重型厂房结构设计

重级 A6,A7
特重级 A8
2.1.1.1 柱网布置和计算单元
• 柱网布置： • 就是确定单层厂房钢结构承重柱在平面上
的排列，即确定它们的纵向和横向定位轴 线所形成的网格。单层厂房钢结构的跨度 就是柱纵向定位轴线之间的尺寸，单层厂 房钢结构的柱距就是柱子在横向定位轴线 之间的尺寸 。幻灯片 16
下式定出：
截面选择
• 框架柱按结构形式可分为等截面柱、阶形 柱和分离式柱三大类。
• 柱截面有实腹式和格构式两种，重型工业 厂房通常采用格构式。等截面柱将吊车梁 支于牛腿上，构造简单，但吊车竖向荷载 偏心大，只适用于吊车起重量Q<150kN，或 无吊车且房屋高度较小的轻型钢结构中。
•
• 阶形柱也可分为实腹式和格构式两种。从经济角 度考虑，阶形柱由于吊车梁或吊车桁架支承在柱 截面变化的肩梁处，荷载偏心小，构造合理，其 用钢量比等截面柱节省，因而在单层厂房钢结构 中广泛应用。阶形柱还根据房屋内设单层吊车或 双层吊车做成单阶柱或双阶柱。
• 厂房结构形式的选取不仅要考虑吊车的起 重量，而且还要考虑吊车的工作级别及吊 钩类型，对于装备A6~A8级（重级工作制） 吊车的车间除了要求结构具有大的横向刚 度外，还应保证足够大的纵向刚度。
纵向刚度 横向刚度
柱间 支撑
屋架与柱子 刚性连接
柱子与基础 刚性连接
柱的截面验算
• 厂房柱主要承受轴向力N，框架平面内的弯 矩Mx、剪力Vx；有时还要承受框架平面外 的弯矩My。
• 分离式柱由支承屋盖结构的屋盖肢和支承吊车梁或吊车桁 架的吊车肢所组成，两柱肢之间用水平板相连接。吊车肢 在框架平面内的稳定性就依靠连在屋盖肢上的水平连系板 来解决。屋盖肢承受屋面荷载、风荷载及吊车水平荷载， 按压弯构件设计。吊车肢仅承受吊车的竖向荷载，当吊车 梁采用突缘支座时，按轴心受压构件设计；当采用平板支 座时，仍按压弯构件设计。分离式柱构造简单，制作和安 装比较方便，但用钢量比阶形柱多，且刚度较差，只宜用 于吊车轨顶标高低于10m、且吊车起重量Q≥750kN的情况， 或者相邻两跨吊车的轨顶标高相差很悬殊，而低跨吊车的 起重量Q≥500kN的情况。
肩梁
单臂肩梁 （图2-7a）
双臂肩梁 （图2-7a）
构造要求：肩梁惯 性矩宜大于上柱的 惯性矩，其线刚度 与下柱单肢线刚度 之比一般宜不小于 25，其高跨比可控 制在0.35～0.5之 间。
双臂肩梁：刚度大，整体性好，适宜用于柱截 面宽度较大（不小于900mm)的情形。
单壁式肩梁
• 肩梁只有一块腹板，为单壁式肩梁。
托架：h ( 1 ~ 1)l 10 5
2.1.1.2 横向框架及其截面选 择
横向框架 1.类型 1)按跨度：单跨、双跨和多跨 2)按静力计算模式
横梁与柱刚接、横梁与柱铰接
（a）
（b）
（c）
横梁与柱铰接的框架，在传统单层厂房钢 结构中常可见到。由于其横向刚度较差， 常不能满足吊车使用上的要求，因此这种 结构类型现在很少采用。
1.影响柱网布置因素：
1）生产工艺流程要求： 2）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。 3）经济要求： 4）模数要求：柱距L的取值: 一般地，在 跨度不小于30m、高度不小于14m、吊车额定 起重量不小于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较适宜。
横梁与柱刚接的框架具有良好的横向刚度， 但对于支座不均匀沉降及温度作用比较敏 感，需采取防止不均匀沉降的措施。轻钢 厂房采用的门式刚架属于横梁与柱刚接， 而且由于结构自重与传统单层厂房钢结构 相比大为减轻，沉降问题不甚严重，因而 是一种较好的结构形式。
2.主要尺寸 1)跨度：一般为3米的倍数。 框架的主要尺寸如图所示。框架的跨度，可由
此外，还有一些次要的构件如梯子、走 道、门窗等。在某些单层厂房钢结构中，由于工 艺操作上的要求，还设有工作平台。
屋盖结构体系：
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的对应关系
工作制等级 轻级
中级
工作级别 A1～A3 A4,A5 （按照吊车使用的频繁程度）
• 温度伸缩缝最普遍的做法是设置双柱。即在缝的两旁布置 两个无任何纵向构件联系的横向框架，使温度伸缩缝的中 线和定位轴线重合；在设备布置条件不允许时，可采用插 入距的方式，将缝两旁的柱放在同一基础上，其轴线间距 一般可采用1m，对于重型厂房由于柱的截面较大，可能要 放大到1.5m或2m，有时甚至到3m，方能满足温度伸缩缝的 构造要求。为节约钢材也可采用单柱温度伸缩缝，即在纵 向构件（如托架、吊车梁等）支座处设置滑动支座，以使 这些构件有伸缩的余地。不过单柱伸缩缝使构造复杂，实 际应用较少。 当厂房宽度较大时，也应该按规范规定布置纵向温度 伸缩缝。
• 单阶柱的上柱，一般为实腹工字形截面， 选取最不利的内力组合，按压弯构件进行 截面验算。
• 阶形柱的下段柱一般为格构式压弯构件， 需要验算在框架平面内的整体稳定以及屋 盖肢与吊车肢的单肢稳定。
• 框架平面内的整体稳定：
N
mxM x
x A W1x (1x N
N
' Ex
)
f
• 计算单肢稳定时，应 注意分别选取对所验 算的单肢产生最大压 力的内力组合
N1
Rm a x
(N
Rmax) y2 a
(M
MR) a
式中Rmax ——吊车竖向荷载及吊车梁自重等所产生 的最大计算压力；
M ——使吊车肢受压的下段柱计算弯矩，包括的 作用；
N ——与相应的内力组合的下段柱轴向力； M R ——仅由作用对下段柱产生的计算弯矩，与同 一截面；
y2 ——柱截面重心轴至屋盖肢重心线的距离；
温度伸缩缝
温度变化将引起结构变形，使厂房钢结构产生温 度应力。故当厂房平面尺寸较大时，为避免产生 过大的温度变形和温度应力，应在厂房钢结构的 横向和纵向设置温度伸缩缝(temperature joint)。
温度伸缩缝的布置决定于厂房钢结构的纵向和横 向长度。纵向很长的厂房在温度变化时，纵向构 件伸缩的幅度较大，引起整个结构变形，使构件 内产生较大的温度应力，并可能导致墙体和屋面 的破坏。为了避免这种不利后果的产生，常采用 横向温度伸缩缝将单层厂房钢结构分成伸缩时互 不影响的温度区段。按规范规定，当温度区段长 度不超过下表的数值时，可不计算温度应力。
第2章 重型厂房结构设计
钢结构厂房的特点：承载能 力大，整体刚度大，抗震 性能好，耐热（但不耐 火），制做安装运输都方 便，因此在重型厂房及大 型厂房中应用很普遍。
1．大型冶金厂房： 炼钢车间、轧钢车间，
如鞍钢，首钢，武钢，宝 钢的主要厂房都是钢结构。
2．重型机械制造厂房，如大型电机装配车间， 通常大型装配车间配有双层吊车，这
• 将单肢看作桁架体系 的弦杆，按下式确定 两肢件的轴力
• 对缀条柱，按轴心受压构件的稳定验算公 式验算其单肢的稳定性。单肢的计算长度， 在弯矩作用平面内，取缀条体系节间的轴 线距离；在弯矩作用平面外，取两侧向支 承点间的轴线距离。
• 对缀板柱的单肢，尚应考虑剪力作用引起
的局部弯矩。将按
算得的剪力和压
• 阶形柱的上段由于截面高度h不大（无人孔时 h=400~600mm；有人孔时h=900~1000mm），并考虑 柱与屋架、托架的连接等，一般采用工字形截面 的实腹柱。
• 下段柱，对于边列柱来说，由于吊车肢受的荷载 较大，通常设计成不对称截面，中列柱两侧荷载 相差不大时，可以采用对称截面。下段柱截面高 度≤1m时，采用实腹式；截面高度≥1m时，采用 缀条柱
a ——下柱屋盖肢和吊车肢重心线间的距离。
• 当吊车梁为突缘支座时，其支反力沿吊车肢轴线 传递，吊车肢按承受轴心压力N1计算单肢的稳定 性。当吊车梁为平板式支座时，尚应考虑由于相 邻面两外吊的车 弯梁 矩支座反力差（R1-R2）所产生的框架平
M y R1 R2 e
• My全部由吊车肢承受，其沿柱高度方向弯矩的分 布可近似地假定在吊车梁支承处为铰接，在柱底 部为刚性固定，分布如图所示。吊车肢按实腹式 压的弯稳杆定验 性。算在弯矩My作用平面内（即框架平面外）
• 优点：减小两肢在框架平面内的计算长度,
•
两肢分别单独承担荷载 。
• 双肢格构式柱是重型厂房阶形下柱的常见 型式，下图是其截面的常见类型。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；吊车起重量不超 过50t的中柱可选取（c）类截面，否则需 做成（d）类截面；显然，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。
肩梁
连接阶形柱上、下段柱的部件。它将上段 柱的 轴心力、弯矩传给下段柱。
肩梁一般包括腹板(单 腹板或双腹板)、上部板 和下部板三部分。
肩梁要有足 够的刚度，使其在受力变形时，在上 段柱顶部相应产生 的水平变位和角变位保持在容 许范围之内;在下段往 的分肢中相应产生的弯矩 可以忽略不计，或由此弯矩 产生的应力与其它应 力的组合值不超过规定值。按最 不利组合求出肩 梁剪力和弯矩，并验算肩梁强度、肩梁 与上下段 柱的连接焊缝的强度和传递内力的加劲肋的 焊缝 的强度。
弯构件的实际剪力比较后，取其大者作为
构件的计算剪力，再按
确定作用在
单肢上的计算弯矩。在弯矩作用平面内， 按压弯构件验算单肢的稳定性。
• 考虑到格构式柱的缀材体系传递两肢间的 内力情况还不十分明确，为了确保安全， 还需按吊车肢单独承受最大吊车垂直轮压 Rmax进行补充验算。此时吊车肢承受的最 大压力为：
里主要是柱子的计算Leabharlann Baidu构造。
3．大型造船厂，火力发电厂，飞机制造车间， 过去，通常也做成平面结构，而近年
来，采用平板网架结构。
2.1 结构形式和结构布置
天窗架
屋架 柱
吊车梁 柱间支撑
单层厂房钢结构一般是由屋盖结 构、柱、吊车梁、制动梁（或制动桁架）、 各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系。 这些构件按其作用可分为下面几类：
• 幻灯片
拔柱：由于工艺要求或其它原因，有时需要将 柱距局部加大。如图2．2中，在纵向轴线B与 横向轴线L相交处不设柱子，因而导致轴线k和 m之间的柱距增大，这种情形有时形象地称为 拔柱。
托架（托梁）：上承屋架，下传柱子。
托梁：h ( 1 ~ 1)l 10 8
b (1 1 )l 5 2.5
• 当吊车梁为突缘支座时，将肩梁腹板嵌入吊车肢 的槽口。为了加强腹板，可在吊车梁突缘宽度范 围内，在肩梁腹板两侧局部各贴焊一小板，以承 受吊车梁的最大支座反力或将肩梁在此范围内局 部加厚。吊车梁为平板式支座时，宜在吊车肢腹 板上和吊车梁端加劲肋的相应位置上设置加劲肋， 如图所示。
• 外排柱的上柱外翼缘直接以对接焊缝与下柱屋盖 肢腹板拼接，上柱腹板一般由角焊缝焊于该范围 的上盖板上。单壁式肩梁的上柱内翼缘应开槽口 插入肩梁腹板，由角焊缝连接，受力如图所示：
• 计算内力可近似按下式计算：
R1
N1 2
M1 a1
式中 M1、N1——上柱下端使R1绝对值最 大的最不利内力组合中的弯矩和轴压力；
a1——上柱两翼缘中心间的距离。
• 肩梁腹板按跨度为a，受集中荷载R1的简支 梁计算，如图所示。肩梁与下柱屋盖肢的 连 下接柱焊吊缝车按肢肩 的梁 连腹 接板 焊反 缝力 按肩RA梁计腹算板，反肩力梁R与B 计算。当吊车梁为突缘支座时应按 （Rmax+RB）计算，Rmax为吊车荷载传给柱 的最大压力。这些连接焊缝的计算长度应 取不大于60hf，而hf≥8mm。
(1)横向框架 由柱和它所支承的屋架或屋
盖横梁组成，是单层厂房钢结构的主要承 重体系，承受结构的自重、风、雪荷载和 吊车的竖向与横向荷载，并把这些荷载传 递到基础。 (2)屋盖结构 承担屋盖荷载的结构体系，
包括横向框架的横梁、托架、中间屋架、 天窗架、檩条等。
（3）支撑体系 包括屋盖部分的支撑和柱间支撑等， 它一方面与柱、吊车梁等组成单层厂房钢结构的 纵向框架，承担纵向水平荷载；另一方面又把主 要承重体系由个别的平面结构连成空间的整体结 构，从而保证了单层厂房钢结构所必需的刚度和 稳定。 (4)吊车梁和制动梁（或制动桁架）主要承受吊车 竖向及水平荷载，并将这些荷载传到横向框架和 纵向框架上。 (5)墙架 承受墙体的自重和风荷载。