北工大钢结构课件第二章

(1) 柱网布置首先要满足生产工艺流程的要求，包括 预期的扩建和工艺设备更新的需求。这些要求往往涉 及到设备基础，地下管沟等与柱基础的协调布置。
(2) 柱网布置必须满足结构上的要求，在保证厂房具 有必需的刚度和强度的同时，注意柱距和跨度的类别 尽量少些，以利施工。
柱距的大小，直接影响着布置在柱距间的构件（如檩 条，吊车梁等）的截面大小。加大柱距一般可以减少 处理地基的费用和基础的造价，但将使布置在柱距间 的构件的材料增加。因此，合理的柱网布置应使总的 经济效最佳。
当支撑桁架受力较大，如横向水平支撑传递较大的山 墙风荷载时，支撑杆件除满足允许长细比的要求外， 尚应按桁架体系计算内力，并据以选择截面。 交叉斜腹杆的支撑桁架是超静定体系，但因受力比较 小，一般常用简化方法进行分析。例如，当斜杆都按 拉杆设计时认为图中用虚线表示的一组斜杆因受压屈 曲而退出工作，此时桁架按单斜杆体系分析。当荷载 反向时，则认为另一组斜杆退出工作。
2.1.3.3 屋盖支撑的杆件及支撑的计算原则 屋架支撑受力比较小，一般不进行内力计算，杆件截 面常按容许长细比来选择。交叉斜杆和柔性系杆按拉 杆设计，可用单角钢；非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及 刚性系杆按压杆设计，可用双角钢，但刚性系杆通常 将双角钢组成十字形截面，以便两个方向的刚度接近。
横向水平支撑计算简图
在工业与民用房屋建筑中，当跨度比较大时用梁作屋 盖的承重结构是不经济的，这时都要用桁架，这种用 于屋盖承重结构的梁式的桁架叫屋架。
2.1.2.2 桁架的外形及腹杆形式
桁架的外形直接受到它的 用途的影响。屋架外形一 般分为三角形(图a、b、c)、 梯形(图d、e)及平行弦三 种。桁架的腹杆形式常用 的有人字式(图b、d、f)、 芬克式(图a)、豪式(也叫 单 向 斜 杆 式 ， 图 c) 、 再 分 式(图e)及交叉式(图g)。 其中前四种为单系腹杆， 第五种即交叉腹杆为复系 腹杆。
上弦平面内，大型屋面板的肋可起系杆作用，此时一般只 在屋脊及两端设系杆，当采用檩条时，檩条可代替系杆。安装 时，屋面板就位前，屋脊及两端的系杆应保证屋架上弦杆有较 适当的出平面刚度。
下弦平面内，在跨中或跨中附近设置一或两道系杆，此外， 在两端设置系杆。
系杆的布置原则是，在垂直支撑的平面内一般设置上下弦 系杆；屋脊节点及主要支承点处需设置刚性系杆，天窗侧柱处 及下弦跨中及跨中附近设置柔性系杆；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。
（2）下弦横向水平支撑： 一般情况下应该设置下弦 横向水平支撑。只是当跨度比较小（L≤18m）且没有 悬挂式吊车，或虽然有悬挂式吊车但起重吨位不大， 厂房内也没有较大的振动设备时，可不设下弦横向水 平支撑。
屋盖支撑示例
a-上弦横向水平支撑 b-下弦横向水平支撑 c-纵向水平支撑 d-屋架垂直支撑 a′-天窗架横向水平支撑 d′-天窗架垂直支撑 e-刚性系杆 f-柔性系杆。
（3）纵向水平支撑
一般房屋的屋盖结构不设纵向水平支撑。当房屋内 设有托架，或有较大吨位的重级、中级工作制的桥 式吊车，或有壁行吊车，或有锻锤等大型振动设备， 以及房屋较高、跨度较大，空间刚度要求高时，均 应在屋架下弦（三角形屋架可在下弦或上弦）端节 间处设置纵向水平支撑。纵向水平支撑与横向水平 支撑形成闭合框，加强了屋盖结构的整体性并能提 高房屋纵、横向的刚度。
为了进行结构分析，必须明确横向框架所承担的荷载， 通常以计算单元表示。图2-2 中阴影部分所示，即为 位于轴线 j 上的两跨框（排）架的计算单元，它的宽 度一般是相邻柱距的平均值。对于等柱距且无拔柱的 平面布置，显然只需取一个计算单元。否则，应当划 分数个计算单元。
2.1.1.2 横向框架及其截面选择
柱网布置
国家规范要求，在厂房的纵向或横向的尺度较大时， 一般应按表2-2 在平面布置中设置温度收缩缝，以避 免结构中衍生过大的温度应力。超出表中数值时，应 考虑温度应力和温度变形影响。双柱温度收缩缝或单 柱温度收缩缝原则上皆可采用，在地震域区宜布置双 柱收缩缝。
将柱距局部加大—拔柱。
通常在拔柱处设置一构件，如图中T1，上承屋架（其 他屋面结构），下传柱子，该构件为实腹式时称为托 梁，桁架式时称为托架。托梁和托架一般作成简支受 弯构件。
刚架承受的永久荷载包括：屋面恒载、屋架、檩条、 墙梁及刚架自重、围护结构自重等。它们一般换算为 计算单元上的均布面荷载考虑。
实腹式檩条的自重标准值选用均布荷载0.05～0.1kN/m2。
墙架结构自重标准值选用均布荷载0.25～0.42kN/m2， 檐高较大时相应取大者。
屋面活荷载不和屋面雪荷载同时考虑，因此只需在屋 面活荷载与雪荷载的标准值中取较大者计算。
上层柱间支撑除了要在下层柱间支撑布置的柱间设置 外，还应当在每个温度区段的两端设置。每列柱顶均 要布置刚性系杆。
下层柱间支撑的形式：
单层十字形 人字形
K形
Y形
单斜杆形
门形
门形
L形
下层柱间支撑的形式：
刚架形
双层十字形
柱间支撑的截面及连接均要由计算决定。
上层柱间支撑的形式：
十字形
人字形
K形
八字形
V形
（a）
（b）
吊车起重量不超过50t的中列柱可选取（c）类截面， 否则需做成（d）类截面；
截面类型（e）适合于吊车起重量较大的边列柱；
特大型厂房的下柱截面可做成（f）类截面。
(c)
(d)
(e)
(f)
2.1.1.3 柱间支撑
作用于厂房山墙上的风荷载、吊车的纵向水平荷载、纵向地震 力等均要求厂房具有足够的纵向刚度。这在结构上是通过合理 的柱间支撑和屋盖支撑的设置来实现的。
积灰荷载要注意局部增大系数。积灰荷载应与雪荷载 或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。
风荷载标准值与高度有关。在檐口高度和屋面坡度不 是很大时，可偏于安全地取屋脊处的风荷载标准值作 为整体刚架的风荷载标准值。否则，可取屋脊处的风 荷载标准值作为斜梁的风荷载标准值，而取檐口高度 处的风荷载标准值作为柱子的风荷载标准值。
横向水平支 撑计算简图
2.2 计 算 原 理
结构内力计算—将单层房屋结构简化为平面刚架。
2.2.1 荷载计算
在刚架的平面分析中，认为一个刚架仅承担一个计算 单元内的各种荷载。这些荷载包括永久荷载、可变荷 载及偶然荷载。它们原则上依据《建筑结构荷载规范》 （GB50009）进行计算。
可变荷载包括：屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、风 荷载及吊车荷载。
从耗钢量考虑，重型厂房中的承重柱一般采用阶梯形 柱。其下段通常取缀条格构式，而上段既可采用实腹 式，亦可采用格构式。
格构式柱
分离式承重柱的吊车肢和屋盖肢分别单独承担吊车荷 载和屋盖（包括围护结构）荷载。
双肢格构式柱是重型厂房阶形下柱的常见型式。 阶形柱的上柱截面通常取实腹式等截面焊接工字形或 类型（a）； 下柱截面类型要依吊车起重量的大小确定； 类型（b）常见于吊车起重量较小的边列柱截面；
(a)
(e) (c)
(f)
(b)
(g)
(d) 屋架的垂直支撑
(c) (a)
(d) (b)
(e)
天窗架的垂直支撑
（5） 系杆
没有参与组成空间稳定体的屋架，其上下弦的侧向支撑点 由系杆来充当，系杆的另一端最终连接于垂直支撑或上下弦横 向水平支撑的节点上。能承受拉力也能承受压力的系杆，叫刚 性系杆；只能承受拉力的系杆，叫柔性系杆。
每列柱都必须设置柱间支撑，多跨厂房的中列柱的柱间支撑宜 与其边列柱的柱间支撑布置在同一柱间。
通常将吊车梁上部的柱间支撑称为上层柱间支撑，吊车梁下部 的柱间支撑称为下层柱间支撑。
下层柱间支撑一般宜布置在温度区段的中部，以减少 纵向温度应力的影响。当温度区段长度大于150 m 或 抗震设防烈度为8度Ⅲ、Ⅳ 类场地和 9度时，应当增 设一道下层柱间支撑，且两道下层柱间支撑的距离不 应超过72m。
下弦横向水平支撑与上弦横向水平支撑设在同一柱间， 以形成空间稳定体。在组成空间桁架结构的相邻两榀 屋架的上弦和下弦平面内沿跨度全长设置。
横向水平支撑桁架的节间划分应与屋架节间相配合， 一般为4.5m～6.0m，个别可小至3.0m。因其杆件较长 而受力较小，通常采用交叉斜腹杆体系：交叉斜腹杆 常采用单角钢柔性杆，横腹杆采用双角钢组成的十字 形截面刚性杆。
屋盖支撑作用示意图
a-上弦横向水平支撑 b-下弦横向水平支撑
来自百度文库
c-垂直支撑
d-檩条或大型屋面板
2.1.3.2 屋盖支撑的布置
（1）上弦横向水平支撑： 一般在房屋或每个温度区 段的两端各设置一道，区段较长时还应在中间增设一 道或几道使其净距不超过60m。从受力考虑,端部横向 支撑最好设在端部第一开间，这样房屋端部抗风柱顶 荷载传给横向水平支撑更为直接；但当区段较长中间 也设横向支撑、且端部第一开间比其它开间缩进0.5m 时，常将端部横向支撑移到端部第二开间。
（4）垂直支撑
所有房屋中均应设置垂直支撑。梯形屋架在跨度L≤30m，三 角形屋架在跨度L≤24m时，仅在跨度中央设置一道（2-18a、 b），当屋架大于上述数值时宜在跨度1/3附近或天窗架侧柱 处设置两道（2-18c、d）。梯形屋架不分跨度大小，其两端 还应各设置一道（图2-17、2-18），当有托架时则由托架代 替。垂直支撑本身是一个平行弦桁架，根据尺寸的不同，一 般设计成图2-18（e、f）及（g）的形式。
2.1.2 桁架外形及腹杆形式
2.1.2.1 桁架的应用
桁架是指由直杆在端部相互连接而组成的格子式结构。 桁架主要承受横向荷载，在荷载作用下桁架整体受弯， 有些情况下还同时受拉和受压；但桁架中的杆件大部 分情况下只受轴线拉力或压力，应力在截面上均匀分 布，因而容易发挥材料的作用。桁架用料经济，结构 的自重小，易于构成各种外形以适应不同的用途。
(a) (b) (c)
(d)
(e) (f) (g)
2.1.2.3 确定桁架形式的原则 （1）满足使用要求 （2）受力合理 （3）制造简单及运输与安装方便 （4）综合技术经济效益好
2.1.3 屋 架 支 撑
2.1.3.1 屋盖支撑的作用
（1）保证屋盖结构的几何稳定性 （2）保证屋盖的刚度和空间稳定体 （3）为弦杆提供适当的侧向支承点 （4）承担并传递水平荷载 （5）保证结构安装时的稳定与方便
一般地，在跨度≥30m、高度≥14m、吊车额定起重量 ≥50t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较为适宜。位于软弱地基上的重型厂 房，应采用较大柱距。在一些工业部门，为了满足工 艺要求，厂房亦可呈多跨形式（如图2-2所示）。
天窗架的垂直支撑，一般在两侧设置(图2-19a)，当天窗的宽 度大于12m时还应在中央设置一道(图2-19b)。两侧的垂直支 撑桁架，考虑到通风与采光的关系常采用图2-19(c)及(d)的 形式，而中央处仍采取与屋架中相同的形式（图2-19e）。
沿房屋的纵向 ，屋架的垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布 置在同一柱间（图2-16、图2-17）。
吊车按照使用的繁重程度分为八个工作级别，称为 A1～A8（或以轻、中、重和特重四个工作制等级来划
单层厂房构造简图 1-柱；2-屋架；3-吊车梁；4-天窗架；5-柱间支撑
2.1.1.1 柱网布置和计算单元
厂房的柱网布置要综合考虑工艺、结构和经济等诸多 因素来确定，同时还应注意符合标准化模数的要求。
第 2 章 重型厂房结构设计
重型厂房特点：跨度大、高度大、吨位大。 综合分析可靠性，耐久性和经济性表明，重型工业厂 房最适宜采用全钢结构建造。
2.1 结构形式和结构布置
2.1.1 一般说明
重型厂房一般取单层刚（框）架结构形式，其屋顶既 可采用 钢屋架-大型屋面板结构体系，亦可采用钢屋 架-檩条-轻型屋面板结构体系，或横梁-檩条-轻型屋 面板结构体系。
重型厂房的柱脚通常做成刚接，这不仅可以削减柱段 的弯矩绝对值（从而减小柱截面尺寸），而且增大横 向框架的刚度。
横梁与柱子的连接：铰接 和 刚接
刚接—刚接框架：对一些刚度要求较高的厂房（如设 有双层吊车，装备硬钩吊车等），尤其是单跨重型厂 房，宜采用刚接框架。
铰接—铰接框架：在多跨时，特别在吊车起重量不很 大和采用轻型围护结构时，适宜采用铰接框架。