[PPT]重型厂房钢结构设计讲义

1、2.重型厂房2.1结构形式和结构布置2.2厂房结构计算原理2.3钢屋架的设计2.4吊车梁的设计2.1结构形式和结构布置 2.1.1一般说明 1. 柱网布置和计算单元 2.1.2屋架外形及腹杆形式 3.柱间支撑 1.桁架的定义、特点及应用 2. 横向框架及其截面选择 4.桁架主要尺寸的确定 2. 桁架的外形及腹杆形式 1.屋盖支撑的作用 2.屋盖支撑的布置 3.确定桁架形式的原则 2.1.3屋盖支撑3.屋盖支撑的杆件及计算原则 22.1.1一般说明（1-3） 结构形式：重型厂房一般取单层刚(框)架结构形式，也有一部分为多层刚架。 屋面结构体系 ： 1、钢屋架-大型屋面板结构体系 2、钢屋架-檩条

2、-轻型屋面板结构体系 3、横梁-檩条-轻型屋面板结构体系。 2.1.1一般说明（2-3）典型单层单跨厂房构造：如简图 2.1.1一般说明（3-3）吊车工作级别：按照吊车使用的繁重程度，将其分为A1A8八个工作级别。工作制等级与工作级别之间的对应关系见表。2.11. 柱网布置和计算单元1-3柱网布置要求：厂房的柱网布置要综合考虑工艺、结构和经济等诸多因素来确定，同时还应注意符合标准化模数的要求。 合理柱网：跨度、高度、吊车吨位较大时，柱距取12m较为经济；参数较小时取6m柱距较为合适；采用轻型围护结构时，则取15m、18m及24m大柱距较适宜；位于软弱地基上的重型厂房，应采用较大柱距。 温度缝设

3、置：有双柱和单柱两种方案，在地震区域宜用双柱方案。1. 柱网布置和计算单元2-3 拔柱情形： 由于工艺或其他原因要求，有时需要将标准柱网局部拔柱。拔柱处应布置托梁或托架。 1. 柱网布置和计算单元3-3计算单元划分原则： 单元划分应使纵向每列柱至少有一根柱参加框架工作，同时将受力最不利的柱划入其中。2.12. 横向框架及其截面选择1-6横向框架形式 柱脚有刚接和铰接两种形式；横梁与柱的连接也包括铰接和刚接，相应地称横向框架为铰接框架或刚接框架。如图：2. 横向框架及其截面选择2-6框架柱截面形式 厂房柱有实腹等截面柱、阶形柱及分离式柱。重型厂房阶形柱及分离式柱如图：2. 横向框架及其截面选择3

4、-6重型厂房柱常用截面类型：阶形柱截面如图：2. 横向框架及其截面选择4-6厂房柱截面尺寸可参照以有建筑或设计资料确定，亦可参照表格初步确定： 阶形柱肩梁： 肩梁作用及 肩梁种类；如图：2. 横向框架及其截面选择5-62. 横向框架及其截面选择6-62.1 肩梁计算模型：以简支梁为力学模型，根据上段柱根部的弯矩和轴力 进行强度验算。3. 柱间支撑1-3 支撑种类：柱间支撑包括上、下层支撑。常将吊车梁上部的柱间支撑称为上层柱间支撑，吊车梁下部的则称为下层柱间支撑。 支撑作用：与屋盖支撑一样，保证厂房具有足够的纵向刚度来抵抗作用于厂房山墙上的风荷载、吊车的纵向水平荷载、纵向地震力等。 3. 柱间支

5、撑2-3柱间支撑布置如图：3. 柱间支撑3-3柱间支撑的形式下层支撑如图：上层支撑如图：2.11. 桁架的应用桁架特点 由直杆在端部相互铰接而组成的桁架，其杆件多数情况下只受轴线拉力或压力；截面上应力均匀分布；用料经济，自重小；外形构成灵活。桁架种类及应用： 平面体系：如简支桁架、拱、框架； 空间体系：如网架及塔架等。 应用：屋盖结构、皮带运输机桥、输电塔架 和桥梁等。 2.12. 桁架的外形及腹杆形式 外形一般分为三角形、梯形及平行弦三种。常用的桁架腹杆形式有人字式、芬克式、豪式(也叫单向斜杆式)、再分式及交叉式五种。如图。3. 确定桁架形式的原则-1 桁架外形与腹杆形式，应该经过综合分析来

6、确定。确定的原则应从下述几个方面考虑。 (1)满足使用要求：屋架外形的确定须满足防水材料、屋架端部与柱连接方式、室内净空、天窗及天窗形式、建筑造型等多方面的需要。 (2)受力合理：对弦杆来说，应使各节间弦杆的内力相差不太大；对腹杆来说，应使长杆受拉短杆受压，且腹杆数量宜少，腹杆总长度也应较小。 3. 确定桁架形式的原则-2 (3)制造简单及运输、安装方便 ：应尽量杆件数量少、节点少、杆件尺寸划一及节点构造形式划一。桁架中杆与杆之间的夹角以30-60 为宜，夹角过小时易使节点构造不合理。 (4)综合技术经济效果好：在确定桁架形式与主要尺寸时 ，不仅应注意构件本身的省料与省时，还应注意跨度大小、荷

7、载状况、材料供应条件以及建设速度等。2.14. 桁架主要尺寸的确定 桁架的主要尺寸：跨度L、高度 h(包括梯形屋架的端部高度h0) 。跨度:对屋架来说由使用和工艺方面的要求决定。高度:由经济条件、刚度条件、运输界限及屋面坡度等因素来决定。通常三角形屋架 h =(1/6-1/4)L；梯形屋架跨高 h =(1/10-1/6)L，端高ho=(1/16-1/10)L,常取为1.82.1m。 2.12.1.3屋 盖 支 撑 当采用屋架作为主要承重构件时，支撑是屋盖结构的必要组成部分(包括屋架支撑和天窗架支撑) 。 2.1带天窗屋盖的支撑设置1. 屋盖支撑的作用支撑作用主要包括以下几个方面： (1)保证屋

8、盖结构的几何稳定性； (2)保证屋盖的刚度和空间整体性； (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。支撑种类：上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑、系杆。2.12. 屋盖支撑的布置-1(1)上弦横向水平支撑 在有檩体系或无檩体系的屋盖中都应设置屋架上弦横向水平支撑，当有天窗架时，天窗架上弦也应设置横向水平支撑。 上弦横向水平支撑应设置在房屋的两端（当有横向伸缩缝时在温度缝区段的两端）。一般设在第一个柱间或第二个柱间。横向水平支撑的间距Lo以不超过60m为宜，所以在一个温度区段的中间还要布置一或几道。 2. 屋盖支撑的布置-2

9、(2)下弦横向水平支撑 一般情况下应该设置下弦横向水平支撑。只是当跨度比较小(L18m)且没有悬挂式吊车，或虽有悬挂式吊车但起重吨位不大，厂房内也没有较大的振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。 下弦横向水平支撑与上弦横向水平支撑设在同一柱间，以形成空间稳定体。 2. 屋盖支撑的布置-3(3)纵向水平支撑 当房屋内设有托架，或有较大吨位的重级、中级工作制的桥式吊车，或有壁行吊车，或有锻锤等大型振动设备，以及房屋较高，跨度较大，空间刚度要求高时，均应在屋架下弦(三角形屋架可在下弦或上弦)端节间设置纵向水平支撑。 纵向水平支撑与横向水平支撑形成闭合框，加强了屋盖结构的整体性并能提高房屋纵、横向的刚度

10、。 2. 屋盖支撑的布置-4(4)垂直支撑 所有房屋中均应设置垂直支撑。梯形屋架在跨度L30m，三角形屋架在跨度L24m时，仅在跨度中央设置一道，否则宜在跨度13附近或天窗架侧柱外设置两道。梯形屋架不分跨度大小，其两端还应各设置一道，当有托架时则由托架代替。 垂直支撑本身是一个平行弦桁架，形式如图；天窗架的垂直支撑，一般在两侧设置，当天窗的宽度大于12m时还应在中央设置一道。形式如图。 沿房屋的纵向，屋架的垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同一柱间。2. 屋盖支撑的布置-5(5)系杆 系杆分刚性系杆、柔性系杆。刚性系杆能承受拉力也能承受压力，柔性系杆只能承受拉力。 系杆的布置原则：在垂直支撑

11、的平面内一般设置上下弦系杆，屋脊节点及主要支承节点处需设置刚性系杆，天窗侧柱处及下弦跨中或跨中附近设置柔性系杆；当屋架横向支撑设在端部第二柱间时，则第一柱间所有系杆均应为刚性系杆。 2.13. 支撑的杆件及计算原则-1屋盖支撑都是平面桁架（系杆除外），桁架的弦杆为屋架的弦杆，腹杆一般采用交叉斜杆的形式，也有采用单斜杆。屋盖支撑受力比较小，一般不进行内力计算，杆件截面常按容许长细比来选择。交叉斜杆和柔性系杆按拉杆设计，可用单角钢，非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可用双角钢，但刚性系杆通常将双角钢组成十字形截面，以便两个方向的刚度接近。 3. 支撑的杆件及计算原则-2当支撑桁架受力较

12、大，如横向水平支撑传递较大的山墙风荷载时，或结构按空间工作计算因而其纵向水平支撑需作柱的弹性支座时，支撑杆件除需满足允许长细比的要求外，尚应按桁架体系计算内力，并据以选择截面。交叉斜腹杆的支撑桁架是超静定体系，但因受力比较小，一般常用简化方法进行分析，可以认为其只受拉力。若按压杆设计则可参见相关资料。 2.12.2 厂房结构计算原理 目前厂房建筑结构内力计算的主要方法仍然是将单层房屋结构简化为平面刚架来分析，而不考虑空间整体作用。如下图：22.2.1荷载计算2.2.2刚架计算2.2.3内力组合2.2.0计算简图2.2.0 计算简图计算跨度：两上柱的轴线间距；计算高度：与梁柱刚度比及梁柱连接情况

13、有关。如图所示：常见简图：2.22.2.1荷载计算(1-2) 刚架计算单元所承受的荷载包括永久荷载，可变荷载及偶然荷载。它们原则上依据建筑结构荷载规范进行计算。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（施工荷载一般通过在施工中采取临时性措施予以考虑）。 永久荷载包括屋面恒载、檩条、屋架、其他构件自重和围护结构自重等。永久荷载一般换算为计算单元上水平投影面上的均布面荷载。2.2.1荷载取值(2-2)屋面恒载的标准值可按经验取值。实腹式檩条的自重标准值可选用0.05-0.1kNm2，而格构式常可近似取0.03-0.05kNm2。墙架结构自重标准值可选用均布荷载0.25-0.42k

14、Nm2，檐高较大时相应取大者。 积灰荷载要注意局部增大系数。 风荷载标准值与高度有关。 柱与斜梁风荷载取值应考虑檐口高度及斜梁坡度且应化为垂直水平面。#2.22.22.2.2刚架内力计算(1-3) 当刚架有格构式构件时，为了简化计算，通常引用当量惯性矩将格构式柱和屋架换算为实腹式构件进行内力分析。 当量惯性矩的一般表达式为： 是反映剪力影响和几何形状的修正系数，平行弦情形，可取为0.9；上弦坡度为1/10时取为0.8；上弦坡度为18时取为0.7。 其他参数如图。2.2.2刚架内力计算(2-3)对于屋架，其当量惯性矩可直接表达为： 是上下两弦截面形心之间的距离。 当屋架的几何尺寸未定时，可按下式

15、估算其当量惯性矩：2.2.2刚架内力计算(3-3)应用叠加原理，刚架内力分析一般只需针对以下几种基本荷载类型进行： (1)永久荷载； (2)屋面活荷载； (3)左(或右)风荷载； (4)吊车左(或右)刹车力； (5)吊车小车靠近左(或右)时的重力。 上述分析均按荷载标准值进行，以便组合结构最不利内力。 2.22.22.2.3内力组合原则(1-3) 在钢结构设计中，按承载能力极限状态计算时，一般考虑荷载效应的基本组合，必要时考虑荷载效应的偶然组合。简化公式：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： 2.2.3内力组合原则(2-3)效应组合的目的

16、：是为了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。受弯构件内力组合情形： 、最大正弯矩和相应剪力； 、最大负弯矩和相应剪力； 、最大正剪力和相应弯矩； 、最大负剪力和相应弯矩； 2.2.3内力组合原则(3-3)压弯构件内力组合： 、最大正弯矩和相应的轴力、剪力； 、最大负弯矩和相应的轴力、剪力； 、最大正轴力和相应的弯矩、剪力； 、最大负轴力和相应的弯矩、剪力； 情形、 有时还需区分正、负弯矩。实际工程中，内力组合计算的实际操作，一般是在表格中进行。内力的正负向，可依设计者的习惯而定。 2.22.3钢屋架设计 钢屋架设计步骤大致包括确定屋架的形式和尺寸、计算屋架杆件内力、选

17、择杆件截面、设计节点和绘制屋架施工图等几步。本节主要内容如下：2.3.1屋架内力计算2.3.2桁架杆件的计算长度2.3.3杆件的截面型式2.3.4一般构造要求与截面选择2.3.4.1屋架构造的一般要求2.3.4.2桁架杆件截面选择2.3.5桁架节点设计和施工图22.3.1屋架内力计算-1计算假定：屋架杆件轴线汇交于节点中 心；节点为理想铰；计算方法：图解法或有限元法计算过程：1)荷载汇集； 2)求半跨单位力作用下的内力系数； 3)求恒荷、活荷作用下的内力；4） 内力组合，找杆件最不利内力。节间荷载处理：将节间荷载分配到相邻节点；计算点荷载作用下的屋架内力；计算弦杆的局部弯矩；上弦杆按压弯杆件设

18、计，其余杆件按轴心杆设计。2.3.1屋架内力计算-2集中荷载Q：2.3.1屋架内力计算-3铰接屋架内力组合应考虑三种荷载组合情况：（刚接屋架应考虑端弯矩、剪力）全跨恒荷全跨活荷全跨恒荷半跨活荷(或屋架、支撑和天窗自重半跨屋面板重半跨屋面使用荷载)全跨恒荷风荷载；第二项中半跨荷载作用情况亦可控制跨中少量腹杆的长细比不大于150来处理。第三项可通过控制拉杆长细比不大于200来处理。2.32.3.1屋架内力计算-4关于屋架自重 屋架和支撑的自重参照如下经验公式： g=KL kN/m2（水平投影面） K系数；屋面荷载小于1kN/m2时， K取0.01；12.5kN/m2时，取0.012；大于2.5 1

19、kN/m2时， 取0.12/L+0.011； L标志跨度；当无天棚时，自重全部作用在上弦；有天棚时，上下弦平均分配；2.3.2桁架杆件的计算长度 -1计算长度确定： 桁架中拉杆的计算长度取节点之间的几何长度，压杆的计算长度与其屈曲长度有关。2.32.3.2桁架杆件的计算长度 -2侧向支撑点间压力有变化的压杆平面外计算长度确定：2.3.3杆件的截面型式 4-1截面要求：截面应扩展、壁薄，同时外表平整；应具有较大的承载能力及抗弯刚度；应便于相互连接且用料经济。对拉杆要求：常用双等边角钢；受拉弦杆角钢的伸出肢宜宽一些。 对压杆要求：应使两个主轴具有相等或接近的稳定性。常用截面：2.3.3杆件的截面型式 4-22.3.3杆件的截面型式 4-3思考：角钢屋架各杆件适用截面形式？支座处的斜杆及竖杆连接垂直支撑的竖杆一般腹杆弦杆2.3.3杆件的截面型式 4-4杆件截面改进：T型钢逐渐取代普通角钢；方钢管技术日益成熟。2.32.3