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1、 第 五 章 轻 型 钢 屋 架 设 计 15.1 概述 三角形屋架 三角拱屋架 梭形屋架 圆钢屋架 小角钢屋架 薄壁型钢屋架 常用的轻型钢屋架有三角形角钢屋架、三角形钢管屋架、三角形圆钢屋架、三角拱屋架和梭形屋架。由于大家对普通钢屋架都很熟悉了，故本章仅介绍轻型钢屋架与普通钢屋架不同之处。屋架形式的选用宜根据建筑物的使用要求、屋面材料、天窗形式及尺寸、屋架与柱的连接方式、屋盖的整体刚度等因素确定。轻型钢屋架按结构形式分为按所用的材料分为2 三角形屋架通常用于有桥式吊车的工业建筑，三角形角钢屋架的跨度一般为 918m，三角形薄壁型钢屋架的跨度一般为1224m；三角拱屋架和梭形屋架多用于无吊车的
2、工业与民用建筑，三角拱屋架的跨度一般为918m；梭形屋架的跨度为915m，柱距34.2m；有一些实际工程中已超出了上述范围。常 用 的 屋 面 材 料 和 结 构 形 式 序号 屋 面 材 料 坡 度标志檩距（m）结 构 形 式 1纤维水泥小波瓦 1/31/2.5 0.75三角形屋架三角拱屋架 2纤维水泥中波瓦 1/31/2.5 0.75，1.3（加筋）三角形屋架三角拱屋架 3纤维水泥大波瓦 1/31/2.5 1.3三角形屋架三角拱屋架 3 常 用 的 屋 面 材 料 和 结 构 形 式(续上表)序号 屋面材料 坡 度标志檩距（m）结构形式 4瓦 楞 铁 1/61/3 0.75三角形屋架（i1
3、/3时端节间弦杆宜弯折）5压型钢板1/61/4（短尺）1/201/10（长尺）按计算梯 形 屋 架 6钢丝网水泥波形瓦 1/3 1.5三角形屋架三角拱屋架 7加气混凝土屋面板 1/121/8梭 形 屋 架 8发泡水泥复合板 1/81/20 34.5 （或无檩）三角形屋架梯 形 屋 架 4 轻型钢屋架杆件截面的大小根据计算确定，但最小厚度（或直径）建议不小于下表的要求。屋架杆件截面的最小厚度（或 直 径）(mm)5-2 三角形角钢屋架 三角形角钢屋架广泛应用于中小型工业厂房、仓库及辅助性建筑物中，屋架的跨度一般为918m，柱距6m，吊车吨位一般不超过5t，如超出上述范围，设计中宜采取适当的措施，
4、如增强支撑系统、加强屋面刚度等。截 面 形 式 上、下 弦 杆 主 要 腹 杆 次 要 腹 杆 角 钢 4 4 4 圆 钢 14 14 14 薄 壁 方 管 2.5 2 2 薄 壁 圆 钢 2.5 2 2附注：圆钢不宜用作屋架的上弦杆5 三角形角钢屋架的屋面荷载较轻，一般情况下腹杆可采用小角钢(小于454或56364)或圆钢，腹杆和下弦杆也可采用单角钢。它与普通三角形钢屋架本质上无多大差异，即普通钢屋架的设计方法对圆钢、小角钢屋架同样适用，仅仅是轻型钢屋架的杆件截面尺寸小、连接构造略有不同而已。当屋架下弦杆和腹杆采用单角钢时，节点可采用下图的做法。图(a)对腹杆的尺寸和端部形状要求较严，加工较
5、难；图(b)的节点做法，施工方便，但节点和杆件均有偏心，适用于受力较小的腹杆或次腹杆；图(c)需将角钢开口，削弱根部截面，产生应力集中。（a）（b）（c）6 三角形角钢屋架具有用料省、自重轻、技术经济指标好，节点构造简单、制作安装方便等优点，屋架用钢量为46 kg/m2。5-3 三角拱屋架 5-3.1 屋架特点及适用范围 三角拱屋架由两根斜梁和一根水平拱拉杆组成，其外形如图(a)所示，斜梁的截面形式可分为平面桁架式和空间桁架式两种，如图(b)所示。斜梁为平面桁架式的三角拱屋架，杆件较少，受力简单明确，制造简单，但侧向刚度较差，适用于跨度较小的屋盖，斜梁截面高度与斜梁长度的比值不得小于1/8。斜
6、梁为空间桁架式的三角拱屋架，杆件较多，制造较费工，但侧向刚度较大，适用于跨度较大的屋盖。（a）（b）7 为保证空间桁架式斜梁的整体稳定性，斜梁截面高度与斜梁长度的比值不得小于1/8，斜梁截面宽度与斜梁截面高度的比值不得小于2/5。三角拱屋架的特点是杆件受力合理，斜梁的腹杆长度短，一般为 0.60.8 m，可以充分利用圆钢和小角钢，节约钢材。由于节点不采用节点板连接，故存在节点偏心，设计中应予注意。三角拱屋架拱拉杆比较柔细，不能承压，并且无法设置垂直支撑和下弦水平支撑，整个屋盖结构的刚度较差，故不宜用于有震动荷载及跨度大于18m的工业建筑。由于在风吸力作用下拱拉杆可能受压，故用于开敞式房屋或风荷
7、载较大的房屋时，应进行详细的计算。8 5-3.2 屋架内力分析 可以采用下列方法计算屋架内力：1将三角拱屋架按空间桁架建立模型，通过计算机分析 得到各杆内力和支座反力。2首先按结构力学方法求出支座反力，然后利用截面法 求出拱拉杆拉力和顶铰反力，最后求解斜梁各杆内力。平面桁架式斜梁的内力分析 如普通钢屋架一样计算斜梁桁架的内力。空间桁架式斜梁的内力分析 空间桁架式斜梁由两个平面桁架组成，可采用下列 两种方法计算杆件内力：（a）将空间桁架分解为两个平面桁架分别计算，即把作用在斜梁上的荷载和各反力平均分配到两片斜面桁架上，再按平面桁架进行内力计算。9 如图所示空间桁架式斜梁计算简图，荷载 P平均分配
8、到两片平面桁架的节点各P/2，然后在每一个平面桁架中再将竖向荷载P/2分解为两个分力 P1和 P2，计算平面桁架在P1作用下的杆件内力即可。此时单片平面桁架的高度为h1，桁架式斜梁下弦杆内力为所得每片桁架下弦杆内力之和。（b）按假想平面桁架进行计算，如图所示，但此时的桁架高度应取其对铅垂面的投影高度 h，算出的上弦杆和腹杆的内力分别由两根上弦杆或两根腹杆承担。P/2 P/2P1P1P2P2hh1PPPPP/2P/2空间桁架式斜梁分解的平面桁架首先把竖向节点hP 假想的平面桁架10 5-3.3 屋架的杆件截面 1斜梁 平面桁架式斜梁的上弦杆采用两个角钢组成的 T 型截面，空间桁架式斜梁的上弦杆为
9、由两个角钢组成的分离式截面。三角拱斜梁节间的划分应与檩条的间距相协调，避免上弦杆存在节间荷载，腹杆的倾角以4060为宜。腹杆多采用圆钢截面做成V形，加工时可以连续弯成“蛇形”，如图所示。斜梁的下弦杆可采用单角钢、单圆钢、双圆钢。圆钢截面的下弦杆，多用双圆钢并列组成，中间施以间断焊缝，间断焊缝可以避免节点处焊缝过于集中。11 单角钢截面的下弦杆，角钢肢应朝下布置，如图所 如此，下弦杆刚度较好，但加工时角钢在下弦杆弯折处需热弯，杆件截面有所削弱，为了弥补此损失，在弯折处的角钢肢内侧加焊圆钢绑条；2拱拉杆 拱拉杆为主要的受拉构件，由单圆钢或双圆钢组成。大多数拱拉杆设有张紧装置，一般在跨中设花篮螺栓，
10、花篮螺栓连接如图所示。花篮螺栓可以采用圆钢车成的六角形螺帽和三根圆钢焊接而成。为了防止拱拉杆下垂，三角拱屋架应设置圆钢吊杆，当屋架跨度12米时设置一根，当屋架跨度12米时设置两根。圆钢吊杆的直径一般为12。示，12 3节点偏心的影响 三角拱屋架的斜梁大多采用圆钢腹杆，由于设计构造上的原因，节点处各杆件的重心线多未汇交于一点，因而在节点处引起偏心力矩，如图所示。试验和分析表明，节点偏心对轻型钢结构的影响是不能忽视的。节点偏心对各杆件承载能力的影响大小主要与杆件的截面形式、截面抵抗矩的大小等因素有关。从截面形式来看，相同面积的角钢比圆钢截面的抵抗矩大，故节点偏心的影响就小；从杆件类别来看，节点偏心
11、对上弦杆影响较小、下弦杆较大、腹杆最大。在设计中尽量设法减小偏心值，节点偏心矩引起的偏心力矩可近似地按节点处各杆件的线刚度比分配。e1e213 在实际工程设计中，常采用不进行计算的简化措施，将偏心值1和2 控制在1020毫米以内，并在选择截面时按不同杆件留适当的应力余量来加大安全储备。具体做法为：上弦杆：对T型截面，节点左右弦杆的内力差在20%以下，对V型截面，节点左右弦杆的内力差 在10%以下，可不计偏心的影响。否则应留有应力余量5%15%。下弦杆：当节点左右弦杆的内力差在10%以下时，可 不计偏心的影响。否则应留有应力余量5%15%。腹杆：应留有应力余量10%20%。14 为了消除节点偏心
12、的不利影响，也可采用节点无偏心的作法，如图所示。这种作法，有的焊缝长度难以满足要求，有的增加了焊缝的焊接工作量，应用较少。5-4 梭形屋架 5-4.1 屋架的特点及适用范围 梭形屋架上弦为角钢、双下弦为圆钢的空间桁架，属于小坡度的屋盖结构体系，如图所示。截面形式分为A型截面、B型截面、C型截面三种。(a)(b)(c)(b)梭形屋架平面图(a)梭形屋架立面图(c)A 型(d)B 型(e)C 型15 带矩形箍的V形腹杆如右图。梭形屋架所用的材料为圆钢和角钢，它具有截面重心低，空间刚度较好的特点。这种屋架的外形与简支梁在均布荷载作用下的弯矩图接近，使屋架下弦杆各节间的内力分布趋于均匀，克服了梯形屋架
13、和三角形屋架下弦杆各节间内力差较大的缺点。但节点构造复杂，制造较费工。一般多用于跨度为915米，柱距为34.2米的建筑。梭形屋架多用于无檩结构，屋面材料一般采用钢筋混凝土槽形板和加气混凝土板。梭形屋架的用钢量较其它类型的屋架略高一些，为712kg/m2，但由于不设檩条和支撑系统，以屋面系统的总用钢量来说是不高的。上弦下弦V形腹杆矩形箍165-4.2 屋架的结构形式 屋架的跨度为L，矢高为 f，其高跨比 f/L，一般为1/91/12，如图所示。屋架的上矢高 f1 根据屋面坡度确定，下矢高 f2 根据 f1确定。据试验结果分析上矢高 f1 等于或接近下矢高 f2 是比较合理的。屋架的上弦杆一般采用
14、10个节间，也可以采用8个或12个节间。A型截面的上弦杆采用单角钢肢尖朝上的 V型截面，腹杆及下弦杆均采用圆钢组成两片平面桁架，下弦杆的节点处用短圆钢撑开，形成一个空间桁架。B型截面的上弦杆采用两个角钢组成的 T型截面，腹杆、下弦杆及其它构造与A型截面基本相同。f 1f 2f A 型 B 型17 C型截面的上弦杆是以缀条相连的两个角钢组成的分离式截面，腹杆及下弦杆均采用圆钢组成两片平面桁架，下弦杆由两根圆钢并在一起，在其节点的中间部位用一块小钢板与两根圆钢互相焊接。A、B型截面较C型截面优越，主要表现为以下三点：1在安装过程中，单侧屋面板的压力作用点距屋架上弦杆截面中心的距离不同，A、B型截面
15、此距离小，可忽略安装过程中屋架上弦杆的扭矩，而C型截面则不同，必须采取适当的临时安装措施以防止破坏。2 A、B型截面的刚度较C型截面大，由于A、B型截面为正三角形，上小下大，重心低，不仅使用时较稳定，运输和堆放也较方便。C 型18 3A、B型截面的上弦角钢在屋架平面内呈一直线，而C型截面为了减小支座宽度，需将两根上弦杆角钢在屋架支座附件上弦杆平面内弯折，使上弦杆在屋架平面外构成梭形，施工较麻烦。实际工程中A、B型截面较C型截面使用较多，尤其是A 型截面。屋面板在 A、B 型截面屋架上弦杆上的搁置长度较小，故对屋面板的安装精度要求较高。钢筋混凝土屋面板在屋架上的净支撑长度不应小于50mm，所以A
16、型截面屋架上弦杆角钢不宜小于906；B型截面屋架上弦杆角钢不宜小于636；C型截面屋架上弦杆角钢不宜小于505。腹杆采用等节间距离、变高度的V型腹杆，在其中部设水平矩形箍，以减小腹杆的计算长度。C型截面上弦杆 19 矩形箍对梭形屋架的受压腹杆起着极其重要作用。试验表明，各受压腹杆存在一些次弯矩，次弯矩的存在对压杆、尤其对细长压杆的稳定性有不利影响。矩形箍的设置可减小次弯矩和一些压杆的计算长度，因而增加了腹杆的稳定性。试验还表明，矩形箍在增加腹杆稳定性的同时，还提高了整个屋架的承载力，设置矩形箍的屋架的承载力较不设矩形箍的屋架的承载力提高一倍以上。5-4.3 屋架的内力分析与计算 1屋架内力计算
17、方法：按空间桁架建立模型，通过计算机分析得到各杆内力 和支座反力，计算结果接近于实际受力情况。按空间刚架建立模型计算，该方法考虑了节点的刚接 作用，计算结果与上一种方法接近。20 将梭形屋架的空间结构近似地按假想平面桁架计算。如图所示，向三角拱屋架斜梁的分析一样，将两片桁架都投影到铅垂面上作为平面桁架计算，然后再将计算结果平均分配到两片桁架的各杆上。此种方法计算结果，腹杆内力偏小，对矩形箍的零杆假定与实际情况有出入，故构造上必须保证矩形箍有一定的刚度，以使其对腹杆起到支点的作用。2根据内力计算结果进行杆件截面计算。上弦杆的计算 A型截面上弦杆：屋架上弦杆与屋面板形成一整体，故可不考虑屋面板产生
18、的节间荷载引起的弯矩，按轴心受压构件计算上弦杆在屋架平面内的稳定性。hP 假想的平面桁架21 B、C型截面上弦杆：上弦杆由节间荷载产生的弯矩可按简支梁算得的弯矩乘以调整系数，即：端节间正弯矩M1=0.8M0 其余节间正弯矩和节点负弯矩 M2=0.6M0 式中：M0：以节间长度为跨度的简支梁的最大弯矩。B、C型截面上弦杆按偏心受压构件计算。当屋面板与屋架上弦杆连接可靠，能阻止上弦杆侧向失稳和扭转时，可仅计算其强度和弯矩作用平面内的稳定性。当屋面板与屋架上弦杆连接不能阻止上弦杆侧向失稳和扭转时，B 型截面屋架需计算T形截面上弦杆在屋架平面内、外的稳定性；C型截面屋架需按压弯构件计算上弦杆单角钢的强
19、度和稳定。22 单角钢受力及截面主轴如图所示。腹杆及下弦杆的计算 端部第一对V形腹杆，内力较大、且受压，矩形箍只能作为弹性支点。故腹杆计算长度取 l0=0.7 l (l 为腹杆几何长度)；其余带箍的V形腹杆，内力较小、且一边受压、一边受拉，矩形箍可作为支撑点，故腹杆计算长度取l0=0.5l。腹杆及下弦杆按轴心受压构件计算。5-4.4 屋面板的连接构造 屋面板与屋架上弦杆的连接 1.A型截面的屋架 为了将屋面板与屋架连接成整体，在屋面板间的纵缝中设置连系筋（6，l=600800mm）。q/2qx/2qy/2xy23 在屋面板的横缝中设置蛇型筋，该蛇型筋沿屋架跨度方向准确地焊于屋架上弦杆截面的中心线上。连系筋与蛇型筋垂直相连，如图所示。然后用细石混凝土将屋面板的横缝和纵缝灌实。为了调整屋面板纵缝中钢筋的位置，也可将蛇型筋改为 型筋，如图所示。如此，即使屋面板安装有误差，也易使板缝中的连系筋穿过。连系筋蛇型筋槽型板缝加蛇型筋连系筋蛇型筋加气混凝土板缝加蛇型筋连系筋 型筋加气混凝土板缝加 型筋24 当采用加气混凝土板时，由于板的横缝和纵缝间隙小，灌缝质量难以保证，为保证屋面板的整体性，可适当加大板缝以设置现浇的连续钢筋混凝土嵌梁，如图所示。2.B、C 型截面的屋架构造连接可参照上述A型截面屋架的做法。加气混凝土板间加嵌梁 型筋加气混凝土板现浇连续钢筋 混凝土嵌梁25