钢屋架设计：桁架与屋盖

第三章桁架与屋盖2/5/20231浙江大学钢结构研究室内容1.1钢桁架概述1.2屋盖的组成及主要平面尺寸1.3屋架1.4屋架的支撑系统1.5实腹式檩条设计1.6桁架杆件的计算长度和容许长细比1.7桁架杆件的截面形式、节点板厚度和角钢间的填板1.8桁架杆件的截面设计1.9桁架的节点设计1.10屋架的施工详图2/5/20232浙江大学钢结构研究室1.1钢桁架概述2/5/20233浙江大学钢结构研究室平面桁架与空间桁架2/5/20234浙江大学钢结构研究室构件截面与节点形式2/5/20235浙江大学钢结构研究室2/5/20236浙江大学钢结构研究室1.2屋盖的组成及主要平面尺寸1，屋盖组成2，屋面系统：有檩体系，无檩体系（屋面材料等等）3，屋架的名义跨度和计算跨度4，屋架间距5，屋盖平面尺寸2/5/20237浙江大学钢结构研究室屋盖的组成屋架，支撑系统，屋面系统2/5/20238浙江大学钢结构研究室2/5/20239浙江大学钢结构研究室屋面系统有檩体系，无檩体系2/5/202310浙江大学钢结构研究室屋架的名义跨度和计算跨度两相邻柱列定位轴线间的距离为屋架的名义跨度L屋架左右两支座中心线间的距离为屋架的计算跨度l。计算跨度常取名义跨度减去300mm2/5/202311浙江大学钢结构研究室屋架间距一般应由设计人员按经济要求确定。当屋架间距增大，所有纵向构件如檩条等因跨度加大而需增大其截面；但在一定建筑面积下，屋架和支柱（包括柱基础）数目则可减少，利用求极值的数学方法理论上可求得使整个屋盖和支柱用钢量最少或工料最省时的屋架经济间距

实际设计时屋架间距l约为屋架跨度的1/3~1/5常用间距：6m，压型钢板屋面：6～12m2/5/202312浙江大学钢结构研究室屋盖平面尺寸当区段长度超过某规定值时，需设置伸缩缝。最常用的设置方法是在伸缩缝处设置双柱。2/5/202313浙江大学钢结构研究室2/5/202314浙江大学钢结构研究室1.3屋架1，平面桁架的外形及主要尺寸2，平面桁架的腹杆体系2/5/202315浙江大学钢结构研究室平面桁架的外形三角形、梯形、平行弦、人字行、多边形2/5/202316浙江大学钢结构研究室上弦坡度主要由屋面材料确定：1）波形石棉瓦屋面要求屋面坡度，瓦楞铁屋面要求，若这种屋面的坡度过小，易造成漏雨，因此常需选用三角形屋架。2）油毡防水屋面则要求≤，因此常用的梯形屋架3）近来常被采用的长尺压型钢板屋面，则可用于时，因而常选用梯形屋架和接近于平行弦的屋架。2/5/202317浙江大学钢结构研究室屋架的适用跨度平面桁架作为两端简支的受弯构件在满跨均布荷载作用下，弯矩图形为一抛物线，其上、下弦杆主要承受桁架截面上的弯矩，而腹杆则主要承受桁架截面上的剪力。三角形屋架外形与抛物线形差别较大，因而其弦杆各节间的内力很不均匀，屋架端部高度小，该处节间的内力最大，因弦杆截面常按整根弦杆的最大内力选用，造成弦杆截面钢材的增加，故跨度较大时选用三角形屋架是不经济的，其常用跨度宜在24～27m以下。梯形屋架因为外形接近于抛物线形，则弦杆各节间中的内力最为均匀。加之刚度也较好，常用跨度可达36m左右平行弦屋架弦杆内力不及梯形屋架均匀，但其腹杆长度一致，杆件类型少，节点构造统一，便于制造，是其优点。屋架外形图与弯矩图的比较2/5/202318浙江大学钢结构研究室屋架的高跨比对三角形屋架，1/4~1/6。与柱刚接的梯形屋架的端部高度常取跨度的（常用端部高度2m左右），端弯矩愈大，比值可取大；跨度愈大，比值可取小些。高跨比：1/6-1/10。与柱铰接的梯形屋架的常用端部高度2m左右，保证连续性。平行弦桁架的经济高度常为其跨度1/15的左右。2/5/202319浙江大学钢结构研究室平面桁架的腹杆体系布置原则1.提供承受荷载的节点，尽可能使荷载都作用在节点上而使桁架的弦杆都是轴心受力构件；2.使荷载传递至支座的路线最短，以减少腹杆的总长度和节点数目；3.对非人字形的腹杆体系，应使长腹杆受拉，短腹杆受压。对人字形腹杆体系，宜使斜腹杆的倾角在35°～55°范围内。目的都是减小腹杆的截面积。2/5/202320浙江大学钢结构研究室1.4屋架的支撑系统1，横向支撑2，纵向支撑3，垂直支撑4，系杆5，支撑系统与屋架的连接节点2/5/202321浙江大学钢结构研究室支撑系统图2/5/202322浙江大学钢结构研究室2/5/202323浙江大学钢结构研究室2/5/202324浙江大学钢结构研究室支撑系统作用保证桁架结构的空间几何稳定性，及几何形状不变保证桁架结构的空间刚度和空间整体性为桁架弦杆提供必要的侧向支撑点承受并传递水平荷载保证结构安装的稳定和方便防止构件在动力荷载作用下产生较大的振动2/5/202325浙江大学钢结构研究室横向支撑——布置在屋架上下弦和天窗架上弦平面功能:1，对保证上弦杆的侧向稳定性有着重要的作用。2，传递作用在房屋山墙上的纵向水平风荷载的作用。3，在传力平面增加屋盖结构的刚度横向支撑一般应设置在房屋两端（或温度伸缩缝区段两端）的第一个柱间或第二柱间，两道横向支撑的间距不宜超过60m。2/5/202326浙江大学钢结构研究室2/5/202327浙江大学钢结构研究室纵向支撑——布置在屋架上弦或下弦功能:1.与横向支撑一起形成一水平刚性盘，增加房屋的整体刚度；2.当房屋为工厂车间并设有吊车时，在吊车横向制动力作用下使框架起空间作用，可减轻受荷较大的框架所受水平荷载和产生的水平变形；3.当有托架时，可保证托架的侧向稳定。布置位置：纵向支撑仅当房屋的跨度和高度较大或房屋为厂房并设有壁行吊车或有较大振动设备（如锻压车间）因而对房屋的整体刚度要求较高时始设置之。对梯形屋架，纵向支撑常设在屋架的下弦平面，而对三角形屋架则常设在上弦平面，与横向支撑构成环路。2/5/202328浙江大学钢结构研究室2/5/202329浙江大学钢结构研究室2/5/202330浙江大学钢结构研究室垂直支撑：布置在屋架间和天窗架间垂直支撑的作用是：1.保持屋架侧向的几何稳定性；2.下弦无横向支撑时，作为下弦系杆的支点；3.传递山墙所受纵向风荷载等至屋架支柱；4.保证吊装屋架时的稳定和安全。布置位置：垂直支撑只设在有横向支撑的同一柱间的屋架上，对跨度L≤30m的梯形屋架和跨度L≤24m的三角形屋架，通常只在跨度中点设置一道中间垂直支撑；当跨度大于上述情况时，则需在跨度中间设置两道垂直支撑。此外，在梯形屋架两端则不论跨度大小均需设置垂直支撑。2/5/202331浙江大学钢结构研究室2/5/202332浙江大学钢结构研究室垂直支撑形式2/5/202333浙江大学钢结构研究室系杆2/5/202334浙江大学钢结构研究室支撑系统与屋架的连接节点2/5/202335浙江大学钢结构研究室2/5/202336浙江大学钢结构研究室1.5屋盖设计的内容和屋架的内力计算2/5/202337浙江大学钢结构研究室屋盖设计内容1.结构方案的确定和结构布置例如选定屋盖的组成，确定屋架的间距、形式和腹杆体系，布置各种支撑系统等；2.檩条设计；3.屋架的内力分析包括屋架荷载的计算、内力分析及内力组合等；4.屋架杆件截面设计包括钢材牌号、杆件截面形式和尺寸的选用，强度和稳定计算等；5.屋架节点设计包括各个节点中的连接计算和构件的拼接等；6.施工详图的绘制包括材料表的编制。2/5/202338浙江大学钢结构研究室屋架的荷载永久荷载：包括屋面材料、保温材料、檩条及屋架（包括支撑及天窗）的自重。屋面均布可变荷载雪荷载风荷载其他荷载（吊顶，积灰）2/5/202339浙江大学钢结构研究室屋架的内力计算计算假定：1.所有荷载都作用在节点上；2.所有杆件都是等截面直杆；3.各杆轴线在节点处都能相交于一点；4.所有节点均为理想铰接。在这些假设下，桁架杆件就只承受轴心拉力或压力。2/5/202340浙江大学钢结构研究室屋架内力包括：构件的轴力，和有节间荷载时的上弦弯矩杆件轴力由节点荷载计算，节点荷载包括所有荷载，就是屋面水平投影计算的荷载。上弦弯矩由节间荷载计算，节间荷载应从屋面水平投影计算的荷载中应扣除屋架自重再加上屋架上弦杆的自重，在上弦杆的截面尚未知道时，可取上弦杆的自重为屋架和支撑自重估计值的1/4~1/5。2/5/202341浙江大学钢结构研究室2/5/202342浙江大学钢结构研究室2/5/202343浙江大学钢结构研究室2/5/202344浙江大学钢结构研究室屋架的内力组合三角形屋架荷载组合：1.2全跨恒荷载+1.4全跨活荷载梯形屋架荷载组合：1.2全跨恒荷载+1.4全跨活荷载（左、右）1.2全跨恒荷载+1.4半跨活荷载（左、右）1.2全跨屋架及支撑自重+（1.2半跨屋面板自重+1.4半跨活荷载）（左、右）2/5/202345浙江大学钢结构研究室1.6桁架杆件的计算长度和容许长细比2/5/202346浙江大学钢结构研究室桁架平面内计算长度弦杆和支座斜杆（支座竖杆）在桁架平面内的计算长度系数均取1.0对单系腹杆（即无中间节点的腹杆），其上端与受压弦杆相连，对其转动约束影响不大，而其下端则与刚度较大的受拉弦杆相连，对其转动约束的影响较大。取0.8，非单系腹杆（即有中间节点的腹杆），其在桁架平面内的计算长度应取节点中心间距离。在桁架交叉腹杆所在平面内，计算长度应取节点中心到交叉点间的距离；注意：只有一端与受压的上弦相连，一端与受拉的下弦相连的腹杆（支座斜杆与支座竖杆除外）取0.8。2/5/202347浙江大学钢结构研究室2/5/202348浙江大学钢结构研究室桁架平面外计算长度在桁架平面外，弦杆的计算长度取其侧向支承点的距离。所有单系腹杆在平面外的计算长度都等于其各自的几何长度，。桁架弦杆侧向支承点间距为节间长度2倍时弦杆的平面外计算长度：同样适用再分式腹杆体系中的受压主斜杆和K形腹杆体系的竖杆2/5/202349浙江大学钢结构研究室桁架交叉腹杆所在平面外计算长度在桁架交叉腹杆所在平面外，当两交叉杆的长度相等时，其计算长度按下列规定采用：2/5/202350浙江大学钢结构研究室斜平面计算长度单角钢截面和双角钢十字截面的腹杆，斜平面计算长度系数可取0.9对支座竖杆则取1.0。当确定交叉腹杆中单角钢杆件，斜平面内计算长度应取节点中心至交叉点的距离。2/5/202351浙江大学钢结构研究室桁架构件计算长度2/5/202352浙江大学钢结构研究室容许长细比2/5/202353浙江大学钢结构研究室2/5/202354浙江大学钢结构研究室1.7桁架杆件的截面形式、节点板厚度和角钢间的填板截面形式图节点构造节点板厚度（表，给出计算规范出处）角钢间的填板2/5/202355浙江大学钢结构研究室截面形式2/5/202356浙江大学钢结构研究室节点构造单节点板双节点板无节点板2/5/202357浙江大学钢结构研究室节点板厚度表9.1单节点板桁架和屋架的节点板厚度（mm）三角形屋架弦杆或梯形屋架（包括平行弦屋架）支座斜杆的最大内力设计值（kN）<180181~300301~500501~700701~950951~12001201~15501551~2000中间节点板厚6～88101214161820支座节点板厚810121416182024注：表列厚度系按钢材为Q235钢考虑，当节点板为Q345钢或其它低合金高强度结构钢时，其厚度可较表列数值减小1～2mm，但板厚不得小于6mm。2/5/202358浙江大学钢结构研究室在通常设计中仍可按上述表9.1选用节点板厚度而不经计算。仅当遇到重要的节点或拟采用较表9.1规定的板厚为小的节点板时，可按规范的规定进行复核。2/5/202359浙江大学钢结构研究室角钢间的填板填板作用：格构式构件的缀板。设计规范GB50017中规定：用填板连接的双角钢（或双槽钢）构件，可按实腹式构件进行计算，但填板间的距离不应超过下列数值：受拉构件80i，受压构件40i受压构件除满足外，在构件的两个侧向支承点之间的填板数还应不得少于2个。填板的尺寸：厚度：节点板厚度宽度：保证最小焊缝长度，可按构造要求采用。高度：当为T形截面时，角钢连接边宽度+2（10~15）mm，即填板伸出角钢连接边每边10~15mm；当为十字形截面时，填板不伸出角钢轮廓以外，每边缩进15~20mm，以布置焊缝。2/5/202360浙江大学钢结构研究室2/5/202361浙江大学钢结构研究室1.8桁架杆件的截面设计注意9点（一）应优先选用厚度较薄的截面，使在相同用钢量下截面具有较大的刚度（截面回转半径）。与此同时，还需注意规范中规定的最小截面。规范GB50017规定，在钢结构的受力构件及其连接中不宜采用：厚度小于4mm的钢板；厚度小于3mm的钢管；截面小于∠45×4或∠56×36×4的角钢（对焊接结构），或截面小于∠50×5的角钢（对螺栓连接的结构）。2/5/202362浙江大学钢结构研究室（二）凡需用C级螺栓与支撑杆件相连接的屋架杆件角钢的边长，应注意其所能采用的螺栓最大直径。连接支撑系统的C级螺栓直径一般为d＝20mm，拼接处定位用的安装螺栓直径可用d＝16mm（直径为18mm的螺栓为不常用规格，必要时才选用），相应的角钢开孔边的最小边长将为70mm和63m（参阅第5章表5.2）。（三）为减少拼接的设置，屋架弦杆的截面常根据受力最大的节间杆力选用。只当跨度较大（例如大于24m）、因角钢供应长度限制而必须设置拼接以接长时，可根据节间内力变化在半跨内改变截面一次。改变截面时宜改变角钢的边长而保持厚度不变，以利拼接。各种型号角钢通常的供应长度见角钢的国家标准2/5/202363浙江大学钢结构研究室（四）焊接屋架中，弦杆角钢水平边上连支撑构件的螺栓孔的位置，若位于竖向节点板范围以内并距竖向节点板边缘≥100mm时，考虑节点板的参与，计算弦杆净截面时可不计孔对弦杆截面的削弱。否则应考虑其影响。（五）由于屋架杆件在屋架平面内和平面外的计算长度有的相同（例如支座斜杆），有的不同（例如一般单系腹杆和上、下弦杆），当采用以角钢组成的T形截面时，应根据图9.18（b）所示相应截面的值，尽可能使两个方向的长细比与相接近，以获得经济的截面。例如一般单系腹杆，此时宜选用两等边角钢；又如弦杆的≥2，则宜选用长边外伸的两不等边角钢，但当上弦杆承受节间荷载时，宜改用两个等边角钢；支座斜杆＝1.0，则宜选用短边外伸的两不等边角钢。选用截面时，最好能预先得知型钢规格的供应情况，据此选用，则不易造成制造时的截面替代而多费钢材。2/5/202364浙江大学钢结构研究室（六）当屋架竖杆的外伸边需与垂直支撑相连接，则该竖杆宜采用由双角钢组成的十字截面。十字截面不但刚度大于T形截面，而且还可使垂直支撑对该竖杆的连接偏心为最小。此外当该竖杆位于屋架中央时还可使在工地吊装时屋架的左、右端可以任意放置（如用T形截面，由于截面对杆件轴线为不对称，屋架左、右端不能任意放置，否则各屋架中央竖杆截面的外伸边将不在同一竖向平面）。2/5/202365浙江大学钢结构研究室（七）单面连接的单角钢截面，因连接偏心易使构件受压时弯扭失稳，故只能用于跨度较小的桁架或桁架中受力较小、长度较短的次要腹杆。（八）为了便于备料，整榀屋架所用角钢规格品种不宜超过5～6种。当两种规格尺寸相近时，宜尽量使其统一，以减少规格数量。（九）屋架的弦杆可选用热轧剖分T型钢，此时腹杆可直接焊接在T型钢的腹板上，省去节点板。2/5/202366浙江大学钢结构研究室1.9桁架的节点设计节点设计时，构造很重要，每种构造都是为了保证使用方便，并确保力的安全传递，不同节点构造有不同的传力路径。节点设计就是先根据受力特点确定节点构造，再计算每一个传力步骤，保证其满足强度要求即可2/5/202367浙江大学钢结构研究室点设计的步骤和一般设计原则画出节点轴线，轴线交于一点。确定构件的轴心线，依据轴线画出构件外轮廓切断杆件布置焊缝确定节点板外形布置节点板与弦杆焊缝绘制节点大样尺寸标注：杆端到节点距离节点板平面尺寸轴线到肢背距离角钢边长焊缝标注2/5/202368浙江大学钢结构研究室2/5/202369浙江大学钢结构研究室主要节点的设计一般节点a有集中荷载的上弦节点b下弦拼接节点c屋脊拼接节点d支座节点e2/5/202370浙江大学钢结构研究室一般节点要求验算：弦杆与节点板间的焊缝。由于弦杆在节点处是连续的，因此弦杆与节点板间的焊缝只需抵抗节点左右两弦杆的内力差2/5/202371浙江大学钢结构研究室有集中荷载的上弦节点2/5/202372浙江大学钢结构研究室主要受力：1）承受弦杆两节间的内力差，2）承受檩条传给上弦杆的竖向节点荷载。