊缝连接的尺寸和要求等。
大样图应尽量简化以通用于所有类似节点,细节尺寸差别可不于标注而用文字简单说明。
结构安装图中对应每一有编号的构件都应有构件图。
构件图应标明制造时所需要的全部尺寸和细节要求。
差别很小的同类构件可合用一个构件图,但应标明其差别。
三、典型习题
简答题
1、焊接残余应力对结构性能有哪些影响。
答:
(1)在静荷载作用下,焊接残余应力是不会影响结构强度的;
(2)焊接残余应力的存在会降低结构的刚度;
(3)有焊接残余应力的轴心压杆,刚度的降低必定影响构件的稳定承载能力;
(4)焊接结构中常有两向或三向焊接拉应力场,使材料的塑性变形不能开展,材质变脆,裂缝易发生和发展,降低疲劳强度,容易发生低温脆性现象。
2、焊接组合梁的设计步骤和内容有哪些。
答:
(1)截面选择:
组合梁的截面选择包括选择腹板的高度和厚度,翼缘的宽度和厚度,腹板加劲肋的布置和计算,支承加劲肋的布置和计算,腹板和翼缘的焊缝设计计算,梁的截面沿跨长的改变等。
(2)截面验算:
截面尺寸确定后,按实际选定尺寸计算各项截面几何特性,然后进行强度、刚度和整体稳定性、局部稳定性的验算。
经过各项验算如发现初选截面有不满足要求或不够恰当之处时,则应适当修改截面重新验算直至得到满意的截面为止。
计算题
一实腹式轴心受压柱,承受轴压力为3000kN(设计值),计算长度为
,
,截面为焊接组合工字形,尺寸如图所示,翼缘为剪切边,钢材为Q235,容许长细比
。
试验算此构件的整体稳定性和局部稳定性。
,截面对x轴为b类截面,对y轴为c类截面,查表:
,
。
解:
(1)验算整体稳定性。
对x轴为b类截面,对y轴为c类截面,查表:
所以构件整体稳定满足要求。
(2)验算局部稳定。
翼缘:
腹板:
所以构件局部稳定也满足要求。
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- 钢结构 大工 13 辅导资料 十八