重型厂房设计.ppt
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1、重型厂房结构设计,济南大学 土木建筑学院,主要内容,2.1 结构形式和结构布置 2.2 计算原理 2.3 钢屋架设计 2.4 吊车梁设计,2.1 结构形式和结构布置,1-柱;2-屋架;3-吊车梁;4-天窗架;5-柱间支撑 图2.1 单层厂房构造简图,2.1.1 一般说明 跨度大,高度大,吊车起重量大 单层、多层;单跨、多跨 屋盖体系: 钢屋架-大型屋面板结构体系 钢屋架-檩条-轻型屋面板结构体系 横梁-檩条-轻型屋面板结构体系,吊车的工作制等级与工作级别对应关系,柱网布置 工艺、结构和经济等,符合标准化模数要求。 工艺要求:工艺流程、设备基础、地下管沟 结构要求:强度、刚度、稳定性 施工要求:
2、柱距、跨度、构件的类别尽量少些 经济性:合理的柱网布置应使总的经济效应最佳,常见柱距选择: 跨度不小于30m、高度不小于14m、吊车额定起重量不小于50吨时,柱距取12m较为经济; 参数较小的厂房取6m柱距较为合适 ; 如果采用轻型围护结构,则取大柱距15m,18m及24m 较适宜; 位于软弱地基上的重型厂房,应采用较大柱距; 多跨形式,温度收缩缝设置 温度区段长度表(m),托梁和托架设置 受力条件:简支受弯 工字形托梁高/跨比可取为1/101/8,翼缘宽度与截面高度的比可取1/51/2.5; 箱形托梁双腹板之间的距离可取其截面高度的1/41/2,且不宜小于400mm。 托架高度可取其跨度的1
3、/101/5 ,节间距可取3m。 与屋架连接方式:叠接和平接 叠接:构造简单,便于施工,但托梁或托架受扭; 平接:减轻托梁或托架受扭,较常用,图2.2 柱网布置、托架和计算单元,计算单元 结构承受的荷载,通常以计算单元表示:按从属面积确定。 吊车尺寸要求 吊车跨度Lc; a; b; c。,图2.3 吊车尺寸要求,横向框架形式 形式:单跨、多跨;单坡、双坡、多坡 柱脚:通常做成刚接;横梁与柱子的连接可以是铰接,亦可以是刚接。,图2.4 框架形式,框架柱截面形式: 一般采用阶形柱,下段多取缀条格构式,也可以采用实腹式组合截面;上段多采用实腹式截面; 分离式承重柱,图2.5 格构式柱和分离柱,阶形柱
4、截面类型 上柱:实腹截面或图(a) 下柱:边柱、中柱,图2.6 双肢格构式柱截面,柱各段截面的高度和宽度,肩梁构造及计算,图2.7 肩梁构造及计算简图,单腹壁肩梁,双腹壁肩梁,惯性矩 线刚度 高跨比 截面高度,柱间支撑,图2.8 柱间支撑布置,作用 保证厂房纵向刚度 承受和传递纵向水平荷载:风、吊车、地震,设置 每列柱都必须设置柱间支撑 中列柱与其边列柱布置在同一柱间 下层柱间支撑一般宜布置在温度区段的中部 两道下层柱间支撑的距离不应超过72m 上层柱间支撑除相应于下柱布置外,在每个温度区段的两端增加设置 每列柱顶均要布置刚性系杆,柱间支撑的形式下层柱间支撑,计算:截面、连接 构造:角钢截面不
5、宜小于L756;槽钢不宜小于12;下层柱间支撑一般设置为双片,以缀条相连,缀条截面为单角钢,长细比不超过200,不小于L505,图2.9 下层柱间支撑形式,上层柱间支撑一般设置为单片,如果上柱设有人孔或截面高度过大(800mm),亦应采用双片; 支撑的连接可采用焊缝或高强度螺栓。采用焊缝时,焊脚尺寸不应小于6mm,焊缝长度不应小于80mm,同时要在连接处设置安装螺栓,一般不小于M16; 对于人字形、八字形支撑还要注意采取构造措施,使其连接仅传递水平力,而不传递垂直力,以免成为吊车梁的中间支点。,柱间支撑的形式上层柱间支撑,图2.10 上层柱间支撑形式,2.1.2 屋架外形及腹杆形式,桁架的应用
6、 特点: 由直杆在端部相互连接而组成的格子式结构; 杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力; 用料经济,自重小; 易于构成各种外形。 应用: 简支桁架、拱、框架,网架及塔架等,屋盖承重结构的梁式桁架叫屋架,钢屋架的外形及腹杆形式 外形:三角形、梯形、平行弦等 腹杆形式 单系腹杆:人字式、芬克式、豪式、再分式 复系腹杆:交叉式,图2.11 钢屋架的外形,确定桁架形式的原则 满足使用要求: 建筑,使用和防水材料的需要 受力合理: 使各节间弦杆的内力相差不太大;应使长腹杆受拉短腹杆受压;且腹杆数量宜少;腹杆总长度也应较小。,制造简单及运输与安装方便 综合技术经济效果好 桁架主要尺寸:跨度L和高度H(梯形
7、屋架端部高度H0) 跨度L由使用和工艺方面的要求决定 屋架的高度H由经济条件、刚度条件、运输界限及屋面坡度等因素决定 中部高度:三角形屋架H(1/41/6)L;梯形屋架H(1/6l/10)L 梯形屋架端部的高度H0与中部高度及屋面坡度有关:取(1/161/10)L,约1.8m2.1m;端部刚接时应足够大。,2.1.3 屋盖支撑 屋盖支撑的作用 保证屋盖结构的几何稳定性 保证屋盖的刚度和空间整体性 为弦杆提供适当的侧向支承点 承担并传递水平荷载 保证结构安装时的稳定与方便,图2.14 屋盖支撑作用,屋盖支撑的布置 上弦横向水平支撑:应设置在房屋/温度缝区段的两端的第一或第二柱间,间距L0以不超过
8、60m为宜,图2.15a 屋盖支撑示例,屋盖支撑的布置 下弦横向水平支撑:跨度较小时可以不设,与上弦横向水平支撑在同一柱间 纵向水平支撑,图2.15b 屋盖支撑示例,屋盖支撑的布置 天窗上弦横向水平支撑和垂直支撑,图2.15c 屋盖支撑示例,屋盖支撑的布置 屋架垂直支撑:与横向水平支撑在同一柱间 跨度小时跨中设一道; 跨度大时设在三分点处或天窗架处; 梯形屋架端部各设一道,有托架可以代替。,图2.16 屋架垂直支撑,屋盖支撑的布置 天窗架垂直支撑: 一般在两侧设置; 天窗跨度大于12m时中央加一道。,图2.17 天窗架垂直支撑,屋盖支撑的布置 系杆: 分类:刚性系杆、柔性系杆 布置原则: (1
9、)在垂直支撑的平面内一般设置上下弦系杆; (2)屋脊节点及主要支承节点处需设置刚性系杆; (3)天窗侧柱处及下弦跨中或跨中附近设置柔性系杆; (4)当屋架横向支撑设在端部第二柱间时,则第一柱间 所有系杆均应为刚性系杆。,屋盖支撑的杆件布置(除系杆外均为平面桁架) 常采用交叉斜杆的形式,少用单斜杆 横向水平支撑:屋架弦杆兼做弦杆;节间宜成正方形,节点间的距离常为屋架上弦杆节间长度的24倍 垂直支撑:交叉斜杆、V形和W形 截面形式:柔性单角钢;刚性双角钢十字形 支撑的计算原则 内力 长细比 交叉斜腹杆:按拉杆,图2.18 天窗架垂直支撑,2. 2 计算原理,2.2.1 荷载计算 仅承担一个计算单元
10、内的各种荷载:永久荷载、可变荷载及偶然荷载,标准值按GB50009计算。 永久荷载:屋面恒载、檩条、屋架、其他构件自重及围护结构自重等,换算成水平投影面的均布面荷载; 可变荷载:屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载及吊车荷载、施工检修荷载等;,平面刚架分析:墙架结构、吊车梁系统等均以集中力方式作用于刚架上。,P64页给出了屋面、檩条和墙架恒载的范围,注意事项: 屋面活荷载不与屋面雪荷载同时考虑; 积灰荷载要考虑局部增大系数; 风荷载是垂直于建筑物表面的,投影到水平面为: 风压高度系数和风载体型系数见GB50009。,图2.19 风荷载投影,图2.20 风向与分区,封闭式双坡屋面的风载体型系数:
11、,2.2.2 刚架内力计算,是反映剪力影响和几何形状的修正系数:平行弦=0.9;梯形屋架i=1/10时=0.8;i=1/8时 =0.7。,将格构式柱和屋架的惯性矩换算为实腹构件:,图2.21 双肢格构式柱,屋架的当量惯性矩为:,当屋架的几何尺寸未定时:,内力针对荷载工况按标准值进行分析,效应按荷载组合线性叠加,一般采用计算机计算。 分析工况为:(1)永久荷载;(2)屋面活荷载;(3)左(右)风载;(4)吊车竖向荷载;(5)吊车刹车力 2.2.3 内力组合原则(按GB50009) 承载能力极限状态:基本组合、偶然组合 正常使用极限状态:荷载的标准组合,对于排架、框架结构,简化内力组合为:,可变荷
12、载效应控制组合时:,永久荷载效应控制组合时:,G=1.2或1.0,G=1.35或1.0,对压弯构件:最大正负弯矩、最大正负轴力,通常按效应挑选荷载组合: 对受弯构件:最大正负弯矩、最大正负剪力,实际做法:做内力组合表,2.3 钢屋架设计,2.3.1 桁架的内力计算 计算简图 铰接平面桁架 节点荷载 不计焊接节点次应力 节间荷载的处理: 端节间正弯矩M=0.8M0,M0=Pd/4 其他节间及支座弯矩 M=0.6M0,图2.22 节间荷载,图2.23 节间荷载的计算弯矩,图2.24 例题2-1荷载计算,图2.25 例题2-1计算简图,竖向荷载,风荷载,图2.26 例题2-2内力系数计算简图,例题2
13、-2屋架内力组合表(部分),2.3.2 桁架杆件的计算长度 受压弦杆和单系腹杆的计算长度(见上册P.170表5-1),受压变内力杆件的平面外计算长度 (见上册P.171),图2.27 变内力杆平面外计算长度,受拉杆件计算长度取其节点间的几何长度 杆件的刚度要求(长细比): 受压杆件的容许长细比为150; 支撑的受压杆件为200; 直接承受动力荷载的桁架中的拉杆为250; 只承受静力荷载作用的桁架的拉杆,可仅计算在竖向平面内的长细比,容许值为350; 支撑的受拉杆为400。,2.3.3 杆件的截面型式 具有较大的承载能力、较大的抗弯刚度,便于相互连接且用料经济; 截面比较扩展,壁厚较薄,外表平整
14、; 压杆具有相等或接近的稳定性,即x=yz; 受拉弦杆角钢的伸出肢宜宽一些,以便具有较好的出平面刚度; 双角钢属于单轴对称截面,绕对称轴y屈曲时伴随有扭转,应考虑扭转效应取换算长细比yz,图2.28 角钢杆件截面形式,受压弦杆,常为l0y=2l0x,采用两等肢角钢或两短肢相并的不等肢角钢组成的T形断面(图2.28a或b)。二者之中以用钢量较小的为好。鉴于yzy,后一截面比较容易做到等稳定。 当有节间荷载时,为增强弦杆在屋架平面内的抗弯能力,可采用两长肢相并的不等肢角钢组成的T形截面(图2.28c);但弦杆处于屋架的边缘,为增加出平面的刚度以利运输及安装,也可以考虑采用两等肢角钢。 受拉弦杆,往
15、往l0y比l0x大得多,此时可采用两短肢相并的不等肢角钢组成的或者等肢角钢组成的T形截面(图2.28b或a)。,梯形屋架支座处的斜杆及竖杆,由于l0y=l0x,故可采用图2.28a或c的形式。考虑到扭转影响,前者更容易做到等稳定。 屋架中其它腹杆,因l0x=0.8l,l0y=l,即l0y=1.25l0x ,所以一般采用图2.28a两等肢角钢的形式。 连接垂直支撑的竖杆,常采用两个等肢角钢组成的十字形截面(图2.28d) 。 受力小的腹杆,也可采用单角钢截面,如图2.28e和f。,用T型钢取代双角钢,弦杆多采用TW型钢,腹杆可用TM型钢、单角钢或双角钢。,图2.29 T型钢杆件截面形式,当腹杆采
16、用T型钢或单角钢时,耐腐蚀性好,但是单面连接的单角钢的强度设计值降低较多。 T型钢弦杆双角钢腹杆的屋架比传统的全角钢屋架约节省钢材1215。 当屋架跨度较大(如L24m)且弦杆内力相差较大,弦杆可改变一次截面,角钢厚度不变而改变肢宽,T型钢弦杆可改变腹板高度。 圆管多用在网架中,矩形管桁架在国外用的较多,H型钢可用于跨度和荷载较大的桁架。,2.3.4 一般构造要求与截面选择 一般构造要求 在一榀屋架中,角钢规格不超过56种; 普通钢屋架最小角钢规格应是L454或L56364,小角钢屋架不受此限; 节点板厚度:梯形屋架和平行弦屋架由腹杆最大内力确定,三角形屋架支座处的节点板的厚度由上弦杆内力来决
17、定。节点板的厚度还受到焊缝的焊脚尺寸hf和T型钢腹板厚度等因素的影响,中间节点板厚度可参照下表取用。支座节点板厚度可比中间节点板厚度增大2mm,除支座节点板外,全屋架取相同厚度。节点板要进行撕裂验算。,中间节点板厚度选用表(Q235钢),填板间距:对压杆取lz 40i,拉杆取lz 80i。 填板尺寸由构造决定。在十字形双角钢杆件中填板应横竖交错放置。填板应比角钢肢宽伸出(十字形截面则缩进) 1015mm以便焊接。,图2.30 屋架杆件的填板,i一个角钢的回转半径,桁架杆件截面计算 杆件:按轴心受力构件或拉、压弯构件计算; 拉杆:强度、刚度; 压杆:稳定性、刚度、强度; 压弯杆:平面内外稳定性、
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