摘要：随着中国建筑业的不断发展以及各种有限元分析软件的进步，新材料、新技术的应用。钢结构屋盖形式多样化。即便是传统钢屋架，其间距和跨度也越来越大，屋架中杆件截面形式也越来越多，设计中注意的要点也相应增加。笔者结合自己多年设计经验，对屋盖系统结构设计的关键点进行了阐述。
关键词：屋盖支撑 节点连接 温度应力
一、概述
随着中国建筑业的不断发展以及各种有限元分析软件的进步，各种新材料、新技术被应用到钢结构的设计和施工中。就钢结构屋盖结构而言，除了我们熟悉的基于屋架（屋面梁）的结构体系，网架、网壳、拱、索、膜等新型结构体系越来越多地应用在钢结构屋盖结构中。传统钢屋架的间距和跨度也越来越大，屋架中杆件截面形式也越来越多，除了双角钢组合截面，热轧T型钢、焊接T型钢、热轧H型钢及钢管截面等也在广泛地采用。屋盖支撑体系也有很大的发展，传统的屋盖支撑系统一般不利用檩条作为系杆，屋盖支撑和檩条斜拉条各自设置，使整个屋盖结构显得杆件繁杂、凌乱；现行比较普遍的屋盖结构设计将檩条作为支撑体系的组成部分，将屋盖支撑和檩条合二为一，使整个屋盖结构显得简洁、美观。
二、钢结构屋盖系统结构设计的关键
钢结构屋盖系统主要由屋面材料、檩条、屋架（或屋面梁）、托架（或托梁）、天窗架、屋盖支撑等组成。按结构体系划分，可分为无檩屋盖和有檩屋盖；按钢材划分，可分为普通钢屋盖和轻型钢屋盖。为了减小承重结构的截面尺寸、节约钢材和对抗震有利，除有特殊要求外，首先应采用轻型屋面。由于钢结构屋盖系统构件一般壁薄且较细长，故稳定问题特别突出；连接使若干钢构件能够组合在一起并且共同工作，其重要性不言而喻。
笔者认为钢结构屋盖系统结构设计特别要重视以下几个方面：
1.屋盖支撑
钢结构设计特别要重视结构体系两个方向的整体稳定性，防止出现可变结构。钢结构屋盖系统构件平面外稳定性一般通过设置屋盖支撑来保证，屋盖支撑的设置是否合理直接关系到整个房屋结构设计的安全性、经济性和技术先进性，远比单个构件的计算重要。设计人员进行屋盖支撑布置时，应了解房屋屋面系统的建筑、工艺和通风等专业的要求，对檩条、屋架（屋面梁）、托架（托梁）和天窗架等构件的强度、稳定性（平面内和平面外，尤其要注意平面外稳定性）的计算始终有明确的概念，屋盖系统的设置宜形成完整的封闭体系。
以钢屋架的结构设计举例说明：通常情况下，钢屋架上弦设有支撑，下弦设有隅撑杆件。很多设计人员认为钢屋架上弦为压杆，其平面外稳定性的保证非常重要，屋架下弦为拉杆，除非厂房内有重级工作制硬钩吊车，其平面外稳定性的问题可忽略。这样的认知没有考虑到屋架受压腹杆平面外稳定性的保证，对于钢屋架的结构设计而言是非常危险的，屋架腹杆与屋架上下弦杆相连接，若屋架下弦杆没有足够的平面外刚度，则受压腹杆缺少下弦杆应该提供的侧向支承，导致其可能出现受压屈曲，进而使钢屋架发生破坏。如图-1，由于设计人员在选用国家标准图集时，为能按图集配备相应的屋面支撑系统，造成屋架杆件平面外支撑长度过大，最终导致屋架失稳垮塌。
实复式钢架屋面梁的平面外计算长度，应取侧向支撑点间的距离。屋面梁的隅撑由于其不能充分的给梁提供侧向支撑，故不得直接视为屋面梁平面外固定侧向支点，而仅仅是弹性支座。以往许多设计人员普遍认为屋面梁平面外计算长度取隅撑间的长度，这是存在安全隐患的，特别是对截面较大的梁，隐患更大。
此外，特别要指出的是：由于所有的屋面作用最终是通过柱及柱间支撑传递给基础和地基的，因此屋盖支撑系统的设置必须与柱间支撑系统相协调，使传力途径简单、直接、明确。
2.节点连接
钢结构屋盖系统是由若干构件组合而成的，而连接的作用就是通过一定的手段将板材或型钢组合成构件，或将若干构件组合成整体结构，以保证其共同工作。因此，连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。钢结构的连接必须符合安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。
钢结构屋盖系统的节点设计应构造简单、受力合理、传力简洁明确、符合力学计算模型。
另外特别要提醒的是：在节点连接的设计中不得任意加大焊缝，避免焊缝立体交叉和在一处集中大量焊缝，同时焊缝的布置应尽可能对称于构件形心轴。
图-1
图-2
3.温度应力
对于超过规范规定的温度区段长度的普通屋架或构架，以及大跨度网架、网壳及空间桁架等应考虑温度作用，结构计算模型中的支座或屋盖与下部结构的连接应根据真实支座的力学性能进行简化。支座类型的选取对其内力影响很大，应给予足够重视。
4.其余应注意的事项
屋面板是否可以视为檩条上翼缘的约束主要取决于屋面板与檩条的连接方式。屋面板采用咬合型连接时，宜将其看成对檩条上翼缘无约束，宜设置双层拉条；采用自攻螺钉时，可视屋面为檩条上翼缘的约束，可只设置檩条下翼缘的单层拉条。
由于出现较多维护结构事故，《建筑结构荷载规范》GB50009-2012版规范对维护结构设计予以增强，维护结构的阵风系数不再区分幕墙和其他构件，故檩条按2012版荷载规范设计较按2001版荷载规范相比，用钢量增加较为明显。
多次钢屋架的事故提醒我们：应严格控制钢结构屋盖系统构件的竖向变形（宜考虑构件之间的变形叠加），防止因变形过大导致屋面积灰荷载加大和额外的积水荷载；确定积灰荷载只有在工厂设有一定的除尘装置，且能坚持正常的清灰制度的前提下才有意义，因此，在屋盖系统结构设计总说明中必须强调要求保证正常有效的清灰制度，如图-2，由于现场无定期清灰，造成屋面上部积灰较设计积灰荷载大了3倍多，且现场屋架节点焊接不牢，最终造成屋面垮塌事故。
参考文献
[1]《钢结构设计规范》GB50017-2003 北京：中国计划出版社，2003.
[2]《钢结构设计标准》GB50017-2017 北京：中国建筑工业出版社，2017.
[3]《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015 北京：中国建筑出工业版社，2015.
[4]《钢结构设计手册》第三版.汪一骏、顾泰昌等 北京：中国建筑出工业版社，2004.
[5]《钢结构》第二版 魏明钟等.武汉理工大学出版社，2003.
论文作者:龙霖
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/8
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