第八章钢屋盖结构

第八章钢屋盖结构§8.1概述

钢屋盖的类别：平面钢屋架

图8-1平面钢屋盖

空间桁架

空间网架

§8.2

钢屋盖的结构形式、组成、及布置

组成钢屋盖结构主要由屋面、屋架和支撑三部分组成，有的还设有托架和天窗架等构件。

(1)

屋面：主要由各种屋面板材组成，平铺于屋架上，承受外荷载。

(2)

屋架：主要由各种钢构件组合连接而成。

(3)

支撑：根据支撑设置的部位和所起的作用不同，支撑分为上弦横向支撑、下弦水平支撑、垂直支撑和系杆四种。(4)

托架和天窗架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要求和经济合理等各方面因素而定。天窗的形式有纵向天窗、横向天窗和井式天窗等三种，一般常采用纵向天窗。纵向天窗则需单独设置天窗架，常见的几种天窗架形式如图8-4。图8-4天窗架的形式形式根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，钢屋盖可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种(图8-1)。

当屋面材料采用预应力大型屋面板时，屋面荷载可通过大型屋面板直接传给屋架，这种屋盖体系称为无檩屋盖(图8-1a)

；当屋面材料采用瓦楞铁皮、石棉瓦、波形钢板和钢丝网水泥板等时，屋面荷载要通过檩条传给屋架，这种体系称为(图8-1b)有檩屋盖。

两种屋盖体系各有优缺点，具体设计时应根据建筑物使用要求、结构特性、材料供应情况和施工条件等综合考虑而定。一般中型厂房，特别是重型厂房，由于对横向刚度要求较高，所以宜采用大型屋面板的无檩屋盖；而对于中、小型特别是不需要做保温层的房屋，则宜采用具有轻型屋面材料的有檩屋盖。§8.1钢屋盖的支撑

屋盖支撑作用

(1)保证屋盖结构的几何稳定性(2)保证屋盖的空间刚度和整体性(3)为受压弦杆提供侧向支承点(4)承受和传递纵向水平力(风荷载、悬挂吊车纵向制动力、地震荷载等)(5)保证结构在安装和架设过程中的稳定性屋盖支撑布置（图8-5）(1)上弦横向支撑(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

图8-6无檩屋盖支撑布置示例(a)上弦横向水平支撑布置；(b)下弦横向与纵向水平支撑布置；(c)天窗架上弦横向水平支撑；(d)屋架支座与跨中垂直支撑;(e)天窗架侧竖杆垂直支撑支撑的计算和构造

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。支撑和刚性系杆按压杆计算，采用双角钢组成十字形或T形截面。屋盖支撑受力通常都较小，一般不必计算，截面尺寸大多根据杆件的容许长细比和构造要求而定。支撑构件与屋架的连接，应力求构造简单，安装方便。§8.4钢檩条设计

檩条的形式

檩条通常是双向弯曲构件，分实腹式和桁架式两大类。后者制造费工，应用较少。实腹式檩条常采用槽钢、角钢以及Z形和槽形冷弯薄壁型钢（如图8-8）。檩条的计算1.强度檩条承受双向弯曲时，按下列公式计算强度：

檩条仅承受单向弯曲时，应按下式计算强度：

2.整体稳定

当檩条之间未设置拉条且屋面材料材料刚性较差应按下面公式验算檩条的整体稳定；

如檩条之间设有拉条，则可不验算整体稳定。

3.刚度

单跨简支檩条（当有拉条时）：

当不设拉条时，应分别计算沿两个主轴方向的分挠度、，然后验算总挠度，即：注意：计算挠度时，荷载应取其标准值。

§8.5钢屋架设计一、钢屋架的形式和尺寸常用的钢屋架形式

确定屋架形式的原则

①屋架的外形应与屋面材料所要求的排水坡度相适应。②屋架的外形尽可能与其弯矩图相适应，使弦杆各节间的内力相差不大。

③腹杆的布置要合理，腹杆的总长度要短，数量要少，并应使较长的腹杆受拉、较短的腹杆受压。

④节点构造要简单合理、易于制造。

⑤对于设有天窗或悬挂式起重运输设备的房屋，还要配合天窗的尺寸和悬挂吊点的位置来划分节间和布置腹杆。

屋架的主要尺寸

(1)

屋架的跨度主要是根据工艺和建筑要求来确定，普通钢屋架常见跨度为18m、21m、24m、27m、30m、36m等。钢屋架计算跨度的确定：简支于柱顶的钢屋架，其计算跨度取决于屋架支反力间的距离。如图8-10所示。

(2)

屋架的高度取决于经济、刚度要求和运输界限等三个方面，同时又和屋面坡度密切相关，有时还受到建筑要求的限制。

屋架高度确定的主要程序：

①根据屋架的形式和设计经验确定出屋架的端部高度；

②按屋面材料对屋面坡度的要求确定出屋架的跨中高度；

③综合考虑其他各影响因素，最后确定屋架的高度。当屋架的外形和主要尺寸(跨度、高度)都确定之后，桁架各杆的几何长度即可根据三角函数或投影关系求得。

图8-10屋架的计算跨度

二、钢屋架杆件设计及内力计算

杆件设计角钢屋架的杆件由两个角钢组成，截面有两个弯曲轴，即x轴和y轴(图8-11)，这样它就有两种弯曲失稳的可能性：一种是在屋架平面内屈曲；另一种是在屋架平面外屈曲。(1)平面内的计算长度

①弦杆、支座斜杆和支座竖杆，由于它的截面尺寸一般较大，节点板对其影响相对较小，所以其计算长度取l0x=l(l为构件几何长度，即节点中心间距离);

②

其他受压杆，考虑到节点板的牵制作用，其计算长度取l0x=0.81。

图8-11杆件截面主轴

(2)平面外的计算长度

①弦杆平面外的计算长度l0y等于侧向固定点间的距离。

②腹杆平面外的计算长度取节点中心间的距离。

③

当弦杆侧向支撑点之间的距离为节间长度的2倍，且两个节间的内力不相等，则该弦杆平面外的计算长度，应按下式计算：

l0y=l1(0.75+0.25N1/N2)

钢结构设计规范对屋架弦杆和腹杆的计算长度作了规定，详见表8-2。在屋架平面外的计算长度应按下列规定采用。压杆：

①

当相交的另一杆受拉，且两杆的交叉点均不中断：l0=0.5l；

②

当相交的另一杆受拉，两杆中有一杆在交叉点中断，并以节点板搭接：l0=0.7l；

③

其他情况：l0=l。拉杆：l0=l。

表8-2桁架弦杆和单系腹杆的计算长度

项次弯曲方向弦杆腹杆支座斜杆和支座竖杆其他腹杆123在桁架平面内在桁架平面外斜平面l11--lll0.8110.91

杆件的容许长细比钢结构设计规范中对压杆和拉杆规定了容许的最大长细比，称为容许长细比，见表8-3。屋架杆件一般都是由双角钢组成的T形截面，它的横截面的两个主轴方向分别在屋架的平面内和平面外。两个主轴的长细比验算：

屋架的腹杆为单角钢或双角钢组成的十字形截面杆件时，应取截面的最小回转半径计算杆件在斜面上的最大长细比，即：

表8-3桁架杆件的容许长细比

杆件名称压杆

拉杆

承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构

直接承受动力荷载的结构

无吊车和有轻中级工作制吊车的厂房

有重级工作制吊车的厂房

普通钢屋架的杆件

150350

250250轻钢屋架的主要杆件－－天窗构件

－屋盖支撑杆件

200400350－轻钢屋架的其他杆件

350

杆件的截面形式与构造

(1)

截面形式见表8-4(2)

截面选择

①为了便于订货和下料，在同一榀屋架中角钢的规格不宜过多，一般不宜超过5～6种；

②为了防止杆件在运输和安装过程中产生弯曲和损坏，角钢的尺寸不宜小于45×4或56×36×4；

③应选择肢宽而壁薄的角钢，增大回转半径，对受压更有利；

④屋架弦杆一般采用等截面；当采用变截面时，半跨内只能改变一次，而且要保持肢厚不变，改变肢宽，以便于拼接处理。

表8-4钢屋架的杆件截面形式

（3）节点板的厚度

屋架节点板（或T型钢弦杆的腹板）的厚度对于单壁式屋架可根据腹杆的最大内力（对梯形和人字形屋架）或弦杆端节间内力（对三角形屋架），按表8-5选用。

(4)

截面计算钢屋架杆件截面计算对照表

杆件类型强度要求稳定性要求长细比要求所需截面积压杆σ=N/An≤fσ=N/A≤fλ≤［λ］An≥N/f拉杆σ=N/An≤f—λ≤［λ］An≥N/f

屋架杆件内力计算基本假定

(1)屋架的各节点均为理想的铰接。

(2)屋架各杆件的轴线均为直线，都在同一平面内，且相交于节点的中心。(3)荷载都作用在节点上，且都在屋架平面内。

屋架上的荷载

作用在屋架节点上的荷载，有檩屋盖通过檩条，无檩屋盖通过大型屋面板的纵肋传在桁架的节点上(图8-13所示，sd阴影范围内的屋面荷载)。(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。(2)可变荷载包括屋面均布活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载，以及悬挂吊车荷载等，其中屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，取两者中的较大值。

屋架内力应根据使用过程或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永久荷载+可变荷载

②永久荷载+半跨可变荷载

③屋架、支撑和天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载屋架上、下弦杆和靠近支座的腹杆按第一种荷载组合计算；而跨中附近的腹杆按第二、三种荷载组合计算，取大值。

图8-13节点荷载汇集简图

内力计算

(1)轴向力屋架各杆件的轴向力可用图解法或数解法（节点法或截面法）求得。(2)局部弯矩屋架的上弦节间作用有荷载时，除轴向力外，还要产生局部弯矩。由于焊缝的约束作用，可以把上弦杆视为弹性支座上的连续梁来考虑。但为了简化，可按近似法计算，先按简支梁计算出弯矩M0。

三、

钢屋架节点设计

节点的构造要求

①原则上屋架各杆件的形心线与屋架的几何轴线重合，并会交于节点中心，使实际受力与计算简图相一致，减少附加偏心弯矩。②考虑焊缝质量，节点板一般应伸出弦杆肢背10～15mm，应尽量使焊缝中心受力，节点板边缘与杆件轴线的夹角不小于（图8-15）。③节点板的形状应该尽量简单而有规则，最好设计成矩形、平行四边形等，角钢的切断面应与其轴线垂直，需要斜切以便使节点紧凑时只能切肢尖，防止严重的应力集中（图8-16）。

④如弦杆截面沿长度需变化，一般将拼接处两侧弦杆表面对齐，这样必然形心线错开，此时宜采用受力较大的杆件形心线为轴线（图8-17）。当两侧形心线偏移的距离e不超过较大弦杆截面高度的5%时，可不考虑偏心的影响。

⑤为节省节点板材料，杆件要尽量紧凑，但考虑下料和焊缝质量，上腹杆与弦杆之间以及腹杆与腹杆之间的间隙不宜小于20mm。

图8-15节点板形状对焊缝受力的影响(a)正确；(b)不妥

图8-16角钢端部的切割

图8-17弦杆轴线的偏心

节点的计算

1.上弦节点（如图8-18）

（1）假定角钢背凹槽的焊缝承受杆件的轴力时时，可按下式计算：

肢背焊缝：

肢尖焊缝：

图8-18上弦节点的构造

（2）当角钢焊缝承受节点荷载F且采用8-18a所示的构造时：设屋面倾角为，槽焊缝的受力可利用角焊缝的下列计算公式得出：

弦杆角钢肢尖的两条焊缝承担和由于与肢尖焊缝的偏心距e而产生的。由此可确定肢尖焊缝的焊脚尺寸计算公式为：

（3）当为图8-18b所示的构造时，通常可先求出需由弦杆角钢肢背和肢尖与节点板的角焊缝所承受的合力R，然后近似地按所给的分配系数得出肢背、肢尖焊缝所应承受的力和分别计算，当屋面坡度为1/12时，可近似按求R。

2.下弦节点（图8-19）在下弦节点中腹杆和节点板的连接焊缝计算与上弦节点相同。弦杆与节点板的连接焊缝，当节点上无外荷载时，仅承受下弦相邻节间的内力差，而一般较小，故焊缝尺寸可由构造要求而定。当上弦有集中荷载作用时，下弦肢背与节点板的连接焊缝按下式计算：

下弦肢尖与节点板的连接焊缝按下式计算：

图8-19下弦节点

3.屋脊节点（图8-20）（1）屋脊拼接角钢与弦杆的连接计算及拼接长度的确定焊缝长度为：

拼接角钢总长度为:

+弦杆杆端空隙

（2）弦杆与节点板的连接焊缝计算上弦与节点板的连接焊缝时，假定节点荷载F由上弦角钢的肢背处槽焊缝承受，按公式（8-5-11）计算。上弦角钢肢尖与节点板的连接焊缝按上弦内力15%计算，并考虑此力产生的弯矩

图8-20屋脊节点及拼接角钢的弯折（a）屋脊节点（b）拼接角钢

4.下弦的拼接节点（图8-21）

（1）下弦拼接角钢与弦杆的连接计算及其拼接角钢总长度的确定

+（10～20）mm

（2）下弦杆与节点板的连接角焊缝下弦与节点板的连接焊缝，按两侧下弦较大内力15%，和两侧下弦的内力差两者中的较大值来计算，但当拼接节点处有外荷载作用时，则应按此较大值与外荷载的合力进行计算。

图8-21下弦角钢的工地拼接节点

5.支座节点（图8-22）

屋架和柱子的连接可以做成简支或刚接。支承于钢筋混凝土柱或砖柱上的屋架，一般为简支。而支承于钢柱上的屋架通常为刚接。支座节点包括节点板、加劲肋、支座底板和锚栓。加劲肋的作用是加强支座底板