普通鋼屋架的設(shè)計(jì)過(guò)程與計(jì)算方法介紹鋼結(jié)構(gòu)是一種具有較大優(yōu)勢(shì)的建筑結(jié)構(gòu)，近年來(lái)隨著我國(guó)改革開(kāi)放進(jìn)程的加快和鋼材產(chǎn)量的不斷提高，鋼結(jié)構(gòu)具有鋼結(jié)構(gòu)在工程中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要因地制宜，量材而用，根據(jù)工程實(shí)際選擇合適的結(jié)構(gòu)方案，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，同時(shí)還要總結(jié)、創(chuàng)造和推廣先進(jìn)的制造和安裝技術(shù)。普通鋼屋架的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要內(nèi)容之一，熟悉和掌握普通鋼屋架的設(shè)計(jì)過(guò)程與計(jì)算方法具有重要理論與實(shí)踐意義。因此，本文將對(duì)普通鋼屋架的設(shè)計(jì)過(guò)程與計(jì)算方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。1屋架形式的選擇普通鋼屋架的設(shè)計(jì)首先需要選擇合理的屋架形式，主要從滿足使用要求和經(jīng)濟(jì)要求兩個(gè)方面出發(fā)。從使用要求方面來(lái)看，屋架的外形應(yīng)與屋面材料的排水要求相適應(yīng)；從經(jīng)濟(jì)要求方面來(lái)看，屋架的外形盡量與彎矩圖相近，使屋架弦桿的內(nèi)力分布均勻，充分發(fā)揮材料的作用，同時(shí)使弦桿盡量不產(chǎn)生局部彎矩，屋架的節(jié)點(diǎn)形式要簡(jiǎn)單合理，便于制造、運(yùn)輸和安裝。根據(jù)所選的屋架形式進(jìn)而確定屋架的跨度、高度、節(jié)間寬度等主要尺寸。屋架的主要形式有三角形、梯形、矩形和曲拱形等，如圖1所示。圖1屋架主要形式圖圖1屋架主要形式圖2屋架荷載的選取及組合屋架上的荷載主要包括永久荷載和可變荷載兩類(lèi)，其中，永久荷載主要包括屋面材料，防水、保溫或隔熱層、屋架、天窗架、檁條、支撐及懸掛管道等重量；可變荷載主要包括屋面均布活荷載、雪荷載、施工荷載、積灰荷載、風(fēng)荷載以及懸掛吊車(chē)荷載等。永久荷載和各種可變荷載的不同組合將對(duì)屋架各桿件引起不同的內(nèi)力。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各種可能的荷載組合,并選取最不利的荷載組合進(jìn)行屋架各桿件內(nèi)力的計(jì)算。與柱鉸接的屋架，引起屋架桿件最不利內(nèi)力的各種可能荷載組合有如下幾種：（1） 全跨永久荷載+全跨可變荷載?？勺兒奢d中屋面活荷載與雪荷載不同時(shí)考慮，設(shè)計(jì)時(shí)取兩者中的較大值與積灰荷載、懸掛吊車(chē)荷載組合；當(dāng)雪荷載較大時(shí)，將起控制作用。（2） 半跨永久荷載+半跨可變荷載。（3） 屋架和支撐自重+半跨屋面板重+半跨施工荷載（取等于屋面活荷載）。當(dāng)屋面與水平面的傾角小于30°時(shí)，風(fēng)荷載對(duì)屋面產(chǎn)生吸力，起著卸載的作用，一般不考慮風(fēng)荷載的作用。但對(duì)于采用輕質(zhì)屋面材料的屋架，在風(fēng)荷載和永久荷載的作用下可能使受拉桿件變?yōu)槭軌簵U件，在計(jì)算桿件內(nèi)力時(shí)，應(yīng)根據(jù)荷載規(guī)范的規(guī)定，計(jì)算風(fēng)荷載的作用。3屋架內(nèi)力計(jì)算屋架內(nèi)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)將荷載集中在節(jié)點(diǎn)上（節(jié)間荷載可換算為節(jié)點(diǎn)荷載），并假定所有桿件位于同一平面內(nèi)，桿件重心線匯交于節(jié)點(diǎn)中心，且各節(jié)點(diǎn)均為理想鉸，不考慮次應(yīng)力的影響，可采用數(shù)解法或內(nèi)力系數(shù)法計(jì)算屋架桿件的軸心力。當(dāng)?shù)珬U件截面高度與其幾何長(zhǎng)度（節(jié)點(diǎn)中心間的距離）之比大于1/10（弦桿）和1/15（腹桿）時(shí)，則應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)剛性引起的次彎矩。對(duì)于節(jié)間荷載換算為節(jié)點(diǎn)荷載主要有兩種近似方法：將所有節(jié)間內(nèi)的荷載按該段節(jié)間為簡(jiǎn)支的支座反力分配到相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上作為節(jié)點(diǎn)荷載；按節(jié)點(diǎn)處的負(fù)荷面積換算為該節(jié)點(diǎn)的集中荷載。上弦桿由于節(jié)間荷載產(chǎn)生的局部彎矩可近似按下列規(guī)定取用：（1） 端節(jié)點(diǎn)按鉸接時(shí)，該處彎矩取為0，但當(dāng)有懸挑時(shí)，去最大懸臂端彎矩。（2） 端節(jié)間的正彎矩取0.8M。。（3） 其他節(jié)間的正彎矩和節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩（包括屋脊節(jié)點(diǎn)）均可取0.6M。，其中M0為相應(yīng)節(jié)間按單跨簡(jiǎn)支梁計(jì)算的最大跨中彎矩。4屋架桿件設(shè)計(jì)4.1桿件計(jì)算長(zhǎng)度的確定在理想的鉸接屋架中，桿件在屋架平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度應(yīng)是節(jié)點(diǎn)中線的距離，但實(shí)際上，匯交于節(jié)點(diǎn)處的各桿件是通過(guò)節(jié)點(diǎn)板焊接在一起的，并非正真的鉸接，節(jié)點(diǎn)具有一定的剛度，桿件兩端均屬于彈性嵌固。此外，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)還受到匯交于節(jié)點(diǎn)的拉桿的約束，拉桿的線剛度越大，約束作用越大，壓桿在節(jié)點(diǎn)的嵌固程度越大，其計(jì)算長(zhǎng)度越小。因此，需考慮節(jié)點(diǎn)的實(shí)際嵌固作用來(lái)確定各桿件的計(jì)算長(zhǎng)度，如表1所示。表1桁架弦桿和單系腹桿的計(jì)算長(zhǎng)度項(xiàng)次彎曲方向弦桿腹桿支座斜桿和支座豎桿其他腹桿1在桁架平面內(nèi)110.812在桁架平面外11113斜平面-10.91注:1.1為構(gòu)件的幾何長(zhǎng)度（節(jié)點(diǎn)中心間的距離）；11為桁架弦桿側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離。斜平面系指與桁架平面斜交的平面，適用于構(gòu)件截面兩主軸均不在桁架平面內(nèi)的單角鋼腹桿和雙角鋼十字形截面腹桿。無(wú)節(jié)點(diǎn)板的腹桿計(jì)算長(zhǎng)度在任意平面內(nèi)均取其等于幾何長(zhǎng)度。4.2桿件截面選擇屋架的桿件應(yīng)根據(jù)其受力特性（拉桿還是壓桿）、計(jì)算長(zhǎng)度、構(gòu)造要求等選擇合適的截面形式。桿件截面選擇一般遵循以下原則：（1） 選用肢寬而壁薄的角鋼，但最薄厚度不小于4mm。（2） 為了便于訂貨和制作，相近的角鋼應(yīng)盡量統(tǒng)一，同一屋架所采用的角鋼型號(hào)不超過(guò)5?6種。（3） 屋架弦桿一般采用等截面，但當(dāng)跨度大于24m時(shí)，弦桿可根據(jù)內(nèi)力的變化改變截面，通常保持厚度不變而縮小肢寬，以利于拼接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造處理。（4） 經(jīng)濟(jì)性要求。為滿足剛度（長(zhǎng)細(xì)比）要求，應(yīng)使截面盡量開(kāi)展，且對(duì)于壓桿來(lái)說(shuō)應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)等穩(wěn)定要求，即申=申。xy4.3桿件截面設(shè)計(jì)對(duì)于拉桿應(yīng)滿足強(qiáng)度和剛度要求；對(duì)于壓桿應(yīng)滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定和剛度要求。由于角鋼屋架桿件是按實(shí)腹式截面設(shè)計(jì)的，因此為保證兩角鋼協(xié)同受力，尚應(yīng)按構(gòu)造設(shè)置一定數(shù)量的填板，填板尺寸按構(gòu)造要求確定。5屋架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)屋架節(jié)點(diǎn)主要包括上弦節(jié)點(diǎn)、下弦節(jié)點(diǎn)、屋脊節(jié)點(diǎn)和支座節(jié)點(diǎn)。屋架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)則主要包括上述節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以及節(jié)點(diǎn)板的設(shè)計(jì)。5.1上弦節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

上弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫是由角鋼肢背的槽焊縫和角鋼肢尖的兩條角焊縫組成，假定角鋼肢背的槽焊縫承受節(jié)點(diǎn)荷載P，角鋼肢尖的兩條角焊縫承擔(dān)和由于與肢尖焊縫的偏心距e而產(chǎn)生的彎矩△“=△"e。當(dāng)屋面坡度較緩時(shí)，角鋼肢背槽焊縫的強(qiáng)度可按下式計(jì)算:P<pfw（1）2x0.7h1fff1w1式中，Pf是正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)，對(duì)承受靜力荷載和間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)pf=1.22；對(duì)直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)pf=1.0o角鋼肢尖焊縫的強(qiáng)度計(jì)算：ANT=f2x0.7hlf2w2(3)6AM(3)b=f2x0.7h12f2w2(4)5.2下弦節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)下弦節(jié)點(diǎn)是指下弦桿直通連續(xù)和沒(méi)有節(jié)點(diǎn)集中荷載的節(jié)點(diǎn)，下弦節(jié)點(diǎn)中各腹桿與節(jié)點(diǎn)板所需的連接焊縫長(zhǎng)度按下式計(jì)算：(5), aN(5)l> —w1 2x0.7hfwfif(6)7 aN(6)l> 2—w2 2x0.7hfwf2f弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫，應(yīng)考慮承受弦桿相鄰節(jié)間內(nèi)力之差△"，按下式計(jì)算下弦桿與節(jié)點(diǎn)板連接所需的焊腳尺寸：(7)1 aAN(7)h> 1/1 2x0.71fww1f(8)t aAN(8)h> 2f2 2x0.71fww2f通常弦桿相鄰節(jié)間內(nèi)力之差△N很小，實(shí)際需要的焊腳尺寸可由構(gòu)造要求確定，并沿節(jié)點(diǎn)板全長(zhǎng)滿焊。5.3屋脊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

屋脊拼接拼接角鋼與受壓弦桿之間的連接可按弦桿最大內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算,每邊共有4條焊縫平均承受此力，則一條焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度為:N4N4x0.7hfw一條焊縫的實(shí)際長(zhǎng)度為:TOC\o"1-5"\h\zl=l+2h (10)w f拼接角鋼的總長(zhǎng)度(l)為:sl=2l+10?20mm (11)s5.4支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)屋架與柱的連接有簡(jiǎn)支和剛接兩種形式，支承于鋼筋混凝土柱或磚柱上的屋架一般為簡(jiǎn)支，而支承于鋼柱上的屋架通常為剛接，它的設(shè)計(jì)和軸心受壓柱鉸接柱腳相似。支座底板的面積A和厚度t應(yīng)按下式計(jì)算：ct>(12)ct>(13)加勁肋的高度由節(jié)點(diǎn)板的尺寸決定，厚度可與節(jié)點(diǎn)板的厚度相同。加勁肋可視為支承于節(jié)點(diǎn)板上的懸臂梁，一個(gè)加勁肋通常假定傳遞支座反力的1/4,并考慮偏心彎矩M。一個(gè)加勁肋與支座節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫按下式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算：2<f2<fw(14)6M12Xb.hflw丿支座節(jié)點(diǎn)板與支座底板、加勁肋與支座底板的水平連接焊縫，按下式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算：卩fX0卩fX0-7hfE(15)5.5節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)板的平面尺寸主要取決于該節(jié)點(diǎn)所連桿件的截面尺寸和所需焊縫長(zhǎng)度。由于節(jié)點(diǎn)板受力比較復(fù)雜，因此節(jié)點(diǎn)板的厚度一般不進(jìn)行計(jì)算，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，對(duì)于采用側(cè)面角焊縫連接的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)板的厚度可按相關(guān)規(guī)范確定。6鋼屋架施工圖繪制鋼屋架施工圖是制造廠加工制造和工地結(jié)構(gòu)安裝的主要依據(jù)，如圖2所示。當(dāng)屋架形式、各桿件尺寸、桿件截面以及各腹桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫確定后，即可按運(yùn)輸單元繪制施工圖。繪制屋架施工圖應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1） 通常在圖紙左上角用合適的比例畫(huà)出“屋架幾何軸線圖（屋架簡(jiǎn)圖）”。圖中一半標(biāo)出幾何長(zhǎng)度，另一半標(biāo)出桿件的計(jì)算內(nèi)力值。當(dāng)屋架跨度較大時(shí)，在自重及外荷載作用下將產(chǎn)生較大的撓度，影響結(jié)構(gòu)的使用并有損建筑物的外觀。因此，當(dāng)跨度＞24m的梯形屋架和跨度＞15m的三角形屋架，在制作時(shí)需要起拱，起拱值約為跨度1/500。起拱值應(yīng)在屋架簡(jiǎn)圖上標(biāo)出來(lái)，而在屋架詳圖上不必表示。（2） 繪制屋架的施工圖，通常采用兩種比例尺繪制，桿件軸線一般用1:20~1:30的比例尺，桿件截面和節(jié)點(diǎn)尺寸采用1:10~1:15的比例尺，這樣可使節(jié)點(diǎn)的細(xì)節(jié)表示清楚。（3） 繪制屋架上、下弦桿的平面圖、屋架端部和跨中的側(cè)面圖及必要的剖面圖。（4） 標(biāo)注尺寸，要全部注明各桿件和板件的定位尺寸和孔洞位置等。定位尺寸主要是節(jié)點(diǎn)中心至腹桿頂端的距離和屋架軸線到角鋼肢背的距離。由這兩個(gè)尺寸即能確定桿件的位置和實(shí)際長(zhǎng)度，桿件的實(shí)際斷料長(zhǎng)度為桿件幾何軸線長(zhǎng)度減去兩端的節(jié)點(diǎn)中心到腹桿頂端的距離。（5） 編制材料表，對(duì)所有零件應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)編號(hào)，編號(hào)應(yīng)按零件的主次、上下、左右一定順序逐一進(jìn)行。完全相同的零件用同一編號(hào)，當(dāng)兩個(gè)形狀、尺寸相同只是栓孔位置成鏡面對(duì)稱時(shí)，可編同一號(hào)，但在材料表上注明正和反。材料表包括各種零件的截面、長(zhǎng)度、數(shù)量（正、反）和重量。材料表的用途是供配料、計(jì)算用鋼指標(biāo)以及選用運(yùn)輸和安裝器具之用。（6） 施工圖上還應(yīng)有文字說(shuō)明，說(shuō)明的內(nèi)容包括鋼材的鋼號(hào)、焊條型號(hào)、加工精度要求、焊縫質(zhì)量要求、圖中未注明的焊縫和螺栓孔的尺寸以及防銹處理的要求等等。凡是在施工圖中沒(méi)有繪上的一切要求均可在說(shuō)明中表達(dá)。

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