第7章单层厂房钢屋盖结构

第7章单层厂房钢屋盖结构§7.1单层厂房钢屋盖结构的组成与布置7.1.1屋盖结构体系钢屋盖结构通常由屋面、檩条、屋架、托架和天窗等构件组成。根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，可分为无檩屋盖体系和有檩屋盖体系。1.无檩屋盖结构体系：一般用于预应力混凝土大型屋面板等重型屋面，将屋面板直接放在屋架或天窗架上。房屋横向刚度大，整体性、耐久性好；屋面板自重大，屋盖及下部结构用料多，对抗震不利。屋架间距灵活，构件重量轻、施工、安装方便；屋盖构件数量多，整体刚度差。2.有檩屋盖结构体系：常用于轻型屋面材料的情况。7.1.2屋盖结构布置7.1.2.1柱网布置屋架的跨度和间距须结合柱网的布置确定，而柱网布置则根据建筑物使用要求和经济合理等各方面因素而定。7.1.2.2天窗架设置为了采光和通风等要求，屋架上常设置天窗。天窗的形式有纵向天窗、横向天窗和井式天窗3种，一般采用纵向天窗。纵向天窗的天窗架形式一般有多竖杆式、三铰拱式和三支点式。§7.2屋盖结构的支撑体系平面屋架在屋架平面外的刚度和稳定性很差，不能承受水平荷载。因此，为使屋架结构有足够的空间刚度和稳定性，必须在屋架间设置支撑系统。7.1.2屋盖支撑的作用①保证屋盖的整体性，提高空间刚度仅由平面桁架、檩条及屋面材料组成的屋盖结构，是一个不稳定的体系，如果将某些屋架在适当部位用支撑连系起来，成为稳定的空间体系，其余屋架再由檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上，就保证了整个屋盖结构的稳定。②避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动支撑可作为屋架弦杆的侧向支撑点，减小弦杆出平面外的计算长度。③承担和传递水平荷载（如纵向和横向风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震作用等）。④保证结构安装时的稳定与方便屋盖的安装首先用支撑将两相邻屋架连系起来组成一个基本空间稳定体，在此基础上即可顺序进行其他构件的安装。7.2.2屋盖支撑的布置屋盖支撑系统可分为横向水平支撑、纵向水平支撑、竖向支撑及系杆。7.2.2.1横向水平支撑横向水平支撑，布置在屋架上、下弦及天窗架上弦平面，是沿屋架方向布置的支撑。1、屋架上弦横向水平支撑上弦横向水平支撑一般应设置在房屋两端或纵向温度区段两端的第一柱间或第二柱间，其最大间距为60m，否则在中间应增设一道或几道支撑。有时可将其布置在第二个柱间，但在第一个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力。2、下弦横向水平支撑当屋架间距12m时，尚应在屋架下弦设置横向水平支撑，一般和上弦横向水平支撑布置在同一柱间以形成空间稳定体系的基本组成部分。但当屋架跨度比较小（18m）又无吊车或其他振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。3、纵向天窗架上弦横向支撑无论有檩或无檩屋盖体系，在每个天窗架区段的两端及中部与屋架上弦横向支撑相对应区间内均应设置上弦横向支撑。7.2.2.2纵向水平支撑当房屋较高、跨度较大、空间刚度要求较高时，设有支承中间屋架的托架，或设有重级或大吨位的中级工作制桥式吊车等较大振动设备时，均应在屋架端节间平面内设置纵向水平支撑。一般情况可以省掉。屋架间距12m时，通常布置在屋架下弦平面。屋架间距≥12m时，宜布置在屋架的上弦平面内。下弦纵向水平支撑7.2.2.3竖向支撑1、屋架竖向支撑竖向支撑联系屋架上、下弦水平支撑，并和屋架水平支撑一起形成几何不变的屋盖空间结构，是上弦横向水平支撑的支承点，在屋盖安装过程中保证屋盖稳定。屋架的竖向支撑应与上、下弦横向水平支撑设置在同一柱间。2、天窗架竖向支撑应设在有上弦横向水平支撑天窗架区段，并沿天窗两侧立柱水平面内设置竖向支撑。当天窗跨度大于或等于12m时，尚应在中央竖杆平面内增设一道竖向支撑。7.2.2.4系杆作用：系杆能保证无横向水平支撑的所有屋架在上弦杆平面外的稳定和安装时屋架的稳定，第一柱间的刚性系杆能将山墙的风荷载传到横向水平支撑。设置：在横向支撑或竖向支撑节点处应沿房屋通长设置系杆。在屋架上弦平面内，对无檩体系屋盖应在屋脊处和屋架端部处设置系杆；对有檩体系只在有纵向天窗下的屋脊处设置系杆。系杆分刚性系杆（既能受拉也能受压）和柔性系杆（只能承受拉力）两种。屋架主要支承节点处的系杆，屋架上弦脊节点处的系杆均宜用刚性系杆。1、屋架系杆2、天窗架系杆在纵向天窗架上弦屋脊节点处设通长刚性系杆，在天窗架上弦两侧端节点处设置通长的水平柔性系杆。7.2.3支撑的形式、计算和连接构造7.2.3.1支撑的形式屋架支撑为平行弦桁架，其弦杆可兼作支撑桁架的弦杆，斜腹杆一般采用十字交叉式，与弦杆的交角在30o～60o之间。通常横向水平支撑节点间的距离为屋架上弦节间距离的2～4倍，纵向水平支撑的宽度取屋架端节间的长度，一般为6m左右。7.2.3.2支撑设计计算原则屋盖支撑因受力较小一般不进行内力计算，其截面尺寸一般由杆件容许长细比和构造要求决定。支撑中的交叉斜杆以及柔性系杆按拉杆设计，通常用单角钢做成；非交叉斜杆、弦杆、横杆以及刚性系杆按压杆设计，宜采用双角钢做成的T形截面或十字形截面，其中横杆和刚性系杆常用十字形截面使在两个方向具有等稳定性。当屋架跨度较大、房屋较高且基本风压也较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。可假定在水平桁架节点上的集中风力荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力，这样，使原来的超静定体系简化为静定体系，图中W为水平节点荷载，由风荷载或吊车荷载引起。7.2.3.3支撑的连接构造屋架支撑的构造应力求简单、安装方便。支撑与屋架的连接通常用M20的C级螺栓，支撑与天窗架的连接通常用M16的C级螺栓。在有重级工作制吊车或有较大振动设备的厂房，除螺栓外，还应加安装焊缝，焊缝长度≥80mm，焊脚尺寸≥6mm。当采用圆钢作支撑时，应用花篮螺栓预加拉力将圆钢拉紧。§7.3屋盖的形式及尺寸7.3.1屋架的形式和选型原则在确定钢屋架外形时，应满足用途、建筑造型、屋面排水和制造安装方便的原则。满足使用要求：屋架的外形应与屋面材料排水的要求相适应，还要考虑建筑上净空的需要，以及有无天窗、天棚和悬挂吊车等方面的要求；受力合理：屋架的外形应尽量与弯矩图相近，以使屋架弦杆的内力沿全长均匀分布，能充分发挥材料的作用；腹杆的布置应使短杆受压，长杆受拉，且数量少而总长度短，杆件夹角宜在30°～60°之间，最好是45°左右；还要使弦杆尽量不产生局部弯矩；施工方便：屋架的节点要简单、数目宜少些；应便于制造、运输和安装。同时满足上述的要求困难，要根据具体情况合理设计，对技术经济进行综合分析比较，以便得到较好的经济效果。7.3.2不同屋架的适用范围屋架的外形主要有三角形、梯形、矩形和曲拱形等。三角形屋架主要用于屋面坡度较大的有檩屋盖结构或中、小跨度的轻型屋面结构中。7.3.2.1三角形屋架图7-15三角形屋架屋架多与柱子铰接，横向刚度较小。屋架的外形与均布荷载的弯矩图差别大，使弦杆的内力变化大，支座弦杆内力大，跨中弦杆内力小。若荷载和跨度较大时，采用三角形屋架不经济。单斜杆式（图a）中较长的斜杆受拉，较短的竖杆受压，比较经济。人字式（图b）的腹杆数较少，节点构造简便。芬克式（图c）的腹杆受力合理较小的桁架，便于运输。外形与弯矩图较接近，受力好，省材料，应用广泛。适受力情况较三角形好，腹杆较短，与柱子可刚接，也可铰接。一般用于屋面坡度平缓且跨度较大时的无檩屋盖结构，现已成为工业厂房屋盖结构的基本形式。图7-16梯形屋架7.3.2.2梯形屋架人字式（图a）的布置不仅可使受压上弦的自由长度比受拉下弦为小，还能使大型屋面板的主肋搁支在上弦的节点上，避免上弦产生局部弯矩，特点腹杆总长度短，节点少。若节间长度过长，可采用再分式腹杆形式（图b），可避免节间直接受荷（非节点荷载）。屋架的外形和弯矩图分布不接近，弦件内力分布不均匀。上、下弦杆水平，腹杆长度一致，杆件类型少，标准化、工业化程度高，主要用于托架、支撑体系。LhhLhh0L图7-18平行弦桁架腹杆体系桁架中的腹杆主要用以联系上下弦杆和构成节点并传递节点荷载。常用的腹杆体系人字式、交叉式、再分式。7.3.2.3平行弦屋架和人字形屋架跨度：按使用和工艺要求确定，一般以3m为模数。屋架的跨度为3的倍数，有12m，15m，18m，21m，24m，27m，30m，36m等几种，也有更大的跨度。三角形有檩屋盖结构比较灵活，不受3m模数的限制。屋架计算跨度：屋架两端支座反力的距离，一般取支柱轴线之间的距离减去300mm。l0(桁架两端支座反力间的距离)＝l-（300～400mm）高度：根据经济、刚度和建筑要求，以及屋面坡度，运输条件等确定。三角形跨中h≈（1/4～1/6）l，以适应屋架材料要求屋架具有较大的坡度。梯形屋架坡度较平坦，屋架跨中高度应满足刚度要求，当上弦坡度为1／8～1／12时，跨中高度一般为（l／6～1／10）l，跨度大（或屋面荷载小）时取小值，反之则取大值。7.3.3屋架的主要尺寸端部高度：当屋架与柱铰接时为1．6～2．2m，刚接时为1．8～2．4m；端弯矩大时取大值，反之取小值。跨中高度：根据端部高度、屋面坡度计算，最大高度应小于运输界限，如铁路运输界限为3．85m。起拱高度：对跨度较大的屋架，在横向荷载作用下将产生较大的挠度，有损外观并可能影响屋架的正常使用。为此，对跨度l》15m的三角形屋架和跨度l》24m的梯形、平行弦屋架，当下弦无向上曲折时，宜采用起拱，即预先给屋架一个向上的反挠度，以抵消屋架受荷后产生的部分挠度。起拱挠度一般为其跨度的1/500作用。§7.4屋架的杆件设计7.4.1屋架的荷载和内力计算7.4.1.1屋架荷载永久荷载：屋面材料、保温层、防水层、檩条、支撑、屋架、天窗架等结构自重。可变荷载：屋面活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载、悬挂吊车荷载等。屋面活荷载与雪荷载不同时出现，取两者中较大值计算。屋架和支撑自重可按经验公式：q=(0.12+0.11l)kN/m27.4.1.2节点荷载1.桁架的荷载计算与荷载组合（1）桁架荷载永久荷载：屋面材料、保温层、防水层、檩条、支撑、屋架、天窗架等结构自重。可变荷载：屋面活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载、悬挂吊车荷载等。屋面活荷载与雪荷载不同时出现，取两者中较大值计算。桁架和支撑自重可按经验公式：gWk=(0.12+0.11l)kN/m2（9.6.1）（2）节点荷载计算桁架上的荷载通过檩条和大型屋面板肋以集中力方式作用于桁架节点①永久荷载＋可变荷载②永久荷载＋半跨可变荷载③屋架、支撑和天窗架自重＋半跨屋面板重＋半跨屋面活荷载（3）荷载组合§7.4屋架的杆件设计基本假定a.桁架的各节点均视为铰接。b.桁架所有杆件的轴线平直且都在同一平面内且在节点处交汇。c.荷载都作用在节点上，且都在桁架平面内。2.桁架杆件的内力计算局部弯矩上弦有节间荷载时，除轴心力外还产生局部弯矩。理论上应按弹性支座的连续梁进行计算，一般偏于安全地简化取端部节间正弯矩M1＝0.8M0，其它节间的正弯矩和节点负弯矩M2＝±0.6M0，M0是把弦杆节间视为简支梁求得的最大弯矩。图9.6.6局部弯矩作用的计算简图内力计算用数解法或图解法或借助电算，求出节点荷载作用下屋架各杆件的内力0.8M00.6M00.6M00.6M00.6M00.6M00.6M00.6M09.6.3桁架杆件的计算长度和容许长细比弦杆、支座斜杆、支座竖杆l0x=l，中间腹杆l0x=0.8l。1.桁架平面内计算长度l0x图9.6.7a杆件平面内的计算长度图9.6.7b杆件平面外的计算长度2.桁架平面外计算长度l0y取决于弦杆侧向支承点间距离。•上弦杆无檩方案:有檩方案:能保证大型屋面板三点与上弦杆焊接时:l0y=2b（≤3m）b—屋面板宽度。檩条与支撑点交叉不连接时：l0y=l1檩条与支撑点交叉连接时：l0y=l1•下弦杆：取纵向水平支撑节点与系杆或系杆与系杆之间的距离。•腹杆：由于节点在平面外刚度很小，对杆件嵌固作用较小，故腹杆两端视为铰接，则l0y=l当受压弦杆侧向支承点间距为2倍节间长度，且两个节间弦杆内力不同，则弦杆平面外的计算长度：图9.6.8杆件内力变化时在桁架平面外的计算长度当l00.5l1时，取l