钢屋架设计步骤

普通钢屋架的设计步骤

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普通钢屋架的设计步骤主要有：

(1)选择合理的形式，并确定其相应的主要尺寸。

(2)屋架荷载汇集

1)永久荷载(恒载)，它包括：屋面材料，防水、保温或隔热层，以及屋架、天窗架、檩条、支撑及悬挂管道等重量。

2)可变荷载，它包括：屋面均布活荷载、雪荷载、施工荷载、积灰荷载、风荷载以及悬挂吊车荷载等。

3)偶然荷载，如地震荷载、爆炸力或其他意外事故产生的荷载。

(3)屋架内力计算

屋架内力分析时，应将荷载集中在节点上(节间荷载可换算为节点荷载)，并假定所有杆件位于同一平面内，杆件重心线汇交于节点中心，且各节点均为理想铰，不考虑次应力的影响，这样就可用数解法或内力系数法计算屋架杆件的轴心力。但当杆件截面高度与其几何长度(节点中心间的距离)之比大于1／10(弦杆)和1／15(腹杆)时，或当钢管杆件截面高度(或直径)与其节间长度之比大于1／12(主管)

和1／24(支管)时，则应考虑节点刚性引起的次弯矩。

当屋架上弦杆有节间荷载时，首先把节间荷载换算为节点荷载，按上弦无节间荷载计算屋架杆件的轴心力。节点荷载换算有两种近似方法：将所有节间内的荷载按该段节间为简支的支座反力分配到相邻两个节点上作为节点荷载；按节点处的负荷面积换算为该节点的集中荷载。两种方法的计算结果差别很小，但后者较为简便。上弦杆由于节间荷载产生的局部弯矩可近似按下列规定取用：

1)端节点按铰接时，该处弯矩取为零，但当有悬挑时，取最大悬臂端弯矩。

2)端节间的正弯矩取为0．8M。

3)其他节间的正弯矩和节点负弯矩(包括屋脊节点)均可取0.6M，其中Mo为相应节间按单跨简支梁计算的最大跨中弯矩。

(4)内力组合

永久荷载和各种可变荷载的不同组合将对各杆件引起不同的内力。设计时应考虑各种可能的荷载组合，并对每根杆件分别比较，考虑哪一种荷载组合引起的内力最为不利，取其作为该杆件的设计内力。

与柱铰接的屋架，引起屋架杆件最不利内力的各种可能荷载组合有如下几种： 1)全跨永久荷载+全跨可变荷载。可变荷载中屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，设计时取两者中的较大值与积灰荷载、悬挂吊车荷载组合；另外，当雪荷载较大时，将起控制作用。

2)半跨永久荷载+半跨可变荷载。

3)屋架和支撑自重+半跨屋面板重+半跨施工荷载(取等于屋面活荷载)。当屋面与水平面的倾角小于30°时，风荷载对屋面产生吸力，起着卸载的作用，一般不予考虑，但对于采用轻质屋面材料的三角形屋架和开敞式房屋，在风荷载和永久荷载作用下可能使原来受拉的杆件变为受压。故计算杆件内力时，应根据荷载规范的规定，计算风荷载的作用。

(5)屋架杆件设计

1)杆件计算长度的确定。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；但实际上，汇交于节点处的各杆件是通过节点板焊接在一起的，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，压杆在节点的嵌固程度愈大，其计算长度就愈小。因此需考虑节点的实际嵌固作用来确定各杆的计算长度。各杆件计算长度的具体取值见下表。

《GB 50017-2003》表5.3.1 桁架弦杆和单系腹杆的计算长度l0

注：1.l为构件的几何长度（节点中心间距离）；l1为桁架弦杆侧向支承点之间的距离。

2.斜平面系指与桁架平面斜交的平面，适用于构件截面两主轴均不在桁架平面内的角钢钢腹杆和双角钢十字形截面腹杆。

3.无节点板的腹杆计算长度在任意平面内均取其等于几何长度（钢管结构除外）。

上述表格中的计算长度仅适用于桁架杆件，且有节点板连接的情况。在桁架平面内，由于多个杆件连于节点板，使杆端转动受到约束。且相交的杆件越多，受到的约束越大，所以对支座斜杆和竖杆由于连接杆件较少，受到的杆端约束可忽略，其计算长度取其几何长度。在桁架平面外，节点板的刚度很小，产生不了太大的约束，因此平面外计算长度不折减。

当无节点板时，桁架构件的计算长度均取其几何长度。但对于管桁架，由于节点处相邻杆件的连接使节点具有较大刚度，其腹杆计算长度也需折减。

2) 杆件截面选择。屋架的杆件应根据其受力特性(拉杆还是压杆)、计算长度、构造要求等选择合适的截面形式。杆件截面选择的一般原则如下：

①用肢宽而壁薄的角钢，但最薄不能小于4ram。

②便于订货和制造，相近的角钢应尽量统一，同一屋架所采用的角钢型号不超过5～6种。

③屋架弦杆一般采用等截面，但当跨度大于30m时，弦杆可根据内力的变化改变截面，通常厚度不变而缩小肢宽，以利于拼接节点的构造处理。

④经济性要求。为满足刚度(长细比)要求，应使截面尽量开展，且对于压杆来说应尽量实现等稳定要求，即φx=φy。

3) 截面设计。对于拉杆应满足强度和刚度要求；压杆应满足强度、稳定和刚度要求。由于角钢屋架杆件是按实腹式截面设计的，因此为保证两角钢协同受力，尚应按构造设置一定数量的填板，填板尺寸按构造要求确定。

(6)节点设计

屋架的一般节点设计主要是确定节点板尺寸。节点板的平面尺寸主要取决于该节点所连杆件的截面尺寸和所需焊缝长度。由于节点板受力比较复杂，因此节点板的厚度一般不进行计算，而根据经验确定，对于采用侧面角焊缝连接的节点，节点板的厚度可按相关规范确定。

屋架的支座节点应视其连接构造的形式(铰接还是刚接)进行相应的设计计算，可参见相应设计资料。

补充一点在PKPM建模中应注意的问题：

在布置钢桁架杆件时，应按柱构件布置。因PKPM软件对梁的轴线变形及轴向力是不考虑的，且桁架结构的杆件为只承受节点荷载的两端铰接杆件，即杆件力以轴力为主，弯矩几乎为零。若此时桁架杆件布置为梁构件，在计算分析后会发现杆件应力比均为0，这肯定是不符合实际情况的。因此，桁架的所有杆件应作为两端铰接的“柱”布置。