重型厂房钢结构设计

第九章重型厂房钢结构设计主要内容•1、厂房钢结构体系•2、柱网布置•3、厂房结构的横向框架•4、支撑体系•5、屋盖结构•6、吊车梁设计•7、墙架体系•8、框架钢柱设计了解单层厂房钢结构组成、柱网布置；熟悉厂房钢结构横向框架的类型、主要尺寸、横向框架梁柱的形式；掌握支撑体系作用和布置方式；掌握厂房屋盖钢结构设计方法和设计步骤，主要包括屋架设计；掌握吊车梁的设计方法；了解墙架体系；熟悉框架柱的构造和计算特点。学习目标学习难点屋架设计；吊车梁设计；第一节单层厂房钢结构体系一、单层厂房钢结构的组成单层厂房钢结构有多种形式，按各种原则分类如下。（1）按外形可分为锯齿形和矩形；（2）按跨度可分为单跨、多跨和高低跨；（3）按维护体系可分为传统形式单层厂房和轻钢形式单层厂房，其主要区别在于：传统形式的单层厂房墙体和屋面分别由砖墙和钢筋混凝土屋面板组成，而轻钢单层厂房无论墙体还是屋面板主要由冷轧钢板（有时加保温棉等保温措施）组成；（4）按有无天窗可分为无天窗单层厂房和有天窗单层厂房，对于有天窗的单层厂房，天窗又可呈上升式和下沉式；（5）按吊车情况可分无吊车和有吊车两类，有吊车的单层厂房其吊车分电动葫芦（简易吊车）或轻级（8小时工作制）、中级（16小时工作制）和重级（24小时工作制）吊车。虽然不同类型的厂房钢结构的组成有所不同，但也有许多共同之处。现对单层厂房中常见的结构形式作一剖析，见图。图1单层厂房结构透视图图中各构件的名称及功能见表，表中对比了两种最常见厂房结构：传统及轻钢型的构成区别。另有一些单层厂房有天窗架、操作平台等附加钢结构，其基本组成仍然同上表，只是根据实际需要加上附加结构即可。二、单层厂房钢结构受力体系单层厂房钢结构的受力主要有三类：吊车荷载、风荷载、其它竖向荷载。地震区还有地震作用。（一）吊车荷载的传力过程如下图所示（二）风荷载的传力过程如下图所示（三）其它竖向荷载的传力过程如下图所示第二节柱网布置一、柱网布置的要求单层厂房中横向框架柱和纵向框架柱形成一个柱网。柱网布置主要是根据工艺、结构与经济的要求确定。此外还要考虑建筑内其它部分与柱网的协调，如基础、地下管道、烟道、地坑等。工艺要求柱的位置与车间内机械、起重、运输设备相协调，符合生产流程，还要考虑生产过程的可能变动。例如，一个双跨钢结构制造车间，其生产流程是零件加工。中间仓库，拼焊连接顺着厂房纵向进行，但横向需要连系，在中部要有横向通道，因此中列柱中部柱距较大，见图，部分中列纵向框架有托架，柱距为12米。结构要求柱间距尽可能相等，通常纵向柱距为6米，跨度较大的横向框架采用轻钢结构屋面及外墙时，纵向柱距可增大到7.5米、9米等。图双跨钢结构厂房柱网布置柱距过大，屋盖结构和吊车梁重量增加；反之柱与基础材料增多，因此要比较分析。但确定柱距时，要符合模数制。对于传统厂房，以3米为模数；对于新型的轻钢厂房，模数的限制可适当放宽，1米、1.5米均可。二、温度影响的考虑当厂房平面尺寸很大时，由于温度影响会使构件内产生很大的温度应力，并导致墙和屋面的破坏，因此要设横向和纵向温度缝，见图。横向温度缝将厂房分成若干互不影响的温度区段，温度缝的最大间距一般为180-220米，后者为采暖厂房和非采暖区的厂房。若超出上述间距而不设温度缝，则需计算温度应力。温度缝是将纵横向框架完全断开，在缝的两边分别设置相互没有连系的框架，缝的间距ｃ＝1.0～2.0ｍ。这是对传统维护材料的厂房而言的，对于轻钢厂房，往往采用在维护板中消除温度应力的构造措施来解决问题。因而可以减小缝的间距ｃ。温度缝两边的框架间距可以保持原来的模数，此时每设一个温度缝厂房长度将加大1～2米。同时建筑面积、屋面板类型、吊车梁类型、檩条类型均有所增加。也可以采用温度缝中心线在框架间距模数尺寸内，即温度缝相邻的两框架间距略小于模数，使厂房总长度不变。纵向温度缝与横向温度缝布置相同，整排纵向框架断开，中间设互不连系的温度缝，纵向温度缝间距一般为100～120米，即多跨厂房横向总宽度较大时需设纵向温度缝。但由于其构造较复杂，有4个柱在纵、横向温度缝处相交，因此，可适当加强结构构件而不设置纵向温度缝。在轻钢结构屋盖中，常采用可在一定范围内水平滑移的屋面板减小温差效应。第三节厂房结构的横向框架一、框架的类型厂房的基本承重结构通常采用框架体系。这种体系能够保证必要的横向刚度，同时其净空又能满足使用上的要求。横向框架按其静力计算模式来分，主要有横梁与柱铰接（图）和横梁与柱刚接（图）两种情况。如按跨度来分，则有单跨、双跨和多跨。横梁与柱铰接的框架，在传统厂房结构中常可见到。由于其横向刚度较差，常不能满足吊车使用上的要求，因此这种结构类型现在很少采用。横梁与柱刚接的框架具有良好的横向刚度，但对于支座不均匀沉降及温度作用比较敏感，需采取防止不均匀沉降的措施。轻钢厂房采用的门式刚架属于横梁与柱刚接，而且由于结构自重与传统厂房相比大为减轻，故沉降问题不甚严重。因而是一种较好的结构形式。二、横向框架的主要尺寸图表示框架的主要尺寸。框架的跨度见式（9-1）。'ccllk21,bb（9-1）框架跨度常采用3米的倍数，即l=24m，27m，30m，33m，36m等。对于一般用途的电动桥式吊车和某些特殊用途的吊车，ｃ和ｃ的数值可参考表的数值选用，同时必须满足：（9-2）──吊车和柱之间必要的空隙；──框架边柱和中柱上段柱的截面宽度。式中，d──吊车桥架尾部长度；2'22111bmdcbmdc1m1m吊车外缘与厂房柱之间的净空尺寸ｍ1应不小于80ｍｍ（吊车起重量不大于500kN时）或不小于100ｍｍ（吊车起重量大于或等于750kN时）。对于冶金车间的吊车或重级工作制的吊车，当在吊车和柱之间需要有足够宽的安全过道时，则不得小于400ｍｍ。如上段柱的截面宽度大于800ｍｍ时，则过道可以穿过柱内的人孔，见图，这时ｍ1的数值就不必加大。框架从柱脚底面到屋架下弦底部的距离（见图）为：（9-3）321hhhh式（9-3）中h1尺寸为自吊车轨顶至起重小车顶的桥架总高，已加上由于考虑制造和安装的可能误差所留的空隙100ｍｍ，以及考虑屋架的挠曲和下弦支撑角钢的下伸所留的空隙150～200ｍｍ。为从地面到吊车轨顶的距离，由生产要求决定，一般为600ｍｍ的倍数。为柱脚底部在地面以下的深度，中型车间一般为0.8～1.0ｍ，重型车间为1.0～1.2ｍ。由地面到屋架下弦底部的高度一般为300ｍｍ的倍数。（即21hh）2h3h三、框架横梁的形式及其应用范围横向框架的横梁有实腹式和桁架式两种。横向框架的实腹式横梁通常采用由三块钢板焊接成的工字形截面，两端与柱顶刚接形成门架，其高度约为跨度的1/25～1/45。它的优点是建筑高度小，制造省工，运输方便。实腹式横梁本身高度较小，故在轻钢厂房中运用较多。横向框架上端为刚接的桁架式横梁一般采用平行弦、梯形和多边形的桁架，而为铰接的桁架式横梁则采用三角形桁架。多边形桁架和梯形桁架在重型厂房中应用较广。当桁架跨度很大或屋面坡度较陡（1/4～1/5）时，可将天窗架范围内的上弦杆拉平或将下弦起拱，见图a）和c），以减小屋架中部的高度。图中ｃ）所示的桁架，由于下弦起拱，对柱有推力，不利于结构的安装和受力，需加注意。llllll为了保证桁架与柱的连接具有足够刚度，桁架端部的高度不宜过小，通常为跨度的1/10～1/16，并为200ｍｍ的倍数。桁架中部的适宜高度为/8～/10。在确定桁架高度时尚应考虑运输条件的限制。桁架的腹杆通常采用有竖杆的三角形体系。节点划分应配合天窗的宽度和屋面板（或压型钢板）的经济跨度，其数目最好是4的倍数，以利支撑布置。且使所布置支撑与横梁的夹角接近于45，以利支撑受力。当桁架跨度较大、高度较高时，也可采用再分式腹杆体系。1hllllll四、厂房横向框架柱的形式及其应用范围厂房横向框架柱按其形式可分为等截面柱、均匀变截面柱、台阶式柱和分离式柱。等截面柱（图ａ）通常做成工字型截面，吊车梁支承在牛腿上。这种形式适用于吊车起重量小于200kN的车间。均匀变截面柱（图ｇ）为变高度的H型截面，大量用于轻钢结构厂房，经济性好，施工便利。台阶式柱（图ｂ及ｃ）在传统型厂房中较为常用。有单阶和双阶之分。分离式柱（图ｄ）将吊车支柱和组成横向框架的支柱分离，其间用水平连系板连系起来。因为水平连系板在竖向的刚度与吊车柱抗压刚度相比很小，故认为吊车竖向荷载仅传至吊车支柱而不传给框架支柱。分离式柱一般较台阶式柱费钢材，上部刚度较小。但在吊车起重量较大而厂房高度小于18ｍ时，采用分离式柱比较经济；如果厂房有扩建的可能，且扩建时希望不受吊车荷载的牵制，则可采用分离式柱；在吊车荷载大而厂房用压型钢板做屋面板时，分离式柱也可能是较经济的。厂房柱按其柱身的构造，可分为实腹柱和格构柱，格构柱在制造上较为费工，但当柱的截面高度b1.0ｍ时，一般较实腹柱经济。柱的截面高度b由柱的高度和荷载决定。对轻钢厂房门架柱，其截面高度最大值与梁的高度最大值相同。对于传统厂房框架柱，其截面高度按刚度要求确定，等截面柱及台阶式柱下段的截面高度一般为车间高度ｈ的1/15～1/20。当吊车为重级工作制时，则为ｈ的1/15～1/17及1/11～1/14，前一范围适用于ｈ较小的情况，后一范围适用于ｈ较大的情况。台阶柱的上段通常是实腹的，由工字钢做成或三块钢板焊成。上段柱的截面高度等于该段柱高（吊车梁底到框架横梁或桁架下弦的高度）的1/10～1/12；当吊车为重级工作制时，则为1/8～1/10。如果在上段柱的腹板中设人孔，则其截面高度至少为800ｍｍ。分离式柱中的框架支柱的截面高度为车间高度ｈ的1/15～1/20，吊车支柱的截面高度（沿吊车梁方向）约为其本身高度的1/15。厂房柱下段的截面宽度约为截面高度的1/3～1/5，并不宜小于0.3～0.4ｍ。第四节支撑体系一、支撑体系的作用单层厂房的支撑体系如图所示，一座没有设置支撑的单跨厂房结构，受力后有以下一些重要问题：（1）屋架上弦出平面（垂直屋架平面）的计算长度等于屋架的跨度，实际上无法保证上弦出平面的稳定性。在这里平行铺设的檩条对弦杆不能起侧向固定支撑的作用，因为当所有弦杆同步以半波形式侧向鼓凸时，所有檩条也将随之平移而不起支撑作用。同样，屋架下弦受拉杆件出平面的计算长度也太大，特别当屋架端部刚接、端节间下弦杆受压时，出平面稳定问题就更为严重。（2）作用在端墙上的水平风力，一部分将由端墙抗风柱传递至厂房端部屋架的下弦（或上弦）节点。如屋架的弦杆不与相邻屋架的相应的弦杆利用支撑组成水平桁架，则它在风力作用下将发生水平弯曲，这是远非一般屋架的弦杆所能承受的。此外，由于柱沿厂房纵向的刚度很小，且柱与基础的连接在这个方向近似铰接，吊车梁又均简支固定于柱上，因此由柱及吊车梁等构件组成的纵向框架，在上述风力及吊车的纵向制动力等作用下，将产生很大的纵向变形或振动，甚至有使厂房倾倒的危险。（3）当某一横向框架受到水平荷载时（如吊车的横向制动力），由于各个横向框架之间没有用在水平面中具有较大刚度的下弦纵向支撑连系起来，不能将荷载分布到邻近的横向框架上去，因此必须由这个横向框架单独承担。这样，结构的横向刚度将会显得不足，侧移和横向振动较大，影响结构的使用性能和寿命。（4）由于托架在横向水平方向的刚度极小，所以支撑在托架上的中间屋架不很稳定，容易沿屋架轴向发生振动，托架也容易发生变形、失稳。（5）在横向框架之间的间距较大时须在框架柱之间设立墙架柱以承担作用在纵（横）向墙上的水平风力，可是若无纵向（横向）水平支撑，墙架柱的上端无法设支撑点。（6）在安装过程中，由于屋架的跨度较大，而它的侧向刚度又很小，故很容易倾倒。（7）由于各个横向框架之间缺乏连系，因此除了结构的横向和纵向刚度不足以外，如果厂房受到斜向或水平扭转力时，则在局部或整体结构中将产生较大的歪斜和扭动。由此可见，支撑体系是厂房结构的重要组成部分。适当而有效的布置支撑体系可将各个平面结构连成空间整体，保证厂房结构具有足够的强度、刚度和空间稳定性来可靠地承担所有的作用荷载，