邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建工系 王 麗-1735648347097

屋架的桿件設(shè)計邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院建工系王麗屋架的桿件設(shè)計屋架的桿件設(shè)計首先根據(jù)使用和施工過程中可能遇到的最不利荷載組合情況求出桿件的內(nèi)力，然后選擇合理的截面形式，進(jìn)行截面驗算，從而確定桿件的具體尺寸。一、屋架的荷載和荷載組合1、屋架荷載作用在屋架上的荷載有永久荷載和可變荷載兩部分。各荷載標(biāo)準(zhǔn)值及分項系數(shù)、組合系數(shù)應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范采用。屋架的桿件設(shè)計

永久荷載包括屋面材料和檁條、屋架、天窗架、支撐及天棚等結(jié)構(gòu)的自重；可變荷載包括屋面均布活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載、積灰荷載以及吊車荷載和地震荷載等。其中屋面活荷載和雪荷載不會同時出現(xiàn)，計算時應(yīng)取兩者中較大值。屋蓋結(jié)構(gòu)在受風(fēng)荷載作用時，當(dāng)屋面坡度≤30o時,通常受風(fēng)的吸力(對屋架有卸荷作用)，對屋面永久荷載較大的結(jié)構(gòu)（如采用鋼筋混凝土大型屋面板）時，風(fēng)影響較小，一般可不考慮；但對采用輕型屋面材料的屋蓋結(jié)構(gòu)，則應(yīng)考慮風(fēng)的吸力可能使屋架的拉桿變?yōu)閴簵U，以及產(chǎn)生支座負(fù)反力時的屋架錨固問題。當(dāng)屋面坡度>30o時，均應(yīng)計算風(fēng)荷載作用下屋架桿件內(nèi)力。屋架的桿件設(shè)計

屋架和支撐的自重是按水平投影面積計算的，可根據(jù)下面經(jīng)驗公式計算：q=(0.12+0.011L)kN/m2

式中：L—

屋架的標(biāo)志跨度，單位m。屋架和支撐自重，當(dāng)下弦未設(shè)天棚時，可假定全部作用在上弦節(jié)點；當(dāng)設(shè)有天棚時，可假定一半作用在上弦節(jié)點，一半作用在下弦節(jié)點。屋架的桿件設(shè)計2、節(jié)點荷載計算屋面荷載通過檁條或大型屋面板肋以集中力的方式傳給屋架上弦時，可能有節(jié)間荷載。這時可先將屋面荷載視為均布荷載匯集成屋架的節(jié)點荷載，與該節(jié)點原有節(jié)點荷載疊加，求得屋架桿件的軸心力。作用于屋架上弦節(jié)點的集中荷載P可按各種均布荷載對節(jié)點進(jìn)行匯集計算：式中：γ(G、Q)

—

荷載分項系數(shù)，永久荷載取1.2，可變荷載取1.4；

qk—

按屋面水平投影分布的荷載標(biāo)準(zhǔn)值；屋架的桿件設(shè)計a—屋架上弦節(jié)間水平投影長度；s—屋架間距。3、荷載組合荷載組合時應(yīng)考慮在施工階段和使用階段可能對荷載分布造成的影響，一般應(yīng)考慮以下三種荷載組合：全跨永久荷載+全跨可變荷載；全跨永久荷載+半跨可變荷載；屋架節(jié)點荷載匯集簡圖屋架的桿件設(shè)計全跨屋架、天窗架和支撐自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載。第三種組合屬于施工階段可能出現(xiàn)的荷載組合。在組合時，還要注意半跨荷載可能作用在左半跨，也可能作用在右半跨。在多數(shù)情況下，按第一種組合就可確定上下弦桿和靠近支座的腹桿的最不利內(nèi)力。但對于梯形屋架，可能在第二種或第三種組合下，跨中附近的少數(shù)斜腹桿可能由受拉變?yōu)槭軌?，而且可能為最大值。如果在安裝過程中，兩側(cè)屋面板對稱均勻向跨中鋪設(shè)，可不考慮第三種組合。屋架的桿件設(shè)計二、桿件的內(nèi)力計算屋架桿件的內(nèi)力計算需要求出屋架在節(jié)點荷載作用下各桿件的軸心力，以及由于節(jié)間荷載作用而使弦桿產(chǎn)生的局部彎矩。計算屋架桿件軸心力時，采用了下列假定：屋架各節(jié)點視為鉸接；屋架所有桿件軸線均在同一平面內(nèi)且各自相交于節(jié)點中心；荷載位于屋架平面內(nèi)且作用于節(jié)點中心。屋架的桿件設(shè)計屋架的桿件內(nèi)力可根據(jù)基于以上假定的內(nèi)力簡圖得出屋架各桿件所受軸心力，其值可以采用圖解法、數(shù)解法、查表法或電算法求得。當(dāng)不具備電算條件時，求解屋架桿件內(nèi)力一般采用圖解法較為方便，圖解法最適宜于幾何形狀不很規(guī)則的屋架，如三角形、人字形和梯形屋架。對于形狀不復(fù)雜的（如平行弦屋架）及桿件不多的屋架，用解析法確定內(nèi)力則可能更簡單些。屋架的桿件設(shè)計為了便于內(nèi)力組合，通常是先算出屋架在單位節(jié)點荷載作用下的桿件軸力（稱為桿力系數(shù)，一些屋架的桿力系數(shù)可在靜力計算手冊中查到），然后用實際的節(jié)點荷載分別與各桿件的桿力系數(shù)相乘,乘積便是相應(yīng)桿件實際的軸心力值。內(nèi)力組合時,需要求出在半跨單位荷載作用下，以及在全跨單位荷載作用下的桿力系數(shù)。對于對稱于跨中的屋架，只要解出半跨單位荷載作用下的桿力系數(shù)，然后利用對稱性，可直接得到另外半跨的桿力系數(shù)，兩者疊加即得全跨單位荷載作用下的桿力系數(shù)。屋架的桿件設(shè)計當(dāng)屋架上弦有節(jié)間荷載時，桿件截面上既有軸心力也有局部彎矩。計算時一般可近似按簡支梁計算出其彎矩M0，然后再乘以調(diào)整系數(shù)作為節(jié)間的局部彎矩；端節(jié)間正彎矩M1=0.8M0；其它節(jié)間正彎矩和節(jié)點負(fù)彎矩取M2=±0.6M0。M0是相應(yīng)節(jié)間按簡支梁算得的最大彎矩。局部彎矩計算簡圖屋架的桿件設(shè)計三、屋架桿件的計算長度和容許長細(xì)比1、桿件的計算長度在理想的鉸接屋架中，壓桿在屋架平面內(nèi)的計算長度lox應(yīng)等于節(jié)點中心間的距離即桿件的幾何長度l。但由于實際中屋架各桿件與節(jié)點板焊接，節(jié)點本身具有一定的剛度，桿件兩端為彈性嵌固。當(dāng)某一壓桿失穩(wěn)時，端部繞節(jié)點轉(zhuǎn)動會受到節(jié)點中其它桿件的約束，其中拉桿產(chǎn)生的約束作用最大，拉桿越多，壓桿的計算長度越小。因此，可視節(jié)點的嵌固程度確定各桿件的計算長度。屋架的桿件設(shè)計屋架的受壓弦桿、支座豎桿和支座斜桿兩端節(jié)點上壓桿多，拉桿少，其本身剛度又大，故節(jié)點嵌固程度小，可以不考慮，計算長度取lox=l。其它受壓腹桿，考慮到節(jié)點處受拉桿的約束作用，計算長度取lox=0.8l。對于受拉弦桿，其所受節(jié)點約束作用要比受壓弦桿大些，為簡化計算，取計算長度與壓桿相同。屋架弦桿在平面外的計算長度loy應(yīng)取側(cè)向支撐間距l(xiāng)1

。對上弦桿一般取上弦橫向水平支撐的節(jié)間長度。在有檁屋蓋中，如果檁條與橫向水平支撐的交叉點連接牢固時，l1取檁條間距；否則l1取上弦支撐的節(jié)間長度。屋架的桿件設(shè)計屋架桿件的計算長度屋架的桿件設(shè)計在無檁屋蓋中，考慮大型屋面板能起一定支撐作用，loy一般取兩塊屋面板的寬度，但不大于3m。若屋面板與屋架未焊牢時，loy仍取上弦支撐的節(jié)間長度。對下弦桿應(yīng)視有無縱向水平支撐，loy取縱向水平支撐點與系桿或系桿與系桿間距。對腹桿來說，由于節(jié)點在平面外剛度很小，對板件沒什么嵌固作用，故取loy

=l。屋架中單角鋼桿件和雙角鋼組成的十字形桿件，因截面主軸不在屋架平面內(nèi)，有可能斜向失穩(wěn)，考慮桿件兩端的節(jié)點對它一定的嵌固作用，因此斜平面計算長度lo=0.9l，但支座斜桿和支座豎桿仍取lo=l。屋架的桿件設(shè)計《規(guī)范》對屋架弦桿和單系腹桿的計算長度規(guī)定如下：屋架的桿件設(shè)計當(dāng)屋架弦桿側(cè)向支承點間距為兩倍節(jié)間長度，且兩節(jié)間弦桿內(nèi)力不等時應(yīng)按下式確定其長度：

loy=

但不應(yīng)小于0.5l1

式中：N1

—

較大的壓力，計算時取正值；N2

—

較小的壓力或拉力，計算時壓為正，拉為負(fù)。再分式腹桿體系的受壓主斜桿在屋架平面外的計算長度也應(yīng)按上式確定；在屋架平面內(nèi)的計算長度則取節(jié)點中心間距。屋架的桿件設(shè)計桿件內(nèi)力變化時在屋架平面外的計算長度屋架的桿件設(shè)計2、桿件的容許長細(xì)比屋架中桿件長細(xì)比太大，將使桿件在自重作用下產(chǎn)生明顯撓度，或在動力荷載作用下產(chǎn)生過大振幅。運輸安裝時也容易因剛度不足而產(chǎn)生彎曲，《規(guī)范》對屋架桿件規(guī)定了容許長細(xì)比，設(shè)計時應(yīng)使實際長細(xì)比不超過容許長細(xì)比，以保證桿件必要的剛度。容許長細(xì)比見表5-1、表5-2。四、桿件的截面選擇確定桿件截面形式應(yīng)考慮構(gòu)造簡單、施工方便、易于連接、用料經(jīng)濟等要求。屋架的桿件設(shè)計在屋架中，桿件一般采用雙角鋼組成的T形和十字形截面，桿件由角鋼之間的填板相連接，通過不同角鋼的截面組合，可以近似滿足桿件的等穩(wěn)定性，有利于節(jié)約鋼材。普通鋼屋架常用桿件的截面形式序號桿件截面的角鋼類型截面形式回轉(zhuǎn)半徑iy/ix比值1兩個不等邊角鋼短肢相連2.0—2.52兩個不等邊角鋼長肢相連0.8—1.0屋架的桿件設(shè)計序號桿件截面的角鋼類型截面形式回轉(zhuǎn)半徑iy/ix比值3兩個等肢角鋼1.3—1.54兩個等肢角鋼十字形連接1.05一個等肢角鋼對稱于節(jié)點板0.5普通鋼屋架常用桿件的截面形式屋架的桿件設(shè)計對于屋架上弦桿，如無節(jié)間荷載，在一般支撐情況下，計算長度loy≥2lox，為使軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)φx

與φy接近，一般應(yīng)滿足iy≥2ix，因此宜采用兩不等邊角鋼短邊相連的T形截面；若有節(jié)間荷載，為了提高在屋架平面內(nèi)的抗彎強度，可采用兩等邊角鋼組成的T形截面或兩不等邊角鋼長肢相連的T形截面。對于屋架下弦桿，平面外計算長度較大，為增強其剛度，宜采用不等邊角鋼短肢相連或等邊角鋼組成的T形截面。屋架的桿件設(shè)計對于梯形屋架的端斜桿和端豎桿，由于lox

=loy，為使ix

=iy，宜采用兩不等邊角鋼長肢相連的T形截面。對于其它腹桿，因為loy=l，lox=0.8l，即loy=1.25lox。為使iy/ix

=1.25，宜采用兩等邊角鋼組成的T形截面。受力很小的腹桿（如再分式腹桿）可采用單角鋼截面。連接垂直支撐的屋架中央豎桿和端豎桿為了避免在垂直支撐傳力時的豎桿偏心，宜采用兩個等邊角鋼組成的十字形截面。屋架的桿件設(shè)計2、雙角鋼桿件的填板由雙角鋼組成的T形或十字形截面桿件是通過填板將兩角鋼連接成一個整體的，填板的厚度與節(jié)點板相同，填板寬度一般取50～80mm；填板的長度：對T形截面應(yīng)比角鋼伸出10～20mm，對十字形截面應(yīng)從角鋼肢尖縮進(jìn)10～20mm。

填板間距對拉桿l1≤80i1，壓桿l1

≤40i1；在T形截面中，i1為一個角鋼對平行于填板形心軸的回轉(zhuǎn)半徑；在十字形截面中，填板應(yīng)沿兩個方向一橫一豎交錯布置，i1為一個角鋼的最小回轉(zhuǎn)半徑，在壓桿的平面外計算長度范圍內(nèi)，填板數(shù)不應(yīng)少于兩塊。屋架的桿件設(shè)計屋架桿件中的填板3、節(jié)點板的厚度在選定桿件截面的形狀之后，需確定節(jié)點板的厚度，以便計算截面平面外的回轉(zhuǎn)半徑。節(jié)點板厚度可根據(jù)腹桿（梯形屋架）或弦桿（三角形屋架）的最大桿力按下表選用，但厚度不得小于6mm。由于中間節(jié)點板受力比支座節(jié)點板小，所以厚度可減小2mm。屋架的桿件設(shè)計屋架節(jié)點板厚度選用表梯形屋架腹桿最大內(nèi)力或三角形屋架弦桿最大內(nèi)力（KN）節(jié)點板鋼號Q235≤180190～300310～490500～680690～900Q345≤250260～370380～550560～740750～980中間節(jié)點板厚度（mm）68101214支座節(jié)點板厚度（mm）810121416屋架的桿件設(shè)計4、桿件截面選擇應(yīng)選用肢寬而壁薄的角鋼，使截面回轉(zhuǎn)半徑大些，這對壓桿尤為重要。角鋼尺寸不宜小于∟45×4或∟56×36×4，以防止桿件在運輸和安裝過程中產(chǎn)生彎曲和損壞。為了便于訂貨和下料，在同一榀屋架中角鋼規(guī)格不宜過多，一般不宜超過5～6種，同時應(yīng)避免采用肢寬相同而厚度相差小于2mm的角鋼，以免制作中混淆錯用。屋架的桿件設(shè)計屋架弦桿一般采用等截面，但對跨度大于24m的三角形屋架和跨度大于30m的梯形屋架可根據(jù)內(nèi)力變化在適當(dāng)?shù)墓?jié)點處改變弦桿截面，但半跨只宜改變一次。為簡化拼接構(gòu)造，一般都保持角鋼的厚度不變而改變肢寬。5、桿件截面計算（1）軸心拉桿截面計算應(yīng)考慮強度和剛度兩個方面。強度應(yīng)滿足：屋架的桿件設(shè)計所需凈截面面積：式中：N—

桿件的設(shè)計軸力；

f

—

鋼材強度設(shè)計值，采用單角鋼單面連接時，應(yīng)乘折減系數(shù)0.85。根據(jù)An從角鋼規(guī)格表中選出截面回轉(zhuǎn)半徑大，重量最輕的角鋼。所選用角鋼按下式驗算桿件長細(xì)比：

λ≤[λ]在承受靜力荷載的屋架中，拉桿可僅驗算λx。屋架的桿