钢结构屋盖形式简介-钢结构

7.2.1.1　屋盖结构体系

屋盖结构一般由屋架、托架、天窗架、檩条和屋面材料等组成。根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，可分为有檩体系屋盖和无檩体系屋盖两类。

（1）有檩屋盖。有檩屋盖[见图7.1（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。屋面荷载要通过檩条传给屋架，减轻了屋面负荷。有檩体系屋盖柱距不受限制，屋面材料可供选择的种类多且自重轻，用料省，但屋面刚度较差，构件数量多，构造复杂。多用在坡度较陡的三角形屋架上。

（2）无檩屋盖。无檩屋盖[见图7.1（a）]一般用于预应力混凝土大型屋面板等重型屋面，将屋面板直接放在屋架或天窗架上，屋面荷载即由其自身传给屋架。屋面刚度大，整体性能好，在构造上易于设置保温和防水材料，且构件的种类和数量少，施工速度快。但大型屋面板的自重大，故要增大屋架和柱等下部承重结构的截面，且对抗震不利。多用于有桥式吊车的厂房屋盖中，所用屋架多为坡度平缓的梯形屋架。

屋架的跨度和间距须结合柱网的布置确定。对无檩体系屋盖，通常屋架间距为6m，跨度则为3m的倍数，以配合大型屋面板的规格（1.5m×6m或3m×6m）。对有檩体系屋盖，屋架较经济，其间距为4～6m，但对压型钢板，常为12m，甚至更大，可结合使屋面材料、屋架和檩条三者的总造价最低的原则选用。对柱距较大的部分，一般采用在柱间设置托架支承中间屋架，以保持屋架的间距不变。

天窗用于有通风和采光需要的房屋，其形式多为沿房屋纵向在屋架上设置天窗架和连系构件[见图7.1（a）]。天窗架的外形和高度应根据采光及通风需要的窗扇、窗下侧墙和檐头的尺寸等建筑要求，结合屋架形式确定。

屋架与屋架之间应布置有效支撑，以增强屋架侧向刚度，传递水平力和保证屋盖体系的整体稳定。支撑在屋盖体系中是不可缺少的。

7.2.1.2　屋架的形式和选型原则

屋架按其外形可分为三角形、梯形、拱形及平行弦（人字形）四种。屋架的选型应符合使用要求、受力合理和便于施工等原则。

（1）使用要求。屋架上弦坡度应适应屋面材料的排水需要。当采用短尺压型钢板、波形石棉瓦和瓦楞铁等时，其排水坡度要求较陡，应采用三角形屋架。当采用大型混凝土屋面板或发泡水泥复合板（太空板）等铺油毡防水材料或长尺压型钢板时，其排水坡度可较平缓，应采用梯形或人字形屋架。另外，还应考虑建筑上净空的需要，以及有无天窗、天棚和悬挂吊车等方面的要求。

（2）受力合理。屋架的外形应尽量与弯矩图相近，以使弦杆内力均匀，材料利用充分。腹杆的布置应使内力分布合理，短杆受压，长杆受拉，且杆件和节点数量宜少，总长度宜短。同时应尽可能使荷载作用在节点上，以避免弦杆因受节间荷载产生的局部弯矩而加大截面。当梯形屋架与柱刚接时，其端部应有足够的高度，以便能有效地传递支座弯矩而端部弦杆不致产生过大内力。另外，屋架中部亦应有足够高度，以满足刚度要求。

（3）便于施工。屋架杆件的数量和品种规格宜少，尺寸力求划一，构造应简单，以便于制造。杆件夹角宜在30°～60°之间，夹角过小，将使节点构造困难。

以上各条要求要同时满足往往不易，因此须根据各种有关条件，对技术经济进行综合分析比较，以便得到较好的经济效果。

7.2.1.3　屋架的特性和适用范围

（1）三角形屋架。三角形屋架适用于陡坡屋面（i＝1/2～1/3）的有檩屋盖体系，这种屋架通常与柱子只能铰接，房屋的整体横向刚度较低，对简支屋架来说，荷载作用下的弯矩图是抛物线分布，与三角形的外形相差悬殊，致使这种屋架弦杆受力不均，支座处内力较大，跨中内力较小，弦杆的截面不能充分发挥作用。支座处上、下弦杆交角过小内力又较大，使支座节点构造复杂。综上所述原因，三角形屋架一般只宜用于中、小跨度（L≤18～24m）的轻屋面结构。

三角形屋架的腹杆布置常用的有芬克式[图7.10（a）、（b）]和人字式[图7.10（d）]。芬克式的腹杆虽然较多，但它的压杆短、拉杆长，受力相对合理，且可分为两个小桁架制作与运输，较为方便；人字式布置的节点数和腹杆数均较少，但受压腹杆较长，适用于跨度较小的情况。单斜式腹杆的屋架[图7.10（c）]，其腹杆和节点数目均较多，只适用于下弦需要设置天棚的屋架，一般情况较少采用。

图7.10　三角形屋架(www.xing528.com)

（2）梯形屋架。梯形屋架适用于屋面坡度较为平缓的无檩屋盖体系，它与简支受弯构件的弯矩图形比较接近，弦杆受力较为均匀。梯形屋架与柱的连接可以做成铰接也可以做成刚接。刚性连接可提高建筑物的横向刚度。其屋面坡度一般为i＝1/8～1/16，跨度L≥18～36m。

梯形屋架的腹杆体系可采用单斜式、人字式和再分式（图7.11）。人字式按支座斜杆与弦杆组成的支承点在下弦或在上弦分为下承式和上承式两种。一般情况下，与柱刚接的屋架宜采用下承式，与柱铰接时则下承式或上承式均可。当桁架下弦要做天棚时，需设置吊杆[图7.11（b）虚线所示]或者采用单斜式腹杆[图7.11（a）]。当上弦节间长度为3m，而大型屋面板宽度为1.5m时，常采用再分式腹杆[图7.11（d）]将节间减小至1.5m，有时也采用3m节间[图7.11（c）]而使上弦承受局部弯矩，虽耗钢量增多，但构造比较简单。

图7.11　梯形屋架

（3）拱形屋架。拱形屋架适用于有檩体系屋盖。由于屋架外形与弯矩图（通常为抛物线形）接近，故弦杆内力较均匀，腹杆内力亦较小，受力合理。

拱形屋架的上弦可做成圆弧形或较易加工的折线形。腹杆多采用人字式，也可采用单斜式。

拱形屋架由于制造费工，故应用较少，仅在大跨度重型屋盖（多做成落地拱式桁架）有所采用。一些大型农贸市场，利用其美观的造型，再配合新品种轻型屋面材料，也有一定应用。

（4）平行弦（人字形）屋架。平行弦屋架的上、下弦杆平行，且可做成不同坡度。与柱连接亦可做成刚接或铰接。平行弦屋架多用于单坡屋盖或用作托架，支撑桁架亦属此类。用两个平行弦屋架做成人字形屋架的双坡屋盖，可以增加建筑净空，减少压顶感觉。另外，为改善屋架受力，屋架的上、下弦杆也可做成不同坡度或下弦中部做一水平段。

平行弦屋架的腹杆多采用人字式，用作支撑时常采用交叉式。

我国近年来在一些大型工厂中采用了坡度i为2/100～5/100的人字形屋架，由于腹杆长度一致，节点类型统一，且在制造时不必起拱，符合标准化、工厂化制造的要求，故效果较好。

7.2.1.4　屋架的主要尺寸

屋架的主要尺寸包括屋架的跨度L和高度H（含梯形屋架的端部高度H0）。跨度L由使用和工艺方面的要求决定。高度则由经济条件、刚度条件、运输界限（如铁路运输界限高度为3.85m）及屋面坡度等因素来决定。

（1）跨度。屋架的跨度应满足房屋的工艺和使用要求，同时应考虑结构布置的合理性。柱网横向轴线的间距，即屋架的标志跨度L，在无檩体系屋盖中应与大型屋面板的宽度相配合，以3m为模数。屋架的计算跨度L0是屋架两端支座反力的间距。当屋架简支于钢筋混凝土柱且柱网采用封闭结合时，考虑屋架支座处的构造尺寸（使支座外缘不致超出轴线），一般可取L0＝L－（300～400）mm；当柱网采用非封闭结合时，计算跨度等于标志跨度，即L0＝L。

（2）高度。屋架的高度与组合梁一样，屋架的高度亦取决于建筑高度、刚度要求和经济高度等条件，同时还须结合屋面坡度和满足运输界限的要求。屋架的最大高度不能超过运输界限，最小高度应满足屋架容许挠度（[v]＝L/500）的需要，经济高度则应根据屋架弦杆和腹杆的总重为最小的条件确定。

三角形屋架高度主要取决于屋面坡度，当i＝1/2～1/3时，H＝（1/4～1/6）L。

梯形屋架的中部高度主要由经济高度决定，一般取H＝（1/6～1/10）L（L大时取小值，L小时取大值）。梯形屋架的端部高度，当屋架与柱刚接时，为了有效传递端部负弯矩，应具有一定高度，一般为H0＝（1/10～1/16）L，常取1.8～2.4m；当屋架与柱铰接时，根据跨中经济高度和屋面坡度决定即可，但为多跨房屋时，H0应力求统一，以便于屋面构造处理。

人字形屋架的高度一般取H＝（1/18～1/12）L，通常为2.0～2.4m。跨度大于36m时可稍大，但亦不宜超过3m。需要注意，当人字形屋架轴线坡度大于1/7且与柱刚接时，应将其视为折线横梁进行框架分析。当与柱铰接时，则应考虑竖向荷载作用下折线拱的推力对柱的影响，且应在檩条及屋面板等安装完后才将屋架永久固定。