第9章钢桁架及屋盖结构

1、1第第9章章 钢桁架及屋盖结构钢桁架及屋盖结构 29.1 桁架及屋盖结构的组成及应用桁架及屋盖结构的组成及应用钢屋盖结构由屋面、屋架和支撑三部分组成。钢屋盖结构可分为两类：一类为有檩屋盖，是指在屋架上放置檩条，檩条上再铺设石棉瓦、瓦楞铁皮、钢丝网水泥槽形板以及压型钢板等轻型屋面材料；另一类称无檩屋盖，是指在屋架上直接放置钢筋混凝土大型屋面板，屋面荷载由大型屋面板直接传给屋架。有檩屋盖质量轻、用料省、运输安装方便，但构件数目多、构造复杂、吊装次数多，屋盖横向刚度较差。有檩屋盖的屋架间距为檩条跨度，屋架经济间距为4m6m。无檩屋盖，构件数目少、安装简便、施工速度快，易于铺设保暖层，且屋盖横向刚度大

2、、整体性好，但由于自重大使下部结构用料增多，且对抗震不利。无檩屋盖方案的屋架间距为大型屋面板的跨度，一般为6m或6m的倍数。屋架的跨度和间距需结合柱网布置确定。 39.2 桁架及屋盖结构的结构分析桁架及屋盖结构的结构分析9.2.1 计算假定屋架杆件内力计算采用下列假定：(1) 各杆件的轴线均居于同一平面内且相交于节点中心。(2) 各节点均视为铰接，忽略实际节点产生的次应力。(3) 荷载均作用于桁架平面内的节点上，因此各杆只受轴向力作用。对于作用于节间处的荷载需按比例分配到相近的左、右节点上，但计算上弦杆时，应考虑局部弯曲影响。49.2.2 节点荷载计算1. 屋架上的荷载作用于屋架上的荷载可有：

3、(1) 永久荷载，包括屋面材料、檩条、屋架、天窗架、支撑以及天棚等结构自重。 (2) 可变荷载，包括屋面均布使用活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载以及悬挂吊车和重物等项。 2. 荷载的组合屋面均布活荷载、屋面积灰荷载和雪荷载等可变荷载，应按全跨和半跨均匀分布两种情况考虑，因为荷载作用于半跨时对桁架的中间斜腹杆的内力可能产生不利影响。59.2.3 屋架杆件内力计算方法(1) 节点荷载作用下的杆件内力计算。节点荷载作用下，铰接桁架杆件的内力计算可采用图解法或数解法(节点法或截面法)以及有限元位移计算法等。所有杆件均受轴心力作用。常用桁架的杆件内力系数可查阅静力计算手册。(2) 有节间荷载作用时的杆件

4、内力计算。 69.3 屋架杆件的截面设计屋架杆件的截面设计 屋架杆件截面设计是在经过屋架选型、确定钢号、荷载计算和内力计算后，决定节点板的厚度和尺寸以及杆件的计算长度等，最后可按轴心受力构件，或拉弯、压弯杆件进行截面选择。 79.3.1 屋架杆件的计算长度8(1) 在屋架平面内的计算长度考虑节点本身具有一定刚度，杆件两端属弹性嵌固，当某一杆件的弯曲变形受到其他杆件的约束作用时，其中以受拉杆为甚，杆件的计算长度将有一定程度的减小。对本身线刚度较大，而两端节点嵌固程度较低的杆件，如弦杆、支座斜杆和支座竖杆，可按两端铰接的杆件考虑，取 ；对两端或一端嵌固程度较大的杆件，如中间腹杆，取 。 0 xll

5、00.8xll9(2) 在屋架平面外的计算长度弦杆在桁架平面外的计算长度为 ，应取侧向支承点之间的距离 ，即 。在有檩屋盖中，取横向支撑点间距离或取与支撑相连接的檩条及系杆之间的距离；在无檩屋盖中，当屋面板与屋架三点焊接连接时，可取两块屋面板的宽度，但不大于3.0m；在天窗范围内取与横向支撑，连接的系杆间距离。对下弦杆的计算长度应视有无纵向水平支撑确定，一般取纵向水平支撑节点与系杆或系杆与系杆间的距离。弦杆对腹板在屋架平面外的约束作用很小，故可作为铰支承；腹杆在屋架平面外的计算长度可取其几何长度，即 。1l0yl01yll0yll10(3) 在斜平面内的计算长度。单面连接的单角钢腹杆及双角钢组

6、成的十字形截面腹杆，因截面的两主轴均不在屋架平面内，故当杆件绕最小主轴失稳时，将发生在斜平面内，情形介于屋架平面内和屋架平面外两者之间，杆件两端的节点具有弱于平面内的嵌固作用；因此，可取腹杆斜平面内的计算长度 。 00.9ll119.3.2 屋架杆件的截面形式(1) 上弦杆。上弦杆可采用双不等肢角钢短边相并的T形截面，宽大的翼缘有利于放置檩条或屋面板；较大的侧向刚度也有利于满足运输和吊装的稳定要求。 (2) 下弦杆下弦杆可多采用双等肢角钢或两不等肢角钢短肢相并的T形截面，以提高侧向刚度，利于满足运输、吊装的刚度要求，且便于与支撑侧面连接。下弦杆截面主要由强度条件决定，尚应满足容许长细比的要求。

7、12(3) 端斜腹杆。端斜腹杆可采用两不等肢角钢长边相并的T形截面。其计算长度 。当杆件短，或内力小时可采用双等肢角钢T形截面。 (4) 其他腹杆。其他腹杆均宜采用双等肢角钢T形截面；竖杆可采用双等肢十字形截面。以利于与垂直支撑连接和防止吊装时连接面错位。00,/0.9yxyxlll ii139.3.3 垫板和节点板(1) 垫板。当采用双肢角钢T形或十字形组合截面时，为保证两个角钢整体受力，在两角钢间每隔一定距离应放置垫板，或称填板。十字形截面填板应纵横交替放置。填板宽度一般取50mm80mm。长度，对T形截面应比角钢肢宽大20mm30mm；对十字形截面应从角钢肢尖缩进10mm15mm，以便于

8、施焊。角钢与填板常用5mm侧焊缝或围焊缝连接。填板的厚度同节点板。填板间距 ，对压杆取 ，对拉杆取 ，对T形截面 为一个角钢对平行于填板的自身形心轴的回转半径；对十字形截面， 为一个角钢的最小回转半径。 dld40lid80liii14(2) 节点板。普通钢屋架双角钢截面的杆件，在节点处以节点板连接。节点板中的应力十分复杂，通常不作计算，根据工程经验确定其厚度，金属架节点板厚度取统一值。普通钢屋架节点板厚度可按下表选用。 159.3.4 屋架杆件的截面选择(1) 截面选择的一般要求。截面选择时应遵循下列要求：应优先选用肢宽壁薄的角钢，角钢规格不宜小于 454或 56364，有螺栓孔的角钢尚应满

9、足角钢上螺栓的最小容许线距的要求；桁架的弦杆一般采用等截面，若采用变截面宜在节点处改变宽度而保持厚度不变，一般只改变一次；同一屋架的角钢规格应尽量统一，不宜超过69种，边宽相同的角钢厚度相差至少2mm，以便识别。16(2) 截面计算。轴心受拉杆件应按强度条件计算杆件需要的净截面面积： ；轴心受压杆件应按整体稳定性条件计算杆件需要的毛截面面积： ；压弯或拉弯杆件，当上弦杆或下弦杆受有节间荷载时，杆件同时承受轴心力和局部弯矩作用，应按压弯或拉弯构件计算，通常采用试算法初估截面，然后再验算其强度和刚度，对压弯构件尚应验算弯矩作用平面内和平面外的稳定性。 n/AFf/AFf179.3.5 屋架的节点设

10、计1. 节点设计的要求(1) 杆件的重心线，原则上应与桁架计算简图中的几何轴线重合，以避免杆件偏心受力，但为制作方便，实际焊接桁架中通常把角钢背外表面到重心线的距离取为5mm的倍数；当弦杆截面改变时，应使角钢的肢背齐平，以便于拼接和放置屋面构件；当节点板两侧角钢因截面变化引起形心轴线错开时，应取两轴线的中线作为弦杆的共同轴线，以减少偏心影响。 18(2) 在节点板处弦杆与腹杆，或腹杆与腹杆之间应留有20mm的空隙，以利于拼接和施焊，且避免因焊缝过于密集而导致节点板钢材变脆。(3) 角钢端部的切割一般应与轴线垂直，为了减小节点板尺寸，可将其一肢斜切；但不得采用将一肢完全切割的斜切。(4) 节点板

11、的形状应力求简单规整，尽量减小切割边数，宜用矩形、有两个直角的梯形或平行四边形。节点板不许有凹角，以防产生严重的应力集中。节点板边缘与杆件轴线间的夹角不宜小于，且节点板的外形应尽量使连接焊缝中心受力。节点板应伸出上弦杆角钢肢背10mm15mm，以利施焊；也可将节点板缩进弦杆角钢肢背5mm10mm，称为塞焊缝连接。 192. 节点的构造和计算节点设计首先应按各杆件的截面形式确定节点的构造形式，根据腹板内力确定连接焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度，然后按所需的焊缝长度和杆件之间的空隙，适当考虑制造装配误差，确定节点板的合理形状和尺寸，最后验算弦杆和节点板的连接焊缝。桁架杆件与节点板间的连接，通常采用角焊缝

12、连接形式，对角钢杆件一般采用角钢背和角钢尖部位的侧焊缝连接；必要时也可采用三面围焊缝或L形围焊缝连接。节点板的尺寸应能保证所需角焊缝的布置要求。209.4 钢屋架的支撑钢屋架的支撑简支于柱顶的钢屋架仅用大型屋面板或檩条联系起来是一种不稳定的几何可变体系，在荷载作用下或在安装过程中，屋架可能向侧向倾倒，屋架上弦侧向支承点间距过大，也容易引起侧向失稳破坏，为使屋架形成稳定的空间结构体系，则需在相邻两屋架之间设置上弦横向支撑、下弦横向支撑和垂直支撑，其余屋架则由檩条、大型屋面板和系杆在纵向相连接，从而构成稳定的几何不变体系。如下图所示。21 229.4.1 屋盖支撑的类型和布置屋盖支撑的主要作用是：

13、承受屋盖在安装和使用过程中可出现的纵向水平力，如山墙的水平风力、悬挂吊车的纵向水平制动力、安装时可能产生的垂直于屋架平面的水平力，以及纵向地震作用等；作为屋架弦杆的侧向支承点，减少上弦杆在屋架平面外的计算长度，以提高上弦杆的稳定性；防止受拉下弦杆因某些动力设备运转时产生过大的水平振幅；保证屋架安装质量和安全施工；保证屋盖结构的空间整体性是屋盖支撑最为重要的性能。支撑的布置及类型如下图所示。2324 屋盖支撑的布置如下： (1) 上弦横向水平支撑。 (2) 下弦横向水平支撑。 (3) 下弦纵向水平支撑。 (4) 垂直支撑。 (5) 系杆。 259.4.2 支撑的截面选择和连接构造屋架的横向支撑和

14、纵向支撑均由平行弦桁架组成。其腹杆通常采用十字交叉斜杆；屋架的弦杆兼为横向支撑桁架的弦杆；屋架的下弦杆又可视为纵向支撑桁架的竖杆；斜杆和弦杆的交角宜在之间，横向支撑节间距为屋架弦杆节间距的24倍；纵向水平支撑的宽度取屋架下弦端节间宽度。屋盖垂直支撑也视为一平行弦桁架，可采用交叉腹杆或V形、W形腹杆。269.4.3 檩条、拉条和撑杆檩条应与屋架上的檩托可靠连接，檩托是由焊接在屋架上的短角钢制成，檩条与檩托一般用普通螺栓连接，槽钢檩条的槽口宜朝向屋脊以利于安装；角钢和S形薄壁型钢檩条的肢尖均应朝向屋脊。拉条是设置在檩条之间的钢拉杆，拉条可作为檩条的侧向支撑点，用以减少檩条平行屋面方向的跨度，防止侧

15、向变形和扭屈。 279.5 普通钢屋架设计实例普通钢屋架设计实例9.5.1 设计资料北京地区一单跨厂房屋盖，跨度为24m，长度为114m，柱距为6m。屋架采用24m芬克式三角形钢屋架，屋架简支在钢筋混凝土柱上，上柱截面为400mm400mm，混凝土强度等级为C20级，柱网采用封闭轴线。厂房内设有一台起重量为Q=30t的中级工作制桥式吊车。钢材为Q235钢，并具有机械性能四项：抗拉强度、伸长率、屈服点、180冷弯试验和碳、硫、磷含量的保证；焊条采用E 43型：手工焊。28屋面采用波形石棉水泥瓦，自重为0.20kN/m2；木丝板保温层自重为0.24kN/m2，檩条采用槽钢。屋面均布活荷载为0.30

16、kN/m2；基本雪荷载为0.30kN/m2。屋架形式及几何尺寸：屋面坡度i=1/2.5，屋面倾角，屋架计算跨度为，屋架跨中高度为 ，上弦长度为，取六节间，节间长度为 ，节间水平投影长度为mm。如下图所示。29 屋架几何尺寸及内力图 309.5.2 支撑布置根据厂房长度为120m60m，跨度=24m和有桥式吊车的情况，在厂房两端第二柱间和厂房中部设置三道上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑及垂直支撑；并在上弦及下弦各设三道系杆。上弦因有檩条故可不设系杆。如下图所示。31329.5.3 檩条布置(1) 檩条布置。檩条采用槽钢檩条，每节间放两根，檩距为2127mm/3=709mm，檩条跨中设一根拉条。(2)