钢结构屋面材料调查研究报

1、关于钢结构屋盖的研究报告毕业设计课题调研报告关键词：桁架、腹板、聚酯压芯板、金属压型板 摘要：分析并总结了钢结构屋盖系统在建筑中的特点和运用，对钢结构的合理化使用进行评论。 在工业与民用建筑中，钢结构屋盖主要由屋面板、檩条、屋架、托架、天窗架和支撑等构件组成。屋架的跨度和间距取决于柱网布置，而柱网布置则取决于建筑物工艺要求和经济要求。当屋架跨度较大时，为了采光和通风需要，无盖上常设置天窗。当柱网间距较大，超出屋面板长度时，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（如图1-1）。 图 1-1 屋盖结构组成根据屋面材料和屋面布置情况，屋盖可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种。当屋面采用大型屋

2、面板时，屋面荷载可直接通过大型屋面板传给屋架，这种屋架结构体系称为无檩屋盖（图1-2）。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时，屋面荷载要通过檩条再传给屋架，这种屋盖结构体系称为有檩屋盖（图1-3）。无檩屋盖和有檩屋盖体系各有优缺点。无檩屋盖体系的优点是屋盖横向跨度大、整体性好、构造简单、施工方便等；其缺点是屋盖自重大、不利于抗震、其多用于有桥式吊车的厂房屋盖中。有檩无盖体系的优点是构件重量轻、用料省；其缺点是屋盖构件数量多、构造较复杂、整体刚度较差。 图1-2 无檩屋盖体系 图1-3 有檩屋盖体 屋盖支撑体系常用的屋盖支撑包括：屋架上弦横向和纵向支撑，屋架下弦横向和纵

3、向支撑。屋架竖向支撑，天窗架支撑以及相应的系杆等。屋盖支撑根据布置可分为五种：上弦横向水平支撑，下限横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑和系杆。各种支撑不知如图2-1所示。屋架形式的选择：一普通钢屋架在确定屋架外形时，应满足适用、经济和制造安装方便的原则，从满足适用要求出发，屋架的外形应与屋面材料排水的要求相适应。从满足经济要求出发，注意以下几方面的内容：屋架的外形应尽量与弯矩图相近，以使屋架弦杆的内力延全长均匀布置，须充分发挥材料的作用；腹杠的布置应使短杠受压，长杠受拉，而且数量少总长度短，杆件夹角在30o-60o之间，最好是45o左右；还要使弦杠尽量不产生弯矩；从制造安装 图2-1 屋

4、盖支撑布置方便出发，屋架的节点要简单合理，节点数宜少些；应使屋架的外形便于制造、运输和安装。屋架外形主要有三角形、梯形、矩形、和曲拱形等（图2-2）。 图2-2 屋架的外形三角形屋架（图2-2a）主要用于屋面坡度较大的有檩屋盖结构中或中、小跨度的轻型屋面结构中。这种屋架与柱子铰接连接，因此房屋横向刚度较小。由于三角形屋架的外形与均布荷载的弯矩有差别，因此弦杆的内力变化较大，故弦杆截面不能充分发挥作用。若荷载和跨度较大时，采用三角形屋架就不太经济。梯形屋架（图2-2b）受力情况较三角形好，腹杆较短，与柱子的连接即可做成刚接，也可做成铰接。这种屋架一般用于屋面坡度较小的屋盖结构中，现已成为工业厂房

5、屋盖结构的基本形式。矩形屋架（图2-2c）的上、下弦平行，腹杆长度相等，杆件类型少，节点构造统一，便于制造，能符合标准化、工业化的要求，但弦杆内力分布不均匀，这种屋架一般用于单坡屋面的屋架及托架或支撑体系中。曲拱屋架（图2-2d）的外形最符合弯矩图，受力最合理，但上弦（或下弦）要弯曲成曲线型比较费工，如改成折线型较好，这种屋架用于有特殊要求的房屋中。三角形屋架的腹杆体系有单斜杆式、人字式和芬克式。单斜杆式（图3-1a）中较长的斜杆受拉，较短的竖杆受压，比较经济。人字式（图3-1c）的腹杆较少，节点构造简便，芬克式（3-1c）的腹杆受力合理，还可以分为左、右两个较小的桁架，便于运输。 图3-1

6、三角形屋架的腹杆体系屋架主要尺寸的确定。屋架主要尺寸包括屋架的跨度、高度、节间宽度。屋架的跨度应按使用和工艺要求确定，同时要考虑结构布置的合理性，并要与大型屋面板的宽度相配合，一般以3m为模数，因此，屋架的宽度为3的倍数，屋架的高度应按经济、刚度、建筑等要求以及运输界限、屋面坡度等因素来确定。但屋架材料要求屋架有较大跨度时，应采用三角形屋架，三角形屋架高度h=(1/4-1/6)L（跨度）。梯形屋架坡度比较平坦，屋架跨中高度应满足刚度要求，但上弦坡度为1/8-1/12时，跨中高度一般为（1/6-1/10）L，跨度大时取小值，反之取大值。梯形屋架的端部高度按下列不同情况取用；但屋架与柱铰接时为。刚

7、接时为；端弯矩大时取大值，反之取小值。在确定端部高度后，可根据屋面坡度计算出屋架的跨中高度，但最大高度取决于运输界限，如铁路运输界限为3.85m。屋架上弦接间的划分应根据屋面材料而定，要尽量时屋面荷载直接作用在屋架节点上，避免上弦杆产生局部弯曲。但采用大型屋面板时，上弦节间长度应等于屋面板的宽度，一般取1.5m或3m；但采用檩条时，根据檩条的间距而定，一般取0.8-3M。二轻型钢屋架轻型钢屋架的形式主要有三角形屋架、三铰拱屋架、和梭形屋架。轻钢屋面有斜坡屋面和平坡屋面两种。斜坡屋面常为有檩屋盖体系，采用三角形屋架和三铰拱屋架；平坡屋面多为无檩屋盖体系，采用棱形屋架。图4-1 三铰拱屋架形式三角

8、形轻型屋架可分为芬克式(图3-1c)和单斜杆式（图3-1a）。芬克式屋架和单斜杠式屋架的特点与普通屋架类似。三铰拱屋架由两根斜梁和一根水平拉杆组成（图4-1a），斜梁的界面可分为平面桁架式和空间桁架式两种（图4-1b），拉杠可采用圆钢或角钢。这种屋架的特点是杆件受力合理，斜梁的腹缸长度短，取材容易，便于运输安装。为了保证空间桁架式斜梁的整体稳定性，其截面高度与斜梁长度比值不得小于1/18，截面宽度与截面高度比值不得小于2/5。梭形屋架的上弦杠为角钢，其余为圆钢所组成的空间桁架（图4-2）。它属于小坡度（坡度为1/8-1/12）的无檩屋架体系。屋面材料一般用钢筋混凝土槽形板和加气混凝土板，多采用

9、卷材防水。该屋架适用于跨度为9-15M、柱矩为3-4.2M的屋盖体系。 图4-2 梭形屋架及截面形式轻钢屋架构造。在轻钢屋架中，应尽可能使杆件重心线在节点处交于一点，否则应考虑偏心的影响。轻钢屋架各杆件之间既可以直接连接，也可以通过节点板连接。接点板厚一般为6-8mm，支座板厚度为12-14mm。三角形轻型钢屋架当采用双角钢时的节点构造与图4-3单角钢杆件的连接节点普通钢屋架基本相同。当屋架下弦杠和腹杆采用角钢时，可采用（图4-3）的节点构造，（图4-3a）所示的节点类似顶接，省去了节点板，但加工较困难，使用较少。(图4-3b)的形式施工方便，但节点或杆件均有偏心，一把在受力较小的杆件中使用。

10、(图4-3c)的形式需将角钢背切口，但角钢根部截面有消弱，(图4-3d)的形式有节点板加强，传力和刚度较好。 图5-1 三铰拱屋架的屋脊节点 三铰拱屋架的屋脊节点构造与斜梁几何轴线的设置有关。斜梁几何轴线既可以与斜梁组合截面的形心线重合，也可以和斜梁上弦截面的形心线重合（图5-1）。三铰拱屋架的支座点构造同样与斜梁几何轴线的设置有关。（图5-2）为斜梁几何轴线与斜梁上弦截面形心线重合的构造。该节点在上弦两角钢上设置一水平盖板，通过支座节点板与底板连成一个钢形整体，使之传力可靠。 图5-2 三铰拱屋架的支座节点 梭形屋架的截面形式分为正三角形和倒三角形两种。在实际工程中，正三角形截面用的较多。梭

11、形屋架的屋脊节点构造见（图5-3）。支座节点见图（6-1）。 。图5-3 梭形屋架的屋脊节点构造三钢管屋架 图6-1 A型截面的梭形屋架的支座节点构造钢管结构包括圆管和矩形管两种形式。屋架形式除了做成与普通钢屋架相同形式外，也可做成（图6-2）所示的屋架形式。 图6-2 钢管屋架形式钢管节点的构造应符合下了要求：1 主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸，主管壁厚不应小于支管壁厚。在支管与主管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之间的架角不宜小于30o；3 支管与主管的连接节点处，除搭接形节点外，应尽可能避免偏心；4 支管与主管的连接焊接，应沿全周连续焊接并平滑过渡；5 支管端

12、部宜使用自动切管机切割，支管壁厚小于6mm时不切剖口。圆钢管的节点构造除了用弧形剖口直接连接（图6-3a）外，也可采用节点板连接（图6-3b），这种节点需将圆管剖开，插入节点板连接；或将钢管敲扁直接连接（图6-3c）,但这种连接。圆管端部加工后材料硬化，节点平面内刚度较小。图6-3 圆管连接节点构造 矩形管的节点构造中有腹杆与弦杆直接连接（图7-1a），担腹杠的尺寸不同时，可在腹杠间架一块垫板(图7-1b)，另外，为了加强节点刚度，可在弦杆上垫一块垫板（图7-1c）。或在弦杆两边布置加强板(图7-1d)图7-1 方钢管连接节点构四实腹梁和框架梁屋架在一些钢结构工程中，也常用实腹梁作为屋盖结构，

13、虽然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，而且根据受力情况。实腹梁可分段采用变截面。实腹梁的腹板比较薄，厚度一般为6-8mm，梁高取屋盖跨度的1/15左右，梁高与腹板厚度之比较大，因而在梁腹板上常配置横向和纵向加劲肋，以保证腹板的局部稳定。实腹梁一般适用于跨度不大的轻型屋盖（图7-2）。 图7-2 实腹梁钢屋架形式框架梁屋架构造特点跨度较大的屋盖则可采用框架式屋架，屋架采用工字钢或T型钢，为防止横向推力。在框架下面设置拉杆，拉杆一般采用圆钢或角钢，拉钢的重量可由吊杆吊在框架上，框架式屋架的跨度可达30m左右（图7-3）。框架式屋架无论采用工字形截面或T形截面

14、，其节点一般不用节点板拼接，而且对接焊接，但在支座处，为了加强支座刚度而采用节点板（图8-1）。 图7-3 带拉杆的框架梁屋架形式框架与吊杆的连接构造是否采用节点板要根据具体情况而定。 图8-1 T型和工型截面连接节点构造五空间桁架屋盖体系在平面屋架中，屋架的跨度增大，其高度和杆件尺度会随之增加，屋盖支撑也会增多，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（图8-2）。 图8-2 空间桁架屋盖体系空间桁架与平面桁架相比，若两者高度相同，前者杆件受力更合理，空间刚度更大，这是由于空间桁架三维空间结构形体，节点荷载由空间多根杆件承担，空间交会的杆件互为支撑，将受力杆件与支撑体系有机的结

15、合起来,因而可以跨越较大的跨度，且节省钢材，因此，空间桁架结构在屋盖中的应用越来越广泛。空间桁架屋盖一般在跨度方向及横向设主桁架，在纵向舍次桁架，形成主桁架和次桁架的纵横桁架体系。在整体上，空间桁架结构的内力分析与平面桁架是不同的，计算时必须考虑杆件件的空间作用，一般采用空间桁架位移法。空间桁架屋盖的构造，空间桁架的杆件与平面桁架类似，也多采用角钢或钢管做成，但杆件采用角钢时，采用空间正交的十字节点板和设在顶部和底部的水平盖板组成的焊接钢板节点（图9-1），对于上弦节点，水平盖板不但可以连接杆件，还可以支撑屋面板和檩条；对于下弦节点，根据受力和构造的需要设置水平盖板，但不设置盖板时 ，由十字节

16、点板传递弦杆及腹杆的内力。当设置盖板时，由十字节点板传递腹杆内力，十字节点板和盖板共同传递弦杆内力。当杆件采用钢管时，一般用球节点（图9-2），屋盖节点构造简单，连接方便。 图9-1 空间桁架焊接钢板节点 图9-2 空间桁架球节点六金属拱形波纹屋盖结构拱形波纹屋盖特点近年来，一种新型轻钢屋盖金属波纹屋盖结构正在我国兴起，这种屋盖结构使用彩色镀锌卷钢板在工地上二次成型安装二成的。第一次成形将钢板扎制成U形（图10-1）或梯形波纹支槽板（图10-2）,第二成型将直槽型扎成拱形槽板,在用自动锁边际机将若干拱形槽板扎成整体,吊装到屋顶圈梁安装就位而成轻钢屋盖结构.常用的彩色镀锌卷材板材料有:热镀锌钢板

17、、热镀锌合金钢板、热镀锌钢板和电镀锌钢板等,这种涂料卷板可涂成五颜六色,其强度指标在210-550N/mm之间,使用寿命可达40-50年。拱形波纹屋盖的优缺点:1. 工程造价低,采用mm后的镀锌钢板做成的维护和承重结构合而为一的屋盖结构,可跨越8-40M,重量只有14-25KG/M,不言而喻,这屋盖是非常经济的. 2. 施工周期短,卷材和成型机都可直接运到现场加工,设备自动化,施工专业化,10000M2的屋盖仅用20d,比传统屋盖要快的很多。3. 质量优异,镀锌钢板强度高、耐腐蚀，机械锁边连接不需要焊接或螺栓,其水密性和气密性都很好,安全可靠。4. 造型优美,拱形屋面可任意设计,彩色钢板屋面绚

18、丽多彩,室内无梁无檩,视野开阔,可随意分割房间不受限制,使用方便。 图10-1 U形波纹直槽板 图10-2 T形波纹直槽板这种金属拱形波纹屋盖适应于工业厂房、仓库、车库、冷库、展览厅、商场、集贸市场、体育馆、飞机库等,金属拱形波纹屋盖主要的不足之处是造型单一,都是圆弧型,而且扎制的槽型截面只有一种,沿跨度都是截面,而拱的受力沿跨度是变化的,其受力很不合理。拱形波纹盖建筑构造金属拱形波纹屋盖需要保温,可通过室内顶喷聚胺脂或粘敷复合硅酸岩,不同的厚度可以满足不同的保温要求。金属拱形波纹屋盖的采光和通风,可利用横向拱架间隔,或取高低差进行采光和通风,或两拱架间布置有机玻璃进行采光,如果屋盖不落地,屋

19、盖纵向以下部结构连接处以下均可开设门窗进行采光和通风。钢结构建筑的屋面材料屋面板主要分为1. 聚酯压芯板, 聚酯压芯板的构造为上下金属板表层,中间夹聚胺脂泡沫.金属层可为彩色钢板、镀铝锌钢板、镀锌钢板及彩色压花钢板等。聚酯压芯板为当今世界公认为的隔热保温最佳材料。主要特点有:重量轻、保温性能好、整体刚度好、承载力高、连接合理方便。主要是用于厂房、仓库、大型公共场所等建筑物屋面墙体。2. 岩棉夹芯板,岩棉夹心适用于对放火有较高要求的工程,岩棉纤维垂直于金属面板,高密度条状岩棉延长方向交错布置,保证了岩棉夹心板较好的能力。岩棉夹心材料为非燃烧材料,故岩棉夹心板具有超过1000摄氏度的耐火能力,岩棉夹心屋面板和墙板耐火极限为:100mm厚 (REI) 120分钟80mm厚 (REI) 60分钟50mm厚 (REI) 30分钟50-80-100mm厚岩棉板的耐火极限为0/1级(其耐火极限由高到底依次划分为0,1,2,3,4,5级),另外岩棉夹心板对隔声效果有显著的消弱作用,是用于对隔声有较高要求的地方。3. 聚苯乙烯夹心板CX-EPS构造:上下表面可为各种金属板或装饰板,中间粘结聚苯乙烯泡沫板。采用CX-EPS夹心板建造的活动组合房屋可满足不同的要求,从施工工地到临时