哈工大-輕型鋼結構5

第五章

輕型鋼屋架設計1共二十六頁§5.1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建筑物的使用要求、屋面材料、天窗(tiānchuāng)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(qīnɡxínɡ)鋼屋架按結構形式分為按所用的材料分為2共二十六頁

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9～18m，三角形薄壁型鋼屋架的跨度一般為12～24m；三角拱屋架和梭形屋架多用于無吊車的工業(yè)與民用建筑，三角拱屋架的跨度一般為9～18m；梭形屋架的跨度為9～15m，柱距3～4.2m；有一些(yīxiē)實際工程中已超出了上述范圍。常用的屋面材料和結構形式序號屋面材料坡度標志檁距（m）結構形式1纖維水泥小波瓦1/3～1/2.50.75三角形屋架三角拱屋架2纖維水泥中波瓦1/3～1/2.50.75，1.3（加筋）三角形屋架三角拱屋架3纖維水泥大波瓦1/3～1/2.51.3三角形屋架三角拱屋架3共二十六頁常用的屋面材料和結構形式(續(xù)上表(shànɡbiǎo))

序號屋面材料坡度標志檁距（m）結構形式4瓦楞鐵1/6～1/30.75三角形屋架（i<1/3時端節(jié)間弦桿宜彎折）5壓型鋼板1/6～1/4（短尺）1/20～1/10（長尺）按計算梯形屋架6鋼絲網水泥波形瓦1/31.5三角形屋架三角拱屋架7加氣混凝土屋面板1/12～1/8梭形屋架8發(fā)泡水泥復合板1/8～1/203～4.5（或無檁）三角形屋架梯形屋架4共二十六頁輕型鋼屋架桿件截面的大小根據計算確定，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9～18m，柱距6m，吊車噸位一般不超過5t，如超出上述范圍，設計中宜采取適當的措施，如增強支撐系統(tǒng)、加強屋面(wūmiàn)剛度等。截面形式上、下弦桿主要腹桿次要腹桿角鋼444圓鋼

φ14

φ14

φ14薄壁方管2.522薄壁圓鋼2.522附注：圓鋼不宜用作屋架的上弦桿5共二十六頁

三角形角鋼屋架的屋面荷載較輕，一般(yībān)情況下腹桿可采用小角鋼(小于∠45×4或∠56×36×4)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上無多大差異，即普通鋼屋架的設計方法對圓鋼、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、連接構造略有不同而已。當屋架下弦桿和腹桿采用單角鋼時，節(jié)點可采用下圖的做法。圖(a)對腹桿的尺寸和端部形狀要求較嚴，加工較難；圖(b)的節(jié)點做法，施工方便，但節(jié)點和桿件均有偏心，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，產生應力集中。（a）（b）（c）6共二十六頁三角形角鋼屋架具有用料省、自重輕、技術經濟指標好，節(jié)點構造簡單、制作安裝方便等優(yōu)點，屋架用鋼量為4～6kg/m2?！?-3三角拱屋架5-3.1屋架特點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(jiémiàn)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，但側向剛度較差，適用于跨度較小的屋蓋，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，制造較費工，但側向剛度較大，適用于跨度較大的屋蓋。（a）（b）7共二十六頁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。三角拱屋架的特點是桿件受力合理，斜梁的腹桿長度短，一般為0.6～0.8m，可以充分利用圓鋼和小角鋼，節(jié)約鋼材。由于節(jié)點不采用節(jié)點板連接，故存在節(jié)點偏心，設計中應予注意。三角拱屋架拱拉桿比較柔細，不能承壓，并且無法設置垂直支撐和下弦水平支撐，整個屋蓋結構的剛度較差，故不宜用于有震動荷載及跨度大于18m的工業(yè)建筑。

由于在風吸力作用下拱拉桿可能受壓，故用于開敞(kāichǎnɡ)式房屋或風荷載較大的房屋時，應進行詳細的計算。8共二十六頁5-3.2屋架內力分析可以采用下列方法計算屋架內力：1．將三角拱屋架按空間桁架建立模型，通過計算機分析得到各桿內力和支座反力。2．首先按結構力學方法求出支座反力，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力。①平面桁架式斜梁的內力分析如普通鋼屋架一樣計算斜梁桁架的內力。②空間桁架式斜梁的內力分析空間桁架式斜梁由兩個平面桁架組成(zǔchénɡ)，可采用下列兩種方法計算桿件內力：（a）將空間桁架分解為兩個平面桁架分別計算，

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，再按平面桁架進行內力計算。9共二十六頁

如圖所示空間桁架式斜梁計算簡圖，荷載P平均分配到兩片平面桁架的節(jié)點各P/2，然后在每一個平面桁架中再將豎向荷載P/2分解為兩個分力(fēnlì)P1和P2，計算平面桁架在P1作用下的桿件內力即可。此時單片平面桁架的高度為h1，桁架式斜梁下弦桿內力為所得每片桁架下弦桿內力之和。（b）按假想平面桁架進行計算，如圖所示，但此時的桁架高度應取其對鉛垂面的投影高度h，算出的上弦桿和腹桿的內力分別由兩根上弦桿或兩根腹桿承擔。P/2P/2P1P1P2P2hh1PPPPP/2P/2空間桁架式斜梁分解的平面桁架首先(shǒuxiān)把豎向節(jié)點hP假想的平面桁架10共二十六頁

5-3.3屋架的桿件截面1．斜梁平面桁架式斜梁的上弦桿采用兩個(liǎnɡɡè)角鋼組成的T型截面，空間桁架式斜梁的上弦桿為由兩個角鋼組成的分離式截面。三角拱斜梁節(jié)間的劃分應與檁條的間距相協調，避免上弦桿存在節(jié)間荷載，腹桿的傾角以40°～60°為宜。腹桿多采用圓鋼截面做成V形，加工時可以連續(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)點處焊縫過于集中。

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單角鋼截面的下弦桿，角鋼肢應朝下布置，如圖所如此，下弦桿剛度較好，但加工時角鋼在下弦桿彎折處需熱彎，桿件截面有所削弱，為了彌補此損失，在彎折處的角鋼肢內側加焊圓鋼綁條；2．拱拉桿拱拉桿為主要的受拉構件，由單圓鋼或雙圓鋼組成。大多數拱拉桿設有張緊裝置，一般在跨中設花籃螺栓，花籃螺栓(luóshuān)連接如圖所示?；ɑ@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，三角拱屋架應設置圓鋼吊桿，當屋架跨度＜12米時設置一根，當屋架跨度≥12米時設置兩根。圓鋼吊桿的直徑一般為φ12。示，12共二十六頁

3．節(jié)點偏心的影響三角拱屋架的斜梁大多采用圓鋼腹桿，由于設計構造上的原因，節(jié)點處各桿件的重心線多未匯交于一點，因而(yīnér)在節(jié)點處引起偏心力矩，如圖所示。試驗和分析表明，節(jié)點偏心對輕型鋼結構的影響是不能忽視的。節(jié)點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因素有關。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)點偏心的影響就?。粡臈U件類別來看，節(jié)點偏心對上弦桿影響較小、下弦桿較大、腹桿最大。在設計中盡量設法減小偏心值，節(jié)點偏心矩引起的偏心力矩可近似地按節(jié)點處各桿件的線剛度比分配。e1e213共二十六頁

在實際工程設計中，常采用不進行計算(jìsuàn)的簡化措施，將偏心值ｅ1和ｅ2控制在10~20毫米以內，并在選擇截面時按不同桿件留適當的應力余量來加大安全儲備。具體做法為：上弦桿：對T型截面，節(jié)點左右弦桿的內力差在20%以下，對V型截面，節(jié)點左右弦桿的內力差在10%以下，可不計偏心的影響。否則應留有應力余量5%~15%。下弦桿：當節(jié)點左右弦桿的內力差在10%以下時，可不計偏心的影響。否則應留有應力余量5%~15%。腹桿：應留有應力余量10%~20%。

14共二十六頁為了消除節(jié)點偏心的不利(bùlì)影響，也可采用節(jié)點無偏心的作法，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，應用較少?！?-4梭形屋架5-4.1屋架的特點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構體系，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(wūjià)立面圖(c)A型(d)B型(e)C型15共二十六頁

帶矩形箍的V形腹桿如右圖。梭形屋架所用的材料為圓鋼和角鋼，它具有截面重心低，空間剛度較好的特點。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)間的內力分布趨于均勻，克服了梯形(tīxíng)屋架和三角形屋架下弦桿各節(jié)間內力差較大的缺點。但節(jié)點構造復雜，制造較費工。一般多用于跨度為9～15米，柱距為3～4.2米的建筑。

梭形屋架多用于無檁結構，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7~12kg/m2，但由于不設檁條和支撐系統(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16共二十六頁5-4.2屋架的結構形式屋架的跨度為L，矢高為f，其高跨比f/L，一般為1/9~1/12，如圖所示。屋架的上矢高f1根據屋面坡度確定，下矢高f2根據f1確定。據試驗結果分析上矢高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個節(jié)間，也可以采用8個或12個節(jié)間。A型截面的上弦桿采用單角鋼(jiǎogāng)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)點處用短圓鋼撐開，形成一個空間桁架。B型截面的上弦桿采用兩個角鋼組成的T型截面，腹桿、下弦桿及其它構造與A型截面基本相同。

f1f2fA型B型17共二十六頁C型截面的上弦桿是以綴條相連的兩個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，在其節(jié)點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(yōuyuè)，主要表現為以下三點：1．在安裝過程中，單側屋面板的壓力作用點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，必須采取適當的臨時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，不僅使用時較穩(wěn)定，運輸和堆放也較方便。C型18共二十六頁

3．A、B型截面的上弦角鋼在屋架平面內呈一直線，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彎折，使上弦桿在屋架平面外構成梭形，施工較麻煩。實際工程中A、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(ānzhuāng)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小于50mm，所以A型截面屋架上弦桿角鋼不宜小于∠90×6；B型截面屋架上弦桿角鋼不宜小于∠63×6；C型截面屋架上弦桿角鋼不宜小于∠50×5。腹桿采用等節(jié)間距離、變高度的V型腹桿，在其中部設水平矩形箍，以減小腹桿的計算長度。C型截面上弦桿19共二十六頁

矩形箍對梭形屋架的受壓腹桿起著極其重要作用。試驗表明，各受壓腹桿存在一些次彎矩，次彎矩的存在對壓桿、尤其對細長壓桿的穩(wěn)定性有不利影響。矩形箍的設置可減小次彎矩和一些壓桿的計算長度，因而增加了腹桿的穩(wěn)定性。試驗還表明，矩形箍在增加腹桿穩(wěn)定性的同時，還提高了整個屋架的承載力，設置矩形箍的屋架的承載力較不設矩形箍的屋架的承載力提高一倍以上。5-4.3屋架的內力分析與計算1．屋架內力計算方法：①按空間桁架建立模型，通過計算機分析得到各桿內力和支座反力，計算結果接近于實際受力情況。②按空間剛架建立模型計算，該方法考慮(kǎolǜ)了節(jié)點的剛接作用，計算結果與上一種方法接近。20共二十六頁③將梭形屋架的空間結構近似地按假想平面桁架計算。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算，然后再將計算結果平均分配到兩片桁架的各桿上。

此種方法計算結果，腹桿內力偏小，對矩形箍的零桿假定與實際情況有出入，故構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的作用。2．根據內力計算結果進行桿件截面計算。①上弦桿的計算A型截面上弦桿：屋架上弦桿與屋面板形成一整體(zhěngtǐ)，故可不考慮屋面板產生的節(jié)間荷載引起的彎矩，按軸心受壓構件計算上弦桿在屋架平面內的穩(wěn)定性。hP假想的平面桁架21共二十六頁B、C型截面上弦桿：上弦桿由節(jié)間荷載產生的彎矩可按簡支梁算得的彎矩乘以調整系數，即：端節(jié)間正彎矩M1=0.8M0

其余節(jié)間正彎矩和節(jié)點負彎矩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件計算。當屋面板與屋架(wūjià)上弦桿連接可靠，能阻止上弦桿側向失穩(wěn)和扭轉時，可僅計算其強度和彎矩作用平面內的穩(wěn)定性。當屋面板與屋架上弦桿連接不能阻止上弦桿側向失穩(wěn)和扭轉時，B型截面屋架需計算T形截面上弦桿在屋架平面內、外的穩(wěn)定性；C型截面屋架需按壓彎構件計算上弦桿單角鋼的強度和穩(wěn)定。22共二十六頁單角鋼受力及截面主軸如圖所示。②腹桿及下弦桿的計算端部第一對V形腹桿，內力較大、且受壓，矩形箍只能作為彈性支點。故腹桿計算長度取l0=0.7l(l為腹桿幾何長度)；其余(qíyú)帶箍的V形腹桿，內力較小、且一邊受壓、一邊受拉，矩形箍可作為支撐點，故腹桿