单层厂房钢结构设计二

2单层厂房钢结构设计大跨工业建筑生产保障承受动力荷载（吊车）需要考虑建筑的功能与经济性234内容组成厂房结构形式和结构布置横向框架计算框架柱的设计钢屋架设计轻型门式钢刚架设计5第一节厂房结构形式和结构布置

1.1单层厂房钢结构的组成特点：承载能力大，整体刚度大，稳定性好，抗震性能好，耐热（但不耐火），制做安装运输方便，因此在重型厂房及大型厂房中应用很普遍。需要抵抗屋面、墙面、吊车设备等各种竖向及水平荷载的作用。组成：天窗架、屋架、托梁、柱、吊车梁、制动梁（桁架）、各种支撑以及墙架等构件。61.1单层厂房钢结构的组成柱＋屋架→平面结构吊车梁→连接两个平面结构支撑体系→屋盖支撑、柱间支撑屋盖→屋架、支撑、檩条、天窗吊车梁、制动梁支撑→屋盖支撑、柱间支撑墙架→承受墙体的重量和风力781.1单层厂房钢结构的组成合理规划：满足工艺和使用要求确定厂房的平面和高度方向的主要尺寸和控制标高，布置柱网确定变形缝的位置和做法选择主要承重结构（横向平面框架、纵向平面框架、屋盖结构、吊车梁结构等）的体系、布置和型式设计标准化、生产工厂化、施工机械化91.2单层厂房钢结构的设计程序（1）结构选型及整体布置（2）技术设计（3）绘制结构施工图102单层厂房结构的的布置2.1柱网布置112.1柱网布置主要取决于工艺艺要求柱网→横向框架＋＋纵向框架柱网的布置需需要从以下几几个方法考虑虑：工艺要求-建筑结构要求-抗震、安全√经济要求-优化122.2变形缝伸缩缝(温度缝)、防震缝和沉沉降缝13伸缩缝温度变化时厂厂房将产生温温度变形及温温度应力温度缝一般从从基础顶面或地地面开始缝宽净距≥30～60mm可以设单柱，，也可以设双双柱来实现温温度缝构造14防震缝平立面布置复复杂，或由高高度或刚度相相差很大刚度的差异导导致侧向变形形量不同，根根据变形协调调，内力重分分布比规则结结构复杂，易易发生连续性性破坏防震缝必须做做到地面以上上，两侧构件件完全分开一般单层厂房房取50～90mm，纵横跨交接接处取100～150mm15沉降缝用于上部结构构重量不均匀匀或地基基础础形式相差很很大一般是把缝两两侧的结构包包括基础全部部分开，使各各自可以独立立地自由沉降降高层建筑常需需要考虑该问问题162.3屋盖结构的布布置和体系支承于钢筋混混凝土柱简支，安装方方便支承于钢柱刚接在有较重(尤其是重级工工作制)桥式吊车、有有较大振动设设备(如锻锤等)或有较高温度度的厂房或跨跨度、高度较较大的房屋中中，成为单跨跨或多跨的刚刚架结构172.3屋盖结构的布布置和体系普通钢屋架通通常用18～36m计算跨度：应应指屋架支座座中心间的距距离名义跨度：支支座所在处房房屋或柱列轴轴线间屋架端部支座座中心线缩进进轴线150mm182.3屋盖结构的布布置和体系有檩体系放置轻型屋面面板一般可尽量做成屋屋架上弦每个节点点处放一根檩条长度等于屋架间距距192.3屋盖结构的布置和和体系无檩体系采用钢筋混凝土大大型屋面板、钢筋筋加气混凝土板202.3屋盖结构的布置和和体系有檩体系屋架间距和屋面布布置比较灵活构件重量轻、用料料省、运输和安装装较轻便缺点：屋面构件的种类类和数量较多，构构件较复杂，吊装装安装次数多，檩檩条用钢量较多，，并且屋盖的整体体刚度较差无檩体系屋面构件的种类和和数量少，构造简简单，安装方便刚度大，整体性好好，并较为耐久缺点：屋面自重较大，，使屋架和下部结结构的截面和用料料都相应增加，对对抗震也不利212.4支撑体系--增加刚度屋盖支撑上弦横向水平支撑撑+弦纵向水平支撑+竖向支撑+系杆几何稳定性空间刚度和空间整整体性弦杆提供适当的侧侧向支承点承受和传递屋盖的的纵向水平荷载保证结构安装时的的稳定与方便222.4支撑体系--屋盖支撑232.4支撑体系--柱间支撑保证厂房骨架的整整体稳定和纵向刚刚度承受厂房的纵向力力为厂房柱提供可靠靠的支承点，减少少柱在框架平面外外的计算长度与多高层建筑柱间间支撑作用相同242.4支撑体系--柱间支撑下层支撑布置温度区段中部温度区段不大于150m时，一道温度区段大于150m时，应在温度区段段中间1/3范围布置两道支撑之间的距离又又不宜大于72m短而高的厂房中，，下层支撑布置在在厂房的两端上层支撑布置温度区段的两端以以及有下层支撑的的开间在温度区段两端用用单斜杆外，其余余上层支撑用交叉叉腹杆或其他形式式252.4支撑体系--柱间支撑等截面柱的上下层层柱间支撑和阶形形柱的上阶支撑应应布置在柱子的轴轴线上外缘有大型板材或或墙梁等构件连牢牢时，可只沿柱的的内缘布置（动画画2.2）26第二节横向框架计算1.1横向框架类型横梁与柱连接有铰铰接与刚接柱与基础刚接铰接对基础沉降有较强强的适应性安装方便、计算简简单、受力明确缺点：下段柱弯矩较大，，横向刚度差目前应用广泛刚接适应于基础沉降小小的厂房结构减少下段柱的弯矩矩，提高横向刚度度下段柱截面可以减减小，增加使用面面积安装不便、计算受受力复杂用于横向刚度较大大、单跨重型厂房房271.2横梁与框架柱的形形式桁架式横梁在厂房房中应用最广，一一般采用平行弦和和梯形桁架，它与与柱可做成刚接。。而铰接框架则可可采用三角形桁架架厂房的框架柱按其其外形可分为等截截面柱、阶形柱和和分离式柱（动画画2.3）281.3横向框架的主要尺尺寸（见讲义或参参考书）292.横向框架的计算2.1横向框架计算单元元2.2横向框架的计算尺尺寸2.3横向框架的荷载计计算和内力组合2.4框架的横向刚度计计算302.1横向框架计算单元元依据单向板荷载传传递原则，划分计计算单元312.2横向框架的计算尺尺寸横向框架的计算跨跨度原则上取上段段柱形心线间的距距离表征横梁（屋架））跨度，定位轴线线的确定也依此。。322.2横向框架的计算尺尺寸框架截面惯性矩的的假定和计算一般格构式柱可简简化成等效的实腹腹杆简化原则见《结构设计原理》及《材料力学》简化后，根据梁柱柱刚度比判断框架架形式332.3横向框架的荷载计计算和内力组合荷载永久荷载有结构自自重、屋盖及墙面面等重量；可变荷载有屋面均均布活荷载，风、、雪、积灰和吊车车荷载地震区地震作用风荷载只考虑水平分力斜屋顶风荷载集中中于屋架轴线处吊车荷载同钢筋混凝土结构构相同342.3横向框架的荷载计计算和内力组合内力分析和内力组组合（Why？）各种荷载情况下的的框架内力求得后后，根据最不利又又是可能的原则进进行组合。当考虑虑结构塑性内力重重分布的有利影响响时，应在内力组组合之前对竖向荷荷载作用下的内力力进行调幅。当有有地震作用时，应应分别考虑恒荷载载和活荷载由可变变荷载效应控制组组合、由永久荷载载效应控制的组合合及重力荷载代表表值与地震的组合合，并比较三种组组合的内力，取最最不利者。352.3横向框架的荷载计计算和内力组合在进行柱各控制截截面的内力组合时时，可按下列不同同情况确定：（1）最大正弯矩+Mmax和相应的N，V；（2）最大负弯矩-Mmax和相应的N，V；（3）最大轴向力Nmax和相应的M，V；（4）最小轴向力Nmin和相应的M，V；362.4框架的横向刚度计计算刚度？抵抗变形的能力横向刚度，一般先先用计算单元法按按平面计算图形计计算。当不能满足足要求时，用空间间计算图形计算，，只要其中之一能能满足容许变形的的规定即可37第三节框架柱的设计等截面柱、阶形柱柱和分离式柱38第三节框架柱的设计柱的截面尺寸应根根据厂房性质、跨跨数、柱距、厂房房高度、吊车起重重量及工作制等因因素确定。以满足厂房的刚度度要求，此外尚应应考虑框架纵向轴轴线的合理划分以以及满足吊车跨度度和吊车边缘净空空尺寸的要求，并并参考已有类似设设计进行选定。上段柱截面宽高比比可在0.35~0.60之间。下段柱宽高高比可在0.25~0.50之间392.柱的计算柱的计算长度及容容许长细比等截面柱单阶柱，双阶柱柱，分离式柱，，格构柱均按等等截面变换。需需注意柱端约束束形式（欧拉方程-可转动截面）柱的平面外计算算长度需考虑侧侧向支撑点实腹柱、格构柱柱的容许长细比比不应超过150402.2柱的设计计算步步骤确定设计计算的的基本条件须确定框架柱的的特征或类型（（如实腹柱、格格构柱、边柱、、中柱等）；计算假定与计算算模型（如铰接接或刚接）；主要连接节点（（肩粱、牛腿、、柱脚等）构造造；柱的侧向支撑等等；框架柱控制截面面位置，由内力力计算结果确定定各截面的最不不利组合截面特征计算截面面积、惯性性矩、截面模量量、最大受压翼翼缘截面模量及及回转半径等。。对阶形柱须计算算各段柱截面特特征，对格构式式柱还须计算分分肢截面的有关关特征。确定柱的计算长长度413.肩梁节点计算连接阶形柱上、、下段柱的部件件。它将上段柱柱的轴心力、、弯矩传给下段段柱423.肩梁节点计算肩梁要有足够的的刚度在受力变形时，，上段柱顶部相相应产生的水平平变形和角变形形保持在容许范范围之内按最不利组合求求出肩梁剪力和和弯矩，并验算算肩梁强度、肩肩梁与上下段段柱的连接焊缝缝的强度和传递递内力的加劲肋肋的焊缝的强强度434.牛腿节点计算支承吊车梁、屋屋架、墙梁单腹扳式牛腿节节点444.牛腿节点计算双腹板式牛腿节节点454.牛腿节点计算牛腿受到弯矩和和剪力共同作用用单腹板式牛腿和和双腹板式牛腿腿均应按折算应力验算最不利点A点的强度注意与讲义连接接焊缝计算公式式（2-40）区别?结构设计及分析析研究中，常见见此种形式的公公式，由何而来来？表征什么物物理量？46Tip：应力计算结构设计及分析析常用第四强度理论，即最大形变比比能理论，或称称为畸变能理论论其公式称为畸变能条件或是vonMises屈服准侧这是一种塑性屈服准则47Tip：应力计算第四强度理论材料在复杂应力力状态下达到危危险的标志是：：引起单元体的的单位体积形变变的能量，达到到了在简单拉伸伸或压缩时单位位体积形变的能能量的危险值。。其他屈服准则特雷斯卡准则（（最大剪切）莫尔-库伦准则（混凝凝土）德鲁克-普拉格准则（岩岩土）485.柱脚构造与计算算整体式柱脚和分分离式柱脚495.1整体式刚接柱脚脚承受弯矩、轴力力和剪力剪力由底板与基基础间的摩擦力力或专门设置的的抗剪键传递，，锚栓假定不承担担剪力弯矩作用下产生生的拉力须由锚锚栓来承受底板尺寸的确定定参照独立基础础设计其他部位根据计计算见图利用结结构设计原理方方法计算505.2分离式柱脚承受轴力和弯矩矩、剪力取分肢可能产生生的最大压力作作为轴向力进行行柱脚设计每个分肢柱脚类类似承受轴力和和剪力的整体柱柱脚柱脚施工示意51第四节钢屋架设计承重结构设计步骤：（1）屋架的选型，，包括桁架的外外形、腹杆体系系及主要尺寸确确定等；（2）荷载计算及内内力组合，对屋屋架分布荷载进进行统计并组合合，确定杆件最最不利内力；（3）杆件设计，根根据杆件内力、、位置及支撑连连接情况选择杆杆件截面，并按按轴心受力构件件或压弯构件验验算；（4）节点设计，根根据杆件内力确确定节点板厚度度和平面尺寸，，并验算节点连连接强度；（5）绘制桁架施工工图并编制材料料表52第四节钢屋架设计基本假定荷载集中在节点点上节点处的所有杆杆件轴线在同一一平面上相交于于一点节点是理想铰接接内力计算按照结构力学桁桁架进行计算，，注意节间荷载荷载组合最不利工况讲义提供了两种种连接形式8种组合工况53①全跨恒载+全跨活载：即全跨永久荷载+全跨屋面活载或或雪荷载（取较较大值）+全跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。。②全跨恒载+半跨活载：即全跨永久荷载+半跨屋面活载（（或半跨雪荷载载）+半跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。。③采用大型混凝土土屋面板的屋架架，尚应考虑安安装时可能的半半跨荷载：即屋架、支撑和天天窗自重+半跨屋面板自重重+半跨屋面活荷载载。屋架上、下弦杆杆和靠近支座的的腹杆由①作用用时会引起杆件件的最不利内力力；跨中附近的腹杆杆可能由②③两两种荷载组合控控制。542.杆件设计杆件的计算长度度由于节点具有一一定刚度，阻碍碍杆件屈曲或转转动，杆件设计计时要考虑其影影响，所以提出出计算长度有多长？可以自自由转动的两端端截面间距在理想屋架中，，压杆在屋架平平面内的计算长长度应等于节点点中心间的距离离嵌固作用：刚性阻碍（转动动、失稳）相当当于弹性嵌固影响因素：拉杆杆拉杆越多，拉力力和拉杆的线刚刚度越大，嵌固固程度也越大；；552.3杆件的截面形式式等肢或不等肢双双角钢组成T型或＋截面562.3杆件的截面形式式选取原则：组合截面的两个个主轴回转半径径与杆件在屋架架平面内和平面面外的计算长度度相配合，使两两个方向的长细细比比较接近，，可以达到材料经经济、连接方便便；573.节点设设计钢桁架架一般般在节节点处处设置置节点点板，，把交交汇于于节点点的各各杆件件都与与节点点板相相连接接，形形成桁桁架的的节点点，各各杆件件把力力传给给节点点板并并相互互平衡衡。任务：：确定定节点点的构构造，，连接接焊缝缝及节节点承承载力力的计计算各杆轴轴线汇汇交于于节点点中心心，以以避免免杆件件偏心心受力力当弦杆杆截面面沿长长度有有改变变时，，为便便于拼拼接和和放置置屋面面材料料，一一般将将拼接接处两两侧弦弦杆表表面对对齐，，此时时形心心线必必然错错开，，宜采采用受受力较较大的的杆件件形心心线为为轴线线583.节点设设计59603.节点设设计支座节节点屋架与与柱子子的连连接可可以做做成铰铰接或或刚接接。支支承于于混凝凝土柱柱或砌砌体柱柱的屋屋架一一般都都是按按铰接接设计计。而而屋架架与钢钢柱的的连接接则可可为铰铰接或或刚接接61第五节节轻型门门式钢钢刚架架设计计62第五节节轻型门门式钢钢刚架架设计计（1）主结结构：：横向向刚架架（包包括中中部和和端部部刚架架）、、楼面面梁、、托梁梁、支支撑体体系等等；（2）次结结构：：屋面面檩条条和墙墙面檩檩条等等；（3）围护护结构构：屋屋面板板和墙墙板；；（4）辅助助结构构：楼楼梯、、平台台、扶扶栏等等；（5）基础础。6364特点：：1）重量量轻，，减小小构件件截面面尺寸寸，降降低基基础造造价2）空间间布置置灵活活；3）侧向向刚度度有保保证；；4）依据据弯矩矩包络络图采采用变变截面面设计计；5）允许许腹板板局部部失稳稳；6）竖向向荷载载为主主要控控制荷荷载，，可不不计地地震作作用，，但需需考虑虑风载载作用用；7）可采采用张张紧圆圆钢作作为支支撑；；8）工厂厂化制制作，，工业业化程程度高高。65适用范范围：：1）跨度度9～36m2）柱距距6m3）柱高高4.5～12m4）吊车车起重重量小小1.2结构布布置工艺和和建筑筑要求求以实腹腹变截截面为为最常常用；；一般横横梁与与柱刚刚接，，柱脚与与基础础铰接接变截面面可以以适应应弯矩矩变化化，节节约材材料，，但加加工与与制造造不便便，仅仅用于于大跨跨结构构。纵向温温度区区段长长度不不应大大于300m，横向向温度度区段段不应应大于于150m温度伸伸缩缝缝可通通过设设置双双柱，，或设设置次次结构构及檩檩条的的可调调节构构造温度区区段两两端需需要柱柱间支支撑66支撑布布置原原则柱间支支撑和和屋面面支撑撑必须须布置置在同同一开开间内内形成成抵抗抗纵向向荷载载的支支撑桁桁架或或交叉叉斜杆杆支撑桁桁架采采用刚刚性系系杆交叉斜斜杆采采用柔柔性构构件支撑的的间距距一般般为30m-40m，不应应大于于60m温度区区间第第一个个或第第二个个开间间保证45度的支撑撑斜杆杆刚架柱柱顶、、屋脊脊等转转折处处应设设置刚刚性系系杆檩条可可兼作作刚性性系杆杆673.主刚架架的设设计和和构造造边柱和和梁通通常根根据门门式刚刚架弯弯矩包包络图图的形形状制制作成成变截截面以以达到到节约约材料料的目目的6869内力和和侧移移计算算：1、变截截面门门刚：：（1）内力力：一般采采用弹弹性方方法，，不考考虑蒙蒙皮效效应；；按平面面结构构计算算，采采用结结构力力学或或有限限元如要考考虑地地震作作用，，采用用底部部剪力力法。（2）侧移移：需需注意意刚架架柱顶顶等效效水平平力计计算单跨刚刚架；；多跨钢钢架；；70内力和和侧移移计算算：2、等截截面门门刚：：对不直直接承承受动动荷载载时，，应考考虑内内力重重分布布，即即采用用塑性性方法法设计计；（（逐级级加载载找出出可能能的破破坏机机构，，即承承载力力极限限状态态——结构力力学））静力法法——逐级加加载机动法法——虚位移移原理理3.2构件截截面的的强度度设计计翼缘属属于三三边支支承一一边自自由板板件，，一旦旦发生生屈曲曲局部部失稳稳，其其屈曲曲后的的后继继强度度不明明显腹板属属于四四边支支承板板件，，局部部失稳稳后的的后继强强度提提高较较多（（薄板板理论论）713.2.1腹板抗抗剪承承载力力确定腹腹板有有效面面积的的抗剪剪和抗抗弯承承载力力成为为确定定工字字型构构件截截面的的强度度承载载力的的关键键72当钢板平面内内剪应力在某某一方向形成成的主压应力力达到屈曲强度度时，钢板发生生单波鼓曲，，该方向已不不能承受压力力。然而在垂垂直于主压应应力沿波棱线线的方向上可可以继续承受受对角线方向向拉力，逐渐形成斜