第二章 重型厂房结构设计

第二章重型厂房结构设计

1.结构形式和结构布置2.计算原理3.钢屋架设计4.吊车梁设计2.1结构形式和结构布置

一、结构体系◆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重型厂房的特点：跨度大，高度大，吊车吨位大。重型厂房（高约27m，双层吊车，上层吊车吨位150t）重型厂房（格构柱，网架屋盖，主跨跨度36m,吊车120t）重型厂房（钢管混凝土格构柱，跨度30m，吊车100t）重型厂房（实腹柱，屋面梁屋盖，主跨跨度30m,吊车50t）特点：房屋横向刚度大，整体性好；屋面板自重大，屋盖及下部结构用料多，对抗震不利。特点：屋架间距灵活，构件重量轻、施工安装方便；构件数量多，整体刚度差。无檩体系：有檩体系：将预应力混凝土大型屋面板等重型屋面直接放在屋架上。常用于轻型屋面材料,屋面荷载要通过檩条传给屋架。柱、钢屋架、吊车梁、天窗架、支撑、檩条、托架、屋面材料。二、重型厂房的组成：柱屋架吊车梁天窗架柱间支撑

托梁◆吊车的工作制等级与工作级别的对应关系（《起重机设计规范》分为8个工作级别：A1～

A8）三、吊车的工作级别工作制等级轻级中级重级特重级工作级别

A1～A3

A4,A5

A6,A7

A81、柱网布置要综合考虑：生产工艺要求结构要求施工要求经济合理模数要求：柱距：6m，跨度：取3m倍数(L≤18m),取6m倍数(L>18m)。

四、柱网布置2、温度缝温度区段长度表(m)

★横向温度缝的做法：设置双柱。横向温度缝，设双柱五、几点说明：◆横向框架形式（a）（b）（c）刚接框架：（a)、（b）横梁与柱刚接（适用于设有双层吊车，硬钩吊车等重型厂房）。铰接框架：（c）横梁与柱铰接（适用于吊车起重量不大的轻型维护结构）。阶梯形下柱的常见截面形式阶形柱的上柱起重量较小的边柱起重量≤50t的中柱起重量＞50t的中柱起重量较大的边柱特大型厂房的下柱◆框架柱类型选择格构柱吊车梁六、柱间支撑1、柱间支撑的作用：承受并传递纵向水平荷载;减少柱在平面外的计算长度;保证厂房的纵向刚度。2、柱间支撑的形式和布置原则：2.2钢屋架的外形及腹杆形式芬克式腹杆人字式腹杆单斜式腹杆三角形屋架适合于波形石棉瓦、瓦楞铁皮,坡度一般在1/3～1/2。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。梯形屋架人字式腹杆再分式腹杆适用于屋面坡度平缓（一般在1/12～1/8）且跨度较大时的无檩屋盖结构，特点：外形和弯矩图比较接近，弦杆内力沿跨度分布较均匀，用料经济，应用广泛。人字式腹杆交叉式腹杆平行弦屋架上、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。三角形屋架弦杆交角增大，方便制造，屋架重心降低，提高了稳定性。可有效降低屋架对支撑结构的推力。根据不同的条件桁架形式可以有很多变化3.满足制造、安装和运输要求·构造简单，杆件夹角30°～60°；·杆件与节点数量少；·分段制造，便于运输与安装。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.满足受力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。确定屋架形式的原则：2.3屋架的主要尺寸(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。

标志跨度—柱网轴线间的距离。

计算跨度—屋架支座反力点间的距离。计算跨度l0(柱网采用封闭结合时)

l0=l-300mm铰接梯形屋架，端高宜取1.6～2.2m(宜>l/18)

（采用大型屋面板，卷材防水时，i=1/10～1/12）中高：h中＝h端+(L/2）i

当L≥24m，应按L/500=24000/500=48mm

考虑起拱：∴采用起拱50mm。(2)屋架的高度取决于建筑、经济、刚度、运输等条件，和屋面坡度相关。2.3钢屋盖的支撑系统一、屋盖支撑系统的作用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。图为屋架上弦平面图，在未设上弦平面内的支撑桁架时，虽有檩条把各个屋架连成一片，但当屋架上弦杆因受压而失稳时，整个上弦会屈曲成一个“半波”。如在房屋两端的柱间内设置上弦横向支撑桁架，则屋架上弦将屈曲成多个“半波”，从而提高上弦杆的整体稳定性，亦即提高了承载能力。由此可见平面桁架如无支撑系统从侧面“扶持”，将不能发挥它的承重作用。(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(5)保证结构在安装和架设过程中的稳定性一、屋盖支撑系统的作用二、支撑的种类屋盖上弦横向水平支撑屋盖下弦横向水平支撑屋盖下弦纵向水平支撑垂直支撑系杆横竖(垂直)纵★

稳定区格(空间稳定体)：在相邻两榀屋架间同时设置上弦横向支撑、下弦横向支撑、垂直支撑，所形成的空间几何不变体系。1.上弦横向水平支撑：三、屋盖支撑的布置原则在有檩条或只采用大型屋面板的屋盖中都应设置屋架上弦横向水平支撑

设置在房屋的两端,一般设在第一个柱间或设在第二个柱间,间距Lo≤60m。GWJ-1GWJ-1GWJ-1GWJ-1GWJ-1GWJ-1GWJ-2GWJ-2GWJ-2GWJ-2GWJ-2GWJ-2GWJ-3GWJ-350050060006000600060006000600060006000600060006000600060001501506000600060006000240001122222.下弦横向水平支撑：当跨度L≥18m；设有悬挂式吊车起重量大于50吨；厂房内设有较大的振动设备。与上弦横向水平支撑布置在同一柱间。3.纵向水平支撑布置原则：

设有支承中间屋架的托架，或设有重级或大吨位的中级工作制桥式吊车等较大振动设备时，应在屋架端节间平面内设置纵向水平支撑。

下弦纵向水平支撑下弦支撑布置图(1:600)78000500500150150600060006000600024000200032001-12-2

钢屋盖支撑布置图(1:600)4.垂直支撑布置原则：所有房屋中均应设置垂直支撑。梯形屋架在跨度L≤30m，三角形屋架在跨度L≤24m时，在跨中设置一道。当跨度大于上述数值时宜在跨度1／3附近或天窗架侧柱外设置两道。梯形屋架在两侧支座处还应各设置一道。垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同一柱间。

有天窗、跨度l<30m，布置在屋架两端、跨度l/3处、天窗架两端。

有天窗、跨度l<30m，布置在屋架两端、跨中、天窗架两端。

垂直支撑的布置

垂直支撑的布置屋架的垂直支撑布置5.系杆刚性系杆：能承受拉力也能承受压力的系杆。柔性系杆：只能承受拉力的系杆。一般跨度房屋的系杆受力很小，柔性系杆的设计可按[λ]＝350，400控制，常用单角钢截面；刚性系杆的设计可按[λ]=200控制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，第一柱间所有系杆均应为刚性系杆。比例1:6002.4普通钢屋架设计一、基本假定(1)屋架的各节点均为理想的铰接。(2)各杆件的轴线均为直线，在同一平面内，且相交于节点中心。(3)荷载作用在节点上，且在屋架平面内。二、荷载计算及荷载组合1、荷载计算(1)永久荷载包括屋面材料、屋面板、支撑、屋架等结构自重。(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。预应力混凝土大型屋面板：1.4kN/m2(标准值)80mm厚泡沫混凝土保温层：0.48kN/m2(标准值)20mm水泥砂浆找平层:0.4kN/m2(标准值)二毡三油防水层：0.35kN/m2

(标准值)屋架自重和支撑自重按经验公式：

0.12+0.011L(标准值,kN/m2)荷载计算屋面均布活荷载:0.7kN/m2(标准值)雪荷载:0.4kN/m2(标准值)屋面积灰荷载:见每位同学的分组数据取两者中的较大值2、荷载组合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。设计时考虑三种荷载组合：②全跨永久荷载+半跨可变荷载①全跨永久荷载+全跨可变荷载③屋架、支撑自重+半跨屋面板重+半跨屋面活载三、计算屋架杆件的内力1、用图解法求杆件的内力系数：k，k左，k右具体求解步骤如下：①按比例画屋架的单线图(可不起拱)

；②在左半跨放单位节点荷载③计算支座反力Ra,Ra④进行分区编号（先编外区，后编内区)⑤画力多边形⑥在图上读出内力系数正负号：认定杆端任一节点，将该杆两侧的区号按绕该节点顺时针方向排序，若力多边形中相应的线段指向认定的节点，则为“+”；反之为“-”。AA′BB′CC′DD′EE′FF′GG′HH′Iaa′bb′cc′dd′e11111110.50.51234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435RaRa′屋架内力图解2、杆件内力组合

杆件内力组合及最不利计算内力表杆件编号内力系数杆件内力组合最不利杆件计算内力(KN)P=1组合一组合二组合三左半跨右半跨全跨全跨永久荷载+全跨可变荷载全跨永久荷载+半跨可变荷载屋架、支撑自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷载①②③内力=?*③内力=?*③+?*①内力=?*③+?*②内力=内力=

上弦杆

下弦杆

斜腹杆

竖腹杆

四、屋架杆件设计1.杆件的计算长度

屋架的杆件由两个角钢组成，截面有两个轴，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，取l0x=l

(l--杆件的几何长度)②其他腹杆，l0x=0.8l

上弦杆：采用无檩方案，保证屋面板三点与上弦杆焊牢时:lOy=2b（2b≤3m）b—屋面板宽度。下弦杆：l0y=l1(l0y=l1

—弦杆侧向支撑点间的距离)

(2)平面外的计算长度①弦杆：loy取决于侧向支承点间距离。②腹杆：由于节点在平面外刚度很小，对杆件嵌固作用较小，故腹杆两端视为铰接，则l0y=l

(3)腹杆斜平面计算长度单角钢、双角钢组成的十字形杆件，斜平面计算长度l0=0.9l

(支座斜杆和支座竖杆除外）2.杆件的容许长细比由双角钢组成的T形截面，两个主轴的长细比验算：《钢结构设计规范》中对压杆和拉杆规定了容许的最大长细比。单角钢或双角钢组成的十字形截面杆件，取截面的最小回转半径imin计算杆件在斜平面上的最大长细比。桁架杆件的容许长细比杆件名称压杆

拉杆

承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构

直接承受动力荷载的结构

无吊车和有轻中级工作制吊车的厂房

有重级工作制吊车的厂房

普通钢屋架的杆件

150350250250轻钢屋架的主要杆件－－天窗构件

－屋盖支撑杆件

200400350－轻钢屋架的其他杆件

3503.杆件的截面形式采用由双角钢组成的T形截面或十字形截面。对轴心受压杆件，宜使杆件对两个主轴方向的长细比接近相等。采用不等边角钢短肢相连的截面，（肢背朝下）上弦杆：无节间荷载时，宜采用不等边角钢短肢相连的截面，（肢背朝上）下弦杆：

其他一般腹杆：采用等边角钢相连的截面。支座斜杆：宜采用不等边角钢长肢相连的截面。跨中竖腹杆：宜采用两个等边角钢组成的十字形截面。(1)轴心拉杆①按强度计算所需净截面面积

An≥N/f式中：N——杆件轴心拉力设计值

f——钢材强度设计值②由查型钢表，选角钢。4.杆件截面选择③验算强度：σ=N/An≤f④验算刚度：

双角钢T形截面：

λx=l0x/ix

≤[λ]λy=l0y/iy

≤[λ]

单角钢或双角钢十字形截面：

λ=l0/imin

≤[λ]

式中：[λ]——容许长细比，[λ]=350(静载)。(2)轴心压杆①假设λ查φ

求A≥N/(φf)

求ix=l0x/λ，iy=l0y/λ②根据A

，ix，iy

，查型钢表，选角钢。③验算：③验算：a.强度：σ=N/An≤f

(截面无削弱，可不验算强度)b.刚度：双角钢T形截面：λx=l0x/ix

≤[λ]=150

λy=l0y/iy

≤[λ]]=150c.稳定：N/(φminA)

≤

f

式中：φmin——φx、φy

中的较小值。杆件截面选择的一般要求：①优先选用肢宽而壁薄的角钢，增大回转半径，对受压更有利；②最小角钢规格：∟45×4，∟

56×36×4，(工业厂房:∟50×5)；连接垂直支撑的竖杆:∟

63×5。③同一屋架的型钢规格不宜太多，一般不超过7～8种；④屋架弦杆一般采用等截面；而且要保持肢厚不变。5.节点板厚度的确定和填板的设计

节点板厚度的确定填板的设计1、填板的作用2、确定填板的尺寸3、确定填板的间距双角钢杆件的填板：填板的间距对压杆l1≤40i1，拉杆l1≤80i1；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，i1为一个角钢的最小回转半径，压杆至少应设置两块填板。填板的宽度一般取50～80mm；填板的长度：对T形截面应比角钢肢伸出10～20mm，对十字形截面则从角钢肢尖缩进10～15mm。填板的厚度与桁架节点板相同。6、各腹杆与节点板连接焊缝的计算

表3各腹杆与节点板连接焊缝计算表腹杆编号截面规格计算内力(kN)hf(mm)分配系数焊缝实际长度（cm）斜腹杆aB

Bb

bD

Dc

cF

五、屋架节点设计1.节点设计的一般原则

②节点中各杆件之间的间隙a≥20mm。③正确切割角钢端部，一般垂直于其轴线，有时允许切去一肢的部分。①杆件的形心线尽量与屋架的几何轴线重合，并交于节点中心，将形心距z0调整为5mm的倍数。④节点板的形状应简单而有规则（矩形、直角梯形或平行四边形等）。下弦的节点板一般应伸出弦杆肢背10～15mm；上弦肢背采用塞焊缝，节点板缩进上弦杆肢背t/2+(1~2)mm。2.节点计算①一般下弦节点

(例如“b”点)腹杆与节点的连接焊缝弦杆与节点板连接焊缝★若下弦节点有集中荷载P作用

肢背肢尖②一般上弦节点(例如B点)塞焊缝假定塞焊缝只承受屋面集中荷载：弦杆角钢肢尖与节点板的连接焊缝承受弦杆相邻节间的内力差计算时应考虑偏心弯矩M＝ΔNe（e为角钢肢尖至弦杆轴线距离）：③下弦跨中拼接节点(例如e点)

拼接角钢的设计

下弦杆和节点板间的焊缝计算

拼接角钢拼接角钢的设计：a.与被拼接角钢同型号；b.切棱（切角）；c.切肢Δ=t+hf+5mm，t为角钢厚度；预钻安装螺栓孔；拼接角钢最小长度lmin=400~600mm下弦杆与拼接角钢之间的焊缝按与下弦杆等强条件计算，承受轴心力N=Af

所需每条焊缝的计算长度为:

∴拼