第1章 单层厂房结构设计 1 1 1 厂房结构的形式与布置厂房结构的形式与布置 1 1 11 1 1 厂房结构的组成厂房结构的组成 厂房结构一般是由屋盖结构 柱 吊车梁 或桁架 厂房结构一般是由屋盖结构 柱 吊车梁 或桁架 各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系 如 各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系 如图图1 11 1 所示 这些构件按其所起作用可分为下面几类所示 这些构件按其所起作用可分为下面几类 横向框架横向框架 屋盖结构屋盖结构 支撑体系 屋盖部分支撑和柱间支撑支撑体系 屋盖部分支撑和柱间支撑 作用 承作用 承 载载 连系 连系 吊车梁和制动梁 或制动桁架 吊车梁和制动梁 或制动桁架 墙架墙架 厂房结构演示厂房结构演示 2 1 屋架 2 托架 3 上弦横向支撑 4 制动桁架 5 横向平面框架 6 吊车梁 7 屋架竖向支撑 8 檩条 9 10 柱间支撑 11 框架柱 12 中间柱 13 墙架梁 图1 1厂房结构示例 3 1 1 21 1 2 厂房结构的设计步骤 厂房结构的设计步骤 确定厂房的功能 由工艺要求和建筑要求确定建确定厂房的功能 由工艺要求和建筑要求确定建 筑方案 筑方案 结构的设计 结构方案布置结构的设计 结构方案布置 荷载的计算荷载的计算 内力分析内力分析 构件的设计构件的设计 施工图施工图 1 1 31 1 3柱网和温度伸缩缝的布置柱网和温度伸缩缝的布置 1 1 3 11 1 3 1柱网布置柱网布置 满足生产工艺的要求满足生产工艺的要求 满足结构方面的要求满足结构方面的要求 符合经济合理的要求符合经济合理的要求 符合柱距规定要求 按符合柱距规定要求 按 厂房建筑统一化基本规厂房建筑统一化基本规 则则 和和 建筑统一模数制建筑统一模数制 的规定 结构构件的的规定 结构构件的 4 统一化和标准化可降低制作和安装的工作量 对统一化和标准化可降低制作和安装的工作量 对 厂房横向 当厂房跨度厂房横向 当厂房跨度L 18mL 18m时 其跨度宜采用时 其跨度宜采用 3m3m的倍数 当厂房跨度的倍数 当厂房跨度L L 18m18m时 其跨度宜采时 其跨度宜采 用用6m6m的倍数 只有在生产工艺有特殊要求时 的倍数 只有在生产工艺有特殊要求时 跨度才采用跨度才采用21m21m 27m27m 33m33m等 对厂房纵向 等 对厂房纵向 以前基本柱距一般采用以前基本柱距一般采用6m6m或或12m12m 现在采用压 现在采用压 型钢板作屋面和墙面材料的厂房日益广泛 常以型钢板作屋面和墙面材料的厂房日益广泛 常以 18m18m甚至甚至24m24m作为基本柱距 多跨厂房的中列柱作为基本柱距 多跨厂房的中列柱 常因工艺要求需要 常因工艺要求需要 拔柱拔柱 其柱距为基本柱距 其柱距为基本柱距 的倍数 最大可达的倍数 最大可达48m48m 5 1 1 3 2 1 1 3 2 温度伸缩缝布置温度伸缩缝布置 厂房平面尺寸较大时 因温度变化使上部结构产厂房平面尺寸较大时 因温度变化使上部结构产 生横向和纵向的变形 使柱内产生弯曲应力 并生横向和纵向的变形 使柱内产生弯曲应力 并 可能导致屋面和墙面破裂 因此为避免产生过大可能导致屋面和墙面破裂 因此为避免产生过大 的温度变形和温度应力 应在厂房的横向或纵向的温度变形和温度应力 应在厂房的横向或纵向 设置温度伸缩缝 设置温度伸缩缝 布置主要决定于厂房的纵向和横向长度根据使用布置主要决定于厂房的纵向和横向长度根据使用 经验和理论分析 钢结构设计规范规定 当温度经验和理论分析 钢结构设计规范规定 当温度 区段长度不超过表区段长度不超过表1 11 1的数值时 可不计算温度的数值时 可不计算温度 应力 应力 温度伸缩缝最普遍的做法是设置双柱 温度伸缩缝最普遍的做法是设置双柱 6 温温 度度 区区 段段 长长 度度 值值 表 表1 1 1 1 结 构 情 况结 构 情 况 温度区段长度 温度区段长度 mm 纵向温度区段纵向温度区段 垂直于屋架或构架跨 垂直于屋架或构架跨 度方向 度方向 横向温度区段 沿横向温度区段 沿 屋架或构架跨度方屋架或构架跨度方 向 向 支座斜支座斜 杆和支杆和支 座竖杆座竖杆 其他腹其他腹 杆杆 采暖房屋和非采暖地区的房屋采暖房屋和非采暖地区的房屋 220220120120150150 热车间和采暖地区的非采暖房屋热车间和采暖地区的非采暖房屋 180 180100100125125 露天结构露天结构120120 7 1 2 厂房结构的框架形式 厂房的主要承重结构通常采用框架体系 困为框厂房的主要承重结构通常采用框架体系 困为框 架体系的横向刚度较大 且能形成矩形的内部空架体系的横向刚度较大 且能形成矩形的内部空 间 便于桥式吊车运行 能满足使用上的要求 间 便于桥式吊车运行 能满足使用上的要求 厂房横向框架的柱脚一般与基础刚接厂房横向框架的柱脚一般与基础刚接 柱顶可分为铰接和刚接两类柱顶可分为铰接和刚接两类 铰接铰接 对基础不均匀沉陷及温度影响敏感性小对基础不均匀沉陷及温度影响敏感性小 节点构造容易处理节点构造容易处理 屋架端部不产生弯矩 屋架端部不产生弯矩 下 下 弦杆始终受拉弦杆始终受拉 柱顶铰接时下柱的弯矩较大 柱顶铰接时下柱的弯矩较大 厂房横向刚度差厂房横向刚度差 刚接刚接 厂房较高 吊车的起重量大 对厂房刚度厂房较高 吊车的起重量大 对厂房刚度 要求较高时 钢结构的单跨厂房常采用柱顶刚接要求较高时 钢结构的单跨厂房常采用柱顶刚接 方案方案 8 1 2 11 2 1 横向框架主要尺寸和计算简图 横向框架主要尺寸和计算简图 1 2 1 11 2 1 1 主要尺寸 主要尺寸 框架的主要尺寸见图框架的主要尺寸见图1 31 3所示 所示 框架的跨度 一般取为上部柱中心线间的横向距离框架的跨度 一般取为上部柱中心线间的横向距离 1 1 1 1 式中 式中 桥式吊车的跨度 桥式吊车的跨度 S S 由吊车梁轴线至上段柱轴线的距离 图由吊车梁轴线至上段柱轴线的距离 图1 41 4 应 应 满足下式要求 满足下式要求 1 21 2 B B 吊车桥架悬伸长度 可由行车样本查得 吊车桥架悬伸长度 可由行车样本查得 D D 吊车外缘和柱内边缘之间的必要空隙 当吊车起吊车外缘和柱内边缘之间的必要空隙 当吊车起 重量不大于重量不大于500KN500KN时 不宜小于时 不宜小于80mm80mm 当吊车起重 当吊车起重 量大于或等于量大于或等于750KN750KN时 不宜小于时 不宜小于100mm100mm 当在吊车 当在吊车 和柱之间需要设置安全走道时 则和柱之间需要设置安全走道时 则D D不得小于不得小于400mm400mm 上段柱宽度 上段柱宽度 S S的取值 对于中型厂房一般采用的取值 对于中型厂房一般采用0 75m0 75m或或1m1m 重型厂 重型厂 房则为房则为1 25m1 25m甚至达甚至达2 0m2 0m 9 框架由柱脚底面到横梁下弦底部的距离 式中 地面至柱脚底面的距离 地面至吊车轨顶的高度 由工艺要求决定 吊车轨顶至屋架下弦底面的距离 10 1 2 1 2 1 2 1 2 计算简图 计算简图 单层厂房框架是由柱和屋架 横梁 组成 各个单层厂房框架是由柱和屋架 横梁 组成 各个 框架之间有屋面板或檩条 托架 屋盖支撑等纵框架之间有屋面板或檩条 托架 屋盖支撑等纵 向构件相互连接在一起 故框架实际上是空间工向构件相互连接在一起 故框架实际上是空间工 作的结构 应按空间工作计算才比较合理和经济作的结构 应按空间工作计算才比较合理和经济 但由于计算较繁 工作量大 所以通常均简化 但由于计算较繁 工作量大 所以通常均简化 为单个的平面框架 图为单个的平面框架 图1 51 5 来计算 横向框架 来计算 横向框架 的计算简图的计算简图 有两种类型 分为柱顶铰接和柱顶有两种类型 分为柱顶铰接和柱顶 刚接刚接 横向框架的计算高度取值分为四种情况 详见图横向框架的计算高度取值分为四种情况 详见图 1 61 6 框架的计算跨度框架的计算跨度L L 或 或L1L1 L2L2 取为两上柱由线 取为两上柱由线 之间的距离 之间的距离 11 12 13 1 2 21 2 2 横向框架的荷载和内力 横向框架的荷载和内力 1 2 2 11 2 2 1 荷载 荷载 作用在横向框架上的荷载可分为作用在横向框架上的荷载可分为永久荷载永久荷载和和可变可变 荷载荷载两种 两种 永久荷载永久荷载有 屋盖各级组织主 柱 吊车梁系统有 屋盖各级组织主 柱 吊车梁系统 墙架 墙板及设备管道和的自重 这些重量可 墙架 墙板及设备管道和的自重 这些重量可 参考有关资料 表格 公式进行估计 参考有关资料 表格 公式进行估计 可变荷载可变荷载有 风 雪荷载 积灰荷载 屋面均布有 风 雪荷载 积灰荷载 屋面均布 活荷载 吊车荷载 地震荷载等 这些荷载可由活荷载 吊车荷载 地震荷载等 这些荷载可由 荷载规范和吊车规格查得 荷载规范和吊车规格查得 1 2 2 21 2 2 2 内力分析和内力组合 内力分析和内力组合 框架内力分析可按结构力学的方法进行 也可利框架内力分析可按结构力学的方法进行 也可利 用现成的图表或计算机程序分析框架内力 用现成的图表或计算机程序分析框架内力 14 为了计算框架构件截面 必须将框架在各种荷载为了计算框架构件截面 必须将框架在各种荷载 作用下所产生的内力进行最不利组合 列出上 作用下所产生的内力进行最不利组合 列出上 下段柱的上下端截面中的弯矩下段柱的上下端截面中的弯矩MM 轴向力 轴向力N N和剪和剪 力力V V 此外还包括柱脚锚固螺栓的计算内力 此外还包括柱脚锚固螺栓的计算内力 每个截面必须组合出每个截面必须组合出 MmaxMmax和相应的和相应的N N V V MmaxMmax和相应的和相应的N N V V NmaxNmax和相应的和相应的MM V V 对柱脚锚栓则应组合出可能出现的最大拉力 即对柱脚锚栓则应组合出可能出现的最大拉力 即 MmaxMmax和相应的和相应的N N V V MmaxMmax和相应的和相应的N N V V 柱与屋架刚接时 应对横梁的端弯矩和相应的剪柱与屋架刚接时 应对横梁的端弯矩和相应的剪 力进行组合 力进行组合 最不利组合可分为四组最不利组合可分为四组 第一组组 第一组组 合使屋架下弦杆产生最大压力合使屋架下弦杆产生最大压力 图图1 7 a 1 7 a 第二组 第二组 组合使屋架上弦杆产生最大压力 同时也使下弦组合使屋架上弦杆产生最大压力 同时也使下弦 杆产生最大拉力杆产生最大拉力 图图1 7 b 1 7 b 第三 四组组合使腹 第三 四组组合使腹 杆产生最大拉力或最大压力杆产生最大拉力或最大压力 图图1 7 c 1 7 c d d 15 在内力组合中 采用简化规则由可变荷载效应控制的组 合 当只有一个可变荷载参与组合时 组合值系数取 1 0 即 恒 可变荷载 当有两个或两个以上可变荷 载参与组合时 组合值系数取0 9 即 恒 0 9 可变 荷载1 可变荷载2 在地震区应参照 建筑抗震设计 规范 进行偶然组合 对单层吊车的厂房 当对采用两 台及两台以上吊车的竖向和水平荷载组合时 应根据参 与组合的吊车台数及其工作制 乘以相应的折减系数 16 1 2 1 2 3 3 框架柱的类型框架柱的类型 框架柱按结构形式可分为等截面柱 阶形柱和分框架柱按结构形式可分为等截面柱 阶形柱和分 离式柱三大类 详见图离式柱三大类 详见图1 81 8 17 1 3 支撑体系 平面屋架在屋架平面外的刚度和稳定性很差 不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空间刚度和稳定性 必须在屋架间设置支撑系统 图 图1 91 9 厂房支撑体系可分为屋盖支撑和柱间支撑两部分厂房支撑体系可分为屋盖支撑和柱间支撑两部分 18 19 1 3 11 3 1屋盖支撑的种类和作用屋盖支撑