第三章屋盖钢结构设计1503-2

1九、普通钢屋架设计实例1．屋架简图及几何尺寸24m跨度无天窗梯形钢屋架，端部高度2．0m，跨中高度3．0m，屋面坡度i=121，即屋面坡角α=4.76364°，屋架间距6m，屋架两端与钢筋混凝土柱连接（房屋总长度60m）。屋架上、下弦连有横向支撑和竖向支撑，有通长系杆。采用大型屋面板1．5m×6m，120mm泡沫混凝土保温层、防水层及找平层。屋面雪荷载为0．40kN／m2。柱用混凝土强度等级为C20，钢材为Q235，焊条采用E43（图3－41）。图3－41屋架内力及轴线长度屋架的主要尺寸：2（1）屋架计算跨度l0:指屋架两端支座反力的间距一般单层厂房外墙，边柱与纵向定位轴线的联系：由于吊车起重量、柱距、跨度、有否安全走道板等因素的影响，边柱与纵向定位轴线的联系有两种情况（下图）：a.封闭式结合的纵向定位轴线b.非封闭式结合的纵向定位轴线3铰接：l0=标志跨度l－联系尺寸150～200mm×2(封闭结合)l0=标志跨度l（非封闭结合）封闭结合:纵向定位轴线（标志尺寸）与边柱外缘、纵墙内皮三者重合。一般用于吊车轻，重量不大于30t。非封闭结合：纵向定位轴线（标志尺寸）与边柱外缘、纵墙内皮三者不重合。一般用于吊车轻，重量大于30t。刚接：l0=标志跨度l－内移尺寸×2(对非封闭结合)l0=标志跨度l－上柱宽度(封闭结合)（2）高度：先确定端高h0，再由坡度条件求跨中高度h三角形屋架，h0=04梯形屋架，h0=0.5~1.0m缓坡梯形屋架，h0=1.8~2.1m（3）起拱：当跨度较大时：三角形屋架L15m，梯形屋架L24m，屋架起拱高度=l/500。图3－41-1节点荷载汇集简图注：s为屋架间距，s=6m；a为上弦200lihh梯形屋架：h=(1/10~1/6)l0三角形屋架：h=(1/6~1/4)l05杆水平长度，a=3m。2．屋架内力计算假定•屋架所有杆件的轴线平直且都在同一平面内相交于节点的中心•屋架的节点为铰接•所有杆件等截面•荷载都作用在节点上，且都在屋架平面内（见下图）3．屋架上弦节间荷载处理•上弦有节间荷载时，把节间荷载化为节点荷载•考虑节间荷载在上弦引起的局部弯矩4．屋架荷载计算结构所受荷载常常是多种工况同时并存，所以在结构设计时，应考虑荷载组合问题。屋架结构设计应按使用和施工中最不利荷载组合计算。屋架杆件荷载组合6常按以下情况考虑：（1）荷载效应组合①可变荷载效应控制组合1.2×永久荷载标准值+1.4×第一可变荷载标准值+in2ici其他可变荷载标准值）(ψ1.4②永久荷载效应控制组合1.35×永久荷载标准值+in1ici可变荷载标准值）(ψ1.4式中，ψci第i可变荷载的组合系数，对风荷载取0.6，雪荷载和活荷载取0.7。屋面均布活荷载表注：1．不上人的屋面，当施工荷载较大时；应按实际增况采用；对不同结构应按有关设计规范的规定，将标准值作0．2kN／m2的增减。2．上人的屋面，当兼作其他用途时，应按相应楼面活荷载采用。73．对于因屋面排水不畅、堵塞等引起的积水荷载，应采取构造措施加以防止；必要时，应按积水的可能深度确定屋面活荷载。4．屋顶花园活荷载不包括花圃土石等材料自重。（2）屋架荷载计算作用于上弦节点的铅锤荷载P可按各种均布荷载对节点汇集进行计算：P=ΣγGqbk·a·s+ΣγQqsk/cosα·a·s式中，γG，γQ分别为永久荷载和活荷载的分项系数；qbk，qsk分别为永久荷载和活荷载标准值；a为上弦节间的水平投影长度；s为屋架间距；α屋面倾角，当α较小时，可取cosα=1。永久荷载：屋面材料、保温材料、檩条、支撑、屋架、天窗架等结构自重。其中屋面材料和保温材料的自重常接屋面的实际面积计算，并按几何投影关系确定按屋面水平投影面积计算的自重值；屋架和支撑自重一般可采用经验公式：（kN/m2，水平投影面）当屋面荷载：01（轻屋盖），β＝0.mkN1Q2Lq8012（中屋盖），β＝0.mkN2.5Q120.0110.12（重屋盖），β＝mkN2.5Q2L如重屋盖有：q=0.12+0.011L(kN/m2)（水平面投影），式中，L为屋架标志跨度（柱网轴线间距）。可变荷载：屋面活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载、悬挂吊车荷载、其中屋面活荷载和雪荷载不会同时出现，可取其中较大者。按屋面水平投影面积计算。以上永久荷载和可变荷载均为标准值，设计时要乘以荷载分项系数得到荷载设计值。①屋面施工活荷载(使用荷载):q=0.7kN/m2。②雪荷载：屋面水平投影面上的雪荷载标准值为Sk=μsS0式中，S0——基本雪压，随地区不同而异，按《建筑结构荷载规范》的规定取值；山区的基本雪压应通过实际Lq9调查确定；在无实际资料时，可按当地空旷平坦地面的基本雪压乘以系数1．2采用。μs——屋面积雪分布系数，随屋面的坡度和形式而变化。按《建筑结构荷载规范》的规定取值。③风荷载：风荷载系指空气流动对建筑物所产生的流体压力或吸力。因而风荷载必然垂直于受风表面。屋面风荷载的标准值为Wk=βzμsμzW0W0——基本风压，是以当地比较空旷平坦地面上离地10m高处统计所得的50年一遇平均最大风速V（m/s）为基准，按W0=V02／1600确定的风压值。荷载规范中给出了全国基本风压分布图，且最小值规定为0.3kN／m2；βz——高度为Z处的凤振系数，以考虑风压脉动的影响。钢屋架设计取βz=1.0；μz——风压高度变化系数，按荷载规范取值。具体根据地面粗糙度不同而定，地面粗糙度分A，B，C，D四类。A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区。B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中、小城镇和大城市的10郊区。C类指有密集建筑群的城市市区。D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。设计钢屋架以屋架高度的中点离地面的高度作为选用风压高度变化系数时μz的根据；μs——风荷载体型系数，随房屋的体型、风向等而变化。重要建筑物的μs值应通过风洞试验确定。荷载规范中给出了一些常用房屋和构筑物的μs值。图3－41-1-1摘录了其中两种情况的μs值，其一为封闭式双坡屋面，另一为带天窗的封闭式双坡屋面。图中的正值表示压力，负值表示吸力。由图可见，对常用坡度的屋面不论是向风面或背风面，风荷载主要是吸力。只在天窗架面向风面处为压力。11图3－41-1-1风荷载体型系数无天窗缓坡梯形屋架可不考虑(α30°)风荷载。轻屋面、开敞式房屋以及风压w00.49kN/m2时必须考虑其对屋盖的吸力作用。④其他荷载其他荷载是指在某些情况下需考虑的荷载。例如，用于民用或公共建筑的屋架下弦常有吊顶及装饰品，吊顶及装饰品的自重应以恒荷载考虑并假设作用于屋架的下弦节点上。又如工厂车间的屋架上常有悬挂吊车，此吊车荷载就是屋架承受的一种活荷12载。（3）屋架荷载组合：①柱铰接的屋架a．全跨荷载组合之一：全跨恒载（永久荷载）＋全跨屋面活荷载或雪荷载（取二者较大者）＋全跨积灰荷载十悬挂吊车（包括悬挂设备、管道、电葫芦等）荷载。有天窗时应考虑天窗架传来的荷载。b．全跨荷载组合之二：全跨恒载（永久荷载）＋0．85［全跨屋面活荷载或雪荷载（取二者较大者）＋全跨积灰荷载十悬挂吊车（包括悬挂设备、管道、电葫芦等）荷载＋天窗架传来的风荷载＋由框架内力分析所得到的由柱顶作用于屋架的水平力］。c．半跨荷载组合之一：全跨恒载（永久荷载）＋半跨屋面活荷载或雪荷载（取二者较大者）＋半跨积灰荷载＋悬挂吊车（包括悬挂设备、管道、电葫芦等）荷载。d．半跨荷载组合之二：该组合适用于屋面为预制大型屋面板且跨度较大的屋架（i≥24m）在安装过程中的情况，即：屋架（含支撑）的自重＋半跨屋面板重＋半跨安装活荷载。e．坡度较大的轻屋面荷载组合。对于屋面坡度较大（i＞1／8）的轻屋面的屋13架，应考虑风荷载的影响，其组合为：1．0×全跨恒载（永久荷载）＋（1．4×全跨可变荷载标准值）＋0．6×1．4／屋面风荷载标准值。f．地震区的荷载组合。对于地震区且跨度大于24m的钢屋架为应按建筑抗震设计规范考虑竖向地震荷载作用的组合。②与柱刚接的屋架应考虑作用在屋架端部的弯矩和水平力（在房屋横向排架计算中屋架作为排架横梁所求得的）的影响。具体需要将端弯矩等效为作用于屋架上下端的一对大小相等方向相反的水平力（即为等效于端弯矩的力偶），再与其他荷载进行组合，以确定最不利的屋架内力。等效水平力的计算表达式即为H=M/h0屋架的端弯矩和水平力图考虑端弯矩影响的组合为（上面的组合14b）：全跨恒载（永久荷载）＋0．85［全跨屋面活荷载或雪荷载（取二者中较大者）＋全跨积灰荷载＋悬挂吊车（包括悬挂设备、管道、电葫芦等）荷载＋天窗架传来的风荷载＋由框架内力分析所得到的由柱顶作用于屋架的水平力＋端弯矩等效水平力］。这里的后两项组合应考虑下面三种不利的情况：a．主要使下弦可能受压的组合（下图（a））最不利的端弯矩和水平力图此时的两端弯矩和水平力均使屋架下弦杆受压。必须明确，当左端弯矩M1取可能的最大值时，右端弯矩M2即为与M1相对应的结果（由排架计算确定），反之亦然。b．主要使上、下弦内力增加的组合（上图（b））。15此时的端弯矩和水平力作用方向正好与上述情况相反。c．主要使斜腹杆受最不利内力的组合（上图（c））。此时仅考虑同向弯矩的作用（两端均要反向计算，上图（c）只给出了一种情况，且不考虑水平力。上面的所有组合，应使一端弯矩为最大，水平力和另一端的弯矩相对应。对左右两端均要分别计算最大弯矩进行上述组合。普通屋架荷载组合通常考虑3种：①全跨永久荷载+全跨可变荷载；②全跨永久荷载+半跨可变荷载；③全跨屋架、支撑、天窗架自重和檩条自重+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；跨中附近腹杆在第二、三种荷载组合下，可能出现最大内力，且可能变号，故要按第二、三种荷载组合计算；如果安装过程中屋脊两侧屋面板能对称均匀铺设，则可不计第三种荷载组合。16屋面恒载标准值屋面类型瓦楞铁压型钢板波形石棉瓦水泥平瓦恒载标准值（kN／m2）0．050．1~0．150．20．55实腹檩条自重标准值可选用均布荷载0．05~0．1kN／m2，格构式可近似选用均布荷载0．03~0．05kN／m2。恒载：屋面荷载按屋面倾斜面积计算，则水平投影面1m×1m，相对应的屋面倾斜面积为1m×1m/cosα。1m×1m水平投影面荷载=斜屋面1m×1m/cosα×单位面积材料重。本题因屋面坡度较小（cosα=cos4.76364º=1.003）,故下述近似按屋面水平投影面积计算荷载（即按cosα=1计算）。大型屋面板l．2×1．4/cosα=1．68kN／m2（恒载的分项系数l．2）（水平面投影）20mm防水层及找平层1．2×0．75/cosα=0．90kN／m2（水平面投影）1780mm厚泡沫混凝土保温层1．2×0．50/cosα=0．60kN／m2（水平面投影）屋架和支撑自重：这里取q=0．35kN／m2，有1．2×0．35=0．42kN／m2（水平面投影）活载：屋面雪荷载根据《建筑结构荷载规范》，基本雪压s0=0.4kN／m2，因α25°，则屋面积雪分布系数μr=1.0，屋面水平投影面上雪压荷载标准值sk=μr×s0=0.4kN／m2。屋面水平投影雪荷载1．4×0．40=0．56kN／m2（活载的分项系数1．4）屋面活荷载（本题略）。屋架上弦节点集中荷载计算：P=［1．68＋0．90＋0．60＋0．42＋0．56］×3×6=74．88kN（3×6水平面集中荷载）半跨雪荷载时的荷载组合在本屋架计算中不起控制作用，故计算从略，只计算永久荷载加全跨可变活载的荷载组合（表3－2）。计算屋架杆件内力时，只需将屋架节18点荷载乘以相应屋架杆件内力系数，即可得到该杆件内力。屋架杆件内力系数——等于屋架节点作用单位荷载时的屋架杆件内力值。表3－2屋架杆件内力表上弦节间因屋面板宽1．5m，故有节间荷载引起节间弯矩，考虑到上弦的连续性和上弦节点的弹性位移，为了简化，取端节间的正弯矩M1=0．8M0（M0为简支梁计算出的节间弯矩）。其