单层厂房结构设计

第1章单层厂房结构设计1.1厂房结构的形式与布置•1.1.1厂房结构的组成厂房结构一般是由屋盖结构、柱、吊车梁（或桁架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系，如图1.1所示。这些构件按其所起作用可分为下面几类：•横向框架•屋盖结构•支撑体系（屋盖部分支撑和柱间支撑作用：承载连系）•吊车梁和制动梁（或制动桁架）•墙架厂房结构演示136435111210987121屋架2托架3上弦横向支撑4制动桁架5横向平面框架6吊车梁7屋架坚向支撑8檩条9、10柱间支撑11框架柱12中间柱13墙架梁1——屋架2——托架3——上弦横向支撑4——制动桁架5——横向平面框架6——吊车梁7——屋架竖向支撑8——檩条9、10——柱间支撑11——框架柱12——中间柱13——墙架梁图1.1厂房结构示例•1.1.2厂房结构的设计步骤•确定厂房的功能：由工艺要求和建筑要求确定建筑方案。•结构的设计：结构方案布置——荷载的计算——内力分析——构件的设计——施工图•1.1.3柱网和温度伸缩缝的布置1.1.3.1柱网布置•满足生产工艺的要求•满足结构方面的要求•符合经济合理的要求•符合柱距规定要求（按《厂房建筑统一化基本规则》和《建筑统一模数制》的规定：结构构件的•统一化和标准化可降低制作和安装的工作量。对厂房横向，当厂房跨度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。只有在生产工艺有特殊要求时，跨度才采用21m、27m、33m等。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）。1.1.3.2温度伸缩缝布置•厂房平面尺寸较大时，因温度变化使上部结构产生横向和纵向的变形，使柱内产生弯曲应力，并可能导致屋面和墙面破裂。因此为避免产生过大的温度变形和温度应力，应在厂房的横向或纵向设置温度伸缩缝。•布置主要决定于厂房的纵向和横向长度根据使用经验和理论分析，钢结构设计规范规定，当温度区段长度不超过表1.1的数值时，可不计算温度应力。温度伸缩缝最普遍的做法是设置双柱。温度区段长度值表1.1结构情况温度区段长度（m）纵向温度区段（垂直于屋架或构架跨度方向）横向温度区段（沿屋架或构架跨度方向）支座斜杆和支座竖杆其他腹杆采暖房屋和非采暖地区的房屋220120150热车间和采暖地区的非采暖房屋180100125露天结构120————1.2厂房结构的框架形式•厂房的主要承重结构通常采用框架体系，困为框架体系的横向刚度较大，且能形成矩形的内部空间，便于桥式吊车运行，能满足使用上的要求。•厂房横向框架的柱脚一般与基础刚接•柱顶可分为铰接和刚接两类铰接对基础不均匀沉陷及温度影响敏感性小，节点构造容易处理，屋架端部不产生弯矩，下弦杆始终受拉。柱顶铰接时下柱的弯矩较大，厂房横向刚度差刚接厂房较高，吊车的起重量大，对厂房刚度要求较高时，钢结构的单跨厂房常采用柱顶刚接方案•1.2.1横向框架主要尺寸和计算简图1.2.1.1主要尺寸框架的主要尺寸见图1.3所示。框架的跨度，一般取为上部柱中心线间的横向距离(1.1)•式中—桥式吊车的跨度；•S—由吊车梁轴线至上段柱轴线的距离（图1.4），应满足下式要求：（1.2）•B—吊车桥架悬伸长度，可由行车样本查得；•D—吊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。•—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。02kLLS02kLLS02kLLS02kLLS02kLLS02kLLSSS1b框架由柱脚底面到横梁下弦底部的距离：式中—地面至柱脚底面的距离。—地面至吊车轨顶的高度，由工艺要求决定；—吊车轨顶至屋架下弦底面的距离1h2h3h1.2.1.2计算简图•单层厂房框架是由柱和屋架（横梁）组成，各个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1.5）来计算。横向框架的计算简图有两种类型，分为柱顶铰接和柱顶刚接•横向框架的计算高度取值分为四种情况，详见图1.6•框架的计算跨度L（或L1、L2）取为两上柱由线之间的距离。•1.2.2横向框架的荷载和内力–1.2.2.1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：屋盖各级组织主、柱、吊车梁系统、墙架、墙板及设备管道和的自重。这些重量可参考有关资料、表格、公式进行估计。•可变荷载有：风、雪荷载、积灰荷载、屋面均布活荷载、吊车荷载、地震荷载等。这些荷载可由荷载规范和吊车规格查得。–1.2.2.2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。•为了计算框架构件截面，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。列出上、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：第一组组合使屋架下弦杆产生最大压力[图1.7(a)]；第二组组合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[图1.7(b)]；第三、四组组合使腹杆产生最大拉力或最大压力[图1.7(c)、(d)]。在内力组合中，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：恒＋0.9（可变荷载1＋可变荷载2）。在地震区应参照《建筑抗震设计规范》进行偶然组合。对单层吊车的厂房，当对采用两台及两台以上吊车的竖向和水平荷载组合时，应根据参与组合的吊车台数及其工作制，乘以相应的折减系数•1.2.3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。详见图1.81.3支撑体系•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。（图1.9）。•厂房支撑体系可分为屋盖支撑和柱间支撑两部分：•1.3.1屋盖支撑的种类和作用–1.3.1.1屋盖支撑的种类–1.3.1.2屋盖支撑的作用•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。组成上弦横向水平支撑下弦横向水平支撑下弦纵向水平支撑垂直支撑系杆•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。•1.3.2屋盖支撑的布置–1.3.2.1上弦横向支撑（见图1.10）•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：–端部第一或第二开间。当布置在第二开间时，端屋架需与横向支撑用系杆刚性连接，确保端屋架的稳定和风荷载传递。（有时因天窗架从第二开间起设。）–横向支撑间距大于60m时，中间增设。–屋面为大型屋面板，且屋面板有三点与屋架上弦牢固连接时，可不设。但一般高空作业较难保证，还是设上弦横向支撑，大型屋面板起系杆的作用。有天窗架时，上弦横向支撑仍需布置。–1.3.2.2下弦横向水平支撑（见图1.10）•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，减小下弦的平面外计算长度，减小下弦的振动。•布置：–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图1.10上弦横向水平支撑和下线横向水平支撑–1.3.2.3下弦纵向水平支撑（见图1.11）•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。–有重级工作制吊车或起重量较大的中、轻工作制吊车时，–有振动设备、屋架下弦有吊轨、有托架时，–房屋跨度较大、空间刚度要求较高时，均需设置下弦纵向水平支撑–1.3.2.3垂直支撑（见图1.12）•组成：–系杆、斜杆•作用：–使相邻屋架形成几何不变的空间体系，保证侧向稳定。•布置位置：–设有上弦横向支撑的开间内，每隔4～5个开间布置一道。•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。–无天窗，跨度l30m，布置在屋架两端、跨度l/3处。–有天窗、跨度l30m，布置在屋架两端、跨中、天窗架两端。–有天窗、跨度l30m，布置在屋架两端、跨度l/3处、天窗架两端。•（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。图1.11下弦纵向水平支撑下弦纵向水平支撑图1.12垂直支撑的布置和形式–1.3.2.4垂直支撑•作用：–在无支撑的开间处，保证屋架的侧向稳定，减小弦杆的计算长度，传递水平荷载。•布置：–竖向支撑平面内设通长系杆。–水平横向支撑设在第二开间时，端屋架需与第二榀屋架用刚性系杆连接，其余设置刚性或柔性系杆均可。–屋脊节点、屋架支座节点设置刚性系杆。•系杆分刚性和柔性•1.3.3柱间支撑–1.3.3.1柱间支撑的作用•柱间支撑与厂房框架柱相连接，其作用为：–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。–1.3.3.2柱间支撑的布置位置与原则•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。•上层支撑–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，有下层支撑处也应设置上层支撑。–下层支撑应该设在温度区段中部（当吊车位置高而车间总长度又很短时下层支撑设在两端不会产生很大的温度应力，而对厂房纵向风度却能提高很多）当温度区段小于90m时，在它的中央设置一道下层支撑[图1.13(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1.13(b)]，以免传力路程太长1.4屋盖结构•1.4.1屋盖结构体系–1.4.1.1屋盖结构体系•无檩屋盖:无檩屋盖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或天窗架上。–形式与布置:见图1.14–组成：屋架、天窗架、支撑（水平支撑、垂直支撑）、大型屋面板–传力路线：屋面荷载大型屋面板屋架（或天窗架）–特点：屋盖刚度大、整体性好、施工方便，但自重大、抗震性能差。可用于屋架坡度较小的屋盖。图1.14无檩屋盖形式与布置•有檩屋盖–形式和布置：见图1.15–组成：轻质屋面板、檩条、拉条、支撑、屋架–传力路线：屋面荷载屋面板檩条屋架–特点：屋面材料轻，整体性、刚度差些，有拉条（甚至斜拉条、撑杆等）、构造较复杂。可用于屋架坡度较大的屋盖。拉条