1、鋼結構網上輔導材料八平面桁架結構一、平面桁架的形式1屋蓋結構體系屋蓋分為無檁屋蓋有檁屋蓋。無檁屋蓋一般用于預應力混凝土大型屋面板等重型屋面，將屋面板直接放在屋架上。有檁屋蓋常用于輕型屋面材料的情況。 2屋架的形式 屋架外形常用的有三角形、梯形、平行弦和人字形等。桁架外形應盡可能與其彎矩圖接近，這樣弦桿受力均勻，腹桿受力較小。腹桿的布置應盡量用長桿受拉、短桿受壓，腹桿的數目宜少，總長度要短，斜腹桿的傾角一般在30°60°之間，腹桿布置時應注意使荷載都作用在桁架的節點上。（1）三角形桁架 三角形桁架適用于陡坡屋面（i1/3）的有檁屋蓋體系，屋架通常與柱子只能鉸接。彎矩圖與三角形

2、的外形相差懸殊，弦桿受力不均，支座處內力較大，跨中內力較小，弦桿的截面不能充分發揮作用。支座處上、下弦桿交角過小內力又較大，使支座節點構造復雜。（2）梯形桁架梯形屋架適用于屋面坡度較為平緩的無檁屋蓋體系，它與簡支受彎構件的彎矩圖形比較接近，弦桿受力較為均勻。梯形屋架與柱的連接可以做成鉸接也可以做成剛接。梯形屋架的中部高度一般為（1/101/8）L，與柱剛接的梯形屋架，端部高度一般為（1/161/12）L，通常取為2.02.5m。與柱鉸接的梯形屋架，端部高度可按跨中經濟高度和上弦坡度決定。 （3）人字形桁架人字形屋架的上、下弦可以是平行的，坡度為1/201/10，節點構造較為統一；也可以上、下弦

3、具有不同坡度或者下弦有一部分水平段，以改善屋架受力情況。人字形屋架因中高度一般為2.02.5m，跨度大于36m時可取較大高度但不宜超過3m；端部高度一般為跨度的1/181/12。 （4） 平行弦桁架平行弦桁架在構造方面有突出的優點，弦桿及腹桿分別等長、節點形式相同、能保證桁架的桿件重復率最大，且可使節點構造形式統一，便于制作工業化。 3托架形式 支承中間屋架的桁架稱為托架，托架一般采用平行弦桁架，其腹桿采用帶豎桿的人字形體系。托架高度般取跨度的1/51/10，托架的節間長度一般為2m或3m。 二、屋蓋支撐 平面屋架在屋架平面外的剛度和穩定性很差，不能承受水平荷載。因此，為使屋架結構有足夠的空間

4、剛度和穩定性，必須在屋架間設置支撐系統。 圖1 屋蓋支撐示意圖1支撐的作用 保證結構的空間整體作用 僅由平面桁架、檁條及屋面材料組成的屋蓋結構，是一個不穩定的體系，如果將某些屋架在適當部位用支撐連系起來，成為穩定的空間體系，其余屋架再由檁條或其他構件連接在這個空間穩定體系上，就保證了整個屋蓋結構的穩定。避免壓桿側向失穩，防止拉桿產生過大的振動支撐可作為屋架弦桿的側向支撐點，減小弦桿在屋架平面外的計算長度。承擔和傳遞水平荷載（如風荷載、懸掛吊車水平荷載和地震荷載等）。保證結構安裝時的穩定與方便屋蓋的安裝首先用支撐將兩相鄰屋架連系起來組成一個基本空間穩定體，在此基礎上即可順序進行其他構件的安裝。

5、2支撐的布置屋蓋支撐系統可分為：橫向水平支撐、縱向水平支撐、垂直支撐和系桿。上弦橫向水平支撐通常情況下屋架上弦應設置橫向水平支撐。橫向水平支撐一般應設置在房屋兩端或縱向溫度區段兩端。有時可將屋架的橫向水平支撐布置在第二個柱間，但在第一個柱間要設置剛性系桿以支持端屋架和傳遞端墻風力。兩道橫向水平支撐間的距離不宜大于60m。 下弦橫向水平支撐當屋架間距<12m時，尚應在屋架下弦設置橫向水平支撐，但當屋架跨度比較小（<18m）又無吊車或其他振動設備時，可不設下弦橫向水平支撐。下弦橫向水平支撐一般和上弦橫向水平支撐布置在同一柱間以形成空間穩定體系的基本組成部分。當屋架間距12m時，可不必設

6、置下弦橫向水平支撐，但上弦支撐應適當加強，并應用隅撐或系桿對屋架下弦側向加以支承。屋架間距18m時，宜設置縱向次桁架。當房屋較高、跨度較大、空間剛度要求較高時，設有支承中間屋架的托架，或設有重級或大噸位的中級工作制橋式吊車等較大振動設備時，均應在屋架端節間平面內設置縱向水平支撐。屋架間距<12m時，縱向水平支撐通常布置在屋架下弦平面。屋架間距12m時，縱向水平支撐宜布置在屋架的上弦平面內。垂直支撐屋架的垂直支撐應與上、下弦橫向水平支撐設置在同一柱間。三角形屋架的垂直支撐，當屋架跨度18m時，可僅在跨度中央設置一道；當跨度>18m時，宜設置兩道（在跨度1/3左右處各一道）。梯形屋架、

7、人字形屋架或其他端部有一定高度的多邊形屋架，必須在屋架端部設置垂直支撐，此外，尚應按下列條件設置中部的垂直支撐：當屋架跨度30m時，可僅在屋架跨中布置一道垂直支撐；當跨度>30m時，則應在跨度1/3左右的豎桿平面內各設一道垂直支撐。系桿在橫向支撐或垂直支撐節點處沿房屋通長設置系桿。在屋架上弦平面內，對無檁體系屋蓋應在屋脊處和屋架端部處設置系桿；對有檁體系只在有縱向天窗下的屋脊處設置系桿。在下弦平面內，當屋架間距為6m時，應在屋架端部處、下弦桿有彎折處、與柱剛接的屋架下弦端節間受壓但未設縱向水平支撐的節點處等部位皆應設置系桿。當屋架間距12m時，將水平支撐全部布置在上弦平面內并利用檁條作為

8、支撐體系的壓桿和系桿，而作為下弦側向支承的系桿可用支于檁條的隅撐代替。系桿分剛性系桿和柔性系桿兩種。屋架主要支承節點處的系桿，屋架上弦脊節點處的系桿均宜用剛性系桿，當橫向水平支撐設置在房屋溫度區段端部第二個柱間時，第一個柱間的所有系桿均為剛性系桿，其他情況的系桿可用柔性系桿。3支撐的計算和構造屋架的橫向和縱向水平支撐都是平行弦桁架，屋架或托架的弦桿均可兼作支撐桁架的弦桿，斜腹桿一般采用十字交叉式，斜腹桿和弦桿的交角值在30o60o之間。通常橫向水平支撐節點間的距離為屋架上弦節間距離的24倍，縱向水平支撐的寬度取屋架端節間的長度，一般為6m左右。屋架垂直支撐也是一個平行弦桁架，其上、下弦可兼作水

9、平支撐的橫桿。有的垂直支撐還兼作檁條，屋架間垂直支撐的腹桿體系應根據其高度與長度之比采用不同的形式。支撐中的交叉斜桿以及柔性系桿按拉桿設計，通常用單角鋼做成；非交叉斜桿、弦桿、橫桿以及剛性系桿按壓桿設計，宜采用雙角鋼做成的T形截面或十字形截面，其中橫桿和剛性系桿常用十字形截面使在兩個方向具有等穩定性。屋蓋支撐桿件的節點板厚度通常采用6mm，對重型廠房屋蓋宜采用8mm。屋蓋支撐受力較小，截面尺寸一般由桿件容許長細比和構造要求決定。對于承受端墻風力的屋架下弦橫向水平支撐和剛性系桿，以及承受側墻風力的屋架下弦縱向水平支撐，當支撐桁架跨度較大（24m）或承受風荷載較大（風壓力的標準值>0.5kN

10、/m）時，或垂直支撐兼作檁條以及考慮廠房結構的空間工作而用縱向水平支撐作為柱的彈性支承時，支撐桿件除應滿足長細比要求外，尚應按桁架體系計算內力，并據此內力按強度或穩定性選擇截面并計算其連接。 具有交叉斜腹桿的支撐桁架，通常將斜腹桿視為柔性桿件，只能受拉，不能受壓。因而每節間只有受拉的斜腹桿參與工作。支撐和系桿與屋架的連接通常采用C級螺栓，每一桿件接頭處的螺栓數不少于兩個。螺栓直徑一般為20mm。有重級工作制吊車或有較大振動設備的廠房中，屋架下弦支撐和系桿的連接，宜采用高強度螺栓，或除C級螺栓外另加安裝焊縫，每條焊縫的焊腳尺寸不宜小于6mm，長度不宜小于80mm。三、 簡支屋架設計1屋架的內力分

11、析屋架上的荷載包括恒載、活荷載、雪荷載、風荷載、積灰荷載及懸掛荷載等。（1）基本假定通常將荷載集中到節點上，并假定節點處的所有桿件軸線在同一平面內相交于一點，而且各節點均為理想鉸接。 （2）節間荷載引起的局部彎矩節間荷載作用的屋架，除了把節間荷載分配到相鄰節點外，還應計算節間荷載引起的局部彎矩。 （3）內力計算與荷載組合 與柱鉸接的屋架應考慮下列荷載作用情況： 全跨荷載：全跨永久荷載+全跨屋面活荷載或雪荷載（取兩者的較大值）+全跨積灰荷載+懸掛吊車荷載。 半跨荷載：梯形屋架、人字形屋架、平行弦屋架等的少數斜腹桿可能在半跨荷載作用下產生最大內力或引起內力變號。必要時，可按下列半跨荷載組合計算：全

12、跨永久荷載+半跨屋面活荷載（或半跨雪荷載）+半跨積灰荷載+懸掛吊車荷載。采用大型混凝土屋面板的屋架，尚應考慮安裝時可能的半跨荷載：屋架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷載。 輕質屋面材料的屋架，一般應考慮負風壓的影響。 輕屋面的廠房，當吊車起重量較大（Q300kN）應考慮按框架分析求得的柱頂水平力是否會使下弦內力增加或引起下弦內力變號。2桿件的計算長度和容許長細比 （1）桿件的計算長度 確定桁架弦桿和單系腹桿的長細比時，其計算長度應按表1的規定采用。表 1 桁架弦桿和單系腹桿的計算長度l0 項 次彎曲方向弦 桿腹 桿支座斜桿和支座豎桿其他腹桿1在桁架平面內ll0.8 l2在桁架平面外l1ll3斜

13、平面l0.9 l 如桁架受壓弦桿側向支承點間的距離為兩倍節間長度，且兩節間弦桿內力不等時，該弦桿在桁架平面外的計算長度按下式計算： ，但不小于0.5ll （1）式中 Nl較大的壓力，計算時取正值；N2較小的壓力或拉力，計算時壓力取正值，拉力取負值。 （2）桿件的容許長細比規范中對拉桿和壓桿都規定了容許長細比。3桿件的截面形式對軸心受壓桿件，宜使桿件對兩個主軸有相近的穩定性，即可使兩方向的長細比接近相等。基本上采用由兩個角鋼組成的T形截面或十字形截面形式的桿件，也可用H型鋼剖開而成的T形鋼代替雙角鋼組成的T形截面。受力較小的次要桿件可采用單角鋼。上弦桿：無節間荷載的上弦桿，宜采用不等邊角鋼短肢相

14、連的截面，當=時，可采用兩個等邊角鋼截面或TM截面，有節間荷載的上弦桿，也可采用不等邊角鋼長肢相連的截面或TN型截面。下弦桿：通常采用不等邊角鋼短肢相連的截面，或TW型截面以滿足長細比要求。支座斜桿：=時，宜采用不等邊角鋼長肢相連或等邊角鋼的截面。其他一般腹桿：宜采用等邊角鋼相并的截面。連接垂直支撐的豎腹桿宜采用兩個等邊角鋼組成的十字形截面，受力很小的腹桿（如再分桿等次要桿件），可采用單角鋼截面。圖2 屋架桿件角鋼截面雙角鋼桿件的填板： 由雙角鋼組成的T形或十字形截面桿件按實腹式桿件進行計算，必須每隔一定距離在兩個角鋼間加設填板（圖3）。填板的寬度一般取5080mm；填板的長度：對T形截面應比

15、角鋼肢伸出1020mm，對十字形截面則從角鋼肢尖縮進1015mm。填板的厚度與桁架節點板相同。填板的間距對壓桿l140i1，拉桿l180 i1；在T形截面中，i1為一個角鋼對平行于填板自身形心軸的回轉半徑；在十字形截面中，填板應沿兩個方向交錯放置，i1為一個角鋼的最小回轉半徑，在壓桿的桁架平面外計算長度范圍內，至少應設置兩塊填板。圖3 桁架桿件中的填板4桿件的截面選擇（1）一般原則應優先選用肢寬而薄的板件或肢件組成的截面，但受壓構件應滿足局部穩定的要求。一般情況下，板件或肢件的最小厚度為5mm，對小跨度屋架可用到4mm。角鋼桿件或T型鋼的懸伸肢寬不得小于45mm。直接與支撐或系桿相連的最小肢寬

16、，應根據連接螺栓的直徑d而定：d16mm時，為63mm；d18mm時，為70mm；d=20mm時，為75mm。垂直支撐或系桿如連接在預先焊于桁架豎腹桿及弦桿的連接板上時，則懸伸肢寬不受此限。屋架節點板（或T型鋼弦桿的腹板）的厚度，對單壁式屋架，可根據腹桿的最大內力（對梯形和人字形屋架）或弦桿端節間內力（對三角形屋架），按表2選用。表2 Q235鋼單壁式焊接屋架節點板厚度選用表梯形、人字形屋架腹桿最大內力或三角形屋架弦桿端節間內力（kN）17017129029151051168068191091112901291177017713090中間節點板厚度（mm）688101214161820支座節點

17、板厚度（mm）1010121416182022注：1.節點板鋼材為Q345鋼或Q390鋼、Q420鋼時，節點板厚度可按表中數值適當減小。 2.本表適用于腹桿端部用側焊縫連接的情況。3.無豎腹桿相連且自由邊無加勁肋加強的節點板，應將受壓腹桿內力乘以1.25后再查表。跨度較大的桁架（24m）與柱鉸接時，弦桿宜根據內力變化改變截面，半跨內一般只改變一次。變截面位置宜在節點處或其附近。通常是變肢寬而保持厚度不變。同一屋架的型鋼規格不宜太多，以便訂貨。當連接支撐等的螺栓孔在節點板范圍內且距節點板邊緣距離100mm時，計算桿件強度可不考慮截面的削弱。單面連接的單角鋼桿件，在按軸心構件計算其強度或穩定以及連

18、接時，鋼材和連接的強度設計值應乘以相應的折減系數。 （2）桿件的截面選擇 軸心受拉桿件應驗算強度和長細比要求。軸心受壓桿件和壓彎構件要計算強度、整體穩定、局部穩定和長細比。 5鋼桁架的節點設計 （1）一般要求 原則上桁架應以桿件的形心線為軸線并在節點處相交于一點。通常取角鋼背或T形鋼背至軸線的距離為5mm的倍數。 當弦桿截面沿長度有改變時，一般將拼接處兩側弦桿表面對齊，此時宜采用受力較大的桿件形心線為軸線。當兩側形心線偏移的距離e不超過較大弦桿截面高度的5時，可不考慮此偏心影響。當偏心距離e超過上述值，應根據交匯處各桿的線剛度，將此彎矩分配于各桿。所計算桿件承擔的彎矩為： （2）式中 M節點偏

19、心彎矩； K1所計算桿件線剛度； 匯交于節點的各桿件線剛度之和。節點處，腹桿與弦桿或腹桿與腹桿之間焊縫的凈距，不宜小于10mm，或者桿件之間的空隙不小于1520mm（圖5）。角鋼端部的切割一般垂直于其軸線。有時允許切去一肢的部分，但不允許將一個肢完全切去而另一肢伸出的斜切（圖4）。圖4 角鋼端部的切割節點板的外形應盡可能簡單而規則，宜至少有兩邊平行，一般采用矩形、平行四邊形和直角梯形等。節點板邊緣與桿件軸線的夾角不應小于15°。單斜桿與弦桿的連接應使之不出現連接的偏心彎矩。節點板的平面尺寸，一般應根據桿件截面尺寸和腹桿端部焊縫長度畫出大樣圖來確定，但考慮施工誤差，宜將此平面尺寸適當放

20、大。圖5 單斜桿與弦桿的連接圖6 上弦角鋼的加強 支承大型混凝土屋面板的上弦桿，當支承處的總集中荷載（設計值）超過表3的數值時，弦桿的伸出肢容易彎曲，應對其采用圖6的做法之一予以加強。表3 弦桿不加強的最大節點荷載角鋼（或T形鋼翼緣板）厚度（mm）、當鋼材為Q235810121416Q345、Q39078101214支承處總集中荷載設計值（kN）25405575100 （2）角鋼桁架的節點設計 一般節點一般節點是指無集中荷載和無弦桿拼接的節點（圖7）。圖7 屋架下弦的中間節點節點板應伸出弦桿1015mm以便焊接。腹桿與節點板的連接焊縫按角鋼角焊縫承受軸心力方法計算。弦桿與節點板的連接焊縫，應考

21、慮承受弦桿相鄰節間內力之差，按下列公式計算其焊腳尺寸：肢背焊縫： （3）肢尖焊縫： （4）式中 、內力分配系數；角焊縫強度設計值。通常因很小，實際所需的焊腳尺寸可由構造要求確定，并沿節點板全長滿焊。角鋼桁架有集中荷載的節點為便于大型屋面板或檁條的放置，常將節點板縮進上弦角鋼背（圖8），縮進距離不宜小于（0.5t+2）mm，也不宜大于t，t為節點板厚度。角鋼背凹槽的塞焊縫可假定只承受屋面集中荷載，按下式計算其強度： （5）式中 Q節點集中荷載垂直于屋面的分量； 焊腳尺寸，取0.5t； 正面角焊縫強度增大系數。實際上因Q不大，可按構造滿焊。弦桿相鄰節間的內力差，則由弦桿角鋼肢尖與節點板的連接焊縫承

22、受，計算時應計入偏心彎矩Me（e為角鋼肢尖至弦桿軸線距離），按下列公式計算： 對： （6） 對M： （7） 驗算式為： （8）式中 肢尖焊縫的焊腳尺寸。圖8 屋架上弦節點當節點板向上伸出不妨礙屋面構件的放置，或因相鄰弦桿節間內力差較大，肢尖焊縫不滿足式（7）時，可將節點板部分向上伸出或全部向上伸出。此時弦桿與節點板的連接焊縫應按下列公式計算：肢背焊縫： （9）肢尖焊縫： （10）式中 、伸出肢背的焊縫焊腳尺寸和計算長度； 、肢尖焊縫的焊腳尺寸和計算長度。角鋼桁架弦桿的拼接及拼接節點弦桿的拼接分為工廠拼接和工地拼接兩種。工廠拼接的位置通常在節點范圍以外。工地拼接的位置一般在節點處，通常不利用節點

23、板作為拼接材料，而以拼接角鋼傳遞弦桿內力。拼接角鋼宜采用與弦桿相同的截面，使弦桿在拼接處保持原有的強度和剛度。為了使拼接角鋼與弦桿緊密相貼，應將拼接角鋼的棱角鏟去，為便于施焊，還應將拼接角鋼的豎肢切去（t+hf+5）mm，式中t為角鋼厚度，hf為拼接焊縫的焊腳尺寸。連接角鋼截面的削弱，可以由節點板或角鋼之間的填板補償。圖9 拼接節點（a）下弦工地拼接節點；（b）、（c） 上弦工地拼接節點屋脊節點處的拼接角鋼，一般采用熱彎成形。當屋面坡度較大且拼接角鋼肢較寬時，可將角鋼豎肢切口再彎折后焊成。拼接角鋼或拼接鋼板的長度，接頭一側的連接焊縫總長度應為： （11）式中 N桿件的軸心力，取節點兩側弦桿內力

24、的較小值。雙角鋼的拼接中，上式得出的焊縫計算長度按四條焊縫平均分配。弦桿與節點板的連接焊縫，應按式（3）和式（4）計算，公式中的取為相鄰節間弦桿內力之差或弦桿最大大內力的15，兩者取較大值。當節點處有集中荷載時，則應采用上述值和集中荷載Q值按式（9）和式（10）驗算。支座節點屋架與柱子的連接可以做成鉸接或剛接。支承于混凝土柱或砌體柱的屋架一般都是按鉸接設計，而屋架與柱子的連接則可為鉸接或剛接。圖10為人字形或梯形屋架的鉸接支座節點示例。圖10 人字形或梯形屋架支座節點（a）上承式（下弦角鋼端部為圓孔，但節點板上為長圓孔）；（b）下承式支于混凝土柱的支座節點由節點板、底板、加勁肋和錨栓組成。支座節點的中心應在加勁肋上，加勁肋起分布支承處支座反力的作用，它還是保證支座節點板平面外剛度的必要零件。為便于施焊，屋架下弦角鋼背與支座底板的距離e不宜小于下弦角鋼伸出肢的寬度，也不宜小于130mm。屋架支座底板與柱頂用錨栓相連，錨栓預埋于柱頂，直徑通常為2024mm。底板上的錨栓孔徑宜為錨栓直徑的22.5倍，屋架就位后再加小墊板套住錨