鋼結(jié)構(gòu)屋架設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)工程的重要組成部分，其中21米跨度的屋架荷載計(jì)算案例需要精確分析和計(jì)算。本文推薦使用專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，這些軟件能夠提供強(qiáng)大的計(jì)算功能和可視化工具，幫助設(shè)計(jì)師準(zhǔn)確預(yù)測和控制結(jié)構(gòu)的安全性能。通過合理地選擇和配置材料、優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，可以確保屋架在滿足承載力要求的同時(shí)，具有足夠的穩(wěn)定性和耐久性。

一、21米跨度鋼結(jié)構(gòu)屋架設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)

（一）荷載計(jì)算

1. 永久荷載（恒載）
   • 屋面材料自重：不同的屋面材料自重不同。例如采用1.5m×6.0m預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板時(shí)，永久荷載（屋面標(biāo)準(zhǔn)值）可能為3.0kN/m2；若屋面板采用100mm厚彩鋼復(fù)合板（外側(cè)基板厚度0.5mm，內(nèi)側(cè)基板厚度0.4mm，夾芯材料選用玻璃絲棉），屋面板自重標(biāo)準(zhǔn)值按0.20kN/m2計(jì)算。
   • 屋架自身重量：屋架沿水平投影面積分布的自重（包括支撐）可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，其與屋架的形式、尺寸和材質(zhì)等有關(guān)。
2. 可變荷載（活載）
   • 屋面活荷載：取值可能為0.35kN/m2、0.5kN/m2等不同數(shù)值，取決于建筑的用途和設(shè)計(jì)要求。
   • 雪荷載：在一些地區(qū)雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.45kN/m2、0.55kN/m2等，需根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件確定，并且在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮雪荷載與屋面活荷載不同時(shí)組合，取較大值參與計(jì)算。
   • 積灰荷載：對于特定的工業(yè)廠房，如錳，鉻合金車間（屋面無擋風(fēng)板）積灰荷載為0.75kN/m2，若不考慮灰荷載則積灰荷載取值為0，要根據(jù)廠房的生產(chǎn)性質(zhì)確定。
   • 風(fēng)荷載：與建筑所在地區(qū)的基本風(fēng)壓有關(guān)，例如當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓為0.45kN/m2時(shí)，風(fēng)荷載在設(shè)計(jì)中也需要按照相關(guān)規(guī)范考慮其對屋架的作用，特別是對于屋架的支撐體系和桿件受力分析時(shí)需要考慮風(fēng)荷載的影響。

（二）結(jié)構(gòu)形式與布置

1. 屋架形式
   • 梯形鋼屋架
     • 端部高度和中間高度：對于平坡梯形屋架，當(dāng)L < 24m時(shí)，可不考慮起拱，端部高度可取H = 1990mm，中間高度h可根據(jù)坡度等因素確定，如h = 3.040m（約l/6.8），屋架計(jì)算跨度為L0 = L - 300 = 20700mm（L為實(shí)際跨度21m）。
     • 腹桿體系：為使屋架上弦承受節(jié)點(diǎn)荷載，配合屋面板寬度（如1.5m的屋面板寬度），腹桿體系大部分可采用下弦間長為3.0m的人字式，僅在跨中考慮到腹桿的適宜傾角，采用再分式。
   • 雙層梁柱結(jié)構(gòu)：也可選擇雙層梁柱結(jié)構(gòu)用于21m跨度的鋼結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力和穩(wěn)定性。梁和柱的材質(zhì)可選用Q345B鋼等符合設(shè)計(jì)規(guī)范的鋼材，梁的尺寸例如為400mm×800mm，截面采用H形鋼，柱的尺寸例如為600mm×800mm，截面也采用H形鋼，并且要根據(jù)受力計(jì)算確定其剖面系數(shù)等參數(shù)以滿足承載能力要求。
2. 支撐布置
   • 上弦平面支撐：在上弦平面設(shè)置剛性系桿與柔性系桿，以保證安裝時(shí)上弦桿的穩(wěn)定。在設(shè)置橫向水平支撐的柱間，于屋架跨中和兩端各設(shè)一道垂直支撐。根據(jù)車間長度、屋架跨度和荷載情況，可能需要設(shè)置多道上、下弦橫向水平支撐，例如設(shè)置四道上、下弦橫向水平支撐，并且廠房兩端的橫向水平支撐可能設(shè)在第二柱間等不同位置。
   • 下弦平面支撐：在各柱間下弦平面的跨中及端部設(shè)置柔性系桿，以傳遞山墻風(fēng)荷載等作用。

（三）材料選擇

1. 鋼材選擇
   • Q235 - B鋼：根據(jù)北京地區(qū)的計(jì)算溫度和荷載性質(zhì)及連接方法，在一些情況下鋼材可選用Q235 - B。焊條采用E43型，適用于手工焊。
   • Q345B鋼：如采用雙層梁柱結(jié)構(gòu)時(shí)，梁和柱的材質(zhì)可選用Q345B鋼，這種鋼材能滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，符合中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。
2. 焊條選擇
   • 當(dāng)采用Q235 - B鋼時(shí)，焊條采用E43型，用于手工焊操作。焊條的選擇要與鋼材材質(zhì)相匹配，以確保焊接質(zhì)量，保證鋼結(jié)構(gòu)的整體性能。

二、設(shè)計(jì)流程

1. 確定設(shè)計(jì)荷載
   • 根據(jù)建筑的使用功能、所在地區(qū)的氣象條件、建筑內(nèi)部設(shè)備等因素，按照相關(guān)規(guī)范計(jì)算確定永久荷載、可變荷載等各種荷載的取值，如上述提到的屋面材料自重、活荷載、雪荷載、積灰荷載和風(fēng)荷載等的取值計(jì)算。
2. 選擇結(jié)構(gòu)類型和形式
   • 根據(jù)跨度大?。?1m跨度）、荷載情況、建筑空間要求等因素選擇合適的結(jié)構(gòu)類型，如梯形鋼屋架或者雙層梁柱結(jié)構(gòu)等，并確定屋架的具體形式，如梯形屋架的端部高度、中間高度、腹桿體系等幾何參數(shù)。
3. 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析
   • 內(nèi)力計(jì)算：計(jì)算屋架在各種荷載組合作用下的桿件內(nèi)力，包括軸力、彎矩、剪力等。例如根據(jù)已知的荷載情況和屋架的桿件布置，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算各桿件在不同荷載組合（如全跨永久荷載 + 全跨可變荷載、全跨永久荷載+半跨可變荷載、全跨屋架包括支撐 + 半跨屋面板自重 + 半跨屋面活荷載等）下的內(nèi)力值，然后進(jìn)行內(nèi)力組合，取最不利組合進(jìn)行桿件設(shè)計(jì)。
   • 桿件設(shè)計(jì)：根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，選擇合適的桿件截面尺寸和形狀。對于采用H形鋼的梁和柱，要根據(jù)其受力情況（如彎矩、剪力和軸力）計(jì)算所需的截面參數(shù)，如剖面系數(shù)等，以確保桿件的承載能力、穩(wěn)定性等滿足設(shè)計(jì)要求。對于屋架桿件，要考慮其長細(xì)比等因素，保證桿件在受力狀態(tài)下的穩(wěn)定性。
   • 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)屋架的節(jié)點(diǎn)連接方式，包括上弦節(jié)點(diǎn)、下弦節(jié)點(diǎn)、屋脊節(jié)點(diǎn)、支座節(jié)點(diǎn)等。節(jié)點(diǎn)連接可采用焊接和螺栓連接等方式，要確保節(jié)點(diǎn)連接的強(qiáng)度和可靠性，保證力在節(jié)點(diǎn)處的有效傳遞。例如在設(shè)計(jì)支座節(jié)點(diǎn)時(shí)，要考慮屋架與下部支撐結(jié)構(gòu)（如鋼筋混凝土柱）的連接方式，傳遞屋架的反力；在設(shè)計(jì)上弦節(jié)點(diǎn)時(shí)，要考慮腹桿與上弦桿的連接構(gòu)造，保證桿件內(nèi)力的傳遞。
4. 施工考慮
   • 在設(shè)計(jì)階段就要考慮施工的可行性，例如確保施工工人能夠按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，提供必要的工具和材料。對于屋架的安裝，要設(shè)計(jì)合理的安裝順序和臨時(shí)支撐措施，保證屋架在安裝過程中的穩(wěn)定性。同時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠安全、穩(wěn)定地安裝到所需位置，如在設(shè)計(jì)時(shí)考慮屋架的吊裝點(diǎn)設(shè)置、運(yùn)輸過程中的結(jié)構(gòu)保護(hù)等措施。

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