哈工大_輕型鋼結(jié)構(gòu)5

1、1 第 五 章 輕 型 鋼 屋 架 設(shè) 計(jì) 25.1 概述 三角形屋架 三角拱屋架 梭形屋架 圓鋼屋架 小角鋼屋架 薄壁型鋼屋架 常用的輕型鋼屋架有三角形角鋼屋架、三角形鋼管屋架、三角形圓鋼屋架、三角拱屋架和梭形屋架。 由于大家對普通鋼屋架都很熟悉了，故本章僅介紹輕型鋼屋架與普通鋼屋架不同之處。 屋架形式的選用宜根據(jù)建筑物的使用要求、屋面材料、天窗形式及尺寸、屋架與柱的連接方式、屋蓋的整體剛度等因素確定。 輕型鋼屋架按結(jié)構(gòu)形式分為按所用的材料分為3 三角形屋架通常用于有橋式吊車的工業(yè)建筑，三角形角鋼屋架的跨度一般為 918m ，三角形薄壁型鋼屋架的跨度一般為1224m； 三角拱屋架和梭形屋架多

2、用于無吊車的工業(yè)與民用建筑，三角拱屋架的跨度一般為918m；梭形屋架的跨度為915m，柱距34.2m； 有一些實(shí)際工程中已超出了上述范圍。 常 用 的 屋 面 材 料 和 結(jié) 構(gòu) 形 式 序號(hào) 屋 面 材 料 坡 度標(biāo)志檁距（m ） 結(jié) 構(gòu) 形 式 1纖維水泥小波瓦 1/31/2.5 0.75三角形屋架三角拱屋架 2纖維水泥中波瓦 1/31/2.5 0.75， 1.3（加筋）三角形屋架三角拱屋架 3纖維水泥大波瓦 1/31/2.5 1.3三角形屋架三角拱屋架 4 常 用 的 屋 面 材 料 和 結(jié) 構(gòu) 形 式 (續(xù)上表) 序號(hào) 屋面材料 坡 度標(biāo)志檁距（m ） 結(jié)構(gòu)形式 4瓦 楞 鐵 1/61

3、/3 0.75三角形屋架（i1/3時(shí)端節(jié)間弦桿宜彎折） 5壓型鋼板1/61/4（短尺）1/201/10（長尺） 按計(jì)算梯 形 屋 架 6鋼絲網(wǎng)水泥波形瓦 1/3 1.5三角形屋架三角拱屋架 7加氣混凝土屋面板 1/121/8梭 形 屋 架 8發(fā)泡水泥復(fù)合板 1/81/20 34.5 （或無檁）三角形屋架梯 形 屋 架 5 輕型鋼屋架桿件截面的大小根據(jù)計(jì)算確定，但最小厚度（或直徑）建議不小于下表的要求。 屋架桿件截面的最小厚度（或 直 徑）(mm) 5-2 三角形角鋼屋架 三角形角鋼屋架廣泛應(yīng)用于中小型工業(yè)廠房、倉庫及輔助性建筑物中，屋架的跨度一般為918m，柱距6m，吊車噸位一般不超過5t，如

4、超出上述范圍，設(shè)計(jì)中宜采取適當(dāng)?shù)拇胧?，如增?qiáng)支撐系統(tǒng)、加強(qiáng)屋面剛度等。 截 面 形 式 上、下 弦 桿 主 要 腹 桿 次 要 腹 桿 角 鋼 4 4 4 圓 鋼 14 14 14 薄 壁 方 管 2.5 2 2 薄 壁 圓 鋼 2.5 2 2附注：圓鋼不宜用作屋架的上弦桿6 三角形角鋼屋架的屋面荷載較輕，一般情況下腹桿可采用小角鋼(小于454或56364)或圓鋼，腹桿和下弦桿也可采用單角鋼。 它與普通三角形鋼屋架本質(zhì)上無多大差異，即普通鋼屋架的設(shè)計(jì)方法對圓鋼、小角鋼屋架同樣適用，僅僅是輕型鋼屋架的桿件截面尺寸小、連接構(gòu)造略有不同而已。 當(dāng)屋架下弦桿和腹桿采用單角鋼時(shí)，節(jié)點(diǎn)可采用下圖的做法。

5、圖(a)對腹桿的尺寸和端部形狀要求較嚴(yán)，加工較難； 圖(b)的節(jié)點(diǎn)做法，施工方便，但節(jié)點(diǎn)和桿件均有偏心，適用于受力較小的腹桿或次腹桿； 圖(c)需將角鋼開口，削弱根部截面，產(chǎn)生應(yīng)力集中。（a）（b）（c）7 三角形角鋼屋架具有用料省、自重輕、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單、制作安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，屋架用鋼量為46 kg/m2。5-3 三角拱屋架 5-3.1 屋架特點(diǎn)及適用范圍 三角拱屋架由兩根斜梁和一根水平拱拉桿組成，其外形如圖(a)所示，斜梁的截面形式可分為平面桁架式和空間桁架式兩種，如圖(b)所示。 斜梁為平面桁架式的三角拱屋架，桿件較少，受力簡單明確，制造簡單，但側(cè)向剛度較差，適用于跨度較小的

6、屋蓋，斜梁截面高度與斜梁長度的比值不得小于1/8。 斜梁為空間桁架式的三角拱屋架，桿件較多，制造較費(fèi)工，但側(cè)向剛度較大，適用于跨度較大的屋蓋。 （a）（b）8 為保證空間桁架式斜梁的整體穩(wěn)定性，斜梁截面高度與斜梁長度的比值不得小于1/8，斜梁截面寬度與斜梁截面高度的比值不得小于2/5。 三角拱屋架的特點(diǎn)是桿件受力合理，斜梁的腹桿長度短，一般為 0.60.8 m，可以充分利用圓鋼和小角鋼，節(jié)約鋼材。 由于節(jié)點(diǎn)不采用節(jié)點(diǎn)板連接，故存在節(jié)點(diǎn)偏心，設(shè)計(jì)中應(yīng)予注意。 三角拱屋架拱拉桿比較柔細(xì)，不能承壓，并且無法設(shè)置垂直支撐和下弦水平支撐，整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度較差，故不宜用于有震動(dòng)荷載及跨度大于18m的工業(yè)

7、建筑。 由于在風(fēng)吸力作用下拱拉桿可能受壓，故用于開敞式房屋或風(fēng)荷載較大的房屋時(shí)，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。9 5-3.2 屋架內(nèi)力分析 可以采用下列方法計(jì)算屋架內(nèi)力： 1將三角拱屋架按空間桁架建立模型，通過計(jì)算機(jī)分析 得到各桿內(nèi)力和支座反力。 2首先按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求出支座反力，然后利用截面法 求出拱拉桿拉力和頂鉸反力，最后求解斜梁各桿內(nèi)力。 平面桁架式斜梁的內(nèi)力分析 如普通鋼屋架一樣計(jì)算斜梁桁架的內(nèi)力。 空間桁架式斜梁的內(nèi)力分析 空間桁架式斜梁由兩個(gè)平面桁架組成，可采用下列 兩種方法計(jì)算桿件內(nèi)力： （a） 將空間桁架分解為兩個(gè)平面桁架分別計(jì)算， 即把作用在斜梁上的荷載和各反力平均分配到兩片斜面桁架上，

8、再按平面桁架進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。10 如圖所示空間桁架式斜梁計(jì)算簡圖，荷載 P平均分配到兩片平面桁架的節(jié)點(diǎn)各P/2，然后在每一個(gè)平面桁架中再將豎向荷載P/2分解為兩個(gè)分力 P1和 P2，計(jì)算平面桁架在P1作用下的桿件內(nèi)力即可。 此時(shí)單片平面桁架的高度為h1，桁架式斜梁下弦桿內(nèi)力為所得每片桁架下弦桿內(nèi)力之和。 （b）按假想平面桁架進(jìn)行計(jì)算， 如圖所示，但此時(shí)的桁架高度應(yīng)取其對鉛垂面的投影高度 h，算出的上弦桿和腹桿的內(nèi)力分別由兩根上弦桿或兩根腹桿承擔(dān)。P/2 P/2P1P1P2P2hh1PPPPP/2P/2空間桁架式斜梁分解的平面桁架首先把豎向節(jié)點(diǎn)hP 假想的平面桁架11 5-3.3 屋架的桿件截面

9、1斜梁 平面桁架式斜梁的上弦桿采用兩個(gè)角鋼組成的 T 型截面，空間桁架式斜梁的上弦桿為由兩個(gè)角鋼組成的分離式截面。 三角拱斜梁節(jié)間的劃分應(yīng)與檁條的間距相協(xié)調(diào)，避免上弦桿存在節(jié)間荷載，腹桿的傾角以4060為宜。 腹桿多采用圓鋼截面做成V形，加工時(shí)可以連續(xù)彎成“蛇形”，如圖所示。 斜梁的下弦桿可采用單角鋼、單圓鋼、雙圓鋼。 圓鋼截面的下弦桿，多用雙圓鋼并列組成，中間施以間斷焊縫，間斷焊縫可以避免節(jié)點(diǎn)處焊縫過于集中。 12 單角鋼截面的下弦桿，角鋼肢應(yīng)朝下布置，如圖所 如此，下弦桿剛度較好，但加工時(shí)角鋼在下弦桿彎折處需熱彎，桿件截面有所削弱，為了彌補(bǔ)此損失，在彎折處的角鋼肢內(nèi)側(cè)加焊圓鋼綁條； 2拱拉

10、桿 拱拉桿為主要的受拉構(gòu)件，由單圓鋼或雙圓鋼組成。 大多數(shù)拱拉桿設(shè)有張緊裝置，一般在跨中設(shè)花籃螺栓，花籃螺栓連接如圖所示。 花籃螺栓可以采用圓鋼車成的六角形螺帽和三根圓鋼焊接而成。 為了防止拱拉桿下垂，三角拱屋架應(yīng)設(shè)置圓鋼吊桿，當(dāng)屋架跨度12米時(shí)設(shè)置一根，當(dāng)屋架跨度12米時(shí)設(shè)置兩根。圓鋼吊桿的直徑一般為12。示，13 3節(jié)點(diǎn)偏心的影響 三角拱屋架的斜梁大多采用圓鋼腹桿，由于設(shè)計(jì)構(gòu)造上的原因，節(jié)點(diǎn)處各桿件的重心線多未匯交于一點(diǎn)，因而在節(jié)點(diǎn)處引起偏心力矩，如圖所示。 試驗(yàn)和分析表明，節(jié)點(diǎn)偏心對輕型鋼結(jié)構(gòu)的影響是不能忽視的。 節(jié)點(diǎn)偏心對各桿件承載能力的影響大小主要與桿件的截面形式、截面抵抗矩的大小等

11、因素有關(guān)。 從截面形式來看，相同面積的角鋼比圓鋼截面的抵抗矩大，故節(jié)點(diǎn)偏心的影響就小；從桿件類別來看，節(jié)點(diǎn)偏心對上弦桿影響較小、下弦桿較大、腹桿最大。 在設(shè)計(jì)中盡量設(shè)法減小偏心值，節(jié)點(diǎn)偏心矩引起的偏心力矩可近似地按節(jié)點(diǎn)處各桿件的線剛度比分配。 e1e214 在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，常采用不進(jìn)行計(jì)算的簡化措施， 將偏心值1和2 控制在1020毫米以內(nèi)，并在選擇截面時(shí)按不同桿件留適當(dāng)?shù)膽?yīng)力余量來加大安全儲(chǔ)備。 具體做法為： 上弦桿：對T型截面，節(jié)點(diǎn)左右弦桿的內(nèi)力差在20% 以下，對V型截面，節(jié)點(diǎn)左右弦桿的內(nèi)力差 在10%以下，可不計(jì)偏心的影響。 否則應(yīng)留有應(yīng)力余量5%15% 。 下弦桿：當(dāng)節(jié)點(diǎn)左右弦桿的

12、內(nèi)力差在10%以下時(shí)，可 不計(jì)偏心的影響。 否則應(yīng)留有應(yīng)力余量5%15% 。 腹桿：應(yīng)留有應(yīng)力余量10%20% 。 15 為了消除節(jié)點(diǎn)偏心的不利影響，也可采用節(jié)點(diǎn)無偏心的作法，如圖所示。 這種作法，有的焊縫長度難以滿足要求，有的增加了焊縫的焊接工作量，應(yīng)用較少。 5-4 梭形屋架 5-4.1 屋架的特點(diǎn)及適用范圍 梭形屋架上弦為角鋼、雙下弦為圓鋼的空間桁架，屬于小坡度的屋蓋結(jié)構(gòu)體系，如圖所示。 截面形式分為A型截面、B型截面、C型截面三種。(a)(b)(c)(b) 梭形屋架平面圖(a) 梭形屋架立面圖(c) A 型(d) B 型(e) C 型16 帶矩形箍的V形腹桿如右圖。 梭形屋架所用的材料

13、為圓鋼和角鋼，它具有截面重心低，空間剛度較好的特點(diǎn)。 這種屋架的外形與簡支梁在均布荷載作用下的彎矩圖接近，使屋架下弦桿各節(jié)間的內(nèi)力分布趨于均勻，克服了梯形屋架和三角形屋架下弦桿各節(jié)間內(nèi)力差較大的缺點(diǎn)。 但節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，制造較費(fèi)工。一般多用于跨度為915米，柱距為34.2米的建筑。 梭形屋架多用于無檁結(jié)構(gòu)，屋面材料一般采用鋼筋混凝土槽形板和加氣混凝土板。 梭形屋架的用鋼量較其它類型的屋架略高一些，為712kg/m2，但由于不設(shè)檁條和支撐系統(tǒng)，以屋面系統(tǒng)的總用鋼量來說是不高的。上弦下弦V形腹桿矩形箍175-4.2 屋架的結(jié)構(gòu)形式 屋架的跨度為L，矢高為 f ，其高跨比 f / L，一般為1/91/

14、12，如圖所示。 屋架的上矢高 f1 根據(jù)屋面坡度確定，下矢高 f2 根據(jù) f1確定。 據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析上矢高 f1 等于或接近下矢高 f2 是比較合理的。 屋架的上弦桿一般采用10個(gè)節(jié)間，也可以采用8個(gè)或12個(gè)節(jié)間。 A型截面的上弦桿采用單角鋼肢尖朝上的 V型截面，腹桿及下弦桿均采用圓鋼組成兩片平面桁架，下弦桿的節(jié)點(diǎn)處用短圓鋼撐開，形成一個(gè)空間桁架。 B型截面的上弦桿采用兩個(gè)角鋼組成的 T型截面，腹桿、下弦桿及其它構(gòu)造與A型截面基本相同。 f 1f 2f A 型 B 型18 C型截面的上弦桿是以綴條相連的兩個(gè)角鋼組成的分離式截面，腹桿及下弦桿均采用圓鋼組成兩片平面桁架，下弦桿由兩根圓鋼并在一起

15、，在其節(jié)點(diǎn)的中間部位用一塊小鋼板與兩根圓鋼互相焊接。 A、B型截面較C型截面優(yōu)越，主要表現(xiàn)為以下三點(diǎn)： 1在安裝過程中，單側(cè)屋面板的壓力作用點(diǎn)距屋架上弦桿截面中心的距離不同，A、B型截面此距離小，可忽略安裝過程中屋架上弦桿的扭矩，而C型截面則不同，必須采取適當(dāng)?shù)呐R時(shí)安裝措施以防止破壞。 2 A、B型截面的剛度較C型截面大，由于A、B型截面為正三角形，上小下大，重心低，不僅使用時(shí)較穩(wěn)定，運(yùn)輸和堆放也較方便。C 型19 3A、B型截面的上弦角鋼在屋架平面內(nèi)呈一直線，而C型截面為了減小支座寬度，需將兩根上弦桿角鋼在屋架支座附件上弦桿平面內(nèi)彎折，使上弦桿在屋架平面外構(gòu)成梭形，施工較麻煩。 實(shí)際工程中A

16、、B型截面較C型截面使用較多，尤其是A 型截面。 屋面板在 A、B 型截面屋架上弦桿上的擱置長度較小，故對屋面板的安裝精度要求較高。 鋼筋混凝土屋面板在屋架上的凈支撐長度不應(yīng)小于50mm，所以A型截面屋架上弦桿角鋼不宜小于906 ；B型截面屋架上弦桿角鋼不宜小于636；C型截面屋架上弦桿角鋼不宜小于505。 腹桿采用等節(jié)間距離、變高度的V型腹桿，在其中部設(shè)水平矩形箍，以減小腹桿的計(jì)算長度。C型截面上弦桿 20 矩形箍對梭形屋架的受壓腹桿起著極其重要作用。 試驗(yàn)表明，各受壓腹桿存在一些次彎矩，次彎矩的存在對壓桿、尤其對細(xì)長壓桿的穩(wěn)定性有不利影響。 矩形箍的設(shè)置可減小次彎矩和一些壓桿的計(jì)算長度，因

17、而增加了腹桿的穩(wěn)定性。 試驗(yàn)還表明，矩形箍在增加腹桿穩(wěn)定性的同時(shí)，還提高了整個(gè)屋架的承載力，設(shè)置矩形箍的屋架的承載力較不設(shè)矩形箍的屋架的承載力提高一倍以上。 5-4.3 屋架的內(nèi)力分析與計(jì)算 1屋架內(nèi)力計(jì)算方法： 按空間桁架建立模型，通過計(jì)算機(jī)分析得到各桿內(nèi)力 和支座反力，計(jì)算結(jié)果接近于實(shí)際受力情況。 按空間剛架建立模型計(jì)算，該方法考慮了節(jié)點(diǎn)的剛接 作用，計(jì)算結(jié)果與上一種方法接近。21 將梭形屋架的空間結(jié)構(gòu)近似地按假想平面桁架計(jì)算。 如圖所示，向三角拱屋架斜梁的分析一樣，將兩片桁架都投影到鉛垂面上作為平面桁架計(jì)算，然后再將計(jì)算結(jié)果平均分配到兩片桁架的各桿上。 此種方法計(jì)算結(jié)果，腹桿內(nèi)力偏小，對

18、矩形箍的零桿假定與實(shí)際情況有出入，故構(gòu)造上必須保證矩形箍有一定的剛度，以使其對腹桿起到支點(diǎn)的作用。 2根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行桿件截面計(jì)算。 上弦桿的計(jì)算 A型截面上弦桿： 屋架上弦桿與屋面板形成一整體，故可不考慮屋面板產(chǎn)生的節(jié)間荷載引起的彎矩，按軸心受壓構(gòu)件計(jì)算上弦桿在屋架平面內(nèi)的穩(wěn)定性。hP 假想的平面桁架22 B、C型截面上弦桿： 上弦桿由節(jié)間荷載產(chǎn)生的彎矩可按簡支梁算得的彎矩乘以調(diào)整系數(shù)， 即： 端節(jié)間正彎矩M1=0.8M0 其余節(jié)間正彎矩和節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩 M2=0.6M0 式中：M0：以節(jié)間長度為跨度的簡支梁的最大彎矩。 B、C型截面上弦桿按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算。 當(dāng)屋面板與屋架上弦桿連接可靠，能阻止上弦桿側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)時(shí)，可僅計(jì)算其強(qiáng)度和彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性。 當(dāng)屋面板與屋架上弦桿連接不能阻止上弦桿側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)時(shí)，B 型截面屋架需計(jì)算T形截面上弦桿在屋架平面內(nèi)、外的穩(wěn)定性；C型截面屋架需按壓彎構(gòu)件計(jì)算上弦桿單角鋼的