屋盖结构

钢屋盖结构设计
赵风华 齐永胜 编制 高福聚 审定
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重 工 业 厂 房
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轻 型 钢 结 构
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钢 结 构 厂 房 组 成
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§7.1屋盖体系的
无檩屋盖
组成和布置
有檩屋盖
轻钢厂房
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无檩屋盖
1. 形式和布置 2. 组成：屋架、天窗架、支撑（水平支撑、垂直支撑）、大型屋面板 3. 传力路线：屋面荷载 → 大型屋面板 → 屋架（或天窗架） 4. 特点：屋盖刚度大、整体性好、施工方便，但自重大、抗震性能差。 可用于屋架坡度较小的屋盖.
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厂 房 典 型 节 点 拆 装
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7.3 钢 屋 盖 支 撑 系 统
支 撑 作 用
故支撑设置有下列的作用：
• 保证结构的空间作用 • 增强屋架的侧向稳定 • 传递屋盖的水平荷载 • 由屋架、檩条和屋面材料等构件组成的有檩屋盖是几何可变体系。 屋架的受压上弦虽然与檩条连接，但所有屋架的上弦有可能向同一方 • 便于屋盖的安全施工
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竖向支撑
组成：系杆、斜杆 作用：使相邻屋架形成几何不变的空间体系，保证侧向稳定。 布置位置：设有上弦横向支撑的开间内，每隔4～5个开间布置一道。 布置原则: （1）梯形或平行弦屋架 无天窗，跨度l<30m，布置在屋架两端、跨中。 无天窗，跨度l>30m，布置在屋架两端、跨度l/3处。 有天窗、跨度l<30m，布置在屋架两端、跨中、天窗架两端。 有天窗、跨度l<30m，布置在屋架两端、跨度l/3处、天窗架两端。 （2）三角形屋架 跨度小于18m时，布置在屋架中间。 跨度大于18m时，一般视具体情况布置两道 。
假定压杆不起作用，变为静定桁架，简化计算。 • 支撑连接的构造力求简单，安装方便。一般用M20粗制螺栓连接，杆件 每端至少2个螺栓。 圆钢作柔性支撑杆件时，采用花篮螺栓，将杆件张紧。
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节点形式1
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节点形式2
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节点形式3
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钢
檩
条
• 实腹式檩条 • 桁架式檩条 • 拉条的布置
实腹式檩条
• 实腹式檩条形式
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受拉构件
平
面
内
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平 面
外
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“
”、“
”截面
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杆件截面设计
• • • • • • • • 截面形式：以双角钢拼成一根构件。 原则：使两个主轴方向的长细比接近，以达到经济的目的。 整体作用：加垫板 材料选择要求 同一榀屋架中规格不宜过多，5～6种。 角钢尺寸不宜过小，一般不小于L45×4或L56×36×4。 对压杆，选择回转半径大的材料。 屋架弦杆至多变一次截面，变肢宽不变肢厚，跨度小于30m的 梯形屋架和跨度小于24m的三角形屋架一般不变截面。
• 对压杆，选择回转半径大的材料。
• 屋架弦杆至多变一次截面，变肢宽不变肢厚，跨度小于30m的梯形屋架和跨度小于 24m的三角形屋架一般不变截面。
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•
截面计算 •轴拉

N An f N An
N
•轴压
强度


f （截面无削弱时不用算）
f
稳定
A
先假定λ，弦杆80左右，腹杆100左右，查表φ，算出A，选定材料规格，再验算。 •压弯或拉弯杆件（上、下弦）
形式及尺寸
（1）屋架的外形及腹杆布置 • 三角形屋架：受力不均匀，刚度小，坡度 大，排水好，用于中、小跨度轻屋面结构 • 梯形钢屋架：外形与弯矩图较接近，受力 好，省材料 • 矩形钢屋架：腹杆长度一致，杆件类型少， 标准化、工业化程度高，主要用于托架、 支撑体系 （2）屋架主要尺寸 • 跨度：据工艺需要定，一般为3m模数， 12、15、18、21、24、27、30、36m等 (注意：柱中心距离) • 高度：三角形 h≈（1/4～1/6）L 梯形 跨中 h≈（1/6～1/10）L 端部 h≈1.6～2.2m（铰接时） h≈1.8～2.4m（刚接时） • 屋架上弦节间：据屋面材料定，尽可能使 荷载直接作用在屋架节点上
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矩形钢屋架
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梯 形 钢 屋 架
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内力计算
（1）基本假定 • 屋架的节点为铰接。 • 所有杆件的轴线平直且都在同一平面内汇交于节点的中心。 • 荷载都作用在节点上，且都在屋架平面内。 （2）屋架上的荷载和内力计算 • 永久荷载： 屋面材料、保温层、防水层、吊车顶、檩条、支撑、屋架、天窗架等结 构自重。 • 可变荷载： 屋面活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载、悬挂吊车荷载等。屋面活荷 载与雪荷载不同时出现，取两者中较大值计算。 • 荷载组合： 永久荷载＋可变荷载 永久荷载＋半跨可变荷载 屋架、支撑和天窗架自重＋半跨屋面板重＋半跨屋面活荷载 • 轴力计算 • 附加弯矩
• 横向水平支撑： 端部或第二开间，横向支撑区段长度不大于60m。 • 纵向水平支撑： 厂房内有较大的振动设备，厂房有较大的刚度要求时。 • 系杆： 檩条可兼作系杆。
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形式计算构造
• 支撑一般呈平行弦桁架，受力较小，按容许长细比和构造要求是： 拉杆：[λ ]=400 压杆：[λ ]=200 • 当屋架下弦标高大于15m，基本风压大于0.5kN/m2时，与抗风柱连接的水 平支撑承受和传递风荷载。 计算简图：
← 屋面有天窗时，天 窗两侧檩条间布 置斜拉条和直撑 杆。 构造：拉条用圆钢， φ 8～12mm，据檩 距和荷载定；撑杆 限制檩条的侧向弯 曲，其长细比按压 杆λ<200。(下页图)
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§7.4 普通钢屋架
• 组成：角钢、节点板焊接而成 • 特点：标准屋架，受力性能好，构造简单，施工方便
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下弦支撑
下弦支撑包括下弦横向支撑和下弦纵向支撑 • 下弦横向支撑
o o o o o o o 组成：屋架下弦杆、斜杆、系杆 作用：山墙抗风柱的支点，承受并传递水平风荷载、悬挂吊车的水平力和地震引 起的水平力，减小下弦的平面外计算长度，减小下弦的振动。 布置：与上弦横向支撑布置在同一开间，形成稳定的空间体系。 屋架跨度大于18m时， 屋架下弦设有悬挂吊车时， 抗风柱支承在屋架下弦时， 屋架下弦设通长纵向支撑时，宜设屋架下弦横向支撑。
l 0 l1 (0.75 0.25
N2 N1
)
当L0<0.5L1时，取L0=0.5L1，N1为较大的压力，取“＋”，N2为较小的压力或拉力，压力取“＋ ”，拉力取“－”。
芬克式屋架、再分式腹杆受压杆件在平面外计算长度同上，平面内计算长度为节点长度L。
2.允许长细比
受压构件 [λ]=150 [λ]=350 无吊车或轻、中级工作制吊车e [λ]=300 有重级工作制吊车 [λ]=250 直接承受动荷载
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附加弯矩
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杆件设计
1.计算长细比
•平面外 弦杆L0y为横向支撑点间的距离 ； •“ ”、“ ”截面形式的杆件 L0=0.9L
• 杆件长度计算 • 允许长细比 • 杆件截面设计
•平面内 弦杆、支座斜杆、支座竖杆 L0x=L ；其它受压腹杆 L0x=0.8L 腹杆 L0y=L
侧向支承点间距为2倍节间长度，且两个节间弦杆内力不同，则弦杆在平面外的计算长度：
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截面形式
项 杆件截面 次 组合方式
二不等边 角钢短肢 相并
回转半径的比值
用途
1
ix/iy≈2.6～2.9
计算长度l0y较大 的上、下弦杆
2
二不等边 角钢长肢 相并
ix/iy≈0.75～1.0
端斜杆、端竖杆、 受较大弯矩作用 的弦杆
3
二等边角 钢相并
ix/iy≈1.3～1.5
其余腹杆、下弦 杆
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③ 檩条弯矩
拉条设置情况 无拉条 刚度最大主平面的Mx 刚度最大主平面的My
一根拉条
两根拉条
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④ 强度
Mx
xWnx

My
yWny
f
无拉条、一根拉条时，采用檩条跨中弯矩； 有两根拉条时，如跨中qy<qx/3.5，用跨中弯矩，如跨中qy>qx/3.5，采用跨度 1/3处的弯矩。 ⑤ 挠度（只验算垂直于屋面方向的挠度，以保证屋面平整） [w]=1/150 ，对无积灰的瓦楞铁、石棉瓦； [w]=1/200 ，对压型钢板、有积灰的瓦楞板、石棉瓦及其它屋面。 ⑥ 整体稳定性 如果满足：设置檩间拉条、屋面坡度≤1/7、屋面刚度较大且与檩条用焊缝或 螺栓连牢时，可不作整体稳定性验算。否则需验算:
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系
杆
• 作用：在无支撑的开间处，保证屋架的侧向稳定，减小弦杆 的计算长度，传递水平荷载。 系杆分刚性和柔性 • 布置： 竖向支撑平面内设通长系杆。 水平横向支撑设在第二开间时，端屋架需与第二榀屋架用刚 性系杆连接，其余设置刚性或柔性系杆均可。 屋脊节点、屋架支座节点设置刚性系杆。
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轻钢支撑布置
项 杆件截面 次 组合方式 二等边角 钢组合成 的十字形 截面
截面形式
回转半径的比值
用途
4
ix/iy≈1.0
与竖向支撑相连 的屋架竖杆
5
单角钢
轻型钢屋架中内 力较小的杆件
6
钢管
各方向都相等
轻型钢屋架中的 杆件
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整体作用：加垫板 •材料选择要求 • 角钢尺寸不宜过小，一般不小于L45×4或L56×36×4。 • 同一榀屋架中规格不宜过多，5～6种。
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轻钢厂房
1.形式和布置 2.组成： 轻质屋面板（压型钢板）、檩条、隅撑、水平支撑、钢架 3.传力路线： 屋面荷载→ 屋面板→ 檩条→ 钢架 4.特点： 轻质、耐火、保温及防水性好，构造简单、施工方便、工业化生 产程度高（材料整齐地装箱，现场犹如搭积木）。
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厂 房 结 构 演 示
8
厂 房 支 撑 体 系 和 结 构 分 解
Mx
bWx

My
yWy
f
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桁架式檩条
• 形式：
平面桁架式、T形 桁架式和空间桁架 式
• 计算：
看作平面桁架，按 结构力学方法计算 杆件轴力。上弦还 需考虑由均布荷载 引起的局部弯矩。
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拉条的布置
作用：减小檩条的侧向变形 和扭转，提高檩条承载力。 布置： 檩条跨度4～6m时，至少跨 中设一道拉条， L>6m时，设两道。↓
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无天窗，跨度l<30m，布置在屋架两端、跨中
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无天窗，跨度l>30m，布置在屋架两端、跨度l/3处
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有天窗、跨度l<30m， 布置在屋架两端、跨中、天窗架两端
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有天窗、跨度l > 30m， 布置在屋架两端、跨度l/3处、天窗架两端
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跨度小于18m时，布置在屋架中间
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跨度大于18m时，一般视具体情况布置两道
• 下弦纵向支撑
o 组成：系杆、斜杆 o 作用：增加屋盖空间刚度，承受和传递吊车横向水平制动力。 o 布置：屋架两边，与横向支撑形成封闭框。 o 有重级工作制吊车或起重量较大的中、轻工作制吊车时， o 有振动设备、屋架下弦有吊轨、有托架时， o 房屋跨度较大、空间刚度要求较高时，均需设置下弦纵向水平支撑。
N
强度
An
N
Mxຫໍສະໝຸດ xWnx f稳定 i）平面内
x A
N

mx M x xW1x (1 0.8
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实腹式檩条与屋架的连接方式
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实腹式檩条计算
① 简图 ② 荷载计算 对x-x轴 qy=qcosα 对y-y轴 qx=qsinα q为线荷载。 屋面均布活荷载的取值：
• 不上人屋面：对压型钢板等轻质 屋面，验算屋面板和檩条时取 0.5kN/m2，验算屋架、刚架等承重 结构时取0.3kN/m2，施工荷载较大 时按实际情况取。 • 上人屋面：按使用要求确定，但 不小于1.5kN/m2。
向以半波的形式鼓曲，使得上弦的计算长度为屋架的跨度，承载力下 降。 • 其次，屋架下弦虽是拉杆，但侧向无联系时，会引起较大的水平振 动和变位，增加杆件和连接中的受力。 • 此外端墙传来的风荷载，仅靠屋架的弦杆承受和传递是不够的。
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支撑布置
上弦横向支撑 竖向支撑 下弦支撑 系杆
上弦横向支撑
• 组成：屋架上弦、斜向杆件、檩条、系杆 • 作用：保证屋架侧向刚度和屋盖的空间刚度，减小上弦在平面外计算长 度，承受和传递端墙的风荷载。 • 布置：端部第一或第二开间。当布置在第二开间时，端屋架需与横向支 撑用系杆刚性连接，确保端屋架的稳定和风荷载传递。（有时因天窗架 从第二开间起设。） • 横向支撑间距大于60m时，中间增设。 • 屋面为大型屋面板，且屋面板有三点与屋架上弦牢固连接时，可不设。 但一般高空作业较难保证，还是设上弦横向支撑，大型屋面板起系杆的 作用。有天窗架时，上弦横向支撑仍需布置。
有檩屋盖
1.形式和布置 2.组成： 轻质屋面板、檩条、拉条、支撑、屋架 3.传力路线： 屋面荷载 → 屋面板 → 檩条 → 屋架 4.特点： 屋面材料轻，整体性、刚度差些，有拉条（甚至斜拉条、撑杆 等）、构造较复杂。可用于屋架坡度较大的屋盖。
拉条的作用:减小檩条的侧向变形和扭转，一般设在檩条腹杆受压区域。