屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

-.z.屋蓋鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)第一節(jié)屋蓋構(gòu)造布置一、屋蓋構(gòu)造組成鋼屋蓋構(gòu)造組成：屋面板、檁條、屋架、托架、天窗架、支撐等構(gòu)件。屋架的跨度和間距取決于柱網(wǎng)布置，柱網(wǎng)布置取決于建筑物工藝要求和經(jīng)濟(jì)要求。屋架跨度較大：為了采光和通風(fēng)，屋蓋上常設(shè)置天窗。柱網(wǎng)間距較大，超出屋面板長(zhǎng)度：應(yīng)設(shè)置中間屋架和柱間托架，中間屋架的荷載通過(guò)托架傳給柱〔圖3－1〕。圖3―1屋蓋構(gòu)造組成屋架與屋架之間：布置支撐，增強(qiáng)屋架的側(cè)向剛度，傳遞水平荷載和保證屋蓋體系的整體穩(wěn)定。二、屋蓋體系分類(lèi)兩種屋蓋：無(wú)檁屋蓋和有檁屋蓋。無(wú)檁屋蓋：屋面荷載直接通過(guò)大型屋面板傳遞給屋架〔圖3－2〕。優(yōu)點(diǎn)：屋蓋橫向剛度大，整體性好，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便等；缺點(diǎn)：屋蓋自重大，不利于抗震，其多用于有橋式吊車(chē)的廠房屋蓋中。有檁屋蓋：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)水泥槽板等時(shí)，屋面荷載要通過(guò)檁條再傳遞給屋架〔圖3－3〕。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)件重量輕，用料??；缺點(diǎn)：屋蓋構(gòu)件數(shù)量較多，構(gòu)造較復(fù)雜，整體剛度較差。圖3－2無(wú)檁屋蓋體系圖3－3有檁屋蓋體系第二節(jié)屋蓋支撐體系一、屋蓋支撐作用主要作用：①保證屋蓋構(gòu)造的整體穩(wěn)定；②增強(qiáng)屋蓋的剛度；③增強(qiáng)屋架的側(cè)向穩(wěn)定；④承當(dāng)并傳遞屋蓋的水平荷載；⑤便于屋蓋的安裝與施工。屋架——屋蓋的主要承重構(gòu)造。需要用支撐連接屋架。長(zhǎng)的屋蓋構(gòu)造，在中間設(shè)置橫向支撐。橫向支撐——屋架弦桿的側(cè)向支承點(diǎn)，減小弦桿在平面外的計(jì)算長(zhǎng)度，減小動(dòng)力荷載作用下的屋架平面外的受迫振動(dòng)。屋蓋支撐將作用于山墻的風(fēng)荷載、懸掛吊車(chē)水平荷載及地震作用傳遞給房屋的下部支承構(gòu)造。鋼屋架安裝：首先吊裝有橫向支撐的兩榀屋架，將支撐和檁條與之連系形成穩(wěn)定體系，然后再吊裝其他屋架與之相連。二、屋蓋支撐布置五種屋蓋支撐：上弦橫向水平支撐、下弦橫向水平支撐、下弦縱向水平支撐、垂直支撐和系桿。1．上弦橫向水平支撐圖3－4屋蓋支撐布置在屋蓋體系中，一般都應(yīng)設(shè)置屋架上弦橫向水平支撐，包括天窗架的橫向水平支撐。上弦橫向水平支撐：布置在房屋兩端或在溫度縫區(qū)段的兩端的第一柱間或第二柱間。橫向水平支撐的間距≤60m，房屋長(zhǎng)度>60m，還應(yīng)另加設(shè)水平支撐。

2．下弦橫向水平支撐設(shè)置條件：屋架跨度＞18m；屋架跨度<18m，但屋架下弦設(shè)有懸掛吊車(chē)；廠房?jī)?nèi)設(shè)有噸位較大的橋式吊車(chē)或其他振動(dòng)設(shè)備；山墻抗風(fēng)柱支承于屋架下弦。設(shè)置位置：下弦與上弦橫向水平支撐應(yīng)在同一柱間內(nèi)，以便形成穩(wěn)定的空間體系。

3．下弦縱向水平支撐設(shè)置條件：設(shè)有重級(jí)工作制吊車(chē)或起重噸位較大的中、輕級(jí)工作制吊車(chē)；設(shè)有鍛錘等大型振動(dòng)設(shè)備；屋架下弦設(shè)有縱向或橫向吊軌；設(shè)有支承中間屋架的托架和無(wú)柱支撐的中間屋架；房屋較高，跨度較大，空間剛度要求高。設(shè)置位置：設(shè)在屋架下弦端節(jié)間內(nèi)，與下弦橫向水平支撐組成封閉的支撐體系，提高屋蓋的整體剛度。

4．垂直支撐垂直支撐作用：使相鄰兩榀屋架形成空間幾何不變體系保證側(cè)向穩(wěn)定的有效構(gòu)件。設(shè)置位置：設(shè)置在設(shè)有上弦橫向支撐的柱間內(nèi)；在屋架跨度方向還要根據(jù)屋架形式及跨度大小在跨中設(shè)置一道或幾道。梯形屋架：當(dāng)跨度≤30m時(shí)，應(yīng)在屋架跨中和兩端的豎桿平面內(nèi)各布置一道垂直支撐；當(dāng)跨度＞30m時(shí)，無(wú)天窗時(shí)，應(yīng)在屋架跨度1／3處和兩端的豎桿平面內(nèi)各布置一道垂直支撐，有天窗時(shí)，垂直支撐應(yīng)布置在天窗架側(cè)柱的兩側(cè)。三角形屋架：當(dāng)跨度≤24m時(shí)，應(yīng)在跨中堅(jiān)桿平面內(nèi)設(shè)置一道垂直支撐；當(dāng)跨度＞24m時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況布置兩道垂直支撐〔圖3－5〕。圖3－5垂直支撐布置屋架安裝時(shí)，每隔4～5個(gè)柱間設(shè)置一道垂直支撐，以保持安裝穩(wěn)定。

5．系桿系桿作用：充當(dāng)屋架上下弦的側(cè)向支撐點(diǎn)，保證無(wú)橫向支撐的其他屋架的側(cè)向穩(wěn)定。系桿：剛性系桿和柔性系桿。能承受壓力的為剛性系桿，只能承受拉力的為柔性系桿。設(shè)置位置：上弦平面內(nèi)，檁條和大型屋面板均可起剛性系桿作用，因而可在屋架的屋脊和支座節(jié)點(diǎn)處設(shè)置剛性系桿。下弦平面內(nèi)，可在屋架下弦的垂直支撐處設(shè)置柔性系桿。地震區(qū)應(yīng)按抗震標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定設(shè)置。三、屋蓋支撐的形式、計(jì)算和構(gòu)造形式：屋蓋支撐一般均為平行弦桁架形式〔圖3－6〕。腹桿采用十字穿插形式，一般用于上弦橫向、下弦橫向及下弦縱向水平支撐〔圖3－7a〕?？v向水平支撐桁架的節(jié)間，以組成正方形為宜，一般為6m×6m，或長(zhǎng)方形，如6m×3m。橫向水平支撐節(jié)點(diǎn)距離為屋架上弦節(jié)點(diǎn)距離的2~4倍。垂直支撐的腹桿形式可根據(jù)桁架的寬高比例確定。當(dāng)寬高較接近時(shí)，可用穿插斜桿〔圖3－7b〕；當(dāng)高度較小時(shí)，可用V式及W式斜桿〔圖3－7c，d〕，弦桿與斜桿間的交角為30°~60o。圖3－6平行弦桁架圖3－7屋蓋支撐形式桿件截面：屋蓋支撐受力較小，通?？砂慈菰S長(zhǎng)細(xì)比來(lái)選擇。穿插斜桿和柔性系桿按拉桿設(shè)計(jì)，可采用單角鋼；非穿插斜桿、弦桿、豎桿以及剛性系桿按壓桿設(shè)計(jì)，可采用雙角鋼組成十字形或T形截面。當(dāng)屋架跨度較大、房屋較高且根本風(fēng)壓也較大時(shí)，桿件截面應(yīng)按桁架體系計(jì)算出的內(nèi)力確定?？杉俣ㄔ谒借旒芄?jié)點(diǎn)上的集中風(fēng)力荷載作用下，穿插斜桿中的壓桿退出工作，僅由拉桿受力，這樣，使原來(lái)的超靜定體系簡(jiǎn)化為靜定體系〔圖3－8〕。圖中W為水平節(jié)點(diǎn)荷載，由風(fēng)荷載或吊車(chē)荷載引起。圖3－8水平荷載作用下支撐內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造：盡量簡(jiǎn)單方便。角鋼支撐與屋架一般用C級(jí)螺栓連接，螺栓用M20。在有重級(jí)工作制吊車(chē)或有較大振動(dòng)設(shè)備的廠房，除螺栓外，還應(yīng)加安裝焊縫，焊縫長(zhǎng)度≥80mm，焊腳尺寸≥6mm。當(dāng)采用圓鋼作支撐時(shí)，應(yīng)用花籃螺栓預(yù)加拉力將圓鋼拉緊。第三節(jié)檁條設(shè)計(jì)鋼檁條一般采用單跨簡(jiǎn)支，有實(shí)腹式和桁架式兩大類(lèi)。一、實(shí)腹式檁條實(shí)腹式檁條：構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造及安裝方便，常用于3～6m的跨度。截面形式：普通工字鋼〔因較重、不易安裝，用的不多〕、角鋼〔用于荷載跨度小的屋蓋〕、槽鋼〔常用〕和Z形〔為冷彎薄壁型鋼、省鋼〕〔圖3－9〕。檁條的截面高度取決于跨度、檁距和荷載大小等因素，一般取檁條跨度的1／35～1／50。圖3－9實(shí)腹式檁條截面形式實(shí)腹式檁條通過(guò)檁托與屋架上弦連接，檁托用短角鋼做成，先焊在屋架上弦，屋架吊裝就位后用螺栓或焊縫與檁條連接〔圖3－10〕。圖3－10實(shí)腹式檁條與屋架上弦的連接簡(jiǎn)支檁條：受力均勻，便于安裝。多跨靜定梁或連續(xù)梁：使跨中彎矩≈支座彎矩，可減少跨中彎矩。圖3－10-1檁條鉸點(diǎn)布置及鉸的構(gòu)造垂直于屋架坡度放置的檁條，在豎向荷載作用下，兩個(gè)主軸方向分別受到q*和qy作用〔圖3－11〕。按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，兩個(gè)方向彎矩為式中q——檁條承受的屋面荷載〔包括自重〕設(shè)計(jì)值，qy=qcosα，q*=qsinα；——檁條跨度；α——屋面傾斜角度。檁條受彎曲的強(qiáng)度驗(yàn)算公式：〔3－3〕式中Wn*，Wny——分別為對(duì)*－*軸和y－y軸的凈截面模量；γ*，γy——截面塑性開(kāi)展系數(shù)。圖3－11實(shí)腹式檁條計(jì)算簡(jiǎn)圖按彈性方法驗(yàn)算撓度。當(dāng)有拉條時(shí)，可只驗(yàn)算垂直于屋面坡度的撓度，當(dāng)無(wú)拉條時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算豎向總撓度。有拉條時(shí)撓度驗(yàn)算公式為〔3－4〕式中I*——截面對(duì)*－*軸的慣性矩；［ω］——容許撓度，對(duì)無(wú)積灰的瓦楞鐵、石棉瓦等屋面為l/150；對(duì)壓型鋼板、積灰的瓦楞鐵、石棉瓦等屋面為l／200；對(duì)其他屋面為l／200；——檁條所承當(dāng)?shù)奈菝婧奢d標(biāo)準(zhǔn)值。一般情況下，檁條截面的Wy比W*小得多，因此My即使很小產(chǎn)生的截面應(yīng)力很大，為減小My，應(yīng)沿屋面對(duì)檁條設(shè)置拉桿以減少檁條在最小剛度平面內(nèi)的計(jì)算跨度。假設(shè)屋面的連系有足夠的保證，檁條的整體穩(wěn)定不必驗(yàn)算。二、格構(gòu)檁條當(dāng)檁條的跨度較大〔＞6m〕時(shí)，應(yīng)考慮格構(gòu)檁條。格構(gòu)檁條三種：平面檁條、T形檁條和空間檁條〔圖3－12〕。圖3－12格構(gòu)檁條的形式

1．平面格構(gòu)檁條平面格構(gòu)檁條的上弦采用小角鋼或槽鋼，下弦用小角鋼或圓鋼，腹桿用圓鋼組成。這種檁條受力明確，用料省。下弦為拋物式檁條，中間節(jié)間必須設(shè)置斜桿，以防止檁條上弦在不對(duì)稱(chēng)荷載作用下產(chǎn)生過(guò)大的局部拱曲。平面格構(gòu)檁條側(cè)向剛度較差，必須設(shè)置拉條以減少側(cè)向彎矩。圖3－12-1平面格構(gòu)檁條

2．T形格構(gòu)檁條T形格構(gòu)檁條：側(cè)向剛度較大，屋蓋可不設(shè)拉條。T形格構(gòu)檁條由于上弦桿和腹桿不在同一平面，整體性較差，應(yīng)沿跨度全長(zhǎng)設(shè)置幾道鋼箍，跨度為3～4m時(shí)設(shè)3道，跨度為4～6m時(shí)設(shè)4道。鋼箍直徑d≥10mm的圓鋼。為固定腹桿平面與上弦平面，在上弦平面應(yīng)設(shè)置綴板或斜綴條。圖3－12-2T形格構(gòu)檁條

3．空間格構(gòu)檁條空間格構(gòu)檁條〔圖3－12c〕是由三個(gè)平面桁架組成的空間構(gòu)造，檁條橫截面為三角形。這種檁條側(cè)向剛度好，不必設(shè)置拉條，安裝方便，但費(fèi)工費(fèi)時(shí)，適用于跨度較大和荷載較大的情況。格構(gòu)檁條的節(jié)間劃分可根據(jù)計(jì)算確定，一般取40～60cm，檁條的高度一般為跨度的1／12～1／18，T形格構(gòu)檁條和空間格構(gòu)檁條上弦寬度為截面高度的1／l．5～1／2．0。腹桿與弦桿交角為40o~60o，45o最好。圖3－12-3空間格構(gòu)檁條

4．格構(gòu)檁條的計(jì)算平面格構(gòu)檁條可按靜定的平面桁架計(jì)算，各節(jié)點(diǎn)均假定為鉸接。計(jì)算時(shí)，將上弦的均布荷載換算成節(jié)點(diǎn)荷載，構(gòu)造力學(xué)方法計(jì)算桿件軸力，一般只需計(jì)算最大內(nèi)力，即跨中上、下弦桿內(nèi)力和支座處的腹桿內(nèi)力。上弦節(jié)間還應(yīng)計(jì)算由節(jié)間均布荷載引起的局部彎矩：在檁條平面內(nèi)簡(jiǎn)化計(jì)算：〔3－5〕式中，a為上弦節(jié)間長(zhǎng)度。在檁條平面外，當(dāng)有拉條時(shí)，拉條處的彎矩為〔3－6〕式中，為拉條間距。中部節(jié)間設(shè)置斜桿的下?lián)问綑_條中，上弦軸向力為：〔3－6-1〕式中，h——格構(gòu)檁條高度。下曲弦中的內(nèi)力為：〔3－6-2〕式中，β——曲弦端部的傾角。平面格構(gòu)檁條的豎桿和斜桿的內(nèi)力一般很小，可按允許長(zhǎng)細(xì)比選擇截面。

T形格構(gòu)檁條近似地將上弦兩個(gè)角鋼集中到腹桿平面內(nèi)后按平面格構(gòu)計(jì)算內(nèi)力?？臻g格構(gòu)檁條將空間桁架分解為高度等于h1和h2的兩榀平面桁架進(jìn)展計(jì)算，兩榀桁架的荷載分別為q1和q2，其值可根據(jù)總荷載按剛度進(jìn)展分配〔圖3－13〕：〔3－7〕〔3－8〕圖3－13空間格構(gòu)檁條的計(jì)算簡(jiǎn)圖上弦單肢角鋼的彎矩近似計(jì)算為式中，a為上弦節(jié)間長(zhǎng)度。下弦內(nèi)力等于兩榀平面桁架算得的下弦內(nèi)力之和。上弦按雙向壓彎驗(yàn)算其強(qiáng)度，同時(shí)按雙向壓彎構(gòu)件公式驗(yàn)算其整體穩(wěn)定。下弦按軸心受拉驗(yàn)算其強(qiáng)度。三、檁條的拉條檁條側(cè)向剛度小，為了給檁條提供側(cè)向中間支承，減小檁條沿屋面坡度方向的跨度，減少檁條在施工和使用階段的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)，除了側(cè)向剛度較大的空間桁架式檁條和T形桁架式檁條以外，在實(shí)腹式檁條和平面格構(gòu)檁條之間需設(shè)置拉條。拉條的布置原則：〔l〕檁條跨度為4～6m時(shí)，至少在跨中布置一道拉條〔圖3－14〕，跨度大于6m時(shí)宜布置兩道拉條〔圖3－15〕。圖3－14拉條的布置圖3－15斜拉條和直撐桿的布置〔2〕當(dāng)檁條間距較密時(shí)，斜拉條角度偏小，不能保證緊張作用