单层厂房钢结构构造详解课件

第9章 单层厂房钢结构,§9.1 单层厂房钢结构的组成及布置原则,一、 单层厂房钢结构的组成,单层厂房钢结构一般由屋盖结构、柱、吊车梁、制动梁（或制动桁架）、各类支撑及墙架等构件组成的空间体系。按其作用分为：,1.横向框架,2.屋盖结构,3.支撑体系,4.吊车梁和制动梁,5.墙架,二、柱网和温度伸缩缝的布置,1.柱网布置,2.温度伸缩缝,§9.2 屋盖结构体系,1.了解钢屋盖的种类、截面形式和应用；,3.掌握钢屋盖的设计和施工图的绘制；,2.掌握屋盖支撑体系的作用和布置原则；,普通钢屋架设计内容： 屋架的荷载计算； 杆件内力计算和组合； 正确选择杆的截面型式和确定计算长度； 选择截面并验算各杆件的承载力； 计算节点连接并绘制钢屋架施工图。,钢屋盖的类别包括：,平面钢屋架,空间桁架,网架,一、 钢屋盖结构的形式、组成及布置,钢屋盖结构通常由屋面、檩条、屋架、托架和天窗等构件组成。根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，可分为无檩屋盖体系和有檩屋盖体系。,房屋横向刚度大，整体性、耐久性好；屋面板自重大，屋盖及下部结构用料多，对抗震不利。,屋架间距灵活，构件重量轻、施工、安装方便；屋盖构件数量多，整体刚度差。,1.无檩屋盖结构体系：,2.有檩屋盖结构体系：,一般用于预应力混凝土大型屋面板等重型屋面，将屋面板直接放在屋架上。,常用于轻型屋面材料的情况。,3.天窗架形式,4.托架形式,无檩屋盖,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空间刚度和稳定性，必须在屋架间设置支撑系统。,上弦横向水平支撑下弦横向水平支撑下弦纵向水平支撑垂直支撑系杆,组成,二、 钢屋盖支撑,1.上弦横向水平支撑,组成： 屋架上弦、斜向杆件、檩条、系杆 作用：保证屋架侧向刚度和屋盖的空间刚度，减小上弦在平面外计算长度，承受和传递端墙的风荷载。 布置：,上弦横向水平支撑一般应设置在房屋两端或纵向温度区段两端的第一柱间或第二柱间，其最大间距为60m，否则在中间应增设一道或几道支撑。有时可将其布置在第二个柱间，但在第一个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力。,2.下弦横向水平支撑,组成：屋架下弦杆、斜杆、系杆 作用：山墙抗风柱的支点，承受并传递水平风荷载、悬挂吊车的水平力和地震引起的水平力，减小下弦的平面外计算长度，减小下弦的振动。 布置：与上弦横向支撑布置在同一开间，形成稳定的空间体系，其最大间距为60m。 屋架跨度大于18m时， 屋架下弦设有悬挂吊车时， 抗风柱支承在屋架下弦时， 屋架下弦设通长纵向支撑时，宜设屋架下弦横向支撑。,3.下弦纵向水平支撑 组成：系杆、斜杆 作用：增加屋盖空间刚度，承受和传递吊车横向水平制动力。 布置：屋架两边，与横向支撑形成封闭框。 当房屋较高、跨度较大、空间刚度要求较高时，设有支承中间屋架的托架，或设有重级或大吨位的中级工作制桥式吊车等较大振动设备时，均应在屋架端节间平面内设置纵向水平支撑。一般情况可以省掉。,下弦纵向水平支撑,组成：系杆、斜杆 作用：使相邻屋架形成几何不变的空间体系，保证侧向稳定。 布置位置： 屋架的垂直支撑应与 上、下弦横向水平支 撑设置在同一柱间。 每隔45个开间布置 一道。,4.垂直支撑,无天窗，跨度l>30m，布置在屋架两端、跨度l/3处 。,布置原则:,（1）梯形或平行弦屋架,无天窗，跨度l<30m，布置在屋架两端、跨中。,垂直支撑的布置,垂直支撑的布置,有天窗、跨度l>30m，布置在屋架两端、跨度l/3处、天窗架两端 。,有天窗、跨度l<30m，布置在屋架两端、跨中、天窗架两端 。,垂直支撑的布置,垂直支撑的布置,（2）三角形屋架,跨度小于18m时，布置在屋架中间 。,跨度大于18m时，一般视具体情况布置两道 。,垂直支撑的布置,垂直支撑的布置,作用：在无支撑的开间处，保证屋架的侧向稳定，减小弦杆的计算长度，传递水平荷载。 系杆分刚性系杆（既能受拉也能受压）和柔性系杆（只能承受拉力）两种。屋架主要支承节点处的系杆，屋架上弦脊节点处的系杆均宜用刚性系杆。柔性系杆则多布置在下弦跨中 或天窗侧柱处。 布置：在横向支撑或垂直支撑节点处应沿房屋通长设置系杆。水平横向支撑设在第二柱间时，第一柱间端屋架需与第二榀屋架用刚性系杆连接，其余设置刚性或柔性系杆均可。 屋脊节点、屋架支座节点设置刚性系杆。,5.系杆,屋架支撑为平行弦桁架，屋架弦杆可兼作支撑桁架的弦杆，斜腹杆一般采用十字交叉式，与弦杆的交角在30o60o之间。通常横向水平支撑节点间的距离为屋架上弦节间距离的24倍，纵向水平支撑的宽度取屋架端节间的长度，一般为6m左右。支撑中的交叉斜杆以及柔性系杆按拉杆设计压杆认为已压屈，不存在。通常用单角钢做成；非交叉斜杆、弦杆、横杆以及刚性系杆按压杆设计，宜采用双角钢做成的T形截面或十字形截面，其中横杆和刚性系杆常用十字形截面使在两个方向具有等稳定性。屋盖支撑受力较小，截面尺寸一般由杆件容许长细比和构造要求决定。支撑与屋架的连接通常用M20的C级螺栓，支撑与天窗架的连接通常用M16的C级螺栓 。,6.支撑的计算和构造, 保证屋盖的整体性，提高空间刚度仅由平面桁架、檩条及屋面材料组成的屋盖结构，是一个不稳定的体系，如果将某些屋架在适当部位用支撑连系起来，成为稳定的空间体系，其余屋架再由檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上，就保证了整个屋盖结构的稳定。 避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动支撑可作为屋架弦杆的侧向支撑点，减小弦杆出平面外的计算长度。 承担和传递水平荷载（如纵向和横向风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震作用等）。 保证结构安装时的稳定与方便屋盖的安装首先用支撑将两相邻屋架连系起来组成一个基本空间稳定体，在此基础上即可顺序进行其他构件的安装。,7.支撑的作用,桁架是由杆件组成的几何不变体，即是指由直杆在杆端相互连接而组成的以抗弯为主的格构式结构。桁架中的杆件大多只承受轴向力，杆件截面上应力分布均匀，材料性能发挥较好，从而能节省钢材和减轻结构自重，特别适用于跨度和高度较大的结构。,桁架在钢结构中应用很广，分为空间桁架和平面桁架两类。网架结构和各种塔架结构为空间桁架，常用的平面桁架如屋架、吊车桁架、支撑、桥梁等。平面简支桁架的杆件内力不受支座沉降和温度变化的影响，且构造简单、安装方便最为常用。本节着重讨论平面简支钢桁架屋架的设计。,§9.6 桁架的形式和截面设计,满足制造、安装和运输要求 · 构造简单，杆件夹角30°60°； · 杆件与节点数量少； · 分段制造，便于运输与安装；,确定屋架形式的原则： 满足适用、经济和制造安装方便的原则。 满足使用要求 屋架外形应与屋面材料的排水要求相适应。,满足经济要求 · 屋架外形应尽量和弯矩图接近，使上下弦杆内力沿跨度方向分布较均匀，腹杆受力较小； · 腹杆的布置宜使短杆受压，长杆受拉； · 荷载布置在节点上，减少弦杆局部受弯。,一、 桁架的形式和主要尺寸,1. 桁架的形式,（1）三角形桁架受力不均匀，刚度小，坡度大，排水好，适用于中、小跨度（l在1824m）采用轻型屋面材料的有檩体系。,三角形桁架,主要有三角形、梯形、矩形等。,· 外形和弯矩图不相适应，弦杆内力分布不均匀，近支座处内力大，近跨中处小，横向刚度小。 · 上下弦交角小，端节点构造复杂。可将上弦或下弦改变为折线形或陡坡梯形，以改善受力和节点构造。,（2）梯形桁架外形与弯矩图较接近，受力好，省材料，应用广泛。 适用于屋面坡度平缓且跨度较大时的无檩屋盖结构。,梯形桁架,人字式,特点：腹杆总长度短，节点少。,特点：可避免节间直接受荷（非节点荷载）。,再分式,屋架高度梯形屋架的中部高度一般为（1/101/6）L，与柱刚接的梯形屋架，端部高度一般为（1/161/12）L，通常取为1.62.4m。与柱铰接的梯形屋架，端部高度可按跨中经济高度和上弦坡度决定。,（3）平行弦桁架屋架的外形和弯矩图分布不接近，弦件内力分布不均匀。上、下弦杆水平，腹杆长度一致，杆件类型少，标准化、工业化程度高，主要用于托架、支撑体系。,腹杆体系,桁架中的腹杆主要用以联系上下弦杆和构成节点并传递节点荷载。常用的腹杆体系人字式、交叉式、再分式。,2.桁架主要尺寸跨度：据工艺需要定，一般为3m模数，12、15、18、21、24、27、30、36m等(注意：柱轴线距离)。l0(桁架两端支座反力间的距离) l-（300400mm） 高度：根据经济、刚度和建筑要求，以及屋面坡度，运输条件等确定。三角形跨中 h（1/41/6）l 梯形跨中 h（1/61/10）l，上弦坡度（1/81/12）端部 h01.62.2m（铰接时） h01.82.4m（刚接时） 屋架跨中最大高度取决于运输界限，如铁路运输界限为3.85m 。 屋架上弦节间：据屋面材料定，尽可能使荷载直接作用在屋架节点上 ,避免上弦杆产生局部弯距。,1. 桁架的荷载计算与荷载组合,（1）桁架荷载 永久荷载： 屋面材料、保温层、防水层、檩条、支撑、屋架、天窗架等结构自重。,二、 桁架的荷载和内力计算,可变荷载：屋面活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载、悬挂吊车荷载等。屋面活荷载与雪荷载不同时出现，取两者中较大值计算。,桁架和支撑自重可按经验公式： gWk=(0.12+0.11l)kN/m2,（2）节点荷载计算,桁架上的荷载通过檩条和大型屋面板肋以集中力方式作用于桁架节点,一：施工完毕： 永久荷载可变荷载 永久荷载半跨可变荷载 二：施工中： 屋架、支撑和天窗架自重半跨屋面板重半跨屋面活荷载,（3）荷载组合,基本假定a. 桁架的各节点均视为铰接。 b. 桁架所有杆件的轴线平直且都在同一平面内且在节点处交汇。c. 荷载都作用在节点上，且都在桁架平面内。,2. 桁架杆件的内力计算,局部弯矩 上弦有节间荷载时，除轴心力外还产生局部弯矩。理论上应按弹性支座的连续梁进行计算，一般偏于安全地简化取端部节间正弯矩M10.8M0，其它节间的正弯矩和节点负弯矩M2±0.6M0，M0是把弦杆节间视为简支梁求得的最大弯矩。,图9.6.6 局部弯矩作用的计算简图,内力计算 用数解法或图解法或借助电算，求出节点荷载作用下屋架各杆件的内力,三、桁架杆件的计算长度和容许长细比,弦杆、支座斜杆、支座竖杆 l0x=l，中间腹杆 l0x=0.8l 。,1. 桁架平面内计算长度l0x,杆件平面内的计算长度,杆件平面外的计算长度,2. 桁架平面外计算长度l0y,取决于弦杆侧向支承点间距离。,上弦杆,无檩方案:,有檩方案:,能保证大型屋面板三点与上弦杆焊接时:,l0y=2b（3m）,b屋面板宽度。,檩条与支撑点交叉不连接时：l0y=l1 檩条与支撑点交叉连接时：l0y=l1,下弦杆：取纵向水平支撑节点与系杆或系杆与系杆之间的距离。腹杆：由于节点在平面外刚度很小，对杆件嵌固作用较小，故腹杆两端视为铰接，则l0y=l,当受压弦杆侧向支承点间距为2倍节间长度，且两个节间弦杆内力不同，则弦杆平面外的计算长度：,杆件内力变化时在桁架平面外的计算长度,当l0<0.5l1时，取l0=0.5l1，N1为较大的压力，取“”，N2为较小的压力或拉力，压力取“”，拉力取“”。芬克式屋架、再分式腹杆受压杆件在平面外计算长度同上，平面内计算长度为节点长度。 l1屋架弦杆侧向支承点之间的距离。,4.桁架杆件容许长细比（表9.6.2）,受压构件 150 受拉构件 350 无吊车或轻、中级工作制吊车。 300 有重级工作制吊车 。 250 直接承受动荷载 。 、 分别为杆件的长细比和允许长细比。,杆件长细比过大，在运输和安装过程中容易因刚度不足而产生弯曲，在动力荷载作用下振幅较大，在自重作用下有可见挠度 ，因此应控制杆件的允许长细比。,3. 斜平面的计算长度l0,单面连接的单角钢和双角钢组成的十字形杆件，受力后有可能斜向失稳，由于两端节点有一定的嵌固作用，故斜平面计算长度略作折减(支座斜杆和支座竖杆除外），l0=0.9l,