屋盖钢结构设计

1、第三章 屋盖钢结构设计第一节 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）。图31 屋盖结构组成 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

2、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。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。图32 无檩屋盖体系 图33 有檩屋盖体系第二节 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。 横向支撑屋架弦杆的侧向支承点，减小弦杆在平面外的计

3、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上弦横向水平支撑图34 屋盖支撑布置 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60 m，房屋长度60 m，还应另加设水平支撑。

4、 2下弦横向水平支撑设置条件：屋架跨度18 m；屋架跨度0.58时：（321b） 长肢相并的不等边双角钢截面（图327c）： 当b2/t0.48 时：（322a） 当b2/t0.48 时：（322b）短肢相并的不等边双角钢截面（图327d），可近似取。否则，应取（322c） （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时： （323a） 当b/t0.69时： （323b）式中，；lou为构件对u轴的计算长度，iu为构件截面对u轴的

5、回转半径。 （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节点设计的一般要求 （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 5 mm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

6、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。图328 弦杆截面变化时的轴线位置 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）。图329 弦杆轴线偏心较大时的计算简图 （324）式中 mi所计算杆件承担的弯矩； ki所计算杆件的延刚度（线刚度），ki=； ki汇交于该节点的各杆件延刚度之和； m节点偏心弯矩，m=（n1n2）e。 在算得各mi后，按偏心受力杆件计算各杆的强度及稳定。 （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

7、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=10 20 mm（图 330b）或 510 mm（图 330c）。（a） （b） （c）图330 用节点板连接时屋架杆件间的距离（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。图331 屋架上弦节点的加强 （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。图332 角钢端部的切割形式 （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

8、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。图333 节点板的形状 （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。图334 节点板的焊缝位置 （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 6 mm20mm。在同一榀屋架中，

9、除支座处节点板比其他节点板厚 2 mm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。表31 屋架节点板厚度选用表节点板的拉剪破坏可按下式计算：式中n作用于板件的拉力；aitli第i段破坏面的截面积，当为螺栓（铆钉）连接时取净截面面积；t板件的厚度；li第i破坏段的长度，应取板件中最危险的破坏线的长度，图335（a）；i第i段的拉剪折算系数；i第i段破坏线与拉力轴线的夹角。此式用于图335（b）的梁腹板时有1 =90，2 =0。图335板件的拉、剪撕裂（a）焊缝连接；（b）螺栓（铆钉）连接单根腹杆的节点板则按下式计算：式中

10、be板件的有效宽度（图336a），当用螺栓连接时，应取净宽度（336b），图中为应力扩散角，可取为30；t板件厚度。图336根据试验研究，桁架节点板在斜腹杆压力作用下的稳定应符合下列要求：（1）对有竖腹杆的节点板（图336），当时，可不计算稳定。否则应进行稳定计算。但在任何情况下c/t不得大于。其中c为受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离，t为节点板厚度。（2）对无竖腹杆的节点板，当时，节点板的稳定承载力可取为0.8betf；当时，应进行稳定计算。但在任何情况下，c/t不得大于。 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的形状和尺寸

11、。下面具体介绍屋架各典型节点的计算。（l）一般节点图335a一般节点一般节点指节点无集中荷载也无弦杆拼接的节点。图335a是一般下弦节点。各腹杆与节点板之间的传力（即n3、n4和n5），一般用两侧角焊缝实现，也可用l形围焊缝或三面围焊缝实现。腹杆与节点板间焊缝按受轴心力角钢的角焊缝计算。由于弦杆是连续的，本身已传递了较小的力（即n2），弦杆与节点板之间的焊缝只传递差值nn1n2，按下列公式计算其焊缝长度：肢背焊缝： +2hf1 （325）肢尖焊缝： +2hf2式中 k1、k2角钢肢背、肢尖焊缝内力分配系数；等肢角钢k1=07，k2=03；不等肢角钢长肢相并，k1=065，k2=035；短肢相并

12、，k1=075，k2025；hf1、hf2肢背、肢尖焊缝焊脚尺寸；角焊缝强度设计值。由n算得的焊缝长度往往很小，此时可按构造要求在节点板范围内进行满焊。节点板的尺寸应能容下各杆焊缝的长度。各杆之间应留有空隙a（图735a），以利装配与施焊。节点板应伸出弦杆1015mrn，以便施焊。在保证应留间隙的条件下，节点应设计紧凑。（2）有集中荷载的节点。图335b是有集中荷载的上弦节点。当采用较重的屋面板而上弦角钢较薄时，其伸出肢容易弯曲，必要时可用水平板予以加强。为使檩条或屋面板能够放置，节点板有不伸出或部分伸出的两种作法。作法不同，节点计算方法也有所不同。图335b上弦节点两种作法节点板不伸出的方案

13、如图335b（a）。此对节点板回进，形成槽焊缝“k”和角焊缝“a”，节点板与上弦杆之间就由这两种不同的焊缝传力。由于槽焊缝焊接质量不易保证，常假设槽焊缝“k”只传递p力，并近似按两条焊脚尺寸为hf1t2（其中t为节点板厚）的角焊缝来计算所需要的焊缝计算长度lw1，实际上因p较小所得lw1不大而总是满焊的。节点板凹进的深度应在t2与t之间。即（0.5t）mm缩进距离t， 这时塞焊缝可作为两条角焊缝计算，其强度设计值乘以08的折减系数。 上弦肢背槽焊缝（塞焊缝）计算： 式中，角钢肢背塞焊缝的焊脚尺寸和每条焊缝长度；图335b“a”焊缝传递弦杆两端内力差n=n1n2，但因“a”焊缝与弦杆轴线相距为e

14、，所以“a”焊缝同时还需传递偏心力矩m=ne。于是，应验算“a”焊缝两端的最大合成应力，即上弦肢尖角焊缝计算：式中，角钢肢尖角焊缝的焊脚尺寸和每条焊缝长度。以上算法偏于保守。在焊缝质量有保证时，可以考虑槽焊缝参与承担弦杆内力差n。节点板部分伸出方案如图335b（b）。上面的计算中“a”焊缝的强度不足时常用伸出的方案。此时形成肢尖的“a” 与肢背的“b”两条角焊缝，由这两条焊缝来传递弦杆与节点板之间的力，即p与n的合力n，图335b （b）。n并不沿杆轴方向，但p往往较小，故n与杆轴方向相差较小，仍可近似地按只承受轴力时肢尖与肢背的分配系数将n分到肢尖与肢背，以设计和验算“a”及“b” 焊缝。（

15、3）下弦跨中拼接节点 角钢长度不足时，以及桥架分单元运输时弦杆经常要拼接。前者常为工厂拼接，拼接点可在节间也可在节点；后者为工地拼接，拼接点通常在节点。这里叙述的是工地拼接。图335c是下弦中央工地拼接节点。弦杆内力比较大，单靠节点板传力不适宜的，并且节点在平面外的刚度很弱，所以弦杆经常用拼接角钢来拼接。拼接角钢采取与弦杆相同的规格，并切去部分竖肢及切去直角边棱。切肢=thf5mm以便施焊，其中t为拼接角钢肢厚，hf为角焊缝焊脚尺寸，5 mm为余量以避开肢尖圆角；切棱是使之与弦杆贴紧，图335c（b）。切肢切棱引起的截面削弱（一般不超过原面积的15）不太大，在需要时可由节点板传一部分力来补偿。

16、也有将拼接角钢选成与弦杆同宽但肢厚稍大一点的。当为工地拼接时，为便于现场拼装，拼接节点要设置安装螺栓。同时，拼接角钢与节点板应各焊于不同的运输单元，以避免拼装中双插的困难。也有的将拼接角钢单个运输，拼装时用安装焊缝焊于两侧。图335c下弦拼接节点弦杆拼接节点的计算包括两部分，即弦杆自身拼接的传力焊缝（如图335c中的“c”焊缝）和各杆与节点板间的传力焊缝（如图335c中的“d”焊缝）。图335c中，弦杆拼接焊缝“c”应能传递两侧弦杆内力中的较小值n。或者偏于安全地取截面承载能力n= fan（式中an为弦杆净截面，f为强度设计值）。考虑到截面形心处的力，图335c （c）与拼接角钢两侧的焊缝近于

17、等距，故n力由两根拼接角钢的四条焊缝平分传递。弦杆和连接角钢连接一侧的焊缝长度为拼接角钢长度为 l2l1b式中b为间隙，一般取1020mm。内力较大一侧的下弦杆与节点板之间的焊缝传递弦杆内力差n，如n过小则取弦杆较大内力的15。内力较小一侧弦杆与节点板间焊缝按照传力一侧采用。弦杆与节点连接一侧的焊缝强度按下式计算肢背焊缝： （325）肢尖焊缝： 式中nmax=max两侧下弦较大内力的15,两侧下弦的内力差（4）上弦跨中拼接节点上弦拼接角钢的弯折角度热弯形成，在屋脊节点处用两根拼接角钢与截面相等的上弦工地拼接，图335d（a）。当屋面较陡需要弯折角度较大且角钢肢较宽不易弯折时，可将竖肢开口弯折后

18、对焊，图335d（b）。为了使拼接角钢和弦杆之间能贴紧而便于施焊，需将拼接角钢的棱角的棱角削圆，或削平。竖肢还要切去thf5mm（式中：t为角钢壁厚，hf为连接焊缝的焊脚尺寸）。拼接角钢的截面削弱可由节点板来补偿。拼接角钢与弦杆间焊缝算法与下弦跨中拼接相同。计算拼接角钢长度时，屋脊节点所需间隙较大，常取 b50mm左右。对节点板不伸出和部分伸出两种作法，弦杆与节点板间焊缝计算略有不同。弦杆与节点板间的焊缝所承受的竖向力（图335d）应为 p（n1n2）sin。为n1、n2的坡度角。 拼接角钢的长度由焊缝长度计算确定。焊缝计算长度按被连弦杆的最大内力计算，并平均分配给四条连接焊缝。每条焊缝的计算

19、长度为 （331） 焊缝的实际长度应为计算长度加10 mm，因而拼接角钢的长度应为两倍的焊缝实际长度加上50mm，此50mm是空隙尺寸。考虑到拼接节点的刚度，一般拼接角钢的长度不小于600 mm。图335d上弦跨中拼接节点（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（图335e）。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（图335f），否则只能与柱形成铰接，图335e（b）。梯形屋架和平行弦屋架的端部有足够的高度，既可与柱铰支（图335e），也可通过两个节点与柱相连而形成刚接（图335h）。铰接支座只需传递屋

20、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。图335e屋架铰接支座（a）梯形屋架；（b）三角形屋架图335f有隅撑的框架 （a） 简支屋架的支座节点包括节点板、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 130 mm。 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2

21、025 mm；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 12 mm，厚度可与底板相同。例：图335g是简支梯形屋架支座节点。在图335g中，以屋架杆件合力（竖向） 作用点作为底板中心，合力通过方形或矩形底板以分布力的形式传给混凝土等下部结构。为保证底板的刚度，也为传力和节点板的平面刚度的需要，应有肋板，肋板厚度的中线应与各杆件合力线重合。梯形屋架中，为了便于焊缝的施焊，下弦角钢的边缘与底板间的距离e一般应不小于下弦伸出肢的宽度。底板固定于钢筋混凝土柱等下部结构中

22、预埋的锚栓。为使屋架在安装时容易就位以及最终能固定牢靠，底板上应有较大的锚栓孔，就位后再用垫板（图335g）套进锚栓并将垫板焊牢于底板。锚栓直径d一般为1826mm（常不小于20mm），底板上的孔为圆形或半圆带矩形的豁孔（335g），后者安装方便应用较广。底板上的锚栓孔径常为=（225）d。垫板上的孔径= d（12mm）。简支支座中力的传递路线是，屋架杆件合力（其值与反力r相等）加在节点板上，节点板通过“l”焊缝将合力的一部分传给肋板，然后，节点板与肋板一起，通过水平的“h”焊缝将合力传给底板。支座节点的计算：底板、加劲肋、“l”及“h”焊缝四个部分。 底板计算包括面积与厚度的确定。底板所需毛

23、面积为：aana0（7-95）式中 anrfc由反力 r按支座混凝土或钢筋混凝土局部承压强度算得的面积；a0实际采用的锚栓孔面积。图335g梯形屋架支座节点方形底板：边长尺寸。当r不大时计算出的a值较小，构造要求底板短边尺寸 200mm。宽度一般取 200360 mm，长度（垂直于屋架方向）取 200400 mm。底边边长应取厘米的整倍数，在图335g的构造中还应使锚栓与节点板、肋板的中线之间的距离不小于底板上的锚栓孔径。底板的厚度按均布荷载下板的抗弯计算。将基础的反力看成均布荷载q（图335g），底板的计算原则及底板厚度的计算公式与轴心受压柱脚底板相同。例如，图335g的节点板和加劲肋将底板分隔成四块两相邻边支承的板，其单位宽度的弯矩为式中，为底板下的平均压应力。系数，按b1a1比值由下表查得