单层厂房钢结构设计.ppt
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1、1,第二章 单层厂房钢结构设计,2,第二章 单层厂房钢结构设计,第一、二节 单层厂房钢结构组成与布置 第三节 支撑体系 第四、五节 横向框架和框架柱 第六节 普通钢屋架 第七节 吊车梁结构体系 第八节 墙架体系,3,第一节 单层厂房钢结构组成,4,第一节 单层厂房钢结构组成,5,第一节 单层厂房钢结构体系,1.1、结构组成 钢结构厂房的特点: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
2、。,6,第一节 单层厂房钢结构体系,1.1、结构组成 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,7,第一节 单层厂房钢结构体系,1.1、结构组成 横向平面框架柱横梁(屋架) 承受横向水平荷载、竖向荷载基础 纵向平面框架柱吊车梁柱间支撑 保证纵向刚度,承受纵向水平荷载基础 屋盖系统屋架、支撑、檩条、天窗 吊车梁、制动梁 承受吊车梁的竖向荷载及水平荷载 支撑屋盖支撑、柱间支撑 将单独平面框架连成空间体系,保证其刚度 墙架承受墙体的重量和风力,8,第一节 单层厂房钢结构体系,二、单层厂房钢结构的布置 2.1、柱网 2.2、变形缝温度缝 2.3、横
3、向框架 2.4、屋盖结构布置,9,第一节 单层厂房钢结构体系,2.1、柱网主要取决于工艺要求 柱网横向框架纵向框架 柱网的布置需要从以下几个方法考虑: (1)从工艺要求方面: 柱的位置应与车间设备、机械及起重运输设备等相协调; 柱下基础应与地下设备(基础设备)相配合; 还需适应生产过程中的可能变动;,10,第一节 单层厂房钢结构体系,2.1、柱网 (2)从结构要求方面: 柱列的柱间距均为相等的布置方式 柱子设在同一轴线上,形成框架,保证横向刚度; 同时,构件重复性大,易于构件最大限度的定型化和标准化 柱列的柱间距不相等的情况 柱子尽量在同一轴线上,形成框架,11,第一节 单层厂房钢结构体系,2
4、.1、柱网,12,第一节 单层厂房钢结构体系,2.1、柱网 (3)从经济要求方面: 增大柱距,吊车梁跨度增大,需增设托架,费钢,但柱基础减少,所以应通过比较确定; 统一化、标准化:跨度以3m为模数,柱距以6m为模数,13,第一节 单层厂房钢结构体系,2.2、温度缝 温度变化时厂房将产生温度变形及温度应力 按规范要求横向、纵向均应设置温度缝 可以设单柱,也可以设双柱来实现温度缝构造,14,第一节 单层厂房钢结构体系,2.2、温度缝 温度缝设置范围 温度缝一般从基础顶面或地面开始 缝宽净距3060mm,15,第一节 单层厂房钢结构体系,2.3、横向框架 厂房结构的基本承重结构 按跨度:单跨、双跨和
5、多跨 按静力图分为: 梁柱铰接 不能抵抗弯矩 梁柱刚接 能够抵抗弯矩 框架柱柱脚一般刚性固定于基础上,16,第一节 单层厂房钢结构体系,2.3、横向框架 梁柱铰接与刚接,梁柱刚接,梁柱铰接,17,第一节 单层厂房钢结构体系,2.3、横向框架 梁柱铰接 对基础沉降有较强的适应性 安装方便、计算简单、受力明确 缺点:下段柱弯矩较大,横向刚度差 目前应用广泛,18,第一节 单层厂房钢结构体系,2.3、横向框架 梁柱刚接 适应于基础沉降小的厂房结构 减少下段柱的弯矩,提高横向刚度 下段柱截面可以减小,增加使用面积 安装不便、计算受力复杂 用于横向刚度较大、单跨重型厂房,19,第一节 单层厂房钢结构体系
6、,2.3、横向框架 以下几种情况应采用梁柱刚接 (1)设有硬钩吊车的厂房; (2)设有两层吊车的厂房; (3)设有软钩重级吊车; (4)高跨比H/L1.5,且跨度L 24m,20,第一节 单层厂房钢结构体系,2.4、屋盖结构布置 可分为:无檩体系和有檩体系 (1)无檩体系 直接铺设大型钢筋混凝土屋面板 有6m、12m两种; 其优点是横向刚度大,整体性好,构造简单,施工快; 但自重大,抗震性能不如有檩体系 多用于对刚度要求较高的中型以上厂房,21,第一节 单层厂房钢结构体系,2.4、屋盖结构布置 (2)有檩体系 设置檩条,上铺石棉瓦或压型钢板 重量轻,用料省,便于运输、安装; 但构件数量多,型号
7、多,构造复杂,吊装次数多,横向刚度差 多用于刚度要求不高的中、小型厂房,22,第一节 单层厂房钢结构体系,2.4、屋盖结构布置 (3)易引发事故的原因: 屋面荷载过大:积灰、积雪 钢材腐蚀、锈蚀 设计选型不当,拉杆变压杆,失稳破坏 节点板设计不当,23,第一节 单层厂房钢结构体系,2.4、屋盖结构布置 (3)易引发事故的原因: 钢材质量不合格 未设置屋架支撑,侧向失稳 杆件长细比过大,过早变形 施工不良,屋面渗漏 设计或施工不当,杆件偏心受力过大,24,第一节 单层厂房钢结构体系,三、支撑体系 3.1、支撑体系的作用 3.2、屋盖支撑 3.3、柱间支撑 3.4、支撑的计算和构造,25,第一节
8、单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (1)支撑作用: 1)保证结构的空间作用; 2)增强屋架的侧向稳定; 3)传递屋盖的水平荷载; 4)便于屋盖的安装;,26,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 分类: 上、下弦横向水平支撑; 下弦纵向水平支撑; 垂直(竖向)支撑和系杆等。,27,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑,28,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 上弦横向水平支撑(体系) 以两榀屋架的上弦杆作为支撑桁架的弦杆,檩条为竖杆,另加交叉斜杆共同组成水平桁架; 其将两榀屋架在水平方向联系起来,保证了屋架的侧向刚度;,29,第一节 单层厂房
9、钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 上弦横向水平支撑(体系) 1)作用 a.传递山墙风力; b.减少上弦压杆侧向计算长度; c.保证屋架平面外稳定,30,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 上弦横向水平支撑(体系) 2)布置原则 a.布置在房屋两侧或温度缝的两侧; b.可布置在房屋两侧或温度缝两侧的第一或第二跨,若布置在第二跨,则应在第一跨设置刚性系杆; c.当长度大于60m时,应增设一道支撑;,31,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 上弦横向水平支撑(体系) 2)布置原则 d.屋面板采用三点焊与屋架上弦杆焊牢,
10、原则上可不布置支撑,但考虑到现场施焊的质量不能保证,仍需设置支撑; e.窗架的支撑与屋架上弦横向支撑应设在同一开间,且天窗下的屋架上弦横向支撑不中断,32,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 下弦横向水平支撑(体系) 以两榀屋架的下弦杆作为支撑桁架的弦杆,系杆与交叉斜杆为腹杆,共同组成水平桁架;,33,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 下弦横向水平支撑(体系) 1)作用 a.减少下弦平面外计算长度; b.传递悬挂吊车水平力; c.传递水平风力(与抗风柱相连,作为抗风柱的支点),34,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑
11、(2) 屋盖支撑布置 下弦横向水平支撑(体系) 2)布置原则 a.屋架跨度18m时 b.屋架下弦设有悬挂吊车,厂房内有吨位较大的桥式吊车或有振动设备时; c.端墙抗风柱支承于屋架下弦时; d.屋架下弦设有通长的纵向支撑时; e.上弦设有横向支撑的开间,下弦也须设置横向支撑,35,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 下弦纵向水平支撑(体系) 以系杆为弦杆,屋架下弦杆为竖杆; 下弦水平支撑在横向与纵向共同形成封闭体系,增强屋盖结构的空间刚度,36,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 下弦纵向水平支撑(体系) 1)作用 a.保证空间整体
12、刚度; b.保证托架或托梁平面外稳定; c.传递吊车水平刹车力,37,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 下弦纵向水平支撑(体系) 2)布置原则 a.厂房内设有重级工作制吊车或起重量较大的中轻级工作制吊车时 b.厂房排架计算考虑空间工作时; c.厂房内设有较大的振动设备时;,38,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 下弦纵向水平支撑(体系) 2)布置原则 d.屋架下弦有纵向或横向吊轨时 e.屋架跨度较大,高度较高而空间刚度要求大时; f.设有托架时,在托架处局部加设下弦纵向支撑,由托架两端各延伸一个柱间设置,39,第一节 单层厂房
13、钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 垂直(竖向)支撑 形成几何不可变体系的必要构件,与上、下横向水平支撑一起形成“盒子”,作为几何不可变基本单元,40,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 系杆 作为上下弦杆的侧向支撑点,保证无支撑开间屋架的侧向稳定,传递水平力。 刚性系杆:能承受压力 柔性系杆:只承受拉力,41,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 支撑布置原则: 1)房屋两端必须布置上、下弦横向支撑和竖向支撑; 2)屋架两边布置下弦纵向支撑,下弦横向支撑与下弦纵向支撑必须形成封闭体系; 3)横向支撑的间距不应该超过
14、60m,当房屋较长时,可在中间增设上下弦横向支撑和相应的竖向支撑,42,第一节 单层厂房钢结构体系,3.2、屋盖支撑 (2) 屋盖支撑布置 支撑布置原则: 4)竖向支撑一般布置在屋架跨中和端竖杆平面内,当屋架跨度大于30m时,则在跨中1/3处再布置两道竖向支撑; 5)系杆的作用:增强屋架侧向稳定,减少弦杆的计算长度,传递水平荷载。,43,第一节 单层厂房钢结构体系,3.3、柱间支撑 (1) 柱间支撑的作用 保证厂房纵向刚度 承受纵向荷载传递至基础 为框架柱提供平面外支撑,减小平面外计算长度,44,第一节 单层厂房钢结构体系,3.3、柱间支撑 (2) 柱间支撑的设置 厂房长度60m设一道,其形式
15、与屋盖支撑一样要保证交角不小于30 上层支撑除了在温度区段两端用单斜杆外,其余上层支撑用交叉腹杆或其他形式。当温度区过长,在其中部1/3范围内布置两道 下层支撑用交叉腹杆最为经济,刚度也大,上层支撑:吊车梁以上部分 下层支撑:吊车梁以下部分,45,第一节 单层厂房钢结构体系,3.3、柱间支撑 (2) 柱间支撑的设置,46,第一节 单层厂房钢结构体系,3.4 支撑的计算和构造 (1) 屋盖支撑-(桁架) 弦杆:屋架的上下弦杆或者刚性系杆 腹杆:多用单角钢组成十字交叉形式,斜杆与弦杆间交角为3060; 横向水平支撑节点间的距离为屋架上弦杆节间距离的24倍; 从向水平支撑的宽度取屋架下弦端节点的长度
16、,约36m。,47,第一节 单层厂房钢结构体系,3.4 支撑的计算和构造 (2) 屋架支撑(竖向支撑) 由节间长宽比确定,采用交叉式或单斜杆式 其截面尺寸一般由杆件的容许长细比和构造要求确定; 构造尽可能简单方便; 刚性单角钢 柔性圆钢 节点板应事先焊好,再与屋架用螺栓连接,48,第一节 单层厂房钢结构体系,3.5 墙架结构 组成:墙架梁、墙架柱 作用:传递作用在墙面上的风载、承受墙身自重; 工作方式:将所受荷载传递到墙架柱及主要横向框架中,最后传递到基础。,49,第四节 横向框架与框架柱,一、横向框架的结构体系 二、横向框架的计算 三、框架柱,50,第四节 横向框架与框架柱,一、横向框架的结
17、构体系 1.1 横向框架的形式 (1)单层单跨厂房的横向框架,51,第四节 横向框架与框架柱,1.1 横向框架的形式 (1)单层单跨厂房的横向框架 1)铰接框架 多用于轻吊厂房,横向刚度差 适用于有地基不均匀沉降 多采用三角形屋架 2)刚接框架 常用形式,横向刚度好 对地基不均匀沉降敏感 多采用梯形桁架,52,第四节 横向框架与框架柱,1.1 横向框架的形式 (1)单层单跨厂房的横向框架 对于超大跨度和超高厂房,53,第四节 横向框架与框架柱,1.1 横向框架的形式 (2)单层多跨厂房的横向框架 在生产线有横向联系时,多采用此种,54,第四节 横向框架与框架柱,1.1 横向框架的形式 (2)单
18、层多跨厂房的横向框架,55,第四节 横向框架与框架柱,1.1 横向框架的形式 (3)锯齿形厂房的横向框架 有采光和通风要求的厂房 一面采光或通风,另一面是屋面板 框架式或桁架式 (4)有横向天窗的横向框架 天窗直接放在屋架上 天窗与屋架和柱形成横向框架,56,第四节 横向框架与框架柱,1.2 横向框架的尺寸 跨度:采用6m的倍数,12m、18m、24m等 高度:根据工艺要求确定 从室内地坪算起,到吊车轨顶标高 注意:吊车轨顶到屋架下弦的净空高度应由吊车规格确定,57,第四节 横向框架与框架柱,1.2 横向框架的尺寸 1)跨度L,车间纵向定位轴线间的距离,58,第四节 横向框架与框架柱,1.2
19、横向框架的尺寸 注意:柱内边缘与吊车桥之间应有足够空隙,C为空隙尺寸,59,第四节 横向框架与框架柱,1.2 横向框架的尺寸 2)有效高度:,Hu地坪到吊车轨顶 Hr吊车轨顶算起,吊车所需高度 250300考虑屋架挠度及安装偏差预留,60,第四节 横向框架与框架柱,二、横向框架的计算,61,第四节 横向框架与框架柱,二、横向框架的计算 2.1 横向框架的计算简图,62,第四节 横向框架与框架柱,2.1 横向框架的计算简图 简化 横梁简化简化为实腹式梁,63,第四节 横向框架与框架柱,2.1 横向框架的计算简图 简化 横梁简化简化为实腹式梁,64,第四节 横向框架与框架柱,2.1 横向框架的计算
20、简图 简化 格构式柱简化简化为实腹式柱 等效惯性矩: 注意:阶段式柱的轴线以上柱轴线为准 柱各段荷载偏心矩仍按各段轴线计算,65,第四节 横向框架与框架柱,2.1 横向框架的计算简图 简化 横梁进一步简化横梁刚度无穷大,66,第四节 横向框架与框架柱,2.1 横向框架的计算简图 简化 柱子与基础简化刚接 地基条件好,基础转角小,可认为刚接; 地质条件差,基础转角不可忽略,要考虑基础转角产生的附加内力;,67,第四节 横向框架与框架柱,2.1 横向框架的计算简图 简化 框架计算跨度L0与高度 计算跨度:两柱轴线间距; 计算高度:自基础顶面算起,上部需根据横梁与柱相对刚度而定: 横梁刚度无穷大时,
21、取到屋架传递支座反力的弦杆截面重心(一般为下弦杆) 横梁刚度有限时,取到屋架端部截面的形心,68,第四节 横向框架与框架柱,2.1 横向框架的计算简图 简化 框架计算跨度L0与高度,69,第四节 横向框架与框架柱,2.2 作用在横向框架上的荷载,70,第四节 横向框架与框架柱,2.4 框架的静力分析 可以采用的两种方法: 变形法: 针对单跨对称刚架,横梁刚度无穷大 只有节点线位移一个未知数 当在屋面荷载作用下,只有角位移,71,第四节 横向框架与框架柱,2.4 框架的静力分析 可以采用的两种方法: 变形法与弯矩分配法联合求解: 针对横梁刚度非无穷大,荷载不对称 既有节点线位移,又有角位移,72
22、,第四节 横向框架与框架柱,2.5 框架内力组合 确定计算框架构件截面和框架各部位连接的可能最不利内力,主要有以下几种: 框架柱:可能最不利组合是使各柱段控制截面产生最大压应力,各控制截面要进行以下组合: A)正弯矩最大及相应的轴心力和剪力; B)负弯矩最大及相应的轴心力和剪力; C)轴心力最大及相应的正弯矩和剪力; D)轴心力最大及相应的负弯矩和剪力; 注意:变阶处内力组合还用于上下柱连接计算,73,第四节 横向框架与框架柱,2.5 框架内力组合 计算柱与基础连接的锚栓时,最不利的内力组合时锚栓受最大拉力,因此应进行44截面的最小轴力和相应的最大弯矩和剪力组合 柱与屋架刚接时,为确定连接,应
23、对横梁的端弯矩和剪力进行组合: 参与组合的荷载及组合系数应按规范取值;,74,第四节 横向框架与框架柱,三、框架柱 3.1 框架柱形式,75,第四节 横向框架与框架柱,3.1 框架柱形式 等截面柱: 构造简单,适用于无吊车或起重量20t的厂房 台阶柱: 有单阶和双阶两种 吊车梁支承在柱截面改变处,荷载对截面形心的偏心较小,构造合理,应用广泛 分离式柱: 屋盖柱与横梁组成框架,吊车梁柱单独设置,两柱之间用水平板相连。水平板作用是减小两柱肢在框架平面内的计算长度 吊车梁柱只承受吊车荷载,轴心受压,76,第四节 横向框架与框架柱,3.2 框架柱的构造 牛腿: 1)等截面 实腹柱: 牛腿做成工字形截面
24、 与牛腿相连的柱腹板用横向加劲肋来加强 格构式柱: 牛腿用双槽钢做成 槽钢夹住柱身,上翼缘用水平板焊接,腹板用竖向加劲肋加强,77,第四节 横向框架与框架柱,3.2 框架柱的构造 牛腿: 1)等截面,78,第四节 横向框架与框架柱,3.2 框架柱的构造 牛腿: 2)台阶柱:吊车肢柱顶要焊接水平支承板,形成吊车梁平台 实腹柱 格构式柱 上下柱拼接应有必要的强度和刚度 实腹柱:一般采用单壁式拼接 格构式柱:一般采用双壁式拼接,79,第四节 横向框架与框架柱,3.2 框架柱的构造 牛腿: 2)台阶柱:,80,第四节 横向框架与框架柱,3.2 框架柱的构造 牛腿: 3)分离式柱: 屋盖柱肢与等截面柱一
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