屋蓋結構佈置
一、屋蓋結構組成
鋼屋蓋結構組成：屋面板、檁條、屋架、托架、天窗架、支撐等構件。
屋架的跨度和間距取決於柱網布置，柱網布置取決於建築物工藝要求和經濟要求。屋架跨度較大：為了採光和通風，屋蓋上常設置天窗。柱網間距較大，超出屋面板長度：應設置中間屋架和柱間托架，中間屋架的荷載通過托架傳給柱（圖3－1）。
圖3―1 屋蓋結構組成
屋架與屋架之間：佈置支撐，增強屋架的側向剛度，傳遞水平荷載和保證屋蓋體系的整體穩定。
二、屋蓋體系分類
兩種屋蓋：無檁屋蓋和有檁屋蓋。
無檁屋蓋：屋面荷載直接通過大型屋面板傳遞給屋架（圖3－2）。
優點：屋蓋橫向剛度大，整體性好，構造簡單，施工方便等；
缺點：屋蓋自重大，不利於抗震，其多用於有橋式吊車的廠房屋蓋中。
圖3－2 無檁屋蓋體系
有檁屋蓋：當屋面採用輕型材料如石棉瓦、瓦楞鐵、壓型鋼板和鐵絲網水泥槽板等時，屋面荷載要通過檁條再傳遞給屋架（圖3－3）。
優點：構件重量輕，用料省；
缺點：屋蓋構件數量較多，構造較複雜，整體剛度較差。
圖3－3 有檁屋蓋體系
屋蓋支撐體系
一、屋蓋支撐作用
主要作用：①保證屋蓋結構的整體穩定；②增強屋蓋的剛度；③增強屋架的側向穩定；④承擔並傳遞屋蓋的水平荷載；⑤便於屋蓋的安裝與施工。
屋架——屋蓋的主要承重結構。需要用支撐連接屋架。長的屋蓋結構，在中間設置橫向支撐。
橫向支撐——屋架弦杆的側向支承點，減小弦杆在平面外的計算長度，減小動力荷載作用下的屋架平面外的受迫振動。
屋蓋支撐將作用於山牆的風荷載、懸掛吊車水平荷載及地震作用傳遞給房屋的下部支承結構。
鋼屋架安裝：首先吊裝有橫向支撐的兩榀屋架，將支撐和檁條與之連繫形成穩定體系，然後再吊裝其他屋架與之相連。
二、屋蓋支撐佈置
五種屋蓋支撐：上弦橫向水平支撐、下弦橫向水平支撐、下弦縱向水平支撐、垂直支撐和系杆。
1．上弦橫向水平支撐
在屋蓋體系中，一般都應設置屋架上弦橫向水平支撐，包括天窗架的橫向水平支撐。
上弦橫向水平支撐：佈置在房屋兩端或在溫度縫區段的兩端的第一柱間或第二柱間。橫向水平支撐的間距≤60 m，房屋長度>60 m，還應另加設水平支撐。
2．下弦橫向水平支撐
設置條件：
屋架跨度＞18 m；
屋架跨度<18 m，但屋架下弦設有懸掛吊車；
廠房內設有噸位較大的橋式吊車或其他振動設備；
山牆抗風柱支承於屋架下弦。
設置位置：下弦與上弦橫向水平支撐應在同一柱間內，以便形成穩定的空間體系。
3．下弦縱向水平支撐
設置條件：
設有重級工作制吊車或起重噸位較大的中、輕級工作制吊車；
設有鍛錘等大型振動設備；
屋架下弦設有縱向或橫向吊軌；
設有支承中間屋架的托架和無柱支撐的中間屋架；
房屋較高，跨度較大，空間剛度要求高。
設置位置：設在屋架下弦端節間內，與下弦橫向水平支撐組成封閉的支撐體系，提高屋蓋的整體剛度。
4．垂直支撐
垂直支撐作用： 使相鄰兩榀屋架形成空間幾何不變體系保證側向穩定的有效構件。
設置位置：
設置在設有上弦橫向支撐的柱間內；
在屋架跨度方向還要根據屋架形式及跨度大小在跨中設置一道或幾道。
梯形屋架：
當跨度≤30 m時，應在屋架跨中和兩端的豎杆平面內各佈置一道垂直支撐；
當跨度＞30 m時，
無天窗時，應在屋架跨度 1／3處和兩端的豎杆平面內各佈置一道垂直支撐，
有天窗時，垂直支撐應佈置在天窗架側柱的兩側。
三角形屋架：
當跨度≤24 m時，應在跨中堅杆平面內設置一道垂直支撐；
當跨度＞24 m時，應根據具體情況佈置兩道垂直支撐（圖3－5）。
圖3－5 垂直支撐佈置
屋架安裝時，每隔4～5個柱間設置一道垂直支撐，以保持安裝穩定。
5．系杆
系杆作用：充當屋架上下弦的側向支撐點，保證無橫向支撐的其他屋架的側向穩定。
系杆：剛性系杆和柔性系杆。能承受壓力的為剛性系杆，只能承受拉力的為柔性系杆。
設置位置：
上弦平面內，檁條和大型屋面板均可起剛性系杆作用，因而可在屋架的屋脊和支座節點處設置剛性系杆。
下弦平面內，可在屋架下弦的垂直支撐處設置柔性系杆。
地震區應按抗震規範的規定設置。
三、屋蓋支撐的形式、計算和構造
形式：屋蓋支撐一般均為平行弦桁架形式（圖3－6）。
腹杆採用十字交叉形式，一般用於上弦橫向、下弦橫向及下弦縱向水平支撐（圖3－7a）。
縱向水平支撐桁架的節間，以組成正方形為宜，一般為6m×6m，或長方形，如6m×3m。橫向水平支撐節點距離為屋架上弦節點距離的2~4倍。垂直支撐的腹杆形式可根據桁架的寬高比例確定。
當寬高較接近時，可用交叉斜杆（圖3－7b）；
當高度較小時，可用V式及W式斜杆（圖3－7c，d），弦杆與斜杆間的交角為30°~60º。
圖3－6 平行弦桁架
圖3－7 屋蓋支撐形式
杆件截面：屋蓋支撐受力較小，通常可按容許長細比來選擇。
交叉斜杆和柔性系杆按拉桿設計，可採用單角鋼；
非交叉斜杆、弦杆、豎杆以及剛性系杆按壓桿設計，可採用雙角鋼組成十字形或T形截面。
當屋架跨度較大、房屋較高且基本風壓也較大時，杆件截面應按桁架體系計算出的內力確定。可假定在水平桁架節點上的集中風力荷載作用下，交叉斜杆中的壓桿退出工作，僅由拉桿受力，這樣，使原來的超靜定體系簡化為靜定體系（圖3－8）。圖中W為水平節點荷載，由風荷載或吊車荷載引起。
圖3－8 水平荷載作用下支撐內力計算簡圖
節點連接構造：儘量簡單方便。角鋼支撐與屋架一般用C級螺栓連接，螺栓用M20。在有重級工作制吊車或有較大振動設備的廠房，除螺栓外，還應加安裝焊縫，焊縫長度≥80 mm，焊腳尺寸≥6 mm。當採用圓鋼作支撐時，應用花籃螺栓預加拉力將圓鋼拉緊。
檁條設計
第三節 檁條設計
鋼檁條一般採用單跨簡支，有實腹式和桁架式兩大類。
一、實腹式檁條
實腹式檁條：構造簡單，製造及安裝方便，常用於3～6m的跨度。截面形式：普通工字鋼（因較重、不易安裝，用的不多）、角鋼（用於荷載跨度小的屋蓋）、槽鋼（常用）和Z形（為冷彎薄壁型鋼、省鋼）（圖3－9）。檁條的截面高度取決於跨度、檁距和荷載大小等因素，一般取檁條跨度的1／35～1／50。
圖3－9 實腹式檁條截面形式
實腹式檁條通過檁託與屋架上弦連接，檁託用短角鋼做成，先焊在屋架上弦，屋架吊裝就位後用螺栓或焊縫與檁條連接（圖3－10）。
圖3－10 實腹式檁條與屋架上弦的連接
簡支檁條：受力均勻，便於安裝。
多跨靜定梁或連續梁：使跨中彎矩≈支座彎矩，可減少跨中彎矩。
圖3－10-1 檁條鉸點佈置及鉸的構造
垂直於屋架坡度放置的檁條，在豎向荷載作用下，兩個主軸方向分別受到qx和qy作用（圖3－11）。按簡支梁計算，兩個方向彎矩為
式中 q——檁條承受的屋面荷載（包括自重）設計值，qy=qcosα，qx=qsinα；
l——檁條跨度；
α——屋面傾斜角度。
檁條受彎曲的強度驗算公式：
（3－3）
式中 Wnx，Wny——分別為對x－x軸和y－y軸的淨截面模量；
γx，γy——截面塑性發展係數。
圖3－11 實腹式檁條計算簡圖
按彈性方法驗算撓度。當有拉條時，可只驗算垂直於屋面坡度的撓度，當無拉條時，應驗算豎向總撓度。有拉條時撓度驗算公式為
（3－4）
式中 I x——截面對x－x軸的慣性矩；
［ω］——容許撓度，對無積灰的瓦楞鐵、石棉瓦等屋面為l /150；對壓型鋼板、積灰的瓦楞鐵、石棉瓦等屋面為l／200；對其他屋面為l／200；
一般情況下，檁條截面的Wy比Wx小得多，因此My即使很小產生的截面應力很大，為減小My，應沿屋面對檁條設置拉桿以減少檁條在最小剛度平面內的計算跨度。若屋面的連繫有足夠的保證，檁條的整體穩定不必驗算。
二、格構檁條
當檁條的跨度較大（＞6 m）時，應考慮格構檁條。格構檁條三種：平面檁條、T形檁條和空間檁條（圖3－12）。
圖3－12 格構檁條的形式
1．平面格構檁條
平面格構檁條的上弦採用小角鋼或槽鋼，下弦用小角鋼或圓鋼，腹杆用圓鋼組成。這種檁條受力明確，用料省。
下弦為拋物式檁條，中間節間必須設置斜杆，以防止檁條上弦在不對稱荷載作用下產生過大的局部拱曲。
平面格構檁條側向剛度較差，必須設置拉條以減少側向彎矩。
圖3－12-1 平面格構檁條
2．T形格構檁條
T形格構檁條：
側向剛度較大，屋蓋可不設拉條。
T形格構檁條由於上弦杆和腹杆不在同一平面，整體性較差，應沿跨度全長設置幾道鋼箍，跨度為3～4m時設3道，跨度為4～6m時設4道。鋼箍直徑d≥10 mm的圓鋼。為固定腹杆平面與上弦平面，在上弦平面應設置綴板或斜綴條。
圖3－12-2 T形格構檁條
3．空間格構檁條
空間格構檁條（圖3－12c）是由三個平面桁架組成的空間結構，檁條橫截面為三角形。這種檁條側向剛度好，不必設置拉條，安裝方便，但費工費時，適用於跨度較大和荷載較大的情況。
格構檁條的節間劃分可根據計算確定，一般取 40～60 cm，檁條的高度一般為跨度的1／12～1／18，T形格構檁條和空間格構檁條上弦寬度為截面高度的1／l．5～1／2．0。腹杆與弦杆交角為40º~60º，45º最好。
圖3－12-3空間格構檁條
4．格構檁條的計算
平面格構檁條可按靜定的平面桁架計算，各節點均假定為鉸接。計算時，將上弦的均布荷載換算成節點荷載，結構力學方法計算杆件軸力，一般只需計算最大內力，即跨中上、下弦杆內力和支座處的腹杆內力。
上弦節間還應計算由節間均布荷載引起的局部彎矩：
在檁條平面內簡化計算：
（3－5）
式中，a為上弦節間長度。
在檁條平面外，當有拉條時，拉條處的彎矩為
（3－6）
式中，ly 為拉條間距。
中部節間設置斜杆的下撐式檁條中，上弦軸向力為：
（3－6-1）
式中，h——格構檁條高度。
下曲弦中的內力為：
（3－6-2）
式中，β——曲弦端部的傾角。
平面格構檁條的豎杆和斜杆的內力一般很小，可按允許長細比選擇截面。
T形格構檁條近似地將上弦兩個角鋼集中到腹杆平面內後按平面格構計算內力。
空間格構檁條將空間桁架分解為高度等於h1和h2的兩榀平面桁架進行計算，兩榀桁架的荷載分別為q1和q2，其值可根據總荷載按剛度進行分配（圖3－13）：
（3－7）
（3－8）
圖3－13 空間格構檁條的計算簡圖
上弦單肢角鋼的彎矩近似計算為
式中，a為上弦節間長度。
下弦內力等於兩榀平面桁架算得的下弦內力之和。
上弦按雙向壓彎驗算其強度，同時按雙向壓彎構件公式驗算其整體穩定。下弦按軸心受拉驗算其強度。
三、檁條的拉條
檁條側向剛度小，為了給檁條提供側向中間支承，減小檁條沿屋面坡度方向的跨度，減少檁條在施工和使用階段的側向變形和扭轉，除了側向剛度較大的空間桁架式檁條和T形桁架式檁條以外，在實腹式檁條和平面格構檁條之間需設置拉條。
拉條的佈置原則：
（l）檁條跨度為 4～6 m時，至少在跨中佈置一道拉條（圖 3－14），跨度大於6 m時宜佈置兩道拉條（圖3－15）。
圖3－14 拉條的佈置
圖3－15 斜拉條和直撐杆的佈置
（2）當檁條間距較密時，斜拉條角度偏小，不能保證緊張作用，可改斜拉條為桁架；
（3）當屋蓋有天窗時，應在天窗兩側檁條之間設置斜拉條和直撐杆（圖3－15）。
（4）角鋼檁條在天窗兩側用斜拉條固定於屋架上，在屋簷處要設置斜拉條，以防角鋼檁條向上傾覆。
拉條一般採用圓鋼，其直徑視荷載和檁距大小取8～12 mm，用雙螺帽直接固定在腹板上，斜拉條有連接角鋼過渡。撐杆的作用是限制簷檁的側向彎曲，撐杆可採用角鋼和鋼管，其長細比按壓桿要求的長細比選取截面。
拉條和檁條、撐杆和檁條的連接構造如圖3－16所示。
圖3－16 拉條和檁條、撐杆和檁條的連接構造
閱讀更多 我的彩鋼網 的文章
