建筑钢结构设计第一章(一)

第一章单层厂房结构§1.1厂房结构的形式和布置§1.2厂房结构的框架形式§1.3框架柱设计特点§1.4屋盖结构§1.5吊车梁设计特点§1.6轻型门式刚架结构§1.7墙架体系§1.1厂房结构的形式和布置一、厂房结构的组成单层厂房钢结构是由屋盖结构、柱、吊车梁、制动梁（或桁架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系，详见图1.1。上述构件按其作用分为以下几类：(1)横向框架：柱+屋架；(2)屋盖结构：横梁+托架+中间屋架+天窗架+檩条等；(3)支撑体系：屋盖支撑+柱间支撑；(4)吊车梁和制动梁（或制动桁架）；(5)墙架：承受墙体的自重和风荷载。图1-1厂房结构的组成实例（a无檩屋盖；b有檩屋盖）图1-2厂房结构的工程实例图1-3厂房结构的工程实例图1-4厂房结构的工程实例图1-3a太原理工大土木工程实验室（无檩体系）图1-3b太原理工大土木工程实验室（无檩体系）图1-3c太原理工大土木工程实验室（无檩体系）图1-4重型工业厂房（有檩体系）二、柱网布置柱网布置是确定单层钢结构厂房承重柱在平面上的排列。进行柱网布置时，应注意以下几方面的问题：(1)应满足生产工艺要求(2)应满足结构的要求(3)应符合经济合理的原则(4)应符合柱距规定要求三、温度伸缩缝温度变化引起结构变形和温度应力，应在厂房的横向和纵向设置温度伸缩缝。图1-5柱网布置温度伸缩缝的布置取决于厂房的纵向和横向长度。规范规定，当温度区段超过表1-1的数值时，应考虑温度应力。结构情况纵向温度区段(垂直屋架或构架跨度方向)横向温度区段(屋架或构架跨度方向)柱顶为刚接柱顶为铰接采暖房屋和非采暖地区的房屋220120150热车间和采暖地区的非采暖房屋180100125露天结构120----温度区段长度表1-1温度伸缩缝最普遍的做法：设置双柱+单柱温度伸缩缝。§1.2厂房结构的框架形式单层厂房的基本承重结构通常采用框架结构体系。横向框架按其静力计算模式分：横梁与柱铰接+横梁与柱刚接两种情况。一般柱脚与基础刚接。按跨度分:单跨、双跨和多跨。一、横向框架主要尺寸和计算简图1.主要尺寸（图1-6）框架跨度（L0）:上部柱中心线间的横向距离。L0=Lk+2S;S=B+D+b1/2框架高度（H）:柱脚底面到横梁下弦底部的距离。H=h1+h2+h3;h1=A+100+（150～200）H2H1图1-6框架主要尺寸式中：LK——桥式吊车的跨度；S——由吊车梁轴线至上段柱轴线的距离，中型厂房一般采用0.75m或1.0m，重型厂房为1.25m或2.0m；B——吊车桥架悬伸长度；D——吊车外缘和柱内边缘之间的必要空隙；b1——上段柱宽度；h1——吊车轨顶至屋架下弦底面的距离；h2——地面至吊车轨顶的高度，由工艺要求确定；h3——地面至柱脚底面的距离，中型车间约为0.8m～1.0m，重型车间约为1.0m～1.2m；2.计算简图横向框架梁与柱的连接形式：刚接框架:（a）、（b）横梁与柱子的刚接连接铰接框架:（c）横梁与柱子的铰接连接。（a）（b）（c）图1-7横向框架的计算简图图1-8横向框架的高度取值方法计算简图中两个参数的取值：Ⅰ.计算跨度L0—两上柱轴线之间的距离；Ⅱ.计算高度H—梁柱连接方式（刚接or铰接；上承式or下承式）+横梁刚度是否∞；（1）梁柱刚接+横梁刚度∞：柱脚底面至框架下弦轴线的距离；（2）梁柱刚接+横梁刚度有限：柱脚底面至横梁端部形心的距离；（3）梁柱铰接+横梁上承式：柱脚底面至横梁主要支撑节点间距离；（4）梁柱铰接+横梁下承式：柱脚底面至横梁主要支撑节点间距离；补充：柱顶刚接，横梁刚度是否∞判别方法：（1）转动刚度S判别法：4ACABSS（1-1）式中：—横梁在A点的抗弯刚度，即当横梁远端固定，使近端A点转动单位转角时在A点所需施加的弯矩值；—柱在A点的抗弯刚度，即使柱子转动单位转角时在A点所需施加的弯矩值；满足上式（1-1）时，横梁可认为无限刚，否则为有限刚。（2）惯性矩I判别法：式中：I0、I1—横梁和柱下段的惯性矩；H、L—框架的计算高度和跨度。当H/L〉1.0时，按H/L=1.0计算。满足上式（1-2）时，横梁可认为无限刚，否则为有限刚。上述两种方法，第二种较为简便。ABS1ACS1LHII5.33.410～（1-2）二、横向框架的荷载和内力1.荷载a.永久荷载:结构自重+屋盖+墙面等自重；b.可变荷载:屋面活荷载、风、雪、积灰、吊车荷载及地震荷载。注:Ⅰ.荷载分项系数取值；Ⅱ.风荷载的简化；Ⅲ.吊车的组合等。2.内力分析和内力组合a.分析原则：各种荷载作用应分别进行框架内力分析，后组合；b.构件内力组合：Ⅰ.框架柱：上柱上端和下段+下柱上端和下端—4个控制截面;3组内力组合:+Mmax,N,V；-Mmax,N,V；Nmax,M,V。Ⅱ.柱脚锚栓：2组内力组合:+Mmax,N,V；-Mmax,N,V；Ⅲ.刚接屋架：4组内力组合:（1）屋架下弦产生最大压力；（2）屋架上弦产生最大压力，同时下弦杆产生最大拉力；（3）屋架腹杆产生最大拉力；（4）屋架腹杆产生最大压力；图1-9框架横梁端弯矩最不利组合三、框架柱的类型1.结构形式分：等截面柱、阶形柱和分离式柱；2.截面形式分：实腹式柱和格构式柱；四、纵向框架柱的柱间支撑上层柱间支撑：吊车梁上部的柱间支撑；下层柱间支撑：吊车梁下部的柱间支撑；1.柱间支撑布置：1）每列柱都要设柱间支撑；2）多跨厂房的中列柱的柱间支撑要与边列柱的柱间支撑布置在同一柱间；3）下层柱间支撑一般宜布置在温度区段的中部，以减少纵向温；柱间支撑下层柱间支撑上层柱间支撑图1-10柱间支撑温度应力的影响。4）上层柱间支撑除了要在下层柱间支撑布置的柱间设置外,还应、当在每个温度区段的两端设置。5）每列柱顶均要布置刚性系杆。2.柱间支撑作用1）承受并传递纵向水平荷载：风荷载、吊车纵向水平荷载、纵向地震力等。2）减少柱在平面外的计算长度。3）保证厂房的纵向刚度。3.柱间支撑形式(a)单层十字形(b)人字形(c)门形(d)双层十字形下层柱间支撑的形式(a)十字形(b)人字形(c)V字形上层柱间支撑的形式图1-11柱间支撑形式§1.3框架柱设计特点一、柱的计算长度等截面柱—6.5节确定。《规范》5.3.4条：单层厂房框架下段刚性固定的阶形柱，下段柱的计算长度系数取决于上段柱和下段柱的线刚度比值和临界力参数。1.单阶柱—平面内计算长度a.下段柱的计算长度系数：当柱上端与横梁铰接时，按规范（柱上端为自由的单阶柱）的数值×折减系数；当柱上端与横梁刚接时，按规范（柱上端可移动但不转动的单阶柱）的数值×折减系数；212211HIHIK1221211ININHH2b.上段柱的计算长度系数：2.双阶柱—平面内计算长度a.下段柱的计算长度系数：当柱上端与横梁铰接时，按规范（柱上端为自由的双阶柱）的数值×折减系数；当柱上端与横梁刚接时，按规范（柱上端可移动但不转动的双阶柱）的数值×折减系数；b.上段柱和中段柱的计算长度系数和：11213121312323.框架柱—平面外计算长度阻止框架平面外位移的侧向支承点之间的距离。注：侧向支承点—柱间支撑的节点；与此节点相连的纵向构件（如吊车梁、制动结构、辅助桁架、托架、纵梁和刚性系杆等）；柱在框架平面外处，柱脚和连接节点可视为铰接。二、柱的截面验算上段柱—实腹式压弯构件；下段柱—格构式压弯构件：平面内整体稳定+分肢稳定；三、肩梁的构造和计算肩梁—上、下柱连接和传递吊车梁支反力的重要部位；分单壁式和双壁式两种。由上盖板、下盖板、腹板及垫板组成。构造要求：肩梁惯性矩宜大于上柱的惯性矩，其线刚度与下柱单肢线刚度之比一般宜不小于25，其高跨比可控制在0.35～0.5之间。双臂肩梁：刚度大，整体性好，适宜用于柱截面宽度较大（不小于900mm)的情形。四、托架（托梁）—上承屋架，下传柱子托架与屋架的连接叠接：构造简单、便于施工、但托架（托梁）受扭。平接：可以有效地减轻托架（托梁）受扭的不利影响，常采用。lblh)5.2151()81~101(托梁：lh)51~101(托架：图1-12托架（托梁）与屋架连接形式