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(shè)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(shè)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(jì)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(shè)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(dāng)屋面材料采用預(yù)應(yīng)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(dāng)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(shè)計時應(yīng)根據(jù)建筑物使用要求、結(jié)構(gòu)特性、材料供應(yīng)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?！?.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(fēng)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(shè)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(dāng)荷載反向作用時(如風(fēng)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(xì)比和構(gòu)造要求而定。支撐構(gòu)件與屋架的連接，應(yīng)力求構(gòu)造簡單，安裝方便?！?.4鋼檁條設(shè)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(yīng)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(qiáng)度檁條承受雙向彎曲時，按下列公式計算強(qiáng)度：

檁條僅承受單向彎曲時，應(yīng)按下式計算強(qiáng)度：

2.整體穩(wěn)定

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

如檁條之間設(shè)有拉條，則可不驗算整體穩(wěn)定。

3.剛度

單跨簡支檁條（當(dāng)有拉條時）：

當(dāng)不設(shè)拉條時，應(yīng)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(yīng)取其標(biāo)準(zhǔn)值。

§8.5鋼屋架設(shè)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(yīng)與屋面材料所要求的排水坡度相適應(yīng)。②屋架的外形盡可能與其彎矩圖相適應(yīng)，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(yīng)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(shè)有天窗或懸掛式起重運輸設(shè)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?，其計算跨度取決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(jì)、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(guān)，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(shè)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(dāng)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(guān)系求得。

圖8-10屋架的計算跨度

二、鋼屋架桿件設(shè)計及內(nèi)力計算

桿件設(shè)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(dāng)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(yīng)按下式計算：

l0y=l1(0.75+0.25N1/N2)

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)按下列規(guī)定采用。壓桿：

①

當(dāng)相交的另一桿受拉，且兩桿的交叉點均不中斷：l0=0.5l；

②

當(dāng)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(xì)比鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中對壓桿和拉桿規(guī)定了容許的最大長細(xì)比，稱為容許長細(xì)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(xì)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(yīng)取截面的最小回轉(zhuǎn)半徑計算桿件在斜面上的最大長細(xì)比，即：

表8-3桁架桿件的容許長細(xì)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(yīng)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(dāng)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(qiáng)度要求穩(wěn)定性要求長細(xì)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(fēng)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(yīng)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(shè)計時應(yīng)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(shè)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(yīng)伸出弦桿肢背10～15mm，應(yīng)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(yīng)該盡量簡單而有規(guī)則，最好設(shè)計成矩形、平行四邊形等，角鋼的切斷面應(yīng)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(yán)重的應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(shè)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(dān)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(dāng)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(yīng)承受的力和分別計算，當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)拼接節(jié)點處有外荷載作用時，則應(yīng)按此較大值與外荷載的合力進(jìn)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(qiáng)支座底板