新疆大学：《钢结构基本原理》课程授课教案（课件讲稿）第七章 钢屋架的设计

第七章普通梯形钢屋架设计 第一节概述 第二节屋架的形式及主要尺寸 ÷第三节屋面系统的支撑布置 。第四节荷载和荷载组合 第五节内力计算 ”第六节屋架杆件的计算长度 。第七节杆件截面设计 冬第八节节点设计 。第九节屋架施工详图

第七章 普通梯形钢屋架设计  第一节 概述  第二节 屋架的形式及主要尺寸  第三节 屋面系统的支撑布置  第四节 荷载和荷载组合  第五节 内力计算  第六节 屋架杆件的计算长度  第七节 杆件截面设计  第八节 节点设计  第九节 屋架施工详图

第一节概述 钢屋架是屋盖结构的一部分，是主要的承重构件。按结构形 式可分为三角形屋架、梯形屋架、两铰拱屋架、三铰拱屋架 和梭形屋架；按照所采用的钢材规格的不同，屋架可分为普 通钢屋架、轻型钢屋架（杆件为圆钢和小角钢）和薄壁型钢 屋架。 ·普通钢屋架是由普通角钢和节点板焊接而成。这种屋架受力 性能好，构造简单，施工方便，广泛应用于工业和民用建筑 的屋盖结构中，一般是用于大型钢筋混凝土屋面板等重型屋 面，将屋面板直接放在屋架或天窗架上，普通屋架所用的等 边角钢不小于∠45×4，不等边角钢不小于∠56×36×4。 屋架钢材一般采用(3号沸腾钢)钢材，冬季计算温度等于 或低于30℃时的屋架宜采用(3号镇静钢)，荷载较大的大 跨度屋架可采用(16Mn钢)或(15MnV钢)

第一节 概述  钢屋架是屋盖结构的一部分，是主要的承重构件。按结构形 式可分为三角形屋架、梯形屋架、两铰拱屋架、三铰拱屋架 和梭形屋架；按照所采用的钢材规格的不同，屋架可分为普 通钢屋架、轻型钢屋架（杆件为圆钢和小角钢）和薄壁型钢 屋架。  普通钢屋架是由普通角钢和节点板焊接而成。这种屋架受力 性能好，构造简单，施工方便，广泛应用于工业和民用建筑 的屋盖结构中，一般是用于大型钢筋混凝土屋面板等重型屋 面，将屋面板直接放在屋架或天窗架上，普通屋架所用的等 边角钢不小于∠45×4，不等边角钢不小于∠56×36×4。  屋架钢材一般采用（3号沸腾钢）钢材，冬季计算温度等于 或低于30℃时的屋架宜采用（3号镇静钢），荷载较大的大 跨度屋架可采用（16Mn钢）或（15MnV钢）

第二节普通梯形钢屋架的形式及主要尺寸 ,一、普通梯形钢屋架概述 普通梯形钢屋架通常用于屋面坡度较为平缓的 大型屋面板或长尺压型钢板的屋面，跨度一般为 15~36m,柱距6~12m,跨中经济高度为(1/8~ 1/10)。梯形屋架外形比较接近弯矩图，因而弦杆 内力沿跨度分布比较均匀，用料较经济，且可以和 柱刚接或铰接，且刚接可使建筑物横向刚度提高。 与柱刚接的梯形屋架，端部高度一般为(1112 入 1/16),通常取2.0~2.5m;与柱铰接的梯形屋 架，端部高度1.5~2.0m,此时，跨中高度可根据 端部高度和上弦坡度确定。在多跨房屋中，各跨屋 架的端部高度应尽可能相同

第二节 普通梯形钢屋架的形式及主要尺寸  一、普通梯形钢屋架概述 普通梯形钢屋架通常用于屋面坡度较为平缓的 大型屋面板或长尺压型钢板的屋面，跨度一般为 15～36m，柱距6～12m，跨中经济高度为（1/8～ 1/10）。梯形屋架外形比较接近弯矩图，因而弦杆 内力沿跨度分布比较均匀，用料较经济，且可以和 柱刚接或铰接，且刚接可使建筑物横向刚度提高。 与柱刚接的梯形屋架，端部高度一般为（1/12～ 1/16），通常取2.0～2.5m；与柱铰接的梯形屋 架，端部高度1.5～2.0m，此时，跨中高度可根据 端部高度和上弦坡度确定。在多跨房屋中，各跨屋 架的端部高度应尽可能相同

二、普通梯形钢屋架主要尺寸的确定 普通梯形钢屋架的主要尺寸包括屋架的跨度、跨中高度和端 部高度。 1.屋架跨度。屋架的跨度取决于柱网的布置，柱网纵向轴线 的间距就是屋架的标志跨度（公称跨度)，一般以3m为模 数，屋架的计算跨度是两端支座反力的距离 2跨中高度。梯形屋架的中部高度主要取决于经济要求，一 般取为=(116~1/10) 3端部高度，是与中部高度和屋面坡度相关的。一般陡坡梯 形屋架取=0.5~1.0m,缓坡梯形屋架取=1.8-2.1m。 三、屋架的起拱要求 跨度≥24的梯形屋架，当下弦无曲折时，宜起拱，拱度。 起拱的方法一般是使下弦成直线弯折而将整个屋架拾高，即 上、下弦同时起拱

二、普通梯形钢屋架主要尺寸的确定 普通梯形钢屋架的主要尺寸包括屋架的跨度、跨中高度和端 部高度。 1. 屋架跨度。屋架的跨度取决于柱网的布置，柱网纵向轴线 的间距就是屋架的标志跨度（公称跨度），一般以3m为模 数，屋架的计算跨度是两端支座反力的距离 2.跨中高度。梯形屋架的中部高度主要取决于经济要求，一 般取为=(1/6~1/10) 3.端部高度，是与中部高度和屋面坡度相关的。一般陡坡梯 形屋架取=0.5~1.0m，缓坡梯形屋架取=1.8~2.1m。 三、屋架的起拱要求 跨度≥24m的梯形屋架，当下弦无曲折时，宜起拱，拱度。 起拱的方法一般是使下弦成直线弯折而将整个屋架抬高，即 上、下弦同时起拱

第三节屋面系统的支撑布置 一、支撑布置的必要性 屋架是屋盖结构中最主要的承重构件，虽然屋架之 间有檩条或屋面板联系，但仍然是一不稳定的空间 体系。通过合理设置支撑可以将屋盖变成几何不变 体系；支撑还保证了屋盖的刚度和空间的整体性， 以减少屋盖在水平力作用下的变形；支撑为屋架提 供了侧向支点，以减少屋架杆件的计算长度，使受 压弦杆保证侧向的稳定，使受拉弦杆具有足够的刚 度；支撑还能够传递水平荷载；并能保证屋架在施 工安装时的稳定与方便

第三节 屋面系统的支撑布置  一、支撑布置的必要性  屋架是屋盖结构中最主要的承重构件，虽然屋架之 间有檩条或屋面板联系，但仍然是一不稳定的空间 体系。通过合理设置支撑可以将屋盖变成几何不变 体系；支撑还保证了屋盖的刚度和空间的整体性， 以减少屋盖在水平力作用下的变形；支撑为屋架提 供了侧向支点，以减少屋架杆件的计算长度，使受 压弦杆保证侧向的稳定，使受拉弦杆具有足够的刚 度；支撑还能够传递水平荷载；并能保证屋架在施 工安装时的稳定与方便

二、支撑布置的原则 。1、在设置有纵向支撑的平面内必须同时设置横向支撑，并 将二者布置为封闭型。 。2、所有的横向支撑、纵向支撑和竖向支撑均应与屋架、托 架、天窗架等的杆件或檩条组成几何不变的桁架形式。 多 3、房屋中每一温度区段或分期建设的区段中，应分别设置 能独立构成空间稳定结构的支撑系统。 ÷4、传递风力、吊车水平力和水平地震作用的支撑，应能使 外力由作用点尽快地传递到结构的支座。 ÷5、柱距愈大或吊车工作量愈繁重，支撑的刚度应愈大。 。6、在地震区应适当增加支撑，并加强支撑节点的连接强 度

二、支撑布置的原则  1、在设置有纵向支撑的平面内必须同时设置横向支撑，并 将二者布置为封闭型。  2、所有的横向支撑、纵向支撑和竖向支撑均应与屋架、托 架、天窗架等的杆件或檩条组成几何不变的桁架形式。  3、房屋中每一温度区段或分期建设的区段中，应分别设置 能独立构成空间稳定结构的支撑系统。  4、传递风力、吊车水平力和水平地震作用的支撑，应能使 外力由作用点尽快地传递到结构的支座。  5、柱距愈大或吊车工作量愈繁重，支撑的刚度应愈大。  6、在地震区应适当增加支撑，并加强支撑节点的连接强 度

三、支撑的布置 ÷1、上弦横向水平支撑 上弦横向水平支撑一般应设置在房间的两端或横向温度伸缩 缝间区段的两端的第一个柱间，为使屋架支撑与天窗架支撑 位于同一开间内，也可将支撑布置在第二个柱间，但第一柱 间必须用刚性系杆与端屋架上弦牢固连接，以保证端屋架的 稳定和传递山墙的风力。 。2、下弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑一般和上弦横向水平支撑布置在同一开 间，它们和相邻的两个屋架组成一个空间桁架体系。 。3、下弦纵向支撑 下弦纵向水平支撑的主要作用是与横向水平支撑一起形成封 闭体系，以提高房屋的整体刚度

三、支撑的布置  1、上弦横向水平支撑 上弦横向水平支撑一般应设置在房间的两端或横向温度伸缩 缝间区段的两端的第一个柱间，为使屋架支撑与天窗架支撑 位于同一开间内，也可将支撑布置在第二个柱间，但第一柱 间必须用刚性系杆与端屋架上弦牢固连接，以保证端屋架的 稳定和传递山墙的风力 。  2、下弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑一般和上弦横向水平支撑布置在同一开 间，它们和相邻的两个屋架组成一个空间桁架体系。  3、下弦纵向支撑 下弦纵向水平支撑的主要作用是与横向水平支撑一起形成封 闭体系，以提高房屋的整体刚度

4、竖向支撑 它的作用主要是使相邻屋架和上下弦横向水平支撑所组成的四 面体形成空间几何不变体系，以保证屋架在使用和安装时的整 体稳定。故在设有横向支撑的开间内，均应设置竖向支撑。 对于梯形屋架，当跨度≤30，一般只需在屋架两端及跨中竖 杆平面内布置三道竖向支撑，当跨度>30时，应在两端和跨 度的13处或天窗架侧处各布置一道竖向支撑。对于三角形屋 架，当跨度≤18m,一般只需在跨中布置一道竖向支撑，当跨 度>18时，根据具体情况设置两道。 5、系杆 为了保证未设横向水平支撑屋架的侧向稳定以及传递水平荷 载，应在横向水平支撑或竖向支撑的节点处，沿房屋纵向通长 地设置系杆。只能承受拉力的为柔性系杆，一般采用单角钢： 能承受压力的为刚性系杆，一般由两个角钢组成的十字形截 面。刚性系杆主要是在梯形屋架上弦脊节点处的系杆以及其他 的能受压的系杆，其余地方设置柔性系杆

4、竖向支撑 它的作用主要是使相邻屋架和上下弦横向水平支撑所组成的四 面体形成空间几何不变体系，以保证屋架在使用和安装时的整 体稳定。故在设有横向支撑的开间内，均应设置竖向支撑。 对于梯形屋架，当跨度≤30m，一般只需在屋架两端及跨中竖 杆平面内布置三道竖向支撑，当跨度＞30m时，应在两端和跨 度的1/3处或天窗架侧处各布置一道竖向支撑。对于三角形屋 架，当跨度≤18m，一般只需在跨中布置一道竖向支撑，当跨 度＞18m时，根据具体情况设置两道。 5、系杆 为了保证未设横向水平支撑屋架的侧向稳定以及传递水平荷 载，应在横向水平支撑或竖向支撑的节点处，沿房屋纵向通长 地设置系杆。只能承受拉力的为柔性系杆，一般采用单角钢； 能承受压力的为刚性系杆，一般由两个角钢组成的十字形截 面。刚性系杆主要是在梯形屋架上弦脊节点处的系杆以及其他 的能受压的系杆，其余地方设置柔性系杆

第四节荷载和荷载组合 一、 作用在屋架上的荷载有永久荷载和可变荷载。 1、永久荷载包括屋面构造层的重量、屋架和支撑的重量及 天窗等结构的自重，屋架和支撑的重量及天窗重量 2、可变荷载包括屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载、风 荷载、悬挂吊车荷载等，其中雪荷载、积灰荷载、风荷载等 。二、荷载组合 为了求出各个杆件的最不利内力，必须对作用在屋架上的荷 载根据施工和使用过程可能出现的分布情况进行组合，一般 为以下三种情况： 1、全跨永久荷载+全跨可变荷载 2、全跨永久荷载+半跨可变荷载 3、全跨屋架和支撑自重+半跨屋面板重+半跨施工荷载

第四节 荷载和荷载组合  一、作用在屋架上的荷载有永久荷载和可变荷载。 1、永久荷载包括屋面构造层的重量、屋架和支撑的重量及 天窗等结构的自重，屋架和支撑的重量及天窗重量 2、可变荷载包括屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载、风 荷载、悬挂吊车荷载等，其中雪荷载、积灰荷载、风荷载等  二、荷载组合  为了求出各个杆件的最不利内力，必须对作用在屋架上的荷 载根据施工和使用过程可能出现的分布情况进行组合，一般 为以下三种情况： 1、全跨永久荷载+全跨可变荷载 2、全跨永久荷载+半跨可变荷载 3、全跨屋架和支撑自重+半跨屋面板重+半跨施工荷载

第五节内力计算 。下面具体介绍图解法的计算过程（不考虑起拱）： 应用图解法求得单位荷载作用于全跨及半跨各节点的各 杆内力，即内力系数，然后可求出当荷载作用于全跨及半跨 各节点时的杆件内力，并求出荷载组合下的杆件内力，取其 币不利内方（正、负最大值）作为设计屋架的依据。 图解法求杆力系数的方法及步骤： ①按一定比例尺画出屋架几何尺寸的单线图（不考虑起 拱)； ②计算节点力及支座反力，并标在相应节点及支座处： ③根据杆件及节点力、支座反力将整个屋架所在平面分 区，并编号； ④取一定的力比例尺，绘制力多边形 ⑤根据力多边形及屋架几何图判断杆件的拉、压

第五节 内力计算  下面具体介绍图解法的计算过程(不考虑起拱)： 应用图解法求得单位荷载作用于全跨及半跨各节点的各 杆内力，即内力系数，然后可求出当荷载作用于全跨及半跨 各节点时的杆件内力，并求出荷载组合下的杆件内力，取其 中不利内力(正、负最大值)作为设计屋架的依据。 图解法求杆力系数的方法及步骤： ①按一定比例尺画出屋架几何尺寸的单线图（不考虑起 拱）； ②计算节点力及支座反力，并标在相应节点及支座处； ③根据杆件及节点力、支座反力将整个屋架所在平面分 区，并编号； ④取一定的力比例尺，绘制力多边形； ⑤根据力多边形及屋架几何图判断杆件的拉、压