第7章 钢屋盖结构

第7章钢屋盖结构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(1)掌握钢屋盖结构的组成，各组成部分的分类、(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(6)了解轻钢屋架的基本知识。本章内容7.1钢屋盖结构的组成和分类7.2钢屋架的形式和尺寸7.3钢屋盖的支撑系统7.4钢屋架的设计计算7.5钢屋架施工图7.6普通钢屋架设计计算实例7.7轻型钢屋架图7.1装配式单层厂房结构52.1.2单层排架结构组成1）屋面板2）天沟板3）天窗架4）屋架5）托架6）吊车梁7）排架柱8）抗风柱9）基础10）连系梁11）基础梁12）天窗架垂直支撑13）屋架下弦横向支撑14）屋架垂直支撑15）柱间支撑7.1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7.1)。(1)屋面,主要由各种屋面板材组成，平铺于屋架(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。1、屋盖组成(4)托架和天窗架托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7.2。图7.2天窗架的形式2、屋盖分类：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7.3)。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(a)有檩屋盖；(b)无檩屋盖图7.3两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。屋盖支撑作用(1)(2)保证屋盖的空间刚度和整体性(3)(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)3、支撑(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)系杆屋盖支撑布置（图7.5）图7.5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。支撑的计算和构造钢屋架形式（见表7.1）4、钢屋架①屋架的外形应与屋面材料所要求的排水坡度相②屋架的外形尽可能与其弯矩图相适应，使弦杆③腹杆的布置要合理，腹杆的总长度要短，数量④节点构造要简单合理、易于制造。⑤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腹杆。确定屋架形式的原则普通钢桁架当边柱外缘、墙内缘与定位轴线三者相重合时，称封闭式结合的纵向定位轴线。这时屋架上的屋面板与外墙内缘紧紧相靠，可全部采用标准板，不需设非标准的补充构件。当边柱外缘与纵向定位轴线之间有一定的距离，屋架上的屋面板与墙内缘之间有一段空隙时称为非封闭结合。屋架高度确定的主要程序：①根据屋架的形式和设计经验确定出屋架的端部②按屋面材料对屋面坡度的要求确定出屋架的跨中高度；③综合考虑其他各影响因素，最后确定屋架的高当屋架的外形和主要尺寸(跨度、高度)都确定之后，桁架各杆的几何长度即可根据三角函数或投影关系求得。1、桁架荷载：作用在桁架节点上的荷载，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7.6所示，sd阴影范围内的屋面荷载)。(1)包括屋面材料和檩条、支撑、屋架、天窗架等结构的自重。桁架和自重估算—公式9.6.1(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。桁架上的荷载图7.6节点荷载汇集简图荷载组合：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①永久荷载+②永久荷载+③屋架、支撑和天窗架自重+半跨屋面板重+半屋架上、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(1)(2)屋架各杆件的轴线均为直线，都在同一平面(3)荷载都作用在节点上，且都在屋架平面内。桁架杆件内力计算1基本假定(1)轴向力屋架各杆件的轴向力可用图解法或数解法(节点法或截面法)求得。(2)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。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7.7)，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。桁架杆件计算长度和容许长细比图7.7杆件截面的主轴(1)平面内的计算长度①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l0x=l(l为构件几何长度，即节点中心间距离);②其他受压杆，考虑到节点板的牵制作用，其计算长度取l0x=0.8l。(2)①弦杆平面外的计算长度l0y等于侧向固定点间的距离l1。②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)斜平面：l0=0.9l表7.2桁架弦杆和单系腹杆的计算长度l0项次弯曲方向弦杆腹杆支座斜杆和支座竖杆其他腹杆123在桁架平面内在桁架平面外斜平面ll1-lll0.8ll0.9l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7.3。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两个主轴的长细比验算：[]oxxxli[]oyyyli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min[]oli表7.3桁架杆件的容许长细比杆件名称压杆拉杆承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构直接承受动力荷载的结构无吊车和有轻中级工作制吊车的厂房有重级工作制吊车的厂房普通钢屋架的杆件150350250250轻钢屋架的主要杆件－－天窗构件－屋盖支撑杆件200400350－轻钢屋架的其他杆件3507.4.2.3杆件的截面选择与构造(1)截面形式表7.4钢屋架的杆件截面形式2、填板的设置3、节点板的厚度在同一榀桁架中，所有的中间节点板均采用同一厚度，支座节点板厚度比中间的增大2mm7.4.2.3杆件的截面选择与构造(4)截面选择①为了便于订货和下料，在同一榀屋架中角钢的规格不宜过多，一般不宜超过5～6②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45×456×36×4；③应选择肢宽而壁薄的角钢，增大回转半径，对受压更有利；④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(5)截面计算(表7.5)轴心压杆：假定绕实轴长细比λ＝60～100→查整体稳定系数φ→所需A、ix、iy→附录8选择角钢→根据所选角钢的实际A、ix、iy→按轴心受压构件进行强度、刚度、稳定性验算拉弯和压弯杆：按第七章拉弯和压弯构件进行计算表7.5钢屋架杆件截面计算对照表杆件类型强度要求稳定性要求长细比要求所需截面积压杆σ=N/An≤fσ=N/A≤fλ≤［λ］An≥N/f拉杆σ=N/An≤f—λ≤［λ］An≥N/f(1)节点的构造要求①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，②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杆与腹杆之间的间隙不宜小于20mm③考虑焊缝质量，节点板一般应伸出弦杆肢背10～15mm，应尽量使焊缝中心受力(图7.8)。7.4.3屋架节点设计图7.8节点板形状对焊缝受力的影响(a)正确；(b)不妥④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①下弦中间节点(图7.9)②上弦中间节点，无檩(图7.10)与upi檩(图7.11)不图7.9下弦中间节点图7.10无檩屋架上弦中间节点图7.11有檩屋架上弦中间节点③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7.12。下弦杆与节点板的连接焊缝的计算如图7.13。上弦杆与节点板的连接焊缝的计算如图7.14。图7.12弦杆与拼接角钢连接图7.13下弦杆与节点板连接图7.14上弦杆与节点板连接④支座节点(图7.15)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。图7.15屋架的支座节点底板计算：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：t≥√6M/f加劲肋的计算:加劲肋的厚度取与节点板的厚度相同；高度由节每块加劲肋承受屋架支座反力R的1/4，为偏心受焊缝受剪：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，222226()()()1.221.2220.720.7wiiffwfwMVfhlhl/21.2220.7wffwRfhl加劲肋与底板屋架与柱的刚接构造如图7.16所示。/41.2220.7wffwRfhl图7.16屋架与柱刚性连接的支座节点7.5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7.17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)图纸的正中为屋架详图及上、下弦平面图，(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(4)钢屋架施工图可以采用两种比例绘制，屋架轴线一般用1∶20～1∶30的比例尺，杆件截面和节点尺寸采用1∶10～1∶15(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