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第七章 单层厂房结构 下 2020 3 21 1 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 7 4框架柱设计特点 框架柱承受轴向力 弯矩和剪力作用 属于压弯构件 本节就其计算和构造的特点加以说明 7 4 1柱的计算长度厂房柱考虑吊车荷载时 从经济角度常采用阶形柱 一般有单阶柱 双阶柱 故柱的计算长度需分段考虑 根据柱上端与横梁或屋架的连接型式的不同 铰接时 可视为悬挑构件 柱顶变形 水平位移 转动 刚接时 柱顶可视为定向支座 柱顶变形仅有水平位移 而无转动 对上 下柱段 计算长度可取为 H1 H2 分别为阶形柱上 下段的几何长度 1 2 分别为阶形柱上 下段计算长度系数 对于下柱段的 2可由查附表5 3 5 4 P318 得出 注 查表前应先判断出柱顶连接类型 刚接或铰接 其它 1 阶形柱计算长度的折减系数原因 a 组成横向框架的单层厂房各阶形柱所承受的吊车竖向荷载差别较大 荷载较小的相邻柱会给所计算的荷载较大的柱提供侧移约束 b 在纵向因有纵向支撑和屋面等纵向连系构件 各横向框架之间有空间作用 有利于荷载重分配 阶形柱的计算长度折减系数 以反映阶形柱在框架平面内承载力的提高 2 框架平面外 沿厂房长度方向 的计算长度取阻止框架平面外位移的侧向支承点之间距离 柱在框架平面外的尺寸较小 侧向刚度较差 在柱脚和连接节点处可视为铰接 取法 当设吊车梁和柱间支撑而无其他支承构件时 上段柱 取制动结构顶面至屋盖纵向水平支撑或托架支座之间柱的高度 下段柱 取往脚底面至肩梁顶面之间柱的高度 7 4 2柱的截面验算阶形柱上柱 实腹工字形截面 选取最不利内力组合 阶形柱下柱 格构式压弯构件 需要验算在框架平面内的整体稳定以及屋盖肢与吊车肢的单肢稳定 计算单肢稳定时 应注意分别选取对所验算的单肢产生最大压力的内力组合 7 4 3肩梁的构造和计算阶形柱支承吊车处 是上 下柱连接和传递吊车梁支反力的重要部位 它由上盖板 下盖板 腹板及垫板组成 也称肩梁 肩梁有单壁式和双壁式两种 单壁式 2 双壁式肩梁单壁式肩梁构造简单 但平面外刚度较差 较为大型的厂房柱通常采用双壁式肩梁 7 4 4托架与柱的连接托架通常支承于钢柱的腹板上 a 托架双壁式支于钢柱 b 托架单壁式支于混凝土柱 7 5轻型门式刚架结构 7 5 1厂房结构的组成及特点 1 组成承重构件 轻型焊接H形钢 热轧H形钢或冷弯薄壁型钢檩条 墙架 冷弯薄壁型钢屋面 墙面 压型金属板保温材料 聚苯乙烯泡沫塑料 硬质聚氨脂泡沫塑料 岩棉 矿棉或玻璃棉支撑体系 柱间支撑 横向支撑 刚性系杆 柔性系杆 经张拉后的圆钢筋 等 2 特点1 质量轻 抗震性能好 2 工业化程度高 周期短 多采用高强螺栓 3 综合经济效益高 4 柱网布置比较灵活 现行设计规范 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102 2002 7 5 2门式刚架的结构形式和布置 1 结构形式 单跨 双跨 多跨 柱脚多为铰接 当用于工业厂房且有桥式吊车时 宜采用刚接柱脚 当刚架柱不是特别高且风荷载也不很大时 中柱宜采用两端铰接的摇摆柱 这些柱不参与抵抗侧向力 截面也比较小 这体现了 材料集中使用 的原则 门式刚架可设置起重量不大于3t的悬挂起重机和起重量不大于20t的轻 中级工作制单梁吊车或双梁桥式吊车 2 建筑尺寸跨度 取横向刚架柱轴线间的距离 宜为9 36m 以3m为模数 高度 内净高确定 设有吊车的厂房应根据轨顶标高和吊车净高要求而定 取地坪至柱轴线与斜梁轴线交点的高度 宜为4 5 9 0m 必要时可适当加大 间距 即柱网轴线在纵向的距离宜为6m 也可采用7 5m或9m 最大可用12m 跨度较小时间距可为4 5m 3 结构平面布置纵向温度区段长度不大于300m 横向温度区段长度不大于150m 在多跨刚架局部抽掉中柱处 可布置托架 山墙处可设置由斜梁 抗风柱和墙架组成的山墙墙架 或直接采用门式刚架 4 墙梁布置外墙在抗震设防烈度不高于6度的情况下 可采用砌体 7度 8度时 不宜采用嵌砌砌体 9度时宜采用与柱柔性连接的轻质墙板 5 支撑布置在每个温度区段或者分期建设的区段中 应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系 间距 安装条件确定 一般30 40m 不大于60m 在设置柱间支撑的开间应同时设置屋盖横向支撑以组成几何不变体系 端部支撑宜设在温度区段端部的第二个开间 并在第一开间的相应位置宜设置刚性系杆 7 5 2荷载及荷载组合永久荷载 包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载 如屋面 檩条 支撑 吊顶 墙面构件和刚架自重等 可变荷载 屋面活荷载 屋面雪荷载和积灰荷载吊车荷载 地震作用 风荷载 荷载组合原则 1 屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑 应取两者中的较大值 2 积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑 3 施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑 4 多台吊车的组合应符合 荷载规范 的规定 5 当需要考虑地震作用时 风荷载不与地震作用同时考虑 在进行刚架内力分析时 荷载效应组合主要有 组合 1 1 2 永久荷载 0 9 1 4 积灰荷载 max 屋面均布活荷载 雪荷载 0 9 1 4 风荷载 吊车竖向及水平荷载 组合 2 1 0 永久荷载 1 4 风荷载组合 1 用于截面强度和构件稳定性计算 组合 2 用于锚栓抗拉计算 7 5 2刚架内力和侧移计算内力计算原则 根据不同荷载组合下内力分析结果 找出控制截面的内力组合 控制截面位置一般在柱底 柱顶 柱牛腿连接处及梁端 梁跨中等截面 控制截面的内力组合主要有 1 最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值 2 最大弯矩Mmax和同时出现的V及N的较大值 3 最大弯矩Mmax和同时出现的V及N的较大值 4 最小轴压力Nmin和相应的M及V 出现在永久荷载和风荷载共同作用下 当柱脚铰接时M 0 侧移计算原则 变截面门式刚架柱顶侧移应采用弹性分析方法确定 计算时荷载取标准值 不考虑荷载分项系数 计算公式见P220式 7 35 7 41 如果最后验算时刚架的侧移不满足要求 即需要采用下列措施之一进行调整 1 放大柱或梁的截面尺寸 2 改铰接柱脚为刚接柱脚 3 把多跨框架中的摇摆柱改为上端和梁刚接的节点连接形式 7 5 4刚架柱和梁的设计 1 梁 柱板件的宽厚比限位和腹板屈曲后强度利用1 梁 柱板件的宽厚比限值 2 腹板屈曲后强度利用 3 腹板的有效宽度 2 刚架梁 柱构件的强度计算1 工字形截面受弯构件在剪力V和弯矩M共同作用下的强度应符合下列要求 2 工字形截面受弯构件在剪力V 弯矩M和轴力N共同作用下的强度验算 3 梁腹板加劲肋的配置 4 斜梁整体稳定计算和隅撑设置为保证斜梁在刚架平面外稳定 通常在下翼缘受压区两侧设置隅撑 作为斜梁的侧向支承 隅撑宜用单角钢截面 5 刚架柱整体稳定计算 隅撑 檩条 刚架斜梁 7 5 5刚架节点设计 刚架横梁与柱拼装节点刚架横梁屋脊拼装节点柱脚设计檩条设计 P229 墙架构件设计 P229 支撑构件设计 P230 屋面板和墙板设计 P230 1 斜梁与柱的连接及斜梁拼接一般采用高强螺栓 端板连接 按刚接节点设计 其形式 端板竖放 端板斜放 端板平放 斜梁拼接 a 端板竖放 b 端板斜放 c 端板平放 刚架斜梁与柱的连接 2 横梁屋脊拼装节点图 3 柱脚设计柱脚分刚接柱脚和铰接柱脚两类 当吊车起重量 5吨时应考虑设置刚性柱脚 本工程实例 吊车吨位20吨 柱脚形式为刚接柱脚 主要用来传递吊车荷载 风荷载和结构自重 平板式铰接柱脚 刚接柱脚 柱脚的计算一 底板的计算1 底板的平面尺寸底板面积 按构造要求确定底板宽度 2 底板的厚度 底板的厚度决定于板的抗弯强度 3 柱脚锚栓应采用Q235或Q345 计算风荷载作用下柱脚锚栓的上拔力时 应计入柱间支撑的最大竖向分力 此时 不考虑活荷载 或雪荷载 积灰荷载和附加荷载影响 同时永久荷载分项系数1 0 锚栓直径不宜小于24mm 且应采用双螺帽以防松动 柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力 此水平剪力可由底板与混凝土基础之间的摩擦力 摩擦系数可取0 4 或设置抗剪键承受 4 靴梁的构造与计算 1 靴梁的高度由靴梁与柱的连接焊缝长度决定 2 靴梁厚度可取与柱翼缘的厚度相同 3 靴梁与底板间的水平焊缝计算按承受全部轴压力N计算 4 靴梁抗弯和抗剪强度验算 按双悬臂简支梁计算 柱脚构造详图 铰接柱脚 刚接柱脚 加劲板 加劲板 地脚螺栓 浇入素混凝土保护地脚锚栓 7 6吊车梁设计特点 直接支承吊车的受弯构件有吊车梁和吊车桁架 一般采用简支结构 因为简支结构传力明确 构造简单 施工方便 且对支座沉陷不敏感 吊车梁 型钢梁 组合工字形梁及箱形梁等形式其中焊接工字形梁最为常用 吊车梁的动力性能好 特别适用于重级工作制吊车的厂房 应用最为广泛 吊车桁架 对动力作用反应敏感 特别是上弦 故只有在跨度较大而吊车起重量较小时才采用 吊车梁 除永久荷载外 更主要的是由吊车移动所引起的连续反复作用的动力荷载 这些荷载既有竖向荷载 横向水平荷载 也有纵向水平荷载 7 6 1吊车梁系统结构组成 单轴对称工字形截面 带制动梁的吊车梁 带制动桁架的吊车梁 1 单轴对称工字形截面 Q 30t L 6m A1 A5级 2 带制动梁的吊车梁 竖向荷载吊车梁 横向水平荷载制动梁 3 带制动桁架的吊车梁 竖向荷载吊车梁 L 12m A6 A8 L 18m A1 A5 增设辅助桁架 水平支撑和垂直支撑 吊车荷载的传递路径 7 6 2吊车梁的荷载 钢结构设计规范 3 1 5 计算结构或构件计算强度 稳定及连接的强度时 应采用荷载设计值 计算疲劳时 应采用荷载标准值 1 吊车荷载的动力系数 建筑结构荷载规范 5 3 1 当计算吊车梁及其连接的强度时 吊车竖向荷载应乘以动力系数 对悬挂吊车 包括电动葫芦 及工作级别A1 A5的软钩吊车 动力系数可取1 05 对工作级别为A6 A8的软钩吊车 硬钩吊车和其他特种吊车 动力系数可取为1 1 动力系数 钢结构设计规范 3 1 6 对于直接承受动力荷载的结构 在计算强度和稳定时 动力荷载设计值应乘以动力系数 在计算疲劳和变形时 动力系数标准值不乘动力系数 变形 属于静力计算范畴 疲劳 考虑动力影响 概念分析动力影响 疲劳计算公式 即考虑动力荷载反复作用 从而造成对结构强度的影响 降低 动力系数 建筑结构荷载规范 4 6 1 建筑结构设计的动力计算 在有充分依据时 可将重物或设备的自重乘以动力系数后 按静力计算设计 是一种简化的计算方法 2 吊车的竖向荷载标准值 轮压力 建筑结构荷载规范 5 1 1 吊车竖向荷载标准值 应采用吊车最大轮压或最小轮压 标准吊车可查表得到非标准吊车可按下式计算 3 吊车的横向水平荷载标准值1 横行小车制动时横向水平荷载标准值 荷载 5 1 2软钩吊车 当额定起重量不大于10t时 取12 当额定起重量为16 50t时 取10 当额定起重量不小于75t时 取8 硬钩吊车 取20 横向水平荷载应等分于桥架的两端 分别由轨道上的车轮平均传至轨道 其方向与轨道垂直 并考虑正反两个方向的刹车情况 2 卡轨力 重级工作制吊车由于轨道宜磨损 钢结构设计规范 3 2 2 计算重级工作制吊车梁 或吊车桁架 及其制动结构的强度 稳定性以及连接 吊车梁或吊车桁架 制动结构 柱相互间的连接 的强度时 应考虑由吊车摆动引起的横向水平力 此荷载不与荷载规范规定的横向水平荷载同时考虑 作用于每个轮压处的此水平力标准值可由下式进行计算 式中 系数 对一般软钩吊车取0 1 抓斗或磁盘吊车宜采用0 15 硬钩吊车取0 2 3 横向水平荷载的确定重级工作制吊车梁 其他吊车 4 吊车梁的纵向水平荷载 钢 5 1 2 吊车纵向水平荷载标准值 应按作用在一边轨道上所有刹车轮最大轮压之和的10 采用 该项荷载的作用点位于刹车轮与轨道的接触点 其方向与轨道方向一致 5 多台吊车的组合 钢 5 2 1 计算排架考虑多台吊车竖向荷载时 对一层吊车单跨厂房的每个排架 参与组合的吊车台数不宜多于2台 对一层吊车的多跨厂房的每个排架 不宜多于4台 考虑多台吊车水平荷载时 对单跨或多跨厂房的每个排架 参与组合的吊车台数不应多于2台 钢 5 2 2 计算排架时 多台吊车的竖向荷载和水平荷载的标准值 应乘以表5 2 2中规定的折减系数 表5 2 2多台吊车的折减系数 7 6 3吊车梁内力计算 1 计算强度 稳定性 运用荷载基本组合 由可变荷载控制的基本组合 荷载效应设计值S 由恒荷载控制的基本组合 荷载效应设计值S 选用式 1 进行计算 一般为吊车竖向荷载 一般取0 7 2 计算疲劳 变形 运用荷载标准组合 3 内力计算运用结构力学中影响线的基本知识 计算吊车梁跨中Mx max My max及支座Vmax 注 1 组合的吊车台数 2 在计算My max时 l0y的确定 3 Mx My及扭矩T的区别 7 6 4吊车梁的截面验算 1 设计截面 2 强度验算a 上翼缘正应力计算b 下翼缘正应力验算c 剪应力验算d 吊车梁上翼缘与腹板交界处的折算应力验算 3 整体稳定验算 4 刚度验算 5 疲劳验算 6 翼缘与腹板连接焊缝计算 7 腹板的局部稳定验算 1 吊车梁上翼缘与柱的连接 2 吊车梁上翼缘与制动结构连接 高强螺栓连接抗疲劳性能好 施工方便 板铰连接保证吊车梁为简支 7 6 5吊车梁的连接 3 吊车梁支座 1 简支吊车梁支座 a 平板支座 b 凸缘支座2 连续吊车梁支座 a 平板支座 支座加劲肋 支座垫板 厚度t 16mm 缺点 柱受到吊车竖向荷载引起的较大扭矩作用 传力板 b 凸缘支座 支座加劲肋 弹簧板 优点 e较小 柱受到吊车较小的扭矩作用 7 7墙架系统设计 7 7 1墙梁的构造要求7 7 2墙梁的荷载7 7 3墙梁内力计算7 7 4墙梁截面验算7 7 5柱间支撑的布置与计算 墙架系统主要由墙梁 拉条 斜拉条 撑杆 以及墙面板等组成 拉条的作用主要是承受墙梁竖向荷载 减小墙梁平面内竖向挠度 墙梁主要承受由墙板传递的风荷载 墙梁的截面主要是C型和Z型两种冷弯薄壁型钢截面形式 墙梁 岩棉保温材料 墙梁支架 墙梁 墙梁 墙梁支架 窗洞支架 通常墙梁的最大刚度平面在水平方向 槽口方向向下 墙梁主要承担水平风荷载 风荷载 风荷载 双侧挂板 单侧挂板 7 7 1墙梁的构造要求 荷载1 竖向