水工鋼結構課件

概論

第一節(jié)鋼結構的特點和應用

一.鋼結構的特點:

鋼結構是用鋼材制造而成的工程結構。通常它采用鋼板、型鋼（有些結構也可能采用鋼索）加工制造而成。鋼結構與鋼筋混凝土結構、砌體結構等都屬于按材料劃分的工程結構的不同分支。鋼結構與其它結構相比，具有下列特點：1.可靠性高

鋼材在鋼廠生產(chǎn)時，整個過程可嚴格控制，質(zhì)量比較穩(wěn)定;鋼材組織均勻，接近于各向同性勻質(zhì)體；鋼材的物理力學特性與工程力學對材料性能所作的基本假定符合較好；鋼結構的實際工作性能比較符合目前采用的理論計算結果。所以說鋼結構的可靠性高。2.材料的強度高，鋼結構自重輕。

鋼材與其它材料相比，它的強度與重力密度之比要高得多。在同樣的受力條件下，鋼結構用材料少，自重輕。以24m跨度廠房屋架為例，當承受相同的荷載時，每榀鋼屋架的重量為2.1～2.7噸，而預應力鋼筋混凝土屋架的重量為6.4～11.3噸，后者為前者的3～4倍。若采用冷彎薄壁型鋼屋架，其自重接近鋼筋混凝土屋架的1/10。鋼結構自重輕，便于運輸和安裝，基礎費用低。3.鋼材的塑性和韌性好

鋼材的塑性好，鋼結構破壞前一般都會產(chǎn)生顯著的變形，易于被發(fā)現(xiàn)，可及時采取補救措施，避免重大事故發(fā)生。鋼材的韌性好，鋼結構對動力荷載的適應性強，具有良好的吸能能力，抗震性能優(yōu)越。

4.鋼結構制造簡便，施工工期短

鋼結構一般在專業(yè)工廠制造，易實現(xiàn)機械化，是工程結構中工業(yè)化程度最高的一種結構。構件制造完成后，運至施工現(xiàn)場拼裝成結構。施工工期短，可盡快發(fā)揮投資的經(jīng)濟效益。我國已建成的某240m

315m全鋼結構廠房，建筑面積達7.6萬m2，其結構安裝僅用了98天。鋼結構由于連接的特性，易于加固、改建和拆遷。5.鋼結構密閉性好

鋼結構采用焊接連接可制成水密性和氣密性較好的常壓和高壓容器結構和管道。

6.鋼材的耐銹蝕性差

在沒有腐蝕性介質(zhì)的一般環(huán)境中，鋼結構經(jīng)除銹后再涂上合格的防銹涂料后，銹蝕問題并不嚴重。但在潮濕和有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，鋼結構容易銹蝕，需定期維護，增加了維護費用。我國已研究生產(chǎn)出抗銹蝕性能良好的耐大氣腐蝕鋼，并用于工程結構。7.鋼結構耐熱但不耐火

當鋼材受熱溫度在200oC以內(nèi)時，鋼材的主要性能變化很小，具有較好的耐熱性能。當溫度達600oC以上時，鋼材的承載力幾乎完全喪失，所以說鋼材不耐火。當溫度在250oC左右時，鋼材的塑性和韌性降低，破壞時常呈脆性斷裂?？紤]一定的安全儲備，當結構表面長期受輻射熱溫度不小于150oC時，需加以隔熱防護。當有防火要求時，要采取防火措施。8.鋼材在低溫時脆性增大

在負溫度區(qū)（0oC以下）,鋼材的塑性和韌性隨著溫度降低而變差。二、鋼結構的應用范圍

應根據(jù)鋼結構的特點，注意揚長避短，合理使用鋼結構。在建筑工程和水利水電工程中，鋼結構的主要應用范圍如下：

1.大跨度結構

隨著結構跨度增大，結構自重在全部荷載中所占比重也就越大，減輕自重可獲得明顯的經(jīng)濟效益。對于大跨度結構，鋼結構重量輕的優(yōu)點顯得特別突出。

上海8萬人體育館：徑向懸挑桁架和環(huán)向桁架組成的空間鋼屋蓋結構。長軸為288.4m,短軸為274.4m，最大懸挑跨度達73.5m。

上海浦東機場英國倫敦的“世紀展覽館”：直徑365m鋼骨架膜結構圓形建筑。2.高層建筑

高層建筑已成為現(xiàn)代化城市的一個標志。鋼材強度高和鋼結構重量輕的特點對高層建筑具有重要意義。強度高則構件截面尺寸小，可提高有效使用面積。重量輕可大大減輕構件、基礎和地基所承受的荷載，降低基礎工程等的造價。當今世界上最高的50幢建筑中，鋼結構和鋼—砼混合結構占80%以上。1996年建成的吉隆坡佩重納斯大廈（雙塔），95層，高452米，是世界上目前最高的建筑。馬來西亞佩重納斯大廈

臺北金融中心大樓（TAIBPEI101）

101層，508m高，2.3萬平米，2004年9月營運。上海金茂大廈:

88+3層，88層為觀光廳,高度為340.1m，總高420.5m。用鋼14000t，28.7萬m2。大廈樁深83.5m，總投資＄5.4億。美國紐約的世界貿(mào)易中心大樓110層，高417m，100萬平米，兩樓共有239部電梯。辦公人員5萬，每日來訪和觀光8萬。施工期間無工人死亡。用鋼20多萬t。93年恐怖組織車載炸藥爆炸（地下可停車2000多輛），三層樓板被炸穿，無大影響。75年2月11層失火，三小時控制火勢，直接損失100萬美元。01年9月11日，北京時間20:45一757飛機（起飛重量達104t，可載油35t）撞擊北塔樓，94～99層直接受損，22:28倒塌；21:03一767飛機（起飛重量達156t，載油51t)撞擊南大樓，78～84層直接受損，22:05倒塌?？蜋C的起飛重量加上約1000公里的飛行速度，撞擊力總共相當于2萬多公斤的黃色炸藥。撞擊使世貿(mào)中心產(chǎn)生巨大晃動，但內(nèi)部和外部并沒有嚴重塌落，從撞到塌時間較長，樓內(nèi)人員可以逃生，世貿(mào)中心死亡人數(shù)2797人(其中失蹤59人，機組156人）。3.工業(yè)建筑

當工業(yè)建筑的跨度和柱距較大，或者設有大噸位吊車，結構需承受大的動力荷載時，往往部分或全部采用鋼結構。西安變壓器電爐廠的總裝車間，L

=36m，高30余米，Q=(400+50+1)t。為了盡快發(fā)揮投資效益，近年來我國的普通工業(yè)建筑大量采用了鋼結構。馬鋼平（爐）改轉（爐）工程：占地面積1.98萬平米，鋼結構總重量1.79萬噸。4.輕型結構

稱使用荷載較小或跨度不大的結構為輕型結構。自重是這類結構的主要荷載，常采用冷彎薄壁型鋼或小型鋼制成的輕型鋼結構。國內(nèi)跨度最大的輕鋼結構是大連某糧食倉庫，l=72m，建筑面積8000m2

，結構用鋼量49.7kg/m2

。近年來金屬拱型波紋屋蓋已用于建筑工程。紹興郵電培訓中心大堂青島海爾魯能集團東方航空公司華北制藥集團5.高聳結構

如塔架和桅桿等，它們的高度大，橫截面尺寸較小，風荷載和地震作用常常起主要作用，自重對結構的影響較大，常采用鋼結構。加拿大多倫多電視塔高553.34米，目前世界第一。上海東方明珠電視塔

6.活動式結構

如水工鋼閘門、升船機等，可充分發(fā)揮鋼結構重量輕的特點，降低啟閉設備的造價和運轉所耗費的動力。我國三峽工程的永久船閘采用雙線五級連續(xù)梯級船閘，總水級差113m，閘門孔口凈寬34m，每級均采用人字鋼閘門，共有12道24扇閘門，每扇閘門高38.5m，寬20m，重864t。船過船閘一般需2小時35分鐘。三峽升船機承船箱長120m，總寬23m，總高10m,水深3.5m，提升重量可達1.18萬噸，提升高度113m。30分鐘過壩，計劃2009年建成。7.可拆卸或移動的結構

如施工用建筑和鋼棧橋、流動式展覽館、移動式平臺等，可發(fā)揮鋼結構重量輕，便于運輸和安裝方便的優(yōu)點。加拿大已建成120多萬噸重，可容5000多人工作的海上采油平臺。

海上采油平臺9.抗震要求高的結構

可發(fā)揮鋼結構動力性能好的優(yōu)點。10.急需早日交付使用的工程或運輸條件差的工程

可發(fā)揮鋼結構施工工期短和重量輕便于運輸?shù)奶攸c。8.容器和大直徑管道

如貯液（氣）罐、輸油（氣、原料）管道、水工壓力管道等。三峽水利樞紐工程中的發(fā)電機組采用的壓力鋼管內(nèi)徑達12.4m，板厚達60mm。11.特種結構

鋼煙囪（上海寶鋼燒結廠鋼煙囪高達200多米）、鋼水塔等。北京“中華世紀壇”該鋼結構圓壇直徑47m，重達1400t，傾斜19.4度，轉一周時間為4～24小時。

重建的“雷峰塔”2002年10月25日在杭州落成。塔總高71.679米，塔身高45.809米，地上六層地下二層總共八層。采用鋼結構框架，用鋼1400t?？偨ㄖ娣e6089平方米。造價1.5億元。12.鋼橋

國內(nèi)最大鋼桁架橋為九江長江大橋，l=216m(南京一橋為160m)。江陰長江大橋為懸索橋，l=1385m，主攬直徑866mm，由20320根直徑5.35mm的鋼絲組成，兩根主攬總重16800t，鋼絲總長10萬km。世界第一為日本明石海峽大橋，l=1991m(1990+1m)。南京二橋南汊主橋為鋼箱梁斜拉橋，主跨628m，中國第一，世界第三。橋全長21.197km。

江陰長江大橋：主跨1385米，主塔高193米，主纜直徑86.6厘米、長2200米，居懸索橋世界第四，國內(nèi)第一。

上海盧浦大橋目前世界上最大的中承式鋼結構拱橋，總投資約24億元。該橋主跨550米，2002年10月12日合龍,03年8月完工。倫敦的塔橋：1894年建成，此橋的邊跨為罕見的三鉸懸掛。懸掛單元于橋面之間是加勁桁架，一方面加強懸掛單元的剛度，另一方面抵抗橋面的彎矩和剪力。

加勁桁架近景中間鉸近景13.住宅

馬鋼光明新村住宅

18層，鋼框架-剪力墻-支撐結構體系。上海中福城

1+17層，鋼框架-剪力墻結構體系。柱距7.8米。地下為車庫和設備用房，1～４為商場，５～17為住宅。采用馬鋼耐火H型鋼。

綜上所述可見，鋼結構是在各種工程中廣泛應用的一種重要的結構形式。隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展和鋼產(chǎn)量的提高，鋼結構將會發(fā)揮日益重要的作用。

第二節(jié)鋼結構的設計方法

一．結構設計的目的：任何結構都是為了完成所要求的某些功能而設計的。工程結構必須具備下列功能：

1．安全性：結構在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用的能力，以及在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，仍保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。

2．適用性：結構在正常使用條件下，滿足預定使用要求的能力。

3．耐久性：結構在正常維護條件下，隨時間變化而仍能滿足預定功能要求的能力。

結構的安全性、適用性、耐久性總稱為結構的可靠性。結構設計（計算）的目的是在滿足各種預定功能的前提下，做到技術先進、安全適用、經(jīng)濟合理和確保質(zhì)量。要實現(xiàn)這一目的，必須借助于合理的設計方法。

二．設計方法1．影響結構可靠性的因素對于一般的工程結構，影響結構可靠性的因素可以歸并為荷載效應S（荷載作用引起的結構或構件的內(nèi)力、變形等）和結構抗力R（結構或構件承受荷載效應的能力，如承載力、剛度等）兩個基本變量。

Z=R-S

（1-1）

Z——結構完成預定功能狀態(tài)的函數(shù)。

Z>0結構處于可靠狀態(tài)；

Z<0結構處于失效狀態(tài)；

Z＝0結構處于臨界狀態(tài)，一旦超過這一狀態(tài)，結構將不再能滿足設計要求。因此它也稱為極限狀態(tài)。2．概率極限狀態(tài)設計法1)結構設計應考慮下列兩種極限狀態(tài)：（1）承載能力極限狀態(tài)：結構或構件達到最大承載能力，或達到不適于繼續(xù)承載的變形的極限狀態(tài)。（2）正常使用極限狀態(tài)：結構或構件達到使用功能上允許的某一限值的極限狀態(tài)。2)結構可靠度結構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率(Pr)

。

Pf=P(z<0)Pr=P(z≥0)=1-Pf

設計使用年限分類類別設計使用年限示例15臨時性結構225易于替換的結構構件350普通房屋和構筑物4100紀念性建筑和特別重要的結構3）《鋼結構設計規(guī)范(GB50017)》設計方法對于承載能力極限狀態(tài)采用應力表達式正常使用極限狀態(tài)4）現(xiàn)行水工、橋梁鋼結構專門規(guī)范的設計方法—容許應力法（如水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范SL74-95）

第三節(jié)鋼結構的發(fā)展我國的鋼產(chǎn)量從1996年起年產(chǎn)已突破1億噸,2001年1.57億噸，2002年預計可達1.8億噸。高的鋼產(chǎn)量為發(fā)展鋼結構提供了主要的物質(zhì)基礎。一系列的規(guī)范和規(guī)程的頒發(fā)及計算機技術的應用，使我國的鋼結構發(fā)展具備了必要的技術基礎?！吨袊ㄖ夹g政策》（1996年

2010年）中具體地提出了發(fā)展鋼結構的要求，這是幾十年來第一次國家明確提出的政策支持。這些將會促進鋼結構應用的進一步發(fā)展，必將對鋼結構提出更多更高的要求。鋼結構是環(huán)保型的、易于產(chǎn)業(yè)化和可再次利用或者說可持續(xù)發(fā)展的結構，應積極合理地擴大在工程中的應用。一、鋼結構快速發(fā)展的條件二、鋼結構發(fā)展的幾個方面1.設計方法和計算理論的改進1）水工、橋梁鋼結構應早日采用概率極限狀態(tài)設計法。2）(GB50017)向采用更為先進合理的全概率極限狀態(tài)設計法的方向努力。3）設計由構件或某一截面的可靠度，向以整個結構體系可靠度分析為目標的結構設計發(fā)展。4)鋼結構的計算理論，如穩(wěn)定計算、塑性設計、優(yōu)化設計以及在動力荷載作用下的性能等，都需要進一步深入研究。

2.優(yōu)質(zhì)鋼材的應用采用高強度鋼材:可以用較少的材料做成功效較高的結構，對于跨度大、荷載大的結構和移動式結構極為有利。國外已把屈服強度為700～800N/mm2或更高強度的低合金結構鋼列入設計規(guī)范。研究強度更高的鋼材及其合理使用將是重要的課題。生產(chǎn)和推廣應用經(jīng)濟斷面鋼材:如軋制H型鋼、T型鋼、冷彎薄壁型鋼、彩色涂層壓型鋼板等。研制和應用高功能結構鋼：（1）耐火鋼：我國已生產(chǎn)出了耐火耐候鋼，并用于工程建設。（2）耐大氣腐蝕鋼（耐候鋼）：研究生產(chǎn)新的高性能耐候鋼和耐火耐候鋼及涂料仍然是今后研究的重點。（3）低屈強比耐震結構鋼：鋼材的屈強比越低，材料破斷前產(chǎn)生穩(wěn)定塑性變形的能力越高，吸震性能越好。3.結構形式的革新

新型結構：如網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構、薄壁型鋼結構、預應力結構、懸掛結構、鋼—混凝土組合結構、鋼—混凝土混合結構索膜結構、索網(wǎng)結構和其它雜交結構。

4.制造工業(yè)水平的提高

改進鋼結構制造的工藝和進行設備更新，提高機械化和自動化水平。應促進一些結構形成系列化、標準化、產(chǎn)品化，實現(xiàn)工廠化批量生產(chǎn)，作為產(chǎn)品投放市場，降低造價。

鋼桁架與門式剛架第一節(jié)概述一、桁架的特點和應用

桁架是指由直桿在桿端相互連接而組成的以抗彎為主的格構式結構。桁架中的桿件大多只承受軸向力，材料性能發(fā)揮較好，特別適用于跨度或高度較大的結構。

桁架主要用于空間桁架（網(wǎng)架和塔架）、平面桁架（屋架、吊車桁架、水工結構中的鋼棧橋、鋼桁架引橋、鋼閘門中的桁架等）。

本章主要介紹平面簡支桁架的設計。

二、平面桁架的外形和腹桿體系影響桁架外形選擇的因素：1.滿足使用要求；2.受力合理；3.便于制做和安裝；4.綜合技術經(jīng)濟效果好。

常用的平面桁架的外形如圖

桁架應具有適當?shù)闹胁扛叨菻和端部高度H0（三角形桁架端部高度為零）。H取決于運輸界限（鐵路運輸為3.85m）和建筑高度要求的最大限值Hmax、剛度要求的最小限值Hmin、以及使弦桿和腹桿總用鋼量最少的經(jīng)濟高度Hec。簡支梯形和平行弦桁架，通常H=（1/6~1/10）L,簡支梯形鋼桁架對端部高度H0無特殊要求。當梯形鋼桁架與柱剛接時，桁架端部有負彎矩，要求H0具有一定高度。鋼屋架中常用H0=（1.8~2.2）m。

三．門式剛架的特點和應用1.定義門式剛架是由梁、柱單元構件組成的單跨或多跨剛架，具有輕型屋蓋和輕型外墻，可以設置起重量不大于300kN（30噸）的中、輕級工作制橋式吊車或30kN（3噸）懸掛式起重機的單層房屋鋼結構。2．門式剛架的特點

(1)結構自重輕,基礎造價低。

(2)外形簡潔、美觀。

(3)對抗震非常有利。

(4)建造速度快，裝拆方便。3．適用范圍

門式剛架通常用于跨度為9～36m（我國單跨門式剛架的跨度已達到72m）；柱距為4.5～12m；柱高為4.5～9m；設有吊車起重量較小的單層工業(yè)房屋或公共建筑。四．門式剛架的結構形式

門式剛架的結構形式可按不同的考慮劃分：1.按剛架的構件體系：可分為實腹式和格構式剛架。2.按結構選材分：有普通型鋼截面、薄壁型鋼截面和鋼管截面剛架等；3．按跨度分為單跨、雙跨或多跨的單、雙坡門式剛架。4．按截面形式分有等截面和變截面剛架。設有橋式吊車時，柱宜采用等截面構件。5．節(jié)點橫梁與柱為剛接，柱腳多采用鉸支。當用于廠房且有吊車時，或水平荷載較大，檐口標高較高或剛度要求較高時，宜將柱腳設計為剛接。6．圍護結構

屋蓋常采用壓型鋼（鋁）板屋面板和Z形冷彎薄壁型鋼檁條。外墻宜采用槽形或帽形冷彎薄壁型鋼墻梁和雙層壓型鋼板，并在雙層壓型鋼板中間設置玻璃纖維棉等卷材隔熱(或保溫)層的結構體系。墻梁宜布置在剛架柱的外側。墻體底部1m高也可采用砌體結構，對保護墻體非常有利，在實際工程中采用較多。板縫宜采用咬合或扣合式方式。支座若采用可滑動式連接件，可解決溫度應力問題。三．結構平面布置

1.定位軸線及尺寸剛架邊柱的定位軸線取柱外皮；斜梁軸線取通過變截面梁段最小端中心與斜梁上表面平行的軸線。檐口高度取地坪至房屋外側檁條上緣的高度；最大高度取地坪至屋蓋頂部檁條上緣的高度；寬度取房屋側墻墻梁外皮之間的距離；長度取兩端山墻墻梁外皮之間的距離。2.柱網(wǎng)布置在滿足使用要求和經(jīng)濟要求的前提下確定最佳跨度和柱距。門式剛架房屋鋼結構的縱向溫度區(qū)段長度不大于300m，橫向溫度區(qū)段長度不大于150m。當需要設置伸縮縫時，可在搭接檁條的螺栓連接處采用長圓孔并使該處屋面板在構造上允許脹縮；或者設置雙柱。3.山墻結構布置山墻結構方案（1）由屋面斜梁、兩側角柱、抗風柱、墻梁和墻板組成的結構體系。優(yōu)點是角柱有利于縱、橫兩個方向的墻梁連接，缺點是山墻架結構的橫向剛度較差，并且不利于房屋的縱向擴建。（2）用橫向框架代替斜梁和角柱。這種結構方案的優(yōu)點是加強了山墻架結構的橫向剛度，特別適用于有橋式吊車的廠房和沿縱向需要擴建的房屋。抗風柱的布置應與屋面橫向水平支撐的節(jié)點位置相配合。4.墻梁布置墻梁的間距與墻板的承載能力、房屋所在地區(qū)的基本風壓及房屋的高度等有關，同時在門、窗框上端、窗臺、檐口及室內(nèi)地面處均應設置墻梁。第二節(jié)支撐設計一、桁架支撐設計（一）桁架支撐的作用

平面桁架在其本身平面內(nèi)具有較大的剛度，但在垂直于桁架平面方向（桁架平面外）不能保持其幾何不變，即使桁架上弦與檁條或屋面等鉸接相連桁架仍會側向傾倒（如圖7-4（(a)中虛線所示）。為了防止桁架側向傾倒破壞和改善桁架工作性能，對于平面桁架體系，必須設置支撐系統(tǒng)（水工結構中也稱為聯(lián)結系）。

桁架支撐的作用主要是：（1）保證桁架結構的空間幾何穩(wěn)定性即形狀不變。（2）保證桁架結構的空間剛度和空間整體性。桁架上弦和下弦的水平支撐與桁架弦桿組成水平桁架，桁架端部和中部的垂直支撐則與桁架豎桿組成垂直桁架，無論豎向或縱、橫向水平荷載，都能通過一定的桁架體系把力傳向支座，有足夠的剛度和整體性。（3）為桁架弦桿提供側向支撐點。水平和垂直支撐作為桁架弦桿的側向支承點，減小弦桿在桁架平面外的計算長度，提高其整體穩(wěn)定承載力。（4）承受并傳遞水平荷載。（5）保證結構安裝時的穩(wěn)定且便于安裝。（二）、桁架支撐的種類和布置如圖7-4（b）所示，桁架支撐一般包括下列幾種：1.上弦橫向水平支撐

位于相鄰兩榀桁架上弦桿之間的橫向水（斜）平面內(nèi)。沿廠房的縱向，上弦橫向水平支撐應設置在房屋的兩端，或當有溫度縫時設置在溫度縫區(qū)段的兩端。一般設在第一個柱間（圖7-4b）或設在第二個柱間。橫向水平支撐的間距L0不宜超過60m。當溫度區(qū)段長度Lt超過60m時，還應在溫度區(qū)段中部布置一道或幾道橫向水平支撐。2.下弦橫向水平支撐

布置原則：一般情況均應設置下弦橫向水平支撐。只有當桁架跨度比較?。↙≤18m），且沒有懸掛式吊車，或雖有懸掛吊車但起重噸位不大，廠房內(nèi)也無較大的振動設備時，可不設下弦橫向水平支撐。布置位置：與上弦橫向水平支撐布置在同一柱間，以形成空間穩(wěn)定體。3.縱向水平支撐

布置位置：在屋架下弦（三角形屋架可在下弦或上弦）端節(jié)間沿廠房縱向水平面內(nèi)布置。

布置原則：當房屋內(nèi)設有托架，或有較大噸位的重級、中級工作制的橋式吊車，或有壁行吊車，或有鍛錘等大型振動設備，以及房屋較高、跨度較大，空間剛度要求較高時，均應布置縱向水平支撐。垂直支撐：

所有廠房中均應設置垂直支撐。

布置位置：梯形屋架在跨度L≤30m、三角形屋架在跨度L≤24m時，僅在屋架跨度中央設置一道垂直支撐，當屋架跨度大于上述數(shù)值時，宜在跨度1/3附近或天窗架側柱處設置兩道。對于梯形屋架，在屋架兩端還應各設置一道垂直支撐。

沿廠房縱向，屋架的垂直支撐與上、下弦橫向水平支撐布置在同一柱間。系桿：系桿的作用：對于不設橫向支撐的其它屋架，屋架上、下弦的側向穩(wěn)定性則由與橫向支撐節(jié)點相連的系桿來保證。系桿的類型：能承受壓力和拉力的系桿稱為剛性系桿；只能承受拉力的系桿叫柔性系桿。其長細比分別按壓桿和拉桿控制。布置原則：

在垂直支撐的平面內(nèi)一般應設置上、下弦系桿；屋脊節(jié)點及主要節(jié)點處需設置剛性系桿，天窗側柱處及下弦跨中附近設置柔性系桿；當屋架橫向支撐設在廠房端部第二柱間時，則第一柱間的所有系桿均布置為剛性系桿。

（三）、桁架支撐的計算1.計算原則：除系桿外各種桁架支撐均是垂直于屋架平面的平面桁架，由設置的支撐桿件和屋架的弦桿或豎桿組成。當支撐桁架受力較小時，可不做內(nèi)力計算，桿件截面按容許長細比選擇；交叉斜桿和柔性系桿按拉桿設計，可用單角鋼；非交叉斜桿、弦桿、豎桿及剛性系桿按壓桿設計，可用雙角鋼組成T形或十字形截面。當支撐桁架受力較大時，需按平面桁架體系計算支撐桁架的桿件內(nèi)力，進行桿件截面設計。2.內(nèi)力計算：有交叉斜腹桿的支撐桁架是超靜定體系，但因受力較小，一般可按下述簡化方法計算：即只考慮受拉腹桿按柔性方案參與工作。如圖7-5中用虛線表示的一組斜腹桿因收壓而退出工作，此時桁架按單斜桿靜定體系計算；當荷載反向作用時，則認為另一組斜腹桿退出工作。二、門式剛架支撐設計

（一）門式剛架支撐的作用1.門式剛架支撐的作用和類型：

支撐的作用：通過在門式剛架之間設置支撐，使其與各個平行的剛架連成一體，形成一個具有足夠強度、剛度和穩(wěn)定性的空間整體結構，從而保證門式剛架結構在廠房縱向的幾何不變性及梁柱構件在剛架平面外的穩(wěn)定性。支撐的類型：如圖7-6所示；門式剛架的支撐主要有：屋面橫向水平支撐及系桿、柱間支撐、水平系桿、隅撐等。

屋面橫向水平支撐：系設置在框架梁的上翼緣平面，由框架梁的上翼緣作為弦桿，檁條和交叉斜桿作為腹桿而組成的水平桁架。對于未設置橫向水平支撐的框架梁則通過系桿（或檁條）與之相連，從而使屋蓋形成一個整體。柱間支撐：設置在縱向柱列軸線位置，并且應與屋面橫向水平支撐布置在同一開間。

隅撐：為了提高框架梁、柱的整體穩(wěn)定性，應在下列梁、柱的受壓翼緣區(qū)域布置隅撐：（1）框架梁下翼緣受壓區(qū)段內(nèi)的每根檁條處；（2）框架柱中靠近柱上端內(nèi)翼緣壓應力較大的區(qū)段。隅撐也加強了檁條的豎向剛度，有利于提高檁條的承載力；隅撐對加強門式剛架房屋鋼結構的空間剛度非常有利。（二）支撐結構的布置和計算

1.屋面橫向水平支撐和系桿

布置原則：

橫向水平支撐一般布置在廠房（或溫度區(qū)段）兩端第一或第二開間，并且每隔30~40m再布置一道，最大間距不應大于60m（圖7-8）。在橫向水平支撐的節(jié)點處應設置通長系桿，其中屋脊和檐口處系桿及當橫向支撐布置在房屋兩端第二開間時的第一開間系桿均為剛性系桿，其它為柔性系桿。

內(nèi)力計算：屋面橫向水平支撐的計算，應考慮由廠房兩端抗風柱所傳遞的縱向風荷載及因阻止框架梁側向失穩(wěn)而起支撐作用所應承受的內(nèi)力。橫向水平支撐中的交叉斜桿可按拉桿設計，其豎腹桿應按壓桿設計。

2.柱間支撐和水平系桿

布置原則：柱間支撐通常沿縱向柱列每隔30~40m布置一道，最大間距不應大于60m，當房屋高度較大時，柱間支撐應分層設置（如圖7-9所示）。在柱間支撐的節(jié)點處，沿縱向柱列應設置通長的剛性水平系桿。內(nèi)力計算：柱間支撐內(nèi)力計算時，應考慮屋面橫向水平支撐傳來的縱向風荷載及為了減小柱的側向計算長度而起支撐作用所應承受的力。當廠房設有吊車時，還應計入吊車的縱向制動力。柱間支撐的計算簡圖可按支撐于柱腳基礎上的懸臂桁架計算（如圖7-9所示）。3.隅撐

在框架梁中，隅撐設置在框架梁下翼緣受壓的區(qū)段內(nèi)；而在框架柱中，隅撐則設置在框架柱中靠近柱上端內(nèi)翼緣壓應力較大的區(qū)段。隅撐與梁、柱的連接方式如圖7-7所示。

第三節(jié)桁架設計

一、桁架的內(nèi)力計算

1.作用荷載：桁架上的作用荷載包括永久荷載和可變荷載兩類，計算桁架內(nèi)力時，應考慮荷載分項系數(shù)、荷載組合系數(shù)，并按最不利荷載組合情況計算桁架桿件內(nèi)力。

2.桁架計算簡圖：按鉸接平面桁架計算簡圖進行內(nèi)力計算。

3.內(nèi)力計算：首先把桁架上的作用荷載等效地轉換到桁架節(jié)點上得節(jié)點荷載，然后可按《結構力學》中的數(shù)解法、圖解法或平面桁架有限元程序計算鉸接平面桁架桿件的軸力。待求得節(jié)點荷載作用下各桿件的軸力后，對有節(jié)間荷載的弦桿，再按剛接桁架計算該類桿件的正負彎矩值。簡化計算方法如圖7-11所示。二、桁架桿件的計算長度

（一）桁架平面內(nèi)的計算長度L0x

桁架平面內(nèi)的計算長度根據(jù)桿件的節(jié)間長度和兩端約束情況確定：1.上下弦桿：L0X=L（節(jié)間長度）

2.腹桿：支座處豎腹桿和斜腹桿L0X=L（節(jié)間長度）中部其它腹桿L0X=0.8L（L為節(jié)間長度）

3.交叉腹桿：L0X=節(jié)點中心至交叉點間的距離（如圖7-12）。

（二）桁架平面外的計算長度L0Y

桁架平面外的計算長度L0Y應取側向支撐點間的距離：

1.上下弦桿：L0Y=L1（側向支點間的距離）

2.腹桿：L0Y=L（節(jié)間長度）

3.交叉腹桿：交叉腹桿在桁架平面外計算長度的確定與桿件受拉和受壓有關，也與桿件在交叉點處的斷開情況有關，具體計算參見教材的相關規(guī)定。

●受壓弦桿的側向支撐點間距L1時常為節(jié)間長度的2倍（圖7-13（a）），而弦桿兩節(jié)間的軸心壓力可能不相等（設N1＞N2），當用較大的軸力N1驗算弦桿平面外穩(wěn)定時，如果計算長度仍用L1顯然過于保守。此時應按下式確定平面外的計算長度：

L0Y=L1（0.75+0.25N2/N1）且L0Y≥0.5L1

計算時壓力取正號，拉力取符號。●再分式腹桿的受壓主斜桿在桁架平面外的計算長度（圖7-13b），也按上式計算。在桁架平面內(nèi)的計算長度則取節(jié)點間的距離。對于再分式受拉主斜桿在桁架平面外的計算長度仍取L1。（三）斜平面的計算長度對于單角鋼或雙角鋼組成的十字形截面腹桿，受壓桿件將繞截面最小回轉半徑imin的軸整體失穩(wěn)。該方向相對于桁架平面為一斜平面。繞該軸的計算長度取為：L0=0.9L（L為節(jié)間長度）三、桁架桿件的截面形式選擇

基本原則：桁架桿件的截面形式應根據(jù)用料經(jīng)濟、連接構造簡單和具有足夠剛度等要求綜合確定。（1）對于軸心受力的腹桿，應考慮兩方向（繞X軸、Y軸）的等穩(wěn)定性要求。（2）對于上弦桿，當為軸心壓桿時，應考慮等穩(wěn)定性要求；當為壓彎構件時，應適當加大彎矩作用方向的截面高度。（3）對于下弦桿，作為平面桁架的外框，應適當加大桿件在桁架平面外的剛度。普通桁架的桿件截面常采用角鋼組合成的T形、十字形或單角鋼截面。重型桁架常采用H型鋼、箱形截面或兩槽鋼組合截面。此外，鋼管（圓管或方管）也是桁架結構中的桿件常用截面。四、桁架桿件截面設計

桁架的桿件一般為軸心受力構件，當桁架弦桿作用有節(jié)間荷載時，則弦桿為壓彎（上弦）或拉彎（下弦）構件。對于軸心受力構件和拉彎、壓彎構件的截面設計方法可分別參考第四章和第六章內(nèi)容。普通綱桁架桿件截面設計時尚需注意下列問題：（1）宜優(yōu)先選用肢寬壁薄的截面，使桿件在相同用鋼量的情況下截面具有較大的回轉半徑和慣性矩。（2）需用C級螺栓與支撐桿件相連接的桁架桿件角鋼的邊長，應注意其所能采用的螺栓最大直徑。（3）為減少拼接的設置，桁架弦桿的截面宜根據(jù)弦桿的最大內(nèi)力來選擇，對于跨度不大的桁架宜采用等截面弦桿。（4）對于桁架的桿件，應根據(jù)桿件在桁架平面內(nèi)、外的計算長度不同，選擇不同形式的雙角鋼組合截面，盡量做到λx≈λy。

（5）當桁架豎桿的外伸邊需與垂直支撐相連時，則該豎桿宜采用由雙角鋼組成的十字形截面，以使垂直支撐對該豎桿的連接偏心為最小。（6）為了便于備料，整榀桁架所用的角鋼規(guī)格不宜超過5~6種。五、桁架的桿件設計

鋼桁架一般在節(jié)點處設置節(jié)點板，交匯于節(jié)點的各桿件都與節(jié)點板相連接，形成桁架的節(jié)點（圖7-17），各桿件把力傳給節(jié)點板并相互平衡。一般桿件（腹桿和端部弦桿）把桿件全部內(nèi)力N傳給節(jié)點板，而在節(jié)點處連續(xù)的桿件（如中部區(qū)域弦桿）則把節(jié)點兩側的內(nèi)力差△N傳給節(jié)點板。當節(jié)點上作用有荷載P時，則傳給節(jié)點板的力為N或△N與P（如圖7-24）。有局部彎矩的桿件則還要傳遞彎矩和剪力。

桿件與節(jié)點板的連接通常采用焊接。對于輸電線路塔架和一些需拆卸的桁架以及安裝連接時也常采用C級螺栓。高強度螺栓連接在重型桁架中應用較多，可在工地現(xiàn)場進行拼裝。本節(jié)主要介紹雙角鋼桿件組成的普通桁架的節(jié)點設計。（一）節(jié)點板的厚度鋼桁架各桿件在節(jié)點處都與節(jié)點板相連接，傳遞內(nèi)力并相互平衡。節(jié)點板中的應力分布非常復雜，確定節(jié)點板厚度的主要依據(jù)是各節(jié)點處每根桿件傳給節(jié)點板的內(nèi)力。因為整榀桁架的節(jié)點板厚度相同，故應以桁架的最大腹桿內(nèi)力Nmax（對三角形桁架取弦桿端節(jié)間內(nèi)力）來確定全桁架的節(jié)點板厚度。如表7-2所示。桿件的填板：雙角鋼T形或十字形是組合截面，為保證兩個角鋼能整體共同受力，應每隔一定間距在兩角鋼間放置填板（綴板），如圖7-18所示。填板中距Ld分別為：壓桿Ld≤40i1

拉桿Ld≤80i1。（二）節(jié)點設計的基本要求

（1）各桿件的形心線理論上應與桿件軸線重合，以免出現(xiàn)偏心受力而引起附加彎矩。但為了方便制造，通常將角鋼肢背至桿件軸線的距離取為5mm的整數(shù)倍，所取數(shù)值應使軸線與桿件的形心線間距最小，作為角鋼的定位尺寸（如圖7-19）。當弦桿截面有改變時，為方便拼接和安放屋面構件，應使角鋼的肢背齊平；此時應取兩形心線的中線作為弦桿的共同軸線（圖7-19），以減小兩個角鋼的形心線錯開而產(chǎn)生的偏心影響。（2）節(jié)點處各桿件邊緣間應留一定間隙C（圖7-19），以便于拼接和施焊，并避免焊縫過于密集而使鋼材焊接過熱變脆。一般取c≥20mm；對直接承受動力荷載的焊接桁架，腹桿與弦桿之間的間隙取c≥50mm。但在桁架圖中一般不直接表明各處c值，而是注明各切斷桿件的端距以控制有足夠的間隙c。（3）角鋼的切斷面一般應與其軸線垂直，為使節(jié)點緊湊需要斜切時，只能切肢尖（圖7-20(a)）。節(jié)點板的形狀和尺寸在繪制桁架施工圖時決定。節(jié)點板的形狀應簡單，如采用矩形、梯形（圖7-20?）等凸多邊形。（4）一般腹桿和端節(jié)間弦桿需將其全部內(nèi)力傳給節(jié)點板，節(jié)點板外邊緣與桿件邊線間的擴大角宜≥1：4~1：3（15。~20。，圖7-21(b)），強度用足的桿件宜≥1：2。（5）在屋架雙角鋼截面上弦桿上放置檁條或大型屋面板時，角鋼的水平伸出肢寬一般應≥70~90mm。角鋼應有一定厚度以免在集中荷載作用下發(fā)生過大彎曲，可參考表7-3選用。當厚度確有困難不能滿足要求時，應采取加強措施，如圖7-22所示。

六、桁架的節(jié)點構造和計算

一般原則

桁架的節(jié)點設計宜結合繪制屋架施工圖進行。節(jié)點的設計步驟為：

①按正確角度畫出交匯于該節(jié)點的各桿軸線（軸線至角鋼肢背的距離取5mm的整數(shù)倍）。

②按比例畫出與各桿件軸線相應的角鋼輪廓線，并依據(jù)桿件邊緣的間隙要求c，確定各桿端位置。

③根據(jù)各桿件內(nèi)力N，計算各桿件端部與節(jié)點板的連接角焊縫尺寸lw，布置焊縫，并按比例繪于節(jié)點圖上。

④確定節(jié)點板的合理形狀（凸多邊形）和尺寸，要求節(jié)點板能框進所有焊縫，并注意沿焊縫長度方向多留約2hf的長度以考慮施焊時的焊口影響，垂直于焊縫長度方向應留出10~15mm的焊縫位置。

⑤進行節(jié)點板的強度和穩(wěn)定性驗算。鋼桁架的節(jié)點主要有一般節(jié)點（無節(jié)點荷載、無拼接）、有集中荷載的節(jié)點、弦桿的拼接節(jié)點和支座節(jié)點幾種類型：1、一般節(jié)點

一般節(jié)點是指無集中菏載和無弦桿拼接的節(jié)點，構造形式如圖7-23所示。設計步驟如下：

①根據(jù)各腹桿內(nèi)力Ni計算各腹桿與節(jié)點板的連接角焊縫尺寸，肢背焊縫：取hf1，計算LW1=k1×Ni/(2×0.7hf1×ffw)+2hf1

肢尖焊縫：取hf2，計算Lw2=k2×Ni/(2×0.7hf2×ffw)+2hf2②按比例把各腹桿與節(jié)點板的連接焊縫尺寸標注在各桿端，并確定節(jié)點板的形狀和尺寸，節(jié)點板的尺寸應能框進所有的焊縫，同時還應伸出弦桿角鋼肢背10-15mm，以便弦桿與節(jié)點板的焊接。③計算弦桿角鋼與節(jié)點板的連接焊縫，由于弦桿不斷開，故弦桿與節(jié)點板的連接焊縫應按相鄰節(jié)間弦桿的內(nèi)力差△N=N1-N2計算。通常所需焊縫長度遠小于節(jié)點板的實際長度，因此可按構造要求的hfmin滿焊即可。2、有集中荷載作用的接點

①②確定各腹桿與節(jié)點板的連接焊縫及節(jié)點板形狀和尺寸的步驟、方法同一般節(jié)點。

③弦桿與節(jié)點板的連接焊縫計算：為了放置上部構件（檁條或大型屋面板），節(jié)點板須縮入上弦角鋼肢背不小于（0.5δ+2mm),且不大于δ(δ為節(jié)點板厚度)的深度,并用塞焊縫連接.常采用近似方法計算,即假定塞焊縫相當于兩條焊腳尺寸各為hf1=δ/2、長度為LW1（即節(jié)點板長度）的角焊縫，且僅承受P力的作用。計算時忽略屋架坡度的影響，設P力垂直于焊縫，故焊縫強度應滿足：

σf=P/(βf×2×0.7hf1Lw1)≤ffw

（7-2）通常P力不大，按上式算出的σf很小，一般可不做計算。

角鋼肢尖焊縫承受相鄰節(jié)間弦桿的內(nèi)力差△N=N1-N2和由其產(chǎn)生的偏心彎矩M=（N1-N2）e(e為角鋼肢尖至弦桿軸線的距離）。焊縫的強度應滿足式（7-3）的要求。當△N較大，按式（7-3）計算的肢尖焊縫強度難以滿足要求時，可按圖7-24（B）的形式處理和計算。3、弦桿的拼接節(jié)點

弦桿的拼接分工廠拼接和工地拼接兩種。工廠拼接是因型鋼供應長度不足時所做的拼接，通常設在內(nèi)力較小的節(jié)間內(nèi)。工地拼接是在桁架分段制造和運輸時的安裝接頭，弦桿的拼接位置一般在節(jié)點處，多設在跨度中央。為保證拼接處具有足夠的強度和在桁架平面外的剛度，弦桿的拼接通常不利用節(jié)點板作為拼接材料，應采用拼接角鋼。拼接角鋼取與弦桿相同的截面規(guī)格，以使弦桿在拼接處基本保持強度和剛度不變。屋架屋脊拼接節(jié)點和下弦拼接節(jié)點構造分別如圖7-25a、b所示。拼接角鋼的長度應根據(jù)拼接角鋼與弦桿連接焊縫的長度確定，一般可按被拼接處弦桿的最大內(nèi)力或偏安全地按與弦桿等強（宜用于拉桿）計算，并假定4條拼接焊縫均勻受力。接頭一側需要的焊縫計算長度為：

Lw=N/(4×0.7hfffw)(7-4)N—拼接處弦桿的最大內(nèi)力，或N=AfA為弦桿的截面面積。則拼接角鋼的總長度為：

L=2（Lw+10）+a(mm)(7-5)

弦桿與節(jié)點板的連接焊縫，可按較大一側弦桿內(nèi)力的15%與節(jié)點兩側弦桿的內(nèi)力差△N兩者中的較大值計算。計算方法同前述節(jié)點。4、支座節(jié)點

桁架與柱的連接分鉸接和剛接兩種形式。圖7-26所示為梯形桁架的鉸接支座節(jié)點，采用由節(jié)點板、底板、加勁肋和錨栓組成的構造形式。加勁肋的作用是分布支座反力，減小底板彎矩和提高節(jié)點板的側向剛度。加勁肋應設在節(jié)點的中心，其軸線與支座反力的作用線重合。為便于施焊，下弦桿和底板間應保持一定距離（圖7-26中S），一般不應小于下弦角鋼水平肢的寬度。支座節(jié)點的傳力路線是：桁架端部各桿件的內(nèi)力通過桿端焊縫傳給節(jié)點板，再經(jīng)節(jié)點板和加勁肋間的豎直焊縫將一部分力傳給加勁肋，然后通過節(jié)點板、加勁肋與底板間的水平焊縫將全部支座反力傳給底板，最終傳至柱。支座節(jié)點可采用第六章鉸接柱腳類似方法計算：

⑴底板面積；按式（6-53）計算。

⑵底板厚度：按式（6-59）計算，但應注意底板不宜太薄，以使柱頂壓力分布均勻。

⑶加勁肋：加勁肋的高度應結合節(jié)點板的尺寸確定。加勁肋的厚度可略小于中間節(jié)點板的厚度。加勁肋可視為支承于節(jié)點板的懸臂梁，可近似地取每塊加勁肋承受1/4支座反力。加勁肋和節(jié)點板與底板間的水平焊縫按承受全部支座反力計算。5、T形鋼作弦桿的桁架節(jié)點

如圖7-27所示，桁架的弦桿和腹桿全部由T形鋼制成，對于次種桁架，在腹桿端部需要進行較為復雜的切割，使得加工制造難度有所增加。圖7-28所示的桁架弦桿采用T型鋼，腹桿采用雙角鋼。雙角鋼可直接與T型鋼腹板相連。6、節(jié)點處板件的計算

⑴根據(jù)試驗研究，連接節(jié)點處的板件受拉、剪作用時，應按下列公式進行強度驗算（圖7-29）

N/（∑ηiAi）≤f(7-6)式（7-6）中各符號的物理意義見教材解釋。

⑵考慮到桁架節(jié)點板的外形往往不規(guī)則，采用式（7-6）計算比較麻煩，也可用有效寬度法進行驗算。根據(jù)試驗研究，節(jié)點板的強度也可按下式計算：

σ=N/(bet)≤f(7-7)式中，be---板件的有效寬度（圖7-30（a）），當用螺栓連接時，應取凈寬度（圖7-30(b)），圖中θ為應力擴散角，可取為30。。

⑶根據(jù)試驗研究，桁架節(jié)點板在斜腹桿壓力N作用下的穩(wěn)定性可用下列方法進行計算：●對有豎腹桿的節(jié)點板：當a/t≤15√235/fy

時，可不計算穩(wěn)定，否則按附錄二—B中的要求進行穩(wěn)定計算?！駥o豎腹桿的節(jié)點板：當a/t≤10√235/fy時，節(jié)點板的穩(wěn)定承載力可取為0.8be×t×f。當a/t＞10√235/fy時，應按附錄二—B中的要求計算。關于節(jié)點板的其他要求參見教材相關內(nèi)容。第四節(jié)門式剛架一、內(nèi)力和側移計算（一）變截面門式剛架內(nèi)力計算

對構件為變截面的門式剛架，有可能在幾個截面同時或接近同時出現(xiàn)塑性鉸，不宜利用塑性鉸出現(xiàn)后的應力重分布；剛架構件的腹板通常很薄，截面發(fā)展塑性的潛力也不大，故應采用彈性分析方法按平面結構進行內(nèi)力分析。當有必要且有條件時，可考慮屋面板的蒙皮效應，具體方法見《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程CECS102：98》的條文說明。變截面門式剛架的內(nèi)力分析可按一般結構力學方法或利用靜力計算公式、圖表進行；也可采用有限單元法計算。

（二）變截面門式剛架側移計算

1、單跨剛架當單跨變截面門式剛架橫梁上翼緣坡度不大于1：5時，在柱頂水平力作用下的側移u可按下列公式估算：

柱腳鉸接剛架u=Hh3(2+ξt)/(12EIc)

(7-8)

柱腳剛接剛架u=Hh3(3+2ξt)/[12EIc(6+2ξt)

(7-9)式中ξt------剛架柱與剛架梁的線剛度比值，ξt=IcL/(hIb);h，L---剛架柱高度和剛架跨度；當橫梁坡度大于1：10時，L應取橫梁沿坡折線的總長度2s（圖7-32）；

Ic，Ib----柱和橫梁的平均慣性矩，對于楔形構件：Ic=（Ic0+Ic1）/2，Ic0和Ic1分別為柱小頭和大頭的慣性矩；對于雙楔形橫梁：Ib=[Ib0+αIb1+（1-α）Ib2]/2，Ib0、Ib1和Ib2分別為楔形橫梁最小截面、檐口和跨中截面的慣性矩；H---剛架柱頂?shù)刃搅?。當估算剛架在沿柱高度均布的水平風荷載作用下的側移時（圖7-33），柱腳鉸接：H=0.67W，W=（w1+w2）h；柱腳剛接：H=0.45W。當估算剛架在吊車水平荷載PC作用下的側移時（圖7-34），柱腳鉸接：H=1.15ηPC柱腳剛接:H=ηPc2、兩跨剛架

中間柱為搖擺柱的兩跨剛架，柱頂側移可采用公式（7-8）和公式（7-9）計算，但計算ξt時，應以2s代替L，s為單坡面長度（圖7-35）。

當中間柱與橫梁剛性連接時，可將多跨剛架看作多個單跨剛架的組合體（每個中柱分為兩半，慣性矩各為I/2），按下式計算剛架在柱頂水平荷載作用下的側移：u=H/∑Ki(7-10)式中，∑Ki------柱腳鉸接時各單跨剛架的側向剛度之和；Ki=12EIei/[hi3(2+ξti）]，ξti=Ieili/(hiIbi);hi-----所計算跨兩柱的平均高度（圖7-36）；hi=(hl+hr)/2li-----與所計算柱相連接的單跨剛架梁的跨度；

Iei----兩柱慣性矩不相同時的等效慣性矩，Iei=（Il+Ir）/4+IlIr/（Il+Ir）Il,Ir-----分別為所計算跨左、右兩柱的慣性矩（圖7-36）二、構件截面設計

（一）變截面剛架的構件計算

1、板件最大寬厚比和屈曲后強度利用工字形截面構件受壓翼緣自由外伸寬度b1與其厚度之比：b1/t≤15√235/fy工字形截面梁、柱腹板的計算高度h0與其厚度tw之比：h0/tw≤250√235/fy

對于工字形截面的腹板，從經(jīng)濟考慮宜采用高薄形截面，此時，充分利用腹板的屈曲后強度是比較合理的。對于工字形截面構件腹板的受剪板幅，當腹板高度的變化不超過60mm/m時，可考慮屈曲后強度，其抗剪承載力設計值Vd按下式計算：Vd=hwtwfv’(7-11)

式中hw---腹板高度，對楔形腹板取板幅平均高度。

fv’---腹板屈曲后抗剪強度設計值，計算詳見規(guī)程CECS102:98當利用腹板屈曲后抗剪強度時，橫向加勁肋間距a宜在(1~2)hw之間。工字形截面構件腹板受彎及受壓板幅利用屈曲后強度時，應按有效寬度計算截面特性：當截面全部受壓時，有效寬度he=ρhw，ρ是有效寬度系數(shù)，其計算詳見CECS102：98；當截面部分受拉時，受拉區(qū)全部有效，受壓區(qū)有效寬度he=ρhc，hc為腹板受壓區(qū)高度。2、剛架構件的強度計算和加勁肋設置工字形截面受彎構件在剪力V和彎矩M共同作用下的強度應滿足下列要求：當V≤0.5Vd時M≤Me(7-12)當0.5Vd≤V≤Vd時M≤Mf+(Me-Mf)[1-(2V/Vd-1)2](7-13)式中Mf---兩翼緣所承擔的彎矩,對雙軸對稱截面:Mf=Af(hw+t)f;Me---構件有效截面所承擔的彎矩,Me=Wef;We---構件有效截面最大受壓纖維的截面模量;Af---構件翼緣截面面積。工字形截面壓彎構件在剪力V、彎矩M和軸心壓力N共同作用下的強度應滿足下列要求：

當V≤0.5Vd時M≤MeN=Me-NWe/Ae

（7-14）當0.5Vd≤V≤Vd時M≤MfN+（MeN-MfN）[1-（2V/Vd-1）2]（7-15）式中MfN---兼承受壓力N時兩翼緣所能承受的彎矩，對雙軸對稱截面：

MfN=Af(hw+t)(f-N/A)A---有效截面面積。

梁腹板應在與中柱連接處、較大集中荷載處和翼緣轉折處設置橫向加勁肋。梁腹板利用屈曲后強度時，其中間加勁肋除承受集中荷載和翼緣轉折產(chǎn)生的壓力外，還應承受拉力場產(chǎn)生的壓力。該拉力場產(chǎn)生的壓力NS=V-0.9hwtwτcr，τcr是利用拉力場時腹板的屈曲剪應力，其計算詳見規(guī)程CECS102：98。當驗算加勁肋的穩(wěn)定性時，其截面應包括每側15√235/fy范圍內(nèi)的腹板面積，計算長度取hw.3、變截面柱在剛架平面內(nèi)的穩(wěn)定計算

N0/(φxγAe0)+βmxM1/[(1-φxγN0/NE)We1]≤f(7-16)式中NE---歐拉臨界力，計算λ時，回轉半徑I以小頭為準；

N0---小頭的軸向壓力設計值；

Ae0—小頭的有效截面面積；

We1—大頭有效截面最大受壓纖維的截面模量；

M1---大頭的彎矩設計值；當柱最大彎矩不出現(xiàn)在大頭時，M1和We1分別取最大彎矩和該彎矩所在截面的有效截面模量；

βmx—等效彎矩系數(shù)，有側移剛架柱的等效彎矩系數(shù)=1.0；

φxγ—桿件軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)。計算長細比λ時，取小頭的回轉半徑；而對截面高度呈線形變化的楔形柱，在剛架平面內(nèi)的計算長度h0=μγh，計算長度系數(shù)μγ可按下列三種方法之一確定：

⑴查表法：用于柱腳鉸接的剛架。①柱腳鉸接單跨剛架楔形柱的μγ可由表7-4查得。②多跨剛架的中間柱為搖擺柱時（圖7-37），搖擺柱的計算長度系數(shù)μγ取為1.0。邊柱的計算長度按下式計算：

h0=ημγh(7-17)式中各符號的物理意義見講義解釋。

式（7-17）的計算長度系數(shù)μγ適用于屋面坡度不大于1：5的情況，超過此值時應考慮橫梁軸向力對柱剛度的不利影響（橫梁軸向力將產(chǎn)生豎向分力）。

⑵一階分析法：可用于柱腳鉸接和剛接的剛架。

對于單跨對稱屋架（圖7-38（a）），按一階分析法得出柱頂水平荷載H作用下的側移剛度K=H/U后，柱的計算長度系數(shù)可由下列公式計算：當柱腳為鉸接時μγ=4.16√(EIc0/(Kh3))(7-18)

當柱腳為剛接時μγ=5.88√(EIc0/(Kh3))(7-19)

對中間為非搖擺柱的多跨剛架(圖7-38(b)),μγ可按下列公式計算:

當柱腳為鉸接時μγ=0.85√[1.2NE0i∑(Ni/hi)/(K*N)](7-20)

當柱腳為剛接時μγ=1.20√[1.2NE0i∑(Ni/hi)/(K*N)](7-21)式中hi、Ni、NE0i分別為第I根柱的高度、軸心壓力和以小頭為準的歐拉臨界力公式（7-20）和公式（7-21）也可用于單跨非對稱剛架。⑶二階分析法；可用于柱腳鉸接和剛接的剛架。當采用計入豎向荷載-側移效應（P-U效應）的二階分析法計算內(nèi)力時，構件的計算長度系數(shù)μγ由下列公式計算：μγ=1-0.375γ+0.08γ2(1-0.0775γ)式中,γ--構件的楔率,γ=(d1/d0)-1不大于0.268L/d0及6.0d0,d1—分別為柱的小頭和大頭的截面高度(圖7-39).4、變截面柱在剛架平面外的穩(wěn)定計算

N0/(φyAe0)+βtM1/(φbγWe1)≤f(7-23)式中，φY—軸心受壓構件在剛架平面外的穩(wěn)定系數(shù)，計算長度取側向支撐點間的距離，截面回轉以小頭為準；

βt—等效彎矩系數(shù)，對一端彎矩為零的區(qū)段：βt=1-N/NEx0+0.75(N/NEx0)2,NEx0為以小頭為準的歐拉臨界力；對兩端彎曲應力基本相等的區(qū)域：βt=1.0;φbγ---均勻彎曲楔形受彎構件的整體穩(wěn)定系數(shù),可按講義中的公式(7-24)及相關規(guī)定計算.

5、變截面柱柱端抗剪承載力驗算

變截面柱下端鉸接時，應驗算柱端的抗剪強度。當不滿足時，應對該處腹板加強。

6、橫梁設計

⑴實腹式橫梁在剛架平面內(nèi)和平面外均應按壓彎構件計算強度和穩(wěn)定。當屋面坡度很小時（α≤10。），在剛架平面內(nèi)可僅按壓彎構件計算其強度。

⑵變截面實腹式剛架橫梁的平面內(nèi)計算長度可取豎向支承點間的距離；實腹式剛架橫梁的平面外計算長度，應取側向支撐點間的距離；當橫梁的上、下翼緣側向支撐點間的距離不等時，應取最大受壓翼緣側向支撐點間的距離。

⑶當實腹式剛架橫梁的下翼緣受壓時，必須在受壓翼緣的兩側布置隅撐（廠房端部剛架橫梁僅布置在一側）作為橫梁的側向支撐；隅撐的另一端連接在檁條上或焊接于太空輕質(zhì)大型屋面板的邊框上。

⑷當橫梁上翼緣承受集中荷載處不設橫向加緊肋時，除應按《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-）的規(guī)定驗算腹板上邊緣的正應力、剪應力和局部壓應力共同作用時的折算應力外，還應滿足下式要求：F≤15（tf235/twfy)1/2×tw2×αmf(7-25)

式中，F(xiàn)—上翼緣所承受的集中荷載；

tf、tw--橫梁翼緣和腹板的厚度；

αm--參數(shù)，αm=1.5-M(Wef),且αm≤1.0，橫梁負彎矩區(qū)取零；

M—集中荷載作用處的彎矩。

⑸橫梁不需計算整體穩(wěn)定的側向支撐點間最大長度，可取橫梁下翼緣寬度的16(235/fy)1/2。7、隅撐設計隅撐應按軸心受壓構件設計，軸心壓力可按下式計算

N=Af(fy/235)1/2/（85cosθ)(7-26)式中，A—實腹式橫梁被隅撐所支撐翼緣的截面面積；

θ—隅撐與檁條軸線的夾角；

f、fy—實腹式斜梁鋼材的強度設計值和屈服強度。隅撐宜采用單角鋼制作，通常采用單個螺栓連接，計算時應考慮強度設計值折減系數(shù)。隅撐與剛架構件腹板的夾角不宜小于45。。（二）等截面剛架構件計算等截面構件可采用三塊鋼板焊成的工字形截面、高頻焊接輕型H型鋼及熱扎H型鋼。等截面剛架按彈性設計時，可按上述變截面剛架的規(guī)定進行設計。等截面剛架按塑性設計時，可按《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-）中有關塑性設計的規(guī)定進行設計。

三、節(jié)點設計

（一）橫梁與柱連接

門式剛架橫梁與柱的連接，可采用端板豎放（圖7-40(a)）、端板橫放（圖7-40(b)）和端板斜放（圖7-40?）三種形式。端板連接應按連接初所受最大內(nèi)力設計。當內(nèi)力較小時，應按能夠承受不小于較小被連接截面承載力的一半設計。主剛架構件的連接應采用高強度螺栓，吊車梁與制動梁的連接宜采用高強度螺栓摩擦型連接。端板連接螺栓應成對對稱布置。在受拉翼緣和受壓翼緣的內(nèi)外兩側均應設置，并宜使每個翼緣的螺栓群中心與翼緣的中心重合或接近。為此，應采用將端板伸出截面高度范圍以外的外伸式連接。當螺栓群間的力臂足夠大時或受力較小時，也可采用將螺栓全部設在構件截面高度范圍內(nèi)的端板齊平式連接。

在門式剛架中，受壓翼緣的螺栓不宜少于兩排。與橫梁端板連接的柱翼緣部分應與端板等厚度（圖7-40(a)）。端板的厚度可根據(jù)支承條件（圖7-41）按下列公式計算，但不宜小于12mm。●

伸臂類端板：(7-27）●無加勁肋類端板：（7-28）●兩邊支承類端板：當兩端板外伸時：(7-29）當兩端板齊平時：(7-30）●三邊支承類端板：

(7-31）式中，Nt-一個高強度螺栓承受的拉力設計值；

f--端板鋼材的抗拉強度設計值。

門式剛架的框架梁與框架柱相交的節(jié)點域，應按下式驗算剪切強度，當不能滿足時，應加厚腹板或設置加勁肋(圖7-40(b、c))。

（7-32）式中dc、tc分別為節(jié)點域柱腹板的寬度和厚度；

db框架梁端部高度或節(jié)點域高度（圖7-40（））；

M—節(jié)點承受的彎矩，多跨剛架中間柱應取兩側斜梁端彎矩之代數(shù)和或柱端彎矩；

fv--節(jié)點域柱腹板鋼材的抗剪強度設計值。門式剛架梁、柱的翼緣和腹板與端板的連接，應采用全熔透對接焊縫，使焊縫截面與構件截面等強。當不滿足要求時，可設置腹板加勁肋或局部加厚腹板。當Nt≤0.4P時，(7-33)

當Nt＞0.4P時,(7-34)(二)門式剛架框架梁拼接構造

圖7-42（a）為屋脊處框架梁拼接，圖7-42（b）為非屋脊處框架梁拼接，拼接構造要求和計算方法同框架梁與框架柱的連接。

（三）門式剛架框架梁與搖擺柱的連接構造

圖7-43為框架梁與搖擺柱的連接，柱兩端均為鉸接。螺栓直徑和布置由構造決定，不考慮受力。加勁肋設置和設計應考慮有效地傳遞支承反力。（四）門式剛架的柱腳構造門式剛架柱腳分為鉸接柱腳和剛接柱腳兩種。對于一般的門式剛架輕型鋼結構房屋，常采用制造方便的平板式鉸接柱腳。圖7-44（a）和圖7-44（b）為分別采用兩個和四個錨栓的平板式鉸接柱腳。前者當柱子繞X-X軸有微小轉動時，錨栓不承受拉力，是一種比較理想的鉸接構造；后者當柱子繞X-X軸有微小轉動時，錨栓將受到拉力，但由于錨栓力臂較小，且錨栓受力后底板易發(fā)生變形，故該拉力不大，這種柱腳構造接近于鉸接，常用于橫向剛度要求較大的門式剛架柱腳。圖7-45為用于搖擺柱的鉸接柱腳構造。

剛接柱腳用于設置有橋式吊車的門式剛架或大跨度剛架。對于剛接柱腳，應至少有4個錨栓對稱布置在軸線兩側，并保證對主軸X—X具有較大的距離。此外，柱腳還必須有足夠的剛度。圖7-46（a）為底板用加勁肋加強的剛接柱腳。圖7-46（b）為采用靴梁和加勁肋的剛接柱腳。(五）、牛腿設計

牛腿的構造要求見圖7-47。柱為焊接工字形截面，可為等截面或變截面柱。牛腿板件截面尺寸與柱截面尺寸相協(xié)調(diào)，牛腿個部分焊縫由計算確定。牛腿上、下翼緣與柱的連接可采用焊透的V形對接焊縫，也可采用角焊縫；角焊縫的焊腳尺寸由牛腿翼緣傳來的水平力F=M/H確定。牛腿腹板與柱連接采用角焊縫；角焊縫的焊角尺寸由剪力V確定。本章內(nèi)容到此結束！謝謝！

鋼結構的材料

學習本章的主要目的是如何選擇鋼材。這就要求首先掌握鋼材的性能，其中最重要的是脆斷。

第一節(jié)鋼結構對所用材料的要求

一、鋼材的破壞形式

1.塑性破壞：鋼材在產(chǎn)生很大的變形以后發(fā)生的斷裂破壞稱為塑性破壞，也稱為延性破壞。

2.脆性破壞：鋼材在變形很小的情況下突然發(fā)生斷裂破壞。

二、鋼結構對所用材料的要求物美價廉強度fy、fu高。強度高可減輕結構自重。塑性、韌性、耐久性好。可防止脆性破壞，抗動力荷載好，耐疲勞。良好的加工性能。冷、熱加工和可焊性好。耐腐性好。價格便宜。有時還要求鋼材具有適應低溫、高溫等環(huán)境的能力?！朵摻Y構設計規(guī)范（GB50017)》推薦使用：碳素結構鋼中的Q235鋼、低合金結構鋼中的Q345鋼、Q390鋼、Q420鋼。隨著研究的深入，必將有一些滿足要求的其它種類鋼材可供使用。若選用鋼結構設計規(guī)范還未推薦的鋼材時，需有可靠的依據(jù)，以確保鋼結構的質(zhì)量。專用鋼結構用材見相關規(guī)范。第二節(jié)鋼材的主要機械性能鋼材的機械性能（力學性能）通常是指鋼廠生產(chǎn)供應的鋼材在標準條件下拉伸、冷彎和沖擊等單獨作用下顯示出的各種機械性能。它們由相應實驗得到，試驗采用的試件的制作和試驗方法都必