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建筑钢结构设计 第二章中 重型厂房结构设计 第一节结构形式和结构布置 一一般说明 重型工业厂房 跨度大 高度大 吨位大 屋盖体系可采用 钢屋架 大型屋面板结构体系 钢屋架 檩条 轻型屋面板结构体系 横梁 檩条 轻型屋面板结构体系 新兴的做法 吊车按国家标准 起重机设计规范 GB3811 根据吊车使用繁重程度 使用次数和荷载大小 将其划分为八个工作级别 即A1 A8 习惯将吊车以轻 中 重和特重四个工作制等级划分 吊车工作制 传统的做法 一 柱网布置和计算单元 柱网布置要综合考虑工艺 结构和经济等因素 并注意符合标准化模数要求 在跨度不小于30m 高度不小于14m 吊车起重量不小于50t时 柱距取12m较为经济 参数较小的厂房取6m柱距较为合适 采用轻型围护结构 柱距15m 18m和24m较好 位于软弱地基上的重型厂房 应采用较大柱距 柱距选取参考经验 温度收缩缝设置 单柱温度收缩缝或双柱温度收缩缝均可在地震区域厂房结构宜布置双柱收缩缝 对于超出表2 2数值的厂房结构应考虑温度应力和温度变形影响 工艺要求拔柱 可设托梁 实腹式 或托架 桁架式 托架托梁构造要求见P52中间段落 设计时注意几何参数协调问答题 二 横向框架及其截面选择 单跨重型厂房 刚度要求较高厂房 如设有双层吊车 硬钩吊车 柱与屋架连接采用刚接连接 称为刚接框架 多跨 吊车起重量不很大 采用轻型围护结构 柱与屋架连接采用铰接连接 称为铰接框架 中 重级厂房的柱脚通常做成刚接 以削减柱段的弯矩绝对值 减小柱截面尺寸 增大横向框架的刚度 柱子形式 阶梯形柱 上段可采用实腹式或格构式 下段采用缀条格构柱 常用于中 重型厂房 实腹式等截面柱 构造简单 加工制作费用低 用于厂房高度不超过10m 吊车起重量不超过20t时采用 中 重型厂房承重柱很少采用 分离式柱 柱身分为屋盖肢和吊车肢用水平板做成柔性连接 两肢分别承受吊屋盖 包括围护结构 荷载和吊车荷载 分离式柱用于位置不高大吨位吊车 如起重量超过100t 或吊车起重量不大但厂房高度较大有刚度要求 或者车间分期扩建时 柱截面形式 实腹式等截面焊接工字形或 a 阶形柱上柱截面 b 吊车起重量较小的边列柱 c 吊车起重量不超过50t的中列柱 d 吊车起重量超过50t的中列柱 e 吊车起重量较大的边列柱 f 特大型厂房的下柱截面 初步确定柱截面尺寸 参照已有同类型构件或设计参考资料 选取厂房结构形式 不仅要考虑吊车的起重量 而且要考虑吊车的工作级别及吊钩类型 对于A6 A8级吊车的车间要求结构具有较大的横向刚度和纵向刚度 肩梁构造及计算简图 双腹壁肩梁用于柱截面宽度较大 900mm 情形 三 柱间支撑 支撑的作用1承担厂房山墙上的风荷载 吊车纵向水平荷载 纵向地震力并将荷载可靠地传递分配给各柱基础 2加强厂房结构纵向刚度和空间整体性 厂房支撑系统包括柱间支撑和屋盖支撑 每列柱都必须设置柱间支撑 中列柱的柱间支撑与其边列柱的柱间支撑布置在同一柱间 吊车梁上部的柱间支撑称为上层柱间支撑 吊车梁下部的柱间支撑称为下层柱间支撑 上层柱间支撑布置在与屋盖垂直支撑同一柱间 下层柱间支撑布置原则见P56 57 支撑的倾角应控制在350 550之间 下层柱间支撑形式 柱距过大 12m 或其它原因 工艺或建筑上的需要 可采用门形 L形柱间支撑或将吊车梁与下段柱吊车肢刚性连接形成刚架 下层柱支撑采用一般设置为双片 分别与吊车肢与屋盖肢相连 双片支撑之间以缀条相连 缀条 200 L50 5 上层柱间支撑一般为单片 如果上柱设有人孔或截面高度过大 800mm 应采用双片 支撑连接采用焊缝或高强螺栓 采用焊缝连接时hf 6mm lw 80mm 同时在连接处设置不小于M16安装螺栓 二屋架外形及腹杆形式 一 桁架的应用 桁架是由各直杆在端部相互连接组成的格子结构 杆件主要承受轴力 充分发挥材料作用 用料自重小 且易按需做成各种外形 应用十分广泛 如桁架 拱架 框架 网架和塔架 二 桁架的外形和腹杆形式 三 确定桁架形式的原则 选型原则 1使用要求 屋面材料 支承条件 室内净空 吊顶 悬挂吊车 天窗 建筑造型要求等 2受力合理 从而充分发挥材料作用 外形接近于M图形状 在三种外形中 以梯形与抛物线弯矩图相接近 各节间弦杆内力相差较小 弦杆 若各节间弦杆内力相差不太大 用一根通长的型钢来做弦杆 不会造成太多浪费 腹杆 腹杆数少 总长较短 且长腹杆受拉 短腹杆受压 3制作简单 运输和安装较方便 杆件数少 节点数少 杆件尺寸及节点构造形式统一 杆件间的夹角以300 600为宜 4综合技术经济效果好 四 桁架的主要尺寸的确定 跨度L和高度H 包括梯形屋架端部高度H0 跨度L 取决于柱网布置 由使用及工艺要求确定 高度H取决于 经济条件 刚度条件 屋架挠度限值为l 500 运输界限 铁路运输界限为3 85m 屋面坡度i 三屋盖支撑 一 屋盖支撑的作用 P61 63 1保证屋盖结构的几何稳定性 几何不变体系 2保证屋盖的刚度和空间整体性 刚度 主要指纵向刚度 空间整体性 使各框架协同工作 3为弦杆提供适当的侧向支承点 4承担并传递水平荷载 5保证结构安装时的稳定与方便 二 屋盖支撑的布置 屋盖支撑体系包括上 下弦横向水平支撑 纵向水平支撑 垂直支撑 系杆 支撑布置原则 P63 65 6小结 各类支撑布置的内在联系 3 系杆最终应连接于垂直支撑或横向支撑的节点上 1 上下弦横向水平支撑成对布置在房屋两端柱间 或第二柱间 垂直支撑也同时布置于此柱间 当房屋较长时 应加设上述支撑 使其间距 60m 2 若需布置纵向水平支撑时 则应与横向支撑布置在同一平面 通常在下弦平面 且连成封闭框架 三 屋盖支撑的杆件及支撑的计算原则 P62 63 横向支撑为平行弦桁架 交叉腹杆体系 相邻两屋架弦杆作弦杆 另加竖杆和斜杆 上弦横向支撑常为上弦节间长度的2 4倍 纵向支撑为平行弦桁架 交叉腹杆体系 以屋架弦杆作竖杆 另加弦杆和斜杆 垂直支撑形式 W形 V形 交叉斜杆 300 600 支撑杆件的截面形式 交叉斜杆 柔性系杆 按拉杆设计 一般采用单角钢 非交叉斜杆 弦杆 竖杆 刚性系杆 按压杆设计 用双角钢 用长肢相并双角钢或十字形截面 使两个方向的刚度相近 支撑杆件的截面形式 1一般按 确定截面 压杆 200 拉杆 400 重型工作制吊车厂房为350 2横向支撑传递较大的山墙风荷时 第二节计算原理 按平面刚架分析 墙架结构吊车梁系统以集中荷载作用于刚架 必要时可将刚架自重静力等效为集中力作用于刚架上 一荷载计算 一个刚架承受一个计算单元内各种荷载 永久荷载 可变荷载和偶然荷载 永久荷载包括屋面恒载 屋架 檩条 墙梁及刚架自重 围护结构自重等 一般换算为计算单元上均布面荷载 以后无特别说明 均布荷载均指水平投影面上的均布面荷载 其标准值按 建筑结构荷载规范 GB5009 附录A计算 可变荷载包括屋面活荷载 雪荷载 积灰荷载 风荷载及吊车荷载 屋面恒载的标准值 屋面活荷载不和屋面雪荷载同时考虑 因此取屋面活荷载与雪荷载标准值取大者计算 积灰荷载要注意局部增大系数 1取屋脊处的风荷载标准值作为整个刚架的风荷载标准值 檐口高度和屋面坡度不是很大时 在考虑风荷载标准值时 2屋脊处的风荷载标准值作为斜梁的风荷载标准值 檐口处的风荷载标准值作为柱子的风荷载标准值 檐口高度和屋面坡度较大时 刚架计算单元 宽度b 跨度方向长h 范围内的风荷载为 封闭式双坡屋面的风荷载体型系数 其它情形按 建筑结构荷载规范 GB50009 的规定取值 二刚架内力计算 将格构柱和屋架换算为实腹式构件进行分析 其当量惯性矩为 一般只需针对几种基本类型荷载标准值下进行内力分析 再利用小位移线性结构的叠加原理进行组合 如对于单跨刚架可考虑 1恒载作用2屋面可变荷载 3左 或右 风荷载 4吊车左 或右 刹车力 5吊车靠近左 或右 时的重力 平面刚 框架 的内力采用计算机软件进行分析 简化手算方法可用于初始方案论证 三内力组合原则 对于一般刚 框 架 按承载能力极限状态设计时 构件和连接计算可按简化原则组合 对于受弯构件 考虑以下四种组合 对于压弯构件 考虑以下四种组合 第三节檩条设计 P36 一檩条的截面形式 P36 分实腹式 用于跨度 9m 和格构式 用于跨度 9m b 为高频焊接H型钢截面 抗弯性能好 用于跨度较大情形 卷边槽钢 C形钢 檩条适用于i 1 3的情况 直卷边和斜卷边Z型檩条适用于i 1 3的情况 格构式檩条截面形式有下撑式 a 平面桁架式 b 和空腹式 c 格构式檩条用钢量较少 但侧向刚度较低 构造和支座比较复杂 在垂直于地面的均布荷载作用下 沿截面两个形心主轴都有弯矩作用 属于双向受弯构件 沿屋面方向刚度小 将均布荷载q沿截面形心主轴方向分解成qx qy 二檩条的受力特点 P37 三檩条的构造要求 P41 设置檩条拉条的目的 为了减小檩条沿屋面方向的弯曲变形 减小My以及增加抗扭刚度 设置檩条拉条以减小该方向的檩条跨度 檩条拉条设置要求 见P41 四檩条截面验算 P39 41 补充 一 强度验算 余见P39 见P38表1 4 二 整体稳定验算 P39 文字说明见P39 40 沿屋面设置拉条时 由于拉条起侧向支承作用 不必验算檩条的整体稳定 式 1 67b 和式 1 68b 中截面模量采用有效截面 其值应按GB50018规定计算 但由于檩条双向受弯 翼缘的正应力非均匀分布确定有效宽度计算比较复杂 通常通过控制其宽厚比 使截面全部有效 对于和屋面板牢固连接并承受重力荷载的卷边槽钢 Z形钢檩条 其翼缘全截面有效的范围为 GB50018规范所附卷边槽钢和卷边Z形钢规格 多数满足以上要求 但其卷边宽度应符合GB50018的规定 见P40表1 6 如选用公式 1 73 范围外的截面 应按有效截面进行验算 三 刚度验算 或变形验算P40 41 按弹性方法计算 用标准荷载v v 具体计算公式见P40 41公式 1 74 和 1 75 第四节钢屋架设计 P67 一桁架的内力计算 一 荷载 1恒载 桁架自重 包括支撑 0 12 0 011LkN m2 L 单位m 屋面材料 吊顶 2可变荷载 吊车 风 活 雪 灰 二 内力计算 1节点荷载作用下 按铰接桁架计算各杆轴力 单位荷载作用下的内力系数 数解法 图解法 查表 2节间荷载作用下 1 节间荷载化为节点荷载 按上述计算各杆轴力 视铰支于节点上 按简支梁计算反力或 节间长度 柱距 受荷面积 简言之 将节间荷载分配到节点上 2 计算节间荷载产生的局部弯矩 M0 将上弦节间视为简支梁所得跨中弯矩 三 内力组合 1组合原则 寻求每一根杆件可能的最不利受力情况 2内力组合 为什么要考虑半跨荷载 屋架中部某些斜杆可能在全跨荷载时受拉 而半跨荷载时受压 三角形屋架通常只考虑全跨荷载 因为半跨荷载下腹杆内力不变号 轻屋面风载较大 风载产生风压力时 3内力组合表 阅读P60例2 1P61例2 2 二杆件计算长度 本册P74 上册P169 172 一 弦杆和单系腹杆的计算长度 1分析原则 屋架杆件两端并非铰接 而有一定刚性 即有一定的弹性嵌固 拉杆受拉力使杆件变直而不弯曲 而压杆使杆件变短且压力降低杆件抗弯刚度 2桁架平面内lox 3桁架平面外l0y 对于腹杆发生屋架外的变形 节点板抗弯刚度很小 相当于板铰 3 单角钢或双角钢组成十字形截面 二 交叉腹杆的计算长度 上册P171 172 三 见P74 三杆件的截面选型 一 选型要求 二 截面型式及选择 用等肢双角钢截面或不等肢双角钢截面短肢相并 用等肢双角钢截面或不等肢双角钢截面长肢相并 2下弦杆 用等肢双角钢截面或不等肢双角钢截面短肢相并 3腹杆 用不等肢双角钢截面长肢相并或等肢双角钢截面 采用等肢双角钢截面 3 连接垂直支撑得竖杆 4 受力较小的腹杆 考虑连接方便 安装屋架方便 采用十字布置双角钢截面 用单角钢截面 有偏心 设计强度折减 折减系数见上册P109式 4 39 4 40 三 T型钢 多用于弦杆 由普通型或宽翼缘型工字钢切得 由轧制厂直接提拱 翼宽腹薄 经济性好 T字弦杆 双角钢腹杆比全角钢屋架省材12 15 因为减少了节点板和缀板且上弦用料经济 在屋架中 弦杆多半采用宽翼缘T型钢 腹板多采用中翼缘T型钢 单角钢或双角钢 四屋架杆件构造的一般要求 1在一榀屋架中 所用角钢规格不宜超过5 6种 2普通钢屋架 角钢厚度 4mm 最小角钢规格 45 4 56 36 4 轻钢 薄钢屋架不在此限 钢板厚度 5mm 梯形屋架 平行弦屋架的节点把腹杆内力传给弦杆 节点板厚度由腹杆最大内力 一般在支座处 决定 三角形屋架支座处的节点板要传递端节间弦杆的内力 因此节点板厚度由上弦端节间内力决定 通常根据上述内力确定支座节点板厚度 考虑中间节点板受力较小 比支座节点板厚度减2mm 整榀屋架中间节点板厚度相同 3节点板厚度 由杆件轴力 材料强度根据经验确定P76 4缀板 垫板 P73 作用 由两个角钢组成的T形或十字形截面的杆间 为了保证两个角钢共同工作 两角钢需有一定的连系而加设缀板 垫板 5屋架跨度L 24m时 弦杆可根据内力改变一次截面 保持角钢厚度 改变肢宽 以便于连接 T字钢可改变腹板高度 缀板布置 2 在杆件的两侧向支承点之间 缀板不少于两块 且每节间不少于两块 若杆件太短无法放置时 至少放一块 压 拉杆相同 五屋架杆件截面选择及验算 P77 79 通常列表计算 P79表2 9 选出截面再作一次调整 以使角钢规格不超过5 6种 对于有节间荷载的弦杆 在表外计算 压杆 应进行稳定性和刚度验算 压弯构件 应进行平面内外的稳定性和刚度的验算 双角钢压杆和轴对称放置的单角钢压杆 图2 28f 绕对称轴失稳时呈弯扭屈曲 应该用换算长细比 换算长细比可以采用上册P102理论公式 4 29 内力小的腹杆及支撑杆件 由 选择截面 对于一些腹杆可能受拉 亦可能受压时 应按压杆取值 阅读P79例2 3 P80例2 4 P81例2 5 设计具体内容 确定节点构造 计算焊缝 确定节点板形状和尺寸 1节点构造要求 1 桁架杆件重心线与杆件轴线重合 各杆轴线汇交形成节点中心 第五节桁架的节点设计 上册P282 290 2 杆端截断处宜直切 若需斜切 只能切肢尖 不允许切肢背 3 节点板形状 简单 传力合理 节点构造紧凑 a 力求规整 一般至少有两对边平行 b 传力均匀 避免凹角 以免形成应力集中 c 使连接焊缝尽可能中心受力 d 板边与腹杆交角 150 5 各杆端净距a 15 20mm 直接承受动力荷载a 50mm 以不使焊缝过于密集而使节点板变脆 6 避免构造上的偏心 2节点设计的程序 画出各杆轴线 画出各杆外形投影线 重心线与轴线重合 确定杆端位置 根据腹杆轴力计算其与节点板连接焊缝的尺寸 在腹杆外形投影线上标出角钢肢背 肢尖焊缝长度 位置 根据杆端净距a 15mm 直接受动力荷载为50mm 预先列表计算 在表中调整各焊缝hf 确定节点板的形状和具体尺寸 包住连接该节点所有腹杆焊缝 确定弦杆与节点板的连接焊缝计算拼接节点的连接焊缝 3节点计算 有四类节点 一般节点 有集中力作用的节点 弦杆拼接节点 支座节点 1 一般节点 无集中荷载及无拼接的节点 弦杆本身传递较小的力N2 2 有集中力作用的节点 如上弦节点 集中力较大而上弦角钢较薄时 可用水平板予以加强 为使檩条或屋面板便于放置有两种做法 a 节点板凹进弦杆肢背 形成塞焊缝 K 和角焊缝 A 塞焊缝 K 质量不易保证 常假设只传递集中力P 且按二条hf t 2的角焊缝计算 通常均能满足 角焊缝 A 传递弦杆内力差 N及 N e 即 b 节点板部分伸出 3 弦杆拼接节点 做法 另加拼接角钢 一般与弦杆角钢同号或大一号 以传递断开的弦杆内力 屋脊处拼接角钢 除了切肢切棱外 尚需弯折 热弯成型 屋面坡度较大时 则将竖肢开口 钻口或焰割 弯折后对焊 弦杆与节点板的连接焊缝 D 传递弦杆内力差 N或15 N之大者 考虑拼接角钢切肢切棱截面削弱 有15 N由节点板传递 计算同 一般节点 或由 集中力作用的节点 即 1 或 2 b 间隙 一般取10 20mm 屋脊节点则取30 50mm 拼接角钢与弦杆的连接焊缝 C 考虑切肢切棱后 截面形心处的力与拼接角钢两侧焊缝近于等距 4 支座节点 类似 轴压柱脚 a 组成和作用 底板 把屋架支座反力传给柱头 加劲肋 分布支座反力 加强底板刚度和节点板侧向刚度 节点板 联系节点处各杆并传递各杆内力 锚栓 便于屋架安装就位并最终锚定 b 构造要求 i 肋板中线应与各杆合力线重合 ii 梯形屋架中 为便于施焊 下弦角钢边缘与底板间距离 e 下弦伸出肢宽且 130mm iii 锚栓直径d 18 26mm 一般为20mm 底板上锚栓孔径 2 2 5 d 垫圈上锚栓孔径 d 1 2 mm c 传力路线 P290图7 129 d 计算 底板 焊缝 L 和焊缝 H i 底板 a b 底板边长取cm的整倍数 且应使锚栓与节点板 肋板中线之间的距离不小于底板上的锚栓孔径 以及短边尺寸 200mm ii 水平焊缝 H iii 肋板与节点板连接焊缝 L 肋板高度同节点板 第六节桁架施工图 设计课讲授 第七节矩形钢管屋架特点 自学 第八节吊车梁设计 P85 一吊车梁的荷载及工作性能 P85 一 主要特点 1承受桥式吊车产生的三向荷载 移动荷载 1 吊车的竖向荷载P 2 横向水平荷载T 横向刹车力 卡轨 啃轨力 3 纵向水平力TL 沿吊车梁轴线方向 2吊车荷载有动力作用 对静力强度和稳定计算时所采用的荷载应乘以动力系数 3对重级工作制吊车梁及重 中级吊车桁架应作疲劳验算 4由于承受横向水平力 需设置制动结构 P90图2 41 5应考率吊车的台数组合及吊车的不利位置 6其它 二 吊车梁承受的荷载 P89 1吊车最大轮压Pmax P89 L 吊车梁的跨度 2自重 包括吊车梁自重 制动结构 走道荷载 积灰荷载 轨道荷载 支撑等 3横向水平力T P89 对于悬挂吊车 手动吊车 电动葫芦不考虑 吊车运行时摆动引起的水平力比刹车力更为不利 1 一般软钩吊车0 1 抓斗或磁盘吊车0 15 硬钩吊车0 2 二吊车梁的截面组成 P86 一 吊车梁 常用工字形截面 二 制动结构 1型式 2作用 P90 1 承受横向水平荷载 2 保证吊车梁的整体稳定 3 作为人行走道和检修平台 3宽度 依吊车起重量 柱宽及刚度要求确定 P90 1 一般B 0 75m 2 B 1 2m 用制动梁 B 1 2m 用制动桁架 3 对于硬钩吊车 不论制动结构宽度如何 均用制动梁 4 制动梁钢板用花纹钢板 以利于在上面行走 三 辅助桁架和支撑 P90 91 1设置条件及位置 1 在边列柱上吊车梁外侧设辅助桁架 P90图2 41c d 2 在

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