第七章 屋盖(桁架结构)

常用的平面桁架的外形如图
桁架应具有适当的中部高度H和端部高度H0（三角形桁架端 部高度为零）。H取决于运输界限（铁路运输为3.85m）和建筑高 度要求的最大限值Hmax、刚度要求的最小限值Hmin、以及使弦杆 和腹杆总用钢量最少的经济高度Hec。简支梯形和平行弦桁架，通 常H=（1/6 ~ 1/10）L ,简支梯形钢桁架对端部高度H0无特殊要求。 当梯形钢桁架与柱刚接时，桁架端部有负弯矩，要求H0具有一定 高度。钢屋架中常用H0=（1.8~2.2）m。
第三节 桁架设计
一、桁架的内力计算
1. 作用荷载： 桁架上的作用荷载包括永久荷载和可变荷载两 类，计算桁架内力时，应考虑荷载分项系数、荷载组合系数， 并按最不利荷载组合情况计算桁架杆件内力。 2.桁架计算简图：按铰接平面桁架计算简图进行内力计算。 3.内力计算：首先把桁架上的作用荷载等效地转换到桁架节点 上得节点荷载，然后可按《结构力学》中的数解法、图解法或 平面桁架有限元程序计算铰接平面桁架杆件的轴力。 待求得节点荷载作用下 各杆件的轴力后，对有 节间荷载的弦杆，再按 刚接桁架计算该类杆件 的正负弯矩值 。简化 计算方法如图7-11所示。
● 受压弦杆的侧向支撑点间距L1时常为节间长度的2倍（图713（a）），而弦杆两节间的轴心压力可能不相等（设N1＞N2）， 当用较大的轴力N1验算弦杆平面外稳定时，如果计算长度仍用L1 显然过于保守。此时应按下式确定平面外的计算长度：
L0Y=L1（0.75+0.25N2/N1） 且L0Y≥0.5L1 号，拉力取符号。
（二） 支撑结构的布置和计算
1. 屋面横向水平支撑和系杆 布置原则： 横向水平支撑一般布置在厂房（或温度区段） 两端第一或第二开间，并且每隔30 ~ 40m再布置一道，最大 间距不应大于60m（图7-8）。 在横向水平支撑的节点处应设 置通长系杆，其中屋脊和檐口处系杆及当横向支撑布置在房 屋两端第二开间时的第一开间系杆均为刚性系杆，其它为柔 性系杆。 内力计算：屋面横向水平支撑的计算，应考虑由厂房两端 抗风柱所传递的纵向风荷载及因阻止框架梁侧向失稳而起支 撑作用所应承受的内力。 横向水平支撑中的交叉斜杆可按拉 杆设计，其竖腹杆应按压杆设计。 2.柱间支撑和水平系杆 布置原则： 柱间支撑通常沿纵向柱列每隔30~40m布置一 道，最大间距不应大于60m，当房屋高度较大时，柱间支撑应 分层设置（如图7-9所示）。在柱间支撑的节点处，沿纵向柱 列应设置通长的刚性水平系杆。
四．结构平面布置
1.定位轴线及尺寸 刚架边柱的定位轴线取柱外皮； 斜梁轴线取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上 表面平行的轴线。檐口高度取地坪至房屋外侧檩 条上缘的高度；最大高度取地坪至屋盖顶部檩条 上缘的高度；宽度取房屋侧墙墙梁外皮之间的距 离；长度取两端山墙墙梁外皮之间的距离。 2.柱网布置 在满足使用要求和经济要求的前提下 确定最佳跨度和柱距。门式刚架房屋钢结构的纵 向温度区段长度不大于300m，横向温度区段长度 不大于150m。当需要设置伸缩缝时，可在搭接檩 条的螺栓连接处采用长圆孔并使该处屋面板在构 造上允许胀缩；或者设置双柱。
2. 下弦横向水平支撑
布置原则：一般情况均应设置下弦横向水平支撑。只有当桁 架跨度比较小（L≤18m），且没有悬挂式吊车，或虽有悬挂 吊车但起重吨位不大，厂房内也无较大的振动设备时，可不 设下弦横向水平支撑。 布置位置：与上弦横向水平支撑布置在同一柱间，以形成空 间稳定体。 3. 纵向水平支撑 布置位置：在屋架下弦（三角形屋架可在下弦或上弦）端节 间沿厂房纵向水平面内布置。 布置原则：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，空间刚度要求较高时，均应 布置纵向水平支撑。
第七章 钢桁架
第一节 概述
一、桁架的特点和应用 桁架是指由直杆在杆端 相互连接而组成的以抗弯为主的格构式结构。桁架 中的杆件大多只承受轴向力，材料性能发挥较好， 特别适用于跨度或高度较大的结构。 桁架主要用于空间桁架（网架和塔架）、平面 桁架（屋架、吊车桁架、水工结构中的钢栈桥、钢 桁架引桥、钢闸门中的桁架等）。 本章主要介绍平面简支桁架的设计。 二、平面桁架的外形和腹杆体系 影响桁架外形选 择的因素：1.满足使用要求；2.受力合理 ；3.便于 制做和安装 ；4.综合技术经济效果好。
三、桁架杆件的截面形式选择
基本原则：桁架杆件的截面形式应根据用料经济、连接构造简单和具有足 够刚度等要求综合确定。
（1）对于轴心受力的腹杆，应考虑两方向（绕X轴、Y轴）的等稳定性要求。 （2）对于上弦杆，当为轴心压杆时，应考虑等稳定性要求；当为压弯构件 时，应适当加大弯矩作用方向的截面高度。 （3） 对于下弦杆，作为平面桁架的外框，应适当加大杆件在桁架平面外 的刚度。
计算时压力取正
● 再分式腹杆的受压主斜杆在桁架平面外的计算长度（图713b），也按上式计算。在桁架平面内的计算长度则取节点间的 距离。对于再分式受拉主斜杆在桁架平面外的计算长度仍取L1。
（三）斜平面的计算长度
对于单角钢或双角钢组成的 十字形截面腹杆，受压杆件 将绕截面最小回转半径imin的 轴整体失稳。该方向相对于 桁架平面为一斜平面。 绕该 轴的计算长度取为： L0=0.9L（L为节间长度）
（三）、桁架支撑的计算
1.计算原则：除系杆外各种桁架支撑均是垂直于屋架平面的平面 桁架，由设置的支撑杆件和屋架的弦杆或竖杆组成。 当支撑桁架受力较小时，可不做内力计算，杆件截面按容许长 细比选择；交叉斜杆和柔性系杆按拉杆设计，可用单角钢；非交 叉斜杆、弦杆、竖杆及刚性系杆按压杆设计，可用双角钢组成T形 或十字形截面。 当支撑桁架受力较大时，需按平面桁架体系计算支撑桁架的 杆件内力，进行杆件截面设计。 2.内力计算：有交叉斜腹杆的支撑桁 架是超静定体系，但因受力较小，一 般可按下述简化方法计算：即只考虑 受拉腹杆按柔性方案参与工作。 如图7-5中用虚线表示的一组斜腹杆因 收压而退出工作，此时桁架按单斜杆 静定体系计算；当荷载反向作用时， 则认为另一组斜腹杆退出工作。
（2）保证桁架结构的空间刚度和空间整体性。桁 架上弦和下弦的水平支撑与桁架弦杆组成水平桁 架，桁架端部和中部的垂直支撑则与桁架竖杆组 成垂直桁架，无论竖向或纵、横向水平荷载，都 能通过一定的桁架体系把力传向支座，有足够的 刚度和整体性。 （3）为桁架弦杆提供侧向支撑点。水平和垂直支 撑作为桁架弦杆的侧向支承点，减小弦杆在桁架 平面外的计算长度，提高其整体稳定承载力。 （4）承受并传递水平荷载。 （5）保证结构安装时的稳定且便于安装。
普通桁架的杆件截面常采用角钢组合成的T形、十字形或单角钢截面。重型 桁架常采用H型钢、箱形截面或两槽钢组合截面。此外，钢管（圆管或方管） 也 是桁架结构中的杆件常用截面。
四、桁架杆件截面设计
桁架的杆件一般为轴心受力构件，当桁架弦杆作用有节间荷 载时，则弦杆为压弯（上弦）或拉弯（下弦）构件。对于轴心 受力构件和拉弯、压弯构件的截面设计方法可分别参考第四章 和第六章内容。普通纲桁架杆件截面设计时尚需注意下列问题： （1）宜优先选用肢宽壁薄的截面，使杆件在相同用钢量的情况 下截面具有较大的回转半径和惯性矩。 （2） 需用C级螺栓与支撑杆件相连接的桁架杆件角钢的边长， 应注意其所能采用的螺栓最大直径。 （3） 为减少拼接的设置，桁架弦杆的截面宜根据弦杆的最大 内力来选择，对于跨度不大的桁架宜采用等截面弦杆。 （4） 对于桁架的杆件，应根据杆件在桁架平面内、外的计算 长度不同，选择不同形式的双角钢组合截面，尽量做到λx≈λy。 （5） 当桁架竖杆的外伸边需与垂直支撑相连时，则该竖杆宜 采用由双角钢组成的十字形截面，以使垂直支撑对该竖杆的连 接偏心为最小。 （6） 为了便于备料，整榀桁架所用的角钢规格不宜超过5~6 种。
三．围护结构 屋盖常采用压型钢（铝）板屋面板和Z形冷 弯薄壁型钢檩条。 外墙宜采用槽形或帽形冷弯薄壁型钢墙梁和 双层压型钢板，并在双层压型钢板中间设置玻璃 纤维棉等卷材隔热(或保温)层的结构体系。墙梁 宜布置在刚架柱的外侧。墙体底部1m高也可采 用砌体结构，对保护墙体非常有利，在实际工程 中采用较多。 板缝宜采用咬合或扣合式方式。支座若采用 可滑动式连接件，可解决温度应力问题。
第二节 支撑设计
一、桁架支撑设计 （一）桁架支撑的作用 平面桁架在其本身平面内具有较大的刚度， 但在垂直于桁架平面方向（桁架平面外）不能保 持其几何不变，即使桁架上弦与檩条或屋面等铰 接相连桁架仍会侧向倾倒（如图7-4（(a)中虚线 所示）。为了防止桁架侧向倾倒破坏和改善桁架 工作性能，对于平面桁架体系，必须设置支撑系 统（水工结构中也称为联结系）。 桁架支撑的作用主要是： （1）保证桁架结构的空间几何稳定性即形状不变。
（二）、桁架支撑的种类和布置
如图7-4（b）所示，桁架支撑一般包括下列几种： 1.上弦横向水平支撑 位于相邻两榀桁架上弦杆之间的横向水（斜）平面内。沿厂 房的纵向，上弦横向水平支撑应设置在房屋的两端，或当有 温度缝时设置在温度缝区段的两端。一般设在第一个柱间 （图7-4b）或设在第二个柱间。横向水平支撑的间距L0不宜超 过60m。 当温度区段长度Lt超过60m时，还应在温度区段中 部布置一道或几道横向水平支撑。
源自文库、桁架杆件的计算长度
（一）
桁架平面内的计算长度L0x 桁架平面内的计算长度根据杆件的节间长度和两端约束情 况确定： 1.上下弦杆： L0X=L（节间长度） 2. 腹 杆： 支座处竖腹杆和斜腹杆L0X=L（节间长度） 中部其它腹杆L0X=0.8L（L为节间长度） 3.交叉腹杆： L0X=节点中心至交叉点间的距离（如图7-12）。 （二） 桁架平面外的计算长度L0Y 桁架平面外的计算长度L0Y应取侧向支撑点间的距离： 1. 上下弦杆：L0Y=L1（侧向支点间的距离） 2. 腹 杆： L0Y=L（节间长度） 3. 交叉腹杆：交叉腹杆在桁架平面外计算长度的确定与杆件 受拉和受压有关，也与杆件在交叉点处的断开情况有关，具体 计算参见教材的相关规定。
3.山墙结构布置 山墙结构方案（1）由屋面斜梁、 两侧角柱、抗风柱、墙梁和墙板组成的结构体系。 优点是角柱有利于纵、横两个方向的墙梁连接， 缺点是山墙架结构的横向刚度较差，并且不利于 房屋的纵向扩建。（2）用横向框架代替斜梁和 角柱。这种结构方案的优点是加强了山墙架结构 的横向刚度，特别适用于有桥式吊车的厂房和沿 纵向需要扩建的房屋。抗风柱的布置应与屋面横 向水平支撑的节点位置相配合。 4.墙梁布置 墙梁的间距与墙板的承载能力、房屋 所在地区的基本风压及房屋的高度等有关，同时 在门、窗框上端、窗台、檐口及室内地面处均应 设置墙梁。
内力计算： 柱间支撑内力计算时，应考虑屋面横向水平支撑传 来的纵向风荷载及为了减小柱的侧向计算长度而起支撑作用所 应承受的力。 当厂房设有吊车时，还应计入吊车的纵向制动力。 柱间支撑的计算简图可按支撑于柱脚基础上的悬臂桁架计算 （如图7-9 所示）。 3.隅撑 在框架梁中，隅撑设置在框架梁下翼缘受压的区段内；而在 框架柱中，隅撑则设置在框架柱中靠近柱上端内翼缘压应力较 大的区段。隅撑与梁、柱的连接方式如图7-7所示。
4. 垂直支撑：
所有厂房中均应设置垂直支撑。
布置位置： 梯形屋架在跨度L≤30m、三角形屋架在跨度L≤24m时， 仅在屋架跨度中央设置一道垂直支撑，当屋架跨度大于上述数 值时，宜在跨度1/3附近或天窗架侧柱处设置两道。 对于梯形屋 架，在屋架两端还应各设置一道垂直支撑。 沿厂房纵向，屋架的垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同 一柱间。 5. 系杆： 系杆的作用：对于不设横向支撑的其它屋架，屋架上、下弦的侧 向稳定性则由与横向支撑节点相连的系杆来保证。 系杆的类型：能承受压力和拉力的系杆称为刚性系杆；只能承受 拉力的系杆叫柔性系杆。其长细比分别按压杆和拉杆控制。 布置原则： 在垂直支撑的平面内一般应设置上、下弦系杆；屋脊 节点及主要节点处需设置刚性系杆，天窗侧柱处及下弦跨中附 近设置柔性系杆；当屋架横向支撑设在厂房端部第二柱间时， 则第一柱间的所有系杆均布置为刚性系杆。