常见问题解答七

第七章 平面桁架

　

1．屋盖结构体系分为哪两大类？各有何适用？

答：屋盖结构体系分为无檩屋盖与有檩屋盖。

(1)无檩屋盖：无檩屋盖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。

预应力混凝土大型屋面板的跨度通常采用6m，有条件时也可采用12m。当柱距大于所采用的屋面板跨度时，可采用托架支承中间屋架。

(2)有檩屋盖：有檩屋盖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。石棉瓦和瓦楞铁皮屋面，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。钢板和压型铝合金板屋面，屋架间距常大于或等于12m。



2．常用的屋架形式有哪几种？各有何特点和适用？

答：屋架外形常用的有三角形、梯形、平行弦和人字形等。

三角形桁架适用于陡坡屋面(i＞1/3)的有檩屋盖体系，通常与柱子铰接，房屋的整体横向刚度较低，简支屋架弦杆支座处内力大，跨中内力小，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。

三角形屋架的腹杆布置有芬克式和人字式。芬克式的腹杆较多，但压杆短、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。人字式腹杆的节点较少，但受压腹杆较长，适用于跨度较小(L≤18m)的情况。人字式屋架的抗震性能好，所以在强地震烈度地区，，常用人字式腹杆的屋架。单斜式腹杆的屋架，腹杆和节点数目较多，只适用于下弦需要设置天棚的屋架，一般情况较少采用。


图7-1 三角形屋架




　

梯形屋架适用于屋面坡度较为平缓的无檩屋盖体系，与简支受弯构件的弯矩图形比较接近，弦杆受力较为均匀。屋架与柱的连接可以铰接也可以刚接。刚接可提高建筑物的横向刚度。腹杆体系可采用单斜式、人字式和再分式。屋架支承分为下承式和上承式。与柱刚接的屋架宜采用下承式。下承式使柱计算高度减小又便于在下弦设置屋盖纵向水平支撑，以往多采用之，但上承式使屋架重心降低，支座斜腹杆受拉，且安装方便，近年来逐渐推广使用。


图7-2 梯形屋架

人字形屋架的上、下弦可以是平行的，坡度为1/20～1/10，节点构造较为统一；也可以上、下弦具有不同坡度或者下弦有一部分水平段。多用于较大跨度。宜采用上承式。

人字形和梯形屋架的中部高度主要取决于经济要求，一般为(1/10～1/8)L，与柱刚接的梯形屋架，端部高度一般为(1/16～1/12)L，通常取为2.0～2.5m。与柱铰接的梯形屋架，端部高度可按跨中经济高度和上弦坡度来决定。人字形屋架因中高度一般为2.0～2.5m，跨度大于36m时可取较大高度但不宜超过3m；端部高度一般为跨度的1/18～1/12，人字形屋架可适应不同的屋面坡度，但与柱刚接时，屋架轴线坡度大于1/7，就应视为折线横梁进行框架分析；与柱铰接时，即使采用了上承式也应考虑竖向荷载作用下折线拱的推力对柱的不利影响，设计时要求在屋面板及檩条等安装完毕后再将屋架支座焊接固定。


图7-3 人字形屋架和平行弦屋架

平行弦桁架在构造方面有突出的优点，弦杆及腹杆分别等长、节点形式相同、能保证桁架的杆件重复率最大，且可使节点构造形式统一，便于制作工业化。



3．屋盖支撑有何作用？

答：屋盖支撑的作用：

①保证结构的空间整体作用。

②避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动。

③承担和传递水平荷载。

④保证结构安装时的稳定与方便


图7-5 屋盖支撑作用示意图



4．屋盖支撑系统包括哪些内容？各有何特点和作用？

答：屋盖支撑系统可分为：横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑和系杆。

①上弦横向水平支撑

横向水平支撑一般应设置在房屋两端或纵向温度区段两端。有时可布置在第二个柱间，但第一个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力。两道横向水平支撑间的距离不宜大于60m。


图7-6 有檩屋盖的支撑布置

采用大型屋面板时，如果大型屋面板与屋架的连接满足每块板有三点进行焊接，可考虑大型屋面板起一定支撑作用。但由于施工条件的限制，很难保证焊接质量，一般只考虑大型屋面板起系杆作用。在有檩屋盖中，上弦横向水平支撑的横杆可用檩条代替。

当屋架间距>12m时，上弦水平支撑还应予以加强，以保证屋盖的刚度。

②下弦横向水平支撑

当屋架间距<12m时，应在屋架下弦设置横向水平支撑，但当屋架跨度比较小（<18m）又无吊车或其他振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。

下弦横向水平支撑一般和上弦横向水平支撑布置在同一柱间以形成空间稳定体系的基本组成部分。

当屋架间距≥12m时，可不必设置下弦横向水平支撑，但上弦支撑应适当加强，并应用隅撑或系杆对屋架下弦侧向加以支承。

屋架间距≥18m时，如果仍采用上述方案则檩条跨度过大，此时宜设置纵向次桁架，使主桁架（屋架）与次桁架组成纵横桁架体系，次桁架间再设置檩条或设置横梁及檩条，同时，次桁架还对屋架下弦平面外提供支承。


图7-7 无檩屋盖的支撑布置

　

③纵向水平支撑

当房屋较高、跨度较大、空间刚度要求较高时，设有支承中间屋架的托架，或设有重级或大吨位的中级工作制桥式吊车等较大振动设备时，均应在屋架端节间平面内设置纵向水平支撑。纵向水平支撑和横向水平支撑形成封闭体系将大大提高房屋的纵向刚度。单跨厂房一般沿两纵向柱列设置，多跨厂房要根据具体情况，沿全部或部分纵向柱列布置。

屋架间距<12m时，纵向水平支撑通常布置在屋架下弦平面，但三角形屋架及端斜杆为下降式且主要支座设在上弦处的梯形屋架和人字形屋架，也可以布置在上弦平面内。

屋架间距≥12m时，纵向水平支撑宜布置在屋架的上弦平面内。

④垂直支撑

无论有檩屋盖或无檩屋盖，通常均应设置垂直支撑。屋架的垂直支撑应与上、下弦横向水平支撑设置在同一柱间。

三角形屋架的垂直支撑，当屋架跨度≤18m时，可仅在跨度中央设置一道；当跨度>18m时，宜设置两道(在跨度1/3左右处各一道)。

梯形屋架、人字形屋架或其他端部有一定高度的多边形屋架，必须在屋架端部设置垂直支撑，此外尚应按下列条件设置中部的垂直支撑：当屋架跨度≤30m时，可仅在屋架跨中布置一道垂直支撑；当跨度>30m时，则应在跨度1/3左右的竖杆平面内各设一道垂直支撑。


图7-8 垂直支撑的布置和形式

⑤系杆

在横向支撑或垂直支撑节点处沿房屋通长设置系杆。

在屋架上弦平面内，对无檩体系屋盖应在屋脊处和屋架端部处设置系杆；对有檩体系只在有纵向天窗下的屋脊处设置系杆。

在屋架下弦平面内，当屋架间距为6m时，应在屋架端部处、下弦杆有弯折处、与柱刚接的屋架下弦端节间受压但未设纵向水平支撑的节点处、跨度≥18m的芬克式屋架的主斜杆与下弦相交的节点处等部位皆应设置系杆。当屋架间距≥12m时，支撑杆件截面将大大增加，多耗钢材，比较合理的做法是将水平支撑全部布置在上弦平面内并利用檩条作为支撑体系的压杆和系杆，而作为下弦侧向支承的系杆可用支于檩条的隅撑代替。

系杆分刚性系杆(既能受拉也能受压)和柔性系杆(只能受拉)两种。屋架主要支承节点处的系杆，屋架上弦脊节点处的系杆均宜用刚性系杆，当横向水平支撑设置在房屋温度区段端部第二个柱间时，第一个柱间的所有系杆均为刚性系杆，其他情况的系杆可用柔性系杆。



5．杆件截面选择一般原则如何？

答：杆件截面选择一般原则：

①优先选用肢宽而薄的板件或肢件组成的截面以增加截面的回转半径，受压构件应满足局部稳定的要求。

②角钢杆件或T型钢的悬伸肢宽不得小于45mm。直接与支撑或系杆相连的最小肢宽，应根据连接螺栓的直径d而定。垂直支撑或系杆如连接在预先焊于桁架竖腹杆及弦杆的连接板上时，则悬伸肢宽不受此限。

③屋架节点板(或T型钢弦杆的腹板)的厚度，对单壁式屋架，可根据腹杆的最大内力(对梯形和人字形屋架)或弦杆端节间内力(对三角形屋架)选用；对双壁式屋架的节点板，则可按上述内力的一半选用。

④跨度较大的桁架(例如≥24m)与柱铰接时，弦杆宜根据内力变化而改变截面，但半跨内一般只改变一次。变截面位置宜在节点处或其附近。改变截面的做法通常是变肢宽而保持厚度不变，以便处理弦杆的拼接构造。

⑤同一屋架的型钢规格不宜太多，以便订货。同时应尽量避免选用相同边长或肢宽而厚度相差很小的型钢，以免施工时产生混料错误。

⑥当连接支撑等的螺栓孔在节点板范围内且距节点板边缘距离≥100mm时，计算杆件强度可不考虑截面的削弱。

⑦单面连接的单角钢杆件，考虑受力时偏心的影响，在按轴心受拉或轴心受压计算其强度或稳定以及连接时，钢材和连接的强度设计值应乘以相应的折减系数。