第九章 单层厂房钢结构 返回
§9-4 屋盖结构体系
9.4.1 钢屋盖结构的形式、组成及布置 钢屋盖结构通常由屋面、檩条、屋架、托架和天窗架等构件组成。根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，可分为无檩屋盖结构体系和有檩屋盖结构体系。
一、无檩屋盖结构体系
无檩屋盖结构体系(图9.1.1,a)中屋面板通常采用钢筋混凝土大型屋面板、钢筋加气混凝土板等。屋架的间距应与屋面板的长度配合一致，通常为6m。这种屋面板上一般采用卷材防水屋面，通常适用于较小屋面坡度，常用坡度为1:8~1:12，因此常采用梯形屋架做为主要承重构件。
无檩体系屋盖屋面构件的种类和数量少，构造简单，安装方便，施工速度快，且屋盖刚度大，整体性能好；但屋面自重大，常要增大屋架杆件和下部结构的截面，对抗震也不利。
二、有檩屋盖结构体系
有檩屋盖结构体系（图9.1.1, b）常用于轻型屋面材料的情况。如压型钢板、压型铝合金板、石棉瓦、瓦楞铁皮等。屋架间距通常为6m；当柱距大于或等于12m时，则用托架支 承中间屋架，一般适用于较陡的屋面坡度以便排水，常用坡度为1:2~1:3，因此常采用三角形屋架做为主要承重构件。当采用较好的防水措施用压型钢板做屋面时，屋面坡度也可做到1:12或更小，此时也可用H型钢梁做为主要承重构件。
有檩体系屋盖可供选用的屋面材料种类较多，屋架间距和屋面布置较灵活，自重轻，用料省，运输和安装较轻便；但构件的种类和数量多，构造较复杂。在选用屋盖结构体系时，应全面考虑房屋的使用要求、受力特点、材料供应情况以及施工和运输条件等，以确定最佳方案。
三、天窗架形式
在工业厂房中，为了满足采光和通风等要求，常需在屋盖上设置天窗。天窗的形式有纵向天窗、横向天窗和井式天窗三种。后两种天窗的构造较为复杂，较少采用。最常用的是沿房屋纵向在屋架上设置天窗架（图9.4.1），该部分的檩条和屋面板由屋架上弦平面移到天窗架上弦平面，而在天窗架侧柱部分设置采光窗。天窗架支承于屋架之上，将荷载传递到屋架。
四、托架形式
在工业厂房的某些部位，常因放置设备或交通运输要求而需局部少放一根或几根柱。这时该处的屋架（称为中间屋架）就需支承在专门设置的托架上（图9.4.2）。托架两端支承于相邻的柱上，跨中承受中间屋架的反力。钢托架一般做成平行弦桁架，其跨度一般不大，但所受荷载较重。钢托架通常做在与屋架大致同高度的范围内，中间屋架从侧面连接于托架的竖杆，构造方便且屋架和托架的整体性、水平刚度和稳定性都好。
当钢屋盖以平面桁架作为主要承重构件时，各个平面桁架（屋架）要用各种支撑及纵向杆件（系杆）连成一个空间几何不变的整体结构，才能承受荷载。这些支撑及系杆统称为屋盖支撑。它由上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑及系杆组成（图9.4.3）。下面分别介绍各类支撑及系杆的位置、组成、形式及计算和构造。
(1)、上弦横向水平支撑 上弦横向水平支撑一般布置在屋盖两端（或每个温度区段的两端）的两榀相邻屋架的上弦杆之间，位于屋架上弦平面沿屋架全跨布置，形成一平行弦桁架，其节间长度为屋架节间距的2~4倍。它的弦杆即屋架的上弦杆，腹杆由交叉的斜杆及竖杆组成。交叉的斜杆一般用单角钢或圆钢制成（按拉杆计算），竖杆常用双角钢的T型截面。当屋架有檩条时，竖杆由檩条兼任。
(2)、下弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑布置在与上弦横向水平支撑同一开间，它
也形成一个平行弦桁架，位于屋架下弦平面。其弦杆即屋架的下弦，腹杆也是由交叉的斜杆及竖杆组成，其形式和构造与上弦横向水平支撑相同。横向水平支撑的间距不宜大于60m，当温度区段长度较长时，应在中部增设上下弦横向水平支撑。
(3)、下弦纵向水平支撑 它位于屋架下弦两端节间处，位于屋架下弦平面，沿房屋全长布置，也组成一个具有交叉斜杆及竖杆的平行弦桁架，它的端竖杆就是屋架端节间的下弦。下弦纵向水平支撑与下弦横向水平支撑共同构成一个封闭的支撑框架，以保证屋盖结构有足够的水平刚度。
一般情况下，屋架可以不设置下弦纵向水平支撑，仅在房屋有较大起重量的桥式吊车、壁行吊车或锻锤等较大振动设备，以及房屋高度或跨度较大或空间刚度要求较大时，才设置下弦纵向水平支撑。此外，在房屋设有托架处，为保证托架的侧向稳定，在托架范围及两端各延伸一个柱间应设置下弦纵向水平支撑。
(4)、 垂直支撑 垂直支撑位于上、下弦横向水平支撑同一开间内，形成一个跨长为屋架间距的平行弦桁架。它的上、下弦杆分别为上、下弦横向水平支撑的竖杆，它的端竖杆就是屋架的竖杆（或斜腹杆）。垂直支撑中央腹杆的形式由支撑桁架的高跨比决定，一般常采用W形或双节间交叉斜杆等形式。腹杆截面可采用单角钢或双角钢Ｔ形截面。
跨度小于30m的梯形屋架通常在屋架两端和跨度中央各设置一道垂直支撑。当跨度大于30m时，则在两端和跨度1/3处分别共设四道。一般情况下，跨度小于18m的三角形屋架只需在跨度中央设一道垂直支撑，大于18m时则在1/3跨度处共设两道。
(5)、在沿厂房纵向每间隔4～6个屋架应设置垂直支撑，以保证屋架安装时的稳定性。系杆在未设横向支撑的开间，相邻平面屋架由系杆连接。系杆通常在屋架两端，有垂直支撑位置的上、下弦节点以及屋脊和天窗侧柱位置，沿房屋纵向通长布置。系杆对屋架上、下弦杆提供侧向支承，因此必要时，还应根据控制这些弦杆长细比的要求按一定距离增设中间系杆。对于有檩屋盖，檩条可兼作系杆。
系杆中只能承受拉力的称为柔性系杆，设计时可按容许长细比［λ］＝400（有重级工作制吊车的厂房为350）控制，常采用单角钢或张紧的圆钢拉条（此时不控制长细比）；能承受压力的称刚性系杆，设计时可按［λ］＝200控制，常用双角钢Ｔ形或十字形截面。一般在屋架下弦端部及上弦屋脊处需设置刚性系杆，其它可设柔性系杆。
当房屋两端为山墙时，上、下弦横向水平支撑及垂直支撑可设在两端第二开间，这时第一开间的所有系杆均设为刚性系杆。当房屋长度大于60m时，应在中间增设一道（或几道）上、下弦横向水平支撑及垂直支撑。
屋盖支撑因受力较小一般不进行内力计算。其截面尺寸由杆件容许长细比和构造要求确定。交叉斜杆一般按拉杆控制，容许长细比与柔性系杆相同。非交叉斜杆、弦杆等按压杆［λ］＝200控制。对于跨度较大且承受墙面传来很大的风力的横向水平支撑，应按桁架体系计算内力选择截面，同时亦应控制长细比。
具有交叉斜腹杆的支撑桁架可按图9.4.4所示计算简图计算。在节点荷载W的作用下，图中每节间仅考虑受拉斜腹杆工作，另一根（虚线所示）斜腹杆则假定它因屈曲退出工作（偏安全），这样桁架成为静定体系使计算简化。当荷载反向时，两组斜杆受力情况恰好相反。
屋盖支撑的构造应力求简单、安装方便。其连接节点构造如图94.5所示。
上弦横向水平支撑的角钢肢尖应向下，且连接处适当离开屋架节点(图9.4.5,a)，以免影响大型屋面板或檩条安放。交叉斜杆在相交处应有一根杆件切断，另加节点板用焊缝或螺栓连接(图9.4.5,a)。交叉斜杆处如与檩条相连(图9.4.5, b),则两根斜杆均应切断，用节点板相连。
下弦横向和纵向水平支撑的角钢肢尖允许向上(图9.4.5,c)，其中交叉斜杆可以肢背靠肢背交叉放置，中间填以填板，杆件无需切断。
垂直支撑可只与屋架竖杆相连(图9.4.5,d)，也可通过竖向小钢板与屋架弦杆及屋架竖杆同时相连(图9.4.5, e)。
支撑与屋架的连接通常用M20 C级螺栓,支撑与天窗架的连接可用M16 C级螺栓。在有重级工作制吊车或有其它较大振动设备的厂房，屋架下弦支撑及系杆宜用高强度螺栓连接，或用C级螺栓再加焊缝将节点板固定。
从前述屋盖支撑的布置及组成不难理解，屋盖支撑虽不是主要承重构件，但它对保证主要承重构件——屋架正常工作起着重要作用。具体地说，这些作用是：
(1)保证屋盖形成空间几何不变结构体系，增大其空间刚度。
(2)承受屋盖各种纵向、横向水平荷载（如风载、吊车制动力、地震力等），并将其传至屋架支座。
(3)为上、下弦杆提供侧向支撑点，减小弦杆在屋架平面外的计算长度，提高其侧向刚度和稳定性。
(4)保证屋盖结构安装时的便利和稳定。
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§9-4 屋盖结构体系
9.4.1 钢屋盖结构的形式、组成及布置 钢屋盖结构通常由屋面、檩条、屋架、托架和天窗架等构件组成。根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，可分为无檩屋盖结构体系和有檩屋盖结构体系。
一、无檩屋盖结构体系
无檩屋盖结构体系(图9.1.1,a)中屋面板通常采用钢筋混凝土大型屋面板、钢筋加气混凝土板等。屋架的间距应与屋面板的长度配合一致，通常为6m。这种屋面板上一般采用卷材防水屋面，通常适用于较小屋面坡度，常用坡度为1:8~1:12，因此常采用梯形屋架做为主要承重构件。
无檩体系屋盖屋面构件的种类和数量少，构造简单，安装方便，施工速度快，且屋盖刚度大，整体性能好；但屋面自重大，常要增大屋架杆件和下部结构的截面，对抗震也不利。
二、有檩屋盖结构体系
有檩屋盖结构体系（图9.1.1, b）常用于轻型屋面材料的情况。如压型钢板、压型铝合金板、石棉瓦、瓦楞铁皮等。屋架间距通常为6m；当柱距大于或等于12m时，则用托架支 承中间屋架，一般适用于较陡的屋面坡度以便排水，常用坡度为1:2~1:3，因此常采用三角形屋架做为主要承重构件。当采用较好的防水措施用压型钢板做屋面时，屋面坡度也可做到1:12或更小，此时也可用H型钢梁做为主要承重构件。
有檩体系屋盖可供选用的屋面材料种类较多，屋架间距和屋面布置较灵活，自重轻，用料省，运输和安装较轻便；但构件的种类和数量多，构造较复杂。在选用屋盖结构体系时，应全面考虑房屋的使用要求、受力特点、材料供应情况以及施工和运输条件等，以确定最佳方案。
三、天窗架形式
在工业厂房中，为了满足采光和通风等要求，常需在屋盖上设置天窗。天窗的形式有纵向天窗、横向天窗和井式天窗三种。后两种天窗的构造较为复杂，较少采用。最常用的是沿房屋纵向在屋架上设置天窗架（图9.4.1），该部分的檩条和屋面板由屋架上弦平面移到天窗架上弦平面，而在天窗架侧柱部分设置采光窗。天窗架支承于屋架之上，将荷载传递到屋架。
四、托架形式
在工业厂房的某些部位，常因放置设备或交通运输要求而需局部少放一根或几根柱。这时该处的屋架（称为中间屋架）就需支承在专门设置的托架上（图9.4.2）。托架两端支承于相邻的柱上，跨中承受中间屋架的反力。钢托架一般做成平行弦桁架，其跨度一般不大，但所受荷载较重。钢托架通常做在与屋架大致同高度的范围内，中间屋架从侧面连接于托架的竖杆，构造方便且屋架和托架的整体性、水平刚度和稳定性都好。
当钢屋盖以平面桁架作为主要承重构件时，各个平面桁架（屋架）要用各种支撑及纵向杆件（系杆）连成一个空间几何不变的整体结构，才能承受荷载。这些支撑及系杆统称为屋盖支撑。它由上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑及系杆组成（图9.4.3）。下面分别介绍各类支撑及系杆的位置、组成、形式及计算和构造。
(1)、上弦横向水平支撑 上弦横向水平支撑一般布置在屋盖两端（或每个温度区段的两端）的两榀相邻屋架的上弦杆之间，位于屋架上弦平面沿屋架全跨布置，形成一平行弦桁架，其节间长度为屋架节间距的2~4倍。它的弦杆即屋架的上弦杆，腹杆由交叉的斜杆及竖杆组成。交叉的斜杆一般用单角钢或圆钢制成（按拉杆计算），竖杆常用双角钢的T型截面。当屋架有檩条时，竖杆由檩条兼任。
(2)、下弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑布置在与上弦横向水平支撑同一开间，它
也形成一个平行弦桁架，位于屋架下弦平面。其弦杆即屋架的下弦，腹杆也是由交叉的斜杆及竖杆组成，其形式和构造与上弦横向水平支撑相同。横向水平支撑的间距不宜大于60m，当温度区段长度较长时，应在中部增设上下弦横向水平支撑。
(3)、下弦纵向水平支撑 它位于屋架下弦两端节间处，位于屋架下弦平面，沿房屋全长布置，也组成一个具有交叉斜杆及竖杆的平行弦桁架，它的端竖杆就是屋架端节间的下弦。下弦纵向水平支撑与下弦横向水平支撑共同构成一个封闭的支撑框架，以保证屋盖结构有足够的水平刚度。
一般情况下，屋架可以不设置下弦纵向水平支撑，仅在房屋有较大起重量的桥式吊车、壁行吊车或锻锤等较大振动设备，以及房屋高度或跨度较大或空间刚度要求较大时，才设置下弦纵向水平支撑。此外，在房屋设有托架处，为保证托架的侧向稳定，在托架范围及两端各延伸一个柱间应设置下弦纵向水平支撑。
(4)、 垂直支撑 垂直支撑位于上、下弦横向水平支撑同一开间内，形成一个跨长为屋架间距的平行弦桁架。它的上、下弦杆分别为上、下弦横向水平支撑的竖杆，它的端竖杆就是屋架的竖杆（或斜腹杆）。垂直支撑中央腹杆的形式由支撑桁架的高跨比决定，一般常采用W形或双节间交叉斜杆等形式。腹杆截面可采用单角钢或双角钢Ｔ形截面。
跨度小于30m的梯形屋架通常在屋架两端和跨度中央各设置一道垂直支撑。当跨度大于30m时，则在两端和跨度1/3处分别共设四道。一般情况下，跨度小于18m的三角形屋架只需在跨度中央设一道垂直支撑，大于18m时则在1/3跨度处共设两道。
(5)、在沿厂房纵向每间隔4～6个屋架应设置垂直支撑，以保证屋架安装时的稳定性。系杆在未设横向支撑的开间，相邻平面屋架由系杆连接。系杆通常在屋架两端，有垂直支撑位置的上、下弦节点以及屋脊和天窗侧柱位置，沿房屋纵向通长布置。系杆对屋架上、下弦杆提供侧向支承，因此必要时，还应根据控制这些弦杆长细比的要求按一定距离增设中间系杆。对于有檩屋盖，檩条可兼作系杆。
系杆中只能承受拉力的称为柔性系杆，设计时可按容许长细比［λ］＝400（有重级工作制吊车的厂房为350）控制，常采用单角钢或张紧的圆钢拉条（此时不控制长细比）；能承受压力的称刚性系杆，设计时可按［λ］＝200控制，常用双角钢Ｔ形或十字形截面。一般在屋架下弦端部及上弦屋脊处需设置刚性系杆，其它可设柔性系杆。
当房屋两端为山墙时，上、下弦横向水平支撑及垂直支撑可设在两端第二开间，这时第一开间的所有系杆均设为刚性系杆。当房屋长度大于60m时，应在中间增设一道（或几道）上、下弦横向水平支撑及垂直支撑。
屋盖支撑因受力较小一般不进行内力计算。其截面尺寸由杆件容许长细比和构造要求确定。交叉斜杆一般按拉杆控制，容许长细比与柔性系杆相同。非交叉斜杆、弦杆等按压杆［λ］＝200控制。对于跨度较大且承受墙面传来很大的风力的横向水平支撑，应按桁架体系计算内力选择截面，同时亦应控制长细比。
具有交叉斜腹杆的支撑桁架可按图9.4.4所示计算简图计算。在节点荷载W的作用下，图中每节间仅考虑受拉斜腹杆工作，另一根（虚线所示）斜腹杆则假定它因屈曲退出工作（偏安全），这样桁架成为静定体系使计算简化。当荷载反向时，两组斜杆受力情况恰好相反。
屋盖支撑的构造应力求简单、安装方便。其连接节点构造如图94.5所示。
上弦横向水平支撑的角钢肢尖应向下，且连接处适当离开屋架节点(图9.4.5,a)，以免影响大型屋面板或檩条安放。交叉斜杆在相交处应有一根杆件切断，另加节点板用焊缝或螺栓连接(图9.4.5,a)。交叉斜杆处如与檩条相连(图9.4.5, b),则两根斜杆均应切断，用节点板相连。
下弦横向和纵向水平支撑的角钢肢尖允许向上(图9.4.5,c)，其中交叉斜杆可以肢背靠肢背交叉放置，中间填以填板，杆件无需切断。
垂直支撑可只与屋架竖杆相连(图9.4.5,d)，也可通过竖向小钢板与屋架弦杆及屋架竖杆同时相连(图9.4.5, e)。
支撑与屋架的连接通常用M20 C级螺栓,支撑与天窗架的连接可用M16 C级螺栓。在有重级工作制吊车或有其它较大振动设备的厂房，屋架下弦支撑及系杆宜用高强度螺栓连接，或用C级螺栓再加焊缝将节点板固定。
从前述屋盖支撑的布置及组成不难理解，屋盖支撑虽不是主要承重构件，但它对保证主要承重构件——屋架正常工作起着重要作用。具体地说，这些作用是：
(1)保证屋盖形成空间几何不变结构体系，增大其空间刚度。
(2)承受屋盖各种纵向、横向水平荷载（如风载、吊车制动力、地震力等），并将其传至屋架支座。
(3)为上、下弦杆提供侧向支撑点，减小弦杆在屋架平面外的计算长度，提高其侧向刚度和稳定性。
(4)保证屋盖结构安装时的便利和稳定。