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屋面结构布置

一、屋面结构的组成

钢屋面结构组成：屋面板、檩条、屋架、支架、天窗框架、支架等构件。

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屋架的跨距和间距取决于柱网布置，柱网布置取决于建筑工艺要求和经济要求。屋顶桁架跨度很大：为了照明和通风，天窗通常设置在屋顶上。柱网间距较大，超过屋面板长度：应布置中间屋架和柱间支架，中间屋架的荷载应通过支架传递到柱上（图3-1）。

图3-1 屋面结构组成屋架

与屋架之间

：布置支座，增强屋架的侧向刚度，传递水平荷载，保证屋面系统的整体稳定性。

二、屋面系统的分类

有两种类型的屋顶：没有檩条的屋顶和有檩条的屋顶。

无檩条屋面：屋面荷载通过大型屋面板直接传递到屋面桁架上（图3-2）。

优点：屋面横向刚度大、整体性好、结构简单、施工方便等;

缺点：屋面自重，不利于抗震，多用于厂房内有桥式起重机。

图3-2 无檩条屋面系统檩条屋面：屋面

采用石棉瓦、波纹铁、异型钢板、铁丝网水泥槽板等轻质材料时，屋面荷载应通过檩条传递到屋面桁架上（图3-3）。

优点：部件重量轻，节省材料;

缺点：屋面构件数量多，结构复杂，整体刚度差。

图3-3 檩条屋面系统

车顶支撑系统

一、屋面支护作用

主要功能：（1）保证屋面结构的整体稳定性;（2）增强屋面刚度;（3）增强屋架的横向稳定性;（4）承受和传递屋面的水平荷载;（5）便于屋面的安装施工。

屋架桁架 – 屋面的主要承重结构。有必要将屋顶桁架与支架连接起来。长屋顶结构，中间有侧撑。横向支撑——屋架弦杆的

侧向支座点，减小了平面外弦杆的计算长度，减小了屋架在动载荷作用下平面外的受迫振动。

屋面支护将作用在山墙上的风荷载、悬挂起重机的水平荷载和地震作用传递到房屋的下部支撑结构上。

钢屋架安装：先吊装两个带横向支撑的屋架，将支架和檩条连接起来形成一个稳定的系统，然后吊装其他屋架与之连接。

二、屋面支护布置

屋面支座有五种类型：上弦杆横向水平支撑、下弦杆横向水平支撑、下弦杆纵向水平支撑、垂直支撑和拉杆。

1. 上弦杆的水平支撑

图3-4 顶板支护布置

在屋面系统中，横向水平支撑

屋面桁架弦一般应布置，包括天窗框架的横向水平支撑。

上弦横向水平支座：布置在房屋两端的第一或第二柱之间或温度接缝段的两端。横向水平支撑的间距应≤60 m，房屋长度应>60 m。

2. 下弦的水平支撑

设置条件：

屋面桁架跨度>18米;

屋面桁架跨度

工厂配备大吨位桥式起重机或其他振动设备;

山墙抗风柱支撑在屋桁架的下弦杆上。

位置：下弦和上弦的水平支撑应在同一列中，以形成稳定的空间系统。

3.下弦杆的纵向水平支撑

设置条件：

配备起升吨位大的重型工作起重机或中轻型工作起重机;

配备锻锤等大型振动设备;

屋架的下弦杆设有纵向或横向吊轨;设有支撑中间屋架的

支架和无柱支撑的中间屋架;房屋较高，

跨度较大，空间刚度要求较高。

设置位置：位于屋架下弦杆端的节间，与下弦杆的横向水平支撑形成封闭的支撑体系，以提高屋面的整体刚度。

4.垂直支撑

竖向支护：使相邻的两顶桁架形成具有空间几何不变体系的有效构件，保证侧向稳定性。

设置位置：

布置在柱室中，有上弦杆横向支撑;

在屋面桁架跨度方向

，应根据屋面桁架的形状和跨度的大小在跨度内设置一条或几条车道。

梯形屋架：

当跨度

≤30 m时，应在屋架跨度中部和两端垂直杆平面内设置竖向支座。

当跨度>30 m时，

当无天窗时，应在屋架跨度的1/3处和两端的垂直杆平面上设置垂直支撑

当有天窗时，竖向支撑应设置在天窗框架侧柱的两侧。

三角形屋架：

当跨度≤24 m时，应在跨脊平面上设置垂直支座。

当跨度>24 m时，应根据具体情况布置两个竖向支座（图3-5）。

图3-5 垂直支撑布置

安装屋面桁架时，每隔4~5根立柱之间布置一个垂直支架，以保持安装稳定。

5.拉杆

拉杆功能：作为屋架上下弦杆的侧向支撑点，保证其他屋架无侧向支撑的侧向稳定性。拉杆

：刚性拉杆和柔性拉杆。能承受压力的是刚性拉杆，只能承受拉力的是柔性拉杆。

设置位置：

在上弦平面上钢结构墙面檩条布置，檩条和大屋面板都可以起到刚性拉杆的作用，因此刚性拉杆可以布置在屋架的屋脊和支撑节点处。

在下弦杆平面上，可在屋架下弦杆的垂直支撑处设置柔性拉杆。

地震带应按照抗震规范的规定设置。

3、顶板支护的形式、计算和施工

形式：屋面支护一般为平行弦桁架形式（图3-6）。

腹板构件呈十字形，一般用于上弦杆横向、下弦杆横向和下弦杆纵向的水平支撑（图3-7a）。

这

纵向水平支撑桁架的节间应形成正方形，一般为6m×6m钢结构墙面檩条布置，或矩形，如6m×3m。横向水平支护节点之间的距离是屋架上弦杆节点距离的2~4倍。竖向支撑腹板构件的形状可以根据桁架的宽高比来确定。

当宽度和高度接近时，可以使用交叉斜杆（图3-7b）;

高度较小时，可采用V型和W型斜杆（图3-7c，d），弦杆与斜杆的交角为30°~60º。

图3-6 平行弦桁架

图3-7 屋面支护形式

杆件截面：顶板支护受力，通常可按允许长细比选择。

十字斜杆和柔性拉杆按拉杆设计，可采用单角钢;

非交叉斜杆、弦杆、垂直杆和刚性拉杆压杆设计用于用双角钢形成十字形或T形截面。

当屋面桁架跨度大，房屋较高，基本风压也较大时，应根据桁架系统计算的内力确定杆件截面。可以假设，在水平桁架节点上集中的风荷载作用下，斜杆中的压杆将退出工作，而只对拉杆施加应力，从而将原来的超静力确定系统简化为静力确定系统（图3-8）。图中W为水平节点荷载，由风荷载或起重机荷载引起。

图3-8 水平荷载作用下支座内力计算示意图

节点连接结构：尽可能简单方便。角钢支架与屋架一般采用C级螺栓连接，螺栓为M20。在有重型起重机或大型振动设备的车间，除螺栓外，还应安装焊缝，焊缝长度为≥80毫米，焊腿尺寸为≥6毫米。当使用圆钢作为支撑时，应通过花篮螺栓的预紧力将圆钢拧紧。

檩条设计

钢檩条一般采用单跨简易支座，有实心腹式和桁架式两大类。

1.实心腹部檩条

实心腹檩条：结构简单，易于制造和安装，常用于跨度3~6m。 截面形式：普通工字钢（由于较重，不易安装，使用不多）、角钢（用于荷载跨度小的屋面）、槽钢（常用）和Z型（冷弯薄壁型钢和省钢）（图3-9）。檩条的截面高度取决于跨度、檩条间距和荷载大小等因素，一般取檩条跨度的1/35~1/50。

图3-9 实心腹檩条截面形式

檩条通过檩条与屋面桁架相连，

它由短角钢制成，先焊接在屋架上，然后在屋架吊装到位后用螺栓或焊缝与檩条连接（图3-10）。

图3-10 实心腹檩条与屋架上弦杆连接

简支檩条：受力均匀，安装方便。

多跨静态固定梁或连续梁：跨中弯矩≈支护弯矩，可减小跨中弯矩。

图3-10-1 檩条铰点布置及铰链结构

垂直于屋架坡度放置的檩条在垂直荷载作用下，在两个主轴方向上分别受到QX和QY（图3-11）。根据简支梁的计算，两个方向的弯矩为

式中，Q为檩条顶板荷载（含自重）的设计值，qy=qcosα，qx=qsinα;

- 檩条跨度;

α – 屋顶的倾斜角度。

检查檩条弯曲强度的公式：

（3-3）

其中 Wnx、Wny 分别是 x-x 轴和 y-y 轴的净截面模量;

γx， γy - 截面的塑性发展系数。

图3-11 实心腹檩条计算示意图

这

根据弹性法检查挠度。当有拉杆时，只能检查垂直于屋面坡度的挠度，当没有拉杆时，应检查总的垂直挠度。当有拉杆时，挠度检查的公式是

（3-4）

其中 I x – x-x 轴上横截面的转动惯量;

[ω]——允许挠度，l/150为无灰积的波纹铁石棉瓦屋面，l/200为有灰积的压型钢板、波纹铁和石棉瓦屋面;L/200 用于其他屋顶;

- 檩条所承受的屋面荷载的标准值。

一般来说，檩条截面的Wy比Wx小得多，所以即使My很小，截面应力也很大，为了减小My，拉杆应沿屋面设置，以减小檩条在最小刚度平面上的计算跨度。如果屋面的连接得到充分保证，则不需要检查檩条的整体稳定性。

二、晶格檩条

当檩条跨度较大（>6 m）时，应考虑格子檩条。晶格檩条有三种类型：扁檩条、T形檩条和空间檩条（图3-12）。

图3-12 晶格檩条的形态

1. 平面晶格檩条

的上弦平面格子檩条由小角钢或槽钢制成，

下弦杆由小角钢或圆钢制成，腹板构件由圆钢制成。这种檩条受力明显，节省材料。

下弦为抛物线檩条，中间节点之间必须设置斜杆，以防止檩条上弦在不对称荷载作用下产生过多的局部拱。

平面晶格中檩条的横向刚度较差，必须设置拉杆以减小横向弯矩。

图3-12-1 平面晶格檩条

2. T型晶格檩条

T型晶格檩条：

侧向刚度较大，车顶可无拉条。

由于上弦杆与腹板构件不在同一平面内，T型格构檩条的完整性较差，沿跨度全长应设置若干个钢箍，跨度为3~4m时为3个，跨度为4~6m时为4个。 圆钢，箍直径为d≥10 mm。为了固定腹板平面和上弦平面，应在上弦平面上设置挡板或斜挡板。

图3-12-2 T型格子檩条

3. 空间晶格檩条

格子檩条（图3-12c）是由三个平面桁架组成的空间结构，檩条截面为三角形。这种檩条侧向刚度好，不需要设置拉杆，安装方便，但劳动费力，费时费力，适用于跨度较大、荷载较大的情况。

晶格的节间划分檩条可

按计算确定，一般取40~60厘米，檩条高度一般为跨度的1/12~1/18，T形格子檩条和空间格子檩条的上弦宽为截面高度的1/l.5~1/2.0。腹板构件与弦杆夹角为40º~60º，45º为最佳。

图3-12-3 空间晶格檩条

4. 晶格檩条的计算

平面晶格檩条可以计算为静态确定的平面桁架，并且假定每个节点都是铰接的。在计算中，将上弦杆的均匀荷载换算成节点荷载，结构力学方法计算杆件的轴向力，一般只需要计算最大内力，即中跨上下弦杆的内力和支座处腹板的内力。对于

上弦杆节间，还应计算由节间均匀荷载引起的局部弯矩：

檩条平面中的简化计算：

（3-5）

其中 a 是上弦节间的长度。

在檩条平面外，当有拉杆时，拉杆处的弯矩为

（3-6）

哪里

是股线的间距。

在中节间设置有斜杆的下支撑檩条中，上弦杆的轴向力为：

（3-6-1）

其中 h 是晶格檩条的高度。

下弦中的内力为：

（3-6-2）

其中 β – 字符串末端的倾斜角度。

这

平面晶格檩条的竖杆和斜杆的内力一般很小，截面可按允许的长细比来选择。

T形格子檩条将上弦杆的两个角近似地集中到腹板构件的平面内，然后根据平面格子计算内力。

空间

格子檩条将空间桁架分解为两个高度等于H1和H2的平面桁架，两个桁架的荷载分别为Q1和Q2，其值可根据总荷载的刚度分布（图3-13）。

（3-7）

（3-8）

图3-13 空间格子檩条计算示意图

上弦单肢角的弯矩近似为

其中 a 是上弦节间的长度。

下弦的内力

等于为两个平面桁架计算的下弦杆内力之和。

根据双向压缩检查上弦的强度

弯曲，并按双向压弯构件的公式检查其整体稳定性。根据轴向张力检查下弦杆的强度。

三、檩条的拉条

檩条的横向刚度

体积小，为了给檩条提供侧向中间支撑，减小檩条沿屋面坡度方向的跨度，减少檩条在施工和使用阶段的横向变形和扭转，除空间桁架式檩条和侧向刚度较大的T形桁架式檩条外， 在实心腹檩条和平面晶格檩条之间需要布置拉条。

拉条的布置原理：

（l）当檩条跨度为4~6 m时，跨度中间至少应设置一根拉杆（图3-14），当跨度大于6 m时，宜设置两根拉杆（图3-15）。

图3-14 拉条排列方式

图3-15 斜拉杆和直撑杆的布置

（2）当檩条间距较密时，斜拉条夹角小，拉力效果不能保证，可将斜拉条改为桁架;

（3）屋面装有天窗时，天窗两侧檩条之间应设置斜拉条和直撑（图3-15）。

（4）角钢檩条固定在屋面桁架上，天窗两侧有斜拉条，斜拉条应设置在屋檐处，防止角钢檩条向上倾覆。

这钢

绞线一般由圆钢制成，其直径根据荷载和檩条距离为8~12毫米，用双螺母直接固定在腹板上，斜拉杆有连接角钢过渡。支柱的作用是限制屋檐檩条的横向弯曲，支柱可采用角钢和钢管制成，其长细比选择为压力杆要求的长细比。

图3-16为拉杆与檩条之间、支柱与檩条之间的连接结构。