鋼結(jié)構(gòu)屋面材料調(diào)查研究報(bào)

1、關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的研究報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)課題調(diào)研報(bào)告關(guān)鍵詞：桁架、腹板、聚酯壓芯板、金屬壓型板 摘要：分析并總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)在建筑中的特點(diǎn)和運(yùn)用，對鋼結(jié)構(gòu)的合理化使用進(jìn)行評論。 在工業(yè)與民用建筑中，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主要由屋面板、檁條、屋架、托架、天窗架和支撐等構(gòu)件組成。屋架的跨度和間距取決于柱網(wǎng)布置，而柱網(wǎng)布置則取決于建筑物工藝要求和經(jīng)濟(jì)要求。當(dāng)屋架跨度較大時(shí)，為了采光和通風(fēng)需要，無蓋上常設(shè)置天窗。當(dāng)柱網(wǎng)間距較大，超出屋面板長度時(shí)，應(yīng)設(shè)置中間屋架和柱間托架，中間屋架的荷載通過托架傳給柱（如圖1-1）。 圖 1-1 屋蓋結(jié)構(gòu)組成根據(jù)屋面材料和屋面布置情況，屋蓋可分為無檁屋蓋和有檁屋蓋兩種。當(dāng)屋面采用大型屋

2、面板時(shí)，屋面荷載可直接通過大型屋面板傳給屋架，這種屋架結(jié)構(gòu)體系稱為無檁屋蓋（圖1-2）。當(dāng)屋面采用輕型材料如石棉瓦、瓦楞鐵、壓型鋼板和鐵絲網(wǎng)水泥槽板時(shí)，屋面荷載要通過檁條再傳給屋架，這種屋蓋結(jié)構(gòu)體系稱為有檁屋蓋（圖1-3）。無檁屋蓋和有檁屋蓋體系各有優(yōu)缺點(diǎn)。無檁屋蓋體系的優(yōu)點(diǎn)是屋蓋橫向跨度大、整體性好、構(gòu)造簡單、施工方便等；其缺點(diǎn)是屋蓋自重大、不利于抗震、其多用于有橋式吊車的廠房屋蓋中。有檁無蓋體系的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)件重量輕、用料省；其缺點(diǎn)是屋蓋構(gòu)件數(shù)量多、構(gòu)造較復(fù)雜、整體剛度較差。 圖1-2 無檁屋蓋體系 圖1-3 有檁屋蓋體 屋蓋支撐體系常用的屋蓋支撐包括：屋架上弦橫向和縱向支撐，屋架下弦橫向和縱

3、向支撐。屋架豎向支撐，天窗架支撐以及相應(yīng)的系桿等。屋蓋支撐根據(jù)布置可分為五種：上弦橫向水平支撐，下限橫向水平支撐、下弦縱向水平支撐、垂直支撐和系桿。各種支撐不知如圖2-1所示。屋架形式的選擇：一普通鋼屋架在確定屋架外形時(shí)，應(yīng)滿足適用、經(jīng)濟(jì)和制造安裝方便的原則，從滿足適用要求出發(fā)，屋架的外形應(yīng)與屋面材料排水的要求相適應(yīng)。從滿足經(jīng)濟(jì)要求出發(fā)，注意以下幾方面的內(nèi)容：屋架的外形應(yīng)盡量與彎矩圖相近，以使屋架弦桿的內(nèi)力延全長均勻布置，須充分發(fā)揮材料的作用；腹杠的布置應(yīng)使短杠受壓，長杠受拉，而且數(shù)量少總長度短，桿件夾角在30o-60o之間，最好是45o左右；還要使弦杠盡量不產(chǎn)生彎矩；從制造安裝 圖2-1 屋

4、蓋支撐布置方便出發(fā)，屋架的節(jié)點(diǎn)要簡單合理，節(jié)點(diǎn)數(shù)宜少些；應(yīng)使屋架的外形便于制造、運(yùn)輸和安裝。屋架外形主要有三角形、梯形、矩形、和曲拱形等（圖2-2）。 圖2-2 屋架的外形三角形屋架（圖2-2a）主要用于屋面坡度較大的有檁屋蓋結(jié)構(gòu)中或中、小跨度的輕型屋面結(jié)構(gòu)中。這種屋架與柱子鉸接連接，因此房屋橫向剛度較小。由于三角形屋架的外形與均布荷載的彎矩有差別，因此弦桿的內(nèi)力變化較大，故弦桿截面不能充分發(fā)揮作用。若荷載和跨度較大時(shí)，采用三角形屋架就不太經(jīng)濟(jì)。梯形屋架（圖2-2b）受力情況較三角形好，腹桿較短，與柱子的連接即可做成剛接，也可做成鉸接。這種屋架一般用于屋面坡度較小的屋蓋結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)已成為工業(yè)廠房

5、屋蓋結(jié)構(gòu)的基本形式。矩形屋架（圖2-2c）的上、下弦平行，腹桿長度相等，桿件類型少，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造統(tǒng)一，便于制造，能符合標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化的要求，但弦桿內(nèi)力分布不均勻，這種屋架一般用于單坡屋面的屋架及托架或支撐體系中。曲拱屋架（圖2-2d）的外形最符合彎矩圖，受力最合理，但上弦（或下弦）要彎曲成曲線型比較費(fèi)工，如改成折線型較好，這種屋架用于有特殊要求的房屋中。三角形屋架的腹桿體系有單斜桿式、人字式和芬克式。單斜桿式（圖3-1a）中較長的斜桿受拉，較短的豎桿受壓，比較經(jīng)濟(jì)。人字式（圖3-1c）的腹桿較少，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡便，芬克式（3-1c）的腹桿受力合理，還可以分為左、右兩個(gè)較小的桁架，便于運(yùn)輸。 圖3-1

6、三角形屋架的腹桿體系屋架主要尺寸的確定。屋架主要尺寸包括屋架的跨度、高度、節(jié)間寬度。屋架的跨度應(yīng)按使用和工藝要求確定，同時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)布置的合理性，并要與大型屋面板的寬度相配合，一般以3m為模數(shù)，因此，屋架的寬度為3的倍數(shù)，屋架的高度應(yīng)按經(jīng)濟(jì)、剛度、建筑等要求以及運(yùn)輸界限、屋面坡度等因素來確定。但屋架材料要求屋架有較大跨度時(shí)，應(yīng)采用三角形屋架，三角形屋架高度h=(1/4-1/6)L（跨度）。梯形屋架坡度比較平坦，屋架跨中高度應(yīng)滿足剛度要求，但上弦坡度為1/8-1/12時(shí)，跨中高度一般為（1/6-1/10）L，跨度大時(shí)取小值，反之取大值。梯形屋架的端部高度按下列不同情況取用；但屋架與柱鉸接時(shí)為。剛

7、接時(shí)為；端彎矩大時(shí)取大值，反之取小值。在確定端部高度后，可根據(jù)屋面坡度計(jì)算出屋架的跨中高度，但最大高度取決于運(yùn)輸界限，如鐵路運(yùn)輸界限為3.85m。屋架上弦接間的劃分應(yīng)根據(jù)屋面材料而定，要盡量時(shí)屋面荷載直接作用在屋架節(jié)點(diǎn)上，避免上弦桿產(chǎn)生局部彎曲。但采用大型屋面板時(shí)，上弦節(jié)間長度應(yīng)等于屋面板的寬度，一般取1.5m或3m；但采用檁條時(shí)，根據(jù)檁條的間距而定，一般取0.8-3M。二輕型鋼屋架輕型鋼屋架的形式主要有三角形屋架、三鉸拱屋架、和梭形屋架。輕鋼屋面有斜坡屋面和平坡屋面兩種。斜坡屋面常為有檁屋蓋體系，采用三角形屋架和三鉸拱屋架；平坡屋面多為無檁屋蓋體系，采用棱形屋架。圖4-1 三鉸拱屋架形式三角

8、形輕型屋架可分為芬克式(圖3-1c)和單斜桿式（圖3-1a）。芬克式屋架和單斜杠式屋架的特點(diǎn)與普通屋架類似。三鉸拱屋架由兩根斜梁和一根水平拉桿組成（圖4-1a），斜梁的界面可分為平面桁架式和空間桁架式兩種（圖4-1b），拉杠可采用圓鋼或角鋼。這種屋架的特點(diǎn)是桿件受力合理，斜梁的腹缸長度短，取材容易，便于運(yùn)輸安裝。為了保證空間桁架式斜梁的整體穩(wěn)定性，其截面高度與斜梁長度比值不得小于1/18，截面寬度與截面高度比值不得小于2/5。梭形屋架的上弦杠為角鋼，其余為圓鋼所組成的空間桁架（圖4-2）。它屬于小坡度（坡度為1/8-1/12）的無檁屋架體系。屋面材料一般用鋼筋混凝土槽形板和加氣混凝土板，多采用

9、卷材防水。該屋架適用于跨度為9-15M、柱矩為3-4.2M的屋蓋體系。 圖4-2 梭形屋架及截面形式輕鋼屋架構(gòu)造。在輕鋼屋架中，應(yīng)盡可能使桿件重心線在節(jié)點(diǎn)處交于一點(diǎn)，否則應(yīng)考慮偏心的影響。輕鋼屋架各桿件之間既可以直接連接，也可以通過節(jié)點(diǎn)板連接。接點(diǎn)板厚一般為6-8mm，支座板厚度為12-14mm。三角形輕型鋼屋架當(dāng)采用雙角鋼時(shí)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與圖4-3單角鋼桿件的連接節(jié)點(diǎn)普通鋼屋架基本相同。當(dāng)屋架下弦杠和腹桿采用角鋼時(shí)，可采用（圖4-3）的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，（圖4-3a）所示的節(jié)點(diǎn)類似頂接，省去了節(jié)點(diǎn)板，但加工較困難，使用較少。(圖4-3b)的形式施工方便，但節(jié)點(diǎn)或桿件均有偏心，一把在受力較小的桿件中使用。

10、(圖4-3c)的形式需將角鋼背切口，但角鋼根部截面有消弱，(圖4-3d)的形式有節(jié)點(diǎn)板加強(qiáng)，傳力和剛度較好。 圖5-1 三鉸拱屋架的屋脊節(jié)點(diǎn) 三鉸拱屋架的屋脊節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與斜梁幾何軸線的設(shè)置有關(guān)。斜梁幾何軸線既可以與斜梁組合截面的形心線重合，也可以和斜梁上弦截面的形心線重合（圖5-1）。三鉸拱屋架的支座點(diǎn)構(gòu)造同樣與斜梁幾何軸線的設(shè)置有關(guān)。（圖5-2）為斜梁幾何軸線與斜梁上弦截面形心線重合的構(gòu)造。該節(jié)點(diǎn)在上弦兩角鋼上設(shè)置一水平蓋板，通過支座節(jié)點(diǎn)板與底板連成一個(gè)鋼形整體，使之傳力可靠。 圖5-2 三鉸拱屋架的支座節(jié)點(diǎn) 梭形屋架的截面形式分為正三角形和倒三角形兩種。在實(shí)際工程中，正三角形截面用的較多。梭

11、形屋架的屋脊節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見（圖5-3）。支座節(jié)點(diǎn)見圖（6-1）。 。圖5-3 梭形屋架的屋脊節(jié)點(diǎn)構(gòu)造三鋼管屋架 圖6-1 A型截面的梭形屋架的支座節(jié)點(diǎn)構(gòu)造鋼管結(jié)構(gòu)包括圓管和矩形管兩種形式。屋架形式除了做成與普通鋼屋架相同形式外，也可做成（圖6-2）所示的屋架形式。 圖6-2 鋼管屋架形式鋼管節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)符合下了要求：1 主管的外部尺寸不應(yīng)小于支管的外部尺寸，主管壁厚不應(yīng)小于支管壁厚。在支管與主管連接處不得將支管插入主管內(nèi)；2 主管與支管或兩支管軸線之間的架角不宜小于30o；3 支管與主管的連接節(jié)點(diǎn)處，除搭接形節(jié)點(diǎn)外，應(yīng)盡可能避免偏心；4 支管與主管的連接焊接，應(yīng)沿全周連續(xù)焊接并平滑過渡；5 支管端

12、部宜使用自動(dòng)切管機(jī)切割，支管壁厚小于6mm時(shí)不切剖口。圓鋼管的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造除了用弧形剖口直接連接（圖6-3a）外，也可采用節(jié)點(diǎn)板連接（圖6-3b），這種節(jié)點(diǎn)需將圓管剖開，插入節(jié)點(diǎn)板連接；或?qū)摴芮帽庵苯舆B接（圖6-3c）,但這種連接。圓管端部加工后材料硬化，節(jié)點(diǎn)平面內(nèi)剛度較小。圖6-3 圓管連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造 矩形管的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造中有腹桿與弦桿直接連接（圖7-1a），擔(dān)腹杠的尺寸不同時(shí)，可在腹杠間架一塊墊板(圖7-1b)，另外，為了加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)剛度，可在弦桿上墊一塊墊板（圖7-1c）。或在弦桿兩邊布置加強(qiáng)板(圖7-1d)圖7-1 方鋼管連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)四實(shí)腹梁和框架梁屋架在一些鋼結(jié)構(gòu)工程中，也常用實(shí)腹梁作為屋蓋結(jié)構(gòu)，

13、雖然實(shí)腹梁的重量較桁架要大。但其制作方便。為了節(jié)省鋼材，其屋面一般用輕型材料，而且根據(jù)受力情況。實(shí)腹梁可分段采用變截面。實(shí)腹梁的腹板比較薄，厚度一般為6-8mm，梁高取屋蓋跨度的1/15左右，梁高與腹板厚度之比較大，因而在梁腹板上常配置橫向和縱向加勁肋，以保證腹板的局部穩(wěn)定。實(shí)腹梁一般適用于跨度不大的輕型屋蓋（圖7-2）。 圖7-2 實(shí)腹梁鋼屋架形式框架梁屋架構(gòu)造特點(diǎn)跨度較大的屋蓋則可采用框架式屋架，屋架采用工字鋼或T型鋼，為防止橫向推力。在框架下面設(shè)置拉桿，拉桿一般采用圓鋼或角鋼，拉鋼的重量可由吊桿吊在框架上，框架式屋架的跨度可達(dá)30m左右（圖7-3）。框架式屋架無論采用工字形截面或T形截面

14、，其節(jié)點(diǎn)一般不用節(jié)點(diǎn)板拼接，而且對接焊接，但在支座處，為了加強(qiáng)支座剛度而采用節(jié)點(diǎn)板（圖8-1）。 圖7-3 帶拉桿的框架梁屋架形式框架與吊桿的連接構(gòu)造是否采用節(jié)點(diǎn)板要根據(jù)具體情況而定。 圖8-1 T型和工型截面連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造五空間桁架屋蓋體系在平面屋架中，屋架的跨度增大，其高度和桿件尺度會(huì)隨之增加，屋蓋支撐也會(huì)增多，為了節(jié)省鋼材和提高綜合經(jīng)濟(jì)效益，有必要采用空間桁架屋蓋（圖8-2）。 圖8-2 空間桁架屋蓋體系空間桁架與平面桁架相比，若兩者高度相同，前者桿件受力更合理，空間剛度更大，這是由于空間桁架三維空間結(jié)構(gòu)形體，節(jié)點(diǎn)荷載由空間多根桿件承擔(dān)，空間交會(huì)的桿件互為支撐，將受力桿件與支撐體系有機(jī)的結(jié)

15、合起來,因而可以跨越較大的跨度，且節(jié)省鋼材，因此，空間桁架結(jié)構(gòu)在屋蓋中的應(yīng)用越來越廣泛?？臻g桁架屋蓋一般在跨度方向及橫向設(shè)主桁架，在縱向舍次桁架，形成主桁架和次桁架的縱橫桁架體系。在整體上，空間桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析與平面桁架是不同的，計(jì)算時(shí)必須考慮桿件件的空間作用，一般采用空間桁架位移法?？臻g桁架屋蓋的構(gòu)造，空間桁架的桿件與平面桁架類似，也多采用角鋼或鋼管做成，但桿件采用角鋼時(shí)，采用空間正交的十字節(jié)點(diǎn)板和設(shè)在頂部和底部的水平蓋板組成的焊接鋼板節(jié)點(diǎn)（圖9-1），對于上弦節(jié)點(diǎn)，水平蓋板不但可以連接桿件，還可以支撐屋面板和檁條；對于下弦節(jié)點(diǎn)，根據(jù)受力和構(gòu)造的需要設(shè)置水平蓋板，但不設(shè)置蓋板時(shí) ，由十字節(jié)

16、點(diǎn)板傳遞弦桿及腹桿的內(nèi)力。當(dāng)設(shè)置蓋板時(shí)，由十字節(jié)點(diǎn)板傳遞腹桿內(nèi)力，十字節(jié)點(diǎn)板和蓋板共同傳遞弦桿內(nèi)力。當(dāng)桿件采用鋼管時(shí)，一般用球節(jié)點(diǎn)（圖9-2），屋蓋節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單，連接方便。 圖9-1 空間桁架焊接鋼板節(jié)點(diǎn) 圖9-2 空間桁架球節(jié)點(diǎn)六金屬拱形波紋屋蓋結(jié)構(gòu)拱形波紋屋蓋特點(diǎn)近年來，一種新型輕鋼屋蓋金屬波紋屋蓋結(jié)構(gòu)正在我國興起，這種屋蓋結(jié)構(gòu)使用彩色鍍鋅卷鋼板在工地上二次成型安裝二成的。第一次成形將鋼板扎制成U形（圖10-1）或梯形波紋支槽板（圖10-2）,第二成型將直槽型扎成拱形槽板,在用自動(dòng)鎖邊際機(jī)將若干拱形槽板扎成整體,吊裝到屋頂圈梁安裝就位而成輕鋼屋蓋結(jié)構(gòu).常用的彩色鍍鋅卷材板材料有:熱鍍鋅鋼板

17、、熱鍍鋅合金鋼板、熱鍍鋅鋼板和電鍍鋅鋼板等,這種涂料卷板可涂成五顏六色,其強(qiáng)度指標(biāo)在210-550N/mm之間,使用壽命可達(dá)40-50年。拱形波紋屋蓋的優(yōu)缺點(diǎn):1. 工程造價(jià)低,采用mm后的鍍鋅鋼板做成的維護(hù)和承重結(jié)構(gòu)合而為一的屋蓋結(jié)構(gòu),可跨越8-40M,重量只有14-25KG/M,不言而喻,這屋蓋是非常經(jīng)濟(jì)的. 2. 施工周期短,卷材和成型機(jī)都可直接運(yùn)到現(xiàn)場加工,設(shè)備自動(dòng)化,施工專業(yè)化,10000M2的屋蓋僅用20d,比傳統(tǒng)屋蓋要快的很多。3. 質(zhì)量優(yōu)異,鍍鋅鋼板強(qiáng)度高、耐腐蝕，機(jī)械鎖邊連接不需要焊接或螺栓,其水密性和氣密性都很好,安全可靠。4. 造型優(yōu)美,拱形屋面可任意設(shè)計(jì),彩色鋼板屋面絢

18、麗多彩,室內(nèi)無梁無檁,視野開闊,可隨意分割房間不受限制,使用方便。 圖10-1 U形波紋直槽板 圖10-2 T形波紋直槽板這種金屬拱形波紋屋蓋適應(yīng)于工業(yè)廠房、倉庫、車庫、冷庫、展覽廳、商場、集貿(mào)市場、體育館、飛機(jī)庫等,金屬拱形波紋屋蓋主要的不足之處是造型單一,都是圓弧型,而且扎制的槽型截面只有一種,沿跨度都是截面,而拱的受力沿跨度是變化的,其受力很不合理。拱形波紋蓋建筑構(gòu)造金屬拱形波紋屋蓋需要保溫,可通過室內(nèi)頂噴聚胺脂或粘敷復(fù)合硅酸巖,不同的厚度可以滿足不同的保溫要求。金屬拱形波紋屋蓋的采光和通風(fēng),可利用橫向拱架間隔,或取高低差進(jìn)行采光和通風(fēng),或兩拱架間布置有機(jī)玻璃進(jìn)行采光,如果屋蓋不落地,屋

19、蓋縱向以下部結(jié)構(gòu)連接處以下均可開設(shè)門窗進(jìn)行采光和通風(fēng)。鋼結(jié)構(gòu)建筑的屋面材料屋面板主要分為1. 聚酯壓芯板, 聚酯壓芯板的構(gòu)造為上下金屬板表層,中間夾聚胺脂泡沫.金屬層可為彩色鋼板、鍍鋁鋅鋼板、鍍鋅鋼板及彩色壓花鋼板等。聚酯壓芯板為當(dāng)今世界公認(rèn)為的隔熱保溫最佳材料。主要特點(diǎn)有:重量輕、保溫性能好、整體剛度好、承載力高、連接合理方便。主要是用于廠房、倉庫、大型公共場所等建筑物屋面墻體。2. 巖棉夾芯板,巖棉夾心適用于對放火有較高要求的工程,巖棉纖維垂直于金屬面板,高密度條狀巖棉延長方向交錯(cuò)布置,保證了巖棉夾心板較好的能力。巖棉夾心材料為非燃燒材料,故巖棉夾心板具有超過1000攝氏度的耐火能力,巖棉夾心屋面板和墻板耐火極限為:100mm厚 (REI) 120分鐘80mm厚 (REI) 60分鐘50mm厚 (REI) 30分鐘50-80-100mm厚巖棉板的耐火極限為0/1級(其耐火極限由高到底依次劃分為0,1,2,3,4,5級),另外巖棉夾心板對隔聲效果有顯著的消弱作用,是用于對隔聲有較高要求的地方。3. 聚苯乙烯夾心板CX-EPS構(gòu)造:上下表面可為各種金屬板或裝飾板,中間粘結(jié)聚苯乙烯泡沫板。采用CX-EPS夾心板建造的活動(dòng)組合房屋可滿足不同的要求,從施工工地到臨時(shí)