1、建筑钢结构设计天津大学 钢结构教研室单层厂房钢结构本章主要内容：吊车梁结构体系结构体系与结构布置普通钢屋架设计横向框架及框架柱设计1.结构体系及结构布置 主要结构构件(1)框架柱 (2)钢屋架支撑构件吊车梁 制动梁天窗架 托架墙架 抗风柱 结构体系 吊车梁结构体系 横向平面框架 纵向平面框架 屋盖结构 支撑系统 墙架结构1.结构体系及结构布置由框架柱和横梁/钢屋架构成承受全部竖向荷载和横向水平荷载1.结构体系及结构布置 横向平面框架由框架柱、柱间支撑、吊车梁等构成承受全部纵向水平荷载 纵向平面框架由横梁/钢屋架、屋盖支撑、天窗架、天窗支撑、托架和檩条等构成承受屋盖竖向荷载1.结构体系及结构布置
2、 吊车梁结构体系 屋盖结构由吊车梁和制动系统构成承受吊车竖向荷载和吊车水平荷载由屋盖支撑、柱间支撑和天窗支撑等构成保证结构空间刚度和稳定性 支撑系统由墙架/抗风柱等构成承受山墙墙体重量和墙面风荷载 墙架结构1.结构体系及结构布置 单层厂房钢结构用钢量 厂房类型（吊车起重量/轨顶标高）轻型 3580kg/m2 中型 75170kg/m2 重型 200400kg/m2 主要构件用钢量百分比 框架柱 30%50%钢屋架 10%40%吊车梁 15%35%1.结构体系及结构布置 结构形式与布置1.结构体系及结构布置柱网布置横向框架形式屋盖结构型式支撑体系墙架布置吊车梁系统布置横向框架和纵向框架的柱形成柱
3、网 柱网布置1.结构体系及结构布置 工艺要求 地上设备/地下设备/功能变动 结构要求 所有柱列采用相等柱间距/设置托架(标准化)经济要求 纵向柱距6m/方案比选考虑因素结构温度变形Lt L 温度变形受到约束产生温度应力设置温度缝（横向/纵向）释放温度变形 减小温度应力1.结构体系及结构布置 柱网布置 温度缝设置 结构情况 纵向温度区段横向温度区段柱顶为刚接柱顶为铰接采暖房屋和非采暖地区的房屋热车间和采暖地区的非采暖房屋露天结构 220m120m150m180m100m125m120m-温度区段长度限值表1.结构体系及结构布置横向温度缝在温度缝两侧设置两榀横向框架轴线定位纵向温度缝板铰支座/活动
4、支座 柱网布置 温度缝做法1.结构体系及结构布置按连接方式铰接框架/刚接框架/上刚接下悬臂框架按框架跨数单跨/双跨/多跨1.结构体系及结构布置 横向框架形式 横向框架种类框架柱和横梁、钢屋架构成横向框架铰接框架 柱脚弯矩大；横向刚度差；受力明确，计算简单；安装方便；对基础沉降适应性强刚接框架 柱脚弯矩小；横向刚度好；受力复杂；构造麻烦；对基础沉降适应性差1.结构体系及结构布置 横向框架形式 铰接框架和刚接框架在屋架上直接设置大型钢筋混凝土屋面板屋架间距=屋面板跨度（6m/12m）横向刚度大/整体性好/构造简单/耐久性好/构件种类少/工期短屋面自重大，结构用钢量大，抗震不利1.结构体系及结构布置
5、 屋盖结构形式 无檩体系屋架上设置檩条，檩条上铺设轻型屋面材料屋架间距=檩条跨度檩条间距=屋面板跨度结构用钢量省/运输安装方便屋盖体系构件较多/构造复杂/刚度较差1.结构体系及结构布置 屋盖结构形式有檩体系应综合考虑生产工艺/建筑造型/材料供应/施工能力/生产维修等屋架间距根据屋面材料确定，屋架结构形式应尽量统一，可设托架/中间屋架屋架/托架应采用桁架式，檩条一般为实腹式屋盖应设置支撑，保证结构刚度和稳定性考虑施工要求，方便施工，缩短工期屋盖结构在运输/安装中采取临时加固措施结构体系及结构布置 屋盖结构形式屋盖结构选型与布置屋盖支撑和柱间支撑等构成支撑体系1.结构体系及结构布置 支撑体系支撑的
6、作用增大结构纵向刚度，承担纵向水平荷载增大结构横向刚度，协调横向框架受力减小屋架弦杆/框架柱的平面外计算长度维持托架及中间屋架的稳定性保证安装过程中结构稳定性，防止倾倒增大结构的抗扭刚度平面屋架+檩条+屋面板+屋盖支撑构成具有空间刚度的稳定结构体系两端相邻两榀屋架间设置支撑，其余屋架通过系杆或檩条与之相连，纵向长度较大时，中间应加设支撑结构体系及结构布置 支撑体系屋盖支撑上弦横向支撑下弦横向支撑下弦纵向支撑竖向支撑（垂直支撑）系杆天窗支撑1.结构体系及结构布置 支撑体系屋盖支撑种类厂房两端设置上、下弦横向支撑和竖向支撑屋架两边布置下弦纵向支撑，形成封闭体系横向及竖向支撑间距不应超过60m竖向支
7、撑一般布置在屋架跨中和端竖杆平面1.结构体系及结构布置 支撑体系屋盖支撑布置原则厂房较高时可分别设置上柱支撑/下柱支撑温度区段不很长时，设置在温度区段中部温度区段较长时，在温度区段中部1/3范围内设置两道柱间支撑温度区段两端设置上柱支撑传递山墙风荷1.结构体系及结构布置 支撑体系柱间支撑布置屋盖支撑一般按简支平行弦桁架计算柱间支撑可按悬臂平行弦桁架计算支撑受力一般较小，可按刚度要求确定构件截面交叉支撑按拉杆设计常用截面形式：角钢/圆钢（张紧装置）斜腹杆与弦杆夹角3060度1.结构体系及结构布置 支撑体系支撑构件的设计承受墙体自重/墙面风荷载柱距8m时，可不设墙架柱墙架柱设置应与横向支撑节点对应
8、，否则设分布梁端墙墙架不承受屋面竖向荷载，应采用板铰等柔性连接1.结构体系及结构布置 墙架布置墙架梁/墙架柱/水平抗风桁架等构成墙架体系 普通钢屋架为平面桁架，适用跨度1836m 构件一般为双角钢组成的T形截面，采用节点板连接 优点：取材容易/构造简单/制造安装方便/刚度好 缺点：型钢板件较厚，屋架用钢量较大2.普通钢屋架设计 普通钢屋架2.普通钢屋架设计 普通钢屋架的形式 选型原则使用要求屋架外形与排水坡度相适应经济要求屋架外形与弯矩图一致，弦杆内力均匀杆件长拉短压腹杆：数量少/总长度短/夹角3060度制作安装要求节点少/构造简单/便于分段平行弦屋架三角形屋架梯形屋架曲拱形屋架梭形屋架2.普
9、通钢屋架设计 普通钢屋架的形式 屋架外形腹杆等长/杆件类型少/节点构造相同/标准化/工业化排水困难/桁架高度未随弯矩变化/弦杆内力不均匀2.普通钢屋架设计 普通钢屋架的形式 平行弦屋架 普通钢屋架的形式 三角形屋架2.普通钢屋架设计腹杆受力小/排水坡度大弦杆内力不均匀/与柱铰接，刚度差中小跨度、轻型屋面受力性能好/腹杆较短/可与柱刚接排水坡度小 普通钢屋架的形式 梯形屋架2.普通钢屋架设计受力性能好制作加工不方便/可改进为折线形 普通钢屋架的形式 梯形屋架2.普通钢屋架设计平行弦屋架：单斜式/菱形/K形/十字交叉形三角形屋架：芬克式/单斜式梯形屋架：人字式/再分式曲拱形屋架：新月式 普通钢屋架
10、的形式 腹杆布置2.普通钢屋架设计 根据工艺/使用要求确定 考虑屋面板宽度模数 常用跨度：12m/15m/18m/21m/24m/27m/30m/36m 普通钢屋架主要尺寸 屋架跨度2.普通钢屋架设计 根据经济/刚度/建筑/屋面坡度/运输条件等条件确定 三角形屋架：（1/61/4）L 梯形屋架：跨中（1/101/6）L；端部1.62.2m（铰接）/1.82.4m（刚接）运输高度：3.85m 普通钢屋架主要尺寸 屋架高度2.普通钢屋架设计 上弦节间尺寸根据屋面做法确定 无檩体系：大型屋面板 1.51.8m 有檩体系：檩条间距 0.83.0m 屋面荷载尽量直接作用在上弦节点上 普通钢屋架主要尺寸
11、节间尺寸2.普通钢屋架设计钢屋架的节点为铰接 节点刚度引起次应力（弯曲应力）杆件轴线在同一平面内，汇交于节点中心 杆件偏心荷载作用在屋架节点上，且在屋架平面内 节间荷载 普通钢屋架计算分析 计算假定2.普通钢屋架设计永久荷载：结构及屋面自重可变荷载：屋面活荷/积灰/雪荷/风荷/悬挂吊车荷载 普通钢屋架计算分析 荷载类型2.普通钢屋架设计 普通钢屋架计算分析 荷载组合2.普通钢屋架设计永久荷载+可变荷载永久荷载+半跨可变荷载钢结构自重+半跨屋面板+半跨屋面活荷屋面荷载汇集到上弦节点，可按下式计算屋架结构自重（kN/m2）按经验公式估算并作用在上弦节点：/cosiikpqs a 0.1170.01
12、1kql 普通钢屋架计算分析 荷载计算2.普通钢屋架设计吊顶荷载汇集作用在钢屋架下弦节点屋面坡度小于30度时，屋盖承受风吸力的作用，对结构有利，一般可不考虑，风荷载很大时或采用对风荷载较为敏感的轻型屋面时，应按荷载规范计算风荷载 普通钢屋架计算分析 荷载计算2.普通钢屋架设计悬挂吊车荷载根据其与屋架的连接方式具体计算地震烈度大于9度时，按抗震规范采用附加竖向荷载的方式考虑地震荷载。普通钢屋架计算分析 荷载计算2.普通钢屋架设计按平面桁架计算杆件轴向力：静定结构；数解法（节点法，截面法）/图解法。普通钢屋架计算分析 内力分析2.普通钢屋架设计上弦杆受节间荷载时，计算局部弯矩：简支梁M0，端节间正
13、弯矩0.8M0，其它节间正、负弯矩0.6M0屋架与柱刚接时，还应计算屋架端弯矩引起的屋架杆件内力 普通钢屋架计算分析 内力分析2.普通钢屋架设计 屋架平面内：根据节点中心距离确定，考虑节点刚度：压杆失稳时将受到拉杆的约束（弹性嵌固），拉杆越多，拉力越大，拉杆线刚度越大，约束作用越强 屋架平面外 侧向支撑点间距 普通钢屋架杆件设计 杆件计算长度2.普通钢屋架设计屋架平面内 受压（上）弦杆/支座竖杆/端斜杆 l0 x=l；其它腹杆 l0 x=0.8l；（与下弦连接的节点嵌固作用较大）下弦杆 l0 x=l；普通钢屋架杆件设计 杆件计算长度2.普通钢屋架设计屋架平面外 上弦杆 有檩体系 檩条与支撑不连
14、接 l0y=l1；檩条与支撑连接 l0y=l1/2（檩条间距）；无檩体系 屋面板与屋架3点可靠连接时，l0y=2B且=0.5 l1对双角钢十字形截面和单角钢截面的腹杆，斜平面屈曲，l0 x=0.9l；普通钢屋架杆件设计 杆件计算长度2.普通钢屋架设计截面形式选择的原则是与杆件两个方向的计算长度相配合，使杆件两个方向的长细比接近相等，即达到等稳定。普通钢屋架杆件设计 杆件截面形式2.普通钢屋架设计 等边角钢 T型截面 iy(1.3-1.5)ix，适用于 钢屋架腹杆；不等边角钢 T型截面 短肢相连 iy(2.6-2.9)ix，适用于 钢屋架上下弦杆，平面外支撑间距为节间长度的2-3倍；普通钢屋架杆
15、件设计 杆件截面形式2.普通钢屋架设计不等边角钢 T型截面 长肢相连 iy(0.75-1.0)ix，适用于 钢屋架端竖杆、端斜杆及有局部弯矩作用的上弦杆；等边角钢 十字截面 iyix，适用于 有竖向支撑连接的竖腹杆；普通钢屋架杆件设计 杆件截面形式2.普通钢屋架设计 为使两个角钢成为整体，应在两肢间设置垫板，垫板长应伸出角钢肢15-20mm，宽60mm，与节点板等厚，间距不大于40i（压杆）和80i（拉杆），且每根杆件至少两块，十字型截面垫板沿两个方向交错布置。普通钢屋架杆件设计 垫板设置2.普通钢屋架设计 角钢规格不宜小于L454/L56364；角钢规格一般选用5-6种。弦杆尽量采用一种规格
16、，跨度24m时可改变截面一次（等肢厚，变肢宽）屋架中内力较小的杆件一般可按刚度要求选择截面。普通钢屋架杆件设计 截面规格2.普通钢屋架设计轴心拉杆：强度fANn 刚度 =250400 普通钢屋架杆件设计 杆件截面验算2.普通钢屋架设计轴心压杆：稳定性 刚度 =150200 净截面强度NfAfANn 普通钢屋架杆件设计 杆件截面验算2.普通钢屋架设计偏心压杆：强度 刚度 =24m的吊车梁或桁架，制作时宜按跨度的1/1000起拱；分段制作、工地地面拼装、整根吊装。一般设计规定吊车梁设计4.吊车梁结构体系吊车荷载为动荷载；首先应确定对应各内力的吊车荷载的最不利位置，再计算吊车梁的最大弯矩和对应剪力、
17、支座最大剪力以及横向荷载作用下的最大弯矩（制动梁）或吊车梁上翼缘的局部弯矩（制动桁架）等吊车梁内力计算吊车梁设计4.吊车梁结构体系对简支吊车梁，最不利荷载位置及对应内力最大值：最大弯矩：两个轮子作用在梁上最不利位置 a2=a1/4最大弯矩 Mcmax=P(L/2-a2)2/L对应剪力 Vc=P(L/2-a2)/L吊车梁内力计算吊车梁设计4.吊车梁结构体系对简支吊车梁，最不利荷载位置及对应内力最大值：最大弯矩：三个轮子作用在梁上最不利位置 a3=(a2-a1)/6最大弯矩 Mcmax=P(L/2-a3)2/L Pa1对应剪力 Vc=P(L/2-a3)/L P 四个轮子/六个轮子吊车梁内力计算吊车
18、梁设计4.吊车梁结构体系对简支吊车梁，最不利荷载位置及对应内力最大值：最大剪力-梁端支座处吊车竖向荷载应尽量靠近支座布置最大剪力 Vcmax=biP/L+P吊车梁内力计算吊车梁设计4.吊车梁结构体系对简支吊车梁，最不利荷载位置及对应内力最大值：吊车横向水平荷载吊车梁最大水平弯矩：MT=TMcmax T/P采用制动桁架时吊车梁上翼缘局部弯矩：MT=T Ta/3；MT=T Ta/4 吊车梁内力计算吊车梁设计4.吊车梁结构体系焊接工字形吊车梁：变高度梁/变宽度梁加强上翼缘：厚度/宽度截面初选（组合梁设计）梁高/腹板厚度/翼缘宽度/翼缘厚度吊车梁截面选择吊车梁设计4.吊车梁结构体系最大弯矩截面的正应力
19、 上翼缘的正应力计算吊车梁强度验算maxTsnynxMMfWWmax1TsnynxMMfWWmaxTTsnynnxMMNfWAWTTzMNb吊车梁设计4.吊车梁结构体系最大弯矩截面的正应力 下翼缘的正应力计算吊车梁强度验算maxxnxMfW吊车梁设计4.吊车梁结构体系支座截面的剪应力吊车梁强度验算maxvwVSfItmax01.2vwVfh t平板式支座：突缘式支座：吊车梁设计4.吊车梁结构体系腹板计算高度上边缘局部压应力cw zPt l吊车梁强度验算腹板计算高度上边缘折算应力22213ccf吊车梁设计4.吊车梁结构体系 整体稳定设有制动结构不用验算整体稳定性吊车梁稳定性验算 局部稳定 翼缘宽
20、厚比腹板高厚比/加劲肋设置xybxyMMfWW吊车梁设计4.吊车梁结构体系挠度计算 v=v疲劳计算吊车梁应进行疲劳验算，可按常幅疲劳考虑吊车梁刚度及疲劳验算62 10f 吊车梁连接与构造4.吊车梁结构体系对接焊缝，质量等级二级，与母材等强，不必验算角焊缝：上翼缘和腹板的连接翼缘与腹板的连接12e xVSh I2e zPh l22wff22wfe xVSfh I下翼缘和腹板的连接吊车梁连接与构造4.吊车梁结构体系支座加劲肋与梁腹板max0.7wff wRfnh lmax1.20.7wff wRfnh l突缘式支座：平板式支座：吊车梁连接与构造4.吊车梁结构体系横向加劲肋与上翼缘连接处应切角；横向加劲肋上端应与上翼缘刨平顶紧后焊接，下端宜在距受拉翼缘50-100mm处断开，不与受拉翼缘焊接，焊缝应采用连续的围焊或回焊，避免起、落弧；横向加劲肋与腹板连接焊缝不宜在加劲肋下端起、落弧；同时采用横向和纵向加劲肋时，纵向加劲肋断开并切斜角；加劲肋构造吊车梁连接与构造4.吊车梁结构体系机械加工：砂轮打磨、刨铲需机械加工的部位：对接焊缝引弧板切割处重级工作制吊车梁受拉翼缘/腹板对接焊缝表面重级工作制吊车梁受拉翼缘板边缘机械加工部位吊车梁连接与构造4.吊车梁结构体系受拉翼缘上不宜采用焊接连接其它构件受拉翼缘
