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1、21钢屋盖,本章主要讲述钢屋盖结构的组成和分类、普通钢屋架的形式、尺寸和设计计算方法以及钢屋架的施工图，并简述了轻型钢屋架的基本知识，在学习过程中应主要掌握下列内容：(1)掌握钢屋盖结构的组成，各组成部分的分类、作用和布置；(2)掌握常用钢屋架的形式、尺寸，区别不同形式屋架的性能和适用范围；,本章提要,(3)了解钢屋盖中支撑的布置方法和所起作用；(4)掌握普通钢屋架的设计计算方法和构造要求；(5)能看懂钢屋架施工图纸，并能绘制简单施工图；(6)了解轻钢屋架的基本知识。,本 章 内 容,21.1 钢屋盖结构的组成和分类21.2 钢屋架的形式和尺寸21.3 钢屋盖的支撑系统21.4 钢屋架的设计计
2、算21.5 钢屋架施工图21.6 普通钢屋架设计计算实例21.7 轻型钢屋架,21.1 钢屋盖结构的组成和分类,钢屋盖结构主要由屋面、屋架和支撑三部分组成，有的还设有托架和天窗架等构件(如图21.1)。(1)屋面,主要由各种屋面板材组成，平铺于屋架上，承受外荷载。(2)屋架，主要由各种钢构件组合连接而成。(3)支撑：根据支撑设置的部位和所起的作用不同，支撑分为上弦横向支撑、下弦水平支撑、垂直支撑和系杆四种。,21.1.1 组成,(4)托架和天窗架屋架的跨度和间距取决于柱网布置，而柱网布置则根据建筑物工艺要求和经济合理等各方面因素而定。天窗的形式有纵向天窗、横向天窗和井式天窗等三种，一般常采用纵
3、向天窗。纵向天窗则需单独设置天窗架，常见的几种天窗架形式如图21.2。,图21.1装配式钢筋混凝土单层厂房结构,图21.2天窗架的形式,根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，钢屋盖可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种(图21.3)。当屋面材料采用预应力大型屋面板时，屋面荷载可通过大型屋面板直接传给屋架，这种屋盖体系称为无檩屋盖；当屋面材料采用瓦楞铁皮、石棉瓦、波形钢板和钢丝网水泥板等时，屋面荷载要通过檩条传给屋架，这种体系称为有檩屋盖。,21.1.2 分类,两种屋盖体系各有优缺点，具体设计时应根据建筑物使用要求、结构特性、材料供应情况和施工条件等综合考虑而定。一般中型厂房，特别是重型厂房，由于对横向刚
4、度要求较高，所以宜采用大型屋面板的无檩屋盖；而对于中、小型特别是不需要做保温层的房屋，则宜采用具有轻型屋面材料的有檩屋盖。,图21.3屋盖结构布置,(a)有檩屋盖；(b)无檩屋盖,21.2 钢屋架的形式和尺寸,21.2.1 常用的钢屋架形式（见表21.1）,表21.1常见屋架形式对照表,屋架的外形应与屋面材料所要求的排水坡度相适应。屋架的外形尽可能与其弯矩图相适应，使弦杆各节间的内力相差不大。腹杆的布置要合理，腹杆的总长度要短，数量要少，并应使较长的腹杆受拉、较短的腹杆受压。节点构造要简单合理、易于制造。对于设有天窗或悬挂式起重运输设备的房屋，还要配合天窗的尺寸和悬挂吊点的位置来划分节间和布置
5、腹杆。,21.2.2 确定屋架形式的原则,(1)屋架的跨度主要是根据工艺和建筑要求来确定，普通钢屋架常见跨度为18m、21m、24m、27m、30m、36m等。钢屋架计算跨度的确定：简支于柱顶的钢屋架，其计算跨度取决于屋架支反力间的距离。如图21.4所示。(2)屋架的高度取决于经济、刚度要求和运输界限等三个方面，同时又和屋面坡度密切相关，有时还受到建筑要求的限制。,21.2.3 屋架的主要尺寸,屋架高度确定的主要程序：根据屋架的形式和设计经验确定出屋架的端部高度；按屋面材料对屋面坡度的要求确定出屋架的跨中高度；综合考虑其他各影响因素，最后确定屋架的高度。当屋架的外形和主要尺寸(跨度、高度)都确
6、定之后，桁架各杆的几何长度即可根据三角函数或投影关系求得。,图21.4屋架的计算跨度,从经济和刚度的要求来看，三角形屋架的跨中高度一般取l/4l/6；梯形屋架的跨中高度一般取l/6l/10,其中l为屋架的跨度。跨度越大，此比值越小。屋面荷载越大，则此比值越大。从运输条件来看，屋架的高度一般不应超过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为5001000mm，平坡梯形屋架端部高度一般为18002100mm，当屋架跨度较小时，取下限值。屋架跨度越大，其端部高度的取值应越大。,21.2.4 构造要求,21.3 钢屋盖的支撑系统,(1)保证屋盖结构的几何稳定性(2)保
7、证屋盖的空间刚度和整体性(3)为受压弦杆提供侧向支承点(4)承受和传递纵向水平力(风荷载、悬挂吊车纵向制动力、地震荷载等)(5)保证结构在安装和架设过程中的稳定性,21.3.1 屋盖支撑作用,(1)上弦横向支撑(2)下弦横向水平支撑(3)下弦纵向水平支撑(4)垂直(竖向)支撑(5)系杆,21.3.2 屋盖支撑布置（图21.5）,图21.5无檩屋盖支撑布置示例,(a)上弦横向水平支撑布置；(b)下弦横向与纵向水平支撑布置；(c)天窗架上弦横向水平支撑；(d)屋架支座与跨中垂直支撑;(e)天窗架侧竖杆垂直支撑,当荷载反向作用时(如风荷载反向作用)，斜腹杆受力变更，仍是一根参加受力工作，另一根弯扭屈
8、曲而退出工作。支撑和刚性系杆按压杆计算，采用双角钢组成十字形或T形截面。屋盖支撑受力通常都较小，一般不必计算，截面尺寸大多根据杆件的容许长细比和构造要求而定。支撑构件与屋架的连接，应力求构造简单，安装方便。,21.3.3 支撑的计算和构造,21.4 钢屋架的设计计算,(1)屋架的各节点均为理想的铰接。(2)屋架各杆件的轴线均为直线，都在同一平面内，且相交于节点的中心。(3)荷载都作用在节点上，且都在屋架平面内。,21.4.1 屋架杆件内力计算,21.4.1.1 基本假定,作用在屋架节点上的荷载，有檩屋盖通过檩条，无檩屋盖通过大型屋面板的纵肋传在桁架的节点上(图21.6所示，sd阴影范围内的屋面
9、荷载)。(1)永久荷载包括屋面材料和檩条、支撑、屋架、天窗架等结构的自重。(2)可变荷载包括屋面均布活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载，以及悬挂吊车荷载等，其中屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，取两者中的较大值。,21.4.1.2 屋架上的荷载,屋架内力应根据使用过程或施工过程中可能出现的最不利荷载组合计算。在屋架设计时应考虑以下三种荷载组合：永久荷载+可变荷载 永久荷载+半跨可变荷载 屋架、支撑和天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载屋架上、下弦杆和靠近支座的腹杆按第一种荷载组合计算；而跨中附近的腹杆按第二、三种荷载组合计算，取大值。,图21.6节点荷载汇集简图,(1)轴向力屋架各杆件的轴向力可
10、用图解法或数解法(节点法或截面法)求得。(2)局部弯矩屋架的上弦节间作用有荷载时，除轴向力外，还要产生局部弯矩。由于焊缝的约束作用，可以把上弦杆视为弹性支座上的连续梁来考虑。但为了简化，可按近似法计算，先按简支梁计算出弯矩M0。,21.4.1.3 内力计算,角钢屋架的杆件由两个角钢组成，截面有两个弯曲轴，即x轴和y轴(图21.7)，这样它就有两种弯曲失稳的可能性：一种是在屋架平面内屈曲；另一种是在屋架平面外屈曲。(1)平面内的计算长度 弦杆、支座斜杆和支座竖杆，由于它的截面尺寸一般较大，节点板对其影响相对较小，所以其计算长度取l0 x=l(l为构件几何长度，即节点中心间距离);其他受压杆，考虑
11、到节点板的牵制作用，其计算长度取l0 x=0.8l。,21.4.2 屋架杆件设计,(2)平面外的计算长度 弦杆平面外的计算长度l0y等于侧向固定点间的距离。腹杆平面外的计算长度取节点中心间的距离。当弦杆侧向支撑点之间的距离为节间长度的2倍，且两个节间的内力不相等，则该弦杆平面外的计算长度，应按下式计算：l0y=l1(0.75+0.25N1/N2),钢结构设计规范对屋架弦杆和腹杆的计算长度作了规定，详见表21.2。在屋架平面外的计算长度应按下列规定采用。压杆：当相交的另一杆受拉，且两杆的交叉点均不中断:l0=0.5l；当相交的另一杆受拉，两杆中有一杆在交叉点中断，并以节点板搭接：l0=0.7l；
12、其他情况：l0=l。拉杆：l0=l。,图21.7杆件截面的主轴,表21.2 桁架弦杆和单系腹杆的计算长度l0,21.4.2.2 杆件的容许长细比,钢结构设计规范中对压杆和拉杆规定了容许的最大长细比，称为容许长细比,见表21.3。屋架杆件一般都是由双角钢组成的T形截面，它的横截面的两个主轴方向分别在屋架的平面内和平面外。两个主轴的长细比验算：,屋架的腹杆为单角钢或双角钢组成的十字形截面杆件时，应取截面的最小回转半径imin计算杆件在斜面上的最大长细比，即：,表21.3 桁架杆件的容许长细比,21.4.2.3 杆件的截面形式与构造,(1)截面形式见表21.4(2)截面选择 为了便于订货和下料，在同
13、一榀屋架中角钢的规格不宜过多，一般不宜超过56种；为了防止杆件在运输和安装过程中产生弯曲和损坏，角钢的尺寸不宜小于454或56364；应选择肢宽而壁薄的角钢，增大回转半径，对受压更有利；,屋架弦杆一般采用等截面；当采用变截面时，半跨内只能改变一次，而且要保持肢厚不变，改变肢宽，以便于拼接处理。(3)截面计算(表21.5),表21.4 钢屋架的杆件截面形式,表21.5 钢屋架杆件截面计算对照表,(1)节点的构造要求 屋架各杆件的形心线与屋架的几何轴线重合，并会交于节点中心，使实际受力与计算简图相一致，减少附加偏心弯矩。为节省节点板材料，杆件要尽量紧凑，但考虑下料和焊缝质量，上腹杆与弦杆之间以及腹
14、杆与腹杆之间的间隙不宜小于20mm。考虑焊缝质量，节点板一般应伸出弦杆肢背1015mm，应尽量使焊缝中心受力(图21.8)。,21.4.3 屋架节点设计,节点板的形状应该尽量简单而有规则，最好设计成矩形、梯形或平行四边形等，切忌出现凹角，防止严重的应力集中。,(2)节点的计算节点设计时，首先要根据连接杆件的内力确定出焊缝的焊角尺寸和长度，然后再根据节点上各杆件的焊缝长度确定节点板的合理形式和平面尺寸。下弦中间节点(图21.9)上弦中间节点，有檩(图21.10)与无檩(图21.11)不同，腹杆与节点板的连接与下弦中间节点相同。拼接接点屋架的弦杆的拼接有工厂拼接和工地拼接。,屋架的弦杆的拼接有工厂
15、拼接和工地拼接。工厂拼接往往是由于角钢长度不够而设，宜设于杆力较小的节间；工地拼接多是由于运输条件或安装条件的限制而做接头，通常放在跨中节点上。弦杆一般用连接角钢拼接，先通过螺栓定位，再进行焊接。弦杆与拼接角钢连接焊缝的计算如图21.12。下弦杆与节点板的连接焊缝的计算如图21.13。上弦杆与节点板的连接焊缝的计算如图21.14。,支座节点(图21.15)屋架和柱子的连接可以做成简支或刚接。支承于钢筋混凝土柱或砖柱上的屋架，一般为简支。而支承于钢柱上的屋架通常为刚接。支座节点包括节点板、加劲肋、支座底板和锚栓。加劲肋的作用是加强支座底板刚度，以便均匀传递支座反力并增强节点板的侧向刚度。支座节点
16、的传力路线是：屋架杆件的内力会交后通过连接焊缝传给节点板，然后经节点板和加劲肋把力传给底板，最后传给柱子。,底板计算：支座底板所需净面积为：An=R/fcc毛面积为：A=An+A0支座底板厚度为：t6M/f 加劲肋的计算:加劲肋的厚度取与节点板的厚度相同；高度由节点板尺寸，按构造确定。加劲肋与节点板的连接焊缝：每块加劲肋承受屋架支座反力R的1/4，为偏心受力。,焊缝受剪：V=R/4；焊缝受弯：M=Rlw/8 每块加劲肋与支座节点板的连接焊缝按下式计算：支座节点板、加劲肋与支座底板的水平连接焊缝，按下式计算：节点板与底板,加劲肋与底板屋架与柱的刚接构造如图21.16所示。,图21.8节点板形状对
17、焊缝受力的影响,(a)正确；(b)不妥,图21.9下弦中间节点,图21.10无檩屋架上弦中间节点,图21.11有檩屋架上弦中间节点,图21.12弦杆与拼接角钢连接,图21.13下弦杆与节点板连接,图21.14上弦杆与节点板连接,图21.15屋架的支座节点,图21.16 屋架与柱刚性连接的支座节点,21.5 钢屋架施工图,施工图主要包括：屋架正面详图、上弦和下弦平面图，必要数量的侧面图和零件图。当屋架为对称时，可绘制半榀屋架。图21.17为某一钢屋架施工图详图。钢屋架施工图的绘制的主要内容和基本要求：(1)图纸的左上角绘制整榀屋架的简图，左半跨注明屋架的几何尺寸，右半跨注明杆件的设计内力。(2)
18、图纸的正中为屋架详图及上、下弦平面图，必要数量的侧面图和零件图。,(3)右上角绘制材料表，把所有杆件和零件的编号、规格尺寸、数量、重量和整榀屋架的重量填入表中。(4)钢屋架施工图可以采用两种比例绘制，屋架轴线一般用120130的比例尺，杆件截面和节点尺寸采用110115的比例尺。(5)施工图上应注明屋架和各构件的主要几何尺寸。(6)在施工图中应全部注明各零件的型号和尺寸。,(7)跨度较大的屋架，在自重及外荷载作用下将产生较大的挠度，特别当屋架下弦有吊平顶或悬挂吊车荷载时，则挠度更大，这将影响结构的使用和有损建筑的外观。(8)施工图上还应加注必要的文字说明，包括钢材的钢号，焊条型号，加工精度和质
19、量要求，图中未注明的焊缝和螺栓孔的尺寸，以及防锈处理的要求等等。,图21.17某一钢屋架施工图,21.6 普通钢屋架设计计算实例,建筑跨度为18m，端部高度1.99m，跨中高度2.89m，屋面坡度i=1/10，屋架间距为6m，屋架两端支承在钢筋混凝土柱上。屋架上、下弦设有横向支撑和垂直支撑，布置如图21.18所示。,21.6.1 设计资料（设计一梯形钢屋架）,图21.18 屋架支撑布置图,(1)永久荷载预应力混凝土大型屋面板：1.21.4=1.68kN/m2二毡三油防水层加找平层：1.20.7=0.84kN/m280mm厚泡沫混凝土保温层：1.20.5=0.60kN/m2屋架自重和支撑自重按经
20、验公式(跨度L=18m)：Pw=0.12+0.011L=0.12+0.01118=0.32kN/m21.20.32=0.384kN/m2,21.6.2 荷载计算,(2)可变荷载屋面雪荷载与活荷载不同时出现，取较大者1.40.30=0.42kN/m2(3)荷载组合永久荷载+可变荷载为主要荷载组合，屋架上弦节点荷载为：P=(1.68+0.84+0.60+0.384)+0.421.56=35.316kN另两种荷载组合为永久荷载+半跨可变荷载;永久荷载+半跨屋面重+半跨施工荷载。,桁架杆件的内力在单位力作用下用图解法(图21.19)求得如下：屋架各杆件内力如图21.20所示。,21.6.3 内力计算（
21、表21.7）,表21.7 杆件内力计算,图21.19 屋架内力图解,图21.20 屋架各杆件的内力图(单位：kN),(1)上弦杆截面选择(2)下弦杆截面选择(3)支座竖杆截面选择(4)支座斜杆截面选择(5)斜杆截面选择(6)竖杆-截面选择(7)斜杆-截面选择(8)斜杆-截面选择(9)竖杆-截面选择,21.6.4 截面选择,(10)斜杆-截面选择(11)斜杆-截面选择(12)竖杆-10截面选择,(1)下弦节点i设计节点i如图21.21(2)下弦节点j设计节点j如图21.22(3)下弦节点k设计节点k如图21.23(4)支座节点h设计支节点h如图21.24 支座底板计算 加劲肋与节点板的连接焊缝计
22、算 节点板、加劲肋与底板的连接焊缝计算 下弦杆与支座斜杆和竖杆焊缝计算,21.6.5 节点设计,(5)上弦节点b设计 上弦节点b如图21.25(6)上弦节点d、f设计 上弦d、f节点如图21.26(7)上弦节点a、c、e设计 上弦节点a、c、e如图21.27(8)上弦节点g设计 上弦节点g如图21.28,图21.21 节点i详图,图21.22 节点j详图,图21.23 节点k详图,图21.24 支座节点h详图,图21.25 上弦节点b详图,图21.26 上弦d、f节点详图,图21.27 上弦节点a、c、e详图,图21.28 上弦节点g详图,屋架各杆件的垫板间距，在受压杆件中不大于40i，在受拉
23、杆件中不大于80i，T形截面中的i为一个角钢对平行于垫板自身重心轴的回转半径，在十字形截面中为一个角钢的最小回转半径。计算结果如表21.9所示。,21.6.6 垫板计算,表21.9 杆件垫板规格计算,21.7 轻型钢屋架,轻型钢屋架常见的有圆钢轻型钢屋架，小角钢轻型钢屋架和薄壁型钢屋架。轻型钢屋架主要有三角形屋架、三铰拱屋架和梭形屋架等三种，其中最常用的是三角形屋架。三角形屋架和三铰拱屋架的屋面坡度较大，通常取1/21/3。轻型钢屋架适用于跨度18m，柱距46m，设置有起重量5t的中、轻级工作制桥式吊车的工业建筑和跨度18m的民用房屋的屋盖结构。,21.7.1 概述,常用的三角形轻型钢屋架为芬
24、克式(图21.29)，其特点为长杆受拉，短杆受压，结构受力比较合理，制作亦方便，可以分为两个运输单元。三铰拱屋架由两根斜梁和一根拉杆组成，斜梁有平面桁架式和空间桁架式两种(图21.30)，拉杆可用圆钢或角钢，这种屋架的特点是杆件受力合理，斜梁腹杆短，取材方便，经济效果好。梭形屋架有平面桁架式和空间桁架式两种，适用于跨度为915m，间距为34.2m的屋盖体系。屋架的高跨比为1/91/12(图21.31)。,21.7.2 轻型钢屋架的特点,图21.29 芬克式屋架的形式,图21.30 三铰拱屋架的形式,图21.31梭形屋架的形式,轻型钢屋架各杆件内力可以按结构力学中的图解法或数解法求得。对于三铰拱
25、屋架的空间桁架式斜梁和空间桁架式梭形屋架各杆件的内力，可将空间桁架简化为假想的平面桁架来进行计算。轻型钢屋架的计算强度应按规定乘以相应的调整系数。轻型钢屋架的节点常有偏心，当节点偏心距20mm时，偏心弯矩的影响可不考虑，而在杆件计算时，将强度设计值再降低15%。,21.7.3 轻型钢屋架杆件内力计算和设计特点,当节点偏心距20mm时，应考虑节点偏心的影响，将偏心弯矩按汇交于节点上各杆件的刚度比例分配，杆件分别按偏心受压和偏心受拉杆件计算。轻型钢屋架应进行杆件强度、整体稳定和刚度的验算。对于屋架的上弦杆尚应满足檩条或屋面板的搁置长度要求。,轻型钢屋架各杆件之间可以直接连接，也可以通过节点板连接。当采用节点板连接时，节点板厚度通常为68m。支座节点底板厚度为1214mm。三角形屋架的节点构造比较简单。如采用双角钢截面，则与普通钢屋架相同。如采用单角钢截面时，其节点构造见图21.32。三铰拱屋架的支座节点与三角形屋架的支座节点相似，由支座节点板，加劲肋和底板组成(图21.33)，但在上弦两角钢上加设一块水平盖板，水平盖板与支座节点板用焊缝连接。,21.7.4 轻型钢屋架节点构造,图21.32单角钢杆件的节点,图21.33三铰拱屋架节点构造,
