普通鋼屋架的設計過程與計算方法介紹
鋼結構是一種具有較大優勢的建築結構，近年來隨著我國改革開放程序的加快和鋼材產量的不斷提高，鋼結構具有鋼結構在工程中得到了廣泛的應用和發展。對於鋼結構的設計需要因地制宜，量材而用，根據工程實際選擇合適的結構方案，並進行技術經濟比較，同時還要總結、創造和推廣先進的製造和安裝技術。普通鋼屋架的設計是鋼結構設計中的乙個重要內容之一，熟悉和掌握普通鋼屋架的設計過程與計算方法具有重要理論與實踐意義。
因此，本文將對普通鋼屋架的設計過程與計算方法進行詳細介紹。
1 屋架形式的選擇
普通鋼屋架的設計首先需要選擇合理的屋架形式，主要從滿足使用要求和經濟要求兩個方面出發。從使用要求方面來看，屋架的外形應與屋面材料的排水要求相適應；從經濟要求方面來看，屋架的外形盡量與彎矩圖相近，使屋架弦杆的內力分布均勻，充分發揮材料的作用，同時使弦杆盡量不產生區域性彎矩，屋架的節點形式要簡單合理，便於製造、運輸和安裝。根據所選的屋架形式進而確定屋架的跨度、高度、節間寬度等主要尺寸。
屋架的主要形式有三角形、梯形、矩形和曲拱形等，如圖1所示。
圖1 屋架主要形式圖
2 屋架荷載的選取及組合
屋架上的荷載主要包括永久荷載和可變荷載兩類，其中，永久荷載主要包括屋面材料，防水、保溫或隔熱層、屋架、天窗架、檁條、支撐及懸掛管道等重量；可變荷載主要包括屋面均布活荷載、雪荷載、施工荷載、積灰荷載、風荷載以及懸掛吊車荷載等。永久荷載和各種可變荷載的不同組合將對屋架各桿件引起不同的內力。設計時應考慮各種可能的荷載組合，並選取最不利的荷載組合進行屋架各桿件內力的計算。
與柱鉸接的屋架，引起屋架桿件最不利內力的各種可能荷載組合有如下幾種：
（1）全跨永久荷載+全跨可變荷載。可變荷載中屋面活荷載與雪荷載不同時考慮，設計時取兩者中的較大值與積灰荷載、懸掛吊車荷載組合；當雪荷載較大時，將起控制作用。
（2）半跨永久荷載+半跨可變荷載。
（3）屋架和支撐自重+半跨屋面板重+半跨施工荷載（取等於屋面活荷載）。
當屋面與水平面的傾角小於30°時，風荷載對屋面產生吸力，起著解除安裝的作用，一般不考慮風荷載的作用。但對於採用輕質屋面材料的屋架，在風荷載和永久荷載的作用下可能使受拉桿件變為受壓桿件，在計算桿件內力時，應根據荷載規範的規定，計算風荷載的作用。
3 屋架內力計算
屋架內力計算時，應將荷載集中在節點上（節間荷載可換算為節點荷載），並假定所有桿件位於同一平面內，桿件重心線匯交於節點中心，且各節點均為理想鉸，不考慮次應力的影響，可採用數解法或內力係數法計算屋架桿件的軸心力。當但桿件截面高度與其幾何長度（節點中心間的距離）之比大於1/10（弦杆）和1/15（腹杆）時，則應考慮節點剛性引起的次彎矩。
對於節間荷載換算為節點荷載主要有兩種近似方法：將所有節間內的荷載按該段節間為簡支的支座反力分配到相鄰兩個節點上作為節點荷載；按節點處的負荷面積換算為該節點的集中荷載。上弦杆由於節間荷載產生的區域性彎矩可近似按下列規定取用：
（1）端節點按鉸接時，該處彎矩取為0，但當有懸挑時，去最大懸臂端彎矩。
（2）端節間的正彎矩取0.8m0。
（3）其他節間的正彎矩和節點負彎矩（包括屋脊節點）均可取0.6m0，其中m0為相應節間按單跨簡支梁計算的最大跨中彎矩。
4 屋架桿件設計
4.1 桿件計算長度的確定
在理想的鉸接屋架中，桿件在屋架平面內的計算長度應是節點中線的距離，但實際上，匯交於節點處的各桿件是通過節點板焊接在一起的，並非正真的鉸接，節點具有一定的剛度，桿件兩端均屬於彈性嵌固。此外，節點的轉動還受到匯交於節點的拉桿的約束，拉桿的線剛度越大，約束作用越大，壓桿在節點的嵌固程度越大，其計算長度越小。因此，需考慮節點的實際嵌固作用來確定各桿件的計算長度，如表1所示。
表1 桁架弦杆和單系腹杆的計算長度
注：為構件的幾何長度（節點中心間的距離）；l1為桁架弦杆側向支撐點間的距離。
2.斜平面係指與桁架平面斜交的平面，適用於構件截面兩主軸均不在桁架平面內的單角鋼腹杆和雙角鋼十字形截面腹杆。
3.無節點板的腹杆計算長度在任意平面內均取其等於幾何長度。
4.2 桿件截面選擇
屋架的桿件應根據其受力特性（拉桿還是壓桿）、計算長度、構造要求等選擇合適的截面形式。桿件截面選擇一般遵循以下原則：
（1）選用肢寬而壁薄的角鋼，但最薄厚度不小於4mm。
（2）為了便於訂貨和製作，相近的角鋼應盡量統一，同一屋架所採用的角鋼型號不超過5～6種。
（3）屋架弦杆一般採用等截面，但當跨度大於24m時，弦杆可根據內力的變化改變截面，通常保持厚度不變而縮小肢寬，以利於拼接節點的構造處理。
（4）經濟性要求。為滿足剛度（長細比）要求，應使截面盡量開展，且對於壓桿來說應盡量實現等穩定要求，即x=y。
4.3 桿件截面設計
對於拉桿應滿足強度和剛度要求；對於壓桿應滿足強度、穩定和剛度要求。由於角鋼屋架桿件是按實腹式截面設計的，因此為保證兩角鋼協同受力，尚應按構造設定一定數量的填板，填板尺寸按構造要求確定。
5 屋架節點設計
屋架節點主要包括上弦節點、下弦節點、屋脊節點和支座節點。屋架節點的設計則主要包括上述節點的設計以及節點板的設計。
5.1 上弦節點設計
上弦杆與節點板的連線焊縫是由角鋼肢背的槽焊縫和角鋼肢尖的兩條角焊縫組成，假定角鋼肢背的槽焊縫承受節點荷載p，角鋼肢尖的兩條角焊縫承擔△n和由於△n與肢尖焊縫的偏心距e而產生的彎矩△m=△n·e。當屋面坡度較緩時，角鋼肢背槽焊縫的強度可按下式計算：
（1）式中，f是正面角焊縫的強度設計值增大係數，對承受靜力荷載和間接承受動力荷載的結構f=1.22；對直接承受動力荷載的結構f=1.0。
角鋼肢尖焊縫的強度計算：
（2）（3）（4）5.2 下弦節點設計
下弦節點是指下弦杆直通連續和沒有節點集中荷載的節點，下弦節點中各腹杆與節點板所需的連線焊縫長度按下式計算：
（5）（6）弦杆與節點板的連線焊縫，應考慮承受弦杆相鄰節間內力之差△n，按下式計算下弦杆與節點板連線所需的焊腳尺寸：
（7）（8)通常弦杆相鄰節間內力之差△n很小，實際需要的焊腳尺寸可由構造要求確定，並沿節點板全長滿焊。
5.3 屋脊節點設計
屋脊拼接拼接角鋼與受壓弦杆之間的連線可按弦杆最大內力進行計算，每邊共有4條焊縫平均承受此力，則一條焊縫的計算長度為：
（9）一條焊縫的實際長度為：
（10）
拼接角鋼的總長度（）為：
（11）
5.4 支座節點設計
屋架與柱的連線有簡支和剛接兩種形式，支承於鋼筋混凝土柱或磚柱上的屋架一般為簡支，而支承於鋼柱上的屋架通常為剛接，它的設計和軸心受壓柱鉸接柱腳相似。支座底板的面積a和厚度t應按下式計算：
12）13）
加勁肋的高度由節點板的尺寸決定，厚度可與節點板的厚度相同。加勁肋可視為支承於節點板上的懸臂梁，乙個加勁肋通常假定傳遞支座反力的1/4，並考慮偏心彎矩m。乙個加勁肋與支座節點板的連線焊縫按下式進行強度計算：
（14）
支座節點板與支座底板、加勁肋與支座底板的水平連線焊縫，按下式進行強度計算：
15）5.5 節點板設計
節點板的平面尺寸主要取決於該節點所連桿件的截面尺寸和所需焊縫長度。由於節點板受力比較複雜，因此節點板的厚度一般不進行計算，而根據經驗確定，對於採用側面角焊縫連線的節點，節點板的厚度可按相關規範確定。
6 鋼屋架施工圖繪製
鋼屋架施工圖是製造廠加工製造和工地結構安裝的主要依據，如圖2所示。當屋架形式、各桿件尺寸、桿件截面以及各腹杆與節點板的連線焊縫確定後，即可按運輸單元繪製施工圖。繪製屋架施工圖應注意以下幾個方面的內容：
（1）通常在圖紙左上角用合適的比例畫出「屋架幾何軸線圖（屋架簡圖）」。圖中一半標出幾何長度，另一半標出桿件的計算內力值。當屋架跨度較大時，在自重及外荷載作用下將產生較大的撓度，影響結構的使用並有損建築物的外觀。
因此，當跨度≥24m的梯形屋架和跨度≥15m的三角形屋架，在製作時需要起拱，起拱值約為跨度1/500。起拱值應在屋架簡圖上標出來，而在屋架詳圖上不必表示。
（2）繪製屋架的施工圖，通常採用兩種比例尺繪製，桿件軸線一般用1:20～1:30的比例尺，桿件截面和節點尺寸採用1:10～1:15的比例尺，這樣可使節點的細節表示清楚。
（3）繪製屋架上、下弦杆的平面圖、屋架端部和跨中的側面圖及必要的剖面圖。
（4）標註尺寸，要全部註明各桿件和板件的定位尺寸和孔洞位置等。定位尺寸主要是節點中心至腹杆頂端的距離和屋架軸線到角鋼肢背的距離。由這兩個尺寸即能確定桿件的位置和實際長度，桿件的實際斷料長度為桿件幾何軸線長度減去兩端的節點中心到腹杆頂端的距離。
（5）編制材料表，對所有零件應進行詳細編號，編號應按零件的主次、上下、左右一定順序逐一進行。完全相同的零件用同一編號，當兩個形狀、尺寸相同只是栓孔位置成鏡面對稱時，可編同一號，但在材料表上註明正和反。材料表包括各種零件的截面、長度、數量（正、反）和重量。
材料表的用途是供配料、計算用鋼指標以及選用運輸和安裝器具之用。
（6）施工圖上還應有文字說明，說明的內容包括鋼材的鋼號、焊條型號、加工精度要求、焊縫質量要求、圖中未註明的焊縫和螺栓孔的尺寸以及防鏽處理的要求等等。凡是在施工圖中沒有繪上的一切要求均可在說明中表達。
圖2 鋼屋架施工圖
7 結束語
鋼屋架的設計主要包括屋架形式的選擇、屋架荷載的選取及組合、屋架的內力計算、屋架桿件設計和屋架節點設計等內容。對不同形式的鋼屋架，要根據具體情況進行綜合考慮，合理設計，然後依據設計與計算結果繪製出鋼屋架施工圖。
專題報告格式
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