厂房钢结构设计.ppt
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1、厂房钢结构设计,主要内容,1、厂房结构形式2、厂房结构的框架形式3、支撑体系4、屋盖结构5、梯形屋架例题6、三角形屋架例题,了解单层厂房钢结构组成、柱网布置;熟悉厂房钢结构横向框架的类型、主要尺寸、横向框架梁柱的形式;掌握支撑体系作用和布置方式;掌握厂房屋盖钢结构设计方法和设计步骤,主要包括屋架设计。,学习目标,学习重点、学习难点,屋架设计,单层厂房的结构形式,一、单层厂房钢结构的组成 单层厂房钢结构有多种形式,按各种原则分类如下。(1)按外形可分为锯齿形和矩形;(2)按跨度可分为单跨、多跨和高低跨;(3)按维护体系可分为传统形式单层厂房和轻钢形式单层厂房,其主要区别在于:传统形式的单层厂房墙
2、体和屋面分别由砖墙和钢筋混凝土屋面板组成,而轻钢单层厂房无论墙体还是屋面板主要由冷轧钢板(有时加保温棉等保温措施)组成;,单层厂房钢结构体系,一、单层厂房钢结构的组成(4)按有无天窗可分为无天窗单层厂房和有天窗单层厂房,对于有天窗的单层厂房,天窗又可呈上升式和下沉式;(5)按吊车情况可分无吊车和有吊车两类,有吊车的单层厂房其吊车分电动葫芦(简易吊车)或轻级(8小时工作制)、中级(16小时工作制)和重级(24小时工作制)吊车。虽然不同类型的厂房钢结构的组成有所不同,但也有许多共同之处。现对单层厂房中常见的结构形式作一剖析。,图1 单层厂房结构透视图,厂房结构由屋盖结构、柱、吊车梁、制动梁(或桁架
3、)、各种支撑以及墙架等构件组成。横向框架:由柱和屋架组成,是厂房的主要承重体系,承受结构的自重、风荷载、雪荷载和吊车的竖向和横向荷载,并把这些荷载传递到基础。屋盖结构:承担屋盖荷载的结构体系,包括横向框架的横梁、托架、中间屋架、天窗架、檩条等。支撑体系:包括屋盖部分的支撑和柱间支撑。吊车梁和制动梁(或桁架):主要承受吊车竖向和水平荷载,并将荷载传到横向框架和纵向框架上。墙架:承受墙体的自重和风荷载。,单层厂房的组成,另有一些单层厂房有天窗架、操作平台等附加钢结构,其基本组成仍然同上表,只是根据实际需要加上附加结构即可。二、单层厂房钢结构受力体系单层厂房钢结构的受力主要有三类:吊车荷载、风荷载、
4、其它竖向荷载。地震区还有地震作用。,(一)吊车荷载的传力过程如下图所示,(二)风荷载的传力过程如下图所示,(三)其它竖向荷载的传力过程如下图所示,设计步骤,合理规划,满足工艺和使用要求,确定平面和高度方向的主要尺寸;布置柱网和温度伸缩缝;选择框架的类型,确定主要尺寸;布置屋盖结构、吊车结构、支撑体系和墙架体系静力计算、构件及连接设计;绘制施工图。,柱网布置,一、柱网布置的要求 单层厂房中横向框架柱和纵向框架柱形成一个柱网。柱网布置主要是根据工艺、结构与经济的要求确定。此外还要考虑建筑内其它部分与柱网的协调,如基础、地下管道、烟道、地坑等。,工艺要求柱的位置与车间内机械、起重、运输设备相协调,符
5、合生产流程,还要考虑生产过程的可能变动。例如,一个双跨钢结构制造车间,其生产流程是零件加工。中间仓库,拼焊连接顺着厂房纵向进行,但横向需要连系,在中部要有横向通道,因此中列柱中部柱距较大,见图,部分中列纵向框架有托架,柱距为12米。结构要求柱间距尽可能相等,通常纵向柱距为6米,跨度较大的横向框架采用轻钢结构屋面及外墙时,纵向柱距可增大到7.5米、9米等。,图 双跨钢结构厂房柱网布置,柱距过大,屋盖结构和吊车梁重量增加;反之柱与基础材料增多,因此要比较分析。但确定柱距时,要符合模数制。对于传统厂房,以3米为模数;对于新型的轻钢厂房,模数的限制可适当放宽,1米、1.5米均可。,二、温度影响的考虑
6、当厂房平面尺寸很大时,由于温度影响会使构件内产生很大的温度应力,并导致墙和屋面的破坏,因此要设横向和纵向温度缝,见图。横向温度缝将厂房分成若干互不影响的温度区段,温度缝的最大间距一般为180-220米,后者为采暖厂房和非采暖区的厂房。若超出上述间距而不设温度缝,则需计算温度应力。,温度缝是将纵横向框架完全断开,在缝的两边分别设置相互没有连系的框架,缝的间距1.02.0。这是对传统维护材料的厂房而言的,对于轻钢厂房,往往采用在维护板中消除温度应力的构造措施来解决问题。因而可以减小缝的间距。温度缝两边的框架间距可以保持原来的模数,此时每设一个温度缝厂房长度将加大12米。同时建筑面积、屋面板类型、吊
7、车梁类型、檩条类型均有所增加。也可以采用温度缝中心线在框架间距模数尺寸内,即温度缝相邻的两框架间距略小于模数,使厂房总长度不变。纵向温度缝与横向温度缝布置相同,整排纵向框架断开,中间设互不连系的温度缝,纵向温度缝间距一般为100120米,即多跨厂房横向总宽度较大时需设纵向温度缝。但由于其构造较复杂,有4个柱在纵、横向温度缝处相交,因此,可适当加强结构构件而不设置纵向温度缝。在轻钢结构屋盖中,常采用可在一定范围内水平滑移的屋面板减小温差效应。,厂房结构的横向框架,一、框架的类型 厂房的基本承重结构通常采用框架体系。这种体系能够保证必要的横向刚度,同时其净空又能满足使用上的要求。横向框架按其静力计
8、算模式来分,主要有横梁与柱铰接(图)和横梁与柱刚接(图)两种情况。如按跨度来分,则有单跨、双跨和多跨。,横梁与柱铰接的框架,在传统厂房结构中常可见到。由于其横向刚度较差,常不能满足吊车使用上的要求,因此这种结构类型现在很少采用。横梁与柱刚接的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,需采取防止不均匀沉降的措施。轻钢厂房采用的门式刚架属于横梁与柱刚接,而且由于结构自重与传统厂房相比大为减轻,故沉降问题不甚严重。因而是一种较好的结构形式。,二、横向框架的主要尺寸图表示框架的主要尺寸。框架的跨度见式(7-1)。,(7-1),框架跨度常采用3米的倍数,即l=24m,27m,30m
9、,33m,36m等。对于一般用途的电动桥式吊车和某些特殊用途的吊车,和的数值可参考表的数值选用,同时必须满足:,(7-2),吊车和柱之间必要的空隙;框架边柱和中柱上段柱的截面宽度。,式中,d吊车桥架尾部长度;,吊车外缘与厂房柱之间的净空尺寸1应不小于80(吊车起重量不大于500kN时)或不小于100(吊车起重量大于或等于750kN时)。对于冶金车间的吊车或重级工作制的吊车,当在吊车和柱之间需要有足够宽的安全过道时,则不得小于400。如上段柱的截面宽度大于800时,则过道可以穿过柱内的人孔,见图,这时1的数值就不必加大。框架从柱脚底面到屋架下弦底部的距离(见图)为:,式(7-3)中h1尺寸为自吊
10、车轨顶至起重小车顶的桥架总高,已加上由于考虑制造和安装的可能误差所留的空隙100,以及考虑屋架的挠曲和下弦支撑角钢的下伸所留的空隙150200。为从地面到吊车轨顶的距离,由生产要求决定,一般为600的倍数。为柱脚底部在地面以下的深度,中型车间一般为0.81.0,重型车间为1.01.2。由地面到屋架下弦底部的高度一般为300的倍数。,三、框架横梁的形式及其应用范围横向框架的横梁有实腹式和桁架式两种。横向框架的实腹式横梁通常采用由三块钢板焊接成的工字形截面,两端与柱顶刚接形成门架,其高度约为跨度的1/251/45。它的优点是建筑高度小,制造省工,运输方便。实腹式横梁本身高度较小,故在轻钢厂房中运用
11、较多。横向框架上端为刚接的桁架式横梁一般采用平行弦、梯形和多边形的桁架,而为铰接的桁架式横梁则采用三角形桁架。多边形桁架和梯形桁架在重型厂房中应用较广。当桁架跨度很大或屋面坡度较陡(1/41/5)时,可将天窗架范围内的上弦杆拉平或将下弦起拱,见图 a)和c),以减小屋架中部的高度。图中)所示的桁架,由于下弦起拱,对柱有推力,不利于结构的安装和受力,需加注意。,为了保证桁架与柱的连接具有足够刚度,桁架端部的高度 不宜过小,通常为跨度 的1/101/16,并为200的倍数。桁架中部的适宜高度为/8/10。在确定桁架高度时尚应考虑运输条件的限制。桁架的腹杆通常采用有竖杆的三角形体系。节点划分应配合天
12、窗的宽度和屋面板(或压型钢板)的经济跨度,其数目最好是4的倍数,以利支撑布置。且使所布置支撑与横梁的夹角接近于45,以利支撑受力。当桁架跨度较大、高度较高时,也可采用再分式腹杆体系。,四、厂房横向框架柱的形式及其应用范围,厂房横向框架柱按其形式可分为等截面柱、均匀变截面柱、台阶式柱和分离式柱。等截面柱(图)通常做成工字型截面,吊车梁支承在牛腿上。这种形式适用于吊车起重量小于200kN的车间。均匀变截面柱(图)为变高度的H型截面,大量用于轻钢结构厂房,经济性好,施工便利。台阶式柱(图及)在传统型厂房中较为常用。有单阶和双阶之分。,分离式柱(图)将吊车支柱和组成横向框架的支柱分离,其间用水平连系板
13、连系起来。因为水平连系板在竖向的刚度与吊车柱抗压刚度相比很小,故认为吊车竖向荷载仅传至吊车支柱而不传给框架支柱。分离式柱一般较台阶式柱费钢材,上部刚度较小。但在吊车起重量较大而厂房高度小于18时,采用分离式柱比较经济;如果厂房有扩建的可能,且扩建时希望不受吊车荷载的牵制,则可采用分离式柱;在吊车荷载大而厂房用压型钢板做屋面板时,分离式柱也可能是较经济的。,支撑体系,一、支撑体系的作用 单层厂房的支撑体系如图所示,一座没有设置支撑的单跨厂房结构,受力后有以下一些重要问题:(1)屋架上弦出平面(垂直屋架平面)的计算长度等于屋架的跨度,实际上无法保证上弦出平面的稳定性。在这里平行铺设的檩条对弦杆不能
14、起侧向固定支撑的作用,因为当所有弦杆同步以半波形式侧向鼓凸时,所有檩条也将随之平移而不起支撑作用。同样,屋架下弦受拉杆件出平面的计算长度也太大,特别当屋架端部刚接、端节间下弦杆受压时,出平面稳定问题就更为严重。,(2)作用在端墙上的水平风力,一部分将由端墙抗风柱传递至厂房端部屋架的下弦(或上弦)节点。如屋架的弦杆不与相邻屋架的相应的弦杆利用支撑组成水平桁架,则它在风力作用下将发生水平弯曲,这是远非一般屋架的弦杆所能承受的。此外,由于柱沿厂房纵向的刚度很小,且柱与基础的连接在这个方向近似铰接,吊车梁又均简支固定于柱上,因此由柱及吊车梁等构件组成的纵向框架,在上述风力及吊车的纵向制动力等作用下,将
15、产生很大的纵向变形或振动,甚至有使厂房倾倒的危险。,(3)当某一横向框架受到水平荷载时(如吊车的横向制动力),由于各个横向框架之间没有用在水平面中具有较大刚度的下弦纵向支撑连系起来,不能将荷载分布到邻近的横向框架上去,因此必须由这个横向框架单独承担。这样,结构的横向刚度将会显得不足,侧移和横向振动较大,影响结构的使用性能和寿命。,(4)由于托架在横向水平方向的刚度极小,所以支撑在托架上的中间屋架不很稳定,容易沿屋架轴向发生振动,托架也容易发生变形、失稳。(5)在横向框架之间的间距较大时须在框架柱之间设立墙架柱以承担作用在纵(横)向墙上的水平风力,可是若无纵向(横向)水平支撑,墙架柱的上端无法设
16、支撑点。(6)在安装过程中,由于屋架的跨度较大,而它的侧向刚度又很小,故很容易倾倒。,(7)由于各个横向框架之间缺乏连系,因此除了结构的横向和纵向刚度不足以外,如果厂房受到斜向或水平扭转力时,则在局部或整体结构中将产生较大的歪斜和扭动。由此可见,支撑体系是厂房结构的重要组成部分。适当而有效的布置支撑体系可将各个平面结构连成空间整体,保证厂房结构具有足够的强度、刚度和空间稳定性来可靠地承担所有的作用荷载,保证结构的正常使用。,二、屋盖支撑 常用的屋盖支撑包括:屋架上弦横向和纵向支撑,屋架下弦横向和纵向支撑。屋架竖向支撑,天窗架支撑以及相应的系杆等。关于屋盖支撑的作用、形式、布置、计算原则和构造方
17、法等详见屋盖知识点的内容,这里不再重复。三、柱间支撑 柱间支撑分为两个部分:在吊车梁以上的部分称为上层支撑,吊车梁以下的部分称为下层支撑。,(一)柱间支撑沿厂房长度方向的布置 1下层支撑 当采用压型钢板等在厂房纵向有一定变形能力的维护材料时,一般上下层支撑同时布置在厂房两端(或近端跨),如下图 c)。,图 柱间支撑的布置,当采用传统的刚度较大的维护材料为墙和屋面时,下层支撑应布置在温度区段的中部,使厂房结构在温度变化时能较自由地从支撑架向两面伸缩,从而减小纵向构件及支撑架中的温度应力。但此时所有的纵向水平力均需通过吊车梁传递。温度区段长度小于90的厂房,可以在区段的中央设置一道柱间支撑(图 a
18、);区段长度超过90m时,则应在长度的1/3处各布置一道柱间支撑(图 b),以免传力路线太长而影响结构的纵向刚度。在短而高的厂房中,下层支撑也可布置在厂房的两端(图 c)。,2上层支撑,上层支撑应布置在温度区段的两端以及有下层支撑的开间中(图)。为了传递从屋架下弦横向支撑传来的纵向风载,在温度区段的两端设置上层支撑是必要的。由于上段柱的刚度一般都较小,不会引起很大的温度应力,因此可在温度区段的两端设置单斜杆式的上层支撑。其余上层支撑可采用交叉腹杆体系或其他形式。,(二)柱间支撑形式 1下层支撑,下层支撑以交叉腹杆体系最为经济且刚度较大。在某些车间中,往往由于生产上的要求,不可能采用交叉腹杆体系
19、的下层支撑。在这种情况下,门式支撑(下图 a、b、c)是最常用的一种。这种支撑形式可以利用吊车梁作为门框式支撑的横梁(图 a及b),也可另设横梁(图 c)。但是,将支撑直接连在吊车梁上(图 a)不是一种很好的方案,因为这时支撑构件除了承受纵向水平风载和吊车纵向制动力外,还要承受巨大的吊车竖向荷载,所以很费钢材,而且在构件截面组合和构造方面也存在许多困难。,图 门框式柱间支撑,2上层支撑 上层支撑形式有十字交叉形、八字形和人字形等,而以十字交叉形最为构造简单、传力直接和节约材料,因此使用最为普遍。,(三)柱间支撑在柱侧面的位置 柱间支撑在柱截面上的位置按下述原则确定。等截面柱的上下层柱间支撑以及
20、台阶式柱的上层支撑应布置在柱的轴线上(图 a、b、c中虚线所示);若有人孔时,则移向两侧布置(图d)。在台阶式边列柱的下层支撑,若外缘有大型板材或墙梁等构件牢固连接时,支撑可只沿柱的内缘布置(图a);否则内外缘两侧均需布置。在中列柱中,柱的两侧均需布置下层支撑(图b),且在柱两侧布置的支撑之间需用杆件连系起来(图e)。,图 柱间支撑在柱子截面中的位置,(四)柱间支撑的计算原则,柱间上层支撑主要承担屋架上、下弦横向支撑传来的纵向风力,有时还承担作用于厂房纵向的其他水平荷载,如固定于厂房上的管道设备的纵向推力等。,柱间下层支撑承受山墙抗风桁架传来的纵向风载和吊车纵向制动力,连于吊车梁上的门框式支撑
21、(图 a)还要承受竖向的吊车荷载。上层支撑计算时,为避免由于支撑刚度过大,而引起较大的温度应力,支撑腹杆按柔性拉杆计算。交叉体系的下层支撑当吊车较小时一般用圆钢,吊车较大时通常由角钢或槽钢。交叉斜杆常按拉杆设计,但为了提高厂房的纵向刚度,当吊车较大时应按压杆设计。,(五)柱间支撑的连接,支撑与柱的连接一般采用焊接连接或高强度螺栓连接。当采用焊接时,焊缝厚度不宜小于6mm,焊缝长度不宜小于80mm。为了安装方便,在安装节点处的每一支撑杆件的端部设有两个安装螺栓。支撑与柱的连接节点如图所示。,a)柱间支撑下端与柱的连接 b)柱间支撑上端与柱焊缝连接c)柱间支撑上端与柱用螺栓连接图 柱间支撑与柱的连
22、接,屋盖结构,一、屋盖结构布置(一)屋盖结构组成,在工业与民用房屋建筑中,钢屋盖结构主要由屋面板、檩条、屋架、托架、天窗架和支撑等构件组成。,屋架的跨度和间距取决于柱网布置,而柱网布置则取决于建筑物工艺要求和经济要求。当屋架跨度较大时,为了采光和通风需要,屋盖上常设置天窗。当柱网间距较大,超出屋面板长度时,应设置中间屋架和柱间托架,中间屋架的荷载通过托架传给柱(图)。,屋架与屋架之间应布置支撑,以增强屋架的侧向刚度,传递水平荷载和保证屋盖体系的整体稳定。因此屋盖支撑是屋盖结构中不可缺少的组成部分。,(二)屋盖体系分类,根据屋面材料和屋面布置情况屋盖可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种。,当屋面采用大型
23、屋面板时,屋面荷载可直接通过大型屋面板传递给屋架而无需通过檩条,这种屋盖体系称为无檩屋盖(图)。当屋面采用轻型材料如石棉瓦、瓦楞铁、压型钢板和铁丝网水泥槽板等时,屋面荷载要通过檩条再传递给屋架,这种屋盖体系称为有檩屋盖(图)。,无檩屋盖体系:优点:屋盖横向刚度大,整体性好,构造简单,施 工方便等;缺点:屋盖自重大,不利于抗震,其多用于有桥式吊车的厂房屋盖中。有檩屋盖体系:优点:构件重量轻,用料省;缺点:屋盖构件数量较多,构造较复杂,整体刚度较差。屋盖结构的布置要根据建筑物使用或工艺要求,并综合考虑经济因素来确定。,无檩屋盖体系 有檩屋盖体系,二、屋盖支撑体系(一)屋盖支撑作用,当采用平面屋架作
24、为主要承重构件时,支撑是屋盖结构的必须组成部分。屋盖支撑的主要作用如下:保证屋盖结构的整体稳定。增强屋盖的刚度。增强屋架的侧向稳定。承担并传递屋盖的水平荷载。便于屋盖的安装与施工。,二、屋盖支撑体系(一)屋盖支撑作用,屋架是屋盖的主要承重结构,平面外的侧向刚度较小,各个屋架之间若仅由檩条或大型屋面板连系,而没有其他必要的支撑,则屋盖结构在空间是几何可变体系。因此需要用支撑把屋架合理地连接起来,形成稳定体系,以保证屋盖结构的空间稳定。设置支撑时一般先将屋盖两端的两榀相邻屋架用支撑连成稳定体系,然后用檩条或大型屋面板以及系杆将其余中间屋架与这两端稳定体系连接起来,形成几何不变的屋盖结构体系。如果沿
25、屋盖结构的长度方向较长时,还应在中间设置12道横向支撑。,支撑可作为屋架弦杆的侧向支承点,减小弦杆在平面外的计算长度,增强受压上弦杆的侧向稳定,并使受拉下弦杆保持足够的侧向刚度,减小其在某些动力荷载作用下产生的屋架平面外的受迫振动。,屋盖支撑还可将作用于山墙的风荷载,悬挂吊车水平荷载及地震作用传递给房屋的下部支承结构。,另外,在安装钢屋架时,首先吊装有横向支撑的两榀屋架,将支撑和檩条与之连系形成稳定体系,然后再吊装其他屋架与之相连。,(二)屋盖支撑布置,屋盖支撑根据布置的位置可分为五种:上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑和系杆。各种支撑布置如图所示。,1.上弦横向水
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