单层厂房结构讲义.ppt

,钢 结 构 设 计 (steel structure design),土木学院,2011-2012学年第一学期,长春工程学院,changchun institute of technology,考核要求,平时成绩：30% 纪律：旷课1/3取消考试资格；迟到3次按一次旷课记； 作业：缺1/3取消考试资格。 考试成绩：70%,本学期主要内容,第七章 单层厂房结构,第九章 多、高层房屋结构,（普通钢屋架设计）,钢结构的应用,（1）大跨度钢结构 钢屋架 网架、网壳结构 悬索结构 拱架结构 桥梁结构,国家主体育场,“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有 24 根桁架柱。大跨度屋盖支撑在桁架柱上，柱距为37.96米。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置。 钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。,q460是一种低合金高强度钢，国内在建筑结构上首次使用q460规格的钢材；钢板厚度达到110毫米，是以前绝无仅有的，在国家标准中，q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。河南舞钢特种钢厂，用钢q460钢400吨。e-75焊条,q460钢材的运用,天津奥林匹克体育场俯瞰效果图,建筑底面面积为80,000m2，屋顶面积76,719m2，地上层数6层，最高点高度53.00m，可容纳观众数60,000。 屋顶结构采用钢桁架悬挑结构 。屋面桁架落地，形似露珠 。,“绿色奥运”、“科技奥运”、“人文奥运”,美国金门大桥（主跨1280 m）,（2）重型厂房结构 西安变压器厂（400t吊车）,（3）多、高层建筑,（4）高耸建筑 电视塔、微波塔、通讯塔等,（5）轻型钢结构,（6）容器和其他构筑物,（7）可拆卸或移动的结构,（8）承受振动荷载影响及地震作用的结构,（9）混凝土组合成的组合结构等,相关知识复习,钢结构的材料 钢结构的连接 轴心受力构件 受弯构件 拉弯和压弯构件,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 墙架体系,第七章 单层厂房结构,大纲要求:,1. 了解厂房结构的形式和布置；,3. 掌握钢屋架的设计；,2. 了解厂房结构的框架形式；,4掌握轻型门式刚架结构的设计；,教学重点：屋盖结构、轻型门式刚架结构。 教学难点：钢屋架设计、轻型门式刚架设计。,参 考 资 料,1、中华人民共和国国家标准：钢结构设计规范（gb500172003），中国建筑工业出版社，2003年 2、高层民用建筑钢结构技术规程（jgj3-2002），中国建筑工业出版社，2002年 3、陈绍蕃主编，钢结构（第2版），中国建筑工业出版社，2004 4、王肇民主编，建筑钢结构设计，同济大学出版社，2001 5、王新堂主编，钢结构设计，同济大学出版社，2005 6、陈树华主编，钢结构设计，华中科技大学出版社，2007 7、郭昌生主编，钢结构设计，浙江大学出版社，2007 8、张其林主编，轻型门式钢架，山东科学技术出版社，2006 9、钢结构设计手册编辑委员会，钢结构设计手册（上、下册），中国建筑工业出版社,重型厂房的特点：跨度大、高度大、吊车吨位大。 厂房结构主要应用于冶金、造船、机械制造等行业。 7.1.1 一般说明 组成：由屋盖结构、柱、吊车梁、制动梁（或桁架）、各种支撑以及墙梁等构件组成的空间体系。 这些构件按其作用分为： （1）横向框架 由柱与屋架组成。是厂房的主要承 重体系，承受结构的自重、风、雪荷载和 吊车荷载，并把这些荷载传递到基础。,7.1 厂房结构的形式和布置,图7.1,（2）屋盖结构 由屋架、屋面板及檩条组成。承受屋面荷载。,（3）支撑体系 包括屋盖支撑和柱间支撑。,（4）吊车梁和制动梁（桁架） 主要承受吊车竖向及水平荷载，并将这些荷载传递到框架。,（5）墙架 承受墙体的自重和风荷载。,吊车工作制：轻、中、重和特重级。起重机设计规范将其分为八级工作级别a1a8。,柱网布置和计算单元,柱网布置要综合考虑工艺、结构和经济等方面的要求。,吊车的工作制等级与工作级别的对应关系 表7-1,1）满足生产工艺要求 柱的位置应与地上、地下的生产设备和工艺流程相配合。,2）满足结构要求 保证厂房具有足够的强度和 刚度，注意柱距和跨度的类别尽量少些，以利施 工，尽量少抽柱。,3）符合经济合理的要求 合理的柱网布置应使总的经济效益最佳。,柱距取12m。,参数较小厂房取6m柱距较为合适。如果采用轻型围护结构，则取大柱距15m，18m及24m较适宜。,4）符合柱距规定要求,拔柱：由于工艺要求或其它原因，有时需要将柱距局部加大。如图72中，在纵向轴线b与横向轴线l相交处不设柱子，因而导致轴线k和m之间的柱距增大，这种情形有时形象地称为拔柱。,图7.2 柱网布置,计算单元宽度为相邻柱距的平均值,2.温度伸缩缝： 当厂房平面尺寸较大时，为了避免产生过大的温度应力和变形，应在厂房的横向或纵向设置伸缩缝。规范规定：当温度区段长度不超过表7-2的数值时，可不计算温度应力。温度伸缩缝最普通的做法时设置双柱。,超出表7-2中数值时,应考虑温度应力和温度变形 的影响,温度区段长度表(m) 表7-2,7.2 厂房结构的框架形式,横向框架梁与柱的连接形式： 刚接框架：（a)、（b）横梁与柱子的刚接连接 铰接框架：（c）横梁与柱子的铰接连接。,图7.3 框架形式,铰接框架 优点：基础不均匀沉陷及温度影响较小，框架节点 构造容易处理， 屋架端部不产生弯矩，下弦杆始终 受拉，可省去一些下弦支撑。 缺点：下柱的弯矩较大，厂房横向刚度差。 适用范围：一般用于多跨厂房或高度不大而刚度容易满 足的厂房。当采用钢屋架、钢筋混凝土柱的混合结 构时，常采用柱顶铰接的框架形式。反之，在厂房 较高、吊车的起重量大、对厂房刚度要求较高时， 钢结构的单跨厂房常采用柱顶刚接框架方案。,铰接框架：横梁与柱子铰接，适用于吊车起 重量不很大和采用轻型维护结构。 刚接框架：横梁与柱子刚接。适用于设有 双层吊车，装备硬钩吊车等的单 跨重型厂房。 柱脚刚接：可以削减上柱柱顶的弯矩值， 增大横向框架的刚度。,7.2.1 横向框架主要尺寸和计算简图,主要尺寸,框架的跨度:,图7.4 横向框架计算简图（a）,7.2.1 横向框架主要尺寸和计算简图,主要尺寸,框架的跨度:,式中,桥式吊车的跨度；,b吊车桥架悬伸长度，可由行车样本查得； d吊车外缘与柱内边缘之间的必要空隙。 当吊车起重量不超过500kn时，,当吊车起重量大于或等于750kn时，,上部柱宽度。,当在吊车和柱之间需要设置安全走道时， 则d不得小于400mm；,图7.4 横向框架计算简图（b）,图7.4 横向框架计算简图（b）,s的取值：对于中型厂房一般采用0.75m或lm， 重型厂房则为1.25m甚至达2.om。,框架由柱脚底面到横梁下弦底部的距离:,式中,柱脚底面至地面的距离。中型车间约为 0.81.om，重型车间为1.01.2m；,吊车轨顶至屋架下弦底面的距离：,a为吊车轨道顶面至起重小车顶面之间的距离；loomm是为制造、安装误差留出的空隙；(150200)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,选用，l为吊车梁,的跨度。,地面至吊车轨顶的高度，由工艺要求决定；,图7.5 横向框架的计算简图,（a)柱顶刚接（b）柱顶铰接接,横梁与柱铰接的框架,横梁与柱刚接的框架,横向框架的计算高度h： 柱顶刚接时，可取为柱脚底面至框架下弦轴线的距离(横梁刚度假定为无穷大)图7.6(a)，或柱脚底面至横梁端部形心的距离(横梁刚度为有限值)图7.6 (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图7.6(c)、(d)。,图7.6 横向框架的高度取值方法,计算高度h： (a)柱顶刚接时 (横梁刚度假定为无穷大) (b)柱顶刚接时 (横梁刚度为有限值) (c)柱顶铰接时，上承式 (d)柱顶铰接时，下承式,端部形心,7.2.2 横向框架的荷载和内力,平面刚架分析：墙架结构、吊车梁系统等均以集中力方式作用于刚架上。,仅承担一个计算单元内的各种荷载：永久荷载、可变荷载及偶然荷载，标准值按gb50009计算。 永久荷载：屋面恒载、檩条、屋架、其他构件自重及围护结构自重等，换算成水平投影面的均布面荷载； 可变荷载：屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载及吊车荷载、施工检修荷载等；,1.荷载,永久荷载（恒载）,实腹式檩条自重标准值取0.05-0.1kn/m2,格构式檩条自重标准值取0.03-0.05kn/m2,（1）屋面恒载的标准值可按下表取值。(kn/m2),屋面类型 瓦楞铁 压型钢板 波形石棉瓦 水泥平瓦,恒载标准值 0.05 0.1-0.5 0.2 0.55,（2）檩条可按如下取值。,（3）墙架可按如下取值。,墙架结构自重标准值可选用均布荷载0.25-0.42kn/m2,檐高较大时相应取大者。,图7.7 风荷载投影,注意事项： 屋面活荷载不与屋面雪荷载同时考虑； 积灰荷载要考虑局部增大系数； 风荷载是垂直于建筑物表面的，投影到水平面 风压高度系数和风载体型系数 见gb50009。,永久荷载的荷载分项系数为,(计算柱脚锚栓时取,)，可变荷载的荷载分项系数,积灰荷载与雪荷载(或为屋面均布活荷载)两者中的较大者同时考虑。 屋面荷载化为均布的线荷载作用于框架横梁上。 当无墙架时，纵墙上的风力一般作为均布荷载作用在框架柱上；有墙架时，尚应计入由墙架柱传于框架柱的集中风荷载。 作用在框架横梁轴线以上的屋架及天窗上的风荷载按集中在框架横梁轴线上计算。,按照建筑结构荷载规范(gb50009)的规定，结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态，依照组合规则进行荷载效应的组合，并取最不利组合进行设计。,2.内力分析及内力组合,对于一般的刚(框)架，按承载能力极限状态设计时，构件和连接可取下列简化公式中的最不利值确定： sgk、sqk按规范规定的标准值算得的永久荷载效 应和可变荷载效应 g、q永久荷载分项系数和可变荷载分项系数,荷载效应组合的目的：找到最不利组合情形对构 件和连接进行校核，以确定设计是否安全。分别 就构件校核条件中出现的内力，寻求它们分别取 可能的最大值时的组合进行校核 。 受弯构件：,压弯构件：,内力组合表,柱与屋架刚接时，最不利组合可分为四组： （1）使屋架下弦杆产生最大压力图7.7(a)； （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图7.7(b)； （3）（4）使腹杆产生最大拉力或最大压力图7.7(c)、(d)。,图7.7 框架横梁端弯矩最不利组合,框架柱按结构形式可分为 等截面柱 阶形柱 分离式柱,7.2.3 框架柱的类型,等截面柱又分实腹式和格构式两种，通常采用实腹式。吊车梁支承在柱身的牛腿上，适用于 或无吊车且厂房高度较小的轻型厂房中。,阶形柱又分实腹式和格构式两种。阶形柱的上段截面一般采用工字形截面的实腹柱，与屋架、托架的连接简便，下段截面高度1m时，采用实腹式，截面高度1m时采用格构式。吊车梁支承在柱截面变化的肩梁处。,分离式柱由支承屋盖结构的屋盖肢和支承吊车梁的吊车肢组成，两柱肢之间用水平板相连接。,阶梯形柱： 上段柱：实腹式, 格构式。 下段柱：缀条格构式。 分离式柱：,吊车肢 突缘支座-轴压构件， 平板支座-压弯构件）, 屋盖肢（压弯构件）,分离式柱,减小两肢在框架平面内的计算长度, 两肢分别单独承担荷载 。,图7.8 格构式柱与分离式柱,分离式柱的优点：,阶梯形下柱的常见截面形式：,图7-9 双肢格构式柱,变截面柱,双阶边柱,双阶中柱,图7-10 吊车梁工程实例,肩梁,单臂肩梁,双臂肩梁,构造要求：肩梁惯性矩宜大于上柱的惯性矩， 其线刚度与下柱单肢线刚度之比一般宜不小于25，其高跨比可控制在0.350.5之间。,（工字形截面）,（箱形截面）,肩梁 ：阶形柱无论是实腹式还是格构式，均是以肩梁将其各阶段连在一起形成整体的。 （类似牛腿）将各阶柱段连在一起。,肩梁构造,图2.7 肩梁构造,单腹壁肩梁,双腹壁肩梁,惯性矩 线刚度 高跨比 截面高度,7.2.4 纵向框架的柱间支撑,1.作用： （1）与框架柱形成桁架，增强厂房的纵向刚度； （2）承受厂房山墙的风荷载、吊车纵向水平荷载及温度应力； （3）可作为框架柱在框架平面外的支点，减小柱在框架平面外的计算长度。,下层柱间支撑：吊车梁下部的柱间支撑,上层柱间支撑：吊车梁上部的柱间支撑,图7.12,2.柱间支撑的布置： 1）每列柱都要设柱间支撑。 2）多跨厂房的中列柱的柱间支撑要与边列柱的柱间支撑布置在同一柱间。 3）下层柱间支撑一般宜布置在温度区段的中部， 以减少纵向温度应力的影响。当温度区段小于90m时，在中部设一道下层支撑，如果温度区段长度超过90m