钢结构第八章单层厂房结构

§8.1单层钢结构厂房的组成和特点8.1.1单层钢结构厂房的组成1、柱2、屋盖结构3、吊车梁4、屋面檩条5、墙梁（或墙面檩条）6、各种支撑7、屋面和墙面：大型屋面板、大型墙面板、墙体或压型彩钢板、铝板或其他金属板8、保温隔热材料：岩棉、矿棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨脂泡沫塑料等。第八章单层厂房结构图8－1单层钢结构厂房构造简图1－框架柱；2－边屋架；3－中间屋架；4－吊车梁；5－天窗架6－柱间支撑；7抗风柱图8－2单层轻型钢结构厂房构造简图1－框架柱；2－框架横梁；3－抗风柱；4－屋面檩条；5－墙梁（墙面檩条）6－柱间支撑；7－屋脊；8－屋面彩钢板；9－墙面彩钢板；10－保温层；11－采光窗组成单层钢结构厂房的构件体系：（1）横向平面框架（2）纵向平面框架（3）屋盖结构（4）吊车梁及其制动梁（或制动桁架）（5）支撑系统。（6）墙梁（或墙面檩条）此外，还有一些次要构件，如爬梯、走道、门窗以及某些厂房工艺操作上要求的工作平台等。8.1.2单层钢结构厂房的分类与形式按层数分可分为多层厂房和单层厂房；依据跨度、高度和吊车起吊吨位和吊车工作制等级不同（见表8－1），可分为轻型、中型、重型和特重型四类：在厂房结构设计时，一般将跨度不大于30米，高度不超过14米，起吊重不大于20吨，吊车工作制等级为轻级和中级的钢结构厂房按轻型厂房结构设计，而超过上述范围的钢结构厂房按重型厂房结构设计。轻型钢结构厂房多采用如图8－2所示的门式刚架结构；重型钢结构厂房的屋盖多采用桁架结构，其结构形式多如图8－1所示。按跨度可分为单跨（图8－3a、b）、双跨（图8－3c、d、f）和多跨（图8－3e、g）结构形式；按屋面坡脊数可分为单脊单坡（图8－3a、c）、单脊双坡（图8－3b、d、e）、多脊多坡（图8－3f、g）结构形式。8.1.3单层钢结构厂房的结构布置单层钢结构厂房的结构布置包括:(1)厂房柱网的布设(2)高度的确定(3)温度伸缩缝的设置等确定这些的依据:首先:必须满足生产工艺的要求其次:满足结构坚固耐用、经济合理和技术先进，以及注意符合标准化模数要求等。8.1.3.1厂房柱网布设从工艺方面考虑，柱布设的位置应和厂房内的地上设备和地下设备相协调，并要适当考虑生产过程的变动和以后的改扩建。从结构方面考虑，柱列的间距以均等的布设方式最为佳，这样可使柱列间构件重复率高，便于定型化、标准化生产，且屋盖结构和支撑系统的布设最简单，传力路径更明确和结构受力更合理。从经济观点考虑，柱的纵向间距的大小对结构重量影响很大。柱距越大，柱和基础所用材料就越少，但屋盖结构和吊车梁的重量也将随之增加。最为经济的柱距一般通过具体方案比较得到，而当吊车起重量不大，或位于软弱地基土上的厂房结构选用较大柱距可能会收到较为经济的效果。柱网的布设包括横向柱距（即称为跨度）的确定和纵向柱距（即称为柱距）的确定。对于有吊车的厂房，跨度一般取为上部柱中心线间的横向距离，可按下式确定：(8.1)式中───支撑式梁式吊车或桥式吊车的跨度；───由吊车大轮中心线至上柱轴线的距离（图8－4），应满足下式要求：B───吊车梁或吊车桥架悬伸长度，可由行车样本查得；C───吊车外缘和柱内缘之间的必要空隙：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；当吊车和柱之间需设走道时，则不得小于400mm；D───上段柱宽度。SLL2K0KLS2DCBS图8－4吊车梁与柱间的净空对于无吊车的厂房，跨度一般按厂房使用功能的要求，并符合模数制确定。通常情况下，当跨度小于或等于30m时为3m；当跨度大于30m时则采用6m。厂房柱距一般采用6m较为经济，并使各列柱距均等。一些轻型厂房亦可采用7.5米、9米、12米柱距，而一些软弱地基土上的厂房则可取到15米、18米、21米甚至24米柱距。多跨形式厂房(如图8-5所示)计算单元计算单元在一些工业部门，厂房亦可布成多跨形式(如图8-5所示)。而由于工艺要求或其他原因，有时需要将柱距局部加大。如在图8－5中B轴线和5轴线处不设柱子，致使4轴线和6轴线间柱距加大，有时形象地将这种情形称为拔柱。在拔柱处，一般需要在B轴线上4轴线和6轴线柱间设置一构件TL1，此构件用于支撑其上部屋架或其他屋面结构，并将其荷载传递到4轴线和6轴线柱上。该构件为实腹式时称为托梁，桁架式时称为托架。托梁和托架一般设计成简支受弯构件，托梁多采用焊接工字型截面或箱形截面。8.1.3.2厂房高度的确定对于有吊车的厂房，不同的吊车对厂房高度的影响各不相同。当采用支撑式梁式吊车和桥式吊车厂房来说（如图8－6所示），厂房高度按下式确定：(8.2)式中─轨顶标高；─轨顶至柱顶高度；h1─需跨越的最大设备高度；h2─起吊物与跨越物间的安全距离，一般为400～500mm；h3─起吊的最大物件高度；h4─吊索最小高度，根据起吊物件的大小和起吊方式决定，一般大于1m；h5─吊钩至轨顶面的距离，由吊车规格表中查得；h6─轨顶至小车顶面的距离，由吊车规格表中查得；h7─小车顶面至屋盖斜梁最低点或屋架下弦底面之间的安全距离，应考虑屋盖结构的挠度、厂房可能不均匀沉陷等因素，最小尺寸为220mm，湿陷性黄土地区一般不小于300mm。21HHH543211hhhhhH762hhH1H2H对于无吊车厂房，柱顶标高通常是按最大生产设备及其使用、安装、检修时所需的净空高度来确定。同时，考虑采光和通风要求，一般不低于4米，柱顶标高按模数制标准多取300mm的倍数。8.1.3.3温度伸缩缝的设置平面上一个方向或两个方向长度很长的厂房，为避免产生过大的温度变形和温度应力，应在厂房的较大长度尺寸方向上设置温度伸缩缝。一般情况下，厂房纵向长度尺寸度较大，为避免温度变化时纵向构件伸缩产生的变形和温度应力破坏墙面、屋面等构件，常采用设置横向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8.2的数值时，可不计算温度应力。温度伸缩缝最普遍的做法设置双柱，柱上可设置一榀屋架或一根屋面梁，其间不用纵向构件相互联系。温度缝的布设如图8－5所示，可使厂房定位轴线和温度缝的中线重合（图8－5a所示），而当厂房内部设备布置条件不允许时，可采用插入距的方式（图8－5b所示）。也可以采用单柱形式，即在纵向构件（如托架、吊车梁等）支座处设置滑动支座，在搭接檩条的螺栓连接处采用采用长圆孔，以使这些构件有伸缩的余地，同时也应使该处屋面板在构造上有一定的胀缩空间。当厂房横向长度尺寸较大时，也应该按规范设置纵向伸缩缝。8.1.4单层钢结构厂房的特点单层钢结构厂房和钢筋混凝土结构厂房比，具有如下特点：单位面积重量轻柱网布置比较灵活制作安装简便，施工工期短综合经济效益高制作、安装要求高，维护费用高8.1.5单层钢结构厂房的设计步骤首先依据工艺及使用要求，确定厂房结构的方案，包括确定厂房平面上和高度上的主要尺寸，选择吊车型号，布设柱网、伸缩缝，确定承重结构、附属结构形式等，并应考虑生产过程的变动和以后的改扩建。在结构方案确定后，即可按设计资料进行结构、构件和连接的设计和计算，完成整个厂房的结构设计。最后的步骤即绘制施工图，对于一些构件和连接构造，也可采用标准图集。§8.2单层钢结构厂房的受力特点与柱的计算长度8.2.1单层钢结构厂房的计算简图通常将厂房简化为横向平面框架和纵向平面框架计算单层钢结构厂房横向平面框架计算简图可分为柱顶与屋盖结构（屋架或横梁）铰接形式（如图8－7a所示）和柱顶与屋盖结构（屋架或横梁）刚接形式（如图8－7b所示）．单层钢结构厂房纵向平面框架主要承受吊车的纵向水平制动力和纵向风力。纵向风力主要由风荷载作用在端部山墙上产生，风荷载作用在山墙上的水平力一部分将由山墙抗风柱直接承担，另一部分由山墙和屋盖结构传给各纵列端柱。由于一般厂房纵列柱数目较多，且各柱通过纵向构件连成整体，纵向刚度较大，故可不进行纵向平面框架计算。但为了更好的传递纵向水平力，且减小纵向侧移和变形，一般需要在柱间设置柱间支撑，传递到纵向柱列间的水平力将主要由此柱间支撑承担和传递，而此柱间支撑则需要进行计算或根据经验按构造选定。图8－7横向框架的计算简图8.2.2单层钢结构厂房的荷载及其荷载组合作用在单层钢结构厂房的荷载可分为永久荷载和可变荷载两种，而荷载组合即永久荷载和各种可变荷载之间的组合。8.2.2.1永久荷载单层钢结构厂房的永久荷载是指结构物的自重和吊挂在结构物上的其它构件的自重。8.2.2.2可变荷载单层钢结构厂房的可变荷载包括屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载、吊车荷载、施工检修荷载、地震作用等。8.2.2.3荷载组合在进行框架内力分析时，可分别算出各种荷载单独作用时框架各构件截面的内力值，其后进行迭加。但为求构件控制截面上可能出现的最不利内力，还必须考虑单项荷载同时出现的可能性，即要进行荷载效应组合（内力组合）。对于一般框架、排架，《荷载规范》规定的荷载效应组合设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：S＝1.2×永久荷载＋1.4×屋面均布活荷载S＝1.2×永久荷载＋0.9×1.4×[max(屋面均布活荷载、雪荷载)＋积灰荷载＋风荷载＋吊车竖向及水平荷载]S＝1.35×永久荷载＋0.9×1.4×0.7×[max(屋面均布活荷载、雪荷载)＋积灰荷载＋风荷载＋吊车竖向及水平荷载]S＝1.0×永久荷载＋1.4×风荷载组合（1）和（2）是按可变荷载效应控制的组合；组合（3）是按永久荷载控制的组合。对于由压型金属板做屋面板的钢结构厂房，可不考虑组合（3）；而对于由较重材料构成屋面（如用大型钢筋混凝土板做屋面板）的钢结构厂房，则应考虑组合（3）。前三种组合用于计算截面的强度和构件的稳定性，组合（4）用于锚栓刚拔计算以及屋面板和檩条的强度、稳定性验算。对于单层单跨或多跨的钢结构厂房，应进行横向和纵向抗震计算；对于跨度大于24米的非轻钢结构厂房，当抗震设防烈度大于等于8度时，尚应进行竖向地震作用计算；而对于轻型门式刚架结构厂房，由于其自重较轻，地震作用产生的荷载效应一般较小，对于抗震设防烈度为7度而风荷载标准值大于0.35KN/m2，或抗震设防烈度为8度而风荷载标准值大于0.45KN/m2的轻型门式刚架结构厂房，其地震作用组合一般不起控制作用，可不进行地震作用验算。8.2.3单层钢结构厂房的内力和侧移计算8.2.3.1内力计算可按结构力学的方法进行，也可利用计算图表或用计算机程序来分析计算。对于梁和柱均为等截面的平面框架，内力分析时可采用弹性分析方法，也可采用塑性分析方法，但实际工程中仍较少采用塑性分析。对于梁或柱变截面的平面框架，应采用弹性方法确定其内力，且内力通常采用杆单元有限元法编程上机分析计算或直接利用现有的一些结构计算软件进行分析计算。为了计算框架构件的截面，应将框架在各种荷载作用下产生的内力进行最不利组合或者根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出各构件的控制截面，按控制截面的组合内力来设计构件截面。框架柱的控制截面位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处，柱控制截面内力组合主要有：（1）最大弯矩及相应的；（2）最大轴压力及相应，；（3）最小轴压力及相应，；梁的控制截面位置一般在梁端和梁跨中截面。梁控制截面内力组合主要有：最大弯矩及相应的；最大剪压力及相应；以上的最大值均指绝对值，对于双轴对称截面，采用绝对值最大者即可，而对于单轴对称截面，其弯矩最大值则要区分正与负。除此之外，还应对柱脚抗剪和锚栓抗拔进行计算。maxNmaxMVN,maxMmaxMVVminNmaxMVmaxVM8.2.3.2侧移计算单层钢结构厂房的侧移主要是由风荷载、吊车水平荷载和水平地震作用所引起，计算框架的侧移主要由梁、柱杆件弯曲变形造成，柱的轴向变形所引起的侧移很小，可以忽略不计。计算框架柱顶的侧移计算是正