第八章鋼屋蓋結(jié)構(gòu)

第八章鋼屋蓋結(jié)構(gòu)§8.1概述

鋼屋蓋的類別：平面鋼屋架

圖8-1平面鋼屋蓋

空間桁架

空間網(wǎng)架

§8.2

鋼屋蓋的結(jié)構(gòu)形式、組成、及布置

組成鋼屋蓋結(jié)構(gòu)主要由屋面、屋架和支撐三部分組成，有的還設有托架和天窗架等構(gòu)件。

(1)

屋面：主要由各種屋面板材組成，平鋪于屋架上，承受外荷載。

(2)

屋架：主要由各種鋼構(gòu)件組合連接而成。

(3)

支撐：根據(jù)支撐設置的部位和所起的作用不同，支撐分為上弦橫向支撐、下弦水平支撐、垂直支撐和系桿四種。(4)

托架和天窗架屋架的跨度和間距取決于柱網(wǎng)布置，而柱網(wǎng)布置則根據(jù)建筑物工藝要求和經(jīng)濟合理等各方面因素而定。天窗的形式有縱向天窗、橫向天窗和井式天窗等三種，一般常采用縱向天窗?？v向天窗則需單獨設置天窗架，常見的幾種天窗架形式如圖8-4。圖8-4天窗架的形式形式根據(jù)屋面材料和屋面結(jié)構(gòu)布置情況的不同，鋼屋蓋可分為無檁屋蓋和有檁屋蓋兩種(圖8-1)。

當屋面材料采用預應力大型屋面板時，屋面荷載可通過大型屋面板直接傳給屋架，這種屋蓋體系稱為無檁屋蓋(圖8-1a)

；當屋面材料采用瓦楞鐵皮、石棉瓦、波形鋼板和鋼絲網(wǎng)水泥板等時，屋面荷載要通過檁條傳給屋架，這種體系稱為(圖8-1b)有檁屋蓋。

兩種屋蓋體系各有優(yōu)缺點，具體設計時應根據(jù)建筑物使用要求、結(jié)構(gòu)特性、材料供應情況和施工條件等綜合考慮而定。一般中型廠房，特別是重型廠房，由于對橫向剛度要求較高，所以宜采用大型屋面板的無檁屋蓋；而對于中、小型特別是不需要做保溫層的房屋，則宜采用具有輕型屋面材料的有檁屋蓋。§8.1鋼屋蓋的支撐

屋蓋支撐作用

(1)保證屋蓋結(jié)構(gòu)的幾何穩(wěn)定性(2)保證屋蓋的空間剛度和整體性(3)為受壓弦桿提供側(cè)向支承點(4)承受和傳遞縱向水平力(風荷載、懸掛吊車縱向制動力、地震荷載等)(5)保證結(jié)構(gòu)在安裝和架設過程中的穩(wěn)定性屋蓋支撐布置（圖8-5）(1)上弦橫向支撐(2)下弦橫向水平支撐

(3)下弦縱向水平支撐(4)垂直(豎向)支撐(5)系桿

圖8-6無檁屋蓋支撐布置示例(a)上弦橫向水平支撐布置；(b)下弦橫向與縱向水平支撐布置；(c)天窗架上弦橫向水平支撐；(d)屋架支座與跨中垂直支撐;(e)天窗架側(cè)豎桿垂直支撐支撐的計算和構(gòu)造

當荷載反向作用時(如風荷載反向作用)，斜腹桿受力變更，仍是一根參加受力工作，另一根彎扭屈曲而退出工作。支撐和剛性系桿按壓桿計算，采用雙角鋼組成十字形或T形截面。屋蓋支撐受力通常都較小，一般不必計算，截面尺寸大多根據(jù)桿件的容許長細比和構(gòu)造要求而定。支撐構(gòu)件與屋架的連接，應力求構(gòu)造簡單，安裝方便?！?.4鋼檁條設計

檁條的形式

檁條通常是雙向彎曲構(gòu)件，分實腹式和桁架式兩大類。后者制造費工，應用較少。實腹式檁條常采用槽鋼、角鋼以及Z形和槽形冷彎薄壁型鋼（如圖8-8）。檁條的計算1.強度檁條承受雙向彎曲時，按下列公式計算強度：

檁條僅承受單向彎曲時，應按下式計算強度：

2.整體穩(wěn)定

當檁條之間未設置拉條且屋面材料材料剛性較差應按下面公式驗算檁條的整體穩(wěn)定；

如檁條之間設有拉條，則可不驗算整體穩(wěn)定。

3.剛度

單跨簡支檁條（當有拉條時）：

當不設拉條時，應分別計算沿兩個主軸方向的分撓度、，然后驗算總撓度，即：注意：計算撓度時，荷載應取其標準值。

§8.5鋼屋架設計一、鋼屋架的形式和尺寸常用的鋼屋架形式

確定屋架形式的原則

①屋架的外形應與屋面材料所要求的排水坡度相適應。②屋架的外形盡可能與其彎矩圖相適應，使弦桿各節(jié)間的內(nèi)力相差不大。

③腹桿的布置要合理，腹桿的總長度要短，數(shù)量要少，并應使較長的腹桿受拉、較短的腹桿受壓。

④節(jié)點構(gòu)造要簡單合理、易于制造。

⑤對于設有天窗或懸掛式起重運輸設備的房屋，還要配合天窗的尺寸和懸掛吊點的位置來劃分節(jié)間和布置腹桿。

屋架的主要尺寸

(1)

屋架的跨度主要是根據(jù)工藝和建筑要求來確定，普通鋼屋架常見跨度為18m、21m、24m、27m、30m、36m等。鋼屋架計算跨度的確定：簡支于柱頂?shù)匿撐菁埽溆嬎憧缍热Q于屋架支反力間的距離。如圖8-10所示。

(2)

屋架的高度取決于經(jīng)濟、剛度要求和運輸界限等三個方面，同時又和屋面坡度密切相關，有時還受到建筑要求的限制。

屋架高度確定的主要程序：

①根據(jù)屋架的形式和設計經(jīng)驗確定出屋架的端部高度；

②按屋面材料對屋面坡度的要求確定出屋架的跨中高度；

③綜合考慮其他各影響因素，最后確定屋架的高度。當屋架的外形和主要尺寸(跨度、高度)都確定之后，桁架各桿的幾何長度即可根據(jù)三角函數(shù)或投影關系求得。

圖8-10屋架的計算跨度

二、鋼屋架桿件設計及內(nèi)力計算

桿件設計角鋼屋架的桿件由兩個角鋼組成，截面有兩個彎曲軸，即x軸和y軸(圖8-11)，這樣它就有兩種彎曲失穩(wěn)的可能性：一種是在屋架平面內(nèi)屈曲；另一種是在屋架平面外屈曲。(1)平面內(nèi)的計算長度

①弦桿、支座斜桿和支座豎桿，由于它的截面尺寸一般較大，節(jié)點板對其影響相對較小，所以其計算長度取l0x=l(l為構(gòu)件幾何長度，即節(jié)點中心間距離);

②

其他受壓桿，考慮到節(jié)點板的牽制作用，其計算長度取l0x=0.81。

圖8-11桿件截面主軸

(2)平面外的計算長度

①弦桿平面外的計算長度l0y等于側(cè)向固定點間的距離。

②腹桿平面外的計算長度取節(jié)點中心間的距離。

③

當弦桿側(cè)向支撐點之間的距離為節(jié)間長度的2倍，且兩個節(jié)間的內(nèi)力不相等，則該弦桿平面外的計算長度，應按下式計算：

l0y=l1(0.75+0.25N1/N2)

鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范對屋架弦桿和腹桿的計算長度作了規(guī)定，詳見表8-2。在屋架平面外的計算長度應按下列規(guī)定采用。壓桿：

①

當相交的另一桿受拉，且兩桿的交叉點均不中斷：l0=0.5l；

②

當相交的另一桿受拉，兩桿中有一桿在交叉點中斷，并以節(jié)點板搭接：l0=0.7l；

③

其他情況：l0=l。拉桿：l0=l。

表8-2桁架弦桿和單系腹桿的計算長度

項次彎曲方向弦桿腹桿支座斜桿和支座豎桿其他腹桿123在桁架平面內(nèi)在桁架平面外斜平面l11--lll0.8110.91

桿件的容許長細比鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中對壓桿和拉桿規(guī)定了容許的最大長細比，稱為容許長細比，見表8-3。屋架桿件一般都是由雙角鋼組成的T形截面，它的橫截面的兩個主軸方向分別在屋架的平面內(nèi)和平面外。兩個主軸的長細比驗算：

屋架的腹桿為單角鋼或雙角鋼組成的十字形截面桿件時，應取截面的最小回轉(zhuǎn)半徑計算桿件在斜面上的最大長細比，即：

表8-3桁架桿件的容許長細比

桿件名稱壓桿

拉桿

承受靜力荷載或間接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)

直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)

無吊車和有輕中級工作制吊車的廠房

有重級工作制吊車的廠房

普通鋼屋架的桿件

150350

250250輕鋼屋架的主要桿件－－天窗構(gòu)件

－屋蓋支撐桿件

200400350－輕鋼屋架的其他桿件

350

桿件的截面形式與構(gòu)造

(1)

截面形式見表8-4(2)

截面選擇

①為了便于訂貨和下料，在同一榀屋架中角鋼的規(guī)格不宜過多，一般不宜超過5～6種；

②為了防止桿件在運輸和安裝過程中產(chǎn)生彎曲和損壞，角鋼的尺寸不宜小于45×4或56×36×4；

③應選擇肢寬而壁薄的角鋼，增大回轉(zhuǎn)半徑，對受壓更有利；

④屋架弦桿一般采用等截面；當采用變截面時，半跨內(nèi)只能改變一次，而且要保持肢厚不變，改變肢寬，以便于拼接處理。

表8-4鋼屋架的桿件截面形式

（3）節(jié)點板的厚度

屋架節(jié)點板（或T型鋼弦桿的腹板）的厚度對于單壁式屋架可根據(jù)腹桿的最大內(nèi)力（對梯形和人字形屋架）或弦桿端節(jié)間內(nèi)力（對三角形屋架），按表8-5選用。

(4)

截面計算鋼屋架桿件截面計算對照表

桿件類型強度要求穩(wěn)定性要求長細比要求所需截面積壓桿σ=N/An≤fσ=N/A≤fλ≤［λ］An≥N/f拉桿σ=N/An≤f—λ≤［λ］An≥N/f

屋架桿件內(nèi)力計算基本假定

(1)屋架的各節(jié)點均為理想的鉸接。

(2)屋架各桿件的軸線均為直線，都在同一平面內(nèi)，且相交于節(jié)點的中心。(3)荷載都作用在節(jié)點上，且都在屋架平面內(nèi)。

屋架上的荷載

作用在屋架節(jié)點上的荷載，有檁屋蓋通過檁條，無檁屋蓋通過大型屋面板的縱肋傳在桁架的節(jié)點上(圖8-13所示，sd陰影范圍內(nèi)的屋面荷載)。(1)永久荷載包括屋面材料和檁條、支撐、屋架、天窗架等結(jié)構(gòu)的自重。(2)可變荷載包括屋面均布活荷載、積灰荷載、雪荷載、風荷載，以及懸掛吊車荷載等，其中屋面活荷載和雪荷載不同時考慮，取兩者中的較大值。

屋架內(nèi)力應根據(jù)使用過程或施工過程中可能出現(xiàn)的最不利荷載組合計算。在屋架設計時應考慮以下三種荷載組合：

①永久荷載+可變荷載

②永久荷載+半跨可變荷載

③屋架、支撐和天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷載屋架上、下弦桿和靠近支座的腹桿按第一種荷載組合計算；而跨中附近的腹桿按第二、三種荷載組合計算，取大值。

圖8-13節(jié)點荷載匯集簡圖

內(nèi)力計算

(1)軸向力屋架各桿件的軸向力可用圖解法或數(shù)解法（節(jié)點法或截面法）求得。(2)局部彎矩屋架的上弦節(jié)間作用有荷載時，除軸向力外，還要產(chǎn)生局部彎矩。由于焊縫的約束作用，可以把上弦桿視為彈性支座上的連續(xù)梁來考慮。但為了簡化，可按近似法計算，先按簡支梁計算出彎矩M0。

三、

鋼屋架節(jié)點設計

節(jié)點的構(gòu)造要求

①原則上屋架各桿件的形心線與屋架的幾何軸線重合，并會交于節(jié)點中心，使實際受力與計算簡圖相一致，減少附加偏心彎矩。②考慮焊縫質(zhì)量，節(jié)點板一般應伸出弦桿肢背10～15mm，應盡量使焊縫中心受力，節(jié)點板邊緣與桿件軸線的夾角不小于（圖8-15）。③節(jié)點板的形狀應該盡量簡單而有規(guī)則，最好設計成矩形、平行四邊形等，角鋼的切斷面應與其軸線垂直，需要斜切以便使節(jié)點緊湊時只能切肢尖，防止嚴重的應力集中（圖8-16）。

④如弦桿截面沿長度需變化，一般將拼接處兩側(cè)弦桿表面對齊，這樣必然形心線錯開，此時宜采用受力較大的桿件形心線為軸線（圖8-17）。當兩側(cè)形心線偏移的距離e不超過較大弦桿截面高度的5%時，可不考慮偏心的影響。

⑤為節(jié)省節(jié)點板材料，桿件要盡量緊湊，但考慮下料和焊縫質(zhì)量，上腹桿與弦桿之間以及腹桿與腹桿之間的間隙不宜小于20mm。

圖8-15節(jié)點板形狀對焊縫受力的影響(a)正確；(b)不妥

圖8-16角鋼端部的切割

圖8-17弦桿軸線的偏心

節(jié)點的計算

1.上弦節(jié)點（如圖8-18）

（1）假定角鋼背凹槽的焊縫承受桿件的軸力時時，可按下式計算：

肢背焊縫：

肢尖焊縫：

圖8-18上弦節(jié)點的構(gòu)造

（2）當角鋼焊縫承受節(jié)點荷載F且采用8-18a所示的構(gòu)造時：設屋面傾角為，槽焊縫的受力可利用角焊縫的下列計算公式得出：

弦桿角鋼肢尖的兩條焊縫承擔和由于與肢尖焊縫的偏心距e而產(chǎn)生的。由此可確定肢尖焊縫的焊腳尺寸計算公式為：

（3）當為圖8-18b所示的構(gòu)造時，通常可先求出需由弦桿角鋼肢背和肢尖與節(jié)點板的角焊縫所承受的合力R，然后近似地按所給的分配系數(shù)得出肢背、肢尖焊縫所應承受的力和分別計算，當屋面坡度為1/12時，可近似按求R。

2.下弦節(jié)點（圖8-19）在下弦節(jié)點中腹桿和節(jié)點板的連接焊縫計算與上弦節(jié)點相同。弦桿與節(jié)點板的連接焊縫，當節(jié)點上無外荷載時，僅承受下弦相鄰節(jié)間的內(nèi)力差，而一般較小，故焊縫尺寸可由構(gòu)造要求而定。當上弦有集中荷載作用時，下弦肢背與節(jié)點板的連接焊縫按下式計算：

下弦肢尖與節(jié)點板的連接焊縫按下式計算：

圖8-19下弦節(jié)點

3.屋脊節(jié)點（圖8-20）（1）屋脊拼接角鋼與弦桿的連接計算及拼接長度的確定焊縫長度為：

拼接角鋼總長度為:

+弦桿桿端空隙

（2）弦桿與節(jié)點板的連接焊縫計算上弦與節(jié)點板的連接焊縫時，假定節(jié)點荷載F由上弦角鋼的肢背處槽焊縫承受，按公式（8-5-11）計算。上弦角鋼肢尖與節(jié)點板的連接焊縫按上弦內(nèi)力15%計算，并考慮此力產(chǎn)生的彎矩

圖8-20屋脊節(jié)點及拼接角鋼的彎折（a）屋脊節(jié)點（b）拼接角鋼

4.下弦的拼接節(jié)點（圖8-21）

（1）下弦拼接角鋼與弦桿的連接計算及其拼接角鋼總長度的確定

+（10～20）mm

（2）下弦桿與節(jié)點板的連接角焊縫下弦與節(jié)點板的連接焊縫，按兩側(cè)下弦較大內(nèi)力15%，和兩側(cè)下弦的內(nèi)力差兩者中的較大值來計算，但當拼接節(jié)點處有外荷載作用時，則應按此較大值與外荷載的合力進行計算。

圖8-21下弦角鋼的工地拼接節(jié)點

5.支座節(jié)點（圖8-22）

屋架和柱子的連接可以做成簡支或剛接。支承于鋼筋混凝土柱或磚柱上的屋架，一般為簡支。而支承于鋼柱上的屋架通常為剛接。支座節(jié)點包括節(jié)點板、加勁肋、支座底板和錨栓。加勁肋的作用是加強支座底板