第7章单层厂房结构

设计钢结构第七章单层厂房结构设计钢结构第七章单层厂房结构7.1厂房结构的形式和布置7.2厂房结构的框架形式7.3屋盖结构7.4框架柱设计特点7.5轻型门式刚架结构7.6吊车梁设计特点7.7墙架体系1.熟悉单层厂房结构形式及布置，钢屋盖结构构造和设计计算。2.了解轻型门式刚架的构造和设计。3.了解吊车梁的构造与设计。4.掌握框架柱的设计。本章目录基本要求设计钢结构第七章单层厂房结构第7.1节厂房结构的形式和布置1.厂房结构的组成2.厂房结构的设计步骤3.柱网和温度伸缩缝的布置1.了解厂房结构的组成2.了解厂房的设计步骤及柱网伸缩缝的布置本节目录基本要求设计钢结构第七章单层厂房结构7.1.1厂房结构的组成(b)有檩屋盖屋架柱间支撑檩条拉条上弦横向支撑柱间支撑图7.1.1厂房结构的组成垂直支撑大型屋面板柱间支撑上弦横向支撑天窗架屋架(a)无檩屋盖设计钢结构第七章单层厂房结构其构件按作用可分为：◆横向框架由柱和屋架组成,是厂房的主要承重体系。◆屋盖结构承担屋盖荷载，包括横向框架的横梁、托架、中间屋架、天窗架、檩条等。◆支撑体系包括屋盖部分的支撑和柱间支撑等，作用有二：承担纵向水平荷载；把主要承重体系连成空间的整体结构，保证厂房结构必需的刚度和稳定。◆吊车梁和制动梁(或制动衔架)主要承受吊车竖向及水平荷载。◆墙架承受墙体的自重和风荷载。次要的构件：梯子、走道、门窗等。在某些厂房中，还有工作平台。设计钢结构第七章单层厂房结构7.1.2厂房结构的设计步骤（1）规划厂房的建筑和结构（2）静力计算（3）构件及连接设计（4）绘制施工图7.1.3柱网和温度伸缩缝的布置7.1.3.1柱网布置进行柱网布置时，应注意以下几方面的问题：◆满足生产工艺的要求◆满足结构的要求尽可能将柱布置在同一的横向轴线上。设计钢结构第七章单层厂房结构◆符合经济合理的要求确定方案时应进行综合比较。◆符合柱距规定要求对厂房横向，当跨度L≤18m时，其跨度宜采用3m的倍数；当厂房跨度L≥18m时，其跨度宜采用6m的倍数。对厂房纵向，以前基本柱距一般采用6m或12m，现在采用压型钢板作屋面和墙面材料的厂房日益广泛，常以18m甚至24m作为基本柱距。多跨厂房的中列柱，常因工艺要求需要“拔柱”。其柱距为基本柱距的倍数，最大可达48m。设计钢结构第七章单层厂房结构图7.1.2柱网布置和温度伸缩缝(a)各列柱距相等(b)中间柱有拔柱asaaaccc计算单元2aacc计算单元aaaaaaaa插入距(a)(b)设计钢结构第七章单层厂房结构7.1.3.2温度伸缩缝设置温度伸缩缝是为了避免产生过大的温度变形和和温度应力。在纵向，常采用温度伸缩缝将厂房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7.1时，可不计算温度应力。表7.1温度区段长度值——120露天结构125100180热车间和采暖地区的非采暖房屋150120220采暖房屋和非采暖地区的房屋柱顶为铰接柱顶为刚接横向温度区段（沿屋架或构架跨度方向）纵向温度区段（垂直于屋架或构架跨度方向）温度区段长度（m）结构情况设计钢结构第七章单层厂房结构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，但构造复杂。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。温度伸缩缝最普通的做法是设置双柱。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；在设备布置条件不允许时，可采用“插入距”的方式。设计钢结构第七章单层厂房结构第7.2节厂房结构的框架形式1.横向框架主要尺寸和计算简图2.横向框架的荷载和内力3.框架柱的类型4.纵向框架的柱间支撑1.了解厂房框架柱的类型及柱间支撑2.掌握横向框架的计算本节目录基本要求设计钢结构第七章单层厂房结构7.2.1横向框架主要尺寸和计算简图7.2.1.1主要尺寸框架的主要尺寸见图7.2.1。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：SLL2k0——桥式吊车的跨度；式中kL图7.2.1横向框架的主要尺寸h2h1h3H2HH1SL0Lx设计钢结构第七章单层厂房结构D——车外缘和柱内边缘之间的必要空隙：当吊车起重量不大于500kN时，不宜小于80mm；当吊车起重量大于或等于750kN时，不宜小于100mm；当在吊车和柱之间需要设置安全走道时，则D不得小于400mm；S——由吊车梁轴线至上段柱轴线的距离，应满足下式要求B——吊车桥架悬伸长度，可由行车样本查得；2/1bDBS图7.2.2柱与吊车梁轴线间的净距L0Lxh1h2BSDb1b1/2设计钢结构第七章单层厂房结构b1——上段柱宽度。S的取值：对于中型厂房一般采用0.75m或1m，重型厂房则为1.25m甚至达2.0m。框架由柱脚底面到横梁下弦底部的距离:321hhhH式中:h3—地面至柱脚底面的距离。中型车间约为0.8-1.0，重型车间为1.0～1.2；h2—地面至吊车轨顶的高度，由工艺要求定；设计钢结构第七章单层厂房结构mm200~1501001Ah式中：A为吊车轨道顶面至起重小车顶面之间的距离；100mm是为制造、安装误差留出的空隙；(150～200)mm则是考虑屋架的挠度和下弦水平支撑角钢的下伸等所留的空隙。吊车梁的高度可按(1/5～1/12)选用，L为吊车梁的跨度，吊车轨道高度可根据吊车起重量决定。h1——吊车轨顶至屋架下弦底面的距离：设计钢结构第七章单层厂房结构7.2.1.2计算简图通常简化为平面框架计算。框架计算单元应使纵向每列柱至少有一根柱参加框架工作，同时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厂房，只计算一个框架。对有拔柱的计算单元，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。设计钢结构第七章单层厂房结构图7.2.3横向框架的计算简图(a)柱顶刚接(b)柱顶铰接H1H2HL(a)H1H2HL1L2(b)设计钢结构第七章单层厂房结构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，需要将惯性矩(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，可近似认为横梁刚度为无穷大：4ACABKKABK式中——横梁在远端固定使近端A点转动单位角时在A点所需施加的力矩值；——柱在A点转动单位角时在A点所需施加的力矩值。ACK框架的计算跨度L(或L1、L2)取为两上柱轴线之间的距离。设计钢结构第七章单层厂房结构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(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)；柱顶铰接时，应取为柱脚底面至横梁主要支承节点间距离。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7.2.4横向框架的高度取值方法H2HH1H2HH1H2HH1H2HH1长圆孔相连(a)(b)(c)(d)设计钢结构第七章单层厂房结构7.2.2横向框架的荷载和内力7.2.2.1荷载作用在横向框架上的荷载有永久荷载、可变荷载、施工荷载。永久荷载：屋盖系统、柱、吊车梁系统、墙架、墙板及设备管道等的自重。可参考有关资料、表格、公式进行估计。可变荷载：风、雪荷载、积灰荷载、屋面均布活荷载、吊车荷载等。可由荷载规范和吊车规格查得。施工荷载：考虑在施工中采取临时性措施。设计钢结构第七章单层厂房结构7.2.2.2内力组合分析框架内力分析可按结构力学的方法进行，也可利用计算图表或计算机程序。对于单跨刚架，分别以荷载标准值分析以下工况：◆永久荷载；◆屋面活荷载；◆左（或右）风荷载；◆吊车左（或右）刹车力；◆吊车小车靠近左（或右）时的重力。然后，按照承载能力极限状态或正常使用极限状态组合。设计钢结构第七章单层厂房结构最不利的内力组合①受弯构件最多只需四种内力组合：Ⅰ:Ⅱ:Ⅲ:Ⅳ:max,MNmax,MNmax,VMmax,VM②压弯构件最多只需四种内力组合：Ⅰ:Ⅱ:Ⅲ:Ⅳ:max,MNmax,MNmax,NMmax,NM设计钢结构第七章单层厂房结构柱与屋架刚接时，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：◆使屋架下弦杆产生最大压力；◆使屋架上弦杆产生最大压力，同时也使下弦杆产生最大拉力；◆使腹杆产生最大拉力◆使腹杆产生最大压力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。(a)MHMH(c)MHMH(b)MHMH(d)MHMH图7.2.5设计钢结构第七章单层厂房结构7.2.3框架柱的类型框架柱按结构形式可分为等截面柱、阶形柱和分离式柱三大类。等截面柱有实腹式和格构式两种,通常采用实腹式。等截面柱将吊车梁支于牛腿上，构造简单，但吊车竖向荷载偏心大，只适用于吊车起重量Q＜150kN，或无吊车且厂房高度较小的轻型厂房中。阶形柱用钢量比等截面柱节省。也分为实腹式和格构式两种。框架柱形式见图7.2.6。设计钢结构第七章单层厂房结构图7.2.6框架柱的形式(a)等截面实腹柱；(b)等截面格构柱；(c)阶形实腹柱；(d)阶形格构柱；(e)双阶柱;(f)分离式柱(a)H(b)H(c)室内地面标高柱底标高(f)室内地面标高柱角底面标高(e)H3H2H1(d)设计钢结构第七章单层厂房结构分离式柱：由支承屋盖结构的屋盖肢和支承吊车梁或吊车桁架的吊车肢所组成，两柱肢之间用水平板相连接。屋盖肢承受屋面荷载、风荷载及吊车水平荷载，按压弯构件设计；吊车肢在框架平面内的稳定性依靠连在屋盖肢上的水平连系板保证。吊车肢仅承受吊车的竖向荷载，当吊车梁采用突缘支座时，按轴心受压构件设计，当采用平板支座时，仍按压弯构件设计。分离式柱构造简单，制作和安装比较方便，但用钢量比阶形柱多，且刚度较差，只宜用于吊车轨顶标高低于10m、且吊车起重量Q≥750kN，或者相邻两跨吊车的轨顶标高相差很悬殊，而低跨吊车起重量Q≥500kN。设计钢结构第七章单层厂房结构7.2.4纵向框架的柱间支撑7.2.4.1柱间支撑的作用和布置柱间支撑的作用为：◆组成坚强的纵向构架，保证厂房的纵向刚度；◆承受厂房端部山墙的风荷载、吊车纵向水平荷载及温度应力等，在地震区尚应承受厂房纵向的地震力，并传至基础。◆可作为框架柱在框架平面外的支点，减少柱在框架平面外的计算长度。设计钢结构第七章单层厂房结构柱间支撑由两部分组成：在吊车梁以上的部分称为上层支撑。吊车梁以下部分称为下层支撑，下层柱间支撑与柱、吊车梁在纵向组成刚性很大的悬臂桁架。为了使纵向构件在温度发生变化时能较自由地伸缩，下层支撑应该设在温度区段中部。只有当吊车位置高而车间总长度又很短(如混铁炉车间)时，下层支撑设在两端才是合理的。当温度区段小于90m时，在它的中央设置一道下层支撑[图7.2.7(a)]；如果温度区段长度超过90m，则在它的1/3点处各设一道支撑[图7.2.7(b)]。设计钢结构第七章单层厂房结构图7.2.7柱间支撑的布置(b)(a)设计钢结构第七章单层厂房结构上层柱间支撑又分为两层，第一层在屋架端部高度范围内属于屋盖垂直支撑。第二层在屋架下弦至吊车梁上翼缘范围内。为了传递风力，上层支撑需要布置在温度区段端部。此外，在有下层支撑处也应设置上层支撑。上层柱间支撑宜在柱的两侧设置，只有在无人孔而柱截面高度不大的情况下才可沿柱中心设置一道。下层柱间支撑应在柱的两个肢的平面内成对设置；与外墙墙架有联系的边列柱可仅设在内侧，但重级工作制吊车的厂房外侧也同样设置支撑。设计钢结构第七章单层厂房结构7.2.4.2柱间支撑的形式和组成柱间支撑按结构形式可分为十字交叉式、八字式、门架式等，如图7.2.8。图7.2.8柱间支撑的形式(a)(b)(c)(d)(e)设计钢结构第七章单层厂房结构上层柱间支撑承受端墙传来的风力；下层柱间支撑除承受端墙传来的风力以外，还承受吊车的纵