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1、第1章单层厂房结构设计 1 1 1厂房结构的形式与布置 1 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 或桁架 各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系 如图1 1所示 这些构件按其所起作用可分为下面几类 横向框架屋盖结构支撑体系 屋盖部分支撑和柱间支撑作用 承载连系 吊车梁和制动梁 或制动桁架 墙架 厂房结构演示 2 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 屋架竖向支撑8 檩条9 10 柱间支撑11 框架柱12 中间柱13 墙架梁 图1 1厂房结构示例 3 1 1 2厂房结构的设计步骤确定厂房的功能 由工艺要求和建筑要求确定建筑方案 结构的设计 结
2、构方案布置 荷载的计算 内力分析 构件的设计 施工图1 1 3柱网和温度伸缩缝的布置1 1 3 1柱网布置满足生产工艺的要求满足结构方面的要求符合经济合理的要求符合柱距规定要求 按 厂房建筑统一化基本规则 和 建筑统一模数制 的规定 结构构件的 4 统一化和标准化可降低制作和安装的工作量 对厂房横向 当厂房跨度L 18m时 其跨度宜采用3m的倍数 当厂房跨度L 18m时 其跨度宜采用6m的倍数 只有在生产工艺有特殊要求时 跨度才采用21m 27m 33m等 对厂房纵向 以前基本柱距一般采用6m或12m 现在采用压型钢板作屋面和墙面材料的厂房日益广泛 常以18m甚至24m作为基本柱距 多跨厂房的
3、中列柱 常因工艺要求需要 拔柱 其柱距为基本柱距的倍数 最大可达48m 5 1 1 3 2温度伸缩缝布置厂房平面尺寸较大时 因温度变化使上部结构产生横向和纵向的变形 使柱内产生弯曲应力 并可能导致屋面和墙面破裂 因此为避免产生过大的温度变形和温度应力 应在厂房的横向或纵向设置温度伸缩缝 布置主要决定于厂房的纵向和横向长度根据使用经验和理论分析 钢结构设计规范规定 当温度区段长度不超过表1 1的数值时 可不计算温度应力 温度伸缩缝最普遍的做法是设置双柱 6 温度区段长度值表1 1 7 1 2厂房结构的框架形式 厂房的主要承重结构通常采用框架体系 困为框架体系的横向刚度较大 且能形成矩形的内部空间
4、 便于桥式吊车运行 能满足使用上的要求 厂房横向框架的柱脚一般与基础刚接柱顶可分为铰接和刚接两类铰接对基础不均匀沉陷及温度影响敏感性小 节点构造容易处理 屋架端部不产生弯矩 下弦杆始终受拉 柱顶铰接时下柱的弯矩较大 厂房横向刚度差刚接厂房较高 吊车的起重量大 对厂房刚度要求较高时 钢结构的单跨厂房常采用柱顶刚接方案 8 1 2 1横向框架主要尺寸和计算简图1 2 1 1主要尺寸框架的主要尺寸见图1 3所示 框架的跨度 一般取为上部柱中心线间的横向距离 1 1 式中 桥式吊车的跨度 S 由吊车梁轴线至上段柱轴线的距离 图1 4 应满足下式要求 1 2 B 吊车桥架悬伸长度 可由行车样本查得 D
5、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 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 9 框架由柱脚底面到横梁下弦底部的距离 式中 地面至柱脚底面的距离 地面至吊车轨顶的高度 由工艺要求决定 吊车轨顶至屋架下弦底面的距离 10 1 2 1 2计算简图单层厂房框架是由柱和屋架 横梁 组成 各个框架之间有屋面板或檩条 托架 屋盖支撑等纵向构件相互连接在一起 故框架实际上是空间工作的结构 应
6、按空间工作计算才比较合理和经济 但由于计算较繁 工作量大 所以通常均简化为单个的平面框架 图1 5 来计算 横向框架的计算简图有两种类型 分为柱顶铰接和柱顶刚接横向框架的计算高度取值分为四种情况 详见图1 6框架的计算跨度L 或L1 L2 取为两上柱由线之间的距离 11 12 13 1 2 2横向框架的荷载和内力1 2 2 1荷载作用在横向框架上的荷载可分为永久荷载和可变荷载两种 永久荷载有 屋盖各级组织主 柱 吊车梁系统 墙架 墙板及设备管道和的自重 这些重量可参考有关资料 表格 公式进行估计 可变荷载有 风 雪荷载 积灰荷载 屋面均布活荷载 吊车荷载 地震荷载等 这些荷载可由荷载规范和吊车
7、规格查得 1 2 2 2内力分析和内力组合框架内力分析可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 14 为了计算框架构件截面 必须将框架在各种荷载作用下所产生的内力进行最不利组合 列出上 下段柱的上下端截面中的弯矩M 轴向力N和剪力V 此外还包括柱脚锚固螺栓的计算内力 每个截面必须组合出 Mmax和相应的N V Mmax和相应的N V Nmax和相应的M V 对柱脚锚栓则应组合出可能出现的最大拉力 即Mmax和相应的N V Mmax和相应的N V 柱与屋架刚接时 应对横梁的端弯矩和相应的剪力进行组合 最不利组合可分为四组 第一组组合使屋架下弦杆产生最大压力 图1 7 a
8、 第二组组合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 图1 7 b 第三 四组组合使腹杆产生最大拉力或最大压力 图1 7 c d 15 在内力组合中 采用简化规则由可变荷载效应控制的组合 当只有一个可变荷载参与组合时 组合值系数取1 0 即 恒 可变荷载 当有两个或两个以上可变荷载参与组合时 组合值系数取0 9 即 恒 0 9 可变荷载1 可变荷载2 在地震区应参照 建筑抗震设计规范 进行偶然组合 对单层吊车的厂房 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 16 1 2 3框架柱的类型框架柱按结构形式可分为等截面柱 阶
9、形柱和分离式柱三大类 详见图1 8 17 1 3支撑体系 平面屋架在屋架平面外的刚度和稳定性很差 不能承受水平荷载 因此 为使屋架结构有足够的空间刚度和稳定性 必须在屋架间设置支撑系统 图1 9 厂房支撑体系可分为屋盖支撑和柱间支撑两部分 18 19 1 3 1屋盖支撑的种类和作用1 3 1 1屋盖支撑的种类1 3 1 2屋盖支撑的作用保证屋盖的整体性 提高空间刚度仅由平面桁架 檩条及屋面材料组成的屋盖结构 是一个不稳定的体系 如果将某些屋架在适当部位用支撑连系起来 成为稳定的空间体系 其余屋架再由檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上 就保证了整个屋盖结构的稳定 组成 上弦横向水平支撑下弦横
10、向水平支撑下弦纵向水平支撑垂直支撑系杆 20 避免压杆侧向失稳 防止拉杆产生过大的振动支撑可作为屋架弦杆的侧向支撑点 减小弦杆出平面外的计算长度 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 保证结构安装时的稳定与方便屋盖的安装首先用支撑将两相邻屋架连系起来组成一个基本空间稳定体 在此基础上即可顺序进行其他构件的安装 21 1 3 2屋盖支撑的布置1 3 2 1上弦横向支撑 见图1 10 组成 屋架上弦 斜向杆件 檩条 系杆作用 保证屋架侧向刚度和屋盖的空间刚度 减小上弦在平面外计算长度 承受和传递端墙的风荷载 布置 端部第一或第二开间 当布置在第二开间时 端屋架需与横
11、向支撑用系杆刚性连接 确保端屋架的稳定和风荷载传递 有时因天窗架从第二开间起设 横向支撑间距大于60m时 中间增设 屋面为大型屋面板 且屋面板有三点与屋架上弦牢固连接时 可不设 但一般高空作业较难保证 还是设上弦横向支撑 大型屋面板起系杆的作用 有天窗架时 上弦横向支撑仍需布置 22 1 3 2 2下弦横向水平支撑 见图1 10 组成 屋架下弦杆 斜杆 系杆作用 山墙抗风柱的支点 承受并传递水平风荷载 悬挂吊车的水平力和地震引起的水平力 减小下弦的平面外计算长度 减小下弦的振动 布置 屋架跨度大于18m时屋架下弦设有悬挂吊车时抗风柱支承在屋架下弦时屋架下弦设通长纵向支撑时 宜设屋架下弦横向支撑
12、 23 图1 10上弦横向水平支撑和下线横向水平支撑 24 1 3 2 3下弦纵向水平支撑 见图1 11 组成 系杆 斜杆作用 增加屋盖空间刚度 承受和传递吊车横向水平制动力 布置 屋架两边 与横向支撑形成封闭框 有重级工作制吊车或起重量较大的中 轻工作制吊车时 有振动设备 屋架下弦有吊轨 有托架时 房屋跨度较大 空间刚度要求较高时 均需设置下弦纵向水平支撑 25 1 3 2 3垂直支撑 见图1 12 组成 系杆 斜杆作用 使相邻屋架形成几何不变的空间体系 保证侧向稳定 布置位置 设有上弦横向支撑的开间内 每隔4 5个开间布置一道 布置原则 1 梯形或平行弦屋架无天窗 跨度l30m 布置在屋架
13、两端 跨度l 3处 26 有天窗 跨度l 30m 布置在屋架两端 跨中 天窗架两端 有天窗 跨度l 30m 布置在屋架两端 跨度l 3处 天窗架两端 2 三角形屋架跨度小于18m时 布置在屋架中间 跨度大于18m时 一般视具体情况布置两道 图1 11下弦纵向水平支撑 下弦纵向水平支撑 27 图1 12垂直支撑的布置和形式 28 1 3 2 4垂直支撑作用 在无支撑的开间处 保证屋架的侧向稳定 减小弦杆的计算长度 传递水平荷载 布置 竖向支撑平面内设通长系杆 水平横向支撑设在第二开间时 端屋架需与第二榀屋架用刚性系杆连接 其余设置刚性或柔性系杆均可 屋脊节点 屋架支座节点设置刚性系杆 系杆分刚性
14、和柔性 29 1 3 3柱间支撑1 3 3 1柱间支撑的作用柱间支撑与厂房框架柱相连接 其作用为 组成坚强的纵向构架 保证厂房的纵向刚度 承受厂房端部山墙的风荷载 吊车纵向水平荷载及温度应力等 在地震区尚应承受厂房纵向的地震力 并传至基础 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 1 3 3 2柱间支撑的布置位置与原则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 上层支撑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 第二层在屋架下弦至吊车梁 30 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 有下层支撑处也应设置上层支撑 下
15、层支撑应该设在温度区段中部 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 而对厂房纵向风度却能提高很多 当温度区段小于90m时 在它的中央设置一道下层支撑 图1 13 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1 13 b 以免传力路程太长 31 1 4屋盖结构 1 4 1屋盖结构体系1 4 1 1屋盖结构体系无檩屋盖 无檩屋盖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或天窗架上 形式与布置 见图1 14组成 屋架 天窗架 支撑 水平支撑 垂直支撑 大型屋面板传力路线 屋面荷载大型屋面板屋架 或天窗架 特点 屋盖刚度大 整体
16、性好 施工方便 但自重大 抗震性能差 可用于屋架坡度较小的屋盖 32 图1 14无檩屋盖形式与布置 33 有檩屋盖形式和布置 见图1 15组成 轻质屋面板 檩条 拉条 支撑 屋架传力路线 屋面荷载屋面板檩条屋架特点 屋面材料轻 整体性 刚度差些 有拉条 甚至斜拉条 撑杆等 构造较复杂 可用于屋架坡度较大的屋盖 拉条的作用 减小檩条的侧向变形和扭转 一般设在檩条腹杆受压区域 有檩屋盖的单层厂房的吊装过程动画 34 图1 15有檩屋盖形式与布置 35 1 4 1 2屋架的形式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 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 36 屋架外形常用的有三角形 梯形 平行弦和人字形等 1 三角形屋架类型 芬克式 特点 长腹杆受拉 短腹杆受压 受力合理 应用广泛 37 人字式 特点 杆件数量少 节点数量少 受压杆
