单层工业厂房钢结构

第七章单层工业厂房钢结构§7.1概述一．钢结构厂房的应用钢结构厂房的特点：承载能力大，整体刚度大，抗震性能好，耐热（但不耐火），制做安装运输都方便，因此在重型厂房及大型厂房中应用很普遍。1．大型冶金厂房：炼钢车间、轧钢车间，如鞍钢，首钢，武钢，宝钢的主要厂房都是钢结构。2．重型机械制造厂房，如哈尔滨电机厂大型电机装配车间，通常大型装配车间配有双层吊车，这里主要是柱子的计算及构造。3．大型造船厂，火力发电厂，飞机制造车间，过去，通常也做成平面结构，而多年来，采用平板网架结构。二．单层厂房结构的组成1．柱＋屋架平面结构2．吊车梁——连接两平面结构3．支撑体系（屋盖支撑，柱间支撑）4．屋盖：屋架、支撑（上、下横向弦水平支撑，纵向水平支撑，垂直支撑，系杆）、檩条（屋面板）、天窗。三．厂房设计程序1．结构选型及整体布置，根据工艺要求，确定厂房的长、宽尺寸，确定柱网，确定框架形式及尺寸（屋架），吊车梁系统及墙架支撑体系。2．构件设计：构造、计算3．施工图（工程师语言）§7.2厂房结构的整体布置一．柱网布置——主要取决于工艺要求，另外：1．从结构考虑，应将柱子设在同一轴线上，形成框架，保证横向刚度。2．从经济考虑：增大柱距，吊车梁跨度增大，需增设托架，费钢，但柱基础减少，通过比较确定。3．统一化、标准化，跨度以3m为模数，柱距以6m为模数。二．温度缝按规范要求横向、纵向均应设缝。通过椭圆孔滑动通过槽钢夹板滑动可以设单柱，也可以设双柱来实现温度缝构造。三．屋盖结构布置有檩体系、无檩体系无檩（上铺大型屋面板）：有6m、12m两种。其优点是横向刚度大，整体性好，构造简单，施工快；自重大，抗震不如有檩。有檩：重量轻，用料省，轻便，便于运输、安装；但构件数量多，型号多，构造复杂，吊装次数多，横向刚度差。§7.3厂房结构的支撑体系一．屋盖支撑1．分类：上、下弦横向水平支撑，下弦纵向水平支撑，垂直支撑和系杆。2．作用：（1）保证钢屋盖的空间稳定性——形成几何不可变体系。檩条屋架倾斜下弦横向水平支撑上弦横向水平支撑垂直支撑a)b)（2）保证屋架受压上弦平面外稳定，同时减小下弦的受迫震动。（3）承受和传递纵向水平力：有作用于山墙的风荷载，悬挂吊车纵向刹车力及安装使用过程中的其他纵向力（如地震力）。纵向水平支撑将力传给柱间支撑最后传到基础。（4）增加厂房的整体刚度。3．屋盖支撑的布置（1）上弦横向水平支撑在无檩体系中，尽管有大型屋面板可以作为横向支撑，但考虑施工中条件不好，焊接质量难以保证，加上施工过程中屋盖系统的整体稳定性要求，必须设置。一般设在第一或第二柱间及温度缝区段两端的第一柱间，且一般不超过60m要加设一道，厂房大于66m时，跨中要设一道。（2）下弦横向水平支撑当跨度大于18m，或小于18m但有悬挂吊车，或厂房内有震动设备，或山墙抗风柱支在下弦上。要设在与上弦横向水平支撑的同一柱间。（3）纵向水平支撑1）硬钩吊车或抓斗等类似吊车；2）设有壁行吊车或双层吊车的厂房；3）有5t以上锻锤的厂房；4）屋盖有托架和中间屋架时；横向水平支撑纵向水平支撑刚性系杆系杆系杆托架中间屋架中间屋架5）跨度≥30m,轨顶标高≥15m，并有大吨位吊车。（轻、中级30t，重级10t），一般设在两边。（4）垂直支撑——形成几何不可变体系的必要构件，与上、下横向水平支撑一起形成“盒子”，作为几何不可变基本单元。l≤30m时，两边各一道跨中一道。l＞30m时，除两边及中间外，还应在端部与中部之间加设一道。12m≤30m≥12m＞30m≤18m＞18ma)b)c)d)llll（5）系杆：在横向水平支撑基础上使其它屋架形成稳定的不可变体系，能承受压力的为刚性系杆，只能受拉的为柔性系杆，如当横向支撑设在第二柱间，则在第一柱间应设刚性系杆，以传递山墙风荷。檩条和大型屋面板都可作为系杆使用，故上弦不另设系杆，只是在屋脊及两端加设以保证屋架直立，所有系杆必须连在横向支撑节点上。4．屋盖支撑形式及截面选择支撑受力很小。因此，通常按容许长细比选截面，一般按压杆设计。截面形式可为单角钢，也可为双角钢，与屋架用C级螺栓相连。600060006000400060003000～4000≤3000≤3000a)b)c)d)二．柱间支撑≤60m1．作用：（1）保证厂房纵向刚度；（2）承受纵向荷载传递至基础；（3）为框架柱提供平面外支撑，减小平面外计算长度。2．设置：≤60m设一道，其形式与屋盖支撑一样要保证交角不小于30°。a)b)c)W+TW+TW+TFF§7.4钢屋架的设计一．钢屋架的受力特点及类型1．特点：形状接近于弯矩图。所有杆件（绝大部分）都为轴心受力，因此截面上应力分布均匀，材料使用充分。2．分类：（1）按受力大小，截面形式可分为三类：1）普通钢屋架：①截面形式为双角钢组成的T形或十字形，在杆件汇交处通过节点板相连。②取材容易，构造简单，制造安装方便，与支撑体系形成的结构整体刚度大，工作性能可靠。③采用型钢，故自重大，用钢量多，跨度太大、太小时都不经济，一般适用跨度为18m～36m。2）钢管屋架：采用无缝或有缝钢管制成，由于钢管截面刚度大，抗扭性能、抗压性能好，相对角钢更加合理，与之相比可省钢20%以上。另外，表面积小，易于防腐。耐久性好，只是过去焊接工艺、加工工艺有问题，阻碍了使用。目前已有自动切管机，管与管的搭接可以直接贯接，不用节点板。3）轻型钢屋架：由小于∠45×4或∠56×36×4以下的单角钢和圆钢组成，具有用钢量少，自重轻，抗震性能好等特点。一般跨度小于18m，吊车起重量不大于5t的轻级、中级工作制吊车。（2）按截面形式分为平面桁架和空间桁架两种上弦下弦腹杆a)b)二．钢屋架的外形、腹杆布置及尺寸1．基本原则：要满足经济、适用、制造、安装方便等原则。（1）从使用角度：其外形要与屋面材料相适应，如采用瓦类、铁皮等。要求坡度陡一点，利于排水，一般为2/1~5/1，当采用卷材防水屋面时，坡度可小一些，一般为8/1~12/1。（2）从经济角度出发：外形应尽量和弯矩图相似，杆件应使短杆受压、长杆受拉，杆件夹角为30~60度，且应使尽可能多的杆件轴心受力。（3）制造安装方便：构造合理、简单、节点数目少、杆件型号少，在工厂制作部分应以运输能力而定。2．屋架外形：三角形、梯形、平等弦、三铰拱d)a)e)b)c)f)i)h)g)j)k)（1）三角形：一般用于陡坡情况，有檩屋盖。缺点：弦杆内力不均匀，支座内力大，跨中很小。（2）梯形屋架：优点：外形与弯矩图相近，因而弦杆内力沿跨度内分布较均匀，用料经济。按腹杆布置可分为人字式和再分式，原则是使上弦杆不受节间荷载，在跨度较大的时候必须这样做。（3）平行弦屋架：常用作单坡屋面及托架，规格统一，构造简单，便于制造，但弦杆内力很不均匀。（4）三铰拱屋架，主要用于轻型钢屋架，跨度18m。a)b)c)d)e)3．屋架的主要尺寸：跨度、跨中高度及端度高度（梯形）（1）跨度：柱网轴线间距为屋架的标志跨度，一般以3m为模数，计算跨度是屋架两端支座反力的距离。封闭结合的屋架简支于钢筋混凝土或砖柱时，考虑屋架一定的构造尺寸，。400)mm~(3000ll非封闭结合、屋架简支于柱上，ll0。封闭结合且屋架与柱刚接。ll0－上柱宽度。非封闭结合且屋架与柱刚接，ll0－两侧内移尺寸。ll0150～200l联系尺寸l0l0l内移尺寸a)b)c)（2）高度：maxh——建筑要求及运输要求（≤3.85m）minh——v≤veh——使桁架杆件总重最小的高度方法：1）确定端高：陡坡梯形屋架为0.5~1m缓坡梯形屋架：1.8~2.1m刚接时一般不小于01/10)~1/18(l，一般1.8~2.4m2）跨中高度：ilhh)1/2(0，i——坡度一般梯形屋架和平行弦屋架：lh)6/1~10/1(三角形屋架：lh)1/4~1/6(（3）起拱：为了防止变形过大影响正常使用，对于≥15m的三角形屋架和≥24m梯形和平行弦屋架，采用起拱，一般为500/l。三．钢屋架杆件设计1．杆件静力计算（1）荷载汇集：永久荷载：屋面构造（屋面板、保温、防水、檩条等）屋架及支撑天窗及吊顶的自重可变荷载：使用活荷（悬挂吊车、屋面活荷、积灰）风荷载雪荷载汇集后的荷载为面荷载，将其化为节点荷载aaaaaaaassP/2PPPPPPPP/2saqPkikq——荷载标准值；i——荷载分项因数1）对永久荷载的分项系数：①当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35；②当其效应对结构有利时一般情况下取1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。2）对可变荷载分项系数：一般情况下应取1.4；对标准值大于42kN/m的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3。而屋架及支撑自重可按经验估算。2kkN/m0.0110.117　lql——标志跨度，单位m（2）杆件内力计算及组合1）杆力计算：理想直杆，各杆汇交于节点，全部铰接，采用图解法（不起拱）方法：①按比例绘出桁架；②将各荷载（杆力）之间划分区间，作用单位力；③首先作外力平衡；④通过节点平衡推出各杆力；⑤确定杆力系数大小及方向（拉、压）。2）杆力组合：原则——组合出可能的最不利的杆件内力。全跨永久荷载＋全跨可变荷载屋架自重＋单跨屋面板＋半跨施工荷载全跨永久荷载＋半跨雪荷2．杆件计算长度和容许长细比（有节点板的情况）（1）桁架弦杆和单系腹杆：表桁架弦杆和单系腹杆的计算长度0l项次弯曲方向弦杆腹杆支座斜杆和支座竖杆其它腹杆1在桁架平面内ll0.8l2在桁架平面外1lll3斜平面－l0.9ly0x0x0y0（2）1l为两个节间长度时，计算长度0l取为：支撑桁架l1N1N2112105.0)25.075.0(lNNll式中1N——较大的压力，计算时取正值。2N——较小的压力或拉力，压力取正，拉力取负。（3）再分式腹杆体系与K形腹杆体系：l1N2N1l1N1N2再分式腹杆体系的受压主斜杆与K形腹杆体系的竖杆，平面内取节点中心间距离。平面外仍取112105.0)25.075.0(lNNll，式中符号意义同前。（4）交叉腹杆的计算长度平面内计算长度取为节点中心到交叉点间的距离；平面外按下表取值：对于钢管，轻型钢屋架等不加节点板的结构，由于弦杆的嵌固作用小，故取计两个方向的计算长度llloyox3．截面形式和选择（1）形式截面形式：原则——等稳定通常选用双角钢组成Ｔ字形截面，前面已经确定了各杆件的平面内及平面外的长细比，通过等稳定原则，可以确定各杆件的截面形式，有时为了解决构造问题，再进行必要调整，如下弦杆为了连接支撑，采用不等肢角钢短肢相并，端竖项次杆件类别杆件相交情况平面外的计算长度1压杆相交的另一杆受压，两杆在交叉点均不中断)1(2100NNll2相交的另一杆受拉，两杆中有一杆在交叉点中断，但以节点板搭接NNll0201213相交的另一杆受拉，两杆在交叉点均不中断lNNll5.0)431(21004相交的另一杆受拉，此拉杆在交叉点中断，但以节点板搭接lNNll5.0431005拉杆ll0杆llloyox，应用不等肢角钢长肢相并，为了连接垂直支撑，通常用等肢角钢，等等。（2）截面选择：1）按强度及稳定选择截面（按第四章），同时应满足容许长细比的要求。对于拉杆应考虑螺柱孔的削弱，当孔距节点板边缘大于100mm时，可不考虑截面削弱。e15~20mm10~15mmee100mmN1N2N3N4N5≥≥≥100mm2）为了保证两个角钢共同工作要求在两处角钢之间加设垫板，且每杆两固定支撑点间不少于2块垫板。dl≤i40（压杆）dl≤i80（拉杆）b)ldld1110~15a)ld50~80ld10~15113）为了便于下料制作，杆件种类一般不超过5～6种。（3）高度：即跨中最大高度，由经济、刚度及建筑要求及运输界限（3.85m）最小高度由v≤v而定。4．节点设计（1）一般要求1）各杆的重心线应在节点上汇交于一点；2）角钢肢背至重心线的距离取5mm