轻屋面钢屋架设计一、设计资料及说明1、工程地点：兖州。

2、设计使用年限：50年。

3、工程规模：单层单跨封闭式工业厂房，长度180m，屋架铰支于钢筋混凝土柱上；屋架跨度21m；柱距6m；屋面离地面高度约20m。

室内正常环境，吊车起重量16/3.2t，工作制为A5，无较大的振动设备。

4、屋面做法：采用压型钢板轻型轻屋面。

屋面坡度为1/10；无天窗。

5、自然条件：基本风压为0.4KN/m2、基本雪压为0.45 KN/m2、积灰荷载标准值0.50kN/m2、抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g。

地面粗糙类别为B 类。

场地类别Ⅲ类。

6、材料选用（1）屋架钢材采用《碳素结构钢》（GB／T700-2006）规定的Q235B。

（2）焊条采用《碳钢焊条》（GB/T5117-1988）中规定的E43型焊条。

（3）普通螺栓应采用性能等级为4.6级C级螺栓。

锚栓采用《碳素结构钢》（GB/T700-2006）中规定的Q235B级钢制成。

（4）角钢型号按《热轧型钢》GB/T 706-2008 选用。

（5）混凝土为C25。

7、结构及各组成构件形式（1）钢屋架：梯形钢屋架。

（2）屋面板：选用轻型屋面板，材料夹芯板，对于长尺压型钢板、夹芯板可按图集《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》（01J925-1）选用。

（3）檩条及屋盖支撑：可从相关标准图集中选用。

8、主要建筑构造做法及建筑设计要求按轻屋面计算。

轻屋面（压型钢板、夹芯板）做法：按图集《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》选用。

二、屋架形式的选定和结构平面布置。

1.屋架形式和几何尺寸：由于i=1/10，采用缓坡梯形屋架。

（1）屋架计算跨度：l0 =l-2×150=21000-300=20700m（每端支座中线缩进150mm）（2）屋架端部高度：H0=2015mm（3）跨中高度：h=H0 ＋i×l0/2=2015+（20700/2）×0.1=3050mm（4）屋架高跨比：h/l0=3.05/20.7=0.147，在0.1~0.17之间，满足屋架常用高度范围要求。

（5）屋架起拱度：若起拱，则f=l/500=21000/500=42mm，取45mm。

为使屋架上弦节点受荷，腹杆采用人字式，上弦节点水平间距取1.5m。

屋架各杆件几何尺寸见图1-1。

图1-1 屋架的几何尺寸2．屋盖支撑布置根据车间长度180 m，跨度21 m及荷载情况，设置四道上、下弦横向水平支撑。

屋脊处与下弦支座处设置3道刚性系杆，两端和中央上弦处设3道系杆。

在屋盖两端和水平支撑开间内的屋脊处与两端支座处设屋架间的垂直支撑。

由于有吊车，所以设置下弦纵向水平支撑。

（图1-2~1-4）图1-2 屋架上弦支撑布置图1-3 屋架下弦支撑布置图1-4 屋架垂直支撑布置（a）屋架1-1剖面垂直支撑布置；（b）屋架2-2剖面垂直支撑布置三、屋架荷载和内力计算1、荷载计算屋架和支撑重按（0.12+0.011l0）×1.2=0.348×1.2kN/m2 ，取0.4×1.2kN/m2 ，且因屋架下弦无其他荷载，可以认为屋架和支撑重量全部作用于上弦节点。

屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，从资料可知，屋面活荷载为0.5kN/m2大于雪荷载0.45kN/m2，故取屋面活荷载为计算荷载。

由于是轻屋面，需要考虑风荷载的影响。

屋面板选择轻型屋面板，根据《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》01J925-1 图集查询，选择夹芯板。

先预估算屋面板的受力，恒荷载为0.3kN/m2。

活荷载中屋面活荷载为0.5 kN/m2，积灰荷载为0.5 kN/m2，则活荷载标准值为1.0 kN/m2。

屋面板所承受的荷载设计值为0.3×1.2+1.0×1.4=1.76 kN/m2 ＜3.5 kN/m2。

板型选为JXB42-333-1000，板厚s 为60mm，有效宽度1000mm，檩距取1.5m，支撑条件为连续，则永久荷载：屋面板和檩条的自重0.23×1.2=0.28kN/m2屋架和支撑重0.4×1.2=0.48kN/m2共0.76kN/m2可变荷载：屋面活荷载0.5×1.4=0.7kN/m2积灰荷载0.5×1.4=0.7kN/m2共 1.4kN/m2 因为屋面坡度较小，所有荷载都是近似按沿水平面分布来考虑。

节点荷载设计值按可变荷载效应控制组合，永久荷载分项系数γG=1.2，屋面活荷载或雪荷载分项系数γQ=1.4 。

2、檩条设计檩条选用实腹式檩条，截面形式选用冷弯薄壁C 型钢C250X70X20X3.0，钢材钢号：Q345钢。

拉条设置：设置一道拉条，拉条作用：约束檩条上翼缘。

由于设置了一道拉条，保证了檩条在竖向荷载的作用下的整体稳定性，故不用验算檩条的整体稳定性。

檩条计算简图如图1-5所示。

檩条所受的竖向荷载：屋面板和檩条自重：0.28kN/m2可变荷载：1.40kN/m2则，q=(0.28+1.4) ×1.5=2.52KN/m按简支梁计算，两个方向弯矩分别为：M x=18q y l2=18ql2cosα=18×2.52×62×cos5.71°=11.28kN∙m中间支座：M y=−132q x l2=−132ql2sinα=−132×2.52×62×sin5.71°=−0.28kN∙m跨中：M y=164q x l2=164ql2sinα=164×2.52×62×sin5.71°=0.14kN∙m檩条受弯强度验算：冷弯薄壁C型钢C250X75X20X2.0的截面特性为： Ix = 1013.01cm4,Wnx = 81.04cm3,Wny = 12.82cm3,由于设有一根拉条，经过分析，右下角截面为最危险截面，采用支座弯矩My=−0.28kN∙m，此处都为手拉，所以符号相同，验算拉应力。

则M XW nX +M yW ny=11.28×10681.04×103+0.28×10612.82×103=161.03N/mm2<f=310N/mm2，满足！檩条的挠度验算：由于设有拉条，只验算垂直于屋面坡度的挠度即可。

考虑荷载的组合系数，恒载+活载+0.9 积灰进行荷载标准值的组合，则q’y =（0.23+0.5+ 0.9×0.5）×1.5×cos5.71°=1.76kN/mw l =5q′y l3384EI X=5×1.76×60003384×2.06×105×1013.01×104=0.00237<0.005，满足！3、荷载组合设计钢屋架时，应考虑以下四种组合：使用阶段荷载情况：（1）（2）（1）全跨永久荷载+全跨可变荷载：全跨节点永久荷载及可变荷载：F=（0.76+1.4）×1.5×6=19.44kN（2）全跨永久荷载+半跨可变荷载：全跨节点永久荷载：F1 = 0.76×1.5×6=6.84kN半跨节点可变荷载：F2 =1.4×1.5×6=12.6 kN施工阶段荷载情况：（3）（3）全跨屋架包括支撑+半跨屋面板重和活荷载：全跨节点屋架和支撑自重：F3 = 0.48×1.5×6=5.4kN半跨节点屋面板重和活荷载：F4 = (0.28+0.7)×1.5×6=8.82kN（4）竖向地震作用效应和其他荷载效应组合：（6度设防不考虑）（5）由于是轻屋面，考虑风吸力的作用：风荷载标准值：ωk=βzμsμzω0=0.4×0.6×1=0.24kN/m2。

由图1-6 得μs=-0.6，考虑1.0 恒荷载+1.4 风荷载（风吸力）的荷载组合，风吸力结果为：F f= 1.0×（0.23+ 0.4）-0.24×1.4= 0.294kN/m2。

由于风吸力数值为0.294 kN/m2，非常小，且为压力，可以忽略。

图1-6 厂房的体形系数4、内力计算桁架在上述四种荷载组合作用下的计算简图见图1-7（a）（b）（c）图1-7 荷载组合作用下的计算简图（a）全跨节点永久荷载；（b）半跨节点可变荷载；（c）全跨节点屋架和支撑自重；采用软件，先计算桁架各杆件的内力系数（F=1作用于全跨、左半跨和右半跨）。

然后求出各种荷载情况下的内力进行组合，计算结果见表1-1。

F1=19.44kN ；F1 =6.84kN；F2 =12.6 kN；F3 =5.4kN ；F4 =8.82kN ;四、杆件设计1、上弦杆截面设计上弦杆均按最大内力设计，归并为一种截面。

上弦杆的最大内力在FG、GH 节间，最大内力为N= -270.202kN= -270202N上弦杆计算长度：在桁架平面内，节间轴线长度lox=1508mm；在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化，取loy=3×1508=4524mm。

因为loy＞lox，故截面宜选两个不等肢角钢，短肢相拼，如图1-8所示。

图1-8 上弦杆截面腹杆最大内力N=-157.671，查表可知，节点板厚度选用6mm，支座节点板厚度选用8mm。

设λ=60，查得φ=0.807，需要截面面积：A=Nφf=2702020.807×215=1558mm2需要的回转半径：i x=loxλ=150860=25.1mm，i y=loyλ=452460=75.4mm根据需要的A，ix，iy查角钢规格表，选用2L100×63×8，A=25.168cm2，ix=1.77cm，iy= 4.97cm，按所选角钢进行验算：λx=loxix =150.81.77=85.2<[λ]=150，满足。

λy=loyiy =452.44.97=91<[λ]=150，满足。

由于λy>λx，需求φy=0.614N φy A =2702020.614×2516.8=174.85<215kN/ mm2，满足。

2、下弦杆截面设计下弦杆均按最大内力设计，归并为一种截面。

下弦杆的最大内力在eg 节间，最大内力为N= 265.372 kN= 265372N下弦杆计算长度：在桁架平面内，节间轴线长度lox=3000mm；在桁架平面外，根据支撑布置和内力变化，取loy =6000mm。

因为loy> lox，故截面宜选两个不等肢角钢，短肢相拼，如图1-9 所示。

图1-9 下弦杆截面所需截面面积：A=Nf =265372215=1235mm2选用2L100×63×6，A=19.234cm2，ix=1.79cm，iy= 4.85cm，按所选角钢进行验算：λx=loxix =3001.79=167.6<[λ]=350，满足。