钢结构设计零基础入门：厂房天窗结构实例讲解

第九章 简单钢结构设计示例

（讲课版·零基础易懂）

咱此刻开始讲述第九章，简单钢结构设计示例，此章属于整本教材的综合运用部分，能够这么讲，其涵盖咱于前面八章学习而来的全部知识，强度方面、稳定方面、刚度方面、连接方面、脆性断裂方面、疲劳方面、防腐防火方面，在这一章均需连贯起来运用，这是从“学理论”迈向“会设计”的关键一步。

9.1 厂房的天窗结构

我们先讲第一个实际工程示例：厂房的天窗结构。

先弄明白最为基础的，厂房天窗是用来做什么的呢？它并非承重主体，而是厂房屋面顶部的附属结构，其核心作用在于采光以及通风，能让车间内部变得亮堂，使空气得以流通，同时它还需要承受屋面的各类荷载，归属轻型钢结构，是在我们学完基础理论之后，最易于上手的简单设计案例。

一、先认清：厂房天窗结构由哪几部分组成？

我们用大白话说清楚，不用记专业名词也能懂：

1. 那被称作天窗架的，乃是天窗的主要骨架呵，它好似那种小型的析架模样，属于核心的承受力的构件呢，它承担着支撑整个天窗的作用哟。

2. 檩条：搭在天窗架上的小梁，直接托着采光板、屋面板；

3. 支撑体系：交叉的小拉杆，保证天窗架不晃、不变形；

4. 围护面板：采光板、彩钢板，遮风挡雨，不承重，只传荷载。

完整的天窗架构，全部的部件皆是我们先前学过的轴心拉杆，以及轴心压杆，还有小型受弯梁，不存在复杂的压弯构件，极其适宜用于练习手艺。

二、第一步：算荷载——设计的前提

于任何钢结构设计而言，首要之事便是精准算明作用于结构之上的力究竟有哪些，天窗的荷载总共分为三类，此三类荷载所涉及的知识皆源自第六章以及第三章 句号。

1. 恒载体现为天窗自身的重量，钢材的重量，檩条的重量，面板的重量，密封胶的重量，且这些重量固定不变，不会发生改变。

2. 活载：屋面检修荷载，工人上去检修的重量，规范给固定值；

3. 风作用下产生的这种荷载，它对于天窗而言，属于那种最为特殊且最为重要的荷载类型！当风呈现往上吸力的状态时，天窗所具有的杆件就会从原本受压的状况转变为受拉的情形，而当风呈现往下压力的状态下去的时候呢，杆件又再次变换成就受压的状况了，因此拉杆以及压杆都会随着风向的改变而发生变化，这恰恰是设计过程当中一个关键要点所在。

三、第二步：构件受力分析——分清拉和压

主骨架天窗架，此为小型桁架，我们重点予以查看，其节点按照铰接计算处理（此乃第七章的知识范畴）。

上弦杆，在风压力施加作用的情况下它是处于受压状态的，此时需要按照第四章所涉及的轴心压杆稳定相关内容来进行计算，那就是要去查找稳定系数φ，并且还要对长细比加以控制。

下弦杆，始终承受拉力，计算第三章当中的拉杆强度时，需扣除螺栓孔的净截面。

- 腹杆：有的受拉、有的受压，分别按拉杆、压杆验算；

檩条，属于小型受弯构件，需计算第三章里的抗弯强度，并且还要计算第六章的挠度变形，不可弯曲程度过大以至于造成屋面漏水。

四、第三步：连接设计——第七章的知识

天窗的连接全是轻型连接，简单好做：

杆件与节点板进行连接，采用角焊缝（参照7.4节），焊脚尺寸不必求其过大，达到满足抗剪强度的要求便可。

天窗架与厂房屋面梁相连接，采用普通螺栓或者高强螺栓（7.6、7.7节），其安装具备便利性，传力清晰明确。

- 所有连接都要遵守强节点弱构件，构件没坏，连接不能先坏。

五、第四步：刚度、构造、防护——第六章、第十章的知识

1. 拉杆要控制长细比，压杆也要控制长细比（此处是6.2节有关内容），倘若拉杆或者压杆的长细比太过细长，就会致使安装时出现弯曲情况，一旦有风刮过，就会产生晃动现象。

2. 构造方面的要求是，要避开尖角以及切口，以此来防范应力出现集中的情况，这是在第八章中关于脆性断裂和疲劳方面所提及的原则。

3. 防腐方面，存在这样的要求，那就是外露于屋面这种情况，一定要去做防腐涂料，具体见10.2、10.3节，以此来避免雨水导致锈蚀，最终致使出现不良状况。

4. 进行防火操作时，依据厂房防火方面所设定的要求，仅仅做那么简单的防火处理便可以了，相关依据在第10.5节以及第10.6节。

本节总结

针对厂房天窗展开设计工作，具体做法是，将轻型桁架之中的拉压杆、受弯檩条，借助简单的焊缝以及螺栓连接到一起，在整个过程里运用的是前面第三章、第四章之中运用情况、包含要点等、第六章、第七章以及第十章涵盖的基础知识点情况，不存在复杂的计算情形，其核心之处在于清晰区分拉压状况、精确计算好稳定性、恰当把控好刚度、妥善做好连接以及防腐的处置。

9.2 桁架桥的桥面系设计

紧接着，我们来讲第二个示例，即桁架桥的桥面系设计，这属于重型钢结构的简单示例，它与厂房天窗，一边轻一边重，恰好覆盖了两种典型场景。

弄明白：桁架桥的桥面系，并非主桁架，而是铺设于主桁架之上、直接供车辆行驶与行人走动的部分，其作用乃是将车辆以及行人所产生的荷载，传递至主桁架，它是桥梁的“受力路面”，属于有着动态荷载情况下作业的钢结构体，这般会运用到第八章里的疲劳知识。

一、桁架桥桥面系由哪几部分组成？

1. 桥面面板：直接接触车辆、行人，把荷载传给下面的梁；

2. 横梁：横向布置的受弯构件，托着面板，把荷载传给纵梁；

3. 纵梁，是那种沿着纵向进行布置的，用作受弯功能的部件，其方向与桥梁自身的跨度所在走向相一致按照这个走向，它负责把横梁所承载的荷载传递给主桁架节点。

4. 交叉拉杆、压杆，属于横向或者纵向连接构件，其可确保有桥面的体系在整体上不会出现晃动的情况，也不会发生散架的状况。

二、第一步：算荷载——要考虑动荷载

和厂房天窗不一样，桥面系承受的是车辆动荷载，计算要多一步：

1. 恒载：桥面铺装、面板、纵梁、横梁、连接系的自重；

2. 活载，是指车辆荷载以及行人荷载，并且其必须要加上冲击系数，此冲击系数用于动荷载放大之情形，是第八章疲劳出现所具备的前提条件。

3. 其他荷载：风荷载、车辆制动力，水平方向的力。

三、第二步：构件受力分析——全是学过的构件

1. 纵梁、横梁：典型的受弯构件（第三章、第四章）：

- 算抗弯、抗剪强度；

- 算整体稳定，有面板支撑就不用算；

- 算第六章的挠度，桥梁变形不能太大，不然行车晃、不安全；

2. 对于连接系杆件，存在轴心拉杆、压杆这两种类型，拉杆需计算净截面强度，压杆则要计算稳定性，同时还要控制长细比。

3. 涉及到的所有构件，都需要进行疲劳计算（8.2节），车辆来回反复施加压力，这属于反复动荷载，此情形下必须开展疲劳验算工作，以此防止出现“累断”的状况。

四、第三步：连接设计——重型连接，要求更高

桥面系受力大、动荷载多，连接比天窗严格：

针对工厂拼接，采用的是对接焊缝（7.3节所述），这种焊缝实现等强连接，其强度与构件的强度相同。

针对现场安装所采用的摩擦型高强度螺栓，也就是处于7.7节所涉及的那种，其具备变形十分小的特性，并且抗疲劳的性能很出色，因而适合应用在承受动荷载的环境中。

节点板得加厚，焊缝需饱满，要杜绝焊接方面的缺陷，以此来防止出现脆性断裂，这属于8.1节所提及的情况，同时还要避免疲劳开裂。

五、第四步：构造、防护——桥梁的特殊要求

1. 对于刚度方面的要求而言，其更加严格：桥梁所具备的挠度，以及侧移的限值相较于厂房来说更小，以此确保行车能够拥有舒适且安全的状态。

2. 致力于疲劳控制，焊缝打磨方面达到平顺的状态，不制出尖角以及缺口，将应力集中予以消除，这乃是抗疲劳的核心所在。

3. 重防腐呢，桥梁处于室外环境之中，不但要经受淋雨的状况，而且还得遭遇尾气腐蚀的情况，这样一来就必须采用重防腐蚀涂料（10.3节）。

4. 防火：按桥梁防火规范做保护，保证火灾下的耐火极限。

本节总结

桥梁桁架的桥面构建设计，乃是受弯梁与拉压连接杆件的组合形式，其核心要点额外增添了一项动荷载疲劳验算内容，连接方式采用重型焊缝以及高强螺栓，重点把控变形、疲劳还有防腐方面，整个过程运用的皆是此前所学过的全部知识点，这属于重型钢结构的基础设计思路。

第九章 终极大白话总结

1. 第九章乃整本教材之综合运用，将前面八章的强度，与稳定，以及刚度，还有连接，再加上疲劳，连同防腐，全部串联起来，用以进行实际工程设计。

2. 厂房的天窗属于轻型钢结构，其构件较为简单，荷载主要是静载，关键在于分辨拉压，计算稳定性，进行轻型连接，实施常规防腐。

3. 桁架桥的桥面系属于重型钢结构，它要承受动荷载，因核心部分增多所以有疲劳验算，其连接要求更为严格，防腐要求更高，变形控制也更严格。

4. 在钢结构设计里，存在着这样两个示例，其二者的设计逻辑全然相同，具体表现为，一开始要去计算荷载，接下来再针对构件受力展开分析，随后要对强度、稳定以及刚度进行验算，紧接着要设计连接部分，最后还要制作构造防护，这之中所包含的，便是钢结构设计的完整流程。