第8章 钢桁架与屋盖结构

成垂直桁架，无论桁架结构承受竖向或纵、横向水平荷载，都能通过一
定的桁架体系把力传向支座，只发生较小的弹性变形，即有足够的刚度 和整体性。
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（3）为屋架弦杆提供必要的侧向支承点。水平支撑和垂直支撑桁架的节点 以及由此延伸的支撑系杆都成为屋架弦杆的侧向支承点，从而减小弦杆 在桁架平面外的计算长度，保证受压弦杆的侧向稳定，并使受拉下弦不 会在某些动力荷载作用下（如吊车运行时）产生过大的振动。 （4）承受并传递水平荷载。水平荷载包括纵向和横向水平荷载，例如风荷 载、吊车的水平制动力、振动荷载、地震作用等，最后都通过支撑体系 传到屋架支座。 （5）保证结构安装时的稳定且便于安装。屋盖的安装工作一般是从房屋温 度区段的一端开始的，首先用支撑将两相邻屋架连系起来组成一个基本 空间稳定体，在此基础上即可顺序进行其他构件的安装。
局部弯矩。
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3.屋架内力 （1）基本假定 ① 所有荷载都作用在节点上（屋架作用有节间荷载时，可将其分配到 相邻的两个节点）； ② 节点处所有杆件轴线在同一平面内且相交于一点（节点中心）； ③ 各节点均为理想铰接； ④ 各杆件均为等截面直杆。 （2）内力计算 按节点荷载作用下的铰接平面桁架分析内力，常用的内力分析方法有图 解法、解析法、电算。具体分析时，可先分别计算全跨和半跨单位节点 荷载作用下的内力，根据不同的荷载组合，列表计算。
3.屋盖支撑的连接构造 （1）上弦平面支撑与屋架的连接节点
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（2）下弦平面支撑与屋架的连接节点
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（3）垂直支撑与屋架的连接节点
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8.2.4 檩条、拉条和撑杆
1.檩条
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2.拉条和撑杆
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4.垂直支撑---垂直于地面并垂直于屋架平面的支撑体系称为垂直支撑。 所有房屋中均应设置垂直支撑。梯形屋架在跨度L≤30m，三角形屋架在 跨度L≤18m时，可仅在跨度中央设置一道垂直支撑，当跨度大于上述数 值时宜在跨度1/3附近或天窗架侧柱处设置两道。屋架的垂直支撑与上、 下弦横向水平支撑应尽量布置在同一柱间，以确保屋盖结构为几何不变 体系。
第8章 钢桁架与屋盖结构
本章导学
『导学提示』
本章着重讲述屋盖结构的形式；屋盖支撑的作用、构造与布置；屋架选型
的原则；屋架的荷载清理和荷载效应（内力）组合；屋架杆件的截面设计； 屋架的节点设计和屋架施工图的绘制方法。
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『关键知识』 『本章要求』 1.了解钢桁架及屋盖结构的组成及应用 2.掌握屋盖支撑的种类和布置； 3.掌握钢屋架的设计步骤； 4.掌握普通钢屋架的设计实例。 1.屋盖支撑的种类和布置；
拱在竖向均布荷载作用
下，基本上处于受压状 态，适合于以钢筋混凝
土之类的材料制成。但
在大跨度时，往往做成 格构式钢拱。
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3）门式钢架 大跨度的门式刚架大多采用 钢结构，当跨度达50～60m 时，可以做成实腹式，跨度 更大时，就应做成格构式。
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（2）空间杆系结构 1）网架结构
8.2.3 屋盖支撑的形式 和连接构造
1.屋盖支撑的形式
（1）横向和纵向水平支撑的形式
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（2）屋架垂直支撑
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（3）系杆 通常刚性系杆采用由双角钢组成的十字形截面，柔性系杆可采用单角钢截面。
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2.屋盖支撑计算 屋盖支撑受力较小，截面尺寸大多由杆件的容许长细比和构造要求而定，
悬臂桁架计算。对于带有交叉腹杆的支撑可按拉杆体系设计，也可按压杆设计。
时，可假设两杆内力的绝对值相同，以简化计算。在内力分析时，必须考虑荷
载方向的可变性。 当同一柱列设有多道纵向柱间支撑时，纵向力在各支撑间可按平均分布考虑。
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（3）悬索结构
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（4）膜结构
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2.平面桁架钢屋盖的组成及应用
根据屋盖结构有无檩条，可将屋盖结构分为无檩屋盖和有檩屋盖。
（1）无檩屋盖－一般用于预应力混凝土大型屋面板等重型屋面，将屋
面板直接放在屋架或天窗架上。
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4.屋架杆件的内力组合 （1）全跨荷载：所有屋架都应进行全跨满载时的内力计算。即全跨永久荷载+全 跨屋面活荷载或雪荷载（取两者的较大值）+全跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。 有纵向天窗时，应分别计算中间天窗处和天窗端壁处的屋架杆件内力。 （2）半跨荷载：对梯形屋架、人字形屋架、平行弦屋架等的少数斜腹杆（一般 为跨中每侧各两根斜腹杆）可能在半跨荷载作用下产生最大内力或引起内力 变号，所以对这些屋架还应根据使用和施工过程的分布情况考虑半跨荷载的 作用。即全跨永久荷载+半跨屋面活荷载（或半跨雪荷载）+半跨积灰荷载+悬 挂吊车荷载。 （3）采用大型混凝土屋面板的屋架，尚应考虑施工阶段安装时可能的半跨荷载 作用情况，即屋架及天窗架（半跨支撑）自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷 载。
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8.2 屋盖支撑
8.2.1 屋盖支撑的作用
（1）保证屋盖结构的空间几何稳定性即几何形状不变。平面桁架能平面外的几何稳定性。
（2）保证屋盖结构的空间刚度和空间整体性。屋架上弦和下弦的水平支撑 与屋架弦杆组成水平桁架，屋架端部和中部的垂直支撑则与屋架竖杆组
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2.屋架的形式--三角形、梯形、人字形和平行弦等。 （1）三角形桁架--适用于陡坡屋面的有檩体系屋盖。
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（2）梯形屋架--梯形屋架适用于屋面坡度较为平缓的无檩体系屋盖，它与简
支受弯构件的弯矩图形比较接近，弦杆受力比较均匀，用料比较经济。
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图8.1 两向正交正放交叉桁架体系网架
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8.1.2 屋盖的组成及应用
1.常见的屋盖结构形式 常用的钢屋盖结构形式有平面杆系结构、空间杆系结构、
悬索结构、膜结构等。
（1）平面杆系结构
1）桁架
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2）拱 拱在大跨度屋盖中经常采 用，特别是当建筑物要 求墙体与屋顶连成一体 时，落地拱尤为适用。
上而柱网采用非封闭结合时，计算跨度取标志跨度
l0 l
。
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（2）屋架高度 一般情况下，设计屋架时，首先根据屋架形式和设计经验先确定屋架的 端部高度，再按照屋面坡度计算跨中高度。
h h0 il0 / 2
人字形和梯形屋架的中部高度主要取决于经济要求，一般情况下可在下
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支撑构件内力计算： 计算各支撑杆件的内力时，假设各连接节点均为铰接，并忽略各杆件的偏 心影响，即各杆件均可按轴心受拉或轴心受压构件计算。 柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向荷载按支承于柱脚基础上的竖向 所谓按拉杆设计，是假定交叉腹杆只承受拉力，一旦受压即失去稳定而退出工 作，如图中的虚线所示，体系变为静定结构。所谓按压杆设计，是假定所有杆 件均可受压，此时应按超静定结构计算支撑体系的内力。当交叉腹杆截面相同
gk 0.12 0.011l
（2）屋面均布可变荷载（屋面可变荷载） （3）雪荷载 屋面水平投影面上的雪荷载标准值为： （4）风荷载 风荷载的标准值为： （5）其他荷载
sk r s0
wk z s z wo
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2.节点荷载汇集
作用于屋架上弦节点的集中力可按下式计算：
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5.系杆---不设横向支撑的其它屋架，其上下弦的侧向稳定性由与横向支撑节 点相连的系杆来保证。能承受拉力也能承受压力的系杆称为刚性系杆；只能 承受拉力的系杆称为柔性系杆。它们的长细比分别按压杆和拉杆控制。
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纵向框架的柱间支撑 1、柱间支撑的作用 ①组成坚强的纵向框架，保证厂房的纵向刚度； ②承受厂房端部山墙的风荷载、吊车纵向水平荷载及温度应力等，在地震区尚 应承受厂房纵向的地震力，并传至基础。 ③可作为框架柱在框架平面外的支点，减少柱在框架平面外的计算长度。 2、柱间支撑的形式－十字交叉式、八字式、门架式。
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8.2.2 屋盖支撑的类型和布置
屋盖支撑系统可分为：横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑和系杆。
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1.上弦横向水平支撑
在各屋架上弦杆所在平面沿房屋横向设置的支撑称为上弦横向水平支撑。
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2.下弦横向水平支撑---在各屋架下弦杆所在平面沿房屋横向设置的支撑称
（2）有檩屋盖－常用于轻型屋面材料的情况。如压型钢板、压型铝合金板、 石棉瓦、瓦楞铁皮等。
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补充 屋面材料
敷设钢筋法是钢结构屋面板安装的基本方法，它通过每块板板端接合处焊
在钢梁或钢檩条上的穿筋压片限定板位，且通过板缝灌浆固定板材的拉结 钢筋，从而可靠地将屋面板安装在钢梁或钢檩条上。
列范围内采用： 梯形和平行弦屋架： h 1 / 10 ~ 1 / 6l0
三角形屋架：
h 1/ 6 ~ 1/ 4l0
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8.3.2 屋架的荷载和 荷载效应（内力）组合
1.屋架的荷载
（1）永久荷载
包括屋面材料、保温材料、檩条及屋架（包括支撑及天窗）的自重。 屋架的自重（经验公式）
2.钢屋架的设计步骤。 『重点讲解』
1.屋盖支撑的种类和布置； 2.钢屋架的设计步骤。
『难点解析』
1.钢屋架的设计步骤。
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8.1 钢桁架与屋盖结构 的组成及应用
8.1.1 钢桁架的组成及应用
钢桁架是指由轴心受力构件（拉杆和压杆）相互连接组成的格构式构件， 用以承受横向荷载和跨越较大的空间。
均匀，材料强度得到充分发挥。而腹杆的布置应使短杆受压、长杆受拉，且
节点和腹杆数量宜少，腹杆总长度宜短。 （3）便于制作和安装--桁架杆件的数量和截面规格种类宜少，构造应简单，以 便于制造。杆件间夹角宜在30°～60°之间，夹角过小将使节点构造困难。 （4）综合技术经济效果好--在确定桁架形式与主要尺寸时，除着眼于构件本身 的省料省工外，还应考虑到跨度大小、荷载状况、材料供应条件、工期长短 等要求，以获得较好的综合经济效果。
（3）人字形屋架
（4）平行弦屋架
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3.屋架的尺寸 （1）屋架跨度 柱网纵向轴线的间距就是屋架的标志跨度，以3m为模数。屋架的计算
跨度是屋架两端支反力之间的距离。当屋架简支于钢筋混凝土柱或砖
柱上且柱网采用封闭结合时，考虑屋架支座处的构造尺寸，屋架的计 算跨度一般可取 l0 l 300 ~ 400 ，当屋架支承在钢筋混凝土柱
为下弦横向水平支撑。一般情况均应设置下弦横向水平支撑。下弦横向水
平支撑应与上弦横向水平支撑设在同一柱间，以形成空间稳定体系。
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3.下弦纵向水平支撑---当房屋内设有托架，或有较大吨位的重级、中级工作 制的桥式吊车，或有壁行吊车，或有锻锤等大型振动设备，以及房屋较高、 跨度较大，空间刚度要求高时，均应在屋架下弦(三角形屋架可在上弦或 下弦)端节间设置纵向水平支撑。下弦纵向水平支撑与下弦横向水平支撑 形成闭合框，加强了屋盖结构的整体性并提高房屋纵、横向的刚度。
（a）正放四角锥网架
（b）六角锥网架（锥尖向下）
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2）立体桁架
立体桁架是由平面桁架演变而来，常用的做法是把单根的上弦或下弦分
成两根，使桁架的横截面成为倒三角形或正三角形。
图8.6 立体桁架 （成都双流机场 候机楼）
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3）网壳结构
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Fk qk a s
Fk
——节点集中力标准值；
qk ——按屋面水平投影面分布
的荷载标准值； a——上弦节间的水平投影长度； S——屋架的间距。
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对于有节间荷载作用的屋架弦杆，应把节间荷载分配在相邻的两个节点 上，屋架按节点荷载求出各杆件的轴心力，然后再考虑节间荷载引起的
拉条可作为檩条的侧向支承点，减小檩条在平行于屋面方向上的跨度， 提高檩条的承载能力，减少檩条在使用和施工过程中产生的的侧向变形
和扭转。当檩条跨度时，宜设置一道拉条；当时，宜设置两道拉条。
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8.3 钢屋架的设计
8.3.1 屋架的形式和选用原则
1.屋架的选用原则 （1）满足使用要求--屋架上弦的坡度应满足屋面材料的排水要求。 （2）受力合理--对弦杆来说，桁架的外形应尽量和弯矩图相近，以使弦杆内力