鋼屋架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

郝繼威

【摘要】作為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的一種重要形式，鋼架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對(duì)于改善建筑使用效果具有重要作用。本文首先介紹了鋼架結(jié)構(gòu)屋架選型，然后具體探討了鋼架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以期為相關(guān)技術(shù)與研究人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】鋼屋架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.鋼架結(jié)構(gòu)屋架選型

在對(duì)鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)確定該結(jié)構(gòu)屋架選型。其主要確定標(biāo)準(zhǔn)有：

1.1 受力恰當(dāng)：屋架選型應(yīng)保證結(jié)構(gòu)受力科學(xué)，在保證受力合理?xiàng)l件下才能促使各桿件完全發(fā)揮作用。相對(duì)于鋼架結(jié)構(gòu)的弦桿而言，能使各弦桿內(nèi)力趨于一致便表明受力恰當(dāng)。依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，在簡(jiǎn)支屋架中，為保證受力恰當(dāng)，其結(jié)構(gòu)外形需類似于屋架在均布荷載條件下的彎矩圖，因此弦桿需采用折線形。而折線形弦桿制作相對(duì)繁瑣，且施工難度較大，在當(dāng)前施工中已不再常用。對(duì)于三角形屋架，因結(jié)構(gòu)形式局限，無(wú)法滿足短桿受壓、長(zhǎng)桿受拉要求，且由于腹桿數(shù)量較多，所以通常選用人字式腹桿；對(duì)于平衡弦屋架或梯形屋架，若選用斜腹桿形式，雖可保證受力合理，但相比人字式腹桿其節(jié)點(diǎn)較多，所以也應(yīng)選用人字式腹桿方式。

1.2 符合使用標(biāo)準(zhǔn)：在設(shè)計(jì)鋼屋架前應(yīng)先確定屋架的坡度，屋架坡度應(yīng)與防水材料相匹配。對(duì)于梯形屋架，因?yàn)橥庑谓咏趻佄锞€形，則弦桿各節(jié)間中的內(nèi)力最為均勻。加之剛度也較好，常用跨度可達(dá)36米左右。對(duì)于三角形屋架，外形與拋物線形差別較大，因而其弦桿各節(jié)間的內(nèi)力很不均勻，屋架端部高度小，該處節(jié)間的內(nèi)力最大，因弦桿截面常按整根弦桿的最大內(nèi)力選用，造成弦桿截面鋼材的增加，故跨度較大時(shí)選用三角形屋架是不經(jīng)濟(jì)的，其常的跨度宜在24-27米以下。對(duì)于平行弦屋架，弦桿內(nèi)力不及梯形屋架均勻，但其腹桿長(zhǎng)度一致，桿件類型少，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造統(tǒng)一，便于制造，是其優(yōu)點(diǎn)。

1.3 高經(jīng)濟(jì)性：在屋架選型過(guò)程中，除了考慮構(gòu)件制作方便、施工簡(jiǎn)單、節(jié)省材料等因素，還應(yīng)確保結(jié)構(gòu)荷載、跨度、材料獲取方便性等要求?？傮w而言，三角形鋼屋架弦桿內(nèi)力相對(duì)較大，同時(shí)桿件角度嬌小，安裝難度較高。在正常使用過(guò)程中，三角形屋架因結(jié)構(gòu)豎向形成位移，可增大桿件夾角以提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。若平行弦雙坡屋架坡度相對(duì)嬌小，其下弦桿應(yīng)該設(shè)計(jì)成水平形式，由此可避免屋架對(duì)支承形成推力的缺陷。

1.4 制造與安裝方便：從桿件制造角度而言，結(jié)構(gòu)選型應(yīng)確保桿件種類與數(shù)量盡量少。平行弦屋架使用的桿件種類較少，且形式相對(duì)統(tǒng)一，可符合制造簡(jiǎn)便的標(biāo)準(zhǔn)。在構(gòu)造上，結(jié)構(gòu)內(nèi)不同桿件的夾角應(yīng)控制在30～60度以內(nèi)。

2.帶鋼屋架的大跨度排架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 柱網(wǎng)布置

柱網(wǎng)布置需考慮結(jié)構(gòu)、工藝和經(jīng)濟(jì)等因素，且應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)化模數(shù)限制。布置時(shí)應(yīng)符合工藝設(shè)備更新與預(yù)期擴(kuò)建等生產(chǎn)工藝流程要求，如結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底部各類管道及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)應(yīng)同柱網(wǎng)布置相匹配。結(jié)構(gòu)方面，柱網(wǎng)布置應(yīng)使上部結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)，為便于施工，還應(yīng)采用一致的柱距跨度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，支撐、檀條等構(gòu)件截面尺寸同柱距直接相關(guān)。大尺寸柱距雖能減少地基處理成本，但同時(shí)會(huì)增加支撐、檀條等材料的使用量。因此，恰當(dāng)?shù)闹W(wǎng)尺寸應(yīng)以經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)為目標(biāo)。柱網(wǎng)尺寸的選用需考慮屋面使用的材料，如若屋面板采用混凝土材料，因屋面自重較高，所以柱距應(yīng)控制在6m左右；而對(duì)于高度在14m以上、最大跨度高于30m的大型屋面板，應(yīng)盡量選用12m的柱距。

2.2 支撐布置

2.2.1 橫向支撐：橫向支撐一般應(yīng)設(shè)置在房屋兩端或溫度伸縮縫區(qū)段兩端的第一個(gè)柱間或第二柱間，兩道橫向支撐的間距不宜超過(guò)60米。其功能主要是第一，對(duì)保證上弦桿的側(cè)向穩(wěn)定性有著重要的作用；第二，傳遞作用在房屋山墻上的縱向水平風(fēng)荷載的作用；第三，在傳力平面增加屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度。

2.2.2 縱向支撐：縱向支撐僅當(dāng)房屋的跨度和高度較大或房屋為廠房并設(shè)有壁行吊車或有較大振動(dòng)設(shè)備因而對(duì)房屋的整體剛度要求較高時(shí)設(shè)置。對(duì)梯形屋架，縱向支撐常設(shè)在屋架的下弦平面，而對(duì)三角形屋架則常設(shè)在上弦平面，與橫向支撐構(gòu)成一路。其功能主要是第一，與橫支撐一起形成一水平剛性盤(pán)，增加房屋的整體剛度；第二，當(dāng)房屋為工廠車間并設(shè)有吊車時(shí)，在吊車橫向制動(dòng)力作用下使框架起空間作用，可減輕受荷較大的框架所受水平荷載和產(chǎn)生的水平變形；第三，當(dāng)有托架時(shí)，可保證托架的側(cè)向穩(wěn)定。

2.2.3 垂直支撐：對(duì)于普通屋架均應(yīng)沿房屋縱向安設(shè)垂直支撐。垂直支撐是一種平行線桁架。在屋架中部，垂直支撐數(shù)量應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)跨度確定。若屋架采用梯形形式且跨度在30m一下，則僅需設(shè)置一道即可，但應(yīng)將其安設(shè)在結(jié)構(gòu)跨中部位。若屋架跨度高于上述限值，則垂直支撐應(yīng)按照1/3跨度的間隔距離進(jìn)行鋪設(shè)。若屋架安設(shè)有天窗，則應(yīng)在天窗位置安設(shè)垂直支撐。其主要作用是第一，保持屋架側(cè)向的幾何穩(wěn)定性；第二，下弦無(wú)椣向支撐時(shí)，作為下弦系桿的支點(diǎn)；第三，傳遞山墻所受縱向風(fēng)荷載等至屋架支柱；第四，保證吊裝屋架時(shí)的穩(wěn)定和安全。

2.3 桿件截面選取

結(jié)構(gòu)各桿件應(yīng)先確保具有充足的剛度和強(qiáng)度，且要盡可能運(yùn)輸方便、制造簡(jiǎn)單、協(xié)同工作性能強(qiáng)。所以桿件需具有較高的回轉(zhuǎn)半徑、平整表面和高強(qiáng)的輕質(zhì)性。在實(shí)際工程中通常選用雙角鋼制造的T型截面或十字行截面作為桁架桿件。在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，受力桿件需符合等穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，也就是桿件繞兩個(gè)主軸的穩(wěn)定性應(yīng)接近，以確保材料使用充分。等邊角鋼可作為桁架結(jié)構(gòu)的拉桿使用，但應(yīng)確保角鋼伸出肢寬度充分，以提升弦桿在平面位置的穩(wěn)固性。在構(gòu)件驗(yàn)算過(guò)程中，需注意角鋼組成的界面在驗(yàn)算y軸穩(wěn)定性時(shí)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

綜上所述，加強(qiáng)鋼屋架工程中存在的各個(gè)施工質(zhì)量控制措施，提高工程中存在的各個(gè)施工質(zhì)量調(diào)控性措施，以避免出現(xiàn)鋼屋架工程施工中存在的各個(gè)施工的問(wèn)題。

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