本文介紹了鋼結構設計中鋼屋架上弦與下弦的計算方法及要點，上弦承受壓力，需考慮節(jié)點荷載，計算正截面承載能力，其平面外計算長度受多種因素影響，通?？砂聪嚓P規(guī)范確定，下弦承擔水平荷載，計算時要考慮拉力作用，計算前需明確屋架跨度、間距、荷載等參數(shù)，依據(jù)力學原理進行力矩平衡和力的合成計算，上弦可利用檁條或大型屋面板充當系桿，在特定位置設置剛性系桿；

在鋼結構建筑中，屋架作為支撐屋頂荷載的重要構件，其設計計算尤為關鍵，鋼屋架主要由上弦桿、下弦桿、腹桿等構件組成，其中上弦桿和下弦桿承擔著主要的受力作用，本文將詳細介紹鋼屋架上弦和下弦的計算方法,幫助讀者掌握鋼結構設計的基本原理和實用技巧。

鋼屋架基本概念與受力分析

1 鋼屋架的基本組成

鋼屋架是由多個桿件通過節(jié)點連接而成的平面或空間桁架結構,主要由以下幾部分組成：

1. 上弦桿：位于屋架上部，通常承受壓力
2. 下弦桿：位于屋架下部，通常承受拉力
3. 腹桿：連接上下弦的斜桿和豎桿，包括斜腹桿和豎腹桿
4. 節(jié)點板：連接各桿件的鋼板
5. 支撐系統(tǒng)：保證屋架整體穩(wěn)定性的構件

2 鋼屋架的受力特點

鋼屋架在荷載作用下的受力特點主要表現(xiàn)為：

1. 上弦桿主要承受軸向壓力和局部彎矩
2. 下弦桿主要承受軸向拉力
3. 腹桿根據(jù)布置方式不同，可能受拉或受壓
4. 節(jié)點處存在復雜的應力集中現(xiàn)象

3 鋼屋架的分類

根據(jù)結構形式,鋼屋架可分為：

1. 三角形屋架：適用于小跨度建筑
2. 梯形屋架：適用于中等跨度建筑
3. 平行弦屋架：適用于大跨度建筑
4. 拱形屋架：適用于特殊造型要求

鋼屋架上弦桿計算方法

1 上弦桿的受力分析

上弦桿主要承受以下荷載：

1. 屋面恒荷載：包括屋面材料、保溫層、防水層等自重
2. 屋面活荷載：包括雪荷載、維修荷載等
3. 風荷載：向上吸力或向下壓力
4. 地震作用：根據(jù)抗震要求考慮

2 上弦桿內(nèi)力計算

上弦桿的內(nèi)力計算通常采用以下方法：

1. 節(jié)點法：取節(jié)點為隔離體，利用平衡條件求解桿件內(nèi)力
2. 截面法：用假想截面截取屋架一部分，利用平衡條件求解內(nèi)力
3. 圖解法：通過力多邊形求解桿件內(nèi)力

對于規(guī)則屋架,內(nèi)力計算公式可簡化為：

N = (M×y)/I

• N為桿件軸向力
• M為截面彎矩
• y為桿件到中和軸的距離
• I為截面慣性矩

3 上弦桿截面設計

上弦桿截面設計步驟：

1. 根據(jù)內(nèi)力計算結果確定設計壓力N
2. 初選截面形式（通常為雙角鋼或T型鋼）
3. 計算截面面積A
4. 計算長細比λ = l0/i
   • l0為計算長度
   • i為截面回轉半徑
5. 根據(jù)長細比查穩(wěn)定系數(shù)φ
6. 驗算穩(wěn)定性：N/(φA) ≤ f

   f為鋼材抗壓強度設計值

7. 若不滿足，調(diào)整截面重新計算

4 上弦桿局部穩(wěn)定性驗算

對于組合截面,還需驗算板件的局部穩(wěn)定性：

1. 翼緣寬厚比驗算
2. 腹板高厚比驗算
3. 必要時設置加勁肋

鋼屋架下弦桿計算方法

1 下弦桿的受力分析

下弦桿主要承受軸向拉力，荷載來源與上弦桿相同,但受力方向相反。

2 下弦桿內(nèi)力計算

下弦桿內(nèi)力計算方法與上弦桿類似,通常采用：

1. 節(jié)點法
2. 截面法
3. 圖解法

對于受拉桿件,內(nèi)力計算公式為：

N = T

其中T為桿件承受的拉力。

3 下弦桿截面設計

下弦桿截面設計步驟：

1. 根據(jù)內(nèi)力計算結果確定設計拉力T
2. 初選截面形式（通常為雙角鋼或H型鋼）
3. 計算凈截面面積An

   考慮螺栓孔削弱

4. 驗算強度：T/An ≤ f

   f為鋼材抗拉強度設計值

5. 驗算剛度：長細比λ ≤ [λ]

   [λ]為容許長細比

6. 若不滿足，調(diào)整截面重新計算

4 下弦桿節(jié)點連接設計

下弦桿節(jié)點連接需特別注意：

1. 連接板厚度計算
2. 焊縫或螺栓連接計算
3. 凈截面驗算
4. 構造要求

鋼屋架上下弦桿計算實例

1 設計條件

某廠房鋼屋架，跨度18m，柱距6m，屋面坡度1:10，采用Q235B鋼材，基本雪壓0.4kN/m2，基本風壓0.5kN/m2。

2 荷載計算

1. 恒荷載：

   • 屋面層：0.8kN/m2
   • 屋架自重：估算0.3kN/m2
   • 總計：1.1kN/m2

2. 活荷載：

   • 雪荷載：0.4kN/m2
   • 檢修荷載：0.5kN/m2
   • 取較大值0.5kN/m2

3. 荷載組合：

   2恒+1.4活=1.2×1.1+1.4×0.5=2.02kN/m2

3 上弦桿計算

1. 內(nèi)力分析：

   最大壓力N=120kN（通過結構分析軟件得出）

2. 截面選擇：

   • 初選2L100×10，A=38.52cm2
   • ix=3.05cm，iy=4.52cm

3. 長細比計算：

   • 計算長度l0=1.5m（節(jié)點間距）
   • λx=150/3.05=49.2
   • λy=150/4.52=33.2
   • 取λmax=49.2

4. 穩(wěn)定系數(shù)：

   查表得φ=0.859（b類截面）

5. 穩(wěn)定驗算：

   • N/(φA)=120×103/(0.859×3852)=36.3MPa < 215MPa
   • 滿足要求

4 下弦桿計算

1. 內(nèi)力分析：

   最大拉力T=100kN

2. 截面選擇：

   • 初選2L90×8，A=27.88cm2
   • 考慮1個螺栓孔削弱，孔徑22mm
   • An=27.88-2×0.8×2.2=24.36cm2

3. 強度驗算：

   • T/An=100×103/2436=41.1MPa < 215MPa
   • 滿足要求

4. 長細比驗算：

   • λ=300/2.76=108.7 < 350
   • 滿足要求

鋼屋架設計中的常見問題與對策

1 上弦桿設計中的常見問題

1. 長細比過大導致穩(wěn)定性不足

   對策：減小計算長度或增大截面回轉半徑

2. 局部穩(wěn)定不滿足要求

   對策：調(diào)整板件厚度或設置加勁肋

3. 節(jié)點連接不合理

   對策：優(yōu)化節(jié)點構造，確保傳力明確

2 下弦桿設計中的常見問題

1. 凈截面面積不足

   對策：增加截面尺寸或減少螺栓孔數(shù)量

2. 連接節(jié)點強度不足

   對策：增加連接板厚度或焊縫尺寸

3. 振動問題

   對策：控制長細比或增設減振措施

3 施工中的注意事項

1. 上弦桿安裝時的臨時支撐
2. 下弦桿預起拱控制
3. 節(jié)點板焊接變形控制
4. 防腐防火處理

鋼屋架設計的優(yōu)化方向

1 材料優(yōu)化

1. 采用高強度鋼材減輕自重
2. 考慮耐候鋼減少維護成本
3. 新型復合材料應用

2 結構優(yōu)化

1. 變截面設計
2. 空間桁架體系
3. 預應力技術應用

3 計算手段優(yōu)化

1. BIM技術應用
2. 有限元分析
3. 參數(shù)化設計

鋼屋架上弦和下弦的計算是鋼結構設計中的重要環(huán)節(jié)，需要綜合考慮受力性能、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和施工便利性等多方面因素，通過本文的系統(tǒng)介紹，讀者應能掌握鋼屋架上下弦桿的基本計算方法和設計要點，在實際工程中，還需結合具體項目條件，靈活