钢结构课程设计指导书(1)

钢屋架课程设计指导书

由于钢结构具有承载力高、抗震性能好、自重轻和建设周期短等优点，因而在重型或大型厂房、大跨度的公共建筑中，已愈来愈多地使用钢屋盖结构。钢屋盖的承重结构体系通常有平面钢桁架体系、空间桁架、网架和悬索等。

一、屋盖结构体系

1.无檩设计方案

在钢屋架上直接放置预应力钢筋混凝土大型屋面板，其上铺设保温层和防水层。这种方案的优点是整体性好，横向刚度大。所以对结构的

横向刚度要求高的厂房宜采用无檩设计方案。

2.有檩设计方案

在钢屋架上设置檩条，檩条上面再铺设轻型屋面材料。对于横向刚度要

求不高，尤其是不需做保温层的中小型厂房宜采用。

二、屋盖支撑

钢屋架在其自身平面内为几何不变体系并具有较大的刚度。但这种体系在垂直于屋架平面的侧向（即屋架平面外）的刚度和稳定性很差，不能承受水平荷载。为了保证房屋的安全、适用和满足施工要求，在屋盖系统中必须设置必要的支承体系，把平面屋架相互连接起来，使之成为一个稳定而刚强的整体。

三、屋架的形式和主要尺寸

1.屋架形式确定的原则

（1）满足使用要求。屋架外形应与屋面材料的排水相适应。比如，当屋面采用瓦类等时，屋架上弦坡度应做得陡些，一般取1/4～1/2，以利于排水。

当采用大型屋面板时，则要求坡度平缓些，一般取1/12~1/8。

（2）满足经济要求。屋架外形应尽量接近弯矩图形。腹杆的布置应使短杆受压，长杆受拉，且杆件数以少为宜。总长度要短，杆件夹角宜在30～60度之间。同时应注意尽可能避免非节点荷载作用，以免弦杆局部受弯而多耗钢材。

（3）满足制造、安装和运输要求。设计节点构造要简单合理，节点数宜少，容易制造，且尽量减少节点处的应力集中。

2.普通钢屋架的形式

（1）三角形钢屋架。

（2）梯形钢屋架。

（3）平行弦钢屋架。

（4）人字形钢屋架。

3.屋架的主要尺寸

（1）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。

（2）高度。根据屋架的容许挠度可确定最小高度，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

重量为最小的条件确定；有时，建筑设计也对屋架的最大高度加以某种限制。

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0h ，再根据屋面坡度计算跨中高度。对于三角形屋架，0h =0；陡坡梯形屋

架取0h =0.5-1.0m ；缓坡梯形屋架取0h =1.8-2.1m 。因此，跨中屋架高度为

002i h h =+

式中i ——屋架上弦杆的坡度。

人字形屋架跨中高度一般为2.0～2.5m ，跨度大于36m 时可取较大高度，但一般不宜超过3m ；端部高度一般为跨度的1/8~1/12。人字形屋架：h ＝（1/10-1/8）0 。跨度较大的桁架，在荷载作用下将产生很大的挠度。所以可以采用起拱的方法：预先给屋架一个向上的反弯拱度。起拱高度一般为跨度的1/500。

四、设计步骤

1. 屋架荷载计算与荷载效应组合

（1） 屋盖上的荷载。屋盖上的荷载有永久荷载和可变荷载两大类。永久荷载包括屋面材料和檩条、支撑、屋架、天窗架等结构的自重；可变荷载包括雪荷载、风荷载等，一般可按荷载规范查取。

屋架和支撑的自重可按下面经验公式进行估算：

0.120.011k g =+ ，式中为 屋架的标志跨度。

（2） 节点荷载汇集。屋架所受的荷载一般通过檩条或大型屋面板的边肋以集中力的方式作用于屋架的节点上。即：k k P q as =

式中k q 为按屋面水平投影面分布的荷载标准值

a 为上弦节间的水平投影长度

s 为屋架的间距。

（3） 荷载效应组合。

设计时要考虑施工及使用阶段可能遇到的各种荷载及其组合的

可能情况，对屋架进行内力分析时应按最不利组合取值。一般应考

虑以下三种组合：

组合一：全跨恒载+全跨活载；组合二：全跨恒载+半跨活载；

组合三：全跨屋架、支撑和天窗自重+半跨屋面板重+半跨屋面活载

在进行荷载效应组合时，屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，取

两者中的较大值进行组合。

2. 屋架杆件内力计算

（1） 基本假定：节点为铰接；所有杆件的轴线都在同一平面内，且相交

于节点的中心；荷载都作用在节点上，且都在屋架平面内。

（2） 杆件的计算长度。参考《钢结构设计规范》第5.3.1条的规定。

（3） 屋架杆件的内力计算。

（4） 杆件的容许长细比。

3. 屋架杆件设计

（1） 杆件的合理截面。

（2） 垫板。为了使两个角钢组成的杆件起整体作用，应在两个角钢相并肢之间焊上垫板（或填板）。垫板厚度与节点板厚度相同，垫板宽度一般取40～60㎜左右。T 形截面时垫板长度比角钢肢宽大10～15㎜。垫板间距L 在受压构件中不大于40i ，在受拉杆件中不大于80i 。在T 形截面中i 为一个角钢对平行于垫板自身重心轴的回转半径。

（3） 节点板厚度。钢桁架各杆件在节点处都与节点板相连，传递内力并相互平衡。节点板应力复杂并难于分析，通常不作计算。《钢结构设计规范》给出了单壁式桁架节点板厚度选用表，设计时可参考。

（4） 杆件设计。当杆件以承受轴力为主时，按轴心压杆或拉杆计算；当杆件同时承受较大弯矩时，按压弯或拉弯构件计算。计算强度时，应注意对削弱处进行净截面强度验算。计算杆件整体稳定时，应注意两个方向的稳定性都进行计算。

4. 屋架节点设计

节点的作用是把汇交于节点中心的杆件连接在一起，一般都通过节点板来实现。各杆的内力通过各自与节点板相连的角焊缝把杆力传到节点板以取得平衡。所以节点设计的任务是：根据节点的构造要求，确定各杆件的切断位置；根据焊缝的长度，确定节点板的形状和大小。

（1）下弦一般节点的设计方法

下弦一般节点是指下弦杆直通连续和没有节点集中荷载的节点。计算下弦节点中各腹杆与节点板所需的连接焊缝长度：

肢背焊缝： 11120.7w w f f N h f α≥⨯

肢尖焊缝： 22220.7w w f f N h f α≥⨯

（2）上弦一般节点的设计方法

计算上弦节点中各腹杆与节点板所需的连接焊缝长度与下弦节点中各腹杆与节点板所需的连接焊缝长度方法相同。

（3）屋脊拼接节点的设计方法

拼接角钢与受压弦杆之间的连接可按弦杆最大内力进行计算，每边共有4条焊缝平均承受此力。则一条焊缝的计算长度为：

40.7w w f f N h f ≥⨯

拼接角钢的总长度为：2s =+ 弦杆杆端空隙

对于弦杆与节点板之间的连接焊缝，假定节点荷载P 由上弦角钢肢背处的