工学单层厂房钢结构

工学单层厂房钢结构

第九 章 单层厂房钢结构 §9-1 单层厂房钢结构的组成 另有一些单层厂房有天窗架、操作平台等附加钢结构，其基本组成仍然同上表，只是根据实际需要加上附加结构即可。 按其作用分为如下几部分： 1. 横向框架 2. 屋盖结构 3. 支撑系统 4. 吊车梁和制动梁 5. 墙架 单层厂房钢结构受力体系 单层厂房钢结构的受力主要有三类：吊车荷载、风荷载、其它竖向荷载。地震区还有地震作用。 （一）吊车荷载的传力过程如下图所示 （二）风荷载的传力过程如下图所示 （三）其它竖向荷载的传力过程如下图所示 9.1.2 柱网布置温度伸缩缝的布置 一、柱网布置的要求 单层厂房中横向框架柱和纵向框架柱形成一个柱网。柱网布置主要是 根据工艺、结构与经济的要求确定 。此外还要考虑建筑内其它部分与柱网的协调，如基础、地下管道、烟道、地坑等。 工艺要求柱的位置与车间内机械、起重、运输设备相协调，符合生产流程，还要考虑生产过程的可能变动。例如，一个双跨钢结构制造车间，其生产流程是零件加工。中间仓库，拼焊连接顺着厂房纵向进行，但横向需要连系，在中部要有横向通道，因此中列柱中部柱距较大， 见图 ，部分中列纵向框架有托架，柱距为 12 米。结构要求柱间距尽可能相等，通常纵向柱距为 6 米，跨度较大的横向框架采用轻钢结构屋面及外墙时，纵向柱距可增大到 7.5 米、 9 米等。 图 双跨钢结构厂房柱网布置 柱距过大，屋盖结构和吊车梁重量增加；反之柱与基础材料增多，因此要比较分析。但确定柱距时，要符合模数制。对于传统厂房，以 3 米为模数；对于新型的轻钢厂房，模数的限制可适当放宽， 1 米、 1.5 米均可。 二、温度影响的考虑 当厂房平面尺寸很大时，由于温度影响会使构件内产生很大的温度应力，并导致墙和屋面的破坏，因此要设横向和纵向温度缝，见 图 。 横向温度缝将厂房分成若干互不影响的温度区段，温度缝的最大间距一般为 180-220 米，后 者为采暖厂房和非采暖区的厂房。若超出上述间距而不设温度缝，则需计算温度应力。 温度缝是将纵横向框架完全断开，在缝的两边分别设置相互没有连系的框架，缝的间距ｃ＝ 1.0 ～ 2.0 ｍ。这是对传统维护材料的厂房而言的，对于轻钢厂房，往往采用在维护板中消除温度应力的构造措施来解决问题。因而可以减小缝的间距ｃ。 温度缝两边的框架间距可以保持原来的模数，此时每设一个温度缝厂房长度将加大 1 ～ 2 米。同时建筑面积、屋面板类型、吊车梁类型、檩条类型均有所增加。也可以采用温度缝中心线在框架间距模数尺寸内，即温度缝相邻的两框架间距略小于模数，使厂房总长度不变。纵向温度缝与横向温度缝布置相同，整排纵向框架断开，中间设互不连系的温度缝， 纵向温度缝间距一般为 100 ～ 120 米 ，即多跨厂房横向总宽度较大时需设纵向温度缝。但由于其构造较复杂，有 4 个柱在纵、横向温度缝处相交，因此，可适当加强结构构件而不设置纵向温度缝。在轻钢结构屋盖中，常采用可在一定范围内水平滑移的屋面板减小温差效应。 §9.2 厂房结构的横向框架 一、框架的类型 厂房的基本承重结构通常采用框架体系。这种体系能够保证必要的横向刚度，同时其净空又能满足使用上的要求。 横向框架按其静力计算模式来分，主要有横梁与柱铰接（ 图 ）和横梁与柱刚接（图）两种情况。如按跨度来分，则有单跨、双跨和多跨。 横梁与柱铰接的框架，在传统厂房结构中常可见到。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。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厂房相比大为减轻，故沉降问题不甚严重。因而是一种较好的结构形式。 二、横向框架的主要尺寸 图 表示框架的主要尺寸。框架的跨度见式（ 9-1 ）。 （ 9-1 ） 框架跨度常采用 3 米的倍数，即 l=24m ， 27m ， 30m ， 33m ， 36m 等。对于一般用途的电动桥式吊车和某些特殊用途的吊车，ｃ和ｃ  的数值可参考 表 的数值选用，同时必须满足： （ 9-2 ） ── 吊车和柱之间必要的空隙； ──框架边柱和中柱上段柱的截面宽度。 式中， d ── 吊车桥架尾部长度； 吊车外缘与厂房柱之间的净空尺寸ｍ 1 应不小于 80 ｍｍ（吊车起重量不大于 500kN 时）或不小于 100 ｍｍ（吊车起重量大于或等于 750kN 时）。对于冶金车间的吊车或重级工作制的吊车，当在吊车和柱之间需要有足够宽的安全过道时，则不得小于 400 ｍｍ。如上段柱的截面宽度大于 800 ｍｍ时，则过道可以穿过柱内的人孔，见 图 ，这时ｍ 1 的数值就不必加大。 框架从柱脚底面到屋架下弦底部的距离（见 图 ）为： （ 9-3 ） 式（ 9-3 ）中 h 1 尺寸为自吊车轨顶至起重小车顶的桥架总高，已加上由于考虑制造和安装的可能误差所留的空隙 100 ｍｍ，以及考虑屋架的挠曲和下弦支撑角钢的下伸所留的空隙 150 ～ 200 ｍｍ。 为从地面到吊车轨顶的距离，由生产要求决定， 一般为 600 ｍｍ的倍数。为柱脚底部在地面以下的深度，中型车间一般为 0.8 ～ 1.0 ｍ，重型车间为 1.0 ～ 1.2 ｍ。由地面到屋架下弦底部的高度 一般为 300 ｍｍ的倍数。 三、框架横梁的形式及其应用范围 横向框架的横梁有 实腹式和桁架式 两种。 横向框架的实腹式横梁通常采用由三块钢板焊接成的工字形截面，两端与柱顶刚接形成门架，其高度约为跨度的 1/25 ～ 1/45 。它的优点是建筑高度小，制造省工，运输方便。实腹式横梁本身高度较小，故在 轻钢厂房 中运用较多。 横向框架上端为刚接的桁架式横梁一般采用平行弦、梯形和多边形的桁架，而为铰接的桁架式横梁则采用三角形桁架。 多边形桁架和梯形桁架在重型厂房中应用较广。当桁架跨度很大或屋面坡度较陡（ 1/4 ～ 1/5 ）时，可将天窗架范围内的上弦杆拉平或将下弦起拱，见 图 a ）和 c ）， 以减小屋架中部的高度。图中ｃ）所示的桁架，由于下弦起拱，对柱有推力，不利于结构的安装和受力，需加注意。 为了保证桁架与柱的连接具有足够刚度，桁架端部的高度 不宜过小，通常为跨度 的 1/10 ～ 1/16 ，并为 200 ｍｍ的倍数。桁架中部的适宜高度为 /8 ～ /10 。在确定桁架高度时尚应考虑运输条件的限制。 桁架的腹杆通常采用有竖杆的三角形体系。节点划分应配合天窗的宽度和屋面板（或压型钢板）的经济跨度，其数目最好是 4 的倍数，以利支撑布置。且使所布置支撑与横梁的夹角接近于 45  ，以利支撑受力。当桁架跨度较大、高度较高时，也可采用再分式腹杆体系。 四、厂房横向框架柱的形式及其应用范围 厂房横向框架柱按其形式可分为等截面柱、均匀变截面柱、台阶式柱和分离式柱。 等截面柱（ 图 ａ）通常做成工字型截面，吊车梁支承在牛腿上。这种形式适用于吊车起重量小于 200kN 的车间。 均匀变截面柱（ 图ｇ ）为变高度的 H 型截面，大量用于轻钢结构厂房，经济性好，施工便利。 台阶式柱（图ｂ及ｃ）在传统型厂房中较为常用。有单阶和双阶之分。 图 厂房柱的形式 图 吊车梁的类型 a ）制动梁 b ）制动桁架 a ）制动梁 b ）制动桁架 图 制动梁和制动桁架 分离式柱（图ｄ）将吊车支柱和组成横向框架的支柱分离，其间用水平连系板连系起来。因为水平连系板在竖向的刚度与吊车柱抗压刚度相比很小，故认为吊车竖向荷载仅传至吊车支柱而不传给框架支柱。分离式柱一般较台阶式柱费钢材，上部刚度较小。但在吊车起重量较大而厂房高度小于 18 ｍ时，采用分离式柱比较经济；如果厂房有扩建的可能，且扩建时希望不受吊车荷载的牵制，则可采用分离式柱；在吊车荷载大而厂房用压型钢板做屋面板时，分离式柱也可能是较经济的。 第 3 节 支撑体系 一、支撑体系的作用 单层厂房的支撑体系如 图 所示，一座没有设置支撑的单跨厂房结构，受力后有以下一些重要问题： （ 1 ）屋架上弦出平面（垂直屋架平面）的计算长度等于屋架的跨度，实际上无法保证上弦出平面的稳定性。在这里平行铺设的檩条对弦杆不能起侧向固定支撑的作用，因为当所有弦杆同步以半波形式侧向鼓凸时，所有檩条也将随之平移而不起支撑作用。同样，屋架下弦受拉杆件出平面的计算长度也太大，特别当屋架端部刚接、端节间下弦杆受压时，出平面稳定问题就更为严重。 （ 2 ）作用在端墙上的水平风力，一部分将由端墙抗风柱传递至厂房端部屋架的下弦（或上弦）节点。如屋架的弦杆不与相邻屋架的相应的弦杆利用支撑组成水平桁架，则它在风力作用下将发生水平弯曲，这是远非一般屋架的弦杆所能承受的。此外，由于柱沿厂房纵向的刚度很小，且柱与基础的连接在这个方向近似铰接，吊车梁又均简支固定于柱上，因此由柱及吊车梁等构件组成的纵向框架，在上述风力及吊车的纵向制动力等作用下，将产生很大的纵向变形或振动，甚至有使厂房倾倒的危险。 （ 3 ）当某一横向框架受到水平荷载时（如吊车的横向制动力），由于各个横向框架之间没有用在水平面中具有较大刚度的下弦纵向支撑连系起来，不能将荷载分布到邻近的横向框架上去，因此必须由这个横向框架单独承担。这样，结构的横向刚度将会显得不足，侧移和横向振动较大，影响结构的使用性能和寿命。 （ 4 ）由于托架在横向水平方向的刚度极小，所以支撑在托架上的中间屋架不很稳定，容易沿屋架轴向发生振动，托架也容易发生变形、失稳。 （ 5 ）在横向框架之间的间距较大时须在框架柱之间设立墙架柱以承担作用在纵（横）向墙上的水平风力，可是若无纵向（横向）水平支撑，墙架柱的上端无法设支撑点。 （ 6 ）在安装过程中，由于屋架的跨度较大，而它的侧向刚度又很小，故很容易倾倒。 （ 7 ）由于各个横向框架之间缺乏连系，因此除了结构的横向和纵向刚度不足以外，如果厂房受到斜向或水平扭转力时，则在局部或整体结构中将产生较大的歪斜和扭动。 由此可见，支撑体系是厂房结构的重要组成部分。适当而有效的布置支撑体系可将各个平面结构连成空间整体，保证厂房结构具有足够的强度、刚度和空间稳定性来可靠地承担所有的作用荷载，保证结构的正常使用。 二、屋盖支撑 常用的屋盖支撑包括：屋架上弦横向和纵向支撑，屋架下弦横向和纵向支撑。屋架竖向支撑，天窗架支撑以及相应的系杆等。 关于屋盖支撑的作用、形式、布置、计算原则和构造方法等详见屋盖知识点的内容，这里不再重复。 三、 柱间支撑 柱间支撑分为两个部分：在吊车梁以上的部分称为上层支撑，吊车梁以下的部分称为下层支撑。 （一）柱间支撑沿 厂房长度方向的 布置 1 ．下层支撑 当采用压型钢板等在厂房纵向有一定变形能力的维护材料时，一般上下层支撑同时布置在厂房两端（或近端跨），如下 图 c) 。 图 柱间支撑的布置 当采用传统的刚度较大的维护材料为墙和屋面时，下层支撑应布置在温度区段的中部，使厂房结构在温度变化时能较自由地从支撑架向两面伸缩，从而减小纵向构件及支撑架中的温度应力。但此时所有的纵向水平力均需通过吊车梁传递。温度区段长度小于 90 ｍ的厂房，可以在区段的中央设置一道柱间支撑（ 图 a ）；区段长度超过 90m 时，则应在长度的 1/3 处各布置一道柱间支撑（ 图 b ），以免传力路线太长而影响结构的纵向刚度。 在短而高的厂房中，下层支撑也可布置在厂房的两端（图 c ）。 2 ．上层支撑 上层支撑应布置在温度区段的两端以及有下层支撑的开间中（图）。为了传递从屋架下弦横向支撑传来的纵向风载，在温度区段的两端设置上层支撑是必要的。由于上段柱的刚度一般都较小，不会引起很大的温度应力，因此可在温度区段的两端设置单斜杆式的上层支撑。其余上层支撑可采用交叉腹杆体系或其他形式。 （二）柱间支撑形式 1 ．下层支撑 下层支撑以交叉腹杆体系最为经济且刚度较大。在某些车间中，往往由于生产上的要求，不可能采用交叉腹杆体系的下层支撑。在这种情况下，门式支撑（下 图 a 、 b 、 c ）是最常用的一种。这种支撑形式可以利用吊车梁作为门框式支撑的横梁（图 a 及 b ），也可另设横梁（ 图 c ）。但是，将支撑直接连在吊车梁上（图 a ）不是一种很好的方案，因为这时支撑构件除了承受纵向水平风载和吊车纵向制动力外，还要承受巨大的吊车竖向荷载，所以很费钢材，而且在构件截面组合和构造方面也存在许多困难。图 b 所示的支撑形式避免了上述不足，但支撑构件的计算长度很大，因此其中部分杆件可按拉杆设计（图 b 中实线所示），此时图中虚线杆件则退出工作。另外设横梁的门框式支撑（图 c ），由于能很好的满足刚度以及构造方面的要求，用钢量相对较节约，所以比较常用。 图 门框式柱间支撑 2 ．上层支撑 上层支撑形式有十字交叉形、八字形和人字形等，而以十字交叉形最为构造简单、传力直接和节约材料，因此使用最为普遍。 （三）柱间支撑在柱侧面的位置 柱间支撑在柱截面上的位置按下述原则确定。①等截面柱的上下层柱间支撑以及台阶式柱的上层支撑应布置在柱的轴线上（ 图 a 、 b 、 c 中虚线所示）；若有人孔时，则移向两侧布置（图 d ）。②在台阶式边列柱的下层支撑，若外缘有大型板材或墙梁等构件牢固连接时，支撑可只沿柱的内缘布置（图 a ）；否则内外缘两侧均需布置。③在中列柱中，柱的两侧均需布置下层支撑（图 b ），且在柱两侧布置的支撑之间需用杆件连系起来（图 e ）。 图 柱间支撑在柱子截面中的位置 （四）柱间支撑的计算原则 柱间上层支撑主要承担屋架上、下弦横向支撑传来的纵向风力，有时还承担作用于厂房纵向的其他水平荷载，如固定于厂房上的管道设备的纵向推力等。 柱间下层支撑承受山墙抗风桁架传来的纵向风载和吊车纵向制动力，连于吊车梁上的门框式支撑（ 图 a ）还要承受竖向的吊车荷载。 上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大，而引起较大的温度应力，支撑腹杆按柔性拉杆计算。交叉体系的下层支撑当吊车较小时一般用圆钢，吊车较大时通常由角钢或槽钢。交叉斜杆常按拉杆设计，但为了提高厂房的纵向刚度，当吊车较大时应按压杆设计。 （五）柱间支撑的连接 支撑与柱的连接一般采用焊接连接或高强度螺栓连接。当采用焊接时，焊缝厚度不宜小于 6 mm ，焊缝长度不宜小于 80 mm 。为了安装方便，在安装节点处的每一支撑杆件的端部设有两个安装螺栓。支撑与柱的连接节点 如图 所示。 a) 柱间支撑下端与柱的连接 b) 柱间支撑上端与柱焊缝连接 c) 柱间支撑上端与柱用螺栓连接 图 柱间支撑与柱的连接 第四节 屋盖结构 一、屋盖结构布置（一）屋盖结构组成 在工业与民用房屋建筑中，钢屋盖结构主要由屋面板、檩条、屋架、托架、天窗架和支撑等构件组成。 屋架的跨度和间距取决于柱网布置，而柱网布置则取决于建筑物工艺要求和经济要求。当屋架跨度较大时，为了采光和通风需要，屋盖上常设置天窗。当柱网间距较大，超出屋面板长度时，应设置中间屋架和柱间托架，中间屋架的荷载通过托架传给柱（图）。 屋架与屋架之间应布置支撑，以增强屋架的侧向刚度，传递水平荷载和保证屋盖体系的整体稳定。因此屋盖支撑是屋盖结构中不可缺少的组成部分。 （二）屋盖体系分类 根据屋面材料和屋面布置情况屋盖可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种。 当屋面采用大型屋面板时，屋面荷载可直接通过大型屋面板传递给屋架而无需通过檩条，这种屋盖体系称为无檩屋盖（ 图 ）。当屋面采用轻型材料如石棉瓦、瓦楞铁、压型钢板和铁丝网水泥槽板等时，屋面荷载要通过檩条再传递给屋架，这种屋盖体系称为有檩屋盖（ 图 ）。 无檩屋盖体系和有檩屋盖体系各有优缺点。无檩屋盖体系优点是屋盖横向刚度大，整体性好，构造简单，施工方便等；其缺点是屋盖自重大，不利于抗震，其多用于有桥式吊车的厂房屋盖中。有檩屋盖体系优点是构件重量轻，用料省；其缺点是屋盖构件数量较多，构造较复杂，整体刚度较差。屋盖结构的布置要根据建筑物使用或工艺要求，并综合考虑经济因素来确定。 无檩屋盖体系 有檩屋盖体系 屋盖支撑布置 二、屋盖支撑体系 （ 一）屋盖支撑作用 当采用平面屋架作为主要承重构件时，支撑是屋盖结构的必须组成部分。 屋盖支撑的主要作用如下：①保证屋盖结构的整体稳定。②增强屋盖的刚度。③增强屋架的侧向稳定。④承担并传递屋盖的水平荷载。⑤便于屋盖的安装与施工。 屋架是屋盖的主要承重结构，平面外的侧向刚度较小，各个屋架之间若仅由檩条或大型屋面板连系，而没有其他必要的支撑，则屋盖结构在空间是几何可变体系。因此需要用支撑把屋架合理地连接起来，形成稳定体系，以保证屋盖结构的空间稳定。设置支撑时一般先将屋盖两端的两榀相邻屋架用支撑连成稳定体系，然后用檩条或大型屋面板以及系杆将其余中间屋架与这两端稳定体系连接起来，形成几何不变的屋盖结构体系。如果沿屋盖结构的长度方向较长时，还应在中间设置 1 ～ 2 道横向支撑。 支撑可作为屋架弦杆的侧向支承点，减小弦杆在平面外的计算长度，增强受压上弦杆的侧向稳定，并使受拉下弦杆保持足够的侧向刚度，减小其在某些动力荷载作用下产生的屋架平面外的受迫振动。 屋盖支撑还可将作用于山墙的风荷载，悬挂吊车水平荷载及地震作用传递给房屋的下部支承结构。 另外，在安装钢屋架时，首先吊装有横向支撑的两榀屋架，将支撑和檩条与之连系形成稳定体系，然后再吊装其他屋架与之相连。 （二）屋盖支撑布置 屋盖支撑根据布置的位置可分为五种：上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑和系杆。各种支撑布置如 图 所示。 1. 上弦横向水平支撑 在有檩屋盖体系或无檩屋盖体系一般都应设置屋架上弦横向水平支撑，当有天窗架时，天窗架也应设置横向水平支撑。 上弦横向水平支撑布置在房屋两端或在温度缝区段的两端的第一柱间或第二柱间。横向支撑的间距不宜超过 60m ，因而当房屋长度超过 60m 时 , 在房屋长度中间还应设置一道或几道支撑。 2. 下弦横向水平支撑 当屋架跨度≥ 18m 时；屋架跨度虽小于 18m, 但屋架下弦设有悬挂吊车时；厂房内设有吨位较大的桥式吊车或其他振动设备时；山墙抗风柱支承于屋架下弦时，都应设置下弦横向水平支撑。 下弦横向水平支撑应与上弦横向水平支撑同一柱间内，以便形成稳定的空间体系。 3. 下弦纵向水平支撑 当房屋内设有重级工作制吊车或起重吨位较大的中，轻级工作制吊车时；房屋内设有锻锤等大型振动设备时；屋架下弦设有纵向或横向吊轨时；屋盖设有托架和中间屋架时；房屋较高，跨度较大，空间刚度要求高时，都应设置下弦纵向水平支撑。 下弦纵向水平支撑应设在屋架下弦端节间内，与上弦横向水平支撑组成封闭的支撑体系，提高了屋盖的整体刚度。 4. 垂直支撑 垂直支撑是使相邻两榀屋架形成空间几何不变体系的有效构件，保证屋架在使用和安装时的侧向稳定。 垂直支撑应设置在设有上弦横向支撑的柱间内，在屋架跨度方向还要根据屋架形式及跨度大小在跨中设置一道或几道。对于梯形屋架，当跨度≤ 30m 时，应在屋架跨中和两端的竖杆平面内各布置一道垂直支撑；当跨度 >30m 时，在无天窗时，应在屋架跨度 1/3 处和两端的竖杆平面内各布置一道垂直支撑，有天窗时，垂直支撑应布置在天窗架侧柱的两侧。对于三角形屋架，当跨度≤ 24m 时，应在跨中竖杆平面内设置一道垂直支撑；当跨度 >24m 时，应根据具体情况布置两道垂直支撑（ 图 ）。 垂直支撑除了在有上弦横向水平支撑的柱间设置外，为了保证屋架安装时的稳定，每隔 4 ～ 5 个柱间还应设置一道垂直支撑。 5. 系杆 系杆的作用是保证无横向支撑的其他屋架的侧向稳定，充当屋架上下弦的侧向支撑点。系杆有刚性系杆和柔性系杆。能承受压力的为刚性系杆，只能承受拉力的为柔性系杆。 上弦平面内，檩条和大型屋面板均可起刚性系杆作用，因而可在屋架的屋脊和支座节点处设置刚性系杆。下弦平面内，可在屋架下弦的垂直支撑处设置柔性系杆。 当房屋处于地震区时，支撑应有所加强，具体应按抗震规范的规定设置。 （ 三）屋盖支撑的形式，计算和构造 除系杆外屋盖支撑一般均为平行弦桁架形式（ 图 ）。桁架的腹杆采用十字交叉形式一般用于上弦横向，下弦横向及下弦纵向水平支撑（ 图 a ）。屋架的纵横向水平支撑桁架的节间，以组成正方形为宜，一般为 6x6m ，但也可根据实际情况组成长方形，如 6x3m 。垂直支撑的腹杆形式可根据桁架的宽高比例确定。当宽高较接近时，可用交叉斜杆（图 b ） ; 当高度较小时可用 V 及 W 式（ 图 c,d ），以避免弦杆与斜杆间的交角小于 30° 。 屋盖支撑受力较小，杆件截面通常可按容许长细比来选择。交叉斜杆和柔性系杆按拉杆设计，可采用单角钢；非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或 T 形截面。 当屋架跨度较大，房屋较高且基本风压也较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力，这样使原来的超静定体系简化为静定体系（ 图 ）。图中 W 为水平节点荷载，由风荷载或吊车荷载引起。 支撑与屋架的连接构造应尽量简单方便。角钢支撑与屋架一般用粗制螺栓连接，螺栓用 M20 ，支撑杆件每端至少两个螺栓。在有重级工作制吊车或有较大振动设备的厂房，除粗制螺栓外，还应加安装焊缝，焊缝长度≥ 80mm ，焊脚尺寸≥ 6mm 。当采用圆钢作支撑时，应用花篮螺栓预加拉力将圆钢拉紧。 竖向支撑布置 水平荷载作用下支撑内力计算简图 在确定钢屋架外形时，应满足 适 用、经济和制造安装 方便的原则。从满足使用要求出发，屋架的外形应与屋面材料排水的要求相适应。从满足经济要求出发，屋架的外形应尽量与弯矩图相近，以使屋架弦杆的内力沿全长均匀分布，能充分发挥材料的作用。腹杆的布置应使短杆受压，长杆受拉，且数量少而总长度短，杆件夹角宜在 30° ～ 60° 之间，最好是 45° 左右。还要使弦杆尽量 不产生局部弯矩 。从制造安装方便出发，屋架的节点要简单合理，节点数目宜少些；应使屋架的外形便于制造、运输和安装。 同时满足上述的要求是很困难的，因此要根据具体情况进行综合考虑，合理设计。 屋架的外形主要有三角形、梯形、矩形和曲拱形等。 普通钢屋架设计 （一）屋架形式选择 三角形屋架（ 图 a ）主要用于屋面坡度较大的有檩屋盖结构中，或中、小跨度的轻型屋面结构中。这种屋架多与柱子铰接连接，因此房屋横向刚度较小。由于三角形屋架的外形与均布荷载的弯矩图不相适应，因而弦杆的内力变化较大，支座处弦杆内力最大，在跨中最小，故弦杆截面不能充分发挥作用。若荷载和跨度较大时，采用三角形屋架就不太经济。 梯形屋架（图 b ）的外形与弯矩图比较接近，因而弦杆内力沿屋架跨度分布比较均匀，受力情况较三角形好，腹杆较短，与柱子的连接既可做成刚接，也可做成铰接。这种屋架一般用于屋面坡度较小的屋盖结构中，现已成为工业厂房屋盖结构的基本形式。 矩形屋架（ 图 c ）的上、下弦平行，腹杆长度相等，杆件类型少，节点构造统一，便于制造，能符合标准化、工业化的要求，但弦杆内力分布不均匀，这种屋架一般用于单坡屋面的屋架及托架或支撑体系中。 曲拱形屋架（ 图 d ）的外形最符合弯矩图，受力最合理，但上弦（或下弦）要弯成曲线形比较费工，如改为折线形则较好，这种屋架用于有特殊要求的房屋中。 屋架的外形 （ 二）腹杆体系 三角形屋架的腹杆体系有单斜杆式、人字式和芬克式。单斜杆式（ 图 a ）中较长的斜杆受拉，较短的竖杆受压，比较经济。人字式（图 b ）腹杆数较少，节点构造简便。芬克式（图 c ） 的腹杆受力合理，还可分为左、右两榀较小的桁架便于运输。 梯形屋架的腹杆体系可采用人字式和再分式。人字式（ 图 a ）的布置不仅可使受压上弦的自由长度比受拉下弦为小，还能使大型屋面板的主肋搁支在上弦的节点上，避免上弦产生局部弯矩。若节间长度过长，可采用再分式腹杆形式（图 b ）。 矩形屋架的腹杆体系可采用人字式、交叉式和 K 形。人字式（ 图 a ）的腹杆数目少，节点简单。交叉式（ 图 b ）常用于受反复荷载的桁架中，有时斜杆可用柔性杆。 K 形腹杆（图 c ）用在桁架高度较高时，可减小竖杆的长度。 曲拱形屋架的腹杆体系多为单斜杆式（ 图 ）。 （ 三）屋架主要尺寸确定 屋架的主要尺寸包括屋架的 跨度、高度、节间宽度 。 屋架的 跨度 （柱网轴线的横向间距）应按使用和工艺的要求确定，同时要考虑结构布置的合理性，并要与大型屋面板的宽度相配合，一般以 3m 为模数，因此屋架的跨度为 3 的倍数，有 12m 、 15m 、 18m 、 21m 、 24m 、 27m 、 30m 、 36m 等几种，也有更大的跨度。有檩屋盖结构中的三角形屋架跨度比较灵活，不受 3m 模数的限制，可以任意决定。屋架的计算跨度是屋架两端支座反力的距离，一般取支柱轴线之间的距离减去 300mm 。 屋架的 高度 应按经济、刚度、建筑等要求以及运输界限、屋面坡度等因素来确定。当屋架材料要求屋架具有较大的坡度时应采用三角形屋架，三角形屋架高度 h=(1/4 ～ 1/6)L( 跨度 ) 。梯形屋架坡度较平坦，屋架跨中高度应满足刚度要求，当上弦坡度为 1/8 ～ 1/12 时，跨中高度一般为（ 1/6 ～ 1/10 ） L ，跨度大（或屋面荷载小）时取小值，反之则取大值。梯形屋架的端部高度按下列不同情况取用：当屋架与柱铰接时为 1.6 ～ 2.2m ，刚接时为 1.8 ～ 2.4m 。端弯矩大时取大值，反之取小值。在确定端部高度后可根据屋面坡度计算出屋架的跨中高度，但最大高度取决于运输界限，如铁路运输界限为 3.85m 。 屋架上弦节间的划分应根据屋面材料而定，要尽量使屋面荷载直接作用在屋架节点上，避免上弦杆产生局部弯矩。若采用大型屋面板时，上弦节间长度应等于屋面板的宽度，一般取 1.5m 或 3m ；当采用檩条时，则根据檩条的间距而定，一般取 0.8m ～ 3.0m 。 （四）屋架荷载计算 (1) 荷载计算 ① 永久荷载：自重（屋面材料、檩条、支撑、屋架、天窗架等） 经验公式： 单位 ② 可变荷载：屋面活载 积灰荷载 雪荷载 风荷载 吊车荷载 其中，屋面活载与雪荷载不同时取用。 (2) 荷载组合 ① 满跨永久荷载 + 可变荷载 ② 满跨永久荷载 + 半跨可变荷载 ③ 满跨屋架、支撑、天窗架自重 + 半跨屋面材料重 + 半跨活载 （ 五）杆件计算长度与长细比 （ 六）杆件截面形式 屋架节点板厚度选用表 （七）杆件截面选择 （八 ）屋架节点设计 节点设计应做到传力可靠，构造简单。在普通钢屋架中一般采用节点板把汇交的各杆件连接在一起，各杆件的内力通过与节点板的焊缝取得互相平衡。 1. 节点设计的一般要求 ⑴ 为避免杆件偏心受力，焊接屋架各杆件的重心线应尽量与屋架的几何轴线重合，在节点处应交于一点。但考虑到制造方便，角钢肢背到屋架轴线的距离可取 5mm 的倍数。螺栓连接的屋架可采用靠近杆件重心线的螺栓准线为轴线。 ⑵ 当屋架弦杆沿长度改变截面时，为便于安装屋面构件，应使肢背齐平，并使两个角钢重心线之间的中线与屋架的轴线重合以减小偏心作用（ 图 ）。如轴线变动不超过较大弦杆截面高度的 5% ，在计算时可不考虑由此引起的偏心弯矩。 第六节 墙架 墙架一般由墙架梁和柱组成。墙架构件除了传递作用在墙面上的风力外，尚需承受墙身的自重，并传递至墙架柱或主要横向框架柱中，然后再传至基础。 在厂房端墙墙架平面中应布置一些竖向支撑，见 图 。这种支撑可作为屋架上下弦纵向支撑的加强支承，对提高厂房的横向刚度具有很大作用。 端墙中墙架柱的位置应与门窗和屋架下弦横向支撑的节点相配合（ 图 ）；当有困难时，应采取适当的构造措施如图 b 和 c ，使墙架柱的水平反力直接传至支撑节点上。端墙墙架柱不应承受屋架上的竖向荷载，因此柱上端与屋架应采用只能传递水平力的 “ 板铰 ” 连接（ 图 ）。在纵墙上，出于同样理由，墙架柱与托架亦采用相似的连接方式。 当端墙大门的宽度超过墙架柱间距时，被截断的墙架中间柱可支撑在截面特别加强的大门过梁上。 第七节 吊车梁 一、吊车梁的类型及其应用范围 吊车梁按支承情况可分为简支的和连续的。按结构体系可分为实腹式、下撑式和桁架式，见 图 。 实腹简支吊车梁应用最广，当跨度及荷载较小时，可采用型钢梁，否则采用焊接梁。连续梁比简支梁用料经济，但由于它受柱的不均匀沉降影响较明显，很少应用。 下撑式吊车梁和桁架式吊车梁用钢量较少，但制造费工、高度较大，在动力和反复荷载作用下工作性能不如实腹梁可靠，且刚度较差。 桁架式吊车梁的刚度大为提高，可用于跨度较大但起重量较小（一般小于 500 kN ）的吊车梁中。 吊车梁直接承受移动的集中轮压，轮压一般很大且具有动力作用，因此在选用钢材和结构形式时应考虑这些因素。特别是对重级工作制的吊车梁，应选用质量较高的钢材。 吊车梁除承受吊车竖向轮压外，还受横向水平力作用。因此必须加强吊车梁的上翼缘。最简单的办法是把上翼缘的钢板加厚加宽。但这种方法一般仅适用于跨度为 6 m 且吊车起重量不大于 300kN 的吊车梁中。对于跨度或起重量较大的吊车梁，应采用水平布置的制动梁或制动桁架来承受水平制动力，同时亦作为检修时的平台和走道，见 图 。吊车梁的上翼缘同时也是制动梁的翼缘或制动桁架的弦杆。 二、荷载计算和内力分析 作用在吊车梁上的荷载有：吊车竖向荷载、吊车横向水平荷载、吊车纵向水平荷载、制动梁或制动桁架的平台板上的荷载以及可能传递的屋面或墙架荷载。 （一）吊车竖向荷载 ── 竖向轮压动力系数，对轻、中级工作制的软钩吊车 , 对重级工作制的软钩吊车、硬钩吊车和其他特种吊车 ； 式中 ── 可变荷载分项系数，一般取 ； ── 吊车每个车轮的最大轮压；对于各类标准吊车，可在吊车规格中查得，厂家定型产品可在产品介绍中查找； 计算吊车梁的竖向荷载时，对作用于吊车梁上的走道荷载、积灰荷载、轨道、制动结构、支撑和梁的自重等，可近似地简化为将轮压乘以荷载增大系数 ，见下表。 荷载增大系数 （二）吊车横向水平荷载 吊车横向水平荷载由吊车横向制动引起，其值用下式计算。 横向水平制动力动力系数 吊车的横向水平制动力，可按横行小车重量与额定最大起重量之和的百分数采用。荷载等分作用在吊车桥架二边轨道由各轮平均传至轨顶，方向与轨道垂直，并考虑正反二个方向。 1 ．对于软钩吊车： kN 时， 2 ．对于硬钩吊车： 式中 ──吊车额定起重量； ── 小车自重，可在吊车规格中查得，对于非标准 吊车，可近似地取 ； ── 吊车桥架的总轮数。 （三）吊车纵向水平荷载 吊车纵向水平荷载由吊车纵向制动产生，按下式计算。 式中 ──可变荷载分项系数，一般取 ； ──吊车每个制动轮的纵向水平制动力，取 ； ──吊车每个制动轮的最大轮压。 吊车纵向水平制动力的作用点位于制动轮与轨道的接触点，方向与轨道一致。 （四）制动梁或制动桁架的平台板上的竖向荷载 吊车梁走道上的活荷载一般可取 2kN/m 2 ，或按工艺资料取用。制动梁或走道板上的积灰荷载则近似地取：平炉车间 0.5k N/m 2 ，转炉车间 1kN/m 2 ，出铁场 1kN/m 2 。 （五）当吊车梁与辅助桁架还承受屋盖或墙架的荷载时，应按实际情况计算。 当几台吊车共同作用时，各台吊车的荷载均同时达到额定最大起重量，且小车在桥架上的位置、大车（桥架）在承重结构（吊车梁或横向框架）上的位置，均同时使结构处于最不利状态，此时将对结构产生最大效应。但是这种状态出现的概率是很小的，故规范规定计算横向框架时，多台吊车的竖向荷载和水平荷载的标准值应乘以下表的荷载折减系数 。 多台吊车的荷载折减系数 当考虑多台吊车竖向荷载的组合时，对一层吊车的单跨厂房的每个横向框架，参与组合的吊车台数不多于两台；对一层吊车的多跨厂房的每个横向框架，不多于四台。 当考虑多台吊车的水平荷载的组合时，对单跨或多跨厂房的每个横向框架，参与组合的吊车台数不应多于两台。对于多层吊车的单跨或多跨厂房的每个横向框架，参与组合的吊车台数及荷载的折减系数应按实际情况考虑。 计算吊车梁及制动结构的强度、挠度、局部稳定及疲劳强度的计算力和吊车台数组合见下表。 从上表得到各项计算力及吊车台数后，即可进行吊车梁及制动结构的内力分析。竖向荷载全部由吊车梁承受，横向水平制动力由制动结构承受。纵向水平制动力由吊车梁支座处下翼缘与柱子的连接来承受并传递到专门设置的柱间下部支撑中，它在吊车梁内引起的轴向力和偏心力矩可忽略不计。吊车梁的上翼缘同时也是制动梁的翼缘或制动桁架的弦杆，因此吊车梁上翼缘需考虑竖向和横向水平荷载共同作用产生的应力。 在选择和验算吊车梁的截面前，必须算出吊车梁的绝对最大弯矩和最大剪力，以及相同轮位下制动结构的弯矩和剪力。竖向轮压是若干个保持一定距离的移动集中荷载。当车轮移动，在吊车梁上引起的最大弯矩的数值和位置都将随之改变。因此需首先用力学方法确定使吊车梁产生最大内力（弯矩和剪力）的吊车轮压所在位置，即所谓“最不利轮位”。然后分别计算吊车梁的最大弯矩和最大剪力。当起重量较大时，吊车车轮较多，且常需考虑两台吊车同时工作，因此不利轮位可能有几种情况，分别按这几种不利情况求出相应的弯矩和剪力。从而求得吊车梁的绝对最大弯矩和最大剪力，以及相同轮位下制动结构的弯矩和剪力。 三、焊接实腹吊车梁的截面选择 （一）梁的高度 在确定吊车梁的高度时，应考虑到经济要求、刚度要求、建筑净空要求和腹板钢板规格。 1 ．经济要求 2 ．刚度要求： 近似地把吊车梁作为受均布荷载的简支梁，则其相对挠度为： 实际工程经验发现，重级工作制吊车梁上翼缘和腹板的连接焊缝（焊透的 K 形坡口缝）常出现疲劳裂缝，故在选定此类吊车梁的腹板厚度时宜略大些，以增大焊缝厚度，并严格检查焊缝的施工质量。 （三）翼缘尺寸 腹板高度 和厚度 确定后，可用下式求得翼缘所需的面积 , 从而决定其宽度 和厚度 ： 式中系数 1.1 适用于起重量小于 kN 的吊车梁。而 1.2 适用于起重量大于 kN 的吊车梁 ( 上翼缘有螺栓孔削弱时还需适当考虑加大 ) 。 四、焊接实腹吊车梁的截面验算 （一）强度计算 选择好吊车梁的截面尺寸后，确定制动结构的形式和尺寸，求得吊车梁截面的各项几何特性，然后进行截面强度验算。截面强度验算应对其中的正应力、剪应力、腹板局部压应力及折算应力等各项进行计算。其公式如下表所示。 吊车梁的截面强度计算公式 （二）整体稳定计算 吊车梁无制动结构时 , 应验算其整体稳定性。有制动结构时则不必验算。 （三）刚度计算 验算吊车梁的竖向刚度时，通常都采用近似公式计算。 对于重级工作制吊车梁，还应验算制动结构由一台最大吊车的横向水平制动力（不计动力系数和可变荷载分项系数）所产生的水平挠度，其值不宜超过梁跨度的 1/2200 。 （四）疲劳强度计算 对重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架（桁架式吊车梁），还应验算其疲劳强度。验算疲劳强度时只考虑一台荷载最大的吊车标准荷载，并不计动力系数。 对梁受拉翼缘与腹板的连接焊缝（应采用自动焊）及其附近的主体金属按下式验算疲劳强度： 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验算设有铆钉、螺栓孔及虚孔处主体金属的疲劳应力幅。 在腹板受拉区的横向加劲肋端部处，同时受较大的正应力及剪应力作用，且存在较大的残余应力。由于该处值较小，所以应力幅值亦小，但它属于 4 类（肋端不断弧）或 5 类（肋端断弧）连接，容许应力幅也较小，故需按下式验算主体金属的疲劳应力幅。 （五）局部稳定计算 焊接吊车梁局部稳定的验算和加劲肋的布置，详见受弯构件。 （六）翼缘与腹板连接计算 在轻、中级工作制吊车梁的上、下翼缘与腹板的连接中，可采用连续的角焊缝。上翼缘焊缝除承受翼缘和腹板间的水平剪力外，还承受由吊车轮压引起的竖向剪应力。其焊缝厚度按下式计算，并应不小于 6mm 。 上翼缘与腹板连接焊缝： 下翼缘与腹板连接焊缝： 图 焊透的 T 形连接焊缝 对于重级工作制吊车梁上翼缘与腹板的连接，规范规定应采用上图所示的焊透的 K 形坡口对接焊缝 。为了保证充分焊透，腹板上端应根据其厚度预作坡口加工。焊透的 K 形坡口对接焊缝经过用精确方法检查合格后，即可认为与腹板等强度而不再验算其强度。 重级工作制吊车梁的下翼缘与腹板的连接，可以采用自动焊接的角焊缝 ，但要验算疲劳强度。 五、吊车梁的制动结构、支撑和梁柱连接 制动结构承受横向水平力，并作为吊车梁上翼缘的侧向支承，保证吊车梁的整体稳定。制动梁同时又可作为走道和检修时的平台。实腹式制动梁的宽度一般不大于 m , 宽度较大时宜用桁架式制动梁（即制动桁架），见 图 。实腹式制动梁的腹板（兼作走道板）宜用花纹钢板以防走时滑倒，其厚度通常为 mm （如不能满足局部稳定要求时则另加加劲肋）。 制动梁与吊车梁可以在工厂中连接，也可以在工地连接。轻、中级工作制的吊车梁与制动梁或柱在工地连接时可采用焊缝连接，并应避免采用级螺栓连接，对于重级工作制的吊车梁则应优先采用高强度螺栓连接，见 图 。 图 实腹吊车梁的计算图式 表 吊车梁和吊车桁架欠载效应等效系数 制动梁（桁架）的设置 图 吊车梁与柱的连接 图 吊车梁支撑形式之一 图 吊车梁支撑形式之二 第八节 厂房柱 一、柱的截面形式 厂房柱大多是单阶柱，只有当厂房内有两层吊车时，厂房柱才设计成双阶柱（ 图 ）。 厂房柱的截面形式与荷载作用情况有关。有吊车荷载 作用的厂房柱，其上段截面常用焊成的实腹工字形截 面，一般腹板厚度为 6 ～ 12mm ，翼缘板厚度为 10 ～ 20mm ；下段柱可为实腹柱或格构柱（图 a 和 b ）。 四、柱脚 柱脚一般做成刚接形式，要传递弯矩、剪力和轴力。 具体做法参见图。 图 柱身构造