第九章重型工业厂房设计

9.1结构形式和结构布置9.2钢屋架设计9.3吊车梁设计第9章重型厂房结构设计2/6/20231柱屋架吊车梁天窗架柱间支撑钢屋盖设计本节内容1、钢屋盖结构的组成和分类2、钢屋架的形式和尺寸3、钢屋盖的支撑系统4、钢屋架的设计计算5、钢屋架施工图6、普通钢屋架设计计算实例7、轻型钢屋架图装配式钢筋混凝土单层厂房结构

1、钢屋盖结构的组成和分类图装配式钢筋混凝土单层厂房结构

1、钢屋盖结构的组成和分类1、钢屋盖结构的组成和分类钢屋盖结构主要由屋面、屋架和支撑三部分组成，有的还设有托架和天窗架等构件。屋面,主要由各种屋面板材组成，平铺于屋架上，承受外荷载。2)屋架，主要由各种钢构件组合连接而成。3)支撑：根据支撑设置的部位和所起的作用不同，支撑分为上弦横向支撑、下弦水平支撑、垂直支撑和系杆四种。1、钢屋盖结构的组成和分类根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，钢屋盖可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种。当屋面材料采用预应力大型屋面板时，屋面荷载可通过大型屋面板直接传给屋架，这种屋盖体系称为无檩屋盖；当屋面材料采用瓦楞铁皮、石棉瓦、波形钢板和钢丝网水泥板等时，屋面荷载要通过檩条传给屋架，这种体系称为有檩屋盖。1、钢屋盖结构的组成和分类图屋盖结构布置

(a)有檩屋盖；(b)无檩屋盖

1、钢屋盖结构的组成和分类两种屋盖体系各有优缺点，具体设计时应根据建筑物使用要求、结构特性、材料供应情况和施工条件等综合考虑而定。一般中型厂房，特别是重型厂房，由于对横向刚度要求较高，所以宜采用大型屋面板的无檩屋盖；而对于中、小型特别是不需要做保温层的房屋，则宜采用具有轻型屋面材料的有檩屋盖。1、钢屋盖结构的组成和分类两种屋盖体系各有优缺点，具体设计时应根据建筑物使用要求、结构特性、材料供应情况和施工条件等综合考虑而定。一般中型厂房，特别是重型厂房，由于对横向刚度要求较高，所以宜采用大型屋面板的无檩屋盖；而对于中、小型特别是不需要做保温层的房屋，则宜采用具有轻型屋面材料的有檩屋盖。2、钢屋盖的形式和尺寸1）常用的钢屋架形式（P55）2、钢屋盖的形式和尺寸2、钢屋盖的形式和尺寸2)确定屋架形式的原则（P55）①屋架的外形应与屋面材料所要求的排水坡度相适应。②屋架的外形尽可能与其弯矩图相适应，使弦杆各节间的内力相差不大。③腹杆的布置要合理，腹杆的总长度要短，数量要少，并应使较长腹杆受拉、较短的腹杆受压。④节点构造要简单合理、易于制造。⑤对于设有天窗或悬挂式起重运输设备的房屋，还要配合天窗的尺寸和悬挂吊点的位置来划分节间和布置腹杆。

2、钢屋盖的形式和尺寸2)屋架的主要尺寸（P58）(1)屋架的跨度主要是根据工艺和建筑要求来确定，普通钢屋架常见跨度为18m、21m、24m、27m、30m、36m等。钢屋架计算跨度的确定：简支于柱顶的钢屋架，其计算跨度取决于屋架支反力间的距离。(2)屋架的高度取决于经济、刚度要求和运输界限等三个方面，同时又和屋面坡度密切相关，有时还受到建筑要求的限制。2、钢屋盖的形式和尺寸2)屋架的主要尺寸图屋架的计算跨度

2、钢屋盖的形式和尺寸2)屋架的主要尺寸从经济和刚度的要求来看，三角形屋架的跨中高度一般取l/4～l/6；梯形屋架的跨中高度一般取l/6～l/10,其中l为屋架的跨度。跨度越大，此比值越小。屋面荷载越大，则此比值越大。从运输条件来看，屋架的高度一般不应超过3.8m。梯形屋架端部高度一般不宜小于l/18，陡坡梯形屋架的端部高度一般为500～1000mm，平坡梯形屋架端部高度一般为1800～2100mm，当屋架跨度较小时，取下限值。屋架跨度越大，其端部高度的取值应越大。3、钢屋盖的支撑系统(1)保证屋盖结构的几何稳定性(2)保证屋盖的空间刚度和整体性(3)为受压弦杆提供侧向支承点(4)承受和传递纵向水平力(风荷载、悬挂吊车纵向制动力、地震荷载等)(5)保证结构在安装和架设过程中的稳定性1）屋盖支撑作用（P58）3、钢屋盖的支撑系统2）屋盖支撑布置（P60）(1)上弦横向支撑(2)下弦横向水平支撑(3)下弦纵向水平支撑(4)垂直(竖向)支撑(5)系杆4、钢屋架的设计计算1）屋架杆件内力计算（P67）(1)屋架的各节点均为理想的铰接。(2)屋架各杆件的轴线均为直线，都在同一平面内，且相交于节点的中心。(3)荷载都作用在节点上，且都在屋架平面内。基本假定4、钢屋架的设计计算1）屋架杆件内力计算（P67）作用在屋架节点上的荷载，有檩屋盖通过檩条，无檩屋盖通过大型屋面板的纵肋传在桁架的节点上(阴影范围内的屋面荷载)。(1)永久荷载包括屋面材料和檩条、支撑、屋架、天窗架等结构的自重。(2)可变荷载包括屋面均布活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载，以及悬挂吊车荷载等，其中屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，取两者中的较大值。4、钢屋架的设计计算1）屋架杆件内力计算（P67）屋架内力应根据使用过程或施工过程中可能出现的最不利荷载组合计算。在屋架设计时应考虑以下三种荷载组合：①永久荷载+可变荷载②永久荷载+半跨可变荷载③屋架、支撑和天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载屋架上、下弦杆和靠近支座的腹杆按第一种荷载组合计算；而跨中附近的腹杆按第二、三种荷载组合计算，取大值。4、钢屋架的设计计算1）屋架杆件内力计算（P67）图节点荷载汇集简图

4、钢屋架的设计计算1）屋架杆件内力计算（P67）(1)轴向力屋架各杆件的轴向力可用图解法或数解法(节点法或截面法)求得。(2)局部弯矩屋架的上弦节间作用有荷载时，除轴向力外，还要产生局部弯矩。由于焊缝的约束作用，可以把上弦杆视为弹性支座上的连续梁来考虑。但为了简化，可按近似法计算，先按简支梁计算出弯矩M0。4、钢屋架的设计计算2）屋架杆件设计（P70）角钢屋架的杆件由两个角钢组成，截面有两个弯曲轴，即x轴和y轴，这样它就有两种弯曲失稳的可能性：一种是在屋架平面内屈曲；另一种是在屋架平面外屈曲。(1)平面内的计算长度①弦杆、支座斜杆和支座竖杆，由于它的截面尺寸一般较大，节点板对其影响相对较小，所以其计算长度取L0x=L(L为构件几何长度，即节点中心间距离);②其他受压杆，考虑到节点板的牵制作用，其计算长度取L0x=0.8L。

4、钢屋架的设计计算2）屋架杆件设计（P70）(2)平面外的计算长度①弦杆平面外的计算长度L0y等于侧向固定点间的距离。②腹杆平面外的计算长度取节点中心间的距离。③当弦杆侧向支撑点之间的距离为节间长度的2倍，且两个节间的内力不相等，则该弦杆平面外的计算长度，应按下式计算：

l0y=l1(0.75+0.25N1/N2)4、钢屋架的设计计算2）屋架杆件设计（P70）图杆件截面的主轴

4、钢屋架的设计计算4）屋架杆件截面形式（P71）(1)截面形式见表(2)截面选择①为了便于订货和下料，在同一榀屋架中角钢的规格不宜过多，一般不宜超过5～6种；②为了防止杆件在运输和安装过程中产生弯曲和损坏，角钢的尺寸不宜小于45×4或56×36×4；③应选择肢宽而壁薄的角钢，增大回转半径，对受压更有利；④屋架弦杆一般采用等截面；当采用变截面时，半跨内只能改变一次，而且要保持肢厚不变，改变肢宽，以便于拼接处理。

4、钢屋架的设计计算4）屋架杆件截面形式（P71）4、钢屋架的设计计算4）屋架杆件截面形式（P71）4、钢屋架的设计计算4）屋架杆件截面形式（P71）(3)截面计算表钢屋架杆件截面计算对照表杆件类型强度要求稳定性要求长细比要求所需截面积压杆

σ=N/An≤fσ=N/qA≤fλ≤［λ］An≥N/f拉杆

σ=N/An≤f—λ≤［λ］An≥N/f(1)

节点的构造要求

①屋架各杆件的形心线与屋架的几何轴线重合，并会交于节点中心，使实际受力与计算简图相一致，减少附加偏心弯矩。

②为节省节点板材料，杆件要尽量紧凑，但考虑下料和焊缝质量，上腹杆与弦杆之间以及腹杆与腹杆之间的间隙不宜小于20mm。

③考虑焊缝质量，节点板一般应伸出弦杆肢背10～15mm，应尽量使焊缝中心受力(图1)。5、屋架节点设计

④节点板的形状应该尽量简单而有规则，最好设计成矩形、梯形或平行四边形等，切忌出现凹角，防止严重的应力集中。5、屋架节点设计(2)

节点的计算节点设计时，首先要根据连接杆件的内力确定出焊缝的焊角尺寸和长度，然后再根据节点上各杆件的焊缝长度确定节点板的合理形式和平面尺寸。

①下弦中间节点(图2)

②上弦中间节点，无檩(图3)与有檩(图4)不同，腹杆与节点板的连接与下弦中间节点相同。

③拼接接点

屋架的弦杆的拼接有工厂拼接和工地拼接。5、屋架节点设计

屋架的弦杆的拼接有工厂拼接和工地拼接。工厂拼接往往是由于角钢长度不够而设，宜设于杆力较小的节间；工地拼接多是由于运输条件或安装条件的限制而做接头，通常放在跨中节点上。弦杆一般用连接角钢拼接，先通过螺栓定位，再进行焊接。弦杆与拼接角钢连接焊缝的计算如图5。下弦杆与节点板的连接焊缝的计算如图6。上弦杆与节点板的连接焊缝的计算如图7。5、屋架节点设计④支座节点(图8)屋架和柱子的连接可以做成简支或刚接。支承于钢筋混凝土柱或砖柱上的屋架，一般为简支。而支承于钢柱上的屋架通常为刚接。支座节点包括节点板、加劲肋、支座底板和锚栓。加劲肋的作用是加强支座底板刚度，以便均匀传递支座反力并增强节点板的侧向刚度。

支座节点的传力路线是：屋架杆件的内力会交后通过连接焊缝传给节点板，然后经节点板和加劲肋把力传给底板，最后传给柱子。5、屋架节点设计底板计算：支座底板所需净面积为：An=R/fcc毛面积为：A=An+A0支座底板厚度为：t≥√6M/f

加劲肋的计算:加劲肋的厚度取与节点板的厚度相同；高度由节点板尺寸，按构造确定。加劲肋与节点板的连接焊缝：每块加劲肋承受屋架支座反力R的1/4，为偏心受力。5、屋架节点设计焊缝受剪：V=R/4；焊缝受弯：M=Rlw/8每块加劲肋与支座节点板的连接焊缝按下式计算：支座节点板、加劲肋与支座底板的水平连接焊缝，按下式计算：节点板与底板5、屋架节点设计

加劲肋与底板屋架与柱的刚接构造如图9所示。5、屋架节点设计图1节点板形状对焊缝受力的影响(a)正确；(b)不妥5、屋架节点设计图2下弦中间节点5、屋架节点设计图3无檩屋架上弦中间节点5、屋架节点设计图4有檩屋架上弦中间节点5、屋架节点设计图5弦杆与拼接角钢连接5、屋架节点设计图6下弦杆与节点板连接5、屋架节点设计图7上弦杆与节点板连接5、屋架节点设计图8屋架的支座节点5、屋架节点设计图9屋架与柱刚性连接的支座节点5、屋架节点设计6、钢屋架施工图

施工图主要包括：屋架正面详图、上弦和下弦平面图，必要数量的侧面图和零件图。当屋架为对称时，可绘制半榀屋架。

图10为某一钢屋架施工图详图。钢屋架施工图的绘制的主要内容和基本要求：

(1)图纸的左上角绘制整榀屋架的简图，左半跨注明屋架的几何尺寸，右半跨注明杆件的设计内力。

(2)图纸的正中为屋架详图及上、下弦平面图，必要数量的侧面图和零件图。

(3)右上角绘制材料表，把所有杆件和零件的编号、规格尺寸、数量、重量和整榀屋架的重量填入表中。

(4)钢屋架施工图可以采用两种比例绘制，屋架轴线一般用1∶20～1∶30的比例尺，杆件截面和节点尺寸采用1∶10～1∶15的比例尺。

(5)施工图上应注明屋架和各构件的主要几何尺寸。

(6)在施工图中应全部注明各零件的型号和尺寸。6、钢屋架施工图

(7)跨度较大的屋架，在自重及外荷载作用下将产生较大的挠度，特别当屋架下弦有吊平顶或悬挂吊车荷载时，则挠度更大，这将影响结构的使用和有损建筑的外观。

(8)施工图上还应加注必要的文字说明，包括钢材的钢号，焊条型号，加工精度和质量要求，图中未注明的焊缝和螺栓孔的尺寸，以及防锈处理的要求等等。6、钢屋架施工图图10某一钢屋架施工图吊车梁的荷载吊车梁系统结构组成吊车梁的连接吊车梁截面的验算

8.3吊车梁的设计桥式吊车

竖向荷载:PPP纵向水平荷载:TcTcTcTT横向水平荷载:T吊车荷载的传递路径

8.3.1吊车梁的荷载纵向水平荷载由吊车梁传递给柱间支撑柱间支撑吊车梁24米跨吊车梁柱间支撑柱间支撑PPTT吊车梁一般承受桥式吊车产生的竖向荷载P,横向水平荷载(刹车力及卡轨力)T和纵向水平荷载(刹车力)三个方向荷载作用。其中纵向水平荷载

通过吊车梁传给柱间支撑，计算中不需考虑，按双向受弯构件设计。

(1)吊车竖向荷载（最大轮压）作用在吊车梁上的最大轮压设计值:Pk,max—吊车最大轮压标准值,查吊车手册。α--动力系数

轻﹑中级工作制的软钩吊车，动力系数a=1.05；

重级工作制吊车及其它特种吊车，动力系数a=1.1

(2)吊车横向水平力依《建筑结构荷载规范》(GB50009)的规定，作用于每个轮压处的水平力设计值：Q—吊车额定起重量n--桥式吊车总轮数Q’--小车重量g—重力加速度

吊车工作级别为A6～A8时，吊车运行时摆动引起的水平力比刹车更为不利,钢结构设计

规范(GB50017)规定：吊车横向水平力标准值：

0.1软钩吊车

α1=0.15抓斗或磁盘吊车0.2硬钩吊车

8.3.2吊车梁的截面组成

8.3.2吊车梁的截面组成

8.3.2吊车梁的截面组成24米跨吊车梁

8.3.2吊车梁的截面组成

8.3.2吊车梁的截面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

8.3.2吊车梁的截面组成制动结构不仅用以承受横向水平荷载，保证吊车梁的整体稳定性，同时可作为人行走道和检修平台。制动结构的宽度应依吊车起重量﹑柱宽以及刚度要求确定，一般不小于0.75m，当宽度≤1.2m时，常用制动梁；超过1.2m时，为了节省一些材料，宜采用制动桁架。对于硬钩吊车的吊车梁，其动力作用较大，均宜采用制动梁。制动梁的钢板常采用花纹钢板，以利于在上面行走。

重级工作制吊车梁，当其跨度≥12m，或轻﹑中级工作制吊车梁，跨度≥18m，为了增强吊车梁和制动结构的整体刚度和抗扭性能，对边列柱上的吊车梁，宜在外侧设置辅助桁架（图c,d），同时在吊车梁下翼缘和辅助桁架的下弦之间设置水平支撑。也可在靠近梁两端

的范围内各设置一道垂直支撑（图c,e）。垂直支撑虽对增强梁的整体刚度有利，但因其在吊车梁竖向挠度影响下，易产生破坏，所以应避免在梁的竖向挠度较大处设置。2.带制动梁的吊车梁：竖向荷载

吊车梁横向水平荷载

制动桁架3.带制动桁架的吊车梁:

竖向荷载

吊车梁横向水平荷载

制动桁架L≥12m(A6～A8)L≥18m(A1～A5)增设辅助桁架、水平支撑和垂直支撑。制动桁架吊车梁

制动结构不仅用以承受横向水平荷载，保证吊车梁整体稳定性，同时可作为人行走道和检修平台

图吊车梁及制动结构的组成

制动桁架制动桁架制动桁架制动结构的宽度应依吊车起重量﹑柱宽以及刚度要求确定，一般不小于0.75m，当宽度≤1.2m时，常用制动梁；超过1.2m时，为了节省一些材料，宜采用制动桁架。8.3.3吊车梁的内力计算焊接吊车梁的初选截面方法与普通焊接梁相似，但吊车梁的上翼缘同时受有吊车横向水平荷载的作用。初选截面时，为了简化起见，可只按吊车竖向荷载计算，但把钢材的强度设计值，乘以0.7-0.9，然后再按实际的截面尺寸进行验算。

8.3.4吊车梁的截面验算1)吊车梁的初选截面

8.3.4吊车梁的截面验算

强度验算整体稳定验算刚度验算疲劳验算2)吊车梁的截面验算截面验算时，假定竖向荷载由吊车梁承受，而横向水平荷载则由加强的吊车梁上翼缘﹑制动梁或制动桁架承受，并忽略横向水平荷载所产生的偏心作用。

1.加强上翼缘吊车梁受压区：

A点最不利受拉区：W’ny—吊车梁上翼缘截面对y轴的净截面抵抗矩。（1）强度计算2.带制动梁的吊车梁A点最不利W’ny1—制动梁截面对其形心轴y1的净截面抵抗矩。3.带制动桁架的吊车梁A点最不利局部弯矩M’y=Td/3轴力N1=My/b1My—横向水平荷载产生的最大弯矩设计值。An—吊车梁上翼缘及腹板15tw的净截面面积之和。设有制动结构的吊车梁，侧向弯曲刚度很大，整体稳定得到保证，不需验算。加强上翼缘的吊车梁，应按下式验算其整体稳定。-依梁在最大刚度平面内弯曲所确定的整体稳定系数（2）整体稳定验算按效应最大的一台吊车的荷载标准值计算，且不乘动力系数。竖向挠度：水平挠度：（A7-A8）（3）刚度验算Mkx—竖向荷载标准值作用下梁的最大弯矩,Mky—跨内一台起重量最大吊车横向水平荷载标准值作用下所产生的最大弯矩，Iy1——制动结构截面对形心轴Y1的毛截面惯性

矩。对制动桁架应考虑腹杆变形的影响，Iyl乘以0.7的折减系数。

构造上：

选用合适的钢材标号和冲击韧性要求。构造细部选用疲劳强度高的连接形式。

例：对于A6~A8级和起重量Q≥50t的A4，A5级吊车粱，其腹板与上翼缘的连接应采用焊透的K形焊缝。（4）疲劳验算A6～A8级吊车梁应进行疲劳验算1.受拉翼缘的连接焊缝处12.受拉区加劲肋端部23.受拉翼缘与支撑连接处的主体金属34.连接的角焊缝4采用一台起重量最大吊车的荷载标准值，不计动力系数，按常幅疲劳问题计算。

αfΔσ≤[Δσ]

Δσ—应力幅，Δσ=σmax-σmin；[Δσ]—循环次数n=2×106次时的容许应力幅，按表7-14取用；αf—欠载效应的等效系数，按表7-13取用；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：