普通钢屋架设计指导书.docx

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普通钢屋架设计指导书

青岛理工大学琴岛学院

土木工程系

《钢结构》

课程设计指导书

土木工程专业（本科）

2013年9月编

普通梯形钢屋架设计指导书

1.概述

普通钢屋架是由普通角钢和节点板焊接而成。

这种屋架受力性能好，构造简单，施工方便，广泛应用于工业和民用建筑的屋盖结构中，一般是用于大型钢筋混凝土屋面板等重型屋面，将屋面板直接放在屋架或天窗架上，普通屋架所用的等边角钢不小于∟45×4，不等边角钢不小于∟56×36×4。

屋架钢材一般采Q235BF（3号沸腾钢）钢材，冬季计算温度等于或低于-30℃时的屋架宜采用Q235B（3号镇静钢），荷载较大的大跨度屋架可采用Q345（16Mn钢）或Q390（15MnV钢）。

2.屋架的形式及主要尺寸

（一）普通梯形钢屋架概述

普通梯形钢屋架通常用于屋面坡度较为平缓的大型屋面板或长尺压型钢板的屋面，跨度一般为15～36m，柱距6～12m，跨中经济高度为（1/8～1/10）。

梯形屋架外形比较接近弯矩图，因而弦杆内力沿跨度分布比较均匀，用料较经济，且可以和柱刚接或铰接，且刚接可使建筑物横向刚度提高。

与柱刚接的梯形屋架，端部高度一般为（1/12～1/16），通常取2.0～2.5m；与柱铰接的梯形屋架，端部高度1.5～2.0m，此时，跨中高度可根据端部高度和上弦坡度确定。

在多跨房屋中，各跨屋架的端部高度应尽可能相同。

当采用大型屋面板时，为使荷载作用在节点上，上弦杆的节间长度宜等于板的宽度，即1.5m或3.0m。

当采用压型钢板屋面时，也应使檩条尽量布置在节点上，以免上弦杆受弯。

对于跨度较大的梯形屋架，为了保证荷载作用于节点，并保持腹杆有适宜的角度和便于节点构造处理，可沿屋架全长或只在屋架跨中部分布置再分式腹杆。

梯形屋架的斜腹杆一般采用人字形，其倾角宜为30°～60°。

支座斜腹杆与弦杆组成的支承节点在下弦时为下承式，在上弦时为上承式。

（二）普通梯形钢屋架主要尺寸的确定

普通梯形钢屋架的主要尺寸包括屋架的跨度、跨中高度和端部高度。

1.屋架跨度：

屋架的跨度取决于柱网的布置，柱网纵向轴线的间距就是屋架的标志跨度（公称跨度），一般以3m为模数，屋架的计算跨度是两端支座反力的距离，在大多数情况下计算跨度比公称跨度小。

对于封闭结合，计算跨度＝标志跨度－2×（150～300）。

对于非封闭结合，常取计算跨度＝标志跨度。

（如图1）

图1

2.跨中高度：

屋架的跨中高度由经济要求、刚度要求、运输界限和屋面坡度等因素来确定，根据屋架的允许挠度可决定最小高度，最大高度则取决于运输界限，例如铁路运输界限为3.85m；屋架的经济高度是根据上下弦杆和腹杆的总重量最小的条件确定的。

三角形屋架的中部高度主要取决于屋面坡度，当=1/2～1/3时，=（1/4～1/6）。

梯形和平行弦屋架的中部高度主要取决于经济要求，一般取为=（1/6~1/10）。

3.端部高度：

是与中部高度和屋面坡度相关的。

一般陡坡梯形屋架取=0.5~1.0m，缓坡梯形屋架取h0=1.8~2.1m。

多跨厂房梯形屋架的端部高度应力求统一。

（三）屋架的起拱要求

跨度≥24m的梯形屋架，当下弦无曲折时，宜起拱，拱度。

起拱的方法一般是使下弦成直线弯折而将整个屋架抬高，即上、下弦同时起拱。

3.屋面系统的支撑布置

（一）支撑布置的必要性

屋架是屋盖结构中最主要的承重构件，虽然屋架之间有檩条或屋面板联系，但仍然是一不稳定的空间体系。

通过合理设置支撑可以将屋盖变成几何不变体系；支撑还保证了屋盖的刚度和空间的整体性，以减少屋盖在水平力作用下的变形；支撑为屋架提供了侧向支点，以减少屋架杆件的计算长度，使受压弦杆保证侧向的稳定，使受拉弦杆具有足够的刚度；支撑还能够传递水平荷载；并能保证屋架在施工安装时的稳定与方便。

（二）支撑布置的原则

1、在设置有纵向支撑的平面内必须同时设置横向支撑，并将二者布置为封闭型。

2、所有的横向支撑、纵向支撑和竖向支撑均应与屋架、托架、天窗架等的杆件或檩条组成几何不变的桁架形式。

3、房屋中每一温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑系统。

4、传递风力、吊车水平力和水平地震作用的支撑，应能使外力由作用点尽快地传递到结构的支座。

5、柱距愈大或吊车工作量愈繁重，支撑的刚度应愈大。

6、在地震区应适当增加支撑，并加强支撑节点的连接强度。

（三）支撑的布置

1、上弦横向水平支撑

在有檩体系或仅采用大型屋面板的无檩体系屋盖中均应设置屋架上弦横向水平支撑，上弦横向水平支撑一般应设置在房间的两端或横向温度伸缩缝间区段的两端的第一个柱间，在非地震区当采用山墙承重或抗震设防烈度6、7度有天窗时，为使屋架支撑与天窗架支撑位于同一开间内，也可将支撑布置在第二个柱间，但第一柱间必须用刚性系杆与端屋架上弦牢固连接，以保证端屋架的稳定和传递山墙的风力，为了保证上弦横向支撑间的有效作用，提高屋盖的纵向刚度，两个上弦横向支撑间的距离不宜大于66m，故当房屋较长（大于66m）时，尚应在中间柱间增设横向水平支撑。

2、下弦横向水平支撑

下弦横向水平支撑一般和上弦横向水平支撑布置在同一开间，它们和相邻的两个屋架组成一个空间桁架体系。

一般情况下，应设置下弦横向水平支撑，但当跨度大于18m且未设悬挂起重运输设备和吊车，或者虽有吊车但吨位不大，也没有较大的振动设备，可不设置下弦横向水平支撑。

3、下弦纵向支撑

下弦纵向水平支撑的主要作用是与横向水平支撑一起形成封闭体系，以提高房屋的整体刚度。

当厂房内设有较大吨位的重级、中级工作制桥式吊车、壁行式吊车或有锻锤等较大震动设备以及厂房较高，跨度较大、空间刚度要求较高时，均应在屋架下弦端节间内设置纵向水平支撑。

单跨厂房一般沿两纵向柱列设置，多跨厂房则根据具体情况沿全部或部分纵向柱列设置，有托架的房屋为了保证托架的侧向稳定在有托架处也设置纵向水平支撑。

4、竖向支撑

所有房屋均应设置竖向支撑。

它的作用主要是使相邻屋架和上下弦横向水平支撑所组成的四面体形成空间几何不变体系，以保证屋架在使用和安装时的整体稳定。

故在设有横向支撑的开间内，均应设置竖向支撑。

对于梯形屋架，当跨度≤30m，一般只需在屋架两端及跨中竖杆平面内布置三道竖向支撑，当跨度＞30m时，应在两端和跨度的1/3处或天窗架侧处各布置一道竖向支撑。

对于三角形屋架，当跨度≤18m，一般只需在跨中布置一道竖向支撑，当跨度＞18m时，根据具体情况设置两道。

5、系杆

为了保证未设横向水平支撑屋架的侧向稳定以及传递水平荷载，应在横向水平支撑或竖向支撑的节点处，沿房屋纵向通长地设置系杆。

系杆分为刚性系杆和柔性系杆，只能承受拉力的为柔性系杆，一般采用单角钢；能承受压力的为刚性系杆，一般由两个角钢组成的十字形截面。

刚性系杆主要是在三角形屋架的两端、梯形屋架的主要支撑处的系杆，屋架上弦脊节点处的系杆以及其他的能受压的系杆，其余地方设置柔性系杆。

4.荷载和荷载组合

（一）作用在屋架上的荷载有永久荷载和可变荷载。

1、永久荷载包括屋面构造层的重量、屋架和支撑的重量及天窗等结构的自重，屋架和支撑的重量及天窗重量（按屋面水平投影面积计算，kN/m）可参考下表1，屋架和支撑的重量可按经验公式q=0.12+0.011kN/m2估计（为屋架的跨度，单位为m）。

2、可变荷载包括屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载、悬挂吊车荷载等，其中雪荷载、积灰荷载、风荷载等应按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）的规定采用，积灰荷载应与雪荷载或屋面均布荷载（雪荷载和屋面均布荷载不能同时出现取大者）同时考虑。

按水平投影面积计算的屋面均布活荷载标准值为：

不上人的屋面：

对于压型钢板、压型铝合金板、石棉瓦、瓦楞铁等轻屋面，以及平瓦屋面取0.5kN/m2,对于钢筋混凝土屋面取0.7kN/m2；

上人屋面：

按使用要求确定，但不小于1.5kN/m2。

表1屋面荷载的标准植

名称

跨度

屋面荷载的标准植

q<1.5

1.5q<3.0

3.0q<4.0

4.0q5.0

屋架

（包括支撑）

12

18

24

30

36

0.08~0.13

0.10~0.17

0.14~0.22

0.18~0.28

0.20~0.32

0.14~0.17

0.18~0.22

0.24~0.28

0.29~0.34

0.33~0.38

0.18~0.21

0.23~0.27

0.29~0.33

0.35~0.40

0.39~0.45

0.22~0.25

0.28~0.32

0.34~0.38

0.41~0.46

0.46~0.52

天窗架

（包括支撑）

6

12

0.07~0.10

0.10~0.14

0.09~0.12

0.13~0.16

0.11~0.14

0.15~0.18

0.13~0.16

0.17~0.20

檩条

-

0.05~0.10

0.07~0.12

0.10~0.15

-

托架

-

0.05~0.09

0.09~0.13

0.13~0.16

0.16~0.20

（二）荷载组合

为了求出各个杆件的最不利内力，必须对作用在屋架上的荷载根据施工和使用过程可能出现的分布情况进行组合，一般为以下三种情况：

1.全跨永久荷载+全跨可变荷载

2.全跨永久荷载+半跨可变荷载

3.全跨屋架和支撑自重+半跨屋面板重+半跨施工荷载

5.内力计算

我们可以用数解法或图解法或电算法进行内力的计算。

先求出全跨或半跨单位荷载作用下的杆件内力系数，然后乘以实际的节点荷载，屋架在上述第一种荷载组合下，屋架的弦杆，竖杆和靠近两端的斜腹杆，内力均达到最大，在第二种荷载组合或第三种荷载组合下，靠近跨中的斜腹杆的内力可能达到最大或发生变号。

下面具体介绍图解法的计算过程（不考虑起拱）：

应用图解法求得单位荷载作用于全跨及半跨各节点的各杆内力，即内力系数，然后可求出当荷载作用于全跨及半跨各节点时的杆件内力，并求出荷载组合下的杆件内力，取其中不利内力（正、负最大值）作为设计屋架的依据。

图解法求杆力系数的方法及步骤：

①按一定比例尺画出屋架几何尺寸的单线图（不考虑起拱）；

②计算节点力及支座反力，并标在相应节点及支座处；

③根据杆件及节点力、支座反力将整个屋架所在平面分区，并编号；

④取一定的力比例尺，绘制力多边形；

⑤根据力多边形及屋架几何图判断杆件的拉、压。

图2

6.屋架杆件的计算长度

在理想的铰接屋架中，杆件在屋架平面内的计算长度应是节点中心的距离，实际上，汇交于节点处的各杆件是通过节点板焊接在一起的，因而并非真正的铰接，节点具有一定的刚度，杆件两端均属弹性嵌固。

此外，节点的转动还受到汇交于节点的拉杆的约束。

这些拉杆的线刚度愈大，约束作用也愈大。

压杆在节点处的嵌固程度愈大，其计算长度就愈小。

根据这个道理，便可视节点的嵌固程度来确定各杆的计算长度。

（一）平面内计算长度：

弦杆，支座斜杆和支座竖杆因本身截面较大，其他杆件在节点处对它的约束作用很小，同时考虑到这些杆件在屋架中是主要杆件,故其计算长度取等于节点间的距离，即，其他腹杆，与上弦相连的一端拉杆少，嵌固程度小，另一端与下弦相连，拉杆多，嵌固程度较大，其计算长度取。

（二）平面外计算长度：

弦杆在屋架平面外的计算长度等于侧向支承节点之间的距离，。

上弦杆在有檩屋盖中，若檩条与横向水平支撑的交叉点用节点板连牢时则取等于檩条之间的距离，若檩条与支撑的交叉点不连接时，则取支撑节点的距离。

在无檩屋盖中，大型屋面板在三个角点与屋架上弦焊接，起一定支撑作用，可取等于两块屋面板的宽度。

屋架下弦的平面外计算长度等于侧向支承点间的距离，即纵向水平支撑节点与系杆或系杆与系杆之间的距离。

腹杆在平面外的计算长度等于杆端节点间距，即。

当屋