第二章 重型廠房結構設計

第二章重型廠房結構設計

1.結構形式和結構布置2.計算原理3.鋼屋架設計4.吊車梁設計2.1結構形式和結構布置

一、結構體系◆鋼屋架-大型屋面板結構體系◆鋼屋架-檁條-輕型屋面板結構體系◆橫梁-檁條-輕型屋面板結構體系重型廠房的特點：跨度大，高度大，吊車噸位大。重型廠房（高約27m，雙層吊車，上層吊車噸位150t）重型廠房（格構柱，網(wǎng)架屋蓋，主跨跨度36m,吊車120t）重型廠房（鋼管混凝土格構柱，跨度30m，吊車100t）重型廠房（實腹柱，屋面梁屋蓋，主跨跨度30m,吊車50t）特點：房屋橫向剛度大，整體性好；屋面板自重大，屋蓋及下部結構用料多，對抗震不利。特點：屋架間距靈活，構件重量輕、施工安裝方便；構件數(shù)量多，整體剛度差。無檁體系：有檁體系：將預應力混凝土大型屋面板等重型屋面直接放在屋架上。常用于輕型屋面材料,屋面荷載要通過檁條傳給屋架。柱、鋼屋架、吊車梁、天窗架、支撐、檁條、托架、屋面材料。二、重型廠房的組成：柱屋架吊車梁天窗架柱間支撐

托梁◆吊車的工作制等級與工作級別的對應關系（《起重機設計規(guī)范》分為8個工作級別：A1～

A8）三、吊車的工作級別工作制等級輕級中級重級特重級工作級別

A1～A3

A4,A5

A6,A7

A81、柱網(wǎng)布置要綜合考慮：生產工藝要求結構要求施工要求經(jīng)濟合理模數(shù)要求：柱距：6m，跨度：取3m倍數(shù)(L≤18m),取6m倍數(shù)(L>18m)。

四、柱網(wǎng)布置2、溫度縫溫度區(qū)段長度表(m)

★橫向溫度縫的做法：設置雙柱。橫向溫度縫，設雙柱五、幾點說明：◆橫向框架形式（a）（b）（c）剛接框架：（a)、（b）橫梁與柱剛接（適用于設有雙層吊車，硬鉤吊車等重型廠房）。鉸接框架：（c）橫梁與柱鉸接（適用于吊車起重量不大的輕型維護結構）。階梯形下柱的常見截面形式階形柱的上柱起重量較小的邊柱起重量≤50t的中柱起重量＞50t的中柱起重量較大的邊柱特大型廠房的下柱◆框架柱類型選擇格構柱吊車梁六、柱間支撐1、柱間支撐的作用：承受并傳遞縱向水平荷載;減少柱在平面外的計算長度;保證廠房的縱向剛度。2、柱間支撐的形式和布置原則：2.2鋼屋架的外形及腹桿形式芬克式腹桿人字式腹桿單斜式腹桿三角形屋架適合于波形石棉瓦、瓦楞鐵皮,坡度一般在1/3～1/2。特點：·外形和彎矩圖不相適應，弦桿內力分布不均勻，近支座處內力大，近跨中處小，橫向剛度小?！ど舷孪医唤切。斯?jié)點構造復雜。梯形屋架人字式腹桿再分式腹桿適用于屋面坡度平緩（一般在1/12～1/8）且跨度較大時的無檁屋蓋結構，特點：外形和彎矩圖比較接近，弦桿內力沿跨度分布較均勻，用料經(jīng)濟，應用廣泛。人字式腹桿交叉式腹桿平行弦屋架上、下弦桿水平，桿件和節(jié)點規(guī)格化、便于制造。屋架的外形和彎矩圖分布不接近，弦件內力分布不均勻。一般用于托架和支撐體系。三角形屋架弦桿交角增大，方便制造，屋架重心降低，提高了穩(wěn)定性?？捎行Ы档臀菁軐χ谓Y構的推力。根據(jù)不同的條件桁架形式可以有很多變化3.滿足制造、安裝和運輸要求·構造簡單，桿件夾角30°～60°；·桿件與節(jié)點數(shù)量少；·分段制造，便于運輸與安裝。1.滿足使用要求屋架外形應與屋面材料的排水要求相適應。2.滿足受力要求屋架外形應盡量和彎矩圖接近，使上下弦桿內力沿跨度方向分布較均勻，腹桿受力較小；腹桿的布置宜使短桿受壓，長桿受拉；荷載布置在節(jié)點上，減少弦桿局部受彎。確定屋架形式的原則：2.3屋架的主要尺寸(1)屋架的跨度主要是根據(jù)工藝和建筑要求來確定，普通鋼屋架常見跨度為18m、21m、24m、27m、30m、36m等。

標志跨度—柱網(wǎng)軸線間的距離。

計算跨度—屋架支座反力點間的距離。計算跨度l0(柱網(wǎng)采用封閉結合時)

l0=l-300mm鉸接梯形屋架，端高宜取1.6～2.2m(宜>l/18)

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

當L≥24m，應按L/500=24000/500=48mm

考慮起拱：∴采用起拱50mm。(2)屋架的高度取決于建筑、經(jīng)濟、剛度、運輸?shù)葪l件，和屋面坡度相關。2.3鋼屋蓋的支撐系統(tǒng)一、屋蓋支撐系統(tǒng)的作用平面屋架在屋架平面外的剛度和穩(wěn)定性很差，不能承受水平荷載。因此，為使屋架結構有足夠的空間剛度和穩(wěn)定性，必須在屋架間設置支撐系統(tǒng)。圖為屋架上弦平面圖，在未設上弦平面內的支撐桁架時，雖有檁條把各個屋架連成一片，但當屋架上弦桿因受壓而失穩(wěn)時，整個上弦會屈曲成一個“半波”。如在房屋兩端的柱間內設置上弦橫向支撐桁架，則屋架上弦將屈曲成多個“半波”，從而提高上弦桿的整體穩(wěn)定性，亦即提高了承載能力。由此可見平面桁架如無支撐系統(tǒng)從側面“扶持”，將不能發(fā)揮它的承重作用。(1)保證屋蓋結構的幾何穩(wěn)定性(2)保證屋蓋的空間剛度和整體性(3)為受壓弦桿提供側向支承點(4)承受和傳遞縱向水平力(5)保證結構在安裝和架設過程中的穩(wěn)定性一、屋蓋支撐系統(tǒng)的作用二、支撐的種類屋蓋上弦橫向水平支撐屋蓋下弦橫向水平支撐屋蓋下弦縱向水平支撐垂直支撐系桿橫豎(垂直)縱★

穩(wěn)定區(qū)格(空間穩(wěn)定體)：在相鄰兩榀屋架間同時設置上弦橫向支撐、下弦橫向支撐、垂直支撐，所形成的空間幾何不變體系。1.上弦橫向水平支撐：三、屋蓋支撐的布置原則在有檁條或只采用大型屋面板的屋蓋中都應設置屋架上弦橫向水平支撐

設置在房屋的兩端,一般設在第一個柱間或設在第二個柱間,間距Lo≤60m。GWJ-1GWJ-1GWJ-1GWJ-1GWJ-1GWJ-1GWJ-2GWJ-2GWJ-2GWJ-2GWJ-2GWJ-2GWJ-3GWJ-350050060006000600060006000600060006000600060006000600060001501506000600060006000240001122222.下弦橫向水平支撐：當跨度L≥18m；設有懸掛式吊車起重量大于50噸；廠房內設有較大的振動設備。與上弦橫向水平支撐布置在同一柱間。3.縱向水平支撐布置原則：

設有支承中間屋架的托架，或設有重級或大噸位的中級工作制橋式吊車等較大振動設備時，應在屋架端節(jié)間平面內設置縱向水平支撐。

下弦縱向水平支撐下弦支撐布置圖(1:600)78000500500150150600060006000600024000200032001-12-2

鋼屋蓋支撐布置圖(1:600)4.垂直支撐布置原則：所有房屋中均應設置垂直支撐。梯形屋架在跨度L≤30m，三角形屋架在跨度L≤24m時，在跨中設置一道。當跨度大于上述數(shù)值時宜在跨度1／3附近或天窗架側柱外設置兩道。梯形屋架在兩側支座處還應各設置一道。垂直支撐與上、下弦橫向水平支撐布置在同一柱間。

有天窗、跨度l<30m，布置在屋架兩端、跨度l/3處、天窗架兩端。

有天窗、跨度l<30m，布置在屋架兩端、跨中、天窗架兩端。

垂直支撐的布置

垂直支撐的布置屋架的垂直支撐布置5.系桿剛性系桿：能承受拉力也能承受壓力的系桿。柔性系桿：只能承受拉力的系桿。一般跨度房屋的系桿受力很小，柔性系桿的設計可按[λ]＝350，400控制，常用單角鋼截面；剛性系桿的設計可按[λ]=200控制屋脊節(jié)點及主要支承節(jié)點處需設置剛性系桿，天窗側柱處及下弦跨中或跨中附近設置柔性系桿；當屋架橫向支撐設在端部第二柱間時，第一柱間所有系桿均應為剛性系桿。比例1:6002.4普通鋼屋架設計一、基本假定(1)屋架的各節(jié)點均為理想的鉸接。(2)各桿件的軸線均為直線，在同一平面內，且相交于節(jié)點中心。(3)荷載作用在節(jié)點上，且在屋架平面內。二、荷載計算及荷載組合1、荷載計算(1)永久荷載包括屋面材料、屋面板、支撐、屋架等結構自重。(2)可變荷載包括屋面均布活荷載、積灰荷載、雪荷載、風荷載，以及懸掛吊車荷載等。預應力混凝土大型屋面板：1.4kN/m2(標準值)80mm厚泡沫混凝土保溫層：0.48kN/m2(標準值)20mm水泥砂漿找平層:0.4kN/m2(標準值)二氈三油防水層：0.35kN/m2

(標準值)屋架自重和支撐自重按經(jīng)驗公式：

0.12+0.011L(標準值,kN/m2)荷載計算屋面均布活荷載:0.7kN/m2(標準值)雪荷載:0.4kN/m2(標準值)屋面積灰荷載:見每位同學的分組數(shù)據(jù)取兩者中的較大值2、荷載組合屋架內力應根據(jù)使用過程或施工過程中可能出現(xiàn)的最不利荷載組合計算。設計時考慮三種荷載組合：②全跨永久荷載+半跨可變荷載①全跨永久荷載+全跨可變荷載③屋架、支撐自重+半跨屋面板重+半跨屋面活載三、計算屋架桿件的內力1、用圖解法求桿件的內力系數(shù)：k，k左，k右具體求解步驟如下：①按比例畫屋架的單線圖(可不起拱)

；②在左半跨放單位節(jié)點荷載③計算支座反力Ra,Ra④進行分區(qū)編號（先編外區(qū)，后編內區(qū))⑤畫力多邊形⑥在圖上讀出內力系數(shù)正負號：認定桿端任一節(jié)點，將該桿兩側的區(qū)號按繞該節(jié)點順時針方向排序，若力多邊形中相應的線段指向認定的節(jié)點，則為“+”；反之為“-”。AA′BB′CC′DD′EE′FF′GG′HH′Iaa′bb′cc′dd′e11111110.50.51234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435RaRa′屋架內力圖解2、桿件內力組合

桿件內力組合及最不利計算內力表桿件編號內力系數(shù)桿件內力組合最不利桿件計算內力(KN)P=1組合一組合二組合三左半跨右半跨全跨全跨永久荷載+全跨可變荷載全跨永久荷載+半跨可變荷載屋架、支撐自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷載①②③內力=?*③內力=?*③+?*①內力=?*③+?*②內力=內力=

上弦桿

下弦桿

斜腹桿

豎腹桿

四、屋架桿件設計1.桿件的計算長度

屋架的桿件由兩個角鋼組成，截面有兩個軸，這樣它就有兩種彎曲失穩(wěn)的可能性：一種是在屋架平面內屈曲；另一種是在屋架平面外屈曲。(1)平面內的計算長度①弦桿、支座斜桿和支座豎桿，取l0x=l

(l--桿件的幾何長度)②其他腹桿，l0x=0.8l

上弦桿：采用無檁方案，保證屋面板三點與上弦桿焊牢時:lOy=2b（2b≤3m）b—屋面板寬度。下弦桿：l0y=l1(l0y=l1

—弦桿側向支撐點間的距離)

(2)平面外的計算長度①弦桿：loy取決于側向支承點間距離。②腹桿：由于節(jié)點在平面外剛度很小，對桿件嵌固作用較小，故腹桿兩端視為鉸接，則l0y=l

(3)腹桿斜平面計算長度單角鋼、雙角鋼組成的十字形桿件，斜平面計算長度l0=0.9l

(支座斜桿和支座豎桿除外）2.桿件的容許長細比由雙角鋼組成的T形截面，兩個主軸的長細比驗算：《鋼結構設計規(guī)范》中對壓桿和拉桿規(guī)定了容許的最大長細比。單角鋼或雙角鋼組成的十字形截面桿件，取截面的最小回轉半徑imin計算桿件在斜平面上的最大長細比。桁架桿件的容許長細比桿件名稱壓桿

拉桿

承受靜力荷載或間接承受動力荷載的結構

直接承受動力荷載的結構

無吊車和有輕中級工作制吊車的廠房

有重級工作制吊車的廠房

普通鋼屋架的桿件

150350250250輕鋼屋架的主要桿件－－天窗構件

－屋蓋支撐桿件

200400350－輕鋼屋架的其他桿件

3503.桿件的截面形式采用由雙角鋼組成的T形截面或十字形截面。對軸心受壓桿件，宜使桿件對兩個主軸方向的長細比接近相等。采用不等邊角鋼短肢相連的截面，（肢背朝下）上弦桿：無節(jié)間荷載時，宜采用不等邊角鋼短肢相連的截面，（肢背朝上）下弦桿：

其他一般腹桿：采用等邊角鋼相連的截面。支座斜桿：宜采用不等邊角鋼長肢相連的截面。跨中豎腹桿：宜采用兩個等邊角鋼組成的十字形截面。(1)軸心拉桿①按強度計算所需凈截面面積

An≥N/f式中：N——桿件軸心拉力設計值

f——鋼材強度設計值②由查型鋼表，選角鋼。4.桿件截面選擇③驗算強度：σ=N/An≤f④驗算剛度：

雙角鋼T形截面：

λx=l0x/ix

≤[λ]λy=l0y/iy

≤[λ]

單角鋼或雙角鋼十字形截面：

λ=l0/imin

≤[λ]

式中：[λ]——容許長細比，[λ]=350(靜載)。(2)軸心壓桿①假設λ查φ

求A≥N/(φf)

求ix=l0x/λ，iy=l0y/λ②根據(jù)A

，ix，iy

，查型鋼表，選角鋼。③驗算：③驗算：a.強度：σ=N/An≤f

(截面無削弱，可不驗算強度)b.剛度：雙角鋼T形截面：λx=l0x/ix

≤[λ]=150

λy=l0y/iy

≤[λ]]=150c.穩(wěn)定：N/(φminA)

≤

f

式中：φmin——φx、φy

中的較小值。桿件截面選擇的一般要求：①優(yōu)先選用肢寬而壁薄的角鋼，增大回轉半徑，對受壓更有利；②最小角鋼規(guī)格：∟45×4，∟

56×36×4，(工業(yè)廠房:∟50×5)；連接垂直支撐的豎桿:∟

63×5。③同一屋架的型鋼規(guī)格不宜太多，一般不超過7～8種；④屋架弦桿一般采用等截面；而且要保持肢厚不變。5.節(jié)點板厚度的確定和填板的設計

節(jié)點板厚度的確定填板的設計1、填板的作用2、確定填板的尺寸3、確定填板的間距雙角鋼桿件的填板：填板的間距對壓桿l1≤40i1，拉桿l1≤80i1；在T形截面中，i1為一個角鋼對平行于填板自身形心軸的回轉半徑；在十字形截面中，i1為一個角鋼的最小回轉半徑，壓桿至少應設置兩塊填板。填板的寬度一般取50～80mm；填板的長度：對T形截面應比角鋼肢伸出10～20mm，對十字形截面則從角鋼肢尖縮進10～15mm。填板的厚度與桁架節(jié)點板相同。6、各腹桿與節(jié)點板連接焊縫的計算

表3各腹桿與節(jié)點板連接焊縫計算表腹桿編號截面規(guī)格計算內力(kN)hf(mm)分配系數(shù)焊縫實際長度（cm）斜腹桿aB

Bb

bD

Dc

cF

五、屋架節(jié)點設計1.節(jié)點設計的一般原則

②節(jié)點中各桿件之間的間隙a≥20mm。③正確切割角鋼端部，一般垂直于其軸線，有時允許切去一肢的部分。①桿件的形心線盡量與屋架的幾何軸線重合，并交于節(jié)點中心，將形心距z0調整為5mm的倍數(shù)。④節(jié)點板的形狀應簡單而有規(guī)則（矩形、直角梯形或平行四邊形等）。下弦的節(jié)點板一般應伸出弦桿肢背10～15mm；上弦肢背采用塞焊縫，節(jié)點板縮進上弦桿肢背t/2+(1~2)mm。2.節(jié)點計算①一般下弦節(jié)點

(例如“b”點)腹桿與節(jié)點的連接焊縫弦桿與節(jié)點板連接焊縫★若下弦節(jié)點有集中荷載P作用

肢背肢尖②一般上弦節(jié)點(例如B點)塞焊縫假定塞焊縫只承受屋面集中荷載：弦桿角鋼肢尖與節(jié)點板的連接焊縫承受弦桿相鄰節(jié)間的內力差計算時應考慮偏心彎矩M＝ΔNe（e為角鋼肢尖至弦桿軸線距離）：③下弦跨中拼接節(jié)點(例如e點)

拼接角鋼的設計

下弦桿和節(jié)點板間的焊縫計算

拼接角鋼拼接角鋼的設計：a.與被拼接角鋼同型號；b.切棱（切角）；c.切肢Δ=t+hf+5mm，t為角鋼厚度；預鉆安裝螺栓孔；拼接角鋼最小長度lmin=400~600mm下弦桿與拼接角鋼之間的焊縫按與下弦桿等強條件計算，承受軸心力N=Af

所需每條焊縫的計算長度為:

∴拼