屋蓋系統(tǒng)課件

7鋼屋蓋本章主要講述鋼屋蓋結構的組成和分類、普通鋼屋架的形式、尺寸和設計計算方法以及鋼屋架的施工圖，并簡述了輕型鋼屋架的基本知識，在學習過程中應主要掌握下列內容：

(1)掌握鋼屋蓋結構的組成，各組成部分的分類、作用和布置；

(2)掌握常用鋼屋架的形式、尺寸，區(qū)別不同形式屋架的性能和適用范圍；

本章提要

(3)了解鋼屋蓋中支撐的布置方法和所起作用；

(4)掌握普通鋼屋架的設計計算方法和構造要求；

(5)能看懂鋼屋架施工圖紙，并能繪制簡單施工圖；

(6)了解輕鋼屋架的基本知識。

本章內容7.1

鋼屋蓋結構的組成和分類7.2

鋼屋架的形式和尺寸7.3

鋼屋蓋的支撐系統(tǒng)7.4

鋼屋架的設計計算7.5

鋼屋架施工圖7.6

普通鋼屋架設計計算實例7.7

輕型鋼屋架

(4)

托架和天窗架屋架的跨度和間距取決于柱網布置，而柱網布置則根據建筑物工藝要求和經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7.2。圖7.1單層廠房結構圖7.2天窗架的形式根據屋面材料和屋面結構布置情況的不同，鋼屋蓋可分為無檁屋蓋和有檁屋蓋兩種(圖7.3)。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；當屋面材料采用瓦楞鐵皮、石棉瓦、波形鋼板和鋼絲網水泥板等時，屋面荷載要通過檁條傳給屋架，這種體系稱為有檁屋蓋。7.1.2分類圖7.3屋蓋結構布置(a)有檁屋蓋；(b)無檁屋蓋

(1)

屋架的跨度主要是根據工藝和建筑要求來確定，普通鋼屋架常見跨度為18m、7m、24m、27m、30m、36m等。鋼屋架計算跨度的確定：簡支于柱頂的鋼屋架，其計算跨度取決于屋架支反力間的距離。如圖7.4所示。

(2)

屋架的高度取決于經濟、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。7.2.3屋架的主要尺寸

屋架高度確定的主要程序：

①根據屋架的形式和設計經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三角函數或投影關系求得。圖7.4屋架的計算跨度

從經濟和剛度的要求來看，三角形屋架的跨中高度一般取l/4～l/6；梯形屋架的跨中高度一般取l/6~l/10,其中l(wèi)為屋架的跨度。跨度越大，此比值越小。屋面荷載越大，則此比值越大。從運輸條件來看，屋架的高度一般不應超過3.8m。梯形屋架端部高度一般不宜小于l/18，陡坡梯形屋架的端部高度一般為500～1000mm，平坡梯形屋架端部高度一般為1800～700mm，當屋架跨度較小時，取下限值。屋架跨度越大，其端部高度的取值應越大。7.2.4構造要求7.3鋼屋蓋的支撐系統(tǒng)

(1)

保證屋蓋結構的幾何穩(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)

保證結構在安裝和架設過程中的穩(wěn)定性7.3.1屋蓋支撐作用圖7.5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)天窗架側豎桿垂直支撐

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，截面尺寸大多根據桿件的容許長細比和構造要求而定。支撐構件與屋架的連接，應力求構造簡單，安裝方便。7.3.3支撐的計算和構造作用在屋架節(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7.6所示，sd陰影范圍內的屋面荷載)。(1)

永久荷載包括屋面材料和檁條、支撐、屋架、天窗架等結構的自重。(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。7.4.1.2屋架上的荷載屋架內力應根據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。(1)

軸向力屋架各桿件的軸向力可用圖解法或數解法(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

。7.4.1.3內力計算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7.7)，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屈曲；另一種是在屋架平面外屈曲。(1)

平面內的計算長度

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=0.8l。7.4.2屋架桿件設計(2)

平面外的計算長度

①弦桿平面外的計算長度l0y等于側向固定點間的距離。

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)圖7.7桿件截面的主軸表7.2桁架弦桿和單系腹桿的計算長度l0

項次彎曲方向弦桿腹桿支座斜桿和支座豎桿其他腹桿123在桁架平面內在桁架平面外斜平面ll1-lll0.8ll0.9l7.4.2.2桿件的容許長細比鋼結構設計規(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7.3。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半徑imin計算桿件在斜面上的最大長細比，即：表7.3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構

直接承受動力荷載的結構

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

150350250250輕鋼屋架的主要桿件－－天窗構件

－屋蓋支撐桿件

200400350－輕鋼屋架的其他桿件

3507.4.2.3桿件的截面形式與構造(1)

截面形式見表7.4(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。(3)

截面計算(表7.5)表7.4鋼屋架的桿件截面形式表7.5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/φA≤fλ≤［λ］An≥N/φf拉桿σ=N/An≤f—λ≤［λ］An≥N/f(1)

節(jié)點的構造要求

①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。

③考慮焊縫質量，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(圖7.8)。7.4.3屋架節(jié)點設計

④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、梯形或平行四邊形等，切忌出現(xiàn)凹角，防止嚴重的應力集中。(2)

節(jié)點的計算節(jié)點設計時，首先要根據連接桿件的內力確定出焊縫的焊角尺寸和長度，然后再根據節(jié)點上各桿件的焊縫長度確定節(jié)點板的合理形式和平面尺寸。

①下弦中間節(jié)點(圖7.9)

②上弦中間節(jié)點，有檁(圖7.10)與無檁(圖7.11)不同，腹桿與節(jié)點板的連接與下弦中間節(jié)點相同。

③拼接接點

屋架的弦桿的拼接有工廠拼接和工地拼接。

屋架的弦桿的拼接有工廠拼接和工地拼接。工廠拼接往往是由于角鋼長度不夠而設，宜設于桿力較小的節(jié)間；工地拼接多是由于運輸條件或安裝條件的限制而做接頭，通常放在跨中節(jié)點上。弦桿一般用連接角鋼拼接，先通過螺栓定位，再進行焊接。弦桿與拼接角鋼連接焊縫的計算如圖7.12。下弦桿與節(jié)點板的連接焊縫的計算如圖7.13。上弦桿與節(jié)點板的連接焊縫的計算如圖7.14。④支座節(jié)點(圖7.15)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剛度，以便均勻傳遞支座反力并增強節(jié)點板的側向剛度。

支座節(jié)點的傳力路線是：屋架桿件的內力會交后通過連接焊縫傳給節(jié)點板，然后經節(jié)點板和加勁肋把力傳給底板，最后傳給柱子。底板計算：支座底板所需凈面積為：An=R/fcc毛面積為：A=An+A0支座底板厚度為：t≥√6M/f

加勁肋的計算:加勁肋的厚度取與節(jié)點板的厚度相同；高度由節(jié)點板尺寸，按構造確定。加勁肋與節(jié)點板的連接焊縫：每塊加勁肋承受屋架支座反力R的1/4，為偏心受力。

焊縫受剪：V=R/4；焊縫受彎：M=Rlw/8每塊加勁肋與支座節(jié)點板的連接焊縫按下式計算：

支座節(jié)點板、加勁肋與支座底板的水平連接焊縫，按下式計算：節(jié)點板與底板

加勁肋與底板屋架與柱的剛接構造如圖7.16所示。圖7.8節(jié)點板形狀對焊縫受力的影響(a)正確；(b)不妥圖7.9下弦中間節(jié)點圖7.10無檁屋架上弦中間節(jié)點圖7.11有檁屋架上弦中間節(jié)點圖7.12弦桿與拼接角鋼連接圖7.13下弦桿與節(jié)點板連接圖7.14上弦桿與節(jié)點板連接圖7.15屋架的支座節(jié)點圖7.16屋架與柱剛性連接的支座節(jié)點7.5鋼屋架施工圖

施工圖主要包括：屋架正面詳圖、上弦和下弦平面圖，必要數量的側面圖和零件圖。當屋架為對稱時，可繪制半榀屋架。

圖7.17為某一鋼屋架施工圖詳圖。鋼屋架施工圖的繪制的主要內容和基本要求：

(1)

圖紙的左上角繪制整榀屋架的簡圖，左半跨注明屋架的幾何尺寸，右半跨注明桿件的設計內力。

(2)

圖紙的正中為屋架詳圖及上、下弦平面圖，必要數量的側面圖和零件圖。

(3)

右上角繪制材料表，把所有桿件和零件的編號、規(guī)格尺寸、數量、重量和整榀屋架的重量填入表中。

(4)

鋼屋架施工圖可以采用兩種比例繪制，屋架軸線一般用1∶20～1∶30的比例尺，桿件截面和節(jié)點尺寸采用1∶10～1∶15的比例尺。

(5)

施工圖上應注明屋架和各構件的主要幾何尺寸。

(6)

在施工圖中應全部注明各零件的型號和尺寸。

(7)

跨度較大的屋架，在自重及外荷載作用下將產生較大的撓度，特別當屋架下弦有吊平頂或懸掛吊車荷載時，則撓度更大，這將影響結構的使用和有損建筑的外觀。

(8)

施工圖上還應加注必要的文字說明，包括鋼材的鋼號，焊條型號，加工精度和質量要求，圖中未注明的焊縫和螺栓孔的尺寸，以及防銹處理的要求等等。圖7.17某一鋼屋架施工圖7.6普通鋼屋架設計計算實例建筑跨度為18m，端部高度1.99m，跨中高度2.89m，屋面坡度i=1/10，屋架間距為6m，屋架兩端支承在鋼筋混凝土柱上。屋架上、下弦設有橫向支撐和垂直支撐，布置如圖7.18所示。7.6.1設計資料（設計一梯形鋼屋架）圖7.18屋架支撐布置圖(1)

永久荷載預應力混凝土大型屋面板：1.2×1.4=1.68kN/m2二氈三油防水層加找平層：1.2×0.7=0.84kN/m2

80mm厚泡沫混凝土保溫層：1.2×0.5=0.60kN/m2屋架自重和支撐自重按經驗公式(跨度L=18m)：

Pw=0.12+0.011L=0.12+0.011×18=0.32kN/m2

1.2×0.32=0.384kN/m2

7.6.2荷載計算(2)

可變荷載屋面雪荷載與活荷載不同時出現(xiàn)，取較大者

1.4×0.30=0.42kN/m2(3)

荷載組合永久荷載+可變荷載為主要荷載組合，屋架上弦節(jié)點荷載為：

P=［(1.68+0.84+0.60+0.384)+0.42］×1.5×6=35.316kN另兩種荷載組合為永久荷載+半跨可變荷載;永久荷載+半跨屋面重+半跨施工荷載。桁架桿件的內力在單位力作用下用圖解法(圖7.19)求得如下：屋架各桿件內力如圖7.20所示。7.6.3內力計算（表7.7）表7.7桿件內力計算圖7.19屋架內力圖解圖7.20屋架各桿件的內力圖(單位：kN)

(1)

上弦桿截面選擇

(2)

下弦桿截面選擇

(3)

支座豎桿截面選擇

(4)

支座斜桿截面選擇

(5)

斜桿②－③截面選擇

(6)

豎桿③-④截面選擇

(7)

斜桿④-⑤截面選擇

(8)

斜桿⑤-⑥截面選擇

(9)

豎桿⑥-⑦截面選擇7.6.4截面選擇

(10)

斜桿⑦-⑧截面選擇

(11)

斜桿⑧-⑨截面選擇

(12)

豎桿⑨-10截面選擇

(1)下弦節(jié)點i設計節(jié)點i如圖7.7

(2)下弦節(jié)點j設計節(jié)點j如圖7.22

(3)下弦節(jié)點k設計節(jié)點k如圖7.23

(4)支座節(jié)點h設計支節(jié)點h如圖7.24

①

支座底板計算

②加勁肋與節(jié)點板的連接焊縫計算

③節(jié)點板、加勁肋與底板的連接焊縫計算

④下弦桿與支座斜桿和豎桿焊縫計算7.6.5節(jié)點設計

(5)

上弦節(jié)點b設計上弦節(jié)點b如圖7.25

(6)

上弦節(jié)點d、f設計上弦d、f節(jié)點如圖7.26

(7)

上弦節(jié)點a、c、e設計上弦節(jié)點a、c、e如圖7.27

(8)

上弦節(jié)點g設計上弦節(jié)點g如圖7.28

圖7.7節(jié)點i詳圖圖7.22節(jié)點j詳圖圖7.23節(jié)點k詳圖圖7.24支座節(jié)點h詳圖圖7.25上弦節(jié)點b詳圖圖7.26上弦d、f節(jié)點詳圖圖7.27上弦節(jié)點a、c、e詳圖圖7.28上弦節(jié)點g詳圖屋架各桿件的墊板間距，在受壓桿件中不大于40i，在受拉桿件中不大于80i，T形截面中的i為一個角鋼對平行于墊板自身重心軸的回轉半徑，在十字形截面中為一個角鋼的最小回轉半徑。計算結果如表7.9所示。7.6.6墊板計算表7.9桿件墊板規(guī)格計算7.7輕型鋼屋架輕型鋼屋架常見的有圓鋼輕型鋼屋架，小角鋼輕型鋼屋架和薄壁型鋼屋架。輕型鋼屋架主要有三角形屋架、三鉸拱屋架和梭形屋架等三種，其中最常用的是三角形屋架。三角形屋架和三鉸拱屋架的屋面坡度較大，通常取1/2～1/3。輕型鋼屋架適用于跨度≤18m，柱距4～6m，設置有起重量≤5t的中、輕級工作制橋式吊車的工業(yè)建筑和跨度≤18m的民用房屋的屋蓋結構。7.7.1概述常用的三角形輕型鋼屋架為芬克式(圖7.29)，其特點為長桿受拉，短桿受壓，結構受力比較合理，制作亦方便，可以分為兩個運輸單元。