建筑结构-项目12 认知钢屋盖结构体系

高职高专建筑工程技术专业建筑结构BuildingStructure——项目化教学配套课件——混凝土结构·砌体结构·钢结构建筑结构教材编写组

项目12认知钢屋盖结构体系

钢屋盖组成·轻钢屋架·网架结构

目录CONTENTS

12.1钢屋盖的组成、特点及应用有檩/无檩屋盖体系·天窗架与托架·轻钢屋盖特点及应用

12.2轻钢屋架结构形式（三角形/三铰拱/梭形/梯形）·杆件截面形式·节点构造

12.3网架结构结构形式与分类·主要尺寸确定·杆件截面·节点连接构造

建筑结构·项目12认知钢屋盖结构体系学习目标

知识目标•熟悉轻钢屋架杆件截面形式•熟悉钢屋盖结构的组成、结构体系类型•了解轻钢屋盖的特点及应用•了解常用轻钢屋架的结构形式•了解钢屋架支撑的布置类型•了解轻钢屋架的节点构造•了解网架结构的形式与节点连接构造

能力目标•能够熟练应用各种类型的钢屋盖•能够根据建筑功能选择合适的屋盖形式

素养目标通过小组合作完成作业成果展示，培养协同合作、沟通交流的职业素养，增强责任感、使命感。轻钢屋架结构施工现场

建筑结构·项目12认知钢屋盖结构体系3工程导入：大跨度建筑的屋盖之美

大跨度钢网架屋盖建筑内部

从体育馆到会展中心，从飞机库到火车站，大跨度建筑离不开钢屋盖。钢屋盖以轻质、高强、大跨度的优势，成为现代建筑中不可或缺的结构形式。

我国早在1964年就首次将网架结构用于上海师范学院球类馆屋盖。如今网架结构已广泛应用于各类建筑工程，遍及冶金、汽车、纺织、石化等行业。

本项目将带大家认识钢屋盖的组成体系、轻钢屋架的设计要点，以及网架结构的空间受力特性，培养空间结构设计思维。

12.1

钢屋盖的组成、特点及应用有檩/无檩体系·天窗架·托架·轻钢屋盖特点

建筑结构·12.1钢屋盖的组成、特点及应用412.1.1钢屋盖的组成——两种结构体系

图12-1有檩屋盖结构体系图12-2无檩屋盖结构体系

有檩屋盖结构体系用于轻型屋面材料（压型钢板、石棉瓦等），需设檩条支承在屋架上。屋架间距通常6m，柱距≥12m时设托架。常用坡度1:2~1:3。特点：屋面材料种类多、布置灵活、自重轻、用料省，但构件种类数量多、构造复杂。

无檩屋盖结构体系采用预应力大型屋面板或加气钢筋混凝土板（普通钢屋盖），或压型钢板、太空板（轻钢屋盖）。坡度一般1/8~1/12。特点：构件种类少、构造简单、安装方便、刚度大、整体性能好，但自重大（压型钢板除外），对抗震不利。

建筑结构·12.1钢屋盖的组成、特点及应用7网壳结构——曲面空间结构体系

网壳结构定义与特点教材定义：网架结构根据外形可分为平板网架和曲面网架。平板网架称为网架，曲面网架称为网壳。结构特点：•曲面外形，杆件沿曲面布置，空间受力性能优异•刚度大、整体性好，抗震性能优越•造型美观，建筑表现力强，可实现大跨度无柱空间

网壳结构分类球面网壳：外形呈球面，受力均匀，适用于圆形平面建筑，如体育馆、天文馆。柱面网壳：外形呈柱面（筒壳），单向曲率，适用于矩形平面建筑，如厂房、航站楼。双曲抛物面网壳：两个方向曲率相反，造型独特，适用于标志性公共建筑。

网架结构与网壳结构对比网架（平板网架）：•外形为平面，上下弦平行•受力类似双向交叉梁系•构造简单，应用最广泛•适用于矩形、方形平面网壳（曲面网架）：•外形为曲面，杆件沿曲面布置•空间受力更充分，类似薄壳•造型丰富，建筑表现力强•适用于圆形、多边形及复杂平面

适用范围：网壳结构广泛应用于大跨度公共建筑，如体育馆、会展中心、航站楼、剧场、工业厂房等。其跨度可达百米以上，是实现大跨度无柱空间的重要结构形式。我国早在1964年就首次将网架结构用于上海师范学院球类馆屋盖。

建筑结构·12.1钢屋盖的组成、特点及应用5天窗架、托架与轻钢屋盖特点

图12-4托架支承中间屋架

3.天窗架形式为满足采光和通风要求，屋盖上设置天窗。形式有纵向天窗、横向天窗和井式天窗三种，最常用纵向天窗架。天窗架支承于屋架之上，檩条和屋面板移到天窗架上弦平面，侧柱设采光窗。

4.托架形式因设备或交通要求局部少放柱时，屋架支承在专门的托架上。钢托架一般做成平行弦桁架，两端支承于相邻柱，跨中承受中间屋架反力。

12.1.2轻钢屋盖的特点及应用轻钢屋盖采用轻型屋面和轻型钢屋架，具有轻质、高强、耐火、保温、隔热、抗震等性能。与普通钢屋盖相比自重减轻20%~30%，用钢量一般为8~15kg/m²。广泛应用于跨度不大、起重机起重量不大的工业与民用房屋。

12.2

轻钢屋架结构形式·杆件截面·节点构造

建筑结构·12.2轻钢屋架712.2.1三角形屋架

图12-5三角形屋架结构形式图12-6三角形屋架腹杆布置形式

三角形屋架特点与适用范围三角形屋架用于屋面坡度较陡的有檩屋盖，坡度一般1/2~1/3，跨度一般9~18m。按外形分一般式、上折式和下折式三种（图12-5）。按腹杆布置分芬克式、单斜式和人字式三类（图12-6）。芬克式：腹杆以等腰三角形再分，短杆受压长杆受拉，受力合理，可分为两小榀制作，运输方便，应用最广。单斜式：斜杆受压竖杆受拉，压杆长度增大。人字式：便于布置吊顶龙骨和下弦支撑。

建筑结构·12.2轻钢屋架8三铰拱屋架、梭形屋架与梯形屋架

图12-7三铰拱屋架图12-8梭形屋架图12-9梯形屋架

三铰拱屋架由两个斜梁和一根拉杆组成，分平面桁架式和空间桁架式两种。跨度9~15m，屋面坡度1/3~1/4。斜梁采用角钢或钢管组合截面，拉杆采用圆钢。特点：自重轻、受力合理，但刚度较差，适用于中、轻型厂房。

梭形屋架又称鱼腹式屋架，上弦呈抛物线形，下弦为直线。跨度12~24m，屋面坡度1/8~1/12。特点：外形美观、受力合理、刚度大，适用于公共建筑和轻型厂房。

梯形屋架上弦坡度平缓，端部高度较大。跨度18~36m，屋面坡度1/8~1/12。特点：与柱刚接可形成刚架，适用于大跨度、重级工作制厂房。

建筑结构·12.2轻钢屋架12平行弦屋架与拱形屋架

平行弦屋架形式特点：上弦杆与下弦杆相互平行，节间长度统一，杆件规格少，构造简单，制作方便。受力特点：•弦杆内力沿跨度变化较大，跨中弯矩大、支座处剪力大•弦杆截面需按最大内力设计，用料不够经济•腹杆受力明确，节点构造标准化适用范围：教材指出"钢托架一般做成平行弦桁架"。广泛用于托架、吊车梁、栈桥、输电塔等结构，也可用于屋面坡度平缓的中小型建筑。

拱形屋架形式特点：外形呈拱形（曲线或折线），与简支梁均布荷载下的弯矩图接近，屋面坡度平缓。受力特点：•弦杆内力分布较均匀，各节间内力差较小•拱的推力作用减小了跨中弯矩，受力合理•用钢量较平行弦屋架节省，经济效果好适用范围：适用于大跨度工业厂房、公共建筑（体育馆、会展中心）等。梯形屋架即拱形屋架的折线形式，教材指出梯形屋架"是目前无檩体系的工业厂房屋盖中应用最广的屋盖形式"。

对比要点：平行弦屋架构造简单、制作方便，但弦杆内力变化大、不够经济，多用于托架和吊车梁；拱形屋架外形与弯矩图接近、受力均匀、用钢省，适用于大跨度建筑。工程中应根据跨度、屋面材料和建筑功能合理选用。

建筑结构·12.2轻钢屋架912.2.2杆件截面形式

截面选择原则上弦杆：受压，宜采用双角钢组合T形截面或钢管，保证平面外稳定。下弦杆：受拉，可采用单角钢、双角钢或圆钢，经济合理。腹杆：受力较小，可采用单角钢或圆钢，长细比控制。拉杆：三铰拱屋架的拉杆采用圆钢，便于调节长度。截面选择应满足强度、刚度和稳定要求，同时考虑构造和施工方便。

建筑结构·12.2轻钢屋架14十字形截面与管形截面

截面选择核心原则教材指出：选择钢屋架材料时，要考虑构造简单、施工方便、取材容易、连接方便等因素，并尽可能增大屋架的侧向刚度。对轴心受力构件宜使杆件在屋架平面内和平面外的长细比接近。网架杆件"应优先采用薄壁管形截面，各向同性，截面封闭，管壁薄，能增大回转半径，对稳定有利"。

十字形截面构造：由双角钢组成十字形截面（图12-10），两角钢垂直相叠。特点：•两个主轴的回转半径接近，各向受力均匀•填板间距：压杆ld≤40i，拉杆ld≤80i•填板数量不少于3个，节间一横一竖交替布置•填板比角钢肢缩进10~15mm适用：受力较复杂的腹杆、支撑杆件及十字形柱等。

管形截面构造：薄壁型钢钢管有方管和圆管两种类型（图12-14）。特点：•截面封闭、各向同性，刚度大、受力性能好•管壁薄，回转半径大，对稳定有利•构造简单，节点连接方便•圆钢管性能最优，使用最广泛适用：三角形屋架、平坡梯形屋架杆件，网架结构优先采用。最小规格不宜小于φ48mm×2mm。

建筑结构·12.2轻钢屋架1012.2.3节点构造（一）：定位轴线与节点板

图12-15杆件定位轴线图12-16节点板形式图12-17节点板尺寸

1.杆件定位轴线各杆件轴线应汇交于节点中心，避免偏心受力。双角钢组合截面取形心线为轴线；单角钢取与角钢背平行的形心线。为便于制作，可将角钢背边线作为轴线，但需考虑偏心影响。节点处各杆件轴线夹角不宜小于30度。表12-2节点板厚度选用表

建筑结构·12.2轻钢屋架1112.2.3节点构造（二）：细部构造要求

图12-18~12-21填板构造、杆件端部切削、螺栓间距、集中荷载节点图12-22~12-23支座节点构造

填板：双角钢杆件间设填板，间距受压不大于40i、受拉不大于80i。端部切削：杆件端部按节点板形状切削，保证紧密贴合。螺栓间距：满足规范要求。支座节点：设底板、加劲肋，锚栓固定。拼接节点：运输单元间用拼接板和螺栓连接。

建筑结构·12.2轻钢屋架17跨中节点与焊接球节点

图12-25屋脊拼接节点（跨中节点）

跨中节点（屋脊拼接节点）构造特点：•弦杆拼接点：工厂拼接在节点范围以外，工地拼接在节点处•采用拼接角钢拼接，拼接角钢与弦杆相同截面，需切去垂直肢及角背直角边棱•切肢Δ=t+hf+5mm，以便施焊•屋面坡度较大的三角形屋架，上弦可切断后冷弯成形并直对焊•工地拼接需设置安装螺栓，便于现场拼装适用：屋架跨度较大需分段运输时的跨中拼接。

焊接球节点（焊接空心球节点）构造：由两个半球对焊而成。半球有冷压和热压成型两种，热压成型简单、不需很大压力，采用较多。空心球与加肋球：•空心球：两个半球直接对焊，适用于中小直径•加肋球：直径较大时，在对焊处增加肋板，三者焊成整体，增大球体承载力•网架杆件通过角焊缝或对接焊缝与空心球相连适用范围：应用历史较长，是目前应用最广泛的网架节点形式，适用于各种跨度的钢管网架结构。

建筑结构·12.2轻钢屋架小结1212.2小节小结

轻钢屋架吊装施工

四种屋架形式：三角形（芬克式/豪式）、三铰拱、梭形、梯形，各有适用跨度和坡度

杆件截面：上弦受压用双角钢/钢管，下弦受拉用单角钢/圆钢，腹杆用单角钢/圆钢（表12-1）

节点构造：轴线汇交、节点板厚度（表12-2）、填板间距、端部切削、支座与拼接节点

图12-5~12-25：21张图覆盖屋架形式、截面、节点全部构造细节

12.3

网架结构结构形式·主要尺寸·杆件截面·节点连接构造

建筑结构·12.3网架结构1312.3.1网架结构的形式与分类

图12-26平板网架结构图12-27曲面网架结构

网架结构特点空间受力：杆件多向受力，充分发挥材料性能刚度大：整体空间作用，抗震性能好自重轻：比平面桁架节省钢材30%~40%造型美：形式多样，建筑表现力强工业化：杆件和节点标准化，工厂预制现场装配适用于跨度30m以上的大跨度建筑。

建筑结构·12.3网架结构21网架结构的三种支承形式

教材原文：网架结构按支承形式的不同，可分为周边支承和多点支承及二者相结合的支承形式。

周边支承构造形式：网架周边全部支承在柱或圈梁上。两类做法：•支承在柱上：柱距取网格模数，网架直接支承在柱顶•支承在圈梁上：网格划分灵活受力特点：•支承条件好，网架受力均匀•跨中弯矩较小，用钢量省•整体刚度大，抗震性能好适用范围：柱上支承用于大中型跨度网架；圈梁上支承适用于中小型跨度网架。

点支承（多点支承）构造形式：网架支承在若干独立柱上，分四点支承和多点支承。悬挑要求：•四点支承宜带悬挑，悬挑出中间跨度的1/3•多点支承连续跨悬挑出中间跨度的1/4受力特点：•悬挑可减小跨中弯矩，改善受力性能•节约钢材，经济效果好•支点可根据使用功能灵活布置适用范围：一般多用于厂房、仓库和展览厅等大柱距建筑。

周边支承与点支承结合构造形式：网架部分周边支承、部分点支承，混合布置。受力特点：•结合周边支承刚度大和点支承布置灵活的优点•周边区域受力均匀，内部可根据功能设柱•适应复杂建筑平面和大空间功能需求•教材表12-3中多种网架形式均注明适用于"周边支承与点支承混合"适用范围：适用于建筑平面不规则、内部有局部柱或大空间要求的建筑，如商场、展厅、综合体等。

选型要点：支承形式直接影响网架受力和用钢量，应根据建筑平面、柱网布置、跨度大小和使用功能综合确定。

建筑结构·12.3网架结构22三种常用网架类型对比

分类体系网架结构采用平面桁架和角锥体形式。平面桁架系：正交正放、正交斜放、三向网架角锥体系：四角锥、三角锥、蜂窝形三角锥另有三层网架及组合网架等形式。

正交正放网架组成：两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，且分别与边界方向平行。上、下弦网格尺寸相同。特点：•上下弦平面呈正方形网格，基本单元为几何可变体系•应沿支承周边设置水平支撑以增大空间刚度•周边支承且平面接近正方形时，杆件受力均匀适用：平面接近正方形的中小跨度建筑。

正交斜放网架组成：两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，且与边界呈45°斜夹角。各片桁架长短不一，高度基本相同。特点：•靠近四角的短桁架刚度大，对长桁架起弹性支承作用•减小长桁架跨中正弯矩，比正交正放经济•长桁架两端产生负弯矩，四角支座拉力大，四角做成平斜角适用：正方形和矩形建筑，用钢量省，跨度大时优越性更显著。

三角锥网架组成：由顺置的错格排列的三角锥体与三向互呈60°的上弦杆系连接而成。下弦三角形节点正对上弦三角形重心，用3根斜腹杆相连。特点：•杆件受力均匀，抗弯和抗扭刚度均较好•上下弦平面内网格均为几何不变的正三角形•节点构造较复杂，相交于一个节点的杆件较多适用：平面为三角形、六边形和圆形的建筑。

建筑结构·12.3网架结构1412.3.2网架结构的主要尺寸

表12-4网架的上弦网格数和跨高比

1.网格尺寸网架网格尺寸与屋面材料有关。钢筋混凝土屋面板时网格不大于3m；压型钢板时网格不大于4m。网格数宜为偶数，便于对称布置。

2.网架高度跨高比一般取10~18。跨度大、荷载大时取较小值（较高网架）；跨度小、荷载小时取较大值。具体按表12-4选用。

3.屋面坡度网架屋面坡度一般为2%~5%。形成方法：（1）上弦节点加高（变高度网架）（2）整个网架起拱（找坡）（3）柱顶标高变化（建筑找坡）

建筑结构·12.3网架结构1512.3.3~12.3.4杆件截面与节点连接

图12-28焊接钢板节点图12-29焊接空心球节点

12.3.3杆件截面形式网架杆件主要采用钢管，因其截面各向同性、回转半径大、受压性能好。常用规格：φ48×3.5、φ60×3.5、φ75.5×3.75、φ88.5×4、φ114×4等。也可采用角钢截面，但节点构造较复杂。杆件长细比：受压不大于180，受拉不大于300（直接承受动力荷载时不大于250）。

12.3.4节点连接构造焊接钢板节点：由十字节点板和盖板组成，适用于角钢杆件，构造简单但焊接工作量大。焊接空心球节点：由两个半球焊接而成，应用历史最长最广泛，承载力大，适用于大跨度重型网架。螺栓球节点：由钢球、螺栓、套筒、锥头组成，适用于钢管杆件，安装方便、无焊接，应用最广。

建筑结构·项目12认知钢屋盖结构体系16全章知识体系总结

12.1钢屋盖组成•有檩屋盖体系•无檩屋盖体系•天窗架（纵/横/井式）•托架（平行弦桁架）•轻钢屋盖特点•自重减轻20%~30%•用钢量8~15kg/m²•图12-1~12-4

12.2轻钢屋架•三角形屋架（芬克/豪式）•三铰拱屋架•梭形屋架•梯形屋架•杆件截面形式（表12-1）•定位轴线与节点板•节点板厚度（表12-2）•填板/切削/支座/拼接•图12-5~12-25

12.3网架结构•平板/曲面网架•形式分类（表12-3）•网格尺寸•跨高比10~18•网格数/跨高比（表12-4）•钢管杆件截面•焊接钢板节点•螺栓球节点•焊接空心球节点•图12-26~12-30

建筑结构·项目12认知钢屋盖结构体系17思考与练习

螺栓球节点网架结构

12-1钢屋盖结构由哪些部分组成？12-2钢屋盖的结构体系分哪两种？12-3轻型钢屋架的结构形式有哪几种？各有什么特点？12-4建筑工程中常见的屋架形式有哪些？12-5轻型钢屋架杆件截面形式有哪些？各有何特点？如何选用？12-6节点板的尺寸如何确定？有哪些要求？12-7为何桁架支座节点板厚度比中间节点板厚？若取它们相等是否可行？为什么？12-8什么叫网架结构？网架结构有何特点？12-9钢网架杆件截面