鋼屋架設(shè)計：桁架與屋蓋

第三章桁架與屋蓋2/5/20231浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室內(nèi)容1.1鋼桁架概述1.2屋蓋的組成及主要平面尺寸1.3屋架1.4屋架的支撐系統(tǒng)1.5實腹式檁條設(shè)計1.6桁架桿件的計算長度和容許長細比1.7桁架桿件的截面形式、節(jié)點板厚度和角鋼間的填板1.8桁架桿件的截面設(shè)計1.9桁架的節(jié)點設(shè)計1.10屋架的施工詳圖2/5/20232浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室1.1鋼桁架概述2/5/20233浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室平面桁架與空間桁架2/5/20234浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室構(gòu)件截面與節(jié)點形式2/5/20235浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/20236浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室1.2屋蓋的組成及主要平面尺寸1，屋蓋組成2，屋面系統(tǒng)：有檁體系，無檁體系（屋面材料等等）3，屋架的名義跨度和計算跨度4，屋架間距5，屋蓋平面尺寸2/5/20237浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋蓋的組成屋架，支撐系統(tǒng)，屋面系統(tǒng)2/5/20238浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/20239浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋面系統(tǒng)有檁體系，無檁體系2/5/202310浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋架的名義跨度和計算跨度兩相鄰柱列定位軸線間的距離為屋架的名義跨度L屋架左右兩支座中心線間的距離為屋架的計算跨度l。計算跨度常取名義跨度減去300mm2/5/202311浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋架間距一般應(yīng)由設(shè)計人員按經(jīng)濟要求確定。當屋架間距增大，所有縱向構(gòu)件如檁條等因跨度加大而需增大其截面；但在一定建筑面積下，屋架和支柱（包括柱基礎(chǔ)）數(shù)目則可減少，利用求極值的數(shù)學(xué)方法理論上可求得使整個屋蓋和支柱用鋼量最少或工料最省時的屋架經(jīng)濟間距

實際設(shè)計時屋架間距l(xiāng)約為屋架跨度的1/3~1/5常用間距：6m，壓型鋼板屋面：6～12m2/5/202312浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋蓋平面尺寸當區(qū)段長度超過某規(guī)定值時，需設(shè)置伸縮縫。最常用的設(shè)置方法是在伸縮縫處設(shè)置雙柱。2/5/202313浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202314浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室1.3屋架1，平面桁架的外形及主要尺寸2，平面桁架的腹桿體系2/5/202315浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室平面桁架的外形三角形、梯形、平行弦、人字行、多邊形2/5/202316浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室上弦坡度主要由屋面材料確定：1）波形石棉瓦屋面要求屋面坡度，瓦楞鐵屋面要求，若這種屋面的坡度過小，易造成漏雨，因此常需選用三角形屋架。2）油氈防水屋面則要求≤，因此常用的梯形屋架3）近來常被采用的長尺壓型鋼板屋面，則可用于時，因而常選用梯形屋架和接近于平行弦的屋架。2/5/202317浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋架的適用跨度平面桁架作為兩端簡支的受彎構(gòu)件在滿跨均布荷載作用下，彎矩圖形為一拋物線，其上、下弦桿主要承受桁架截面上的彎矩，而腹桿則主要承受桁架截面上的剪力。三角形屋架外形與拋物線形差別較大，因而其弦桿各節(jié)間的內(nèi)力很不均勻，屋架端部高度小，該處節(jié)間的內(nèi)力最大，因弦桿截面常按整根弦桿的最大內(nèi)力選用，造成弦桿截面鋼材的增加，故跨度較大時選用三角形屋架是不經(jīng)濟的，其常用跨度宜在24～27m以下。梯形屋架因為外形接近于拋物線形，則弦桿各節(jié)間中的內(nèi)力最為均勻。加之剛度也較好，常用跨度可達36m左右平行弦屋架弦桿內(nèi)力不及梯形屋架均勻，但其腹桿長度一致，桿件類型少，節(jié)點構(gòu)造統(tǒng)一，便于制造，是其優(yōu)點。屋架外形圖與彎矩圖的比較2/5/202318浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋架的高跨比對三角形屋架，1/4~1/6。與柱剛接的梯形屋架的端部高度常取跨度的（常用端部高度2m左右），端彎矩愈大，比值可取大；跨度愈大，比值可取小些。高跨比：1/6-1/10。與柱鉸接的梯形屋架的常用端部高度2m左右，保證連續(xù)性。平行弦桁架的經(jīng)濟高度常為其跨度1/15的左右。2/5/202319浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室平面桁架的腹桿體系布置原則1.提供承受荷載的節(jié)點，盡可能使荷載都作用在節(jié)點上而使桁架的弦桿都是軸心受力構(gòu)件；2.使荷載傳遞至支座的路線最短，以減少腹桿的總長度和節(jié)點數(shù)目；3.對非人字形的腹桿體系，應(yīng)使長腹桿受拉，短腹桿受壓。對人字形腹桿體系，宜使斜腹桿的傾角在35°～55°范圍內(nèi)。目的都是減小腹桿的截面積。2/5/202320浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室1.4屋架的支撐系統(tǒng)1，橫向支撐2，縱向支撐3，垂直支撐4，系桿5，支撐系統(tǒng)與屋架的連接節(jié)點2/5/202321浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室支撐系統(tǒng)圖2/5/202322浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202323浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202324浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室支撐系統(tǒng)作用保證桁架結(jié)構(gòu)的空間幾何穩(wěn)定性，及幾何形狀不變保證桁架結(jié)構(gòu)的空間剛度和空間整體性為桁架弦桿提供必要的側(cè)向支撐點承受并傳遞水平荷載保證結(jié)構(gòu)安裝的穩(wěn)定和方便防止構(gòu)件在動力荷載作用下產(chǎn)生較大的振動2/5/202325浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室橫向支撐——布置在屋架上下弦和天窗架上弦平面功能:1，對保證上弦桿的側(cè)向穩(wěn)定性有著重要的作用。2，傳遞作用在房屋山墻上的縱向水平風(fēng)荷載的作用。3，在傳力平面增加屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度橫向支撐一般應(yīng)設(shè)置在房屋兩端（或溫度伸縮縫區(qū)段兩端）的第一個柱間或第二柱間，兩道橫向支撐的間距不宜超過60m。2/5/202326浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202327浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室縱向支撐——布置在屋架上弦或下弦功能:1.與橫向支撐一起形成一水平剛性盤，增加房屋的整體剛度；2.當房屋為工廠車間并設(shè)有吊車時，在吊車橫向制動力作用下使框架起空間作用，可減輕受荷較大的框架所受水平荷載和產(chǎn)生的水平變形；3.當有托架時，可保證托架的側(cè)向穩(wěn)定。布置位置：縱向支撐僅當房屋的跨度和高度較大或房屋為廠房并設(shè)有壁行吊車或有較大振動設(shè)備（如鍛壓車間）因而對房屋的整體剛度要求較高時始設(shè)置之。對梯形屋架，縱向支撐常設(shè)在屋架的下弦平面，而對三角形屋架則常設(shè)在上弦平面，與橫向支撐構(gòu)成環(huán)路。2/5/202328浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202329浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202330浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室垂直支撐：布置在屋架間和天窗架間垂直支撐的作用是：1.保持屋架側(cè)向的幾何穩(wěn)定性；2.下弦無橫向支撐時，作為下弦系桿的支點；3.傳遞山墻所受縱向風(fēng)荷載等至屋架支柱；4.保證吊裝屋架時的穩(wěn)定和安全。布置位置：垂直支撐只設(shè)在有橫向支撐的同一柱間的屋架上，對跨度L≤30m的梯形屋架和跨度L≤24m的三角形屋架，通常只在跨度中點設(shè)置一道中間垂直支撐；當跨度大于上述情況時，則需在跨度中間設(shè)置兩道垂直支撐。此外，在梯形屋架兩端則不論跨度大小均需設(shè)置垂直支撐。2/5/202331浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202332浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室垂直支撐形式2/5/202333浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室系桿2/5/202334浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室支撐系統(tǒng)與屋架的連接節(jié)點2/5/202335浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202336浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室1.5屋蓋設(shè)計的內(nèi)容和屋架的內(nèi)力計算2/5/202337浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋蓋設(shè)計內(nèi)容1.結(jié)構(gòu)方案的確定和結(jié)構(gòu)布置例如選定屋蓋的組成，確定屋架的間距、形式和腹桿體系，布置各種支撐系統(tǒng)等；2.檁條設(shè)計；3.屋架的內(nèi)力分析包括屋架荷載的計算、內(nèi)力分析及內(nèi)力組合等；4.屋架桿件截面設(shè)計包括鋼材牌號、桿件截面形式和尺寸的選用，強度和穩(wěn)定計算等；5.屋架節(jié)點設(shè)計包括各個節(jié)點中的連接計算和構(gòu)件的拼接等；6.施工詳圖的繪制包括材料表的編制。2/5/202338浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋架的荷載永久荷載：包括屋面材料、保溫材料、檁條及屋架（包括支撐及天窗）的自重。屋面均布可變荷載雪荷載風(fēng)荷載其他荷載（吊頂，積灰）2/5/202339浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋架的內(nèi)力計算計算假定：1.所有荷載都作用在節(jié)點上；2.所有桿件都是等截面直桿；3.各桿軸線在節(jié)點處都能相交于一點；4.所有節(jié)點均為理想鉸接。在這些假設(shè)下，桁架桿件就只承受軸心拉力或壓力。2/5/202340浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋架內(nèi)力包括：構(gòu)件的軸力，和有節(jié)間荷載時的上弦彎矩桿件軸力由節(jié)點荷載計算，節(jié)點荷載包括所有荷載，就是屋面水平投影計算的荷載。上弦彎矩由節(jié)間荷載計算，節(jié)間荷載應(yīng)從屋面水平投影計算的荷載中應(yīng)扣除屋架自重再加上屋架上弦桿的自重，在上弦桿的截面尚未知道時，可取上弦桿的自重為屋架和支撐自重估計值的1/4~1/5。2/5/202341浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202342浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202343浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202344浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室屋架的內(nèi)力組合三角形屋架荷載組合：1.2全跨恒荷載+1.4全跨活荷載梯形屋架荷載組合：1.2全跨恒荷載+1.4全跨活荷載（左、右）1.2全跨恒荷載+1.4半跨活荷載（左、右）1.2全跨屋架及支撐自重+（1.2半跨屋面板自重+1.4半跨活荷載）（左、右）2/5/202345浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室1.6桁架桿件的計算長度和容許長細比2/5/202346浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室桁架平面內(nèi)計算長度弦桿和支座斜桿（支座豎桿）在桁架平面內(nèi)的計算長度系數(shù)均取1.0對單系腹桿（即無中間節(jié)點的腹桿），其上端與受壓弦桿相連，對其轉(zhuǎn)動約束影響不大，而其下端則與剛度較大的受拉弦桿相連，對其轉(zhuǎn)動約束的影響較大。取0.8，非單系腹桿（即有中間節(jié)點的腹桿），其在桁架平面內(nèi)的計算長度應(yīng)取節(jié)點中心間距離。在桁架交叉腹桿所在平面內(nèi)，計算長度應(yīng)取節(jié)點中心到交叉點間的距離；注意：只有一端與受壓的上弦相連，一端與受拉的下弦相連的腹桿（支座斜桿與支座豎桿除外）取0.8。2/5/202347浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202348浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室桁架平面外計算長度在桁架平面外，弦桿的計算長度取其側(cè)向支承點的距離。所有單系腹桿在平面外的計算長度都等于其各自的幾何長度，。桁架弦桿側(cè)向支承點間距為節(jié)間長度2倍時弦桿的平面外計算長度：同樣適用再分式腹桿體系中的受壓主斜桿和K形腹桿體系的豎桿2/5/202349浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室桁架交叉腹桿所在平面外計算長度在桁架交叉腹桿所在平面外，當兩交叉桿的長度相等時，其計算長度按下列規(guī)定采用：2/5/202350浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室斜平面計算長度單角鋼截面和雙角鋼十字截面的腹桿，斜平面計算長度系數(shù)可取0.9對支座豎桿則取1.0。當確定交叉腹桿中單角鋼桿件，斜平面內(nèi)計算長度應(yīng)取節(jié)點中心至交叉點的距離。2/5/202351浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室桁架構(gòu)件計算長度2/5/202352浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室容許長細比2/5/202353浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202354浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室1.7桁架桿件的截面形式、節(jié)點板厚度和角鋼間的填板截面形式圖節(jié)點構(gòu)造節(jié)點板厚度（表，給出計算規(guī)范出處）角鋼間的填板2/5/202355浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室截面形式2/5/202356浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室節(jié)點構(gòu)造單節(jié)點板雙節(jié)點板無節(jié)點板2/5/202357浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室節(jié)點板厚度表9.1單節(jié)點板桁架和屋架的節(jié)點板厚度（mm）三角形屋架弦桿或梯形屋架（包括平行弦屋架）支座斜桿的最大內(nèi)力設(shè)計值（kN）<180181~300301~500501~700701~950951~12001201~15501551~2000中間節(jié)點板厚6～88101214161820支座節(jié)點板厚810121416182024注：表列厚度系按鋼材為Q235鋼考慮，當節(jié)點板為Q345鋼或其它低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼時，其厚度可較表列數(shù)值減小1～2mm，但板厚不得小于6mm。2/5/202358浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室在通常設(shè)計中仍可按上述表9.1選用節(jié)點板厚度而不經(jīng)計算。僅當遇到重要的節(jié)點或擬采用較表9.1規(guī)定的板厚為小的節(jié)點板時，可按規(guī)范的規(guī)定進行復(fù)核。2/5/202359浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室角鋼間的填板填板作用：格構(gòu)式構(gòu)件的綴板。設(shè)計規(guī)范GB50017中規(guī)定：用填板連接的雙角鋼（或雙槽鋼）構(gòu)件，可按實腹式構(gòu)件進行計算，但填板間的距離不應(yīng)超過下列數(shù)值：受拉構(gòu)件80i，受壓構(gòu)件40i受壓構(gòu)件除滿足外，在構(gòu)件的兩個側(cè)向支承點之間的填板數(shù)還應(yīng)不得少于2個。填板的尺寸：厚度：節(jié)點板厚度寬度：保證最小焊縫長度，可按構(gòu)造要求采用。高度：當為T形截面時，角鋼連接邊寬度+2（10~15）mm，即填板伸出角鋼連接邊每邊10~15mm；當為十字形截面時，填板不伸出角鋼輪廓以外，每邊縮進15~20mm，以布置焊縫。2/5/202360浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202361浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室1.8桁架桿件的截面設(shè)計注意9點（一）應(yīng)優(yōu)先選用厚度較薄的截面，使在相同用鋼量下截面具有較大的剛度（截面回轉(zhuǎn)半徑）。與此同時，還需注意規(guī)范中規(guī)定的最小截面。規(guī)范GB50017規(guī)定，在鋼結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件及其連接中不宜采用：厚度小于4mm的鋼板；厚度小于3mm的鋼管；截面小于∠45×4或∠56×36×4的角鋼（對焊接結(jié)構(gòu)），或截面小于∠50×5的角鋼（對螺栓連接的結(jié)構(gòu)）。2/5/202362浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室（二）凡需用C級螺栓與支撐桿件相連接的屋架桿件角鋼的邊長，應(yīng)注意其所能采用的螺栓最大直徑。連接支撐系統(tǒng)的C級螺栓直徑一般為d＝20mm，拼接處定位用的安裝螺栓直徑可用d＝16mm（直徑為18mm的螺栓為不常用規(guī)格，必要時才選用），相應(yīng)的角鋼開孔邊的最小邊長將為70mm和63m（參閱第5章表5.2）。（三）為減少拼接的設(shè)置，屋架弦桿的截面常根據(jù)受力最大的節(jié)間桿力選用。只當跨度較大（例如大于24m）、因角鋼供應(yīng)長度限制而必須設(shè)置拼接以接長時，可根據(jù)節(jié)間內(nèi)力變化在半跨內(nèi)改變截面一次。改變截面時宜改變角鋼的邊長而保持厚度不變，以利拼接。各種型號角鋼通常的供應(yīng)長度見角鋼的國家標準2/5/202363浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室（四）焊接屋架中，弦桿角鋼水平邊上連支撐構(gòu)件的螺栓孔的位置，若位于豎向節(jié)點板范圍以內(nèi)并距豎向節(jié)點板邊緣≥100mm時，考慮節(jié)點板的參與，計算弦桿凈截面時可不計孔對弦桿截面的削弱。否則應(yīng)考慮其影響。（五）由于屋架桿件在屋架平面內(nèi)和平面外的計算長度有的相同（例如支座斜桿），有的不同（例如一般單系腹桿和上、下弦桿），當采用以角鋼組成的T形截面時，應(yīng)根據(jù)圖9.18（b）所示相應(yīng)截面的值，盡可能使兩個方向的長細比與相接近，以獲得經(jīng)濟的截面。例如一般單系腹桿，此時宜選用兩等邊角鋼；又如弦桿的≥2，則宜選用長邊外伸的兩不等邊角鋼，但當上弦桿承受節(jié)間荷載時，宜改用兩個等邊角鋼；支座斜桿＝1.0，則宜選用短邊外伸的兩不等邊角鋼。選用截面時，最好能預(yù)先得知型鋼規(guī)格的供應(yīng)情況，據(jù)此選用，則不易造成制造時的截面替代而多費鋼材。2/5/202364浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室（六）當屋架豎桿的外伸邊需與垂直支撐相連接，則該豎桿宜采用由雙角鋼組成的十字截面。十字截面不但剛度大于T形截面，而且還可使垂直支撐對該豎桿的連接偏心為最小。此外當該豎桿位于屋架中央時還可使在工地吊裝時屋架的左、右端可以任意放置（如用T形截面，由于截面對桿件軸線為不對稱，屋架左、右端不能任意放置，否則各屋架中央豎桿截面的外伸邊將不在同一豎向平面）。2/5/202365浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室（七）單面連接的單角鋼截面，因連接偏心易使構(gòu)件受壓時彎扭失穩(wěn)，故只能用于跨度較小的桁架或桁架中受力較小、長度較短的次要腹桿。（八）為了便于備料，整榀屋架所用角鋼規(guī)格品種不宜超過5～6種。當兩種規(guī)格尺寸相近時，宜盡量使其統(tǒng)一，以減少規(guī)格數(shù)量。（九）屋架的弦桿可選用熱軋剖分T型鋼，此時腹桿可直接焊接在T型鋼的腹板上，省去節(jié)點板。2/5/202366浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室1.9桁架的節(jié)點設(shè)計節(jié)點設(shè)計時，構(gòu)造很重要，每種構(gòu)造都是為了保證使用方便，并確保力的安全傳遞，不同節(jié)點構(gòu)造有不同的傳力路徑。節(jié)點設(shè)計就是先根據(jù)受力特點確定節(jié)點構(gòu)造，再計算每一個傳力步驟，保證其滿足強度要求即可2/5/202367浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室點設(shè)計的步驟和一般設(shè)計原則畫出節(jié)點軸線，軸線交于一點。確定構(gòu)件的軸心線，依據(jù)軸線畫出構(gòu)件外輪廓切斷桿件布置焊縫確定節(jié)點板外形布置節(jié)點板與弦桿焊縫繪制節(jié)點大樣尺寸標注：桿端到節(jié)點距離節(jié)點板平面尺寸軸線到肢背距離角鋼邊長焊縫標注2/5/202368浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室2/5/202369浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室主要節(jié)點的設(shè)計一般節(jié)點a有集中荷載的上弦節(jié)點b下弦拼接節(jié)點c屋脊拼接節(jié)點d支座節(jié)點e2/5/202370浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室一般節(jié)點要求驗算：弦桿與節(jié)點板間的焊縫。由于弦桿在節(jié)點處是連續(xù)的，因此弦桿與節(jié)點板間的焊縫只需抵抗節(jié)點左右兩弦桿的內(nèi)力差2/5/202371浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室有集中荷載的上弦節(jié)點2/5/202372浙江大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究室主要受力：1）承受弦桿兩節(jié)間的內(nèi)力差，2）承受檁條傳給上弦桿的豎向節(jié)點荷載。