第9章单层房屋钢结构

1第9章单层厂房钢结构§9-1单层厂房钢结构的组成及布置原则9.1.1单层厂房钢结构的组成单层厂房钢结构(single-storyindustrialsteelstructures)一般是由屋盖结构、柱、吊车梁、制动梁（或制动桁架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系（图9.1.1）。这些构件按其作用可分为下面几类：图9.1.1单层厂房钢结构的组成示例(a)无檩屋盖(b)有檩屋盖(1)、横向框架由柱和它所支承的屋架或屋盖横梁组成，是单层厂房钢结构的主要承重体系，承受结构的自重、风、雪荷载和吊车的竖向与横向荷载，并把这些荷载传递到基础。(2)、屋盖结构承担屋盖荷载的结构体系，包括横向框架的横梁、托架、中间屋架、天窗架、檩条等。(3)、支撑体系包括屋盖部分的支撑和柱间支撑等，它一方面与柱、吊车2梁等组成单层厂房钢结构的纵向框架，承担纵向水平荷载；另一方面又把主要承重体系由个别的平面结构连成空间的整体结构，从而保证了单层厂房钢结构所必需的刚度和稳定。(4)、吊车梁和制动梁（或制动桁架）主要承受吊车竖向及水平荷载，并将这些荷载传到横向框架和纵向框架上。(5)、墙架承受墙体的自重和风荷载。此外，还有一些次要的构件如梯子、走道、门窗等。在某些单层厂房钢结构中，由于工艺操作上的要求，还设有工作平台。9.1.2柱网和温度伸缩缝的布置一、柱网布置柱网布置(layoutofcolumnrows)就是确定单层厂房钢结构承重柱在平面上的排列，即确定它们的纵向和横向定位轴线所形成的网格。单层厂房钢结构的跨度就是柱纵向定位轴线之间的尺寸，单层厂房钢结构的柱距就是柱子在横向定位轴线之间的尺寸（图9.1.2）。(a)(b)图9.1.2柱网布置和温度伸缩缝(a)各列柱距相等(b)中列柱有抽柱进行柱网布置时，应注意以下几方面的问题：(1)应满足生产工艺要求。厂房是直接为工业生产服务的，不同性质的厂房具有不同的生产工艺流程，各种工艺流程所需主要设备、产品尺寸和生产空间都是决定跨度和柱距的主要因素。柱的位置（包括柱下基础的位置）应和地上（地下）设备、机械及起重运输设备等相协调。此外，柱网布置尚应考虑未来生产发展和生产工艺的可能变动。(2)应满足结构的要求。为了保证车间的正常使用，使厂房具有必要的刚度，应尽量将柱布置在同一横向轴线上，以便与屋架或横梁组成横向框架，提供尽可3能大的横向刚度。(3)应符合经济合理的原则。柱距大小对结构的用钢量影响较大，较经济的柱距可通过具体方案比较确定，例如，在柱子较高、跨度较大而吊车起重量又较小的车间中，采用大柱距可能是经济合理的。为了降低制作和安装工作量，应尽量实现结构构件的统一化和标准化，满足《厂房建筑统一化基本规则》的规定：当单层厂房钢结构跨度小于或等于18m时，应以3m为模数，即9m、12m、15m、18m；当厂房跨度大于18m时，则以6m为模数，即24m、30m、36m。但是当工艺布置和技术经济有明显的优越性时，也可采用21m、27m、33m等。厂房的柱距一般采用6m较为经济，当工艺有特殊要求时，可局部抽柱，即柱距做成12m；对某些有扩大柱距要求的单层厂房钢结构也可采用9m及12m柱距。二、温度伸缩缝温度变化将引起结构变形，使厂房钢结构产生温度应力。故当厂房平面尺寸较大时，为避免产生过大的温度变形和温度应力，应在厂房钢结构的横向和纵向设置温度伸缩缝(temperaturejoint)。温度伸缩缝的布置决定于厂房钢结构的纵向和横向长度。纵向很长的厂房在温度变化时，纵向构件伸缩的幅度较大，引起整个结构变形，使构件内产生较大的温度应力，并可能导致墙体和屋面的破坏。为了避免这种不利后果的产生，常采用横向温度伸缩缝将单层厂房钢结构分成伸缩时互不影响的温度区段。按规范规定，当温度区段长度不超过表9.1.1的数值时，可不计算温度应力。表9.1.1温度区段长度值结构情况温度区段长度（m）纵向温度区段（重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220120150热车间和采暖地区的非采暖房屋180100125露天结构120——温度伸缩缝最普遍的做法是设置双柱。即在缝的两旁布置两个无任何纵向构件联系的横向框架，使温度伸缩缝的中线和定位轴线重合(图9.1.2,a)；在设备布置条件不允许时，可采用插入距的方式(图9.1.2,b)，将缝两旁的柱放在同一基础上，其轴线间距一般可采用1m，对于重型厂房由于柱的截面较大，可能要放大到1.5m或2m，有时甚至到3m，方能满足温度伸缩缝的构造要求。为节约钢材也可采用单柱温度伸缩缝，即在纵向构件（如托架、吊车梁等）支座处设置滑动支座，以使这些构件有伸缩的余地。不过单柱伸缩缝使构造复杂，实际应用较少。当厂房宽度较大时，也应该按规范规定布置纵向温度伸缩缝。§9-2横向框架的结构类型及主要尺寸9.2.1框架的类型4单层厂房的基本承重结构通常采用框架(frames)结构体系。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和横梁与柱刚接两种情况。如按跨度来分，则有单跨、双跨和多跨。横梁与柱铰接的框架，在传统单层厂房钢结构中常可见到。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。9.2.2主要尺寸框架的主要尺寸如图9.2.1所示。框架的跨度，一般取为上部柱中心线间的横向距离，可由下式定出：SLLK20（9.2.1）式中LK——桥式吊车的跨度；S——由吊车梁轴线至上段柱轴线的距离（图9.2.2），应满足下式要求：S=B+D+b1/2（9.2.2）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；b1——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。图9.2.1横向框架的主要尺寸图9.2.2柱与吊车梁轴线间的净空框架由柱脚底面到横梁下弦底部的距离：H=h1+h2+h3（9.2.3）式中h1——地面至柱脚底面的距离。中型车间约为0.8~1.0m，重型车间为1.0~1.2m；H2H15h2——地面至吊车轨顶的高度，由工艺要求决定；h3——吊车轨顶至屋架下弦底面的距离：h3=A+100+（150~200）（mm）（9.2.4）式（9.2.4）中A为吊车轨道顶面至起重小车顶面之间的距离；100mm是为制造、安装误差留出的空隙；（150~200）mm则是考虑屋架的挠度和下弦水平支撑角钢的下伸等所留的空隙。吊车梁的高度可按（1/5~1/12）L选用，L为吊车梁的跨度，吊车轨道高度可根据吊车起重量决定。框架横梁一般采用梯形或人字形屋架，其形式和尺寸参见本章9-4节。§9-3结构的纵向传力系统9.3.1纵向框架柱间支撑的作用和布置柱间支撑(bracings)与厂房钢结构框架柱相连接，其作用为：(1)、组成坚强的纵向构架，保证单层厂房钢结构的纵向刚度；(2)、承受单层厂房钢结构端部山墙的风荷载、吊车纵向水平荷载及温度应力等，在地震区尚应承受纵向地震作用，并将这些力和作用传至基础。(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(a)(b)(c)6图9.3.1柱间支撑布置架。为了使纵向构件在温度发生变化时能较自由地伸缩，尽量减少温度应力，下层支撑应该设在温度区段中部。只有当吊车位置高而车间总长度又很短（如混铁炉车间），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时，放在两端才是合理的。当温度区段小于90m时，在它的中央设置一道下层支撑（图9.3.1,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9.3.1,b），以免传力路程太长。在短而高的单层厂房钢结构中，下层支撑也可布置在单层厂房钢结构的两端（图9.3.1,c）。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。显然，当屋架为三角形或虽为梯形但有托架时，并不存在此层支撑。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，由于单层厂房钢结构柱在吊车梁以上部分的刚度小，不会产生过大的温度应力，从安装条件来看这样布置也是合适的。此外，在有下层支撑处也应设置上层支撑。上层柱间支撑宜在柱的两则设置，只有在无人孔而柱截面高度不大的情况下才可沿柱中心设置一道。下层柱间支撑应在柱的两个肢的平面内成对设置，与外墙墙架有联系的边列柱可仅设在内侧，但重级工作制吊车的厂房外侧也同样设置支撑。此外，吊车梁和辅助桁架作为撑杆是柱间支撑的组成部分，承担并传递单层厂房钢结构纵向水平力。9.3.2柱间支撑的形式柱间支撑按结构形式可分为十字交叉式、八字式、门架式等（图9.3.2）。十字交叉支撑的构造简单、传力直接、用料节省，使用最为普遍，其斜杆倾角宜为45°左右。上层支撑在柱间距较大时可改用斜杆（图9.3.2,d）；下层支撑高而不宽者可以用两个十字形，高而刚度要求严格者可以占用两个开间（图9.3.2,c）。当柱间距较大或十字撑妨碍生产空间时，可采用门架式支撑（图9.3.2,d）。图9.3.2,e的支撑形式，上层为V形，下层为人字形，它与吊车梁系统的连接应做成能传递纵向水平力而竖向可自由滑动的构造。(a)(b)(c)(d)(e)图9.3.2柱间支撑的形式上层柱间支撑承受端墙传来的风力；下层柱间支撑除承受端墙传来的风力以外，还承受吊车的纵向水平荷载。在同一温度区段的同一柱列设有两道或两道以上的柱间支撑时，全部纵向水平荷载（包括风力）由该柱列所有支撑共同承受。当支撑系统在柱的两个肢的平面内成对设置时，在吊车肢的平面内设置的下层支7撑，除承受吊车纵向水平荷载外，还承受与屋盖肢下层支撑按轴线距离分配传来的风力；靠墙的外肢平面内设置的下层支撑，只承受由风荷引起的与吊车肢下层支撑按轴线距离分配来的风力。柱间支撑的交叉杆和图9.3.2,d的上层斜撑杆和门形下层支撑的主要杆件一般按柔性杆件（拉杆）设计，交叉杆趋向于受压的杆件不参与工作，其他的非交叉杆以及水平横杆按压杆设计。某些重型车间，对下层柱间支撑的刚度要求较高，往往交叉杆的两杆均按压杆设计。9.3.3柱间支撑的设计计算一、支撑设计荷载计算1．纵向风荷载由房屋两端或一端（房屋设有中间伸缩缝）的山墙及天窗架端壁传来的纵向风荷载，按《建筑结构荷载规范》（GB50009）的相关规定确定其设计值。2．吊车纵向水平荷载由吊车在轨道上纵向行驶所产生的刹车力，一般按不多于两台吊车计算，该荷载的设计值可由下式决定：max1.0PT（9.3.1）式中maxP为吊车刹车车轮的最大设计轮压，刹车轮数一般为吊车一侧轮数的一半。3．纵向地震作用位于抗震设防烈度7度及以上地区的单层厂房钢结构，应根据其抗震设防标准，按《建筑抗震设计规范》（GB50011）9.2节的相关规定确定其纵向地震作用设计值。4．保证柱子平面外稳定的支撑力做为框架柱平面外的支承点，在纵向柱列高度中央附近通过柱截面剪心设置一边支撑系统（包括水平撑杆）时，支撑系统所受的支撑力设计值应按下式计算：nNFibn4.06.060（9.3.2）式中iN为被撑柱列同时存在的轴心压力设计值之和；n为柱列中被撑柱的根数。该支撑力可不与其他荷载效应组合。二、支撑构件内力计算计算各支撑杆件的内力时，假设各连接节点均为铰接，并忽略各杆件的偏心