单层厂房钢结构设计.pdf

“ “ “ “ 第三篇 单层厂房钢结构设计 第一章钢结构单层厂房的组成 及整体布置 第一节概述 随着经济建设的发展， 我国建筑钢结构应用范围日益扩大， 如网架不仅用于公用建 筑， 而且已在大跨度的飞机检修库和工业厂房中较多采用； 高层钢结构建筑， 由于高度的 增加， 为承受风荷载和地震作用， 出现了多种体系； 数百米高的电视塔、 大体积的壳体结 构都给钢结构带来了新的课题。而钢结构最有代表性的当属单层工业厂房， 本节仅就其 组成、 结构布置、 主要构件选型、 计算和节点构造摘要阐述。 第二节钢结构厂房的组成 钢结构单层厂房是工业与民用建筑中应用钢结构较多的建筑物。厂房结构必须具 有足够的强度、 刚度和稳定性， 以抵抗来自屋面、 墙面、 吊车设备等各种竖向及水平荷载 的作用。 钢结构单层厂房是由屋盖系统、 柱子系统、 吊车梁系统、 墙架系统、 支撑系统等部分 组合而成的空间刚性骨架见图 “ “ ， 承受作用在厂房结构上的各种荷载。其中， 由柱 子和屋架组成的横向平面框架是厂房最基本的承重结构， 厂房荷载的绝大部分都要通过 第一章钢结构单层厂房的组成及整体布置 它传到地基。 图 “ “ 钢结构单层厂房的组成 屋盖结构体系包括平面框架的横梁或屋架、 喑屋架、 托架、 天窗架、 屋面板或檩条， 直 接承受屋面的竖向及横向水平荷载。 横向平面框架作为基本承重结构由柱和横梁组成。柱在基础处通常做成固定端， 横 梁与柱的连接可以做成铰接， 但为了增加刚度和节约钢材， 通常做成刚接， 则构成横向平 面刚架。横向平面框架基本上承受厂房结构的全部竖向荷载和横向水平荷载， 包括全部 建筑物重量 （屋盖、 墙、 结构自重等） 、 屋面雪荷载和其它活荷载、 吊车竖向荷载和横向水 平制动力、 横向风荷载、 横向地震作用等。 吊车梁系统包括吊车梁 （桁架） 和制动梁 （桁架） 、 垂直辅助桁架、 下部支撑、 垂直支撑 等， 这些构件承受吊车的垂直轮压及横向水平制动力并传递给框架。 墙架系统一般由墙架梁和墙架柱 （亦称抗风柱） 等组成， 用以承受墙重和墙面风荷 载。当墙为自承重砖墙时只承受墙面风荷载， 而全部墙重则传到底部搁置在相邻柱基础 的钢筋混凝土基础梁上或专设的墙基础上。对于纵向柱距较小的侧墙， 一般只设墙架 梁。对山墙和纵向柱距较大的侧墙， 则需加设墙架柱作为墙架梁的支承。墙架柱下端设 基础， 上端连于屋盖上弦或下弦水平支撑的节点上。 支撑体系包括屋盖支撑及柱间支撑。它和屋面板或檩条、 托架、 吊车梁等将各个横 向框架连接起来， 组成了刚劲的空间结构， 可靠地承受并传递着作用在厂房的各种荷载。 钢结构单层厂房的钢材用量指标和各类构件所占比重大致如表 “ “ 。其中厂房 单位面积钢材用量指标是评定设计经济合理性的一项重要指标。 “3 第五章厂房墙架与吊车梁 “ ， 组， 6 ’ 2/0112 4 ’ 2 , - *2, 2 ’ *8,11， 面板厚度取 *.11 （四） 纵梁计算 纵梁截面抵抗矩 ’2 /BC8 ［ ］（ “ “ 1） 式中 ［ ］ 容许相对挠度， 对于轻级工作制和起重量 ］ / FBB； 对于重级工作制和 ］ / GB； G/// 第五章厂房墙架与吊车梁 “ 计算挠度时不考虑动力系数和可变荷载分项系数， 故 “ -85;7; 注 构件和连接类别见附录。 表 6 0 7 0 8吊车梁和吊车桁架欠载效应等效系数. 吊车类别 . 重级工作制硬钩吊车’- 重级工作制软钩吊车- 中级工作制吊车-7 在重级工作制吊车梁的受拉翼缘上， 应尽可能不打洞、 不焊接附加零件 （如有水平支 撑， 可连接在横向加劲肋的下端处） 。否则， 在梁跨度中的受拉翼缘上应按式 6 0 7 0 ,5 验算设有铆钉、 螺栓孔及虚孔处主体金属的疲劳应力幅。 .“ . 234与 256同时发生， 它们通常可根据吊车型号、 规格从吊车产品目录或有 关设计手册中查得。有时， 256也可按下式计算 256 0 , 234（ * ,） * 第三篇单层厂房钢结构设计 式中“、“ 分别为大车、 小车自重的标准值 （“） ； 吊车起重量的标准值 （“） 。 图 88 时， 3 8/-8； 图 * , -1吊车横向水平荷载 （） 0“作用位置； （2） 单跨排架的吊车横向荷载 当 5“ 18 时， 3 8/8。 每个轮子传给吊车轨道的横向水平制动力的标准值确定后， 便可按与吊车垂直荷载 相同的方法来确定最终作用于排架柱上的吊车水平荷载的标准值， 两者仅荷载作用方向 不同， 故 4-- 第三篇单层厂房钢结构设计 ““6）（ * * 1） 式中73 基本风压值， 按 “荷载规范” 中 “全国基本风压分布图” 查取； ; 风压体型系数， 一般垂直于风向的迎风面; 作用在右柱） ； 情况 吊车垂直荷载 7;作用在左柱 （789作用在右柱） ； 情况 吊车水平荷载 89作用在左、 右柱， 方向从左向右； 情况 2吊车水平荷载 89作用在左、 右柱， 方向从右向左； 情况 风荷载从左向右作用； 情况 *风荷载从右向左作用。 需要单独考虑的荷载情况确定之后， 即可对每种荷载情况利用结构力学的方法进行 排架内力计算。下面以单跨排架为例简要介绍排架内力的计算方法。 （一） 单跨排架在恒荷载及屋面活荷载作用下的内力计算 单跨排架在恒荷载作用下， 一般属于结构对称、 荷载对称的情况， 因此， 在恒荷载 4、 ； 双 双肢柱 5 第六章单层厂房排架结构 （二） 施工阶段验算要点 对于钢筋混凝土预制柱， 在施工阶段的验算一般是指对吊装过程中的除算。吊装可 以采用平吊也可以采用翻身吊。当柱中配筋能满足运输、 吊装时的承载力和裂缝的要求 时， 宜采用平吊， 以简化施工。但是， 当平吊需增加柱中配筋时， 则宜考虑改用翻身吊。 无论是平吊还是翻身吊， 柱子的吊点一般都设在牛腿的下边缘处， 其计算简图如图 “ “ 所示。 图 “ “ 吊装时柱的计算简图及弯矩图 考虑到起吊时的动力作用， 柱的自重须乘以 ） 式中456 作用于牛腿顶面按荷载短期效应组合计算的竖向力值； 40 作用于牛腿顶面按荷载短期效应组合计算的水平拉力值； “ 裂缝控制系数 对承受重级工作制吊车的牛腿， 取“3 ,； 对承受中、 ;’’ 第六章单层厂房排架结构 轻级工作制吊车的牛腿， 取 ““； 其他牛腿， 取 ““； 竖向力作用点至下柱边缘的水平距离， 此时， 应考虑安装偏差 ’“； 竖 向力的作用点位于下柱截面以内时， 取 “； 牛腿宽度； *“ 牛腿与下柱交接处的垂直截面有效高度， 取 *“ * ,。 图 - . ’/牛腿截面尺寸 （二） 牛腿的配筋计算与构造 试验表明， 牛腿在即将破坏时的工作状况接近于一三角形桁架 （图 - . ’0） ， 其水 平拉杆由纵向受拉钢筋组成， 斜压杆由竖向力作用点与牛腿根部之间的混凝土组成。斜 压杆的承载力主要取决定于混凝土的强度等级， 与水平箍筋和弯起钢筋没有直接关系。 在试验分析和多年设计经验和工程实践的基础上，“混凝土规范” 认为， 只要牛腿中按构 造要求配置一定数量的箍筋和弯筋， 斜截面承载力即可保证。因此， 牛腿的配筋计算。 归结于对三角形桁架拉杆 牛腿顶面的纵向受力钢筋的计算。 由1 “ 得 234 2*（“,*“4 ,） 5,67“,*“ 由上式可知， 牛腿的纵向受力钢筋由承受竖向力所需的受拉钢筋和承受水平拉力所 需的水平锚筋组成， 其总面积 5,应按下式计算 “.88 第三篇单层厂房钢结构设计 “ ’“ * （“* “） ’“ “混凝土规范” 取 “ ,-.， “* “ “ “/,0， 上式可表达为 “ ,-.’ * /,0 ’ （1 2 3 2 /） 式中 作用在牛腿顶部的竖向力设计值； 作用在牛腿顶部的水平拉力设计值； 竖向力 作用点至下柱边缘的水平距离， 当 4 ,1时， 取 ,1。 图 1 2 3 2 0.牛腿计算简图 牛腿纵向受力钢筋的总面积除按式 1 2 3 2 / 计算配筋外， 尚应满足下列构造要求 纵向受力钢筋宜采用变形钢筋， 并有足够的钢筋抗拉强度充分利用时的锚固长度； 承受 竖向力所需的纵向受拉钢筋的配筋率不应小于 ,05， 也不宜大于 ,35， 且根数不应少 于 6 根， 直径不应小于 /077 （图 1 2 3 2 03） ， 纵向受拉钢筋不得下弯兼作弯起钢筋用。 承爱水平拉力的水平锚筋应焊在预埋件上； 直径不应小于 /077， 且不少于 0 根。 牛腿还应按 “混凝土规范” 规定的构造要求设置水平箍筋， 以便形成骨架和限制斜裂 缝开展。水平箍筋直径应取 3 8 /077， 间距为 / 8 /.77， 且在上部 091 高度范围内 的水平箍筋的总面积不应小于纵向受拉钢筋截面面积 “（不计入水平拉力所需的纵向受 拉钢筋） 的 /90。 当牛腿的剪跨比 9,1 时应设置弯起钢筋。弯起钢筋也宜采用变形钢筋， 并应 配置在牛腿上部 /93 至 /90 之间的范围内 （图 1 2 3 2 03） ， 其截面面积不应小于纵向受拉 钢筋截面面积 “，（不计入水平拉力所需的纵向受拉钢筋） 的 091， 且不应小于 ,/.， 其根数不应少于 1 根， 直径不应小于 /077。 /3// 第六章单层厂房排架结构 （三） 局部承压验算 垫板下局部承压验算可按下式进行 “ ’* （, - . - //） 式中 局部承压面积， 01， 其中 0、 1 分别为垫板的长和宽。 当式 （, - . - //） 不能满足时， 应采取必要措施， 如加大承压面积， 提高混凝土强度等 级或在牛腿中加配钢筋网等。 图 , - . - 2.牛腿配筋构造 （0） 纵向受力钢筋；（1） 箍筋与弯起钢筋 第六节几种承重构件的选型 钢筋混凝土单层厂房结构的构件， 除柱和基础外， 一般都可以根据工程的具体情况， 从工业厂房结构构件标准图集中选择合适的标准构件。以下介绍几种主要承重构件的 选型。 一、 屋面板 在单层厂房中的屋面板的造价和材料用量均最大， 它既承重又起围护作用。屋面板 在厂房中比较常用的形式有 预应力混凝土大型屋面板、 预应力混凝土 “ 形屋面板、 预应 力混凝土单肋板、 预应力混凝土空心板等 （图 , - . - 2） 。它们都适用于无檩体系。小型 屋面板 （如预应力混凝土槽瓦） 、 瓦材用于有檩体系。 2.// 第三篇单层厂房钢结构设计 预应力混凝土大型屋面板 （图 “ “ ） 由纵肋、 横肋和面板组成。由这种屋面板 组成的屋面水平刚度好， 适用于柱距为 ’ 或 ’ 的大多数厂房， 以及振动较大、 对屋面 刚度要求较高的车间。 预应力混凝土 形屋面板 （图 “ “ *） 由纵肋、 模肋和带悬挑的面板组成。板沿 纵向互相搭接， 横缝及脊缝加盖瓦和脊瓦， 屋面用料省， 但屋面水平刚度及防水效果不如 预应力混凝土大型屋面板， 适用于跨度、 荷载较小的非保温屋面， 不宜用于对屋面刚度及 防水要求高的厂房。 预应力混凝土单肋板 （图 “ “ *,） 由单根纵肋、 横肋及面板组成。与 形板类似， 板沿纵向互相搭接， 横缝及脊缝加盖瓦和脊瓦。屋面用料省但刚度差， 适用于跨度和荷 载较小的非保温屋面， 而不宜用于对屋面刚度和防水要求高的厂房。 预应力混凝土空心板 （图 “ “ *-） 广泛用于楼盖， 也可作为屋面板用于柱距为 .’ 左右的车间和仓库。 图 “ “ *屋面板的类型 （） 预应力混凝土大型屋面板；（） 预应力混凝土 形板； （,） 预应力混凝土单肋板；（-） 预应力混凝土空心板 二、 屋面梁和屋架 屋面梁和屋架是厂房结构最主要的承重构件之一， 它除承受屋面板传来的荷载及其 自重外， 有时还承受悬挂吊车、 高架管道等荷载。 屋面梁常用的有预应力混凝土单坡或双坡薄腹形梁及空腹梁 （图 “ “ /、 、 ,） 。这种梁式结构， 便于制作和安装， 但自重大、 费材料， 适用于跨度不大 （/’ 和 /’ 以 第六章单层厂房排架结构 下） 、 有较大振动或有腐蚀性介质的厂房。 屋架可做成拱式和桁架式两种。拱式屋架常用的有钢筋混凝土两铰拱屋架 （图 “ “ ） ， 其上弦为钢筋混凝土， 而下弦为角钢。若顶节点做成铰接， 则为三铰拱屋架 （图 “ “ ’） 。这种屋架构造简单， 自重较轻， 但下弦刚度小， 适用于跨度为 * 和 * 以 下的厂房。三铰拱屋架， 如上弦做成先张法预应力混凝土构件， 下弦仍为角钢， 即成为预 应力混凝土三铰拱屋架， 其跨度可达到 *。 图 “ “ 屋面梁和屋架的类型 （） 单坡屋面梁；（,） 双坡屋面梁；（-） 空胶屋面梁；（） 两铰供屋架，（’） 三铰拱屋架； （.） 三角形屋架；（/） 梯形屋架；（0） 拱形屋架；（1） 折线形屋架 （2） 组合屋架 、 钢筋混凝土上弦及压腹杆； 、 3钢下弦及拉腹杆 3 第三篇单层厂房钢结构设计 桁架式屋架有三角形、 梯形、 拱形和折线形等多种 （图 “ “ 、’、 、 ） 。三角形屋 架， 上、 下弦杆内力不均匀， 腹杆内力亦较大， 因而自重较大， 一般不宜采用。预应力混凝 土梯形屋架， 由于刚度好， 屋面坡度平缓 （ * * * *,） ， 适用于卷材防水的大型、 高温及采用 井式或横向天窗的厂房。 预应力拱形屋架， 外形合理， 可使上、 下弦杆受力均匀， 腹杆内力亦小， 因而自重轻， 可用于跨度 * - 的厂房。这种屋架由于端部坡度太陡， 屋面施工较为困难。因此， 在厂房中广泛采用端部加高的外形接近拱形的预应力混凝土折线形屋架 （图 “ “ ） 。当桁架式屋架跨度较小 （*- 以内） ， 也可采用三角形组合屋架 （图 “ “ .） 。 三、 吊车梁 吊车梁是有吊车厂房的重要构件， 它承受吊车荷载 （竖向荷载及纵、 横向水平制动 力） 、 吊车轨道及吊车梁自重， 并将这些力传给厂房柱。 图 “ “ /吊车梁形式 （0） 厚腹吊车梁；（1） 薄膜吊车梁；（2） 鱼腹式吊车梁；（3） 折线形吊车梁；（4） 、（） 桁架式吊车梁 *钢下弦； 钢筋混凝土下弦 吊车梁通常做成 5 形截面， 以便在其上安放吊车轨道。腹板如采用厚腹的， 可做成 6** 第六章单层厂房排架结构 等截面梁 （图 “ “ ） ， 如采用薄腹的， 则腹板在梁端局部加厚， 为便于布筋采用 ’ 形 截面 （图 “ “ ） 。厚腹和薄腹吊车梁， 均可做成普通钢筋混凝土与预应力混凝土的。 跨度一般为 ， 吊车最大起重量则视吊车工作制的不同而有所区别。以等截面厚腹普 通钢筋混凝土吊车梁为例， 对轻级工作制吊车起重量最大可达 *,-.， 中级工作制最大 起重量为 ,,-.， 而重级工作制最大起重量为 ,,-.。由于预应力可提高吊车梁的抗疲 劳性能， 因此， 预应力混凝土吊车梁重级工作制最大起重量也可达 *,-.。 根据简支吊车梁弯矩包络图跨中弯矩最大的特点， 也可做成变高度的吊车梁， 如预 应力混凝土鱼腹式吊车梁 （图 “ “ /） 和预应力混凝土折线式吊车梁 （图 “ “ 0） 。 这种吊车梁外形合理， 但施工较麻烦， 故多用于起重量大 （1,, 2 1,,-.） 、 柱距大 （ “ 1） 的工业厂房。对于柱距 3 2 、 起重量不大于 ,-. 的轻型厂房， 也可采用结构轻 巧的桁架式吊车梁 （图 “ “ 4、 5） 。 四、 基础 柱下单独基础， 按施工方法可分为预制柱下基础和现浇柱下基础。现浇柱下基础通 常用于多层现浇框架结构， 预制柱下基础则用于装配式单层厂房结构。单层厂房柱下基 础常用的形式是单独基础。这种基础有阶形和锥形两种 （图 “ “ ,、 ） 。由于它们与 预制柱的连接部分做成杯口， 故统称为杯形基础。当柱下基础与设备基础或地坑冲突， 以及地质条件差等原因， 需要深埋时， 为不使预制柱过长， 且能与其他柱长一致， 可做成 图 “ “ , （/） 所示的高杯口基础， 它由杯口、 短柱以及阶形或锥形底板组成。短柱是指 杯口以下的基础上阶部分 （即图中截面到““截面之间的一段） 。基础的截面 尺寸及配筋一般通过计算确定。 图 “ “ ,柱下单独基础的形式 （） 阶形基础；（） 锥形基础；（/） 高杯口基础 11 第三篇单层厂房钢结构设计 第七节各构件间的连接 单层厂房若采用钢筋混凝土结构， 各结构构件间应有可靠而有效的连接， 才能保证 内力的正确传递， 使厂房结构形成一个整体。从大量震害调查中亦发现， 不少厂房倒塌 是由于节点连接受破坏而引起的。因此， 连接构造是钢筋混凝土预制构件间传力和保证 结构整体性的重要环节。所以必须重视连接构造设计。 钢筋混凝土构件间的连接构造做法很多， 本节仅就常用的主要构件间的节点构造及 其连接件受力情况作一些介绍。 一、 屋架与柱 组成横向排架。其连接构造做法见图 “ “ 。压力由支承钢板传递， 剪力由锚筋 和焊缝承受。 图 “ “ 屋架与柱的连接 二、 屋架与天窗架、 屋面板 连接构造做法见图 “ “ 。连接处主要承受压力， 通过支承钢板传给屋架上弦； 但还有沿上弦坡度方向的剪力， 由锚筋和焊缝承受。 三、 屋架与屋盖支撑 屋架弦杆与屋盖支撑的杆件组成水平桁架或竖向桁架， 它们之间一般采用螺栓连接 （图 “ “ ） 。螺栓承受轴力和剪力。 第六章单层厂房排架结构 图 “ “ 屋架与天窗架、 屋面板的连接 图 “ “ 屋架与屋盖支撑的连接 四、 屋架与抗风柱 抗风柱一般与基础刚接， 与屋架上弦铰接， 根据具体情况， 也可与下弦铰接或同时与 上、 下弦铰接。抗风柱与屋架连接必须满足两个要求 一是在水平方向必须与屋架有可 靠的连接， 以保证有效地传递风荷载； 二是在竖向应允许两者之间有一定相对位移的可 能性， 以防厂房与抗风柱沉降不均匀时产生的不利影响。因此， 抗风柱和屋架一般采用 竖向可移动、 水平向又有较大刚度的弹簧板边接 （图 “ “ ） ； 如厂房沉降较大时， 则 宜采用通过长圆孔的螺栓进行连接 （图 “ “ ’） 。 五、 柱与吊车梁 吊车梁支承在柱的牛腿上。吊车的竖向荷载通过梁底传递给柱； 吊车的横向和纵向 第三篇单层厂房钢结构设计 水平制动力通过吊车轨道传给吊车梁， 再由吊车梁传给横向排架和纵向排架。所以， 梁 底和梁顶都须与柱有可靠的连接， 见图 “ “ 。梁底埋设件主要承受竖向压力和纵向 水平制动力； 梁顶与上柱连接处主要承受横向水平制动力。 图 “ “ 屋架与抗风柱的连接 图 “ “ 柱与吊车梁的连接 ’’ 第六章单层厂房排架结构 六、 柱与钢牛腿、 连系梁 当墙体通过连系梁与柱连接时， 有时要设置钢牛腿。这时柱中的埋设件承受剪力和 弯矩 （图 “ “ ） 。 图 “ “ 柱与钢牛腿、 连系梁的连接 七、 柱与柱间支撑 组成竖向桁架， 承受山墙传来的风力、 纵向水平制动力、 纵向地震力以及由厂房纵向 温度变形而产生的内力。柱与柱间支撑的埋设件承受拉力和剪力 （图 “ “ ） 。 图 “ “ 柱与柱间支撑的连接 从以上几种最常见的钢筋混凝土结构构件间的连接构造做法中可以看出， 连接的基 本做法是在结构构件内设置钢埋设件， 在安装构件时， 用焊接或螺栓连接的方法将它们 连接起来。在节点中， 埋设件和焊缝主要传递压力、 拉力、 弯矩、 剪力以及它们的组合。 第三篇单层厂房钢结构设计