1、5 单层厂房钢结构设计,5.1 单层厂房钢结构的组成及布置原则,一、 单层厂房钢结构的组成,单层厂房钢结构一般由屋盖结构、柱、吊车梁、制动梁（或制动桁架）、各类支撑及墙架等构件组成的空间体系。按其作用分为：,1.横向框架,2.屋盖结构,3.支撑体系,4.吊车梁和制动梁,5.墙架,二 屋盖结构体系 （1）框架概念： 单层工业厂房、其主要承重骨架，是由一组梁(屋架)与柱组成的平面主框架，通过一系列纵向构件(包括屋盖的连接构件、屋盖及柱的支撑构件及托架、吊车梁、纵梁等)连接成的一种结构体系，也就是工程中常说的框排架结构。严格地讲，这种结构属于空结构体系（非纯框架），理应按空间框架结构设计计算。但考虑
2、到工作量比较庞大，通常设计时将问题简化为平面框架结构体系(即结构设计计算模型为平面框架，不考虑纵向构件与横向框架的空间整体作用)。本章所讨论的即属于这种结构体系。 （2）框架类型p151图： 铰接框架：横梁与柱子铰接，适用于吊车起重量不很大的轻型围护结构。 刚接框架：横梁与柱子刚接,适用于设有双层吊车,硬钩吊车的单跨重型结构。 注意：横梁与柱铰接的框架，由于其横向刚度较差，常不能满足吊车使用上的要求，因此这种结构类型除了门式刚架外，再很少采用。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。,三 柱网布置 影（一）影响柱网布置因素：1）
3、生产工艺流程要求：工艺要求柱的位置与车间内机械、起重、运输设备相协调 符合生产流程，还要考虑生产过程的可能变动。2）结构上的要求：结构要求柱间距尽可能相等，跨度较大的横向框架采用轻 钢结构屋面及外墙时，纵向柱距可增大到7.5米、9米等3）模数要求：跨度不小于30M，高度不小于14M，吊车起重量不小于50T,柱 柱距一般取12M较为经济；参数较小的厂房取6M柱距较为合适；对轻型围护结构厂房，可适当增大柱距,（二）温度缝，沉降缝，抗震缝（1）对混凝土预制屋面板厂房：温度缝间距纵横均为100m （2）对压型钢板屋面厂房：温度缝间距为180220m （3）地基刚度差异较大，或厂房荷载，高低差异较大应设
4、柱基础独立的沉降缝 （4）按抗震要求设置的温度缝或沉降缝，也称为抗震缝,5.2 钢屋盖结构：一：类别,平面钢屋架,空间桁架,网架,带圈梁的球节点周边支撑车间,螺栓球节点锥头,螺栓球节点（毂节点）示意图,周边支承平板网架厂房：在短跨方向每间隔18m，有4个中间点支承，分四个跨度，每个跨度装一台电动单梁悬挂吊车，其重5T，吊车跨度为15m，属典型的加装悬挂吊车的网架车间,柱顶用倒锥形树状支撑的点支承厂房多点支承的网架悬臂长度一般取跨度的1/41/3，其中单跨网架宜取接近于跨度的1/4；多跨网架宜取接近于跨度的1/3,点支撑正交正放四角锥网架厂房,二、 平面钢屋盖结构的形式、组成及布置,钢屋盖结构通
5、常由屋面、檩条、屋架、托架和天窗等构件组成。根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，可分为无檩屋盖体系和有檩屋盖体系。,房屋横向刚度大，整体性、耐久性好；屋面板自重大，屋盖及下部结构用料多，对抗震不利。,屋架间距灵活，构件重量轻、施工、安装方便；屋盖构件数量多，整体刚度差。,1.无檩屋盖结构体系：,2.有檩屋盖结构体系：,一般用于预应力混凝土大型屋面板等重型屋面，将屋面板直接放在屋架上。,常用于轻型屋面材料的情况。,3.天窗架形式,4.托架形式,无檩屋盖,平面屋架在屋架平面外的刚度和稳定性很差，不能承受水平荷载。因此，为使屋架结构有足够的空间刚度和稳定性，必须在屋架间设置支撑系统。,上弦横向水平
6、支撑下弦横向水平支撑下弦纵向水平支撑垂直支撑系杆,组成,三、 钢屋盖支撑,1.上弦横向水平支撑,组成： 屋架上弦、斜向杆件、檩条、系杆 作用：保证屋架侧向刚度和屋盖的空间刚度，减小上弦在平面外计算长度，承受和传递端墙的风荷载。 布置：,上弦横向水平支撑一般应设置在房屋两端或纵向温度区段两端的第一柱间或第二柱间，其最大间距为60m，否则在中间应增设一道或几道支撑。有时可将其布置在第二个柱间，但在第一个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力。,2.下弦横向水平支撑,组成：屋架下弦杆、斜杆、系杆 作用：山墙抗风柱的支点，承受并传递水平风荷载、悬挂吊车的水平力和地震引起的水平力，减小下弦的平面外
7、计算长度，减小下弦的振动。 布置：与上弦横向支撑布置在同一开间，形成稳定的空间体系，其最大间距为60m。 屋架跨度大于18m时， 屋架下弦设有悬挂吊车时， 抗风柱支承在屋架下弦时， 屋架下弦设通长纵向支撑时，宜设屋架下弦横向支撑。,3.下弦纵向水平支撑 组成：系杆、斜杆 作用：增加屋盖空间刚度，承受和传递吊车横向水平制动力。 布置：屋架两边，与横向支撑形成封闭框。 当房屋较高、跨度较大、空间刚度要求较高时，设有支承中间屋架的托架，或设有重级或大吨位的中级工作制桥式吊车等较大振动设备时，均应在屋架端节间平面内设置纵向水平支撑。一般情况可以省掉。,下弦纵向水平支撑,组成：系杆、斜杆 作用：使相邻屋
8、架形成几何不变的空间体系，保证侧向稳定。 布置位置： 屋架的垂直支撑应与 上、下弦横向水平支 撑设置在同一柱间。 每隔45个开间布置 一道。,4.垂直支撑,无天窗，跨度l30m，布置在屋架两端、跨度l/3处 。,布置原则:,（1）梯形或平行弦屋架,无天窗，跨度l30m，布置在屋架两端、跨中。,垂直支撑的布置,垂直支撑的布置,有天窗、跨度l30m，布置在屋架两端、跨度l/3处、天窗架两端 。,有天窗、跨度l30m，布置在屋架两端、跨中、天窗架两端 。,垂直支撑的布置,垂直支撑的布置,（2）三角形屋架,跨度小于18m时，布置在屋架中间 。,跨度大于18m时，一般视具体情况布置两道 。,垂直支撑的布
9、置,垂直支撑的布置,桁架高跨比一般为1/81/6 陡坡屋面可采用平行弦起拱，单斜式设拉杆,或吊顶可作弧线形, 梯形桁架常可加预应力构件； 对带横向天窗的纵向桁架,可用倒三角屋架防上弦失稳 一般跨度24m的梯形屋架和跨度15m的三角形屋架,中间起拱约为跨度的1/500,屋架支撑为平行弦桁架，屋架弦杆可兼作支撑桁架的弦杆，斜腹杆一般采用十字交叉式，与弦杆的交角在30o60o之间。通常横向水平支撑节点间的距离为屋架上弦节间距离的24倍，纵向水平支撑的宽度取屋架端节间的长度，一般为6m左右。支撑中的交叉斜杆以及柔性系杆按拉杆设计压杆认为已压屈，不存在。通常用单角钢做成；非交叉斜杆、弦杆、横杆以及刚性系
10、杆按压杆设计，宜采用双角钢做成的T形截面或十字形截面，其中横杆和刚性系杆常用十字形截面使在两个方向具有等稳定性。屋盖支撑受力较小，截面尺寸一般由杆件容许长细比和构造要求决定。支撑与屋架的连接通常用M20的C级螺栓，支撑与天窗架的连接通常用M16的C级螺栓 。,6.支撑的计算和构造, 保证屋盖的整体性，提高空间刚度仅由平面桁架、檩条及屋面材料组成的屋盖结构，是一个不稳定的体系，如果将某些屋架在适当部位用支撑连系起来，成为稳定的空间体系，其余屋架再由檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上，就保证了整个屋盖结构的稳定。 避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动支撑可作为屋架弦杆的侧向支撑点，减小弦杆
11、出平面外的计算长度。 承担和传递水平荷载（如纵向和横向风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震作用等）。 保证结构安装时的稳定与方便屋盖的安装首先用支撑将两相邻屋架连系起来组成一个基本空间稳定体，在此基础上即可顺序进行其他构件的安装。,7.屋盖支撑的作用,满足制造、安装和运输要求 构造简单，杆件夹角3060； 杆件与节点数量少； 分段制造，便于运输与安装；,8 确定屋架形式的原则： 满足适用、经济和制造安装方便的原则。 满足使用要求 屋架外形应与屋面材料的排水要求相适应。,满足经济要求 屋架外形应尽量和弯矩图接近，使上下弦杆内力沿跨度方向分布较均匀，腹杆受力较小； 腹杆的布置宜使短杆受压，长杆受拉； 荷
12、载布置在节点上，减少弦杆局部受弯。,1. 桁架的荷载计算与荷载组合,（1）桁架荷载 永久荷载： 屋面材料、保温层、防水层、檩条、支撑、屋架、天窗架等结构自重。,四、 桁架的荷载和内力计算,可变荷载：屋面活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载、悬挂吊车荷载等。屋面活荷载与雪荷载不同时出现，取两者中较大值计算。,桁架和支撑自重可按经验公式： gWk=(0.12+0.11l)kN/m2,（2）节点荷载计算,桁架上的荷载通过檩条和大型屋面板肋以集中力方式作用于桁架节点,一：施工完毕： 永久荷载可变荷载 永久荷载半跨可变荷载 二：施工中： 屋架、支撑和天窗架自重半跨屋面板重半跨屋面活荷载,（3）荷载组合,基本
13、假定a. 桁架的各节点均视为铰接。 b. 桁架所有杆件的轴线平直且都在同一平面内且在节点处交汇。c. 荷载都作用在节点上，且都在桁架平面内。,2. 桁架杆件的内力计算,局部弯矩 上弦有节间荷载时，除轴心力外还产生局部弯矩。理论上应按弹性支座的连续梁进行计算，一般偏于安全地简化取端部节间正弯矩M10.8M0，其它节间的正弯矩和节点负弯矩M20.6M0，M0是把弦杆节间视为简支梁求得的最大弯矩。,图9.6.6 局部弯矩作用的计算简图,内力计算 用数解法或图解法或借助电算，求出节点荷载作用下屋架各杆件的内力,3、桁架杆件的计算长度和容许长细比,弦杆、支座斜杆、支座竖杆 l0x=l，中间腹杆 l0x=
14、0.8l 。,（1 桁架平面内计算长度l0x,杆件平面内的计算长度,杆件平面外的计算长度,（2 桁架平面外计算长度l0y,取决于弦杆侧向支承点间距离。,上弦杆,无檩方案:,有檩方案:,能保证大型屋面板三点与上弦杆焊接时:,l0y=2b（3m）,b屋面板宽度。,檩条与支撑点交叉不连接时：l0y=l1 檩条与支撑点交叉连接时：l0y=l1,下弦杆：取纵向水平支撑节点与系杆或系杆与系杆之间的距离。腹杆：由于节点在平面外刚度很小，对杆件嵌固作用较小，故腹杆两端视为铰接，则l0y=l,当受压弦杆侧向支承点间距为2倍节间长度，且两个节间弦杆内力不同，则弦杆平面外的计算长度：,杆件内力变化时在桁架平面外的计
15、算长度,当l00.5l1时，取l0=0.5l1，N1为较大的压力，取“”，N2为较小的压力或拉力，压力取“”，拉力取“”。芬克式屋架、再分式腹杆受压杆件在平面外计算长度同上，平面内计算长度为节点长度。 l1屋架弦杆侧向支承点之间的距离。,5.桁架杆件容许长细比（表）,受压构件 150 受拉构件 350 无吊车或轻、中级工作制吊车。 300 有重级工作制吊车 。 250 直接承受动荷载 。 、 分别为杆件的长细比和允许长细比。,杆件长细比过大，在运输和安装过程中容易因刚度不足而产生弯曲，在动力荷载作用下振幅较大，在自重作用下有可见挠度 ，因此应控制杆件的允许长细比。,4. 斜平面的计算长度l0,
16、单面连接的单角钢和双角钢组成的十字形杆件，受力后有可能斜向失稳，由于两端节点有一定的嵌固作用，故斜平面计算长度略作折减(支座斜杆和支座竖杆除外），l0=0.9l,桁架各杆件在平面内和平面外的计算长度l0按表9.6.1。,原则：使两个主轴方向的长细比接近，以达到经济的目的。,五、 桁架杆件的截面选择和计算 （一）截面选择,1. 截面形式普通钢屋架杆件常采用双角钢拼成的T形截面或十字形截面。,杆件截面组合方式,二不等边角钢短肢相并 iy （2.62.9）ix,计算长度l0y较大的上、下弦杆 L0y2l0x，iy 2ix,截面形式,用途,二不等边角钢长肢相并 iy （0.71.0）ix,端斜杆、端竖
17、杆、受较大弯矩作用的弦杆l0yl0x，iy ix,杆件截面组合方式,截面形式,用途,二等边角钢相并,其余腹杆、下弦杆,二等边角钢组合成的十字形截面,与竖向支撑相连的屋架竖杆,单角钢,轻型钢屋架中内力较小的杆件,iy （1.31.5）ix,l0x 0.8l0y，iy 1.25ix,l0xl0y0.9l，iy ix,iy 1.0ix,2.填板的设置为了使两个角钢组成的截面能够整体工作，需在角钢相并肢之间每隔一定间距，焊一块填板。,桁架杆件的填板,在受压杆件两侧向支承点之间填板数不得少于2个。,4060,3.节点板的厚度,对于梯形普通钢桁架按受力最大的腹杆内力确定。见表,轴拉杆按强度确定杆件所需的截
18、面面积： 轴压杆按稳定条件计算所需的毛截面面积：先假定 ，弦杆80左右，腹杆100左右，查表，算出A，选定材料规格，再验算。,4.截面选择 考虑下列基本要求： 同一榀屋架中规格不宜过多，56种。 角钢尺寸不宜过小，一般不小于L454或L56364。 对压杆，选择回转半径大的材料。 屋架弦杆至多变一次截面，变肢宽不变肢厚，跨度小于30m的梯形屋架和跨度小于24m的三角形屋架一般不变。,5.截面计算,轴心受拉杆件应验算强度和长细比要求。轴心受压杆件和压弯构件要计算强度、整体稳定、局部稳定和长细比。,各杆件的形心线应尽量与屋架的几何轴线重合，并交于节点中心，以避免由于偏心而产生节点附加弯矩。 但考虑
19、制造上的方便，通常把角钢肢背到屋架轴线的距离调整为5mm的倍数。弦杆材料规格沿长度变化时，屋架轴线取在两种材料的重心线中间，偏心不超过较大弦杆截面高度的5。,弦杆截面改变时的轴线位置,节点板形式简单，应优先采用矩形、梯形、平行四边形，避免凹角。,节点板的外形,6 节点设计原则,节点板焊缝的位置,(4)斜杆与弦杆连接，尽可能避免较大的偏心。,腹杆与节点板的连接焊缝按角钢角焊缝承受轴心力方法计算。,节点板应伸出弦杆1015mm以便焊接。,弦杆与节点板的连接焊缝，应考虑承受弦杆相邻节间内力之差，按下式计算:,1.上弦节点,上弦节点常有大型屋面板或檩条传来的集中荷载，在计算时需考虑上弦杆节间的内力差N
20、与集中荷载F的共同作用。 假定集中荷载为F，对梯形屋 架上弦节点计算时，忽略坡度的影 响，认为F垂直于上弦。因上弦节 点上搁置屋面板或檩条，节点板需 缩进角钢肢背，缩进的距离 （0.61.0）t ，节点板缩进后用槽 焊缝连接，计算时槽焊缝可作为两 条焊缝(hf t /2)，强度设计值 乘以0.8的折减系数。,屋架上弦节点,F,（二）节点计算和构造,节点设计时，根据腹杆截面和内力确定连接焊缝的焊脚尺寸和长度，然后再根据焊缝长度和施工误差确定节点板的形状和尺寸。,上弦杆可按下述的近似方法进行计算：集中荷载F由肢背槽焊缝承受，上弦节点相邻节间的内力差N1N2由角钢肢尖与节点板的角焊缝承受，考虑偏心力
21、矩MNe的作用。,肢背:,2.下弦节点腹杆与节点板的连接按肢尖、肢背分配力后计算焊缝长度和焊缝厚度。弦杆与节点板的连接，无节点荷载时，按相邻节间内力差NN1N2，在肢尖、肢背上分配力计算，如果N较小，可以按构造确定焊缝。,屋架下弦节点,有节点荷载作用时弦杆与节点板的连接焊缝应按下列公式计算：肢背焊缝：,肢尖焊缝：,式中:N 相邻上弦节间中较大的内力。拼接角钢实际长度L2(lw+10)+b， b是两弦杆端的空隙，,3.屋脊节点,注意施工顺序，拼接角钢的型号与弦杆相同，需刨角切肢。拼接角钢与弦杆的连接焊缝通常按被连接弦杆的最大内力计算，每条焊缝的计算长度：,肢尖与节点板的连接焊缝承受上弦内力的15
22、（按经验），并考虑附加弯矩作用M0.15Ne。,上弦与节点板连接焊缝：集中荷载F由上弦角钢肢背处槽焊缝承受。,4.下弦拼接节点,下弦拼接角钢与下弦连接焊缝长度计算：,A2f 下弦杆最大抗拉承载力，节点焊缝计算时与杆件等强度设计。,图9-23 下弦拼接节点,图a）中拼接角钢端部直切，下弦内力传递时，由于力线转折引起较大的应力集中。 图b）中角钢肢宽大于125mm，将拼接角钢的肢端斜切，使内力均匀传递。,N1，N2为节点两侧杆件的内力。当下弦节点有竖向荷载P作用时，同时考虑P、N的作用。,下弦与节点板的连接焊缝计算时，荷载N为：,铰接屋架支座 a）底板所需的净截面面积：,式中： R 屋架支座反力；
23、 fc 混凝土轴心抗压强度设计值； An 支座底板净面积。,底板所需的毛截面面积,A 锚栓孔的面积。,连接锚栓的直径一般取2025mm，为便于安装，锚栓孔的直径取（22.5）d，通常取40 60 mm。,b）底板厚度,两相邻边支承矩形板的弯矩系数,式中 M 两相邻支承边支座底板单位宽度上的最大弯矩； 系数，按下表选用； q底板单位面积的压力； a1两相邻支承边对角线长度； b1支承边交点至对角线的垂直距离。,lw节点板、加劲肋与支座底板的水平焊缝总长度。,c）加劲肋与节点板的连接焊缝,焊缝受剪力,焊缝受弯矩,加劲肋与支座节点板的焊缝,支座节点板、加劲肋与支座底板的水平连接焊缝,5.3 框架柱结
24、构,5.3.1 框架柱的构造 一 柱的定位轴线：取上柱中轴线。 轴线间距为 L=Lk +2c （边上柱和中上柱等截面） 轴线间距为 L= Lk +c +c（边上柱和中上柱不等截面）其中： Lk 为吊车跨度；c(c)为定位尺寸 p151c=d+m1+b1/2 c=d+m1+b2/2 吊车外缘与厂房柱之间的净空尺寸1应不小于80（吊车起重量不大于500kN时）或不小于100（吊车起重量大于或等于750kN时）。对于冶金车间的吊车或重级工作制的吊车，当在吊车和柱之间需要有足够宽的安全过道时，m1则不得小于400。,二 柱的高度：h=h1+h2+h3上式中h1为自吊车轨顶至起重小车顶的桥架总高，已加上
25、由于考虑制造和安装的可能误差所留的空隙100，以及考虑屋架的挠曲和下弦支撑角钢的下伸所留的空隙150200。 h2为从地面到吊车轨顶的距离，由生产要求决定，h3一般为600的倍数。为柱脚底部在地面以下的深度，中型车间一般为0.81.0，重型车间为1.01.2。由地面到屋架下弦底部的高度h1+ h2 一般为300的倍数。三 柱的形式：等截面柱，阶形柱，分离式柱p153,5.3.2 框架柱的计算长度 等截面柱参见第四章 阶形柱见p1545.3.3 柱间支撑p158 1 每列纵柱都要设柱间支撑 2 多跨框架的中列柱的柱间支撑要与边列柱间支 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中部，以 减少纵向温度应力的影响。 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，还应当布置在温度区段的两端。 5 每列柱顶应当布置刚性系杆。,柱间支撑实例（下层成对布置）,5.3.4 吊车系统,一 类型分为实腹式（一般简支）下撑式（刚度差少用）桁架式（大跨非重载） p181图 二 组成吊车系统由吊车梁（桁架），制动梁（桁架），辅助梁（桁架）组成无制动加强受压翼缘吊车梁，适用于跨度不大于6m，起重30T;否则要用吊车梁制动（梁，桁架）结构。制动梁适用于夹钳或耙钩硬钩吊车；否则要用制动桁架。,凸缘支座由支座加劲肋，弹簧板等组成 优点：柱受到吊车较小的侧向弯矩作用,制动系统,制动桁架,
