单元二-钢结构房屋设计及屋盖结构PPT

1、钢结构房屋设计 单元二 屋盖结构单元二 屋 盖 结 构本章主要讲述钢屋盖结构的组成和分类、普通钢屋架的形式、尺寸和设计计算方法以及钢屋架的施工图，并简述了轻型钢屋架的基本知识，在学习过程中应主要掌握下列内容：(1) 掌握钢屋盖结构的组成，各组成部分的分类、作用和布置；(2) 掌握常用钢屋架的形式、尺寸，区别不同形式屋架的性能和适用范围； 本章提要(3) 了解钢屋盖中支撑的布置方法和所起作用；(4) 掌握普通钢屋架的设计计算方法和构造要求；(5) 能看懂钢屋架施工图纸，并能绘制简单施工图；(6) 了解轻钢屋架的基本知识。 本 章 内 容2.1 屋盖结构的组成和形式2.2 檩条、拉条和撑杆2.3

2、屋盖支撑2.4 屋架2.5普通钢屋架设计实例单元二 屋盖结构第一节 钢屋盖结构的组成和分类第一节 屋盖结构的组成和形式 钢屋盖结构一般由屋架、托架、天窗架、檩条和屋面材料等组成。 根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，可分为 有檩体系屋盖和无檩体系屋盖 两类（图7-1）。前一类多采用瓦楞铁皮、波形石棉瓦、预应力钢筋混凝土槽瓦、钢丝网水泥折板瓦、彩色涂层压型钢板、压型钢板夹芯保温板（图1-6c、e）等轻型屋面材料，故须设置檩条作支承并传递屋面荷载给屋架，这种体系称为有檩体系屋盖。后一类则是在屋架上直接安放面钢筋混凝土预应力大型屋面板、钢筋加气混凝土板、太空轻质大型屋面板等，屋面荷载可通过大型屋面

3、板直接传给屋架，这种屋盖体系称为无檩体系屋盖。第一节 屋盖结构的组成和形式第一节 屋盖结构的组成和形式 无檩体系屋盖屋面刚度大，整体性能好，在构造上易于设置保温和防水材料，且构件的种类和数量少，施工速度快。但大型屋面板自重大，故要增大屋架和柱等下部承重结构的截面，且对抗震不利。 有檩体系屋盖屋柱距不受限制，屋面材料可供选择的种类多且自重轻，用料省，但屋面刚度较差，构件数量多构造复杂，。两种屋盖体系各有优缺点，选用哪种体系作为设计方案，应综合考虑建筑物的使用要求、受力特点、材料供应情况、施工和运输条件等确定。第一节 屋盖结构的组成和形式 屋架的跨度和间距取决于柱网布置，而柱网布置则根据建筑物工艺

4、要求和经济合理等各方面因素而定。 对无檩体系屋盖因受大型屋面板尺寸的限制（大型屋面板的尺寸一般为1.5 x 6m），故屋架跨度一般取3m的倍数，常用的有15m、18m、21m36m等，屋架间距为6m；当柱距超过屋面板长度时，就必须在柱间设置托架，以支承中间屋架（图62）。 有檩体系屋盖的屋架间距和跨度比较灵活，不受屋面材料的限制。有檩屋盖比较经济的屋架间距为46m。但对压型钢板，常为12m甚至更大， 第一节 屋盖结构的组成和形式可结合使屋面材料、屋架和檩条三者的总造价最低的原则选用。对柱距较大的部分，一般采用在柱间设置托架支承中间屋架，以保持屋架的间距不变。 为了采光和通风等要求，屋盖上常需设

5、置天窗。天窗的形式有纵向天窗、横向天窗和井式天窗等三种；一般采用纵向天窗（图72）。其形式多为沿房屋纵向在屋架上设置天窗架和连系构件。 天窗架的外形和高度应根据采光及通风需要的窗扇、窗下侧墙和檐头的尺寸等建筑要求，结合屋架形式确定。第一节 屋盖结构的组成和形式第一节 屋盖结构的组成和形式横向天窗和井式天窗可不另设天窗架，只须将部分屋面材料和屋面构件放在屋架下弦，而部分屋面材料和屋面构件仍设置在上弦，就形成了天窗。这两种天窗的构造和施工都比较复杂，但用钢量较省。单元二 屋盖结构第二节 檩条、拉条和撑杆第二节 檩条、拉条和撑杆 屋盖中檩条的数量多，其用钢量常达屋盖总用钢量的一半以上，因此设计时应给

6、予充分重视，合理地选择其形式和截面 檩条可全部布置在屋架上弦节点，亦可由屋檐起沿屋架上弦等距离设置，其间距应结合檩条的承载能力、屋面材料的规格和其最大容许跨度、屋架上弦节间长度及其是否考虑节间荷载等因素决定。 如中波石棉瓦直接放置在檩条上时，由于其长度一般为1820mm，去掉搭接长度150mm，且中部还须有一支承，故檩条最大容许间距为（1820-150）/2=835mm， 若石棉瓦下面铺设木望板等基层材料时，则檩条最大容许距离须由基层材料的强度决定。第二节 檩条、拉条和撑杆 实腹式檩条常用槽钢、角钢、H型钢和Z形薄壁型钢（图5-10），并按双向受弯构件计算（见第五章第五节）。 图5-10 檩条

7、截面形式图19.10 斜放檩条的受力 第二节 檩条、拉条和撑杆 檩条在屋架上应可靠地支承。一般采取在屋架上弦焊接用短角钢制造的檁托，将檩条用C级螺栓（不少于两个）和其连接（图7-3）。对H型钢檩条，应将支承处靠向檁托一侧的下翼缘切掉，以便与其连接（图7-3a)，若翼缘较宽，还可直接用螺栓与屋架连接（图7-3b），但檩条端部宜设加劲肋，以增强抗扭能力。槽钢檩条的槽口可向上或向下，但朝向屋脊便于安装。角钢和Z形薄壁型钢檩条的上翼缘肢尖均应朝向屋脊。 拉条的作用是作为檩条的侧向支承点，以减小檩条在平行于屋脊方向的跨度，提高檩条的承载能力，减少檩条在使用和施工过程中的侧向变形和扭转。当檩条跨度l=46

8、m时，宜设置一道拉条；当l6m时，宜设置两道拉条（图7-4a、b）。第二节 檩条、拉条和撑杆第二节 檩条、拉条和撑杆第二节 檩条、拉条和撑杆 为使拉条形成一个整体不动体系，并能将檩条平行于屋面方向的反力上传至屋脊，须使某些拉条与可作为不动点的屋架节点或檩条连接。当屋面有天窗时，应在天窗侧边两檩条间设斜拉条和作檩条侧向支承点的承压刚性撑杆（图7-4c）。当屋面无天窗时，屋架两坡面的脊檩须在拉条连接处相互连接（图7-4b），以使两坡面拉力相互平衡，或同天窗侧边一样，设斜拉条和刚性撑杆（图7-4a）。对Z形薄壁型钢檩条，还须在檩口处设斜拉条和撑杆，因为在荷载作用下它也可能向屋脊方向弯曲。当檩口处有圈

9、梁或承重天沟时，可只设直拉条与圈梁或天沟板相连（图7-4aa）。第二节 檩条、拉条和撑杆 拉条常用10、20或16圆钢制造，撑杆则多用角钢，按支撑压杆容许长细比200选用截面。 拉条、撑杆与檩条的连接构造如图7-5所示。 拉条的位置应靠近檩条上翼缘约3040mm，并用螺母将其张紧固定。 撑杆则用C级螺栓与焊在檩条上的角钢固定。第二节 檩条、拉条和撑杆单元二 屋盖结构第三节 屋盖支撑单元二 屋盖结构屋盖支撑的作用1屋盖支撑的布置 2支撑的形式、计算和连接构造3第三节 屋盖支撑 几乎所有各种工程结构都呈空间受力状态，都是空间结构。但在结构设计时，为了便于计算和使结构构件受力简单化，常把有些实际结构

10、假定是许多独立工作（在某种荷载作用下）的平面结构。再用必要的支撑系统把这些独立工作的平面结构组成一个整体（空间结构）。使它具有必要的空间工作性能、刚度和整体稳定性。 因此在设计钢屋盖时除了要保证屋架（平面结构）的强度、刚度和稳定性外，还要慎重和妥善地设计钢屋盖的支撑系统；保证支撑的强度和稳定性。否则，无论屋架设计得多好，屋盖结构的安全仍得不到保证。所以支撑系统是屋盖结构不可缺少的重要组成部分。一、 屋盖支撑的作用 一、 屋盖支撑的作用(1) 保证屋盖结构的空间几何不变和稳定性(2)作为屋架弦杆的侧向支承点(3)承受和传递水平荷载(风荷载、悬挂吊车纵向制动力、地震荷载等)(4)保证屋盖结构安装质

11、量和施工安全一、 屋盖支撑的作用(一) 保证屋盖结构的空间几何不变和稳定性 由屋架、檩条和屋面板等互相垂直的平面构件铰接连接而成的屋盖结构是几何可变体系。在某种荷载作用下或在安装时，各屋架有可能向一侧倾倒，故必须布置支撑使屋架与屋架连接成几何不变的空间体系，才能保证整个屋盖在各种荷载作用下都能很好地工作。 首先用支撑将相邻两个屋架组成空间稳定体（几何不变体），然后用檩条、系杆或大型钢筋混凝土屋面板将其余各屋架与此空间稳定体连接起来，形成几何不变的、空间稳定的屋盖结构。空间稳定体通常是由相邻两个屋架和它们之间的上弦横向水平支撑，下弦横向水平支撑以及屋架端部和跨中竖直平面内的竖直支撑组成的六面盒式

12、体系。有时，也可采用简单的做法，不设置屋架下弦横向平面支撑，这就成了一个五面的盒式体系。这种五面盒式体系也还是空间稳定体，在一般房屋中采用这种型式的也不少。一、 屋盖支撑的作用 通常采用的沿屋架上弦平面布置的横向水平支撑（上弦平面不一定水平而常是斜平面），是一个水平放置（或接近水平放置）的桁架。桁架两端的支座是柱（或柱间支撑）或是桁架端部竖向支撑。这个支撑桁架的高度即为屋架的间距，通常是6m。在屋架上弦平面内具有很大的抗弯刚度，在山墙传来的沿房屋纵向风荷载或悬挂吊车纵向制动力作用下，可以保证屋盖结构不产生过大的变形（图7-6b）。 在工业厂房中常有起重量大而工作繁忙的桥式吊车或其他振动设备。对

13、屋盖结构的空间刚度和稳定性提出了更高的要求。有时需要设置屋架下弦横向水平支撑和纵向水平支撑。一、 屋盖支撑的作用一、 屋盖支撑的作用(二)作为屋架弦杆的侧向支承点 屋架上弦平面支撑可作为上弦杆（压杆）的侧向支承点，从而减少其出平面（垂直屋架平面方向）的计算长度。如果没有屋架上弦平面支撑，则上弦出平面的计算长度等于上弦的全部长度（图7-6），这样的压杆的稳定性是很差的，也是很不经济的。采用屋架上弦平面横向支撑后，横向支撑桁架的节点就是屋架上弦压杆的侧向支承点，计算长度减少很多。没有直接设置横向支撑桁架的屋架弦杆可由系杆与支撑桁架的节点连接，同样也能起到压杆（屋架弦杆）的侧向支承点的作用。所以系杆

14、也是支撑系统的组成部分，不能只重视支撑桁架的设计而忽视系杆的重要性。一、 屋盖支撑的作用(三)承受和传递水平荷载支撑体系可有效地承受和传递风荷载、悬挂吊车的制动荷载及地震作用等水平荷载。 房屋两端的山墙挡风面面积较大，所承受的风压力或风吸力有一部分将传递到屋面平面（也可传递给屋架下弦平面）。这部分的风荷载必须由屋架上弦平面横向支撑（有时同时设置屋架下弦平面横向支撑）承受。所以，这种支撑一般都设在房屋两端，就近承受风荷载并把它传递给柱（或柱间支撑）。(4)保证屋盖结构安装质量和施工安全 屋架是平面结构，安装时必须很快把两个屋架互相连接成简单的各具有一定稳定性的空间体，以便施工。最先安装的是屋架与

15、屋架间的垂直（竖向）支撑。二、屋盖支撑的布置 二、屋盖支撑的布置 (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(竖向)支撑 (5) 系杆 二、屋盖支撑的布置二、屋盖支撑的布置（一）上弦横向水平支撑 在钢屋盖中，无论是有檩条的屋盖或采用大型钢筋混凝土屋面板的无檩屋盖，都应设置上弦横向水平支撑（图77a）。当屋架上有天窗架时，天窗架上弦也应设置横向水平支撑。在天窗架范围内屋架上弦横向水平支撑应连续设置（连通），并应把天窗架上弦横向水平支撑通过竖向支撑与屋架上弦横向水平支撑相连接。 上弦横向水平支撑（图77a）通常设置在房屋两端（当有横向伸缩缝时设在温度区

16、段两端）的第一或第二个开间内，以便就近承受山墙传来的风荷载等。当设置在第二个开间内时，必须用刚性系杆（既能受拉也能受压，按压杆设计）将端屋架与横向水平支撑桁架的节点连接，保证端屋架上弦杆的稳定和把端屋架受到的风荷载传递到横向水平支撑桁架的节点上。当无端屋架时，则应用刚性系杆与山墙的抗风柱连牢，作为抗风柱的支承点，并把这支承点所受的力传递给横向水平支撑桁架的节点。二、屋盖支撑的布置 上弦横向水平支撑的间距不宜超过60m。当房屋纵向长度较大时，应在房屋长度中间再增加设置横向水平支撑。 大型钢筋混凝土屋面板本身虽有较大的刚度，但它与钢屋架的连接仅靠角部的预埋件与屋架上弦节点焊牢，施工中焊点质量不易保

17、证，常易漏焊，且预埋件与混凝上的锚固质量也不易保证。所以，大型钢筋混凝上屋面板不宜代替钢屋架的支撑。特别是在有吊车或动力设备的工业厂房中，更不宜考虑大型钢筋混凝屋面板起支撑作用。在无振动影响的一般房屋中，也有把大型钢筋混疑土屋面板起部分系杆作用的。二、屋盖支撑的布置（二）下弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑（图77b）与上弦横向水平支撑共同设置时，再加竖向支撑则使相邻两榀屋架组成六面盒式空间稳定体，对整个房屋结构的空间工作性能大有好处。在一般房屋中有时不设置下弦横向水平支撑，相邻两榀屋架组成五面盒式空间稳定体，也能满足要求。只有在有悬挂吊车的屋盖，有桥式吊车或有振动设备的工业房屋或跨度较大的一般

18、房屋中，必需设置下弦横向水平支撑。二、屋盖支撑的布置凡属下列情况之一者，宜设置下弦横向水平支撑。1.屋架跨度18m时；2.屋架下弦设有悬挂吊车，厂房内有起重量较大的鞒式吊车或有振 动设备时；3.端墙抗风柱支撑于屋架下弦时；4.屋架下弦设有通长的纵向水平支撑时；5.屋架与屋架间设有沿屋架方向的悬挂吊车时；6.屋架下弦设有沿厂房纵向的悬挂吊车时。 二、屋盖支撑的布置（三）下弦纵向水平支撑 在有桥式吊车的单层工业厂房中，除上、下弦横向水平支撑外，还设置下弦纵向水平支撑（图7一7b）。下弦纵向水平支撑的作用主要是与屋架下弦横向水平支撑一起形成封闭体系以增强屋盖的空间刚度（图77b），并可承受、分布和传

19、递吊车横向水平制动力。（图77b）。当有托架时，在托架处必须布置纵向水平支撑，并由托架两端各延伸一个柱间设置（图7- 7b），以保证托架的平面外稳定。凡属下列情况之一者，宜设置屋架下弦纵向支撑（图7 b）：二、屋盖支撑的布置1.当厂房内设有重级工作制吊车或起重量较大的中、轻级工作制吊车时；2.在厂房排架计算时考虑空间工作时；3.厂房内设有较大的振动设备时；4.屋架下弦有纵向或横向吊轨时；5.当屋架跨度较大，高度较高而空间刚度要求大时；6.当设有托架时，在托架处局部加设下弦纵向支撑，由托架两端各延伸一个柱间设置。二、屋盖支撑的布置 4垂直支撑 在梯形屋架两端必须设置垂直（竖向）支撑，它是屋架上弦

20、横向水平支撑的支承结构，它将承受上弦横向水平支撑桁架传来的水平力并将其传递给柱顶（或柱间支撑）。它和上弦横向水平支撑同样重要，是必不可少的受力支撑。此外，在屋架跨度中间，根据屋架跨度的大小，设置一道或二道垂直（竖向）支撑，它将在上述六面（或五面）盒式空间稳定体中起横隔作用。在施工过程中，它还起安装定位时的架设支撑作用。 垂直（竖向）支撑的主要作用是使相邻两屋架形成几何不变的空间体系，以保证屋架在使用和安装时的侧向稳定。垂直（竖向）支撑应布置在设有上弦横向支撑的开间内，按下列要求布置：二、屋盖支撑的布置（1）对于梯形屋架和平行弦屋架，当屋架跨度30m时，应在屋架跨中和两端的竖杆平面内各布置一道竖

21、向支撑；当屋架跨度30m时，在无天窗的情况下，应在屋架跨度l/3处的竖杆平面内和屋架两端各布置一道垂直（竖向）支撑，在有天窗时，垂直（竖向）支撑可布置在天窗脚下的屋架竖杆平面内（图78 ）；（2）三角形屋架当跨度18m时，应在屋架中间布置一道竖向支撑，当跨度18m时，应按具体情况布置两道竖向支撑。 二、屋盖支撑的布置 垂直（竖向）支撑本身是一个平行弦桁架，根据其高跨比不同，腹杆可布置成单斜杆式（图7一9）或交叉斜杆式（图7一9）。 当屋架上有天窗时，天窗也应设置竖向支撑，作为天窗架上弦横向水平支撑的支承结构。把天窗架上弦横向水平支撑承受的水平力传递到屋架上弦横向水平支撑的节点上。 沿房屋的纵向

22、，垂直（竖向）支撑应与上下弦横向水平支撑设置在同一开间内（图7 7）。为保证屋架安装时的稳定性，每隔4 5个开间应布置一道垂直（竖向）支撑。二、屋盖支撑的布置二、屋盖支撑的布置 5系杆 在一幢房屋的屋盖结构中，以一个空间稳定体作为核心，其他屋架的上下弦节点都可以用系杆与空间稳定体的有关节点连接，即可作为其他各屋架的侧向支承点而保证各屋架的空间稳定性。但这些系杆可能受拉，也可能受压，应按压杆设计，常称为刚性系杆。要求较大的截面尺寸和回转半径，用料很不经济。通常是在房屋的两端（第一或第二个开问）各设置一个空间稳定体。中间的其他屋架分别用系杆与两端空间稳定体的有关节点连接。同样也可以作为中间的其他屋

23、架的侧向支承点，而且这种系杆只需承受拉力，当它承受压力时可退出工作而由另一侧的系杆受拉即可，系杆按拉杆设计，可以充分发挥钢材的强度，常称为柔性系杆。虽然多设了一个空间稳定体而多用了交叉支撑的钢材，但能把大量刚性系杆改为柔性系杆，还是能够节约钢材的。柔性系杆把许多中间屋架与空间稳定体连接起来，如中间屋架的数量太多，柔性系杆的总长度太大，其效果则越差，故两个空间稳定体的间距不宜大于60m。二、屋盖支撑的布置系杆的作用是保证无支撑开间处屋架的侧向稳定、减少弦杆的计算长度以及传递水平荷载。系杆系杆有刚性（压杆）和柔性系杆（拉杆）。刚性系杆一般由两个角钢组成十字形截面，柔性系杆一般采用单角钢。系杆在上、

24、下弦平面内按下列原则布置：1.在一般情况下，竖向支撑平面内的屋架上、下弦节点处应设置通长的系杆；2.在屋架支座节点处和上弦屋脊节点处应设置通长的刚性系杆；3.当屋架横向支撑设在厂房两端或温度缝区段的第二开间时，则在支撑节点与第一 榀屋架之间应设置刚性系杆。其余可采用柔性或刚性系杆。 在屋架支座节点处如设有钢筋混凝土圈梁时，则支座处下弦刚性系杆可以省去。在有檩屋盖中，檩条可以代替上弦水平系杆。在无檩屋盖中，大型屋面板可以代替上弦刚性系杆。三、支撑的形式、计算和连接构造三、支撑的形式、计算和连接构造 屋架的上、下弦横向水平支撑都是利用屋架的弦杆（上弦或下弦）兼作支撑桁架的弦杆，斜腹杆一般都采用十字

25、交叉的体系（图7一7）。屋盖支撑一般都是平行弦桁架（图711a、b）。这种平行弦杆交叉斜腹杆体系的支撑桁架的刚度大，用料省。其中的斜腹杆常采用单角钢做成，因交叉设置，受力时一根受拉则另一根受压，常假定受压的这根单角钢因弯扭屈曲而退出工作。只有受拉的一根单角钢斜杆参加桁架受力工作。这样桁架在受力时属于静定结构，受力明确，计算简单。当荷载反向作用时（如风荷载反向作用），斜腹杆受力变更，仍是一根参加受力工作，另一根弯扭屈曲而退出工作。对于屋架跨度较小而又无振动设备的房屋，支撑桁架的交叉斜腹杆也可用圆钢做成。用圆钢代替角钢更为经济。但采用圆钢时必须有拉紧装置（花篮螺栓），且其直径d16mm。支撑和刚性

26、系杆按压杆计算，采用双角钢组成十字形或T型截面。三、支撑的形式、计算和连接构造三、支撑的形式、计算和连接构造三、支撑的形式、计算和连接构造三、支撑的形式、计算和连接构造 屋架支撑的受力较小，截面尺寸大多由杆件的容许长细比和构造要求而定，按拉杆设计斜腹杆和柔性系杆等的容许长细比为400，按压杆设计的直撑和刚性系杆等的容许长细比为200。 当屋架跨度较大，屋架下弦标高大于15m，基本风压大于0.5kN / m2时，屋架各部位的支撑杆件除满足容许长细比的要求外，尚应根据所受的荷载按桁架体系计算出内力，杆件截面按所得的内力确定。计算支撑杆件内力时，可将屋面支撑展开为平面桁架，假定在水平荷载作用下，每个

27、节间只有一根受拉的斜杆参加工作（图7-10），图中虚线斜杆为压杆，假定不起作用，这样就成为静定桁架。图中W为支撑节点上的水平节点荷载，由风荷载或吊车荷载引起。三、支撑的形式、计算和连接构造 对于上弦横向水平支撑，不但承受山墙（端墙）传来的风力，它还要通过系杆（刚性系杆或柔性系杆）来保证其他相邻屋架受压的上弦杆件的稳定性。按规定用作减小轴心受压构件（屋架上弦）自由长度（垂直屋架平面）的支撑，其内力应根据被支承构件的剪力V（作为侧向力）确定。每个支撑桁架担负着保证数榀相邻屋架受压的上弦杆件的稳定性。屋架上弦承受的压力很大，临界状态是可能产生较大的剪力。数榀屋架的上弦杆件是否有可能同时临界状态，这些

28、问题还有待进一步研究。现在还很难确定作用在支撑桁架上的可能出现的最大外荷载。目前在设计屋盖支撑系统的构件截面时，除按容许长细比外尚应参照多年的工程实际经验选定支撑构件截面尺寸，截面尺寸不宜用的太小。三、支撑的形式、计算和连接构造 支撑构件与屋架的连接应构造简单，安装方便。支撑节点板与屋架弦杆，一般采用粗制螺栓（C级螺栓）连接，螺栓直径为d=20mm（单纯作为安装螺栓时可用d=16mm）。每一节点板至少有二个螺栓。在有重级工作制吊车或有较大振动设备的工业厂房中，除粗制螺栓外，还应加安装焊缝。施焊时，不容许屋架满载。焊缝长度80mm, 焊角尺寸hf6mm。支撑构件内力由焊缝单独承受。仅采用螺栓连接

29、而不加焊缝时，在构件校正固定后，可将螺纹出打毛或将螺杆与螺母焊接，以放松动。图711为支撑构件与屋架的连接构造。单元二 屋盖结构第四节 屋架单元二 屋盖结构屋架的形式和选型原则1各型屋架的特性和使用范围2屋架的荷载和荷载组合4屋架的主要尺寸3屋架杆件的内力计算5屋架杆件的计算长度6单元二 屋盖结构 屋架杆件的截面形式7屋架杆件的截面选择9节点板厚度8屋架的节点设计10屋架施工图11第四节 屋架 屋架是主要承受横向荷载作用的格构式受弯构件。 由于其是由直杆相互连接组成，各杆件一般只承受轴心拉力或轴心压力，故截面上的应力分布均匀，材料能充分发挥作用。 因此，与实腹梁相比，屋架具有耗钢量小、自重轻、

30、刚度大和容易按需要制成各种不同外形的特点，所以在工业与民用建筑的屋盖结构中得到广泛应用，但屋架在制造时比梁费工。 本节主要以普通钢屋架为对象，就其造型、计算、构造和施工图绘制等作较详细的介绍，但其基本原理同样是适用于其他用途的桁架体系，如吊车桁架、制动桁架和支撑桁架等。一、屋架的形式和选型原则一、屋架的形式和选型原则 屋架按其外形可分为三角形、梯形、拱形及平行弦（人字形）四种。 屋架的选型应符合使用要求、受力合理和便于施工等原则。（一）使用要求 屋架上弦坡度应适应屋面材料的排水需要。当采用短尺压型钢板、波形石棉瓦和瓦楞铁等时，其排水坡度要求较陡，应采用三角形屋架。当采用大型混凝土屋面板铺油毡防

31、水材料或长尺压型钢板时，其排水坡度可较平缓，应采用梯形或人字形屋架。另外，还应考虑建筑上净空的需要，以及有无天窗、天棚和悬挂吊车等方面的要求。一、屋架的形式和选型原则（二）受力合理 屋架的外形应尽量与弯矩图相近，以使弦杆内力均匀，材料利用充分。 腹杆的布置应使内力分布合理，短杆受压，长杆受拉，且杆件和节点数量宜少，总长度宜短。 同时应尽可能使荷载作用在节点上，以避免弦杆因节间荷载产生的局部弯矩而加大截面。 当梯形屋架与柱刚接时，其端部应有足够的高度，以便能有效地传递支座弯矩而端部弦杆不致产生过大内力。 另外，屋架中部亦应有足够高度，以满足刚度要求。一、屋架的形式和选型原则（三）便于施工 屋架杆

32、件的数量和品种规格宜少，尺寸力求划一，构造应简单，以便于制造。 杆件夹角宜在300600之间，夹角过小，将使节点构造困难。 以上各条要求要同时满足往往不易，因此须根据各种有关条件，对技术经济综合分析比较，以便得到较好的经济效果。二、各型屋架的特性和使用范围二、各型屋架的特性和使用范围（一）三角形屋架 三角形屋架适用于屋面坡度较陡的有檩体系屋盖。 根据屋面材料的排水要求，一般屋面坡度i=1/21/3。 三角形屋架端部只能与柱铰接，故房屋横向刚度较低。且其外形与弯矩图的差别较大，因而弦杆的内力很不均匀，在支座处很大，而跨中却较小，使弦杆截面不能充分发挥作用。 三角形屋架的上下弦杆交角一般都较小，尤

33、其在屋面坡度不大时更小，使支座节点构造复杂。 综上所述原因，三角形屋架一般只宜用于中、小跨度（l1824mm）的轻屋面结构。二、各型屋架的特性和使用范围 三角形屋架的腹杆多采用芬克式（图7-12a ），其腹杆虽较多，但压杆短，拉杆长，受力合理。且它可分成两榀小屋架和一根直杆（下弦中间杆），便于运输。 人字式(图7-12b)的腹杆较少，但受压腹杆较长，适用于跨度l18mm的屋架。 单斜式(图7-12c)的腹杆较长且节点数目较多，只适用于下弦须设天棚的屋架，一般较少采用。 如屋面材料要求的檩距很小，以致檩条有可能不全放在屋架上弦节点，而使节间因荷载作用产生局部弯矩，此时是缩小节间增加腹杆还是加大截

34、面以承受弯矩，须综合分析比较。二、各型屋架的特性和使用范围二、各型屋架的特性和使用范围（二）梯形屋架 梯形屋架适用于屋面坡度平缓的无檩体系屋盖和采用长尺压型钢板和夹芯保温板的有檩体系屋盖。 其屋面坡度一般为i=1/81/6，跨度l1836mm。由于梯形屋架外形与均布荷载的弯矩图比较接近，因而弦杆内力比较均匀。 梯形屋架与柱连接可做成刚接，也可做成铰接，由于刚接可提高房屋的横向刚度，因此在全钢结构厂房中广泛采用。 当屋架支承在钢筋混凝土柱或砖柱上时，只能做成铰接。二、各型屋架的特性和使用范围 梯形屋架按支座斜杆（端斜杆）与弦杆组成的支承点在下弦或在上弦分为下承式（图7-13a） 和上承式（图7-

35、13b）两种。一般情况，与柱刚接的屋架宜采用下承式，与柱铰接的则两者均可。梯形屋架的腹杆多采用人字式（图7-13 a），如在屋架下弦设置天棚，可在图中虚线处增设吊杆或采用单斜式腹杆（图7-13 c）。在屋架高度较大的情况下，为使斜杆与弦杆保持适当的交角，上弦节间往往比较大，当上弦节间为3m ，而大型屋面板宽度为1.5m 时，可采用再分式腹杆（图7-13 d）将节间缩短至1.5m ，但其制造较费工。故有时仍采用3m 节间而使上弦承受局部弯矩，不过这将使上弦截面加大，为同时兼顾，可采取只在跨中一部分节间增加再分杆，而在弦杆内力较小的支座附近采用3m 节间，以获得经济效果。二、各型屋架的特性和使用范

36、围二、各型屋架的特性和使用范围（三）拱形屋架 拱形屋架适用于有檩体系屋盖。由于屋架外形与弯矩图（通常为抛物线形）接近，故弦杆内力较均匀，腹杆内力较小，故受力合理。 拱形屋架的上弦可做成圆弧形（图7-14a）或较易于加工的折线形（图7-14b）。腹杆多采用人字式，也可采用单斜式。 拱形屋架由于制造费工，故应用较少，仅在大跨度重型屋盖（多做成落地拱式桁架）有所采用。一些大型农贸市场，利用其美观的造型，再配合新品种轻型屋面材料，也有一定应用。二、各型屋架的特性和使用范围二、各型屋架的特性和使用范围（四）平行弦和人字形屋架 平行弦屋架的上、下弦平行，且可做成不同坡度。 与柱连接亦可做成刚接或铰接。 平

37、行弦屋架多用于单坡屋盖（图7-15a ）和做成人字形屋架的双坡屋盖（图7-15 b）或用作托架，支撑桁架亦属此类。 平行弦屋架的腹杆多采用人字式（图7-15a 、 b ），用作支撑时常采用交叉式（图7-15 c）。 我国近年来在一些大型工程厂采用了坡度i=2/1005/100的人字形屋架，由于腹杆长度一致，节点类型统一，且在制造时不必起拱，符合标准化、工厂化制造的要求，故效果较好。二、各型屋架的特性和使用范围三、屋架的主要尺寸三、屋架的主要尺寸 屋架的主要尺寸为跨度l和跨中高度h。 对梯形屋架还有端部高度h0。（一）跨度 屋架的跨度（即房屋横向间的柱子间距）应首先满足房屋的工艺和使用要求，同时

38、考虑结构布置的合理性，使屋架与柱子的总造价为最小。 柱网横向轴线的间距即屋架的标志跨度l，在无檩体系屋盖中钢屋架的跨度应与大型屋面板的宽度相配合，以3m为模数。（有12m、15m、18m、21m、24m、27m、30m、33m、36m等几种）。 有檩屋盖结构中的三角形屋架跨度比较灵活，不受3m模数的限制，而可以任意决定。钢屋架的计算跨度决定于支座的间距及支座的构造。在一般的工业厂房中屋架的计算跨度取支柱轴线之间的距离减去0.3m 。三、屋架的主要尺寸 当屋架简支于钢筋混凝土柱且与柱网采用封闭结合时，考虑屋架支座处的构造尺寸，一般可取l0=l-(300400)mm(图7-16a)；当柱网采用非封

39、闭结合时，计算跨度等于标志跨度，即l0=l(图7-16b)。 （二）高度 屋架的高度应根据经济、刚度、建筑等要求以及屋面坡度，运输条件等因素来确定。根据屋架的容许挠度可确定最小高度，最大高度则取决于运输界限，例如铁路运输界限为3.85m；屋架的经济高度是根据上下弦杆和腹杆的总重量为最小的条件确定；有时，建筑设计也可能对屋架的最大高度加以某种限制。三、屋架的主要尺寸三、屋架的主要尺寸 和组合梁一样，屋架的高度亦取决于建筑高度、刚度要求和经济高度等条件，同时还须结合屋面坡度和满足运输界限的要求。 屋架的最大高度不能超过运输界限， 最小高度应满足屋架容许挠度（v=l/500）的需要， 经济高度则应根

40、据屋架弦杆和腹杆的总重为最小的条件确定。 三角形屋架高度主要取决于屋面坡度，当i=1/21/3时，h=(1/41/6)l。 平行弦屋架和梯形屋架的中部高度主要由经济高度决定，一般取h=(1/61/10)l（l大时取小值，l小时取大值）。 梯形屋架的端部高度，当屋架与柱刚接时，为了有效传递端部负弯矩，应具有一定高度，一般为h0=(1/101/16)l，常取1.82.4m； 当屋架与柱铰接时，根据跨中经济高度和屋面坡度决定即可。但为多跨房屋时，h0应力求统一，以便于屋面构造处理。三、屋架的主要尺寸 一般情况下，设计屋架时，首先根据屋架形式和设计经验先确定屋架的端部高度ho，再按照屋面坡度计算跨中高

41、度。 当屋面材料要求屋架具有较大的坡度时应采用三角形屋架，三角形屋架的高度为h=（1/41/6）l。 梯形屋架的屋面坡度较平坦，屋架跨中高度应满足刚度要求，当上弦坡度为1/81/12时，跨中高度一般为（1/61/10）l。跨度大（或屋面荷载小）时取小值，跨度小（或屋面荷载大）时取大值。 梯形屋架的端部高度；当屋架与柱铰接时为1.6m2.2m，刚接时为1.8m2.4m。端弯矩大时取大值，端弯矩小时取小值。三、屋架的主要尺寸屋架上弦节间的划分，主要根据屋面材料而定，尽可能使屋面荷载直接作用在屋架节点上，使上弦不产生局部弯矩。对采用大型屋面板的无檩屋盖，上弦节间长度应等于屋面板的宽度，一般为1.5m

42、或3m。当采用有檩屋盖时，则根据檩条的间距而定。一般为0.8m3.0m。 屋架的高确定之后，各杆件的轴线长度可根据几何关系求得。四、屋架的荷载和荷载组合四、屋架的荷载和荷载组合（一）屋架的荷载 屋盖上的荷载有永久荷载和可变荷载两大类。 1.永久荷载 包括屋面材料和檩条、支撑、屋架、天窗架等结构的自重以及放置或悬挂于屋架上的设备、管道等自重。屋架自重可按经验公式PW =0.12+0.011L计算（L为屋架跨度，单位为m）。PW的单位是kNm2 ，按水平投影面分布。 2. 可变荷载 包括屋面活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载以及悬挂吊车荷载等等，其中屋面活菏载和雪荷载不会同时出现，可取两者中的较大值

43、计算。 3.偶然荷载 包括地震力、爆炸力和其它意外事故产生的荷载。 四、屋架的荷载和荷载组合永久荷载和可变荷载可按建筑结构荷载规范（GB500092001）或按材料的规格计算。 屋架设计时必须根据使用和施工过程中遇到的荷载组合对屋架杆件的内力最不利进行计算。 荷载组合要按荷载效应的基本组合设计式（3-7）和式（3-8）。一般应考虑下面三种荷载组合。（二）屋架的荷载组合 屋架内力应根据使用过程和施工过程中可能出现的最不利荷载组合计算。在屋架设计时应考虑以下三种荷载组合：（1）全跨永久荷载 +全跨可变荷载（2）全跨永久荷载 + 半跨可变荷载 （3）全跨屋架、天窗架和支撑自重 + 半跨屋面板重 +

44、半跨屋面活荷载。 四、屋架的荷载和荷载组合上述1、2为使用时可能出现的不利情况，而3则是考虑在屋面（主要为大型混凝土屋面板）安装时可能出现的不利情况。在多数情况，用第一种荷载组合计算的屋架杆件内力即为最不利内力。但在第二和第三种荷载组合下，梯形、平行弦、人字形和拱形屋架跨中附近的斜腹杆可能由拉杆变为压杆或内力增大，故应予考虑。有时为了简化计算，可将跨中央每侧各23根斜腹杆，不论其在第一种荷载组合下是拉杆还是压杆，均当作压杆计算，即控制其长细比不超过150，此时一般可不再计算第二、第三两种荷载组合。 屋架上、下弦杆和靠近支座的腹杆按第一种荷载组合计算；而跨中附近的腹杆在第二、三种荷载组合下可能内

45、力为最大而且可能变号。如果在安装过程中能保证屋脊两侧的屋面板对称均匀铺设，则可以不考虑第三种荷载组合。 采用轻质屋面材料的三角形屋架，在风荷载为吸力时和永久荷载作用下可能使原来受拉的杆伴变为受压；另外，对于采用轻质屋面的厂房，要注意在排架分析时求得的柱顶最大剪力会使屋架下弦出现变号内力（即压力）或附加内力。四、屋架的荷载和荷载组合 在荷载组合时，屋面活荷载和雪荷载不会同时出现，可取两者中的较大值计算。 对风荷载，当屋面倾角300时为产生卸载作用的风吸力，故一般可不予考虑。但对瓦楞铁等轻型屋面和风荷载大于490N/m2时，则应计算风荷载的作用。屋架和支撑的自重g0可参照下面经验公式估算： g0=

46、l(kN/m2,水平投影面） （7-1）式中 系数， 当屋面荷载Q1kN/m2k（轻屋盖）时，=0.01； 当Q=12.5kN/m2（中屋盖）时，=0.012； 当Q2.5kN/m2(重屋盖)时,=0.12/l+0.011四、屋架的荷载和荷载组合 l屋架的标志跨度（m）。 当屋架下弦未设天棚时，通常假定屋架和支撑自重全部作用在上弦； 当设有天棚时，则假定上、下弦平均分配。五、屋架杆件的内力计算五、屋架杆件的内力计算计算屋架杆件内力时采用如下假定：(一) 节点均视为铰接。 对实际节点中因杆件端部和节点板焊接而具有的刚度以及引起的次应力，在一般情况下可不考虑。(二) 各杆件轴线均在同一平面内，且相

47、交于节点中心。 屋架杆件的内力均按荷载作用于屋架的上、下弦节点进行计算。对有节间荷载作用的屋架，可先将节间荷载分配在相邻的两个节点上，按只有节点荷载作用的屋架求出各杆件内力，然后再计算直接承受节间荷载杆件的局部弯矩。 满足上述假定后，杆件内力将是轴心拉力或压力。但上述假定是理想的情况，实际上由于节点的连接具有一定的刚度，杆件不能自由转动，因此节点不完全是铰接，故在屋架杆件中还有一定的次应力。根据分析，对于角钢组成的T形截面，次应力对屋架的承载能力影响较小，设计时可不予考虑。但对于刚度较大的箱形或H形截面，且在桁架平面内的杆件截面高度与其几何长度（节点中心间的距离）之比大于1/10（对弦杆）或大

48、于1/15（对腹杆）时，应考虑节点刚度所引起的次弯矩。其次由于制造的偏差和构造等原因，杆件轴线不一定全部交于节点中心，外荷载也可能不完全作用在节点上，所以节点上受力可能有偏心。 如果上弦有节间荷载，应先将荷载换算成节点荷载，才能计算各杆件的内力。而在设计上弦时，还应考虑节间荷载在上弦引起的局部弯矩，上弦按偏心受压杆件计算。五、屋架杆件的内力计算作用于屋架上节点的荷载Q可按均布荷载对节点汇集进行计算，如图7-17所示阴影部分： Q=qhsa+ (qscos)sa (7-2)式中qh 按屋面水平投影面分别的荷载（雪荷载、 活荷载屋架自重等）； qs按屋面坡向分别的永久荷载（屋面材料 等）； S屋架

49、的间距； a上弦节间的水平投影长度； 屋面倾角。当较小时，可近似取 cos=1。五、屋架杆件的内力计算五、屋架杆件的内力计算 屋架杆件内力可根据屋架计算简图采用图解法、数解法或电算方法计算，但图解法对三角形屋架和梯形屋架使用较方便。另外，对一般常用形式的屋架，各种建筑结构设计手册中均有单位荷载作用下的杆件内力系数，可方便地查表应用。 上弦杆承受节间荷载时的局部弯矩，在理论上应按弹性支座连系梁计算，但其过于繁琐，故一般简化按简支梁弯矩M0乘以调整系数计算（图7-18）：对端节间正弯矩取M1=0.8M0；对其他节间正弯矩和节点（包括屋脊节点）负弯矩取M2=0.6M0。当仅有一个节间荷载Q作用在节间

50、中点时，M0=Qa/4。五、屋架杆件的内力计算六、屋架杆件的计算长度六、屋架杆件的计算长度（一）屋架平面内的计算长度l0 x 在理想铰接的屋架中，杆件在屋架平面内的计算长度l0 x应等于节点中心间的距离，即杆件的几何长度l。但实际屋架是用焊接将杆件端部和节点板相连，故节点本身具有一定刚度，杆件两端均为弹性嵌固。当某一压杆因失稳杆端绕节点转动时（图7-19a），节点上汇集的其他杆件将对其起约束作用，且其中以拉杆的作用为大。因此，若节点上汇集的拉杆数目多，线刚度大，则产生的约束作用也大，压杆在节点处的嵌固程度也大，其计算长度就小。六、屋架杆件的计算长度六、屋架杆件的计算长度如图7-19（a）所示，

51、弦杆、支座斜杆和支座竖杆的自身刚度均较大，且其两端节点上的拉杆却很少，因而嵌固程度很小，与两端铰接的情况比较接近，故其计算长度均采用l0 x= l。其他中间腹杆，虽上端相连的拉杆少，嵌固程度小，可视为铰接，但其下端相连的拉杆则较多，且下弦的线刚度大，嵌固程度较大，故其计算长度可取l0 x= 0.8l。再分式腹杆（图7-20 b）在中间节点上汇集的均为腹杆，且拉杆少，截面一般又较小，嵌固程度很低，故其计算长度取l0 x= l。六、屋架杆件的计算长度六、屋架杆件的计算长度(二)屋架平面外的计算长度l0y 弦杆在屋架平面外的计算长度l0y应取弦杆侧向支承点之间的距离l1，即l0y=l1。 对上弦杆，

52、一般取横向水平支撑的节间长度（图7-19b）。在有檩体系屋盖中，前已述及，如檩条与横向水平支撑的交叉点用连接板焊牢，则可取檩条之间的距离；在无檩体系屋盖中，当考虑大型屋面板能起支撑作用时，一般可取两块屋面板的宽度但不大于3m，若不能保证屋面板三个角焊牢，则仍取支撑间距离。 对下弦杆，应取纵向水平支撑节点与系杆或系杆与系杆间的距离。六、屋架杆件的计算长度当受压弦杆侧向支承点之间的距离l1为节间长度的两倍，且两节间弦杆的内力N1和N2不等（图7-20a），若N1为较大压力，N2为较小压力或拉力，显然在取N1作为弦杆在屋架平面外稳定性的计算内力时，仍将l1作为计算长度偏于保守，因此可按下式将其适当折

53、减： （7-3）当按上式算得的l0y1640mm取值） 第五节 普通钢屋架设计实例2.加劲肋计算加劲肋厚度采用8mm，焊脚尺寸hf=5mm。验算焊缝强度：按式（7-12）第五节 普通钢屋架设计实例3.加劲肋、节点板与底板的连接焊缝计算取加劲肋切口宽度为15mm，焊缝的总计算长度为：按式（7-13）lw=2a+2(b-t-2c)-12hf =2250+2(250-10-215)-125=860mm其余节点略十、屋架施工图绘如图7-42所示。第五节 普通钢屋架设计实例【例7-2】根据下列资料设计一T型钢屋架一、设计资料某房屋跨度l=24m，长度60m。冬季计算温度高于-200C。房屋内无吊车。不须

54、地震设防。采用1.5m6m预应力混凝土大型屋面板，10cm厚泡沫混凝土保温层和卷材屋面。雪荷载0.40kN/m2，屋面积灰荷载0.75kN/m2。屋架与柱铰接。钢材选用Q235-B。焊条选用E43型，手工焊。二、屋架形式与几何尺寸屋面材料为大型屋面板，故采用无檩体系平坡梯形屋架。屋面坡度i=1/10。屋架计算跨度l0=l-300=23700mm。端部高度取H0=2000mm,中部高度H=3200mm(约l0/7.4)。屋架几何尺寸示如图7-44左半部。第五节 普通钢屋架设计实例第五节 普通钢屋架设计实例三、支撑布置由于房屋长度只60m，故仅在房屋两端部开间设置上、下弦横向水平支撑和屋架两端及跨

55、中三处垂直支撑。其他屋架则在垂直支撑处分别于上、下弦设置三道系杆，其中屋脊和两支座处为刚性系杆，其余三道为柔性系杆。四、屋架节点荷载 屋面坡度较小，故对所有荷载均按水平投影面计算（风荷载为风吸力，且本例为重屋盖，故不考虑）：第五节 普通钢屋架设计实例第五节 普通钢屋架设计实例预应力混凝土大型屋面板和灌缝 1.40kN/m2 冷底子油、热沥青各一度 0.05kN/m2 100mm厚泡沫混凝土保温层（6kN/m3） 0.6kN/m2 20mm厚水泥砂浆找平层 0.40kN/m2二毡三油上铺小石子 0.35kN/m2屋架和支撑自重 0.12+0.011l=0.12+0.01124=0.38kN/ m

56、2 永久荷载总和 3.182kN/ m2屋面活荷载（大于雪荷载） 0.5 kN/ m2屋面积灰荷载 0.75 kN / m2 荷载组合按全跨永久荷载和全跨可变荷载并根据式（3-7）和式（3-8）计算。对跨中的部分斜腹杆因半跨荷载可能产生的内力变号，采取将跨中央每侧各三根斜腹杆（图7-44中FM、MH、HN杆）均按压杆控制长细比，故不再考虑半跨荷载作用的组合。第五节 普通钢屋架设计实例按式（3-7）由可变荷载效应控制的组合计算：取永久荷载G=1.2，屋面活荷载Q1=1.4，屋面积灰荷载Q2=1.4、2=0.9，则节点荷载设计值F=(1.23.18+1.40.5+1.40.90.75)1.56=49.1kN按式（3-8）由永久荷载效应控制的组合计算：取永久荷载G=1.35，屋面活荷载Q1=1.4、1=0.7，屋面积灰荷载Q2=1.4、2=0.9，则节点荷载设计值F=(1.353.18+1.40.70.5+1.40.90.75)1.56 =51.6kN故应取节点荷载设计值=51.6kN第五节 普通钢屋架设计实例五、屋架杆件内力经计算在全跨荷载作用下的屋架杆件内力设计值示如图7-44右半部。六、杆件截面选择（一）上弦杆整个上弦采用等截面，按最大内力NHF= -783.7kN计算。l0 x=150.8cm,l0y=301.6cm(取两块屋面板宽度)。由附表5，选