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来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文 发布时间：2012-09-11浏览：28次
摘要：结合笔者从事钢结构屋盖设计实践经验，提出钢结构屋盖设计思路，尤其是针对钢屋盖的支撑体系以及节点设计展开探讨，提出了钢桁架屋盖设计应注意的要点，为同类工程所参考。
关键词：支撑体系；屋盖设计；桁架结构；节点设计
1. 引言
钢结构屋盖桁架是指由直杆在端部相互连接而组成的格子式结构，桁架中的杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力。应力在截面上均匀分布，桁架用料经济，结构的自重小，易于构成各种外形以适应不同的用途。尤其是在工业与民用房屋建筑中，当跨度比较大时如果采用梁作屋盖的承重结构是不经济的，这时屋盖都采用用桁架形式来实现。鉴于桁架形式钢屋盖的广泛应用，本文结合笔者设计钢屋盖实践经验，提出其设计的相关问题探讨。
2. 钢屋盖支撑设计
通过总结众多关于钢屋盖结构设计实例，笔者总结了钢屋盖结构组成，一般包含的构件有屋面板、檩条、屋架、托架、天窗架、支撑等构件。钢屋架的跨度和间距取决于柱网布置，柱网布置取决于建筑物工艺要求和经济要求。而部分工程设计中由于钢屋架跨度较大，为了达到有效的采光和通风效果，这时的钢屋盖上通常设置天窗。柱网间距较大，超出屋面板长度，则应设置中间屋架和柱间托架，中间屋架的荷载通过托架传给柱。
2.1钢屋盖支撑设计要点
屋盖支撑主要保证屋盖结构的整体稳定；增强屋盖的刚度；增强屋架的侧向稳定同时承担并传递屋盖的水平荷载。屋架作为屋盖的主要承重结构，需要用支撑连接屋架尤其是对于长屋盖结构，则应当在中间设置横向支撑。横向支撑是屋架弦杆的侧向支承点，有效地减小弦杆在平面外的计算长度，减小动力荷载作用下的屋架平面外的受迫振动。
（1）设计钢屋盖，一般应设置屋架上弦横向水平支撑，包括天窗架的横向水平支撑。上弦横向水平支撑布置在房屋两端或在温度缝区段的两端的第一柱间或第二柱间。横向水平支撑的间距≤60m，对于设计的钢屋盖长度大于60m时，还应另加设水平支撑。
（2）对于屋架跨度＞18m，或者屋架跨度<18m，但屋架下弦设有悬挂吊车；厂房内设有吨位较大的桥式吊车或其他振动设备；山墙抗风柱支承于屋架下弦；所设计的下弦与上弦横向水平支撑应在同一柱间内，以便形成稳定的空间体系。
（3）设有重级工作制吊车或起重吨位较大的中、轻级工作制吊车；设有锻锤等大型振动设备；屋架下弦设有纵向或横向吊轨；设有支承中间屋架的托架和无柱支撑的中间屋架；房屋较高，跨度较大，空间刚度要求高则应当设计下弦纵向水平支撑，而且其应当设在屋架下弦端节间内，与下弦横向水平支撑组成封闭的支撑体系，提高屋盖的整体刚度。
（4）对钢屋盖设计有垂直支撑，可有效地使相邻两榀屋架形成空间几何不变体系保证侧向稳定的有效构件。其应当设置在设有上弦横向支撑的柱间内；在屋架跨度方向还要根据屋架形式及跨度大小在跨中设置一道或几道。
对于垂直支撑的设计位置相当讲究，结合设计实践经验，笔者鉴于对于梯形屋架：，当跨度≤30m时，应在屋架跨中和两端的竖杆平面内各布置一道垂直支撑；当跨度＞30m时，无天窗时，应在屋架跨度1／3处和两端的竖杆平面内各布置一道垂直支撑，有天窗时，垂直支撑应布置在天窗架侧柱的两侧。而对于三角形屋架，当跨度≤24m时，应在跨中坚杆平面内设置一道垂直支撑；当跨度＞24m时，应根据具体情况布置两道垂直支撑，如图1所示。屋架安装时，每隔4～5个柱间设置一道垂直支撑，以保持安装稳定。
图1垂直支撑布置示意图
（4）钢屋盖中通过设计有系杆，可使得钢屋架上下弦存在侧向支撑点，保证无横向支撑的其他屋架的侧向稳定。对于要求承受压力则应当设置刚性系杆，而对于要求承受拉力的则应当设计柔性系杆。鉴于上弦平面内，檩条和大型屋面板均可起刚性系杆作用，因而系杆的设计可在屋架的屋脊和支座节点处设置刚性系杆。而下弦平面内，则可设计在屋架下弦的垂直支撑处设置柔性系杆。
2.2钢屋盖支撑计算要点与构造
钢屋盖纵向水平支撑桁架的节间，以组成正方形为宜，一般为6m×6m，或长方形，如6m×3m。横向水平支撑节点距离为屋架上弦节点距离的2~4倍。垂直支撑的腹杆形式可根据桁架的宽高比例确定。当宽高较接近时，可用交叉斜杆；当高度较小时，可用V式及W式斜杆，弦杆与斜杆间的交角为30°~60º。
设计实践经验表明，对于钢屋盖设计时支撑受力较小，则主要以容许长细比来选择。交叉斜杆和柔性系杆按拉杆设计，可采用单角钢；非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面。当屋架跨度较大、房屋较高且基本风压也较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。可假定在水平桁架节点上的集中风力荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力，这样，使原来的超静定体系简化为静定体系。
钢屋盖支撑设计所采用的节点连接构造应尽量简单方便，对于角钢支撑与屋架适宜采用C级螺栓连接，螺栓用M20。对于有重级工作制吊车或有较大振动设备的厂房，不仅通过螺栓连接，还应加安装焊缝，焊缝长度≥80mm，焊脚尺寸≥6mm。当采用圆钢作支撑时，应用花篮螺栓预加拉力将圆钢拉紧。
3. 钢屋架节点设计
鉴于节点是钢屋盖传递受力的关键部位之一，因此节点设计是钢屋盖设计的重点，其决定着钢屋盖结构中构件之间的受力是否明确与合理。设计钢屋盖节点时，应做到传力可靠，构造简单。在普通钢屋架中一般采用节点板把汇交的各杆件连接在一起，各杆件的内力通过与节点板的焊缝取得互相平衡。
（1）为避免杆件偏心受力，焊接屋架各杆件的重心线应尽量与屋架的几何轴线重合，在节点处应交于一点。但考虑到制造方便，角钢肢背到屋架轴线的距离可取5mm的倍数。螺栓连接的屋架可采用靠近杆件重心线的螺栓准线为轴线。
（2）当屋架弦杆沿长度改变截面时，为便于安装屋面构件，应使肢背齐平，并使两个角钢重心线之间的中线与屋架的轴线重合以减小偏心作用。如轴线变动不超过较大弦杆截面高度的5％，在计算时可不考虑由此引起的偏心弯矩。当不符合上述要求时或节点处有较大的偏心弯矩时，应根据交汇于节点的各杆件延刚度（线刚度），将偏心弯矩分配到各杆件。
（3）为施焊方便，且避免焊缝过分密集致使材质变脆，节点板上各杆件之间焊缝的净距不宜过小，用控制杆端间隙a来保证。受静载时，屋架杆件用节点板连接时，弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的净距，a=10~20mm或5～10mm。
（4）节点板的形状和尺寸根据所连杆件及所需连接焊缝长度确定。为了节约钢材和减少切割工作量，节点板的形状应尽量简单而有规则，如采用矩形、梯形或平行四边形等，一般至少有两条边平行。节点板不应有凹角，以免有严重的应力集中。
（5）节点板的尺寸应尽量使连接焊缝中心受力，避免节点板边缘出现应力可能过大现象，且焊缝受力有偏心，因此不宜采用。
（6）节点板应有足够的强度，以保证弦杆与腹杆的内力能安全地传递。节点板上应力分布比较复杂，一般不作计算。通常节点板的厚度可根据腹杆（梯形屋架）或弦杆（三角形屋架）的最大内力而用，结合工程实践，笔者建议节点板厚度可取6mm~20mm。在同一榀屋架中，除支座处节点板比其他节点板厚2mm外，全屋架所有节点板的厚度应相同。节点板不得作为拼接弦杆用的主要传力杆件。节点板的平面尺寸还应适当考虑制作和装配的误差。
4. 结论
结合钢结构屋盖设计经验，分析和总结了钢桁架屋盖结构设计中遇到的一些问题，主要包括屋盖支撑体系以及节点设计的布置以及注意要点，旨在能为设计者提供参考。
参考文献：
[1]设计．大庆地区轻钢桁架设计选型分析[J]．科技资讯，2006，27（02）：74-75．
[2]杨培伟．钢桁架设计中的几个问题——宁波大剧院钢结构设计有感[J]．四川建筑，2007，29（06）：101-103．
[3]施颖，朱汉华，徐建铭，等．满应力钢桁架的设计、制作和安装[J]．工业建筑，2006，31（02）：46-49．
《钢结构屋盖设计相关问题探讨》
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文章名称： 钢结构屋盖设计相关问题探讨
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