屋蓋結(jié)構(gòu)布置
一、屋蓋結(jié)構(gòu)組成
鋼屋蓋結(jié)構(gòu)組成：屋面板、檁條、屋架、托架、天窗架、支撐等構(gòu)件。
屋架的跨度和間距取決于柱網(wǎng)布置，柱網(wǎng)布置取決于建筑物工藝要求和經(jīng)濟要求。屋架跨度較大：為了采光和通風(fēng)，屋蓋上常設(shè)置天窗。柱網(wǎng)間距較大，超出屋面板長度：應(yīng)設(shè)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(jié)構(gòu)組成
屋架與屋架之間：布置支撐，增強屋架的側(cè)向剛度，傳遞水平荷載和保證屋蓋體系的整體穩(wěn)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(yōu)點：屋蓋橫向剛度大，整體性好，構(gòu)造簡單，施工方便等；
缺點：屋蓋自重大，不利于抗震，其多用于有橋式吊車的廠房屋蓋中。
圖3－2 無檁屋蓋體系
有檁屋蓋：當屋面采用輕型材料如石棉瓦、瓦楞鐵、壓型鋼板和鐵絲網(wǎng)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(yōu)點：構(gòu)件重量輕，用料��；
缺點：屋蓋構(gòu)件數(shù)量較多，構(gòu)造較復(fù)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(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定；②增強屋蓋的剛度；③增強屋架的側(cè)向穩(wěn)定；④承擔并傳遞屋蓋的水平荷載；⑤便于屋蓋的安裝與施工。
屋架——屋蓋的主要承重結(jié)構(gòu)。需要用支撐連接屋架。長的屋蓋結(jié)構(gòu)，在中間設(shè)置橫向支撐。
橫向支撐——屋架弦桿的側(cè)向支承點，減小弦桿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。
屋蓋支撐將作用于山墻的風(fēng)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(jié)構(gòu)。
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系形成穩(wěn)定體系，然后再吊裝其他屋架與之相連。
二、屋蓋支撐布置
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、垂直支撐和系桿。
1．上弦橫向水平支撐
圖3－4 屋蓋支撐布置
在屋蓋體系中，一般都應(yīng)設(shè)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：布置在房屋兩端或在溫度縫區(qū)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(yīng)另加設(shè)水平支撐。
2．下弦橫向水平支撐
設(shè)置條件：
屋架跨度＞18 m；
屋架跨度<18 m，但屋架下弦設(shè)有懸掛吊車；
廠房內(nèi)設(shè)有噸位較大的橋式吊車或其他振動設(shè)備；
山墻抗風(fēng)柱支承于屋架下弦。
設(shè)置位置：下弦與上弦橫向水平支撐應(yīng)在同一柱間內(nèi)，以便形成穩(wěn)定的空間體系。
3．下弦縱向水平支撐
設(shè)置條件：
設(shè)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(shè)有鍛錘等大型振動設(shè)備；
屋架下弦設(shè)有縱向或橫向吊軌；
設(shè)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(shè)置位置：設(shè)在屋架下弦端節(jié)間內(nèi)，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(cè)向穩(wěn)定的有效構(gòu)件。
設(shè)置位置：
設(shè)置在設(shè)有上弦橫向支撐的柱間內(nèi)；
在屋架跨度方向還要根據(jù)屋架形式及跨度大小在跨中設(shè)置一道或幾道。
梯形屋架：
當跨度≤30 m時，應(yīng)在屋架跨中和兩端的豎桿平面內(nèi)各布置一道垂直支撐；
當跨度＞30 m時，
無天窗時，應(yīng)在屋架跨度 1／3處和兩端的豎桿平面內(nèi)各布置一道垂直支撐，
有天窗時，垂直支撐應(yīng)布置在天窗架側(cè)柱的兩側(cè)。
三角形屋架：
當跨度≤24 m時，應(yīng)在跨中堅桿平面內(nèi)設(shè)置一道垂直支撐；
當跨度＞24 m時，應(yīng)根據(jù)具體情況布置兩道垂直支撐（圖3－5）。
圖3－5 垂直支撐布置
屋架安裝時，每隔4～5個柱間設(shè)置一道垂直支撐，以保持安裝穩(wěn)定。
5．系桿
系桿作用：充當屋架上下弦的側(cè)向支撐點，保證無橫向支撐的其他屋架的側(cè)向穩(wěn)定。
系桿：剛性系桿和柔性系桿。能承受壓力的為剛性系桿，只能承受拉力的為柔性系桿。
設(shè)置位置：
上弦平面內(nèi)，檁條和大型屋面板均可起剛性系桿作用，因而可在屋架的屋脊和支座節(jié)點處設(shè)置剛性系桿。
下弦平面內(nèi)，可在屋架下弦的垂直支撐處設(shè)置柔性系桿。
地震區(qū)應(yīng)按抗震規(guī)范的規(guī)定設(shè)置。
三、屋蓋支撐的形式、計算和構(gòu)造
形式：屋蓋支撐一般均為平行弦桁架形式（圖3－6）。
腹桿采用十字交叉形式，一般用于上弦橫向、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(jié)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(jié)點距離為屋架上弦節(jié)點距離的2~4倍。垂直支撐的腹桿形式可根據(jù)桁架的寬高比例確定。
當寬高較接近時，可用交叉斜桿（圖3－7b）；
當高度較小時，可用V式及W式斜桿（圖3－7c，d），弦桿與斜桿間的交角為30°~60º。
圖3－6 平行弦桁架
圖3－7 屋蓋支撐形式
桿件截面：屋蓋支撐受力較小，通�？砂慈菰S長細比來選擇。
交叉斜桿和柔性系桿按拉桿設(shè)計，可采用單角鋼；
非交叉斜桿、弦桿、豎桿以及剛性系桿按壓桿設(shè)計，可采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(fēng)壓也較大時，桿件截面應(yīng)按桁架體系計算出的內(nèi)力確定。可假定在水平桁架節(jié)點上的集中風(fēng)力荷載作用下，交叉斜桿中的壓桿退出工作，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(jié)點荷載，由風(fēng)荷載或吊車荷載引起。
圖3－8 水平荷載作用下支撐內(nèi)力計算簡圖
節(jié)點連接構(gòu)造：盡量簡單方便。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(shè)備的廠房，除螺栓外，還應(yīng)加安裝焊縫，焊縫長度≥80 mm，焊腳尺寸≥6 mm。當采用圓鋼作支撐時，應(yīng)用花籃螺栓預(yù)加拉力將圓鋼拉緊。
檁條設(shè)計
鋼檁條一般采用單跨簡支，有實腹式和桁架式兩大類。
一、實腹式檁條
實腹式檁條：構(gòu)造簡單，制造及安裝方便，常用于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（用于荷載跨度小的屋蓋）、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于跨度、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
實腹式檁條通過檁托與屋架上弦連接，檁托用短角鋼做成，先焊在屋架上弦，屋架吊裝就位后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，便于安裝。
多跨靜定梁或連續(xù)梁：使跨中彎矩≈支座彎矩，可減少跨中彎矩。
圖3－10-1 檁條鉸點布置及鉸的構(gòu)造
垂直于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(shè)計值，qy=qcosα，qx=qsinα；
——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軸的凈截面模量；
γx，γy——截面塑性發(fā)展系數(shù)。
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，可只驗算垂直于屋面坡度的撓度，當無拉條時，應(yīng)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；
——檁條所承擔的屋面荷載標準值。
一般情況下，檁條截面的Wy比Wx小得多，因此My即使很小產(chǎn)生的截面應(yīng)力很大，為減小My，應(yīng)沿屋面對檁條設(shè)置拉桿以減少檁條在最小剛度平面內(nèi)的計算跨度。若屋面的連系有足夠的保證，檁條的整體穩(wěn)定不必驗算。
二、格構(gòu)檁條
當檁條的跨度較大（＞6 m）時，應(yīng)考慮格構(gòu)檁條。格構(gòu)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(gòu)檁條的形式
1．平面格構(gòu)檁條
平面格構(gòu)檁條的上弦采用小角鋼或槽鋼，下弦用小角鋼或圓鋼，腹桿用圓鋼組成。這種檁條受力明確，用料省。
下弦為拋物式檁條，中間節(jié)間必須設(shè)置斜桿，以防止檁條上弦在不對稱荷載作用下產(chǎn)生過大的局部拱曲。
平面格構(gòu)檁條側(cè)向剛度較差，必須設(shè)置拉條以減少側(cè)向彎矩。
圖3－12-1 平面格構(gòu)檁條
2．T形格構(gòu)檁條
T形格構(gòu)檁條：
側(cè)向剛度較大，屋蓋可不設(shè)拉條。
T形格構(gòu)檁條由于上弦桿和腹桿不在同一平面，整體性較差，應(yīng)沿跨度全長設(shè)置幾道鋼箍，跨度為3～4m時設(shè)3道，跨度為4～6m時設(shè)4道。鋼箍直徑d≥10 mm的圓鋼。為固定腹桿平面與上弦平面，在上弦平面應(yīng)設(shè)置綴板或斜綴條。
圖3－12-2 T形格構(gòu)檁條
3．空間格構(gòu)檁條
空間格構(gòu)檁條（圖3－12c）是由三個平面桁架組成的空間結(jié)構(gòu)，檁條橫截面為三角形。這種檁條側(cè)向剛度好，不必設(shè)置拉條，安裝方便，但費工費時，適用于跨度較大和荷載較大的情況。
格構(gòu)檁條的節(jié)間劃分可根據(jù)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(gòu)檁條和空間格構(gòu)檁條上弦寬度為截面高度的1／l．5～1／2．0。腹桿與弦桿交角為40º~60º，45º最好。
圖3－12-3空間格構(gòu)檁條
4．格構(gòu)檁條的計算
平面格構(gòu)檁條可按靜定的平面桁架計算，各節(jié)點均假定為鉸接。計算時，將上弦的均布荷載換算成節(jié)點荷載，結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算桿件軸力，一般只需計算最大內(nèi)力，即跨中上、下弦桿內(nèi)力和支座處的腹桿內(nèi)力。
上弦節(jié)間還應(yīng)計算由節(jié)間均布荷載引起的局部彎矩：
在檁條平面內(nèi)簡化計算：
（3－5）
式中，a為上弦節(jié)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，
為拉條間距。
中部節(jié)間設(shè)置斜桿的下?lián)问綑_條中，上弦軸向力為：
（3－6-1）
式中，h——格構(gòu)檁條高度。
下曲弦中的內(nèi)力為：
（3－6-2）
式中，β——曲弦端部的傾角。
平面格構(gòu)檁條的豎桿和斜桿的內(nèi)力一般很小，可按允許長細比選擇截面。
T形格構(gòu)檁條近似地將上弦兩個角鋼集中到腹桿平面內(nèi)后按平面格構(gòu)計算內(nèi)力。
空間格構(gòu)檁條將空間桁架分解為高度等于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(jù)總荷載按剛度進行分配（圖3－13）：
（3－7）
（3－8）
圖3－13 空間格構(gòu)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(jié)間長度。
下弦內(nèi)力等于兩榀平面桁架算得的下弦內(nèi)力之和。
上弦按雙向壓彎驗算其強度，同時按雙向壓彎構(gòu)件公式驗算其整體穩(wěn)定。下弦按軸心受拉驗算其強度。
三、檁條的拉條
檁條側(cè)向剛度小，為了給檁條提供側(cè)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(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)，除了側(cè)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(gòu)檁條之間需設(shè)置拉條。
拉條的布置原則：
（l）檁條跨度為 4～6 m時，至少在跨中布置一道拉條（圖 3－14），跨度大于6 m時宜布置兩道拉條（圖3－15）。
圖3－14 拉條的布置
圖3－15 斜拉條和直撐桿的布置
（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(yīng)在天窗兩側(cè)檁條之間設(shè)置斜拉條和直撐桿（圖3－15）。
（4）角鋼檁條在天窗兩側(cè)用斜拉條固定于屋架上，在屋檐處要設(shè)置斜拉條，以防角鋼檁條向上傾覆。
拉條一般采用圓鋼，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。撐桿的作用是限制檐檁的側(cè)向彎曲，撐桿可采用角鋼和鋼管，其長細比按壓桿要求的長細比選取截面。
拉條和檁條、撐桿和檁條的連接構(gòu)造如圖3－16所示。
