第七章_单层厂房结构

大纲要求:1.了解钢屋盖的种类、截面形式和应用；3.掌握钢屋盖的设计和施工图的绘制；2.掌握屋盖支撑体系的作用和布置原则；普通钢屋架设计内容：屋架的荷载计算；杆件内力计算和组合；正确选择杆的截面型式和确定计算长度；选择截面并验算各杆件的承载力；计算节点连接并绘制钢屋架施工图。7.1.1厂房结构的组成§7.1厂房结构的形式和布置厂房结构一般是由屋盖结构、柱、吊车梁、制动梁（或桁架）、各类支撑以及墙架等构件组成的空间体系。1、框架柱2、屋架（框架横梁）3、中间屋架4、吊车梁5、天窗架6、托架7、柱间支撑8、屋架上弦横向支撑9、屋架下弦横向支撑10、屋架纵向支撑11、天窗架垂直支撑12、天窗架横向支撑13、墙架柱14、檩条15、屋架垂直支撑16、檩条间撑杆分三个阶段：（1）结构选型及整体布置包括柱网布置；确定横向框架型式及主要尺寸；布置屋盖结构、吊车梁系统、支撑体系及墙架体系。7.1.2厂房结构的设计步骤（2）技术设计根据已确定的结构方案进行静力计算、构件及连接设计。（3）绘制施工图根据技术设计确定的构件尺寸和连接，绘制施工图纸，并尽量采用构件及连接构造的标准图集。1、柱网布置（1）满足生产工艺的要求；（2）满足结构的要求；（3）符合经济合理的要求；（4）符合构件统一化、标准化要求7.1.3柱网和温度伸缩缝的布置2、温度伸缩缝做法：（1）设置双柱（插入距）（2）单柱：设置滑动支座柱网布置和温度伸缩缝图a）各列柱距相等b）中列柱有拔柱可不计算温度应力的温度区段长度值纵向温度区段（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220m120m150m热车间和采暖地区的非采暖房屋180m100m125m露天结构120m--厂房横向框架的柱脚一般与基础刚接，而柱顶可分为铰接和刚接两类：（1）柱顶铰接一般用于多跨厂房或厂房高度不大而刚度容易满足的情况。当采用钢屋架、钢筋混凝土柱的混合结构时，常采用铰接框架形式。7.2厂房结构的框架形式（2）柱顶刚接在厂房较高，吊车的起重量大，对厂房刚度要求较高时，钢结构的单跨厂房框架常采用柱顶刚接方案。在选择框架类型时必须根据具体条件进行分析比较。（1）框架的主要尺寸如图所示。框架的跨度，一般取为上部柱中心线间的横向距离。框架由柱脚底面到横梁下弦底部的距离1．横向框架主要尺寸和计算简图SLLK20321hhhH21bDBS通常均简化为单个的平面框架来计算（2）计算简图横向框架的计算简图a）柱顶刚接b）柱顶铰接，否则按有限刚度考虑，可以认为横梁刚度为4ACABKK框架的计算跨度：取为两上柱轴线之间的距离。横向框架的计算高度：柱顶刚接时，可取为柱脚底面至框架下弦轴线的距离（横梁为），或柱脚底面至横梁端部形心的距离（横梁为有限刚性），见图a、b；柱顶铰接时，应取为柱脚底面至横梁主要支承节点间距离，见图c、d。a）柱顶刚接，横梁视为无限刚性b）柱顶刚接，横梁视为有限刚性c）柱顶铰接，横梁为上承式d）柱顶铰接，横梁为下承式（1）框架的主要尺寸如图所示。框架的跨度，一般取为上部柱中心线间的横向距离。框架由柱脚底面到横梁下弦底部的距离1．横向框架主要尺寸和计算简图SLLK20321hhhH21bDBS（1）荷载永久荷载和可变荷载两种。2．横向框架的荷载和内力（2）内力分析和内力组合框架横梁端弯矩最不利组合①使屋架下弦杆产生最大压力见图α；②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，见图b；③、④使腹杆产生最大拉力或最大压力，见图c、d所示。3．框架柱的类型a）等截面实腹柱b）等截面格构柱c）阶形实腹柱d）阶形格构柱e）双阶柱f）分离式柱（1）柱间支撑的作用和布置1）保证厂房的纵向刚度；2）承受厂房纵向的荷载或作用；3）减少柱在框架平面外的计算长度。4．纵向框架的柱间支撑当温度区段小于90m时，在它的中央设置一道下层支撑温度区段长度超过90m，在它的1/3点处各设一道支撑（2）柱间支撑的形式和计算柱间支撑按结构形式可分为十字交叉、八字式、门架式等，如图所示。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。无檩体系：有檩体系：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。一、屋盖结构的形式§7.3屋盖结构1.屋盖结构体系①按腹杆布置方式不同有：·芬克式特点：长腹杆受拉，短腹杆受压，受力合理，应用广泛。三角形屋架杆件数量少，节点数量少，受压杆较长，但抗震性能优于芬克式屋架，适用于跨度小于18m的屋架。·单斜式腹杆和节点数量较多，长腹杆受拉，但夹角小，适用于下弦设置天棚的屋架。·人字式③适用范围：跨度小，坡度大、采用轻型屋面材料的有檩体系。②特点：·外形和弯矩图不相适应，弦杆内力分布不均匀，近支座处内力大，近跨中处小，横向刚度小。·上下弦交角小，端节点构造复杂。可将上弦或下弦改变为折线形或陡坡梯形，以改善受力和节点构造。①按腹杆布置方式不同有：·人字式梯形屋架特点：腹杆总长度短，节点少。按支座斜杆与弦杆组成的支承点在下弦或在上弦又可分为下承式和上承式两种。上承式下承式·再分式特点：可避免节间直接受荷（非节点荷载）。·单斜杆式特点：多数腹杆受压，杆件数量多，总长大，应用少。②特点外形和弯矩图比较接近，弦杆内力沿跨度分布较均匀，用料经济，应用广泛。③适用范围适用于屋面坡度平缓且跨度较大时的无檩屋盖结构。④屋架高度三角形屋架高度一般为（1/6～1/4）L；梯形屋架的中部高度一般为（1/10～1/6）L，与柱刚接的梯形屋架，端部高度一般为（1/16～1/10）L，通常取为1.8～2.1m。3）满足制造、安装和运输要求·构造简单，杆件夹角30°～60°；·杆件与节点数量少；·分段制造，便于运输与安装；确定屋架形式的原则：1）满足使用要求屋架外形应与屋面材料的排水要求相适应。2）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；·荷载布置在节点上，减少弦杆局部受弯。为使屋架结构有足够的空间刚度和稳定性。二、屋盖支撑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组成檩条或屋面板①保证屋盖的整体性，提高空间刚度②避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动③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）。④保证结构安装时的稳定与方便1.支撑的作用2支撑的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。（1）上弦横向水平支撑（2）下弦横向水平支撑当屋架间距12m时，尚应在屋架下弦设置横向水平支撑。但当屋架跨度比较小（18m）又无吊车或其他振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。（3）纵向水平支撑当房屋较高、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。屋架间距12m时，通常布置在屋架下弦平面。屋架间距≥12m时，宜布置在屋架的上弦平面内。下弦纵向水平支撑垂直支撑联系屋架上、下弦水平支撑，并和屋架水平支撑一起形成几何不变的屋盖空间结构。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。（4）垂直支撑（5）系杆作用：保证无横向水平支撑的所有屋架在上弦杆平面外的稳定和安装时屋架的稳定，第一柱间的刚性系杆能将山墙的风荷载传到横向水平支撑。设置：在横向支撑或垂直支撑节点处应沿房屋通长设置系杆。在屋架上弦平面内，对无檩体系屋盖应在屋脊处和屋架端部处设置系杆；对有檩体系只在有纵向天窗下的屋脊处设置系杆。系杆分刚性系杆（既能受拉也能受压）和柔性系杆（只能承受拉力）两种。屋架主要支承节点处的系杆，屋架上弦脊节点处的系杆均宜用刚性系杆。三、简支屋架设计1、屋架的内力分析屋架上的荷载包括恒载、活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载及悬挂荷载等。（1）基本假定通常将荷载集中到节点上，并假定屋架各杆均为理想直杆，各杆轴线在同一平面内且汇交于节点中心，各节点均为理想铰接，忽略实际节点产生的次应力。（2）节间荷载引起的局部弯矩节间荷载作用的屋架，除把节间荷载分配到相邻节点外，还应计算节间荷载引起的局部弯矩。0.8M00.6M00.6M00.6M00.6M00.6M00.6M00.6M0（3）内力计算与荷载组合①全跨恒载+全跨活载：即全跨永久荷载+全跨屋面活载或雪荷载（取较大值）+全跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。②全跨恒载+半跨活载：即全跨永久荷载+半跨屋面活载（或半跨雪荷载）+半跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。③采用大型混凝土屋面板的屋架，尚应考虑安装时可能的半跨荷载：即屋架、支撑和天窗自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载。•屋架上、下弦杆和靠近支座的腹杆由①作用时会引起杆件的最不利内力；•跨中附近的腹杆可能由②③两种荷载组合控制。节点荷载汇集简图B.中间腹杆：两端或一端嵌固程度较大，视为弹性嵌固。lox=0.8l1)在桁架平面内A.弦杆、支座斜杆、支座竖杆：本身线刚度大，但两端节点嵌固程度较低，视为两端铰接杆件。lox=l2、杆件的计算长度和容许长细比（1）杆件的计算长度2)在桁架平面外取决于弦杆侧向支承点间距离。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，3)腹杆在斜平面内的计算长度确定桁架弦杆和单系腹杆的长细比时，其计算长度应按下表规定采用。项次弯曲方向弦杆腹杆支座斜杆和支座竖杆其他腹杆1在桁架平面内ll0.8l2在桁架平面外l1ll3斜平面－l0.9ll—构件的几何长度（节点中心间距离）；l1—桁架弦杆侧向支承点间的距离；（2）杆件的容许长细比规范中对拉杆和压杆都规定了容许长细比。3.杆件的截面形式对轴心受压杆件，宜使杆件对两个主轴有相近的稳定性，即可使两方向的长细比接近相等。基本上采用由两个角钢组成的T形截面或十字形截面形式的杆件，也可用H型钢剖开而成的T形钢代替双角钢组成的T形截面。受力较小的次要杆件可采用单角钢。屋架杆件的合理截面形式上弦杆——不等肢角钢短肢相连的T形截面(肢背朝上)；下弦杆——不等肢角钢短肢相连的T形截面(肢背朝下)；支座斜杆——不等肢角钢长肢相连的T形截面；其它腹杆——等肢角钢相连的T形截面；中央竖腹杆——等肢角钢相连的十字形截面。由双角钢组成的T形或十字形截面杆件按实腹式杆件进行计算，必须每隔一定距离在两个角钢间加设填板。双角钢杆件的填板：填板的间距对压杆l1≤40i1，拉杆l1≤80i1；在T形截面中，i1为一个角钢对平行于填板自身形心轴的回转半径；在十字形截面中，填板应沿两个方向交错放置，i1为一个角钢的最小回转半径，在压杆的桁架平面外计算长度范围内，至少应设置两块填板。填板的宽度一般取50～80mm；填板的长度：对T形截面应比角钢肢伸出10～20mm，对十字形截面则从角钢肢尖缩进10～15mm。填板的厚度与桁架节点板相同。4.杆件的截面选择(1)一般原则①应优先选用肢宽而薄的板件或肢件组成的截面，一般板件或肢件的最小厚度为5mm。②角钢杆件或T型钢的悬伸肢宽不得小于45mm。③屋架节点板（或T型钢弦杆的腹板）的厚度，按教材表7-4选用。④跨度较大的桁架（≥24m）与柱铰接时，弦杆宜根据内力变化改变截面，半跨内一般只改变一次。⑤规格不宜太多。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。(2)杆件的截面选择5.钢桁架的节点设计(1)节点设计的一般要求①以桁架杆件的形心线为轴线并在节点处相交于一点，肢背至