单层厂房结构

•单层厂房结构◆本章学习目标：通过本章的学习，要求掌握单层厂房钢结构及钢屋盖的组成。屋盖支撑的种类，作用和布置原则。檩条的型式和普通钢屋架设计、吊车梁的设计。◆本章教学内容：本章讨论的内容有以下四部分：•第一部分：单层厂房钢结构的组成和布置•第二部分：钢屋盖的支撑体系；实腹式檩条的计算•第三部分：普通钢屋架设计•第四部为：吊车梁的设计◆本章重点：普通钢屋架设计。◆本章难点：普通钢屋架设计、吊车梁的设计。◆本章学习方法建议及参考资料：本章与实际联系较紧密，建议学生多多思考。单层厂房结构8.1单层厂房钢结构的组成及布置原则8.1.1单层厂房钢结构的组成单层厂房钢结构一般是由屋盖结构、柱、吊车梁、制动梁（或制动桁架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系（图8.1）。这些构件按其作用可分为下面几类：(1)、横向框架由柱和它所支承的屋架或屋盖横梁组成，是单层厂房钢结构的主要承重体系，承受结构的自重、风、雪荷载和吊车的竖向与横向荷载，并把这些荷载传递到基础。(2)、屋盖结构承担屋盖荷载的结构体系，包括横向框架的屋架、托架、中间屋架、天窗架、檩条等。屋架屋架天窗架檩条柱间支撑柱间支撑柱间支撑有檩屋盖无檩屋盖上弦横向支撑垂直支撑拉条大型屋面板上弦横向支撑图8.1单层厂房结构的组成吊车梁(3)、支撑体系包括屋盖部分的支撑和柱间支撑等，它一方面与柱、吊车梁等组成单层厂房钢结构的纵向框架，承担纵向水平荷载；另一方面又把主要承重体系由个别的平面结构连成空间的整体结构，从而保证了单层厂房钢结构所必需的刚度和稳定。(4)、吊车梁和制动梁（或制动桁架）主要承受吊车竖向及水平荷载，并将这些荷载传到横向框架和纵向框架上。(5)、墙架承受墙体的自重和风荷载。此外，还有一些次要的构件如梯子、走道、门窗等。在某些单层厂房钢结构中，由于工艺操作上的要求，还设有工作平台。•8.1.2厂房设计步骤使厂房满足工艺和便用要求，并能适应今后可能生产过程的变动和发展。规划的主要内容是确定车间的平面和高度方向的主要尺寸和控制标高．布置柱网确定变形缝的位置和做法．并选择主要承重结构〔横向平面框架、纵向平面框架、屋盖结构、吊车梁结构等）体系、布置和形式等。合理规划结构---设计车间平面和高度尺寸、布置柱网和温度伸缩缝---确定框架的主要尺寸---静力计算、构件及连接设计---施工图。规划时应充分考虑设计标准化，生产工厂化、施工机械化的要求，以提高建筑工业化的水平；这些要求主要通过建筑和结构的模数化、定型化和统一化来逐步实现。模数化是使结构布置的主要符合相应的模数尺寸：定型化是同类构件和结构及其连接构造尽量采用相同的典型形式：统一化则进一步使构件和连接的某些主要尺寸也统一起来。这样，可以在厂房中更多地利用标准构配件，甚至对同类型厂房做出广泛适用的标推设计，目前；我国已有梯形钢屋架，钢天窗架．钢托架．钢吊车梁（包括制动梁或珩架）等构件和相应支律体系和连接构造的标准设计图集。8.1.3柱网和温度伸缩缝的布置一、柱网布置柱网布置就是确定单层厂房钢结构承重柱在平面上的排列，即确定它们的纵向和横向定位轴线所形成的网格。单层厂房钢结构的跨度就是柱纵向定位轴线之间的尺寸，单层厂房钢结构的柱距就是柱子在横向定位轴线之间的尺寸。（图8.2）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。厂房是直接为工业生产服务的，不同性质的厂房具有不同的生产工艺流程，各种工艺流程所需主要设备、产品尺寸和生产空间都是决定跨度和柱距的主要因素。柱的位置（包括柱下基础的位置）应和地上（地下）设备、机械及起重运输设备等相协调。此外，柱网布置尚应考虑未来生产发展和生产工艺的可能变动。(2)应满足结构的要求。为了保证车间的正常使用，使厂房具有必要的刚度，应尽量将柱布置在同一横向轴线上，以便与屋架或横梁组成横向框架，提供尽可能大的横向刚度。(3)应符合经济合理的原则。柱距大小对结构的用钢量影响较大，较经济的柱距可通过具体方案比较确定，•例如，在柱子较高、跨度较大而吊车起重量又较小的车间中，采用大柱距可能是经济合理的。(4)为了降低制作和安装工作量，应尽量实现结构构件的统一化和标准化，满足《厂房建筑统一化基本规则》的规定：当单层厂房钢结构跨度小于或等于18m时，应以3m为模数，即9m、12m、15m、18m；当厂房跨度大于18m时，则以6m为模数，即24m、30m、36m。但是当工艺布置和技术经济有明显的优越性时，也可采用21m、27m、33m等。厂房的柱距一般采用6m较为经济，当工艺有特殊要求时，可局部抽柱，即柱距做成12m、24m对某些有扩大柱距要求的单层厂房钢结构也可采用9m及48m柱距。二、温度伸缩缝温度变化将引起结构变形，使厂房钢结构产生温度应力。故当厂房平面尺寸较大时，为避免产生过大的温度变形和温度应力，应在厂房钢结构的横向和纵向设置温度伸缩缝。温度伸缩缝的布置决定于厂房钢结构的纵向和横向长度。纵向很长的厂房在温度变化时，纵向构件伸缩的幅度较大，引起整个结构变形，使构件内产生较大的温度应力，并可能导致墙体和屋面的破坏。为了避免这种不利后果的产生，常采用横向温度伸缩缝将单层厂房钢结构分成伸缩时互不影响的温度区段。按规范规定，当温度区段长度不超过表9.1的数值时，可不计算温度应力。图8.3温度伸缩缝最普遍的做法是设置双柱。即在缝的两旁布置两个无任何纵向构件联系的横向框架，使温度伸缩缝的中线和定位轴线重合(图8.2,a)；在设备布置条件不允许时，可采用插入距的方式(图8.2,b)，将缝两旁的柱放在同一基础上，其轴线间距一般可采用1m，对于重型厂房由于柱的截面较大，可能要放大到1.5m或2m，有时甚至到3m，方能满足温度伸缩缝的构造要求。为节约钢材也可采用单柱温度伸缩缝，即在纵向构件（如托架、吊车梁等）支座处设置滑动支座，以使这些构件有伸缩的余地。不过单柱伸缩缝使构造复杂，实际应用较少。当厂房宽度较大时，也应该按规范规定布置纵向温度伸缩缝。当单层厂房位于地震区时，其伸缩缝尚应符合防震缝的要求。此外，当厂房的平、立面布置复杂或由高度或刚度相差很大的邵分组成时，也应用防震缝将不同刚度部分分开（图)。防震缝宽度按厂房和地震设计烈度等情况确定一般单层厂房取50-90m纵横跨空接处取100-150m。沉降缝用于厂房相邻部分的高度、荷或、吊车起重量或基础体系相差很大或地基条件有严重差异等情况以防止结构或屋面、墙面等在过大的基础不均匀沉降下发生裂缝或破坏。8.2横向框架的结构8.2.1框架的类型单层厂房的基本承重结构通常采用框架结构体系。这种体系能够保证必要的横向刚度，同时其净空又能满足使用上的要求。横向框架按其静力计算模式来分，主要有横梁与柱铰接和横梁与柱刚接两种情况。如按跨度来分，则有单跨、双跨和多跨。横梁与柱铰接的框架，在传统单层厂房钢结构中常可见到。由于其横向刚度较差，常不能满足吊车使用上的要求，因此这种结构类型现在很少采用。横梁与柱刚接的框架具有良好的横向刚度，但对于支座不均匀沉降及温度作用比较敏感，需采取防止不均匀沉降的措施。轻钢厂房采用的门式刚架属于横梁与柱刚接，而且由于结构自重与传统单层厂房钢结构相比大为减轻，沉降问题不甚严重，因而是一种较好的结构形式。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）阶梯形柱：上段柱：实腹式,格构式。下段柱：缀条格构式。分离式柱：吊车肢,屋盖肢优点：减小两肢在框架平面内的计算长度,两肢分别单独承担荷载。8.2.2主要尺寸框架的主要尺寸如图8.4所示。框架的跨度，一般取为上部柱中心线间的横向距离，可由下式定出：图8.4mm•8.2.3计算简图单层厂房钢结构一般由横向框架作为承重结构，而横向框架通常由柱和桁架（横梁）所组成。横梁与柱子的连接可以是铰接，亦可以是刚接，相应地，称横向框架为铰接框架（又称排架）或刚接框架。对一些刚度要求较高的厂房（如设有双层吊车，装备硬钩吊车等），尤其是单跨重型厂房，宜采用刚接框架。在多跨时，特别在吊车起重量不很大和采用轻型围护结构时，适宜采用铰接框架。各个横向框架之间有屋面板或檩条、托架、屋盖支撑等纵向构件相互连接在一起，故框架实际上是空间工作的结构，应按空间工作计算才比较合理和经济，但由于计算较繁，工作量大，所以通常均简化为单个的平面框架（图）来计算。框架计算单元的划分应根据柱网的布置确定（图），使纵向每列柱至少有一根柱参加框架工作，应将受力最不利的柱划入计算单元中。对于各列柱距均相等的单层厂房钢结构，只计算一个框架。对有抽柱的计算单元，一般以最大柱距作为划分计算单元的标准，其界限可以采用柱距的中心线，也可以采用柱的轴线，如采用后者，则对计算单元的边柱只应计入柱的一半刚度，作用于该柱的荷载也只计入一半。对于由格构式横梁和阶形柱（下部柱为格构柱）所组成的横向框架，一般考虑桁架式横梁和格构柱的腹杆或缀条变形的影响，将惯性矩（对高度有变化的桁架式横梁按平均高度计算）乘以折减系数0.9，简化成实腹式横梁和实腹式柱。对柱顶刚接的横向框架，当满足下式的条件时，可近似认为横梁在水平荷载作用下刚度为无穷大，否则横梁按有限刚度考虑：图8.5ABC横向框架的计算高度H：柱顶刚接时，可取为柱脚底面至框架下弦轴线的距离(图a)（横梁假定为无限刚性），或柱脚底面至横梁端部形心的距离（横梁为有限刚性）(图b)；柱顶铰接时，应取为柱脚底面至横梁主要支承节点间距离(图c.d)。对阶形柱应以肩梁上表面作分界线将H划分为上部柱高度H1和下部柱高度H2。图8.68.2.4横向框架的荷载作用在横向框架上的荷载可分为永久荷载和可变荷载两种。永久荷载有：屋盖系统、柱、吊车梁系统、墙架、墙板及设备管道等的自重。这些重量可参考有关资料、表格、公式进行计算。可变荷载有：风、雪荷载、积灰荷载、屋面均布活荷载、吊车荷载、地震作用等。这些荷载可由荷载规范和吊车规格查得。对框架横向长度超过容许的温度缝区段长度而未设置伸缩缝时，则应考虑温度变化的影响。对单层厂房钢结构地基土质较差、变形较大或单层厂房钢结构中有较重的大面积地面荷载时，则应考虑基础不均沉陷对框架的影响。雪荷载一般不与屋面均布活荷载同时考虑，积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载两者中的较大者同时考虑。荷载化为均布的线荷载作用于框架横梁上。当无墙架时，纵墙上的风力一般作为均布荷载作用在框架柱上；有墙架时，尚应计入由墙架传于框架柱的集中风荷载。作用在框架横梁轴线以上的桁架及天窗上的风荷载按集中在框架横梁轴线上计算。吊车垂直轮压及横向水平力一般根据同一跨间、两台满载吊车并排运行的最不利情况考虑，对多跨单层厂房钢结构一般只考虑4台吊车作用。8.2.5内力分析和内力组合框架内力分析可按结构力学的方法进行，也可利用现成的图表或计算机程序分析框架内力。应根据不同的框架，不同的荷载作用，采用比较简便的方法。为便于对各构件和连接进行最不利的组合，对各种荷载作用应分别进行框架内力分析。为了计算（设计）框架构件的截面，必须将框架在各种荷载作用下所产生的内力进行最不利组合。要列出上段柱和下段柱的上下端截面中的弯矩M、轴向力N和剪力V。此外还应包括柱脚锚固螺栓的计算内力。每个截面必须组合出+Mmax和相应的N、V；－Mmax和相应的N、V；Nmax和相应的M、V；对柱脚锚栓则应组合出可能出现的最大拉力；即Mmax和相应的N、V；－Mmax和相应的N、V。柱与桁架刚接时，应对横梁的端弯矩和相应的剪力进行组合。最不利组合可分为四组：第一组组合使桁架下弦杆产生最大压力(图a)；第二组组合使桁架上弦杆产生最大压力，同时也使下弦杆产生最大拉力(图,b)；第三、四组组合使腹杆产生最大拉力或最大压力(图,c、d)。组合时考虑施工情况，只考虑屋面恒载所产生的支座端弯矩和水平力的不利作用，不考虑它的有利作用。图8.7在内力组合中，一般采用简化规则由可变荷载效应控制的组合：当只有一个可变荷载参与组合时，组合值系数取1.0，即：恒+可变荷载；当有两个或两个以上可变荷载参与组合时，组合值系数取0.9，即