第3章钢结构单层厂房设计《简明钢结构设计施工资料集成》

第3章钢结构单层厂房设计

3.1概述

3.1.1钢结构单层厂房的组成3.1.2钢结构单层厂房设计程序

3.2单层厂房横向平面框架设计

3.2.1基本规定3.2.2荷载3.2.3横向框架的形式3.2.4框架的计算及内力组合

3.3屋盖结构

3.3.1屋盖结构的组成3.3.2托架与托梁3.3.3屋架

3.4支撑体系

3.4.1屋盖支撑3.4.2天窗支撑3.4.3柱间支撑3.4.4樵条支撑3.4.5支撑的设计

3.5墙架

3.5.1墙架的布置3.5.2轻型墙的墙架结构布置3.5.3山墙墙架3.5.4砌体自承重墙和大型

墙板的墙架布置3.5.5墙架构件的连接

3.6第三章第六节

3.6.1基本数据362起重机梁的形式3.6.3起重机梁的竖向刚度要求

3.6.4起重机梁的截面高度要求3.6.5起重机梁的制动结构366起重机梁的荷载

3.6.7焊接实腹起重机梁的截面选择3.6.8构造要求3.6.9起重机桁架

3.6.10起重机梁的制动结构、支撑和梁柱连接

3.1概述

3.1.1钢结构单层厂房的组成3.1.2钢结构单层厂房设计程序

3.1.1钢结构单层厂房的组成

图3-1-1和表3-1-1给出了典型钢结构单层厂房的组成和各部分构件的常用形式及作用。

图3-1-1钢结构单层厂房示意图

表3-1-1单层厂房钢结构形式、构件名称及功能对比表

在轻钢结构中常见形

构件编号构件名称作用在传统结构中常见形式

式

1尾架（梁）支撑屋面梯条或板梯形屋架变截面H型钢梁

2托架减少柱子，增大柱距，托住屋架桁架桁架或H型钢

支撑屋面板，传递纵向压力，减

小屋架上弦计算长度。仅在型、“Z”型或双“C”

大型钢筋混凝土屋面板，无楝黑

3楝条、支撑端跨、

条薄壁型钢

支撑处有

将端墙力传给柱或柱间支撑，减

4上弦横向支撑小屋架上弦计算长度刚性支撑（角钢截面）柔性支撑（圆钢截面）

抵抗起重机横向水平制动荷载，

水平桁架，水平钢板

5制动桁架水平桁架，水平钢板梁

将其传给柱梁

6横向平面框架单层厂房主结构“梯形”屋架加H型钢柱变截面H型钢刚架

承受起重机竖向荷载及其他荷

7起重机梁“工”形焊接钢梁“工”形焊接钢梁

载

维持屋架端部及中间截面竖向

稳

8屋架竖向支撑角钢焊接式支撑无

定

大型钢筋混凝土屋面板，不需

9橡条支撑屋面板，不兼做刚性支撑型、“Z”型薄壁型钢

要

续表

在轻钢结构中常见形

构件编号构件名称作用在传统结构中常见形式

式

将横向水平支撑传来端墙风荷

载双角钢或双槽钢构成刚性剪刀

10上层柱间支撑圆钢构成柔性交叉撑

传给下柱且下层柱间支撑撑

将上层柱间支撑传来端墙风力

及双角钢或双槽钢构成刚性剪刀

11下层柱间支撑圆钢构成柔性交叉撑

起重机刹车力传给基础撑

支撑重力，抵抗横向荷载引起

的

12钢柱双肢格构柱、H型钢柱变截面H型钢柱

弯矩、剪力

13门柱固定大门之构造柱槽钢、工字钢“C”型钢

支撑墙体重力及外墙传来风荷

14墙梁槽钢、钢筋混凝上基础梁“C”型钢

载

15屋面板承受屋面荷载大型钢筋混凝土板压型钢板，保温棉

支撑端墙风荷载和端墙重，上

端

16端墙抗风柱H型钢“C”型钢或H型钢

传给屋面，下端传给基础

增加厂房纵向刚度，均分起重

机

17下弦纵向支撑水平桁架（角钢）无

横向刹车力

在下翼缘受压区加隅

18下弦横向支撑减小下弦计算长度角钢水平桁架

撑

19门梁连接固定门柱槽钢“C”型钢

单层厂房按其受力情况可分为若干体系，详见表3-1-2。

表3-1-2单层厂房结构体系一览表

序号体系作用

是厂房的基本承重结构，由柱和横梁(或屋架)构成。承受作用在厂房上的横向水平荷

载和竖向荷

1横向平面框架

载，并将这些荷载传递到基础

由柱、托架、起重机梁及柱间支撑等构成。其作用是保证厂房骨架的纵向不可变性和

刚度，承受纵

2纵向平面框架

向水平荷载(起重机的纵向制动力、纵向风力等)并将其传递到基础

3屋盖结构由梯条、天窗架、屋架、托架及屋盖支撑等构成。起到维护和承受屋面荷载作用

起重机梁及制动

4主要承受起重机的竖向荷载及水平荷载，并将其传到横向框架和纵向框架

梁

包括屋盖支撑、柱间支撑及其他附加支撑。其作用是将单独的平面框架连成空间体系，

以保证结构

5支撑系统

具有必要的刚度和稳定性，同时也承受风力及起重机制动力的作用

6墙架承受墙体的重量和风力

7辅助构件包括楼梯、门窗等，起到满足生产或生活需要的作用

3.1.2钢结构单层厂房设计程序

厂房设计是一个较复杂的过程，需要按部就班，不能操之过急。表3-1-3归纳了钢结构

单层厂房的设计过程。

表3-1-3钢结构单层厂房的设计过程

序号阶段内容说明

(1)根据工艺设计确定车间平面及高度方向的主要尺寸，同时布置柱网和温

结构选型及整体度伸缩缝

布

1第一阶段(2)选择主要承重框架的形式，并确定框架的主要尺寸

置

(3)布置屋盖结构

(4)布置起重机道结构

(5)布置支撑体系

(6)布置墙架并选择车间四周的围护材料

续表

序号阶段内容说明

根据已确定的结构方案进行荷载计算，结构内力分析;计算各构件所需要的截

面尺寸

2第二阶段技术设计

(或验算)及设计各构件间的连接

根据技术设计确定的构件尺寸和连接，绘制施工图纸。但应了解钢材供应情

绘制结构施工况和钢结

3第三阶段

图构制造厂的生产技术条件和安装设备等条件

3.2单层厂房横向平面框架设计

3.2.1基本规定3.2.2荷载3.2.3横向框架的形式3.2.4框架的计算及内力组合

3.2.1基本规定

横向框架的静力计算工作量巨大，实际设计中常作一些简化的规定，以便于分析，详见

表321。

表3-2-1横向框架设计基本规定

序号分类规定说明

(1)把桁架式横梁简化成等效的实腹等效的实腹式梁惯性矩计算公式

式

1构件

/B=3/+A2yl)K

梁

(2)对格构式框架柱简化成等效的实等效的实腹式柱惯性矩计算公式

腹

，c=O.9，co

式柱

地基条件较好时，基础转角很小，可以忽略;但当地质条

件较差

时忽略基础转角将对框架计算带来较大误差，这时

2连接柱子与基础刚接

应考虑由于基础

转角产生的附加内力

(1)框架的计算跨度L0取两个柱轴线

3计算长度参看图3-2-1

间的距离

(2)框架的计算高度取值：下部自基础

顶面算起，上部需视横梁与柱的

相对刚度而

定。当横梁为无穷刚度时，取到

屋架传递支

座反力的弦杆截面重心(通常是参看图3-2-1

下弦杆)；

当横梁为有限刚度时，取到屋架

端部截面的

形心

在直接作用于框架横梁(屋架)上的竖向荷载下，框架的

侧移一

般都很小，计算时可不予考虑。只有当框架的结构

4侧移一般不考虑框架的侧移或荷载很不对称

时，例如各柱的惯性矩相差悬殊，悬挂式起重机位

置很偏等，这项

侧移才是不能忽略的

(1)由于水平荷载的作用在柱中所引

起

5轴力——

的轴向力可忽略不计

(2)由于屋盖竖向荷载在柱中所引起

的

轴向力可以把横梁当作简支梁来—

求得

(1)桁架式横梁的上弦比较平坦而下

弦

又是水平时(如常用的梯形屋

架)，计算图

结构计算

6简图式中的横梁轴线可以取为直线。详见表3-2-2

但由于屋架

坡度改变所引起的惯性矩变化应

予考虑

续表

序号分类规定说明

(2)当横梁比较刚强时，则除直接作用

于横梁上的垂直荷载外，由于其他荷载作用

横梁是否可视为无穷刚度的条件

引起的横梁转角很小，可以忽略不计，近SAB/

「04

dAC

似认为横梁刚度为无穷大，如图3-2-2(c)

所示

(3)横向框架在各种荷载作用下的计算

简图详见图3-2-3

注：表中各符号的意义如下：

A,,A2——桁架跨中上、下弦杆的毛截面面积。

V\、V2——桁架跨中上、下弦杆的重心线到桁架截面中和轴的距离，如图3-2-4所示。

K——考虑屋架高度变化和腹杆变形影响的折减系数，当屋架上弦杆坡度为1/10〜

1/8时，K=0.7;当屋架上弦杆坡度为1/15〜1/12时，K=0.8;当屋架上弦杆坡度为0时，

K=0.9»

Ico——格构式柱的毛截面惯性矩。

SAB——横梁在A点的抗弯刚度；即当横梁远端固定，使近端A点转动单位转角时

在A点所需施加的弯矩值。

SAB——柱在A点的抗弯刚度;是使柱子在A点转动单位转角时在A点所需施加的弯

矩值。见图3-2-2(a)。当不满足以上条件时横梁应视为有限刚度见图3-2-2(b)..

图3-2-1框架构件计算长度示意图

TXT777•

(a)

e

(c)

图3-2-2横向框架横梁刚度的确定

(a)

(d)

(e)

图3-2-3横向框架在各种荷载作用下的计算简图

图3-2-4屋架截面

表3-2-2双坡对称桁架横梁(梯形屋架)的惯性矩折减系数n

上弦屋架跨度/m

屋架的端

坡

部高度

度

12151821242730333642

hs/m

i

1.20.4020.3510.0310.2770.2510.2290.0210.1940.0180.157

1.50.4550.4020.0360.3250.2960.2720.2510.2330.2170.191

1.80.4980.4450.4020.3660.3360.0310.2880.2680.2510.222

1:06

2.10.5330.4820.4390.4020.3710.3440.3210.0030.2820.251

2.40.5630.5130.0470.4340.4020.3750.3510.3290.310.277

2.70.5880.5390.4980.4620.0430.4020.3780.3560.3360.302

1.20.470.4170.3750.0340.0310.2850.2640.2450.2290.202

1.50.5220.0470.4270.3910.0360.3330.0310.0290.2720.241

1.80.5630.5130.0470.4340.4020.3750.3510.3290.0310.277

1：08

2.10.5060.5480.5060.0470.4390.4110.3860.3640.3440.031

2.40.6230.5770.5370.5010.0470.4420.4170.3950.3750.034

2.70.6460.6020.5630.5280.4980.4760.4450.4230.4020.366

1.20.5220.0470.4270.3910.0360.3330.0310.0290.2720.242

1.50.5720.5220.0480.4430.4060.3840.0360.3380.3190.286

1.80.610.5630.5220.4860.4550.4270.4020.0380.0360.325

1：10

2.10.640.5960.5570.5220.4910.4630.4390.4160.3960.036

2.40.6650.6230.5870.5520.5220.4950.0470.4480.4270.391

2.70.6850.6460.0610.5780.5490.5220.4980.4750.4550.418

1.20.5630.5130.0470.4340.4020.3750.3510.3290.0310.277

1.50.610.5660.5220.4860.4550.4270.4020.0380.0360.325

1.80.6460.6020.5630.5280.4980.0470.4450.4230.4020.366

1:12

2.10.6730.6320.5960.5630.5330.5060.4820.4590.4390.402

2.40.6960.6570.6230.5910.5630.5370.5130.4910.0470.434

2.70.7140.6780.6460.6160.5880.5630.5390.5180.4980.462

1.20.0610.5630.5220.4860.4550.4270.4020.0380.0360.325

1.50.6530.6150.5720.5380.5070.0480.4550.4320.4120.376

1.80.6850.6460.0610.5780.5490.5220.4980.4750.4550.418

1：15

2.10.7010.6730.0640.6110.5820.5570.5330.5110.4910.455

2.40.7290.6960.6650.6360.0610.5350.5630.5420.5220.486

2.70.7450.7140.6850.6580.6330.0610.5880.5680.5490.514

注：1.平行弦屋架的惯性矩折减系数n=0.9；

2.此表引自《工业厂房钢结构设计手册》重庆钢铁设计研究院编。

3.2.2荷载

计算横向框架时要考虑的荷载详见表3-2-3。

表3-2-3横向框架荷载一览表

序号分类包括内容

屋面材料重量

恒荷载屋架及其支撑、天窗、橡条或屋面板等自重

设备管道重量

1屋面荷载悬挂起重机荷载

风荷载、雪荷载

活荷载

积灰荷载

屋面施工荷载

柱、起重机梁系统自重

恒荷载

墙架、墙板自重

2下部荷载起重机荷载：垂直荷载、水平荷载

活荷载风荷载

地震荷载

3.2.3横向框架的形式

1.横向框架的形式

横向框架按其静力图式来分，主要有横梁与柱较接（图3-2-5a）和横梁与柱刚接（图3-2-5b）

两种情况，详见表3-2-4。

表3-2-4横向框架的形式

序号形式说明

这种形式在旧式厂房结构中常可见到。由于其横向刚度较差，常不能满足起重机使用上

的要求，因

1横梁与柱钱接

此这种结构类型现在很少采用。如图3-2-5（a）所示

这种框架具有良好的横向刚度，但对于支座不均匀沉降及温度作用比较敏感，需采取防

2横梁与柱刚接

止不均匀沉

降的措施。如图3-2-5(b)所示

2.框架柱与横梁的形式

框架柱与横梁的也有多种形式，见表3-2-5。

表3-2-5框架柱与横梁形式

序号分类说明

实腹刚架的制造简单，运输和安装方便，外形美观，能有效利用空间即减小房屋

高度

和体积;但钢材用量较多，目前国内一般工程中应用较少，多用于轻型钢结构

实腹式

和特定条

1横梁形式

件下的工程

桁架式桁架式横梁(即钢屋架)是最常用的形，它能节省钢材且刚度较大

等截面柱构造简单。当有起重机时，起重机梁支承在柱身牛腿上，偏心较大。因

此，

等截面柱一般仅适用于无起重机或起重机起重量S5~20t和柱距02m的轻

等截面柱

型厂房，且

多数情况下为钢筋混凝土柱所代替，如图3-2-6(a)所示

起重机梁支承在截面改变处，所以荷载对柱截面形心的偏心较小，构造合理，钢

材用

阶形柱

量常比等截面柱小，是厂房钢柱的主要形式，如图3-2・6(b)、(c)、(d)所示

分离式柱由两个独立的柱肢组成，其间每隔•定高度用水平板联系。两个柱肢中，

2柱的形式

个是起重机肢，专门承受起重机竖向荷载;另一个是框架肢，与屋架组成横向

框架，承

受屋盖荷载、风荷载和框架的其他荷载，也承受起重机横向制动力，通常也

分离式柱

称屋盖肢。

这种柱的构造、制作及安装均较简单方便，但用钢量较阶形柱多、刚度较差，

多在扩建

厂房中应用，如图3-2-6(e)所示

(b)

图3-2-5框架形式

(a)横梁与柱较接的框架；(b)横梁与柱刚接的框架

(a)

22

(b)

2

3另3

-

一

一

之

(c)

-r

11

I一M-

lIll

l

,

Lr

Z

4I

K

L

/

T

X

J

y

俘/

T

y4

.

一

y一

r

\

_

H

\

1/

1

5

一

(e)

H

1-1

n

w

2-2

LI

C：：I

3-3

I::I

4-4

C：B

3-3

E=J

水平板

5-5

图3-2-6框架柱的形式

3.2.4框架的计算及内力组合

1.静力计算

横向框架的静力计算可以用结构力学中的力法、位移法及弯矩分配法等，也可借助计算

机软件进行。

2.内力组合

分析框架时，应对各种荷载分别进行计算，并根据所得的结果对每一构件绘出内力图。

然后求出最不利的内力组合。内力组合一般考虑表3-2-6的几种情况。

表3-2-6框架的计算内力组合情况

序号组合情况破不利组合说明

对柱各控制截面要进行以下组合

可能的最不利的组合是

(1)正弯矩最大及相应的轴心力和剪力

使各

柱段控制截面产生(2)负弯矩最大及相应的轴心力和剪力

1计算框架柱时

最大压应

(3)轴心力最大及相应的正弯矩和剪力

力，见图3-2-7

(4)轴心力最大及相应的负弯矩和剪力

应进行图3-2-7中柱底截面4-4的最小轴力和相应的最大弯矩(绝

对值最大)

和剪力的组合

(1)使屋架下弦杆产生最大压力，同时使上弦杆产生最大拉

力的组合如图3-

计算柱与基础最不利的内力组合是锚

2-8(a)所示

连接的锚栓受

2

栓时最大拉力

(2)使屋架上弦杆产生最大压力，同时使下弦杆产生最大拉

力的组合如图3-

2-8(b)所示

(3)使腹杆产生最大拉力或最大压力的组合如图3-2-8(c)、

(d)所示

图3-2-7框架柱的各控制截面

/-Mmax-"max

VSJZ^ZSZ^Z^LV

(a)

«+Wmax-乂a

(b)

+k+M„1ax

(c)

一k+k

(d)

图3-2-8屋架端弯矩及剪力的不利组合

3.3屋盖结构

3.3.1屋盖结构的组成3.3.2托架与托梁3.3.3屋架

3.3.1屋盖结构的组成

钢屋盖结构由屋面材料、楝条、屋架、托架和天窗架等构件组成。根据屋面材料和屋面

结构布置情况可分为无槐屋盖和有楝屋盖两种见图3-3-1及表3-3-1。

图3-3-1屋面结构布置图

(a)有楝屋盖；(b)无楝屋盖

表3-3-1屋盖结构的组成及优缺点

序号分类说明优缺点适用范围

当屋面材料采用瓦

(1)常用于轻型屋面材料(压型钢板、压型铝板、钢筋

楞铁皮、石棉

石棉瓦、

瓦、压

有楝屋盖屋面材料瓦楞铁等)

自重轻，用料

型钢板和钢丝

(2)对瓦楞铁屋面，屋架间距一般采用6m,当柱

省，但

1有楝屋盖网水泥

距112m时，则

屋面刚度差

板时，屋面荷

用托架(或托梁)支承中间屋架(图3-3-2b)

载要通

(3)当屋架间距为12〜18m时，宜将橡条直接支承

过楝条传给屋

架，这在屋架上（图

种体系称为有3-3-2a）

楝屋

（4）当屋架间距，18m时，采用纵、横方向的次桁

盖，如图3-3-2架（或梁）支

所示

承楝条较为合适（图3-3-2C）

当屋面材料采用预

应力大型屋面

板时，

屋面荷载可通

（1）一般用于1.5mx6m预应力大型屋面板等重型屋面，

过大型将屋面

无楝屋盖施工快，

板直接焊在屋架或天窗架上

屋面板直接传屋面刚度大，

给屋但大型

2无楝屋盖（2）当柱距大于所采用屋面板跨度时，可采用托架

（或托梁）支

架，这种屋盖屋面板自重大

体系称

承中间屋架

为无橡屋盖，

如图

3・3・3所示

/屋架械条

immmi

HI-II-I-I-I-II-I-IIH

⑻

(b)

檬条屋架（纵梁或桁架）

H/......一H

横梁

或桁架,00

IIIIIIII

H——----------------H

IIHIL1L

nilIIII

(c)

图3-3-2有橡屋架

3.3.2托架与托梁

当柱距大于屋架间距时，应沿纵向柱列布置托架或托梁以支承中间屋架。当为桁架时，

称为托架，当为实腹梁时称为托梁。

1.托架与托梁的截面形式

常用的托架与托梁的截面形式如图3-3-4和图3-3-5所示。

+

中

中

中

(a)

屋架

托架

(b)

图3-3-3无樵屋架

ir

I

ir

ir

JL

(a)

ri

LJ

(b)

图3-3-4托架的截面形式

(a)

71'~TI"TIIII

IIIIII4卜IIII

IIIIIIIIII

(b)

图3-3-5托梁的形式及尺寸

(a)工字形截面；(b)箱形截面

2.托架与托梁的设计要点

现将托架与托梁的设计要点汇总成表3-3-2。

表3-3-2托架与托梁的设计要点

序号设计要点说明

托架上弦杆攒桁架平面外的计算长度等于与之相连接的屋架间

1距—

2当屋架与托架子接而屋架下弦与托架下弦距离h较大时，与屋—

架相连的托架竖腹杆宜采用刚度较大的工字形截面。若距离h<

1000mm,中间屋架仍可视为托架下弦的侧向支撑点

3托架一般不必起拱一

续表

序号设计要点说明

腹板高度hjcm：h.=3胧'(1)

截面抵抗矩叼cm\V=«.„/(1.05/)(2)

腹板厚度，Jem：L=/hT/ii⑶

4托梁一般采用单腹壁截面，其截面尺寸可用式1〜式(6)估算WI.

一个翼缘的藏面：4广汇-石鹏(4)

腹板厚度tw/cm：=A(/bi(5)

翼缘板厚度b尸(1/5~1/2.5)h(6)

3.托架与托梁的连接构造

托架与托梁的连接构造如图3-3-6〜图3-3-11所示。

图3-3-6托架、屋架与钢柱的连接

图3-3-7托架与屋架的较接连接

图3-3-8托架与屋架的叠接连接

'I

图3-3-9托架与中间屋架的连接

图3-3-10托架与柱的叠接

1-1

图3-3-11托架与柱的平接

3.3.3屋架

1.屋架的形式及特点

屋架按其组成杆件及选材的不同可分为普通钢屋架和轻型钢屋架。轻型钢屋架请参看

《轻型钢结构》一章。这里只讨论普通钢屋架(下面简称屋架)。

为了满足房屋用途、建筑造型和屋面材料的排水要求，屋架的外形可分为三角形屋架、

梯形屋架和矩形屋架等形式。各种形式的屋架及其特点和适用范围见表3-3-3。

表3-3-3屋架形式一览表

序号形式特点适用范围

(1)这种屋架与柱子多做成较接，因此房屋的

横

(1)用于屋面坡度较大的屋盖结构中

向刚度较小

(2)一般宜用于中、小跨度的轻屋面结

三角形屋架

构。荷载

(图(2)屋架弦杆的内力变化较大，弦杆内力

1

在支座

3-3-12)和跨度较大时，采用三角形屋架就不够

经济

处最大，在跨中最小，故弦杆截面不能充

分发挥作用

(1)梯形屋架与柱的连接，可做成刚接，也可(1)通常用于屋面坡度较为平缓的大型屋面

做板或

成较接，这种屋架已成为工业厂房屋盖结长尺压型钢板的屋面，跨度一般为15〜