第二章 单层钢结构工业厂房

第二章重型厂房结构与普通钢屋盖2.1单层厂房钢结构的组成2.2单层厂房结构的布置2.3支撑体系2.4厂房横向框架的计算2.5厂房柱的构造和计算2.6普通钢屋架2.7吊车梁设计2.8墙架体系思考题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-竖向支撑；8-檩条；9、10-柱间支撑；11-框架柱；12-墙架梁；13-山墙墙架柱2.1钢结构厂房的组成厂房结构的组成：①屋盖体系：屋面板、檩条、天窗架、屋架、托架、上弦水平支撑、下弦水平支撑、垂直支撑。②框架体系：横向和纵向框架柱、柱间支撑。③吊车梁体系：吊车梁、制动梁或制动桁架、辅助桁架。④墙架体系、抗风柱、墙梁、墙面板或维护墙各部分所起的作用：1.横向框架横向平面框架：主要承受厂房结构的全部竖向荷载和横向水平荷载：①全部建筑物重量（屋盖、墙、结构自重等）、②屋面雪荷载和其他活荷载、③吊车竖向荷载和横向水平制动力、④横向风荷载、⑤横向地震作用等，2.屋盖结构由檩条、天窗架、屋架、托架和屋盖支撑所构成，承受屋面荷载。3.支撑体系包括屋盖支撑和柱间支撑，其作用是将单独的平面框架连成空间体系，从而保证了结构的刚度和稳定，同时也承受纵向风力和吊车的纵向制动力。4.吊车梁和制动梁（制动桁架）吊车竖向和水平荷载由吊车梁承受。吊车梁两端支撑于柱的变截面平台或牛腿上。在吊车梁上翼缘平面内，通常沿水平方向设置制动梁或制动桁架，以便有效地将吊车的横向水平制动力传递到相邻的柱上。5.墙架墙架一般由墙架梁和墙架柱（也称抗风柱）等组成，用以承受墙重和墙面风荷载。当墙为自承重砖墙时只承受墙面风荷载，而全部墙重则传到底部搁置在相邻柱基础的钢筋混凝土基础梁上或专设的墙基础上。厂房钢结构的钢材用量指标和各类构件所占比重大致如表2.1。表2.1单层厂房钢结构的钢材用量指标车间类型轻型中型重型吊车起重量（t）0~510~2030~5075~100125~175200~350吊车轨顶标高（m）6~108~1610~1610~2010~2016~26单位面积钢材用量(Kg/m2)35～5050～8070～12090～200170～300300～400各类构件所占钢材用量比重屋盖及其支撑60%～20%吊车梁10%～40%柱15%～35%墙架及柱间支撑5%～15%为了改善厂房结构设计的技术经济指标，应该对整个厂房建筑和结构进行合理规划。规划任务：①满足工艺和使用要求，②适应今后可能生产过程的变动和发展。规划内容：①确定车间的平面和高度方向的主要尺寸和控制标高，②布置柱网，确定变形缝的位置和做法，③选择主要承重结构（横向平面框架、纵向平面框架、屋盖结构、吊车梁结构等）体系、布置和形式等。规划注意事项：考虑设计标准化、生产工厂化、施工机械化的要求，以提高建筑工业化的水平。实现方法：①模数化：是使结构布置的主要符合相应的模数尺寸；②定型化：是同类构件和结构及其连接构造尽量采用相同的典型形式；③统一化则进一步使构件和连接的某些主要尺寸也统一起来。这样，可以在厂房中更多地利用标准构配件，甚至对同类型厂房做出广泛适用的标准设计。目前，我国已有梯形钢屋架、钢天窗架、钢托架、钢吊车梁（包括制动梁或桁架）等构件和相应支撑体系和连接构造的标准设计图集。2.2单层厂房结构的布置2.2.1柱网布置厂房柱的纵向和横向定位轴线，在平面上构成规则的网格，称为柱网。柱网应根据工艺、结构和经济等要求布置。①工艺要求：厂房的横向柱距（即跨度）和纵向柱距应满足生产工艺、使用和发展的要求；柱的位置应和厂房的地上设备、起重和运输通道、地下设备和设备基础、地下管道的地坑等协调。②结构要求：柱网布置应尽量简单，避免在同一区段内设置纵横跨，尽量采用所有柱列的纵向柱距均为相等并符合模数的布置方式。通常情况下，纵向柱距的模数采用6m；跨度的模数采用3m（≤24m时）或采用6m(≥24时，确实需要时仍可按3m)。③经济要求：纵向柱距常对钢材用量和造价有较大的影响。如增加柱距，柱和基础的材料用量减少，而屋盖结构、吊车梁和墙架的材料用量增加，并往往需要增设托架和墙架柱。过去我国厂房，尤其是用大型屋面板的厂房，纵向柱距大多采用6m，少数大跨度厂房也采用9～12m的。对于某些跨度不大而生产布置需要更灵活的厂房、高度较大而吊车相对较轻的厂房，也常对全部柱或某些列内柱采用12m柱距，但屋架间距仍为6m，中间屋架由托架支承（图2.1）。近年来，随着压型钢板等轻型屋面板的采用，屋盖结构重量大大减轻，相应的经济柱距显著增大，一些大型厂房已采用12～24m柱距，收到较好的经济效果。厂房端部为山墙时，为了支承墙重和墙面风荷载，通常应每隔一定间距（常用≤6m）设置抗风柱。为使抗风柱和横向框架横梁（屋架）的位置略为错开和抗风柱顶部连接的方便，常把该处横向框架（柱和屋架）自定位轴线内移500mm。在此500mm范围内，檩条、屋面板、吊车梁、墙架梁等纵向构件从相邻开间伸臂挑出，挑出长度略小于500mm，以便构成必要的变形缝隙。图2.2变形缝的布置`2.2.2变形缝变形缝包括伸缩缝（温度缝）、防震缝和沉降缝（图2.2）1.伸缩缝如果厂房的长度或宽度，在温度变化时，纵向或横向框架的上部结构将发生较大的伸缩变形，而基础以下仍固定于原来位置。这种变形将使柱、墙等构件内部产生很大的内力，严重的可使其断裂或破坏。因此，需要用伸缩缝将厂房结构分成几个温度区段（图2.2），以减少每个区段的伸缩量。根据使用经验和理论分析，钢结构规范规定当温度区段长度不超过表2.2的数值时，可不计算温度应力。表2.2钢结构房屋温度区段长度限值（m）结构性质纵向温度区段（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）柱顶为刚接柱顶为铰接采暖房屋和非采暖地区的房屋200120150热车间和采暖地区的非采暖房屋180100125露天结构120————伸缩缝做法：①从基础顶面或地面开始，将相邻区段上部结构的构件完全分开（基础可不分开）。上部结构采用双柱做法。根据气温差和结构的具体情况，缝宽净距取≥30～60mm。这种做法是在横向伸缩缝处，设置双榀横向平面框架；在纵向伸缩缝处，设置双榀纵向平面框架。后者的双榀纵列柱和框架费钢较多且接缝很长，故规划时应尽量避免纵向伸缩缝。横向伸缩缝：增加相邻两榀平面框架的中距c（图2.3）一般采用1.2m（以保证该处相邻两框架柱的柱脚间有必要缝隙≥50mm）。对有很大起重量吊车的厂房，有时需放大至1.5～2m，大型平炉车间中甚至需达3m，在此2×（c/2）范围内，檩条、屋面板、吊车梁、墙架梁等所有纵向构件都从两侧相邻开间伸臂挑出，每侧挑出长度略小于c/2，从而使两侧挑出构件端部间构成必要的伸缩缝隙。一般情况下取横向伸缩缝的中线与厂房的横向定位轴线相重合，而相邻横向框架的中线各向两侧移进c/2（图2.3a）。少数情况下，由于设备布置确实不容许在伸缩缝处缩小柱距，则可保持横向框架的原有中距，而c作为一个额外的插入距（图2.3b）。图2.3横向伸缩缝处柱的布置纵向伸缩缝：采用双榀纵列柱框架时，两排纵列柱轴线间应根据伸缩缝的需要，留出必要的插入距c1（图2.2）。②单排柱的做法。适用轻屋面和吊车起重量不是很大的情况。对于横向伸缩缝：缝一侧的檩条、吊车梁、墙架梁等全部纵向构件与柱都采用长圆螺栓孔或辊轴连接的方法，使缝两侧结构能纵向自由变形，互不约束。对于纵向伸缩缝处：缝一侧的屋架与柱采用辊轴、长圆螺栓孔或钢板铰等连接方法，使缝两侧结构能横向变形互不约束。2.防震缝①地震区的伸缩缝尚应符合防震缝的要求。②当厂房的平、立面布置复杂时需设防震缝。③由高度或刚度相差很大的部分组成时需设防震缝（图2.2）。防震缝的做法和伸缩缝相似，互相兼任，但防震缝必须做成地面以上两侧构件完全分开，缝宽和构造符合防震要求（保证缝两侧构件在地震振动时不会相互碰撞）。防震缝宽度按厂房和地震设计烈度等情况确定，一般单层厂房取50～90mm，纵横跨交接处取100～150mm3.沉降缝沉降缝用于厂房相邻部分的高度、荷载、吊车起重量或基础体系相差很大，或地基条件有严重差异等情况，以防止结构或屋面、墙面等在过大的基础不均匀沉降下发生裂缝或破坏。沉降缝的做法一般是把两侧的结构包括基础全部分开，使各自可以独立地自由沉降。沉降缝的做法也应符合伸缩缝和防震缝的要求，兼起这两种缝的作用。例如图2.2厂房中，左方横向跨的高度、跨度或吊车起重量常显著较大，则可用沉降缝和右方纵向跨部分分开。2.2.3屋盖结构的布置和体系1.钢屋盖支承结构：①支承于钢筋混凝土柱上②支承于砖墙（加墙垛）上以上两种通常做成简支，构造简单，安装方便。③支承于钢柱，一般用于有较重桥式吊车、有较大振动设备（如锻锤等）或有较高温度的厂房或跨度、高度较大的房屋中，这时钢屋架与钢柱常做成刚接，成为单跨或多跨的刚架结构。2.普通钢屋架的跨度名义跨度：通常情况取支座所在处房屋或柱列轴线间的距离。适用范围：名义跨度通常为15～36m，取3m的模数。国家有标准图集。计算跨度：屋架支座中心间的距离；为名义跨度-2X150mm，以便支座外缘能做在轴线范围以内，使相邻屋架间互不妨碍。在屋架简支于钢筋混凝土柱的房屋中，规定各柱列轴线一般取：对边柱取柱的外边线，对中列柱取柱的中线（阶形柱时取上段柱的中线）。3.屋架的间距通常两种做法：①和柱距相同②为柱距的一半，此时需设托架4.屋盖结构体系：无檩体系:钢屋架上直接铺放屋面板,常为大型预应力混凝土屋面板有檩体系：钢屋架上每隔一定间距放置檩条、再在檩条上放置轻型屋面板。⑴.无檩体系无檩体系常用坡度为1:8～1:12,从下到上的做法如下：①钢屋架②混凝土大型屋面板、加气混凝土板等③细石混凝土灌缝④保温层：泡沫混凝土、加气混凝土、水泥白灰焦渣、珍珠岩砂浆或沥青珍珠岩,或保温板材等。⑤找平层⑥卷材防水屋面（例如油毡防水屋面，常用二毡三油上铺小石子的六层作法），或SBS。图2.4屋盖结构体系大型屋面板通常是预应力钢筋混凝土大型屋面板（槽形板），其两根边肋起肋梁的作用，将屋面荷载传到屋面板的四个角点，角点处下部预埋钢板以便与屋架焊接。常用大型屋面板的尺寸为1.5m×6m，少数情况也有用3m×6m或1.5m×9m、1.5m×12m的。屋架上弦节间长度通常取等于板宽或略大（作为板间留缝），则屋架只受节点荷载；否则屋架上弦将受局部弯曲。钢筋加气混凝土板兼起承重和保温作用，通常为等厚度平板，常用宽度0.6m，长度2.4～6.0m，厚度125～200mm。相邻板间留适当板缝，以便加强现浇钢筋混凝土板带屋面的刚度及其屋架间联系。板荷载均布于屋架上弦。此外，也可采用外表为钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土、中间为保温填充层的夹心板等。无檩体系的优点是屋面构件的种类和数量少，构造简单，安装方便，易于铺设保温层和防水层等，同时屋盖的刚度大，整体性好，并较为耐久。无檩体系的缺点是屋面自重较大，使屋架和下部结构的截面和用料都相应增加，对抗震也不利，并且吊装时构件较笨重。因此，无檩体系常用在刚度要求较高的中型以上厂房和民用、工用建筑中。⑵有檩体系有檩体系中，常用1:2~1:3坡度，并常采用三角形屋架。其做法如下：①钢屋架②檩条③轻型屋面板不保温屋面板：波形石棉瓦，瓦楞铁，预应力钢筋混凝土槽瓦，钢丝网水泥折板瓦等；也可在檩条上，铺放木望板再放置粘土瓦、水泥瓦；近年来发展的彩色涂层压形钢板屋面等保温屋面板：岩棉、聚苯乙烯或聚氨酯夹芯保温板，常用50~250mm。当用压形钢板时最小屋面坡度可达1：8~1：20。檩条间距根据屋面板的强度要求确定，一般可尽量做成屋架上弦每个节点处放一根檩条；但一些较弱屋面板要求较密檩条而屋架上弦节间又不便做得过小时，则一部分檩条将放在上弦节间内而使上弦杆局部受弯。有檩体系的优点可供选用的屋面材料种类较多，屋架间距和屋面布