屋盖钢结构设计

第三章屋盖钢结构设计,内容概述屋盖结构布置屋盖支撑体系檩条设计普通钢屋架设计轻型钢屋架设计钢管屋架设计实腹梁和框架梁屋架空间桁架屋盖体系金属拱形波纹屋盖结构,第一节屋盖结构布置,一、屋盖结构组成钢屋盖结构组成：屋面板、檩条、屋架、托架、天窗架、支撑等构件。屋架的跨度和间距取决于柱网布置，柱网布置取决于建筑物工艺要求和经济要求。屋架跨度较大：为了采光和通风，屋盖上常设置天窗。柱网间距较大，超出屋面板长度：应设置中间屋架和柱间托架，中间屋架的荷载通过托架传给柱（图31）。,屋架与屋架之间：布置支撑，增强屋架的侧向刚度，传递水平荷载和保证屋盖体系的整体稳定。,二、屋盖体系分类两种屋盖：无檩屋盖和有檩屋盖。无檩屋盖：屋面荷载直接通过大型屋面板传递给屋架（图32）。优点：屋盖横向刚度大，整体性好，构造简单，施工方便等；缺点：屋盖自重大，不利于抗震，其多用于有桥式吊车的厂房屋盖中。,无棱屋盖实例,有檩屋盖：当屋面采用轻型材料如石棉瓦、瓦楞铁、压型钢板和铁丝网水泥槽板等时，屋面荷载要通过檩条再传递给屋架（图33）。优点：构件重量轻，用料省；缺点：屋盖构件数量较多，构造较复杂，整体刚度较差。,有棱屋盖实例,第二节屋盖支撑体系,一、屋盖支撑作用主要作用：保证屋盖结构的整体稳定；增强屋盖的刚度；增强屋架的侧向稳定；承担并传递屋盖的水平荷载；便于屋盖的安装与施工。屋架是屋盖的主要承重结构。需要用支撑连接屋架。长的屋盖结构，在中间设置横向支撑。横向支撑是屋架弦杆的侧向支承点，减小弦杆在平面外的计算长度，减小动力荷载作用下的屋架平面外的受迫振动。屋盖支撑将作用于山墙的风荷载、悬挂吊车水平荷载及地震作用传递给房屋的下部支承结构。钢屋架安装：首先吊装有横向支撑的两榀屋架，将支撑和檩条与之连系形成稳定体系，然后再吊装其他屋架与之相连。,二、屋盖支撑布置五种屋盖支撑：上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑和系杆。1上弦横向水平支撑在屋盖体系中，一般都应设置屋架上弦横向水平支撑，包括天窗架的横向水平支撑。上弦横向水平支撑布置在房屋两端或在温度缝区段的两端的第一柱间或第二柱间。横向水平支撑的间距60m，房屋长度60m，还应另加设水平支撑。,2下弦横向水平支撑条件设置：屋架跨度18m；屋架跨度0.48,短肢相并的不等边双角钢截面（图327d），可近似取,。否则，应取,（6）单轴对称的轴心压杆在绕非对称主轴以外的任一轴失稳时，应按照弯扭屈曲计算其稳定性。当计算等边单角钢构件绕平行轴（图327e的u轴）稳定时，可用下式计算其换算长细比uz，并按b类截面确定值：,当b/t0.69,当b/t0.69,（7）对于屋架中内力很小的腹杆和按构造需要设置的杆件，可按容许长细比来选择截面而无须验算。,七、屋架节点设计,节点设计应做到传力可靠，构造简单。在普通钢屋架中一般采用节点板把汇交的各杆件连接在一起，各杆件的内力通过与节点板的焊缝取得互相平衡。,（1）为避免杆件偏心受力，焊接屋架各杆件的重心线应尽量与屋架的几何轴线重合，在节点处应交于一点。但考虑到制造方便，角钢肢背到屋架轴线的距离可取5mm的倍数。螺栓连接的屋架可采用靠近杆件重心线的螺栓准线为轴线。（2）当屋架弦杆沿长度改变截面时，为便于安装屋面构件，应使肢背齐平，并使两个角钢重心线之间的中线与屋架的轴线重合以减小偏心作用（图328）。如轴线变动不超过较大弦杆截面高度的5，在计算时可不考虑由此引起的偏心弯矩。,当不符合上述要求时或节点处有较大的偏心弯矩时，应根据交汇于节点的各杆件延刚度（线刚度），将偏心弯矩分配到各杆件（图329）。,（3）为施焊方便，且避免焊缝过分密集致使材质变脆，节点板上各杆件之间焊缝的净距不宜过小，用控制杆端间隙a（图330a）来保证。受静载时，屋架杆件用节点板连接时，弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的净距，a=1020mm（图330b）或510mm（图330c）。,（4）直接支承大型钢筋混凝土屋面板而角钢肢又较薄的上弦角钢可按图331所示方法予以加强。,（5）屋架杆件端部切割宜与其轴线垂直（图332a）。为了减小节点板的尺寸，也可采用斜切（图332b，c），但绝不容许采用图332d所示的切割形式。,（6）节点板的形状和尺寸根据所连杆件及所需连接焊缝长度确定。为了节约钢材和减少切割工作量，节点板的形状应尽量简单而有规则，如采用矩形、梯形或平行四边形等（图333），一般至少有两条边平行。节点板不应有凹角，以免有严重的应力集中。,（7）节点板的尺寸应尽量使连接焊缝中心受力，如图334a所示。图334b所示的节点板左侧边缘应力可能过大，且焊缝受力有偏心，因此不宜采用。,（8）节点板应有足够的强度，以保证弦杆与腹杆的内力能安全地传递。节点板上应力分布比较复杂，一般不作计算。通常节点板的厚度可根据腹杆（梯形屋架）或弦杆（三角形屋架）的最大内力按表31取用。节点板厚度为6mm20mm。在同一榀屋架中，除支座处节点板比其他节点板厚2mm外，全屋架所有节点板的厚度应相同。节点板不得作为拼接弦杆用的主要传力杆件。节点板的平面尺寸还应适当考虑制作和装配的误差。,2.节点的计算与构造,节点设计包括确定节点构造，计算连接焊缝的长度和焊脚尺寸以及确定节点板得形状和尺寸。下面具体介绍屋架各典型节点的计算。,（1）上弦节点,肢背,肢尖,（2）下弦节点与上弦节点相同,（3）拼接节点,（5）支座节点,屋架与柱子的连接可以设计成铰接或刚接。支承于钢筋混凝土柱的屋架一般都按铰接设计。,屋架与钢柱的连接可铰接也可刚接。三角形屋架端部高度小，需加隅撑才能与柱形成刚接。,铰接支座只需传递屋架竖向支座反力，而与柱刚接的屋架支座节点要能传递端部弯矩产生的水平力和竖向反力,包括节点板、加劲肋、支座底板和锚栓等几部分。加劲肋的作用是加强支座底板的刚度，以便均匀地传递支座反力并提高支座节点的侧向刚度。加劲肋一般设在支座节点的中心处，使其轴线与支座反力作用线重合。加劲肋高度和厚度应分别与节点板的高度和厚度相同。为了便于节点焊缝施焊，下弦角钢水平肢与支座底板间的净距应不小于下弦水平肢的宽度，也不小于130mm。锚栓预埋于钢筋混凝土柱中（或混凝土垫块中），以固定底板。锚栓的直径一般取2025mm；为便于安装时调整位置，底板上的锚栓孔直径一般取锚栓直径的225倍，可开成圆孔或半圆带矩形开口孔。当屋架安装完毕后，将垫圈套在锚栓上与底板焊牢以固定屋架，垫圈的孔径比锚栓直径大12mm，厚度可与底板相同。,第五节轻型钢屋架设计设计,轻型钢屋架分为圆钢、小角钢做成的屋架和冷弯薄壁型钢做成的屋架两种。,一、轻型钢屋架形式,轻型钢屋架的形式主要有三角形屋架、三角拱屋架和梭型屋架。三角形轻型钢屋架可分为芬克式和单斜杆式。,三铰拱屋架由两根斜梁和一根水平拉杆组成，斜梁的截面可分为平面桁架式和空间桁架式，拉杆可采用圆钢或角钢：,梭型屋架的上弦杆为角钢，其余为圆钢所组成的空间桁架，属于小坡度无棱屋盖体系：,二、轻型钢屋架构造,在轻型钢屋架中，应尽可能使杆件重心线在节点处交于一点，否则应考虑其偏心的影响轻型钢屋架各杆件可以直接连接，也可以通过节点板连接。,三角形轻型钢屋架当下弦和腹杆采用单角钢时采用下图构造：,三角拱屋架的屋脊节点构造与斜梁几何轴线的位置有关。为了简化节点构造，改善受力情况，宜使屋脊处顶铰合力线与斜梁上弦截面的形心线重合，如下图：,轻钢材料实物图,三铰拱屋架的支座节点构造同样与斜梁的设置有关，如下图：,梭型屋架的截面形式有正三角形和倒三角形:,问：上图中A型截面是怎样的？B型呢？,三、轻型钢屋架计算,圆钢与平板，圆钢与圆钢之间的焊缝如下图，抗剪强度按下式计算：,N-作用在连接处的轴心力l-焊缝的计算长度,第六节钢管屋架设计,一、钢管屋架形式钢管结构一般包括圆钢管和矩形管，屋架形式除了做成与普通钢屋架或轻型钢屋架相同形式外，也可做成下图形式：,二、圆钢管和矩形钢管屋架节点构造,1、主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸，主管的壁厚不应小于支管壁厚，在支管与主管的连接处不得将支管插入主管内。2、主管与支管或两支管轴线的夹角不宜小于30。3、支管与主管的连接节点处，除搭接型节点外，应尽可能避免偏心。4、支管与主管的连接焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡。5、支管部应使用自动切割机切割，支管壁厚小于6mm时不切坡口。,圆管的节点构造除了用弧形剖口直接连接外，也可以用节点板连接，如下图：,矩形管的节点构造中有腹杆与弦杆直接连接，各情况处理如下图：,三、钢管节点强度计算,直接焊接钢管结构中支管和主管的轴向内力设计值不应超过杆件承载力设计值，支管的轴向内力设计值不应超过节点承载力设计值，,对受压支管：,对受拉支管：,1.X型节点,2.T型和Y型节点,当0.6时,当0.6时,3.K型节点,4.XX型节点,5.TT型节点,6.KK型节点,矩形管的直接焊接节点有T型、Y型、X型、K型、N型等形式，其计算式大多为经验修正公式，在此不详细介绍。,四、钢管节点焊缝计算,第七节实腹梁和框架梁屋架,一、实腹梁屋架构造特点实腹梁的重量较桁架要大，但其制作方便，为了节省钢材，其屋面一般用轻型材料。实腹梁的腹板比较薄，厚度一般为68mm，梁高取屋盖跨度的1/15左右。实腹梁一般适用于跨度不大的轻型屋架。,实腹梁实例,二、框架梁屋架构造特点,跨度较大的屋盖可采用框架式屋架，框架采用工字钢或T形钢，为防止横向推力，在框架下面设置拉杆，跨度可达30m左右：,框架式屋架节点一般采用对接焊缝，在支座处为了加强刚度采用节点板：,框架与吊杆的连接构造是否采用节点板要视具体情况而定，如下图：,第八节空间桁架屋盖体系,一、空间桁架屋盖特点在平面屋架中，为了节省钢材和提高综合经济效益，有必要采用空间桁架屋盖。空间桁架是三维空间的结构形体，空间刚度大。横向设主桁架，纵向设次桁架。,二、空间桁架屋盖构造,空间桁架的杆件与平面桁架类似，当杆件采用角钢时，采用空间正交的十字节点板，和水平盖板组成的焊接钢板节点，当杆件采用钢管时，一般采用球节点。,第九节金属拱形波纹屋盖结构,一、拱形波纹屋盖特点此种屋盖结构是用彩色镀锌钢板在工地二次成型安装而成，第一次将钢板轧制成U形或梯形，第二次将直槽轧成拱形槽板，再连成整体，吊装到位。强度指标在210550N/m，钢板厚0.61.5mm，可轧制成截面高115125mm，宽300450mm的槽板，适用于矢跨比0.10.5、跨度840m的屋盖。,波纹板实物图,二、拱形波纹屋盖的优缺点,优点；工程造价低，施工周期短，质量优异，造型优美。缺点：造型单一，都是圆弧形，扎制的槽板截面只有一种，沿跨度都是等截面，受力不合理。,三、拱形波纹屋盖建筑构造,屋盖要保温，可通过室内顶喷聚氨酯或粘敷复合硅酸盐。采光和通风，可利用横向拱间间隔，或取高低差，或布置有机玻璃。屋盖可通过下部的柱顶圈梁设预埋件或预留槽口连接。,思考题1、屋盖结构主要组成部分是哪些？他们的作用是什么？2、屋盖结构中的支撑起什么作用？布置支撑会不会增加屋盖结构用钢量？3、棱条分实腹式和格构式，这两种结构形式各使用于哪种情况？其优缺点是什么？4、为什么棱条要布置拉条？是不是凡是棱条均布置拉条？5、三角形、梯形、平行弦桁架各适用于哪些屋盖体系？6、如何选择桁架结构截面？为什么从假定截面长细比着手？7、如何确定桁架节点的节点板厚度？一个桁架的所有节点板厚度是否相同？8、试画出三角形桁架和梯形桁架的支座节点构造？9、为什么在屋架跨中节点要增加拼接角钢？它起什么作用？10、用钢管做桁架时,其节点有几种连接构造？其优缺点如何？11、钢管桁架的空间连接构造与平面连接构造有何异同？其公式有无区别？12、为什么说金属拱形波纹板屋盖结构是一种非常新型的屋盖形式？其受力有哪些特点？应用范围有无限制？,习题3-1已知某厂铸工车间，单跨双柱无天窗，跨度为33m，长度为120m，柱距为6m，车间内有2台500kN/10kN中级工作制桥式吊车，采用梯形钢屋架，上铺1.5m*6m预应力钢筋混凝土大型屋面板。屋盖支撑如何布置？试绘出其支撑布置图。,3-2某单跨厂房，跨度24m，长180m，柱距6m，厂房内有一台起重量300kN/5kN的中级工作制桥式吊车，屋屋架采用24m的三角屋架，屋面材料为石棉瓦，木丝板保温层，屋面坡度i=1/3，试绘出该屋架支撑布置图。,3-3某无积灰的石棉瓦屋面，坡度i=1/3，采用普通热轧槽钢棱条，l=6m