木结构桁架设计的基本原则

1. 桁架的高跨比

桁架跨度中央的高度h与跨度l的比值称为高跨比。为保证桁架具有足够的刚度,按桁架的外形,分别规定木桁架、钢木桁架高跨比的最小限值如表6.3.1所示。

高跨比值已符合表6.3.1规定的桁架,不必再核算其挠度。

2. 桁架的预起拱度

为了消除桁架可见的挠度,不论木桁架或钢木桁架,皆应在制造时预先向上起拱。起拱度通常取为桁架跨度的1/200。起拱时应保持桁架的高跨比不变,木桁架常在下弦接头处提高(图6.3.9),而钢木桁架则常在下弦节点处提高。

3. 桁架节间的划分

桁架节间的划分原则是:根据荷载、跨度及所用木材强度设计值的大小进行节间划分,在常用木材规格范围内,充分利用上弦的承载能力。因为在木桁架的总挠度中,大部分是由节点及接头处非弹性变形(制造不紧密、干缩变形及横纹承压变形等)的累积造成的,若将节间划分过小,势必因节点增多而加大桁架的挠度,并使桁架的制造工作量加重。

对于无下弦荷载的钢木桁架,应尽量扩大下弦的节间长度,减少下弦节点数,这样,不但可以减小挠度,而且方便施工,节约钢材。划分节间时,还应注意不使斜杆与弦杆的夹角过小,以利构件的工作和制造。

4. 桁架的自重

桁架自重一般可按下列经验公式估算

式中gz一一桁架自重的标准值,按屋面水平投影面积计算(kN/m2);

l一一桁架跨度(m)。

由于桁架自重在全部荷载中所占的比率很小,故当设计完毕后桁架的实际自重与按上式所估算的自重略有出入时,一般不必进行重算。为了简化计算,当仅有上弦荷载时,可认为桁架的自重完全作用在上弦节点处;当上、下弦均有荷载时,则认为自重按上、下弦各半分配。

5. 荷载组合

荷载组合应遵照现行《建筑结构荷载规范》第3.2.3及3.2.5条有关规定,当仅有恒荷载或恒荷载产生的内力超过全部荷载所产生的内力的80%时,应遵照表3.4.4注1规定。

求桁架杆件内力时,恒荷载(包括自重)按全跨分布。活荷载除按全跨分布外,尚应根据各种桁架的受力特点,分别按可能出现的不利分布情况进行组合。例如:三角形桁架在半跨活荷载(包括悬挂吊车)作用下(图6.3.10a),中间一对斜腹杆的内力不同,而下弦中央节点处的连接物必须按其水平分力差进行核算;梯形桁架在半跨活荷载作用下(图6.3.10b),中间腹杆内力可能变号;多边形桁架或弧形桁架可能在3/4跨及1/4跨(或2/3跨及1/3跨)活荷载的组合下(图6.3.10c、d),某些腹杆的内力达到其最大值。

屋面活荷载与雪荷载一般不会同时出现,故取二者之较大者与恒荷载进行组合。

在一般桁架坡度小于30°的桁架设计中,对封闭房屋只有当设有天窗时,才需考虑风荷载的不利组合。

6. 内力计算

桁架的内力计算,可假定节点为铰接。将荷载集中于各个节点上,按节点荷载求得各杆件的轴向力。节间荷载对上弦杆所引起的弯矩,在选择杆件截面时再行考虑。

7. 压杆的计算长度

在结构平面内,弦杆及腹杆取节点中心间的距离。在结构平面外,上弦取锚固檩条间的距离;腹杆取节点中心间的距离。

8. 上弦的计算原则

(1)当檩条布置在节点处时,除按轴心受压杆件计算外,尚应验算在桁架支座偏心达到施工偏差限值时,此种偏心对上弦的不利影响。

(2)当节点之间布置有檩条时,上弦因节间荷载而承受弯矩,应按压弯构件计算。

(3)上弦弯矩的计算:根据木桁架和钢木桁架的破坏试验测定,连续上弦的跨间弯矩值接近于按简支计算的弯矩,而在节点处存在较小的负弯矩。这是由于在桁架承受荷载后,作为连续上弦中间支座的节点随桁架的变形而产生相应的竖向位移,使其按连续梁作用产生的正弯矩和由于支座位移产生的负弯矩互相抵消之故。据此并考虑偏于安全,连续上弦的弯矩按下述要求计算。跨间弯矩:按简支梁计算;节点处支座弯矩设计值:

式中g和q一一上弦的均布恒载和活载(或雪载)设计值;

l一一杆件的计算长度。

9. 钢木桁架设计原则

(1)钢木桁架形式的选择

当上、下弦均有荷载时,应选用上、下弦节间一致的豪式桁架(图6.3.1a、d)。若仅上弦有荷载,则以选用下弦扩大节间的形式(图6.3.1b、c、e、f)为宜。因为减少下弦节点既能简化制造、减小桁架的变形,又可以节省钢材。

(2)钢材部分的设计要求

钢木桁架钢材部分的设计计算,可按第三、五章有关的规定进行;未作规定者,可参考现行《钢结构设计规范》计算。考虑一般工地的焊接条件,应尽量采用较易焊接的Q235钢材制作。

(3)钢下弦的选择

1)下弦可采用圆钢或型钢(一般用双角钢)。当荷载和跨度较小时,以选用圆钢为宜。因为型钢受最小截面的限制、不能充分利用其承载能力。当荷载和跨度较大,设有悬挂吊车或房屋的振动较大时,则应采用型钢。

2)圆钢下弦有单根和双根两柿。当荷载和跨度较小或不设吊顶时,宜用单根圆钢。因为单根圆钢的节点构造处理简单,同时可避免多根圆钢之间内力分配不均匀的现象,能充分利用钢材的承载能力。

(4) 钢下弦的构造要求

1)圆钢直径应控制在30mm以内,杆端有螺纹的圆钢拉杆,当直径大于22mm时,宜将杆端加粗(如焊接一段较粗的短圆钢),其螺纹应由车床加工。

2)圆钢下弦在拼装前必须调直,并须设有调整其长度的装置。一般可在支座节点处用双螺帽固定并进行调整,必要时,也可用花篮螺栓(拧紧器)来调整。为防止圆钢下弦过度下垂,当下弦节点间距大于250d(d为圆钢直径)时,应对圆钢下弦适当加设吊杆,吊杆的间距按圆钢下弦的长细比不大于1000确定。

3)型钢下弦的长细比不宜大于350。

4)为防止圆钢下弦拉直伸长对墙体产生推力,不应采用下弦抬高的桁架形式(图6.3.11)。安装跨度较大的桁架时,应在桁架一端支座节点的钢垫板与柱顶钢板之间放设数根短圆钢,以允许其向外自由水平滚动,待屋面构件和瓦材安装完毕后,再将短圆钢与柱顶钢板焊牢。此时应注意检查支座反力作用点的位置与设计是否相符;必要时要作适当调整。

5)圆钢接长宜用对接焊或双帮条焊(图6.3.12a)。在接头的每一侧,帮条的长度一般应不小于4d (d为圆钢下弦的直径)。帮条的直径应不小于0.75d。不应采用搭接焊(图6.3.12b)或将圆钢单侧焊在节点板上(图6.3.12c),以免在圆钢和焊缝中产生附加应力。当采用闪光对焊时,焊接工艺和质量验收,应符合现行《钢筋焊接及验收规程》中的有关规定。

6)双圆钢和双角钢下弦的两肢之间,每隔一定距离要加焊缀条。

(5)节点设计原则

1)设计节点时除应使各杆件的轴线汇交于一点外,尚应防止形成局部偏心(图6.3.12d)而产生附加应力。

2)节点中的受力钢板和焊缝均应根据计算确定其尺寸。一般以选用6~10mm厚的钢板为宜。焊缝厚度不应大于钢板和型钢的厚度,且不大于6mm。

3)当钢板因受弯需要过大的厚度时,可采用加肋的办法来解决,或改用合适的型钢。 这样就可以避免钢板型号过多。

4)应尽量使构造钢板与受力钢板相结合,以节约钢材。

(6)全部钢构件均应涂刷防锈漆,并定期检查,进行维护。在锈蚀比较严重的地区应特别注意加强维护工作。