《钢结构设计》-课件

第七章7.1厂房结构的形式和布置7.2厂房结构的框架形式7.3屋盖结构7.4框架柱设计特点7.5轻型门式刚架结构7.6吊车梁设计特点7.7墙架体系目录大纲要求掌握厂房的结构形式和柱网布置及计算单元的确定；了解钢屋架的外形及腹杆形式；掌握屋盖支撑的作用和设置原则、钢屋架的节点设计。掌握横向排架及其梁柱截面的确定；理解横向排架的计算原理、柱间支撑的布置。了解吊车梁的内力计算及构造设计。了解墙架的内力计算及构造设计。7.1厂房结构的形式和布置7.1.1厂房结构的组成厂房结构一般是由屋盖结构、柱、吊车梁及制动体系、支撑系统及墙架等构件组成的空间体系。（1）横向排架：柱与横梁或屋架组成（2）屋盖结构：屋架、屋架支撑系统以及横向框架横梁、托架、中间屋架、天窗架、檩条及屋面材料等。（3）支撑系统：屋架支撑和柱间支撑，保证厂房结构必需的刚度和整体稳定性（4）吊车梁及制动体系（5）墙架（6）其他：抗风柱、摇摆柱及工艺要求的操作平台。单层厂房动画.swf抗风柱吊车梁缝脱开吊车梁屋盖体系分类:无檩屋盖：屋面荷载直接通过大型屋面板传递给屋架优点：屋盖横向刚度大，整体性好，构造简单，施工方便等；缺点：屋盖自重大，不利于抗震，其多用于有桥式吊车的厂房屋盖中。有檩屋盖：当屋面采用轻型材料如石棉瓦、瓦楞铁、压型钢板和铁丝网水泥槽板等时，屋面荷载要通过檩条再传递给屋架优点：构件重量轻，用料省；缺点：屋盖构件数量较多，构造较复杂，整体刚度较差。檩条承板屋架梁承板屋架支撑体系檩条：冷弯薄壁型钢压型钢板（0.8mm~1.5mm）轻钢结构厂房由基础、梁、柱、檩条、屋面和墙体组成。一般采用门式刚架、屋架和网架为承重结构，其上设檩条、屋面板(或板檩合一的轻质大型屋面板)，下设柱(对刚架则梁柱合一)、基础，柱外侧有轻质墙架，柱内侧可设吊车梁。轻钢结构厂房的构件形式刚架：梁柱合一。实腹式和结构式。实腹式的钢架的横截面一般为工字形：结构式的横截面为矩形或三角形。檩条：主要有实腹式、空腹式和绗架式等。一般应优先选用冷弯薄壁型钢檩条。按部位区分为墙面檩条和屋面檩条。支撑：采用张紧的十字交叉圆钢组成，用特制的连接件与梁柱腹板连接。连接用不同的夹角。7.1.3厂房结构柱网及伸缩缝的布置7.1.3.1柱网布置原则：（1）满足工艺要求；（2）满足结构要求：横向刚架或排架；（3）符合经济合理要求；（4）符合结构规定要求（标准化要求）：一般为6m，12m，也可“抽柱”处理。7.1.2厂房结构设计步骤结构方案→静力计算→构件及连接计算→绘制施工图尽可能的采用标准图集此处抽柱托架屋架的跨度和间距取决于柱网布置，柱网布置取决于建筑物工艺要求和经济要求。常用尺寸横向跨度：12,18,24,30,36（基本跨度）15212733（扩展跨度）纵向柱距(m)重钢厂房：6,12轻钢厂房：18,24图2-2柱网布置计算单元7.1.3.2缝的设置（1）温度伸缩缝当厂房平面尺寸较大时，为避免过大的温度变形和应力，应在厂房的横向和纵向设置温度伸缩缝。温度区段长度见P166表7.1。伸缩缝的做法：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。根据温差和结构的具体情况设置，可取≥30～60mm。措施：（1）双柱方案（砌体中为双墙方案）；（2）调整柱距，出挑檩条。注意：尽可能地避免设置纵向伸缩缝？？？结构情况纵向温度区段(垂直屋架或构架跨度方向)横向温度区段(屋架或构架跨度方向)柱顶刚接柱顶铰接采暖房屋和非采暖地区的房屋热车间和采暖地区的非采暖房屋露天结构220120150180100125120----表1温度区段长度表(m)温度区段长度220M（2）防震缝目的：保证缝两侧构件在地震时不会相互碰撞。因此，防震缝地宽度按厂房高度和地震设计烈度等情况设定。一般单层厂房为50～90mm，纵横跨交接处100～150mm。做法：同温度伸缩缝注意：高层钢结构建筑中不宜设置防震缝？（3）沉降缝目的：使承载相差较大的两部份建筑能各自发生沉降。做法：把缝两侧的结构；连同基础一起分开。实际：1）多跨厂房结构中，通常将跨度较大且受起重量较重的一侧同跨度小，起重量小的一层分开；2）厂房和办公用房分开。（4）综合考虑对三缝应综合考虑，用一缝代替三缝。某汽车厂房平面图图片桁架檩条7.2厂房结构的框架形式7.2.1厂房结构的类型单跨、双跨和多跨梁柱铰接（排架）和梁柱刚接（刚架）。梁柱铰接：优点：对支座沉降反应较小；节点简单，端点无弯矩；下弦受拉缺点：横向刚度较差，柱底弯矩大。适合：高度较低，刚度容易满足，吊车小。梁柱刚接：（刚架）具有良好的横向刚度，但对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。适合：厂房高，吊车大，刚度要求高（整体变形小），单跨厂房常用刚接。刚架多跨排架轻钢厂房：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单层厂房钢结构相比大为减轻，沉降问题不甚严重，因而是一种较好的结构形式。7.2.1.1主要尺寸（1）跨度L0=LK+2S(7.1)S=B+D+b1/2(7.2)7.2.1横向框架的主要尺寸及计算简图（2）柱脚底面至横梁下弦底部距离HH=h1+h2+h3(7.3)（3）计算简图计算跨度L(或L1、L2)取两上柱轴线间的距离。几何高度H1、H2的确定，取决于横梁（或屋盖）与柱的连接形式：刚接还是铰接？有限刚度：对柱顶的横向荷载，当满足下式的条件时，可近似认为横梁的刚度为无穷大，即柱顶刚接；否则横梁刚度按有限刚度考虑：KAB/KAC≥4（7.5）式中：KAB—横梁远端固定使近端A点转动单位角时在A点所需施加的力矩值；KAC——柱在A点转动单位角时在A点所需施加的力矩值；类似：梁柱线刚度比；P147公式（6.23）~（6.24）。高度H：柱顶刚接时，可取为柱脚底面至框架下弦轴线的距离(横梁假定为无限刚性)，或柱脚底面至横梁端部形心的距离(横梁为有限刚性）；柱顶铰接时，应取为柱脚底面至横梁主要支承节点间距离。对阶形柱应以肩梁上表面作分界线将H划分为上部柱高度H1和下部柱高度H2。（3）计算高度H0的确定H0=μHμ为柱的计算长度系数；μ与柱上下端约束程度K值有关。K为柱端的梁柱线刚度比，详见P147式（6.23~6.24）以及P149。2(a)cr22(c)cr22(g)cr22(e)cr20.50.721.0EINHEINHEINHEINH（4）计算简图空间单层厂房平面单层厂房框架铰接或刚接的平面框架忽略空间共同作用忽略柱与基础间的弹性刚度假定柱与横梁的连接形式计算单元7.2.2横向框架荷载和内力7.2.2.1荷载永久荷载：屋盖系统、柱、吊车梁系统、墙架、墙板及设备管道等的自重。可变荷载：风荷载、雪荷载、积灰荷载、屋面均布活荷载、吊车荷载、地震荷载等。冰裹荷载温度应力、基础不均匀沉降、纵向荷载、吊车荷载。雪荷载一般不与屋面均布活荷载同时考虑，积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载两者中的较大者同时考虑。7.2.2.2内力分析和组合分析：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。内力不利组合：控制截面（1）上段柱和下段柱的上下端截面中的弯矩M、轴向力N和剪力V。（2）柱脚锚固螺栓的计算内力。（3）柱与屋架刚接时，4种最不利的横梁M、V进行组合：（a）使屋架下弦杆产生最大压力；（b）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；（c、d）使腹杆产生最大拉力或最大压力。考虑施工情况，但只考虑屋面恒荷载所产生的支座端弯矩和水平力的不利作用，不考虑它的有利作用。组合系数：一般采用简化规则由可变荷载效应控制的组合：（1）恒荷载+1.0可变荷载；组合系数（2）恒荷载+0.9(可变荷载1+可变荷载2)（3）地震区应参照《建筑抗震设计规范》进行偶然组合。（4）对单层吊车的厂房，垂直轮压及横向水平力一般根据同一跨间、两台满载吊车并排运行的不利情况考虑，对多跨厂房一般只考虑4台吊车作用。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。吊车工作制（A1~A8共8级）工作级别是以起重机的寿命为标准，在荷载不同、作用频次不同的情况下，具有相同寿命的起重机划分在同一级别。划分工作级别目的是为设计、制造和用户的选用之间提供合理、统一的技术基础和参考标准，进而取得较好的安全和经济效果，使起重机的工作状态得到比较准确的反映。7.2.3框架柱的类型按结构形式可分为等截面柱、阶形柱和分离式柱三大类。等截面柱有实腹式和格构式两种。将吊车梁支于牛腿上，构造简单，但吊车竖向荷载偏心大，只适用于吊车起重量Q＜150kN，或无吊车且厂房高度较小的轻型厂房中。实腹式格构式阶形柱也可分为实腹式和格构式两种。由于吊车梁或吊车桁架支承在柱截面变化的肩梁处，荷载偏心小，构造合理，其用钢量比等截面柱节省，因而在厂房中广泛应用。实腹式格构式分离式柱构造简单，制作和安装比较方便，但用钢量比阶形柱多，且刚度较差，只宜用于吊车轨顶标高低于10m，且吊车起重量Q≥750kN的情况，或者相邻两跨吊车的轨顶标高相差很悬殊，而低跨吊车的起重量Q≥500kN的特殊情况。实腹式格构式7.2.4纵向框架的柱间支撑7.2.4.1柱间支撑的作用和布置柱间支撑与厂房框架柱相连接，其作用：①组成坚强的纵向构架，保证厂房的纵向刚度；②承受厂房纵向荷载（风荷载、吊车纵向水平荷载及温度应力、地震力等），并传至基础；③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。柱间支撑由两部分组成：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。下层柱间支撑与柱和吊车梁一起在纵向组成刚性很大的悬臂桁架。设置位置：1）厂房较长，下层支撑应该设在温度区段中部。2）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，而对厂房纵向刚度却能提高很多，这时放在两端才是合理的。（3）温度区段90m时，中央设一道下层支撑(a)；温度区段≥90m，在1/3处各设一道支撑(b)，以免传力路程太长。7.2.4.2柱间支撑的形式和计算十字交叉式、八字式、门架式等十字交叉式：构造简单、传力直接、用料节省，最为普遍。八字式、门架式（1）荷载——承受水平荷载上层柱间支撑：承受山墙传来的风荷载；下层柱间支撑：风荷载、吊车的纵向水平荷载。（2）计算根据具体情况按轴心受力构件（拉杆或压杆）设计。7.3屋盖结构7.3.1屋盖结构的形式7.3.1.1屋盖结构体系(1)无檩屋盖：一般用于预应力混凝土大型屋面板等重型屋面，跨度通常采用6m，有条件时也可采用12m。屋面刚度大，耐久性也高，但自重大，从而使屋架和柱的荷载增加，且由于大型屋面板与屋架上弦杆的焊接常常得不到保证，只能有限地考虑它的空间作用，屋盖支撑不能取消。对比：砌体中刚性、弹性和钢弹性方案我国将砌体结构房屋根据房屋的刚度分为三种计算方案：刚性方案、弹性方案和刚弹性方案。横墙较多且间距较小，其屋盖和层间楼盖可以视作结构的横隔板，这种房屋属于刚性结构；横墙很少、间距超过一定范围的则属于弹性结构。(2)有檩屋盖：常用于轻型屋面材料的情况。如压型钢板、压型铝合金板、石棉瓦、瓦楞铁皮。制作方便，施工速度快。当压型钢板或压型铝板与檩条进行可靠连接后，形成一深梁，能有效地传递屋面纵横方向的水平力(包括风荷载及吊车制动力等)，能提高屋面的整体刚度。这一现象可称为应力蒙皮效应。随着我国《冷弯薄壁型钢结构设计规范》的颁布，在墙面、屋面均采用压型钢板作围护材料的房屋设计中已逐步开始考虑应力蒙皮效应对屋面刚度的贡献。7.3.1.2屋架的形式三角形、梯形、平行弦和人字形平面桁架等。桁架应用极广，适应跨度范围(6m，60m)非常大。平面桁架结构是由上下弦杆和腹杆组成，相当于掏去中间部分未充分受力材料的简支梁。在桁架内部，则上弦受压，下弦受拉，由此形成力偶平衡外荷载产生的弯矩。腹杆抵抗剪力，拉压由桁架形式和荷载作用形式确定。桁架实际受力比较复杂，为简化计算采用三个假定：（1）组成桁架的所有各杆件连接节点铰接点