层厂房结构设计

1、第1章 单层厂房结构设计,1.1厂房结构的形式与布置,1.1.1厂房结构的组成 厂房结构一般是由屋盖结构、柱、吊车梁（或桁架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系，如图1.1所示。这些构件按其所起作用可分为下面几类： 横向框架 屋盖结构 支撑体系（屋盖部分支撑和柱间支撑 作用：承载 连系） 吊车梁和制动梁（或制动桁架） 墙架,厂房结构演示,1屋架 2托架 3上弦横向支撑 4制动桁架 5横向平面框架 6吊车梁 7屋架竖向支撑 8檩条 9、10柱间支撑 11框架柱 12中间柱 13墙架梁,图1.1厂房结构示例,1.1.2厂房结构的设计步骤 确定厂房的功能：由工艺要求和建筑要求确定建筑方案。 结构

2、的设计：结构方案布置荷载的计算内力分析构件的设计施工图 1.1.3柱网和温度伸缩缝的布置 1.1.3.1柱网布置 满足生产工艺的要求 满足结构方面的要求 符合经济合理的要求 符合柱距规定要求（按厂房建筑统一化基本规则和建筑统一模数制的规定：结构构件的,统一化和标准化可降低制作和安装的工作量。对厂房横向，当厂房跨度L18m时，其跨度宜采用3m的倍数；当厂房跨度L18m时，其跨度宜采用6m的倍数。只有在生产工艺有特殊要求时，跨度才采用21m、27m、33m等。对厂房纵向，以前基本柱距一般采用6m或12m；现在采用压型钢板作屋面和墙面材料的厂房日益广泛，常以18m甚至24m作为基本柱距。多跨厂房的中

3、列柱，常因工艺要求需要“拔柱”，其柱距为基本柱距的倍数，最大可达48m,1.1.3.2温度伸缩缝布置 厂房平面尺寸较大时，因温度变化使上部结构产生横向和纵向的变形，使柱内产生弯曲应力，并可能导致屋面和墙面破裂。因此为避免产生过大的温度变形和温度应力，应在厂房的横向或纵向设置温度伸缩缝。 布置主要决定于厂房的纵向和横向长度根据使用经验和理论分析，钢结构设计规范规定，当温度区段长度不超过表1.1的数值时，可不计算温度应力。 温度伸缩缝最普遍的做法是设置双柱,温 度 区 段 长 度 值 表1.1,1.2厂房结构的框架形式,厂房的主要承重结构通常采用框架体系，困为框架体系的横向刚度较大，且能形成矩形的

4、内部空间，便于桥式吊车运行，能满足使用上的要求。 厂房横向框架的柱脚一般与基础刚接 柱顶可分为铰接和刚接两类 铰接 对基础不均匀沉陷及温度影响敏感性小 ，节点构造容易处理 ，屋架端部不产生弯矩 ，下弦杆始终受拉 。柱顶铰接时下柱的弯矩较大，厂房横向刚度差 刚接 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方案,1.2.1横向框架主要尺寸和计算简图 1.2.1.1主要尺寸 框架的主要尺寸见图1.3所示。 框架的跨度，一般取为上部柱中心线间的横向距离 (1.1) 式中桥式吊车的跨度； S由吊车梁轴线至上段柱轴线的距离（图1.4），应满足下式要求： （1.2） B吊

5、车桥架悬伸长度，可由行车样本查得； D吊车外缘和柱内边缘之间的必要空隙：当吊车起重量不大于500KN时，不宜小于80mm；当吊车起重量大于或等于750KN时，不宜小于100mm；当在吊车和柱之间需要设置安全走道时，则D不得小于400mm。 上段柱宽度。 S的取值：对于中型厂房一般采用0.75m或1m，重型厂房则为1.25m甚至达2.0m,框架由柱脚底面到横梁下弦底部的距离,式中地面至柱脚底面的距离。 地面至吊车轨顶的高度，由工艺要求决定； 吊车轨顶至屋架下弦底面的距离,1.2.1.2计算简图 单层厂房框架是由柱和屋架（横梁）组成，各个框架之间有屋面板或檩条、托架、屋盖支撑等纵向构件相互连接在一

6、起，故框架实际上是空间工作的结构，应按空间工作计算才比较合理和经济，但由于计算较繁，工作量大，所以通常均简化为单个的平面框架（图1.5）来计算。横向框架的计算简图 有两种类型，分为柱顶铰接和柱顶刚接 横向框架的计算高度取值分为四种情况，详见图1.6 框架的计算跨度L（或L1、L2）取为两上柱由线之间的距离,1.2.2横向框架的荷载和内力 1.2.2.1荷载 作用在横向框架上的荷载可分为永久荷载和可变荷载两种。 永久荷载有：屋盖各级组织主、柱、吊车梁系统、墙架、墙板及设备管道和的自重。这些重量可参考有关资料、表格、公式进行估计。 可变荷载有：风、雪荷载、积灰荷载、屋面均布活荷载、吊车荷载、地震荷

7、载等。这些荷载可由荷载规范和吊车规格查得。 1.2.2.2内力分析和内力组合 框架内力分析可按结构力学的方法进行，也可利用现成的图表或计算机程序分析框架内力,为了计算框架构件截面，必须将框架在各种荷载作用下所产生的内力进行最不利组合。列出上、下段柱的上下端截面中的弯矩M、轴向力N和剪力V。此外还包括柱脚锚固螺栓的计算内力。 每个截面必须组合出Mmax和相应的N、V；Mmax和相应的N、V；Nmax和相应的M、V。 对柱脚锚栓则应组合出可能出现的最大拉力：即Mmax和相应的N、V；Mmax和相应的N、V。 柱与屋架刚接时，应对横梁的端弯矩和相应的剪力进行组合。最不利组合可分为四组：第一组组合使屋

8、架下弦杆产生最大压力图1.7(a)；第二组组合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1.7(b)；第三、四组组合使腹杆产生最大拉力或最大压力图1.7(c)、(d,在内力组合中，采用简化规则由可变荷载效应控制的组合：当只有一个可变荷载参与组合时，组合值系数取1.0，即：恒可变荷载；当有两个或两个以上可变荷载参与组合时，组合值系数取0.9，即：恒0.9（可变荷载1可变荷载2）。在地震区应参照建筑抗震设计规范进行偶然组合。对单层吊车的厂房，当对采用两台及两台以上吊车的竖向和水平荷载组合时，应根据参与组合的吊车台数及其工作制，乘以相应的折减系数,1.2. 3 框架柱的类型 框架柱按结构

9、形式可分为等截面柱、阶形柱和分离式柱三大类。详见图1.8,1.3支撑体系,平面屋架在屋架平面外的刚度和稳定性很差，不能承受水平荷载。因此，为使屋架结构有足够的空间刚度和稳定性，必须在屋架间设置支撑系统。 （图1.9）。 厂房支撑体系可分为屋盖支撑和柱间支撑两部分,1.3.1屋盖支撑的种类和作用 1.3.1.1屋盖支撑的种类 1.3.1.2屋盖支撑的作用 保证屋盖的整体性，提高空间刚度 仅由平面桁架、檩条及屋面材料组成的屋盖结构，是一个不稳定的体系，如果将某些屋架在适当部位用支撑连系起来，成为稳定的空间体系，其余屋架再由檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上，就保证了整个屋盖结构的稳定,组成,上

10、弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑 下弦纵向水平支撑 垂直支撑 系杆,避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动 支撑可作为屋架弦杆的侧向支撑点，减小弦杆出平面外的计算长度。 承担和传递水平荷载（如纵向和横向风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震作用等） 保证结构安装时的稳定与方便 屋盖的安装首先用支撑将两相邻屋架连系起来组成一个基本空间稳定体，在此基础上即可顺序进行其他构件的安装,1.3.2屋盖支撑的布置 1.3.2.1上弦横向支撑 （见图1.10） 组成 ： 屋架上弦、斜向杆件、檩条、系杆 作用： 保证屋架侧向刚度和屋盖的空间刚度，减小上弦在平面外计算长度，承受和传递端墙的风荷载。 布置： 端部第一或

11、第二开间。当布置在第二开间时，端屋架需与横向支撑用系杆刚性连接，确保端屋架的稳定和风荷载传递。（有时因天窗架从第二开间起设。） 横向支撑间距大于60m时，中间增设。 屋面为大型屋面板，且屋面板有三点与屋架上弦牢固连接时，可不设。但一般高空作业较难保证，还是设上弦横向支撑，大型屋面板起系杆的作用。有天窗架时，上弦横向支撑仍需布置,1.3.2.2下弦横向水平支撑（见图1.10） 组成： 屋架下弦杆、斜杆、系杆 作用： 山墙抗风柱的支点，承受并传递水平风荷载、悬挂吊车的水平力和地震引起的水平力，减小下弦的平面外计算长度，减小下弦的振动。 布置： 屋架跨度大于18m时 屋架下弦设有悬挂吊车时 抗风柱支

12、承在屋架下弦时 屋架下弦设通长纵向支撑时，宜设屋架下弦横向支撑,图1.10上弦横向水平支撑和下线横向水平支撑,1.3.2.3下弦纵向水平支撑（见图1.11） 组成： 系杆、斜杆 作用： 增加屋盖空间刚度，承受和传递吊车横向水平制动力。 布置： 屋架两边，与横向支撑形成封闭框。 有重级工作制吊车或起重量较大的中、轻工作制吊车时， 有振动设备、屋架下弦有吊轨、有托架时， 房屋跨度较大、空间刚度要求较高时，均需设置下弦纵向水平支撑,1.3.2.3垂直支撑（见图1.12） 组成： 系杆、斜杆 作用： 使相邻屋架形成几何不变的空间体系，保证侧向稳定。 布置位置： 设有上弦横向支撑的开间内，每隔45个开间

13、布置一道。 布置原则: （1）梯形或平行弦屋架 无天窗，跨度l30m，布置在屋架两端、跨度l/3处,有天窗、跨度l30m，布置在屋架两端、跨中、天窗架两端 。 有天窗、跨度l30m，布置在屋架两端、跨度l/3处、天窗架两端 。 （2）三角形屋架 跨度小于18m时，布置在屋架中间 。 跨度大于18m时，一般视具体情况布置两道,图1.11下弦纵向水平支撑,下弦纵向水平支撑,图1.12垂直支撑的布置和形式,1.3.2.4垂直支撑 作用： 在无支撑的开间处，保证屋架的侧向稳定，减小弦杆的计算长度，传递水平荷载。 布置： 竖向支撑平面内设通长系杆。 水平横向支撑设在第二开间时，端屋架需与第二榀屋架用刚性

14、系杆连接，其余设置刚性或柔性系杆均可。 屋脊节点、屋架支座节点设置刚性系杆。 系杆分刚性和柔性,1.3.3柱间支撑 1.3.3.1柱间支撑的作用 柱间支撑与厂房框架柱相连接，其作用为： 组成坚强的纵向构架，保证厂房的纵向刚度； 承受厂房端部山墙的风荷载、吊车纵向水平荷载及温度应力等，在地震区尚应承受厂房纵向的地震力，并传至基础； 可作为框架柱在框架平面外的支点，减少柱在框架平面外的计算长度。 1.3.3.2柱间支撑的布置位置与原则 在吊车梁以上的部分称为上层支撑，吊车梁以下部分称为下层支撑。 上层支撑 上层柱间支撑又分为两层，第一层在屋架端部高度范围内属于屋盖垂直支撑。第二层在屋架下弦至吊车梁

15、,上翼缘范围内。为了传递风力，上层支撑需要布置在温度区段端部，有下层支撑处也应设置上层支撑。 下层支撑应该设在温度区段中部 （当吊车位置高而车间总长度又很短时下层支撑设在两端不会产生很大的温度应力，而对厂房纵向风度却能提高很多 ）当温度区段小于90m时，在它的中央设置一道下层支撑图1.13(a)如果温度区段长度超过90m，则在它的1/3点处各设一道支撑图1.13(b)，以免传力路程太长,1.4屋盖结构,1.4.1屋盖结构体系 1.4.1.1屋盖结构体系 无檩屋盖:无檩屋盖一般用于预应力混凝土大型屋面板等重型屋面，将屋面板直接放在屋架或天窗架上。 形式与布置:见图1.14 组成：屋架、天窗架、支

16、撑（水平支撑、垂直支撑）、大型屋面板 传力路线：屋面荷载 大型屋面板 屋架（或天窗架） 特点：屋盖刚度大、整体性好、施工方便，但自重大、抗震性能差。可用于屋架坡度较小的屋盖,图1.14无檩屋盖形式与布置,有檩屋盖 形式和布置：见图1.15 组成：轻质屋面板、檩条、拉条、支撑、屋架 传力路线：屋面荷载 屋面板 檩条 屋架 特点：屋面材料轻，整体性、刚度差些，有拉条（甚至斜拉条、撑杆等）、构造较复杂。可用于屋架坡度较大的屋盖。 拉条的作用:减小檩条的侧向变形和扭转，一般设在檩条腹杆受压区域。 有檩屋盖的单层厂房的吊装过程动画,图1.15 有檩屋盖形式与布置,1.4.1.2屋架的形式 确定屋架形式的

17、原则： 1.满足使用要求：屋架外形应与屋面材料的排水要求相适应。 2.满足经济要求 屋架外形应尽量和弯矩图接近，使上下弦杆 内力沿跨度方向分布较均匀，腹杆受力较小； 腹杆的布置宜使短杆受压，长杆受拉； 荷载布置在节点上，减少弦杆局部受弯。 3.满足制造、安装和运输要求 构造简单，杆件夹角3060； 杆件与节点数量少； 分段制造，便于运输与安装,屋架外形常用的有三角形、梯形、平行弦和人字形等。 1三角形屋架 类型： 芬克式： 特点：长腹杆受拉，短腹杆受压，受力合理，应 用广泛,人字式,特点：杆件数量少，节点数量少，受压杆较长，但抗震性能优于芬克式屋架，适用于跨度小于18m的屋架,单斜式,腹杆和节

18、点数量较多，长腹杆受拉，但夹角小，适用于下弦设置天棚的屋架,三角形屋架的特点： 外形和弯矩图不相适应，弦杆内力分布不均匀，近支座处内力大，近跨中处小，横向刚度小。 上下弦交角小，端节点构造复杂。可将上弦或下弦改变为折线形或陡坡梯形，以改善受力和节点构造。 三角形屋架适用范围：跨度小，坡度大、采用轻型屋面材料的有檩体系。 2.梯形屋架 类型 人字式:按支座斜杆与弦杆组成的支承点在下弦或在上弦又可分为下承式和上承式两种,特点：腹杆总长度短，节点少。 再分式,特点：可避免节间直接受荷（非节点荷载,单斜杆式,特点：多数腹杆受压，杆件数量多，总长大，应用少,梯形屋架的特点：外形和弯矩图比较接近，弦杆内力

19、沿跨度分布较均匀，用料经济，应用广泛。 梯形屋架的适用范围:适用于屋面坡度平缓且跨度较大时的无檩屋盖结构。 梯形屋架的屋架高度：梯形屋架的中部高度一般为（1/101/8）L，与柱刚接的梯形屋架，端部高度一般为（1/161/12）L，通常取为2.02.5m。与柱铰接的梯形屋架，端部高度可按跨中经济高度和上弦坡度决定。 3.人字形桁架（见图1.16） 上、下弦可以具有不同坡度或下弦有一部分水平段，以改善屋架受力情况。 上、下弦可为平行，坡度为1/201/10，节点构造较为统一,跨中高度一般为2.02.5m，跨度大于36m时可取较大高度但不宜超过3m；端部高度一般为跨度的1/181/12。 4.平行

20、弦屋架(见图1.16) 上、下弦杆水平，杆件和节点规格化、便于制造。 屋架的外形和弯矩图分布不接近，弦件内力分布不均匀。 一般用于托架和支撑体系,1.4.1.3托架、天窗架形式 支承中间屋架的桁架称为托架，托架一般采用平行弦桁架，其腹杆采带去杆的人字形体系。直接支承于钢筋混凝土柱上的托架常用下承式；支于钢柱上的托架常用上承式。托架高度应根据所支承的屋架端部高度、刚度要求、经济要求以及有利于节点构造的原则来决定。 为了采光和通风的要求，厂房中常设置天窗。天窗的形式可分为纵向开窗、横向开窗和井式天窗等。一般采用纵向天窗,1.4.3简支屋架设计 1.4.3.1屋架的内力分析 屋架上的荷载包括恒载、活

21、荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载及悬挂荷载等。 （1）基本假定： 通常将荷载集中到节点上，并假定屋架各杆均为理想直杆，各杆轴线在同一平面内且汇交于节点中心，各节点均为理想铰接，忽略实际节点产生的次应力。 （2）节间荷载引起的局部弯矩：节间荷载作用的屋架，除把节间荷载分配到相邻节点外，还应计算节间荷载引起的局部弯矩,3）内力计算与荷载组合 全跨恒载+全跨活载：即全跨永久荷载+全跨屋面活载或雪荷载（取较大值）+全跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。 全跨恒载+半跨活载：即全跨永久荷载+半跨屋面活载（或半跨雪荷载）+半跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。采用大型混凝土屋面板的屋架，尚应考虑安装时可能的半跨荷载：即屋架、支

22、撑和天窗自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载。 对轻质屋面材料的屋架，一般应考虑负风压的影响。 轻屋面的厂房，当吊车起重量（Q300kN）应考虑按框架分析求得的柱顶水平力是否会使下弦内力增加或引起下弦内力变号,1.4.3.2杆件的计算长度和容许长细比 1. 杆件的计算长度 确定桁架弦杆和单系腹杆的长细比时，其计算长度应按表1.2规定采用。 桁架弦杆和单系腹杆的计算长度表1.2,构件的几何长度（节点中心间距离）； 桁架弦杆侧向支承点间的距离,1)在桁架平面内(见下图) 弦杆、支座斜杆、支座竖杆：本身线刚度大，且两端相连的拉杆少，两端节点嵌固程度较低，视为两端铰接杆件。 lox = l 中间腹杆：

23、两端或一端嵌固程度较大，节点处受到拉杆的牵制作用,视为弹性嵌固。lox= 0.8l,2)在桁架平面外 取决于弦杆侧向支承点间距离,上弦杆,无檩方案,在无檩屋盖中，考虑大型屋面板能起一定的支撑作用，故一般取两块屋面板的宽度，但不大于3.0m,有檩方案,如檩条与横向水平支撑的交叉点用节点板焊牢图1.17，则此檩条可视为屋架弦杆的支承点,下弦：视有无纵向水平支撑，取纵向水平支撑节点与系杆或系杆与系杆间的距离。 腹杆：因节点在杵架平面外的刚度很小，对杆件没有什么嵌固作用，故所有腹杆均取,3）斜平面 单面连接的单角钢杆件和双角钢组成的十字形杆件，因截面主轴不在桁架平面内，有可能斜向失稳，杆件两端的节点对

24、其两个方向均有一定的嵌固作用。因此，斜平面计算长度略作折减，取，但支座斜杆和支座竖杆仍取其计算长度为几何长度 。 （4）其他 如桁架受压弦杆侧向支承点间的距离为两倍节间长度，且两节间弦杆内力不等时（图1.18），该弦杆在桁架平面外的计算长度按下式计算,式中N1较大的压力，计算时取正值； N2较小的压力或拉力，计算时压力取正值，拉力取负值,图1.18侧向支承点间,2.杆件的容许长细比 桁架杆件长细比的大小，对杆件的工作有一定的影响。若长细比太大，将使杆件在自重作用下产生过大挠度，在运输和安装过程中因刚度不足而产生弯曲，在动力作用下还会引起较大的振动。故在钢结构规范中对拉杆和压杆都规定了容许长细比

25、,1.4.3.3杆件的截面形式 对轴心受压杆件，宜使杆件对两个主轴有相近的稳定性，即可使两方向的长细比接近相等。 基本上采用由两个角钢组成的T形截面或十字形截面形式的杆件，也可用H型钢剖开而成的T形钢代替双角钢组成的T形截面。受力较小的次要杆件可采用单角钢。 上弦杆,有节间荷载时，可采用不等边角钢长肢相连或TN型截面。当 时，可采用两个等边角钢截面或TM截面； 无节间荷载时，宜采用不等边角钢短肢相连的截面,下弦杆,通常采用不等边角钢短肢相连的截面，或TW型截面以满足长细比要求,支座斜杆,时，宜采用不等边角钢长肢相连或等边角钢的截面,其他一般腹杆,宜采用等边角钢相并的截面；连接垂直支撑的竖腹杆宜

26、采用两个等边角钢组成的十字形截面；受力很小的腹杆（如再分杆等次要杆件），可采用单角钢截面,双角钢杆件的填板,由双角钢组成的T形或十字形截面杆件是按实腹式杆件进行计算的。为了保证两个角钢共同工作，必须每隔一定距离在两个角钢间加设填板，使它们之间有可靠连接。 填板的宽度：一般取5080mm；填板的长度：对T形截面应比角钢肢伸出1020mm，对十字形截面则从角钢肢尖缩进1015mm，以便于施焊。填板的厚度与桁架节点板相同。 填板的间距对压杆 ，拉杆 ；在T形截面中，i1为一个角钢对平行于填板自身形心轴的回转半径；在十字形截面中，填板应沿两个方向交错放置，i1为一个角钢的最小回转半径，在压杆的桁架平面

27、外计算长度范围内，至少应设置两块填板,1.4.3.4杆件的截面选择 一般原则 应优先选用肢宽而薄的板件或肢件组成的截面，一般板件或肢件的最小厚度为5mm。 角钢杆件或T型钢的悬伸肢宽不得小于45mm。直接与支撑或系杆相连的最小肢宽，应根据连接螺栓的直径d而定。 屋架节点板（或T型钢弦杆的腹板）的厚度，对单壁式屋架，可根据腹杆的最大内力（对梯形和人字形屋架）或弦杆端节间内力（对三角形屋架），按教材表1-4选用。 跨度较大的桁架（24m）与柱铰接时，弦杆宜根据内力变化改变截面，半跨内一般只改变一次。 同一屋架的型钢规格不宜太多，以便订货。 当连接支撑等的螺栓孔在节点板范围内且距节点板边缘距离100

28、mm时，计算杆件强度可不考虑截面的削弱,单面连接的单角钢杆件，在按轴心构件计算其强度或稳定以及连接时，钢材和连接的强度设计值应乘以相应的折减系数。 杆件的截面选择 对轴心受拉杆件由强度要求计算所需的面积，同时应满足长细比要求。对由心受压杆件和压弯构件要计算强度、整体稳定、局部稳定和长细比。 1.4.3.5钢桁架的节点设计 节点设计的一般要求,以桁架杆件的形心线为轴线并在节点处相交于一点，肢背至轴线的距离为5mm的倍数。 节点处，腹杆与弦杆或腹杆与腹杆之间焊缝的净距，不宜小于10mm，或者杆件之间的空隙不小于1520mm,当弦杆截面沿长度有改变时，为全球拼接和旋转屋面材料，一般将拼接处两侧弦杆表面对齐，这时形心线必然错开，此时宜采用受力较大的杆件形心线为轴线。当两侧形心线偏形的距离e不超过较大弦杆截面高度的5%时，可不考虑此偏心影