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1、第七章 单层厂房,钢屋盖结构组成：屋面板、檩条、屋架、托架、天窗架、支撑等构件。,1-屋架；2-托架；3-上弦横向支撑；4-制动桁架；5-横向平面框架；6-吊车梁；7-竖向支撑；8-檩条；9、10-柱间支撑；11-框架柱；12-墙架梁；13-山墙墙架柱,2.1 钢结构厂房的组成,厂房结构的组成：屋盖体系：屋面板、檩条、天窗架、屋架、托架、上弦水平支撑、下弦水平支撑、垂直支撑。框架体系：横向和纵向框架柱、柱间支撑。吊车梁体系：吊车梁、制动梁或制动桁架、辅助桁架。墙架体系、抗风柱、墙梁、墙面板或维护墙,1.横向框架横向平面框架：主要承受厂房结构的全部竖向荷载、横向水平荷载：全部建筑物重量（屋盖、墙
2、、结构自重等）、屋面雪荷载和其他活荷载、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，2.屋盖结构由檩条、天窗架、屋架、托架和屋盖支撑所构成，承受屋面荷载。,各部分所起的作用：,包括屋盖支撑和柱间支撑，其作用是将单独的平面框架连成空间体系，从而保证了结构的刚度和稳定，同时也承受纵向风力和吊车的纵向制动力。,3.支撑体系,吊车竖向和水平荷载由吊车梁承受。吊车梁两端支撑于柱的变截面平台或牛腿上。在吊车梁上翼缘平面内，通常沿水平方向设置制动梁或制动桁架，以便有效地将吊车的横向水平制动力传递到相邻的柱上。,4.吊车梁和制动梁（制动桁架）,制动梁是为了增加吊车梁的侧向刚度，并与吊车梁一起承受
3、由吊车传来的横向刹车力和冲击力而在吊车梁的旁边增设的梁，它与吊车梁采用焊接或者螺栓连接。分为制动梁和制动桁架、制动板等形式。因此，制动梁的作用：1、承担吊车的水平荷载及其它因素产生的水平推力；2、保证吊车梁的侧向稳定性；3、增加吊车梁的侧向刚度；4、制动板还可以作为检修平台和人行通道。,5.墙架 墙架一般由墙架梁和墙架柱（也称抗风柱）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。厂房钢结构的钢材用量指标和各类构件所占比重大致如表2.1。,表2.1 单层厂房钢结构的钢材用量指标,为了改善厂房结构设计
4、的技术经济指标，应该对整个厂房建筑和结构进行合理规划。规划任务：满足工艺和使用要求 适应今后可能生产过程的变动和发展。规划内容：确定车间的平面和高度方向的主要尺寸和控制标高布置柱网，确定变形缝的位置和做法选择主要承重结构（横向平面框架、纵向平面框架、屋盖结构、吊车梁结构等）体系、布置和形式等。,模数化：是使结构布置的主要符合相应的模数尺寸；定型化：是同类构件和结构及其连接构造尽量采用相同的典型形式；,规划注意事项：考虑设计标准化、生产工厂化、施工机械化的要求，以提高建筑工业化的水平。,实现方法：,目前，我国已有梯形钢屋架、钢天窗架、钢托架、钢吊车梁（包括制动梁或桁架）等构件和相应支撑体系和连接
5、构造的标准设计图集。,统一化：进一步使构件和连接的某些主要尺寸也统一起来。这样，可以在厂房中更多地利用标准构配件，甚至对同类型厂房做出广泛适用的标准设计。,2.2 单层厂房结构的布置,2.2.1 柱网布置 厂房柱的纵向和横向定位轴线，在平面上构成规则的网格，称为柱网。柱网应根据工艺、结构和经济等要求布置。工艺要求：厂房的横向柱距（即跨度）和纵向柱距应满足生产工艺、使用和发展的要求；柱的位置应和厂房的地上设备、起重和运输通道、地下设备和设备基础、地下管道的地坑等协调。,通常情况下，纵向柱距的模数采用6m；跨度的模数采用3m（24m时）或采用6m(24时，确实需要时仍可按3m)。经济要求：纵向柱距
6、常对钢材用量和造价有较大的影响。如增加柱距，柱和基础的材料用量减少，而屋盖结构、吊车梁和墙架的材料用量增加，并往往需要增设托架和墙架柱。,结构要求：柱网布置应尽量简单，避免在同一区段内设置纵横跨，尽量采用所有柱列的纵向柱距均为相等并符合模数的布置方式。,过去我国厂房，尤其是用大型屋面板的厂房，纵向柱距大多采用6m，少数大跨度厂房也采用912m的。对于某些跨度不大而生产布置需要更灵活的厂房、高度较大而吊车相对较轻的厂房，也常对全部柱或某些列内柱采用12m柱距，但屋架间距仍为6m，中间屋架由托架支承（图2.1）。近年来，随着压型钢板等轻型屋面板的采用，屋盖结构重量大大减轻，相应的经济柱距显著增大，
7、一些大型厂房已采用1224m柱距，收到较好的经济效果。,厂房端部为山墙时，为了支承墙重和墙面风荷载，通常应每隔一定间距（常用6m）设置抗风柱。为使抗风柱和横向框架横梁（屋架）的位置略为错开和抗风柱顶部连接的方便，常把该处横向框架（柱和屋架）自定位轴线内移500mm。在此500mm 范围内，檩条、屋面板、吊车梁、墙架梁等纵向构件从相邻开间伸臂挑出，挑出长度略小于500mm，以便构成必要的变形缝隙。,图2.2 变形缝的布置,2.2.2 变形缝,如果厂房的长度或宽度，在温度变化时，纵向或横向框架的上部结构将发生较大的伸缩变形，而基础以下仍固定于原来位置。这种变形将使柱、墙等构件内部产生很大的内力，严
8、重的可使其断裂或破坏。因此，需要用伸缩缝将厂房结构分成几个温度区段（图2.2），以减少每个区段的伸缩量。根据使用经验和理论分析，钢结构规范规定当温度区段长度不超过表2.2的数值时，可不计算温度应力。,1.伸缩缝,表2.2 钢结构房屋温度区段长度限值（m）,从基础顶面或地面开始，将相邻区段上部结构的构件完全分开（基础可不分开）。上部结构采用双柱做法。根据气温差和结构的具体情况，缝宽净距取3060mm。这种做法是在横向伸缩缝处，设置双榀横向平面框架；在纵向伸缩缝处，设置双榀纵向平面框架。后者的双榀纵列柱和框架费钢较多且接缝很长，故规划时应尽量避免纵向伸缩缝。,伸缩缝做法：,横向伸缩缝：增加相邻两榀
9、平面框架的中距c（图2.3）一般采用1 2m（以保证该处相邻两框架柱的柱脚间有必要缝隙50mm）。对有很大起重量吊车的厂房，有时需放大至1.52m，大型平炉车间中甚至需达3m，在此2（c/2）范围内，檩条、屋面板、吊车梁、墙架梁等所有纵向构件都从两侧相邻开间伸臂挑出，每侧挑出长度略小于c/2，从而使两侧挑出构件端部间构成必要的伸缩缝隙。,一般情况下取横向伸缩缝的中线与厂房的横向定位轴线相重合，而相邻横向框架的中线各向两侧移进c/2（图2.3a）。,少数情况下，由于设备布置确实不容许在伸缩缝处缩小柱距，则可保持横向框架的原有中距，而c作为一个额外的插入距（图2.3b）。,图2.3 横向伸缩缝处柱
10、的布置,纵向伸缩缝：,图2.2 变形缝的布置,采用双榀纵列柱框架时，两排纵列柱轴线间应根据伸缩缝的需要，留出必要的插入距c1（图2.2）。,适用轻屋面和吊车起重量不是很大的情况。对于横向伸缩缝：缝一侧的檩条、吊车梁、墙架梁等全部纵向构件与柱都采用长圆螺栓孔或辊轴连接的方法，使缝两侧结构能纵向自由变形，互不约束。对于纵向伸缩缝处：缝一侧的屋架与柱采用辊轴、长圆螺栓孔或钢板铰等连接方法，使缝两侧结构能横向变形互不约束。,单排柱的做法。,地震区的伸缩缝尚应符合防震缝的要求。当厂房的平、立面布置复杂时需设防震缝。由高度或刚度相差很大的部分组成时需设防震缝（图2.2）。,2.防震缝,和伸缩缝相似，互相兼
11、任，但防震缝必须做成地面以上两侧构件完全分开，缝宽和构造符合防震要求（保证缝两侧构件在地震振动时不会相互碰撞）。防震缝宽度按厂房和地震设计烈度等情况确定，一般单层厂房取5090mm，纵横跨交接处取100150mm。,防震缝的做法,沉降缝用于厂房相邻部分的高度、荷载、吊车起重量或基础体系相差很大，或地基条件有严重差异等情况，以防止结构或屋面、墙面等在过大的基础不均匀沉降下发生裂缝或破坏。,3.沉降缝,一般是把两侧的结构包括基础全部分开，使各自可以独立地自由沉降。沉降缝的做法也应符合伸缩缝和防震缝的要求，兼起这两种缝的作用。例如图2.2厂房中，左方横向跨的高度、跨度或吊车起重量常显著较大，则可用沉
12、降缝和右方纵向跨部分分开。,沉降缝的做法,1.钢屋盖支承结构：支承于钢筋混凝土柱上 支承于砖墙（加墙垛）上 以上两种通常做成简支，构造简单，安装方便。支承于钢柱，一般用于有较重桥式吊车、有较大振动设备（如锻锤等）或有较高温度的厂房或跨度、高度较大的房屋中，这时钢屋架与钢柱常做成刚接，成为单跨或多跨的刚架结构。,2.2.3 屋盖结构的布置和体系,名义跨度：通常情况取支座所在处房屋或柱列轴线间的距离。适用范围：名义跨度通常为1536m，取3m的模数。国家有标准图集。计算跨度：屋架支座中心间的距离；为名义跨度-2X150mm，以便支座外缘能做在轴线范围以内，使相邻屋架间互不妨碍。在屋架简支于钢筋混凝
13、土柱的房屋中，规定各柱列轴线一般取：对边柱取柱的外边线，对中列柱取柱的中线（阶形柱时取上段柱的中线）。,2.普通钢屋架的跨度,通常两种做法：和柱距相同为柱距的一半，此时需设托架,3.屋架的间距,无檩体系:钢屋架上直接铺放屋面板,常为大型预应力混凝土屋面板有檩体系：钢屋架上每隔一定间距放置檩条、再在檩条上放置轻型屋面板。,4.屋盖结构体系：,无檩体系常用坡度为1:81:12,从下到上的做法如下：钢屋架混凝土大型屋面板、加气混凝土板等细石混凝土灌缝保温层：泡沫混凝土、加气混凝土、水泥白灰焦渣、珍珠岩砂浆或沥青珍珠岩,或保温板材等。找平层卷材防水屋面（例如油毡防水屋面，常用二毡三油上铺小石子的六层作
14、法），或SBS。,.无檩体系,图2.4 屋盖结构体系,通常是预应力钢筋混凝土大型屋面板（槽形板），其两根边肋起肋梁的作用，将屋面荷载传到屋面板的四个角点，角点处下部预埋钢板以便与屋架焊接。常用大型屋面板的尺寸为1.5m6m，少数情况也有用3m6m或1.5m9m、1.5m12m的。屋架上弦节间长度通常取等于板宽或略大（作为板间留缝），则屋架只受节点荷载；否则屋架上弦将受局部弯曲。,大型屋面板,兼起承重和保温作用，通常为等厚度平板，常用宽度0.6 m，长度2.46.0m，厚度125200mm。相邻板间留适当板缝，以便加强现浇钢筋混凝土板带屋面的刚度及其屋架间联系。板荷载均布于屋架上弦。此外，也可采
15、用外表为钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土、中间为保温填充层的夹心板等。,钢筋加气混凝土板,优点：是屋面构件的种类和数量少，构造简单，安装方便，易于铺设保温层和防水层等，同时屋盖的刚度大，整体性好，并较为耐久。缺点：是屋面自重较大，使屋架和下部结构的截面和用料都相应增加，对抗震也不利，并且吊装时构件较笨重。因此，无檩体系常用在刚度要求较高的中型以上厂房和民用、工用建筑中。,无檩体系的优点、缺点,有檩体系中，常用1:21:3坡度，并常采用三角形屋架。其做法如下：钢屋架檩条轻型屋面板 不保温屋面板：波形石棉瓦，瓦楞铁，预应力钢筋混凝土槽瓦，钢丝网水泥折板瓦等；也可在檩条上，铺放木望板再放置粘土瓦、水泥瓦
16、；近年来发展的彩色涂层压形钢板屋面等 保温屋面板：岩棉、聚苯乙烯或聚氨酯夹芯保温板，常用50250mm。当用压形钢板时最小屋面坡度可达1：81：20。,有檩体系,根据屋面板的强度要求确定，一般可尽量做成屋架上弦每个节点处放一根檩条；但一些较弱屋面板要求较密檩条而屋架上弦节间又不便做得过小时，则一部分檩条将放在上弦节间内而使上弦杆局部受弯。,檩条间距,有檩体系的优点 可供选用的屋面材料种类较多，屋架间距和屋面布置比较灵活，构件重量轻、用料省、运输和安装较轻便；有檩体系的缺点 屋面构件的种类和数量较多，构件较复杂，吊装安装次数多，檩条用钢量较多，并且屋盖的整体刚度较差。,2.3 支撑体系,主要作用
17、：使厂房具有足够整体刚度和稳定性，减少构件平面外的计算长度和传递纵向水平荷载。厂房支撑体系可分为屋盖支撑和柱间支撑两部分2.3.1 屋盖支撑1.屋盖支撑的作用 屋盖支撑可分为上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、竖向支撑和系杆等，它们具有下列作用：,在屋盖体系中，仅用檩条或大型屋面板连接各榀屋架构成的体系是几何可变体系。其在纵向荷载作用下，各个屋架就会向一侧倾倒（图2.5a）。如果将两榀相邻的屋架用适当的支撑体系联系起来，使其首先构成稳定的空间体系（图2.5b），然后再将其余屋架用檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上，则可形成稳定的屋盖结构体系。,保证屋盖结构的几何稳定性,(
18、a)(b)图 2.5 屋盖的几何稳定问题,屋架上弦和下弦的水平支撑与屋架弦杆组成水平桁架，屋架端部和中央的垂直支撑则与屋架竖杆组成桁架，都有一定的侧向抗弯刚度。因而，无论屋架结构承受竖向或纵、横向水平荷载，都能通过一定的桁架体系把力传向支座，只发生较小的弹性变形，即有足够的刚度和整体性。,保证屋架结构的空间刚度和空间整体性。,为弦杆提供适当的侧向支承点。,支撑可作为弦杆的侧向支承点（图2.6），减小弦杆在屋架平面外的计算长度，保证受压上弦的侧向稳定，并使受拉下弦不会在某些动力作用下产生过大的振动。当下弦杆为折线形时，在转折点处布置侧向支撑，是保证下弦杆平面外稳定必不可少的措施。,承受和传递屋盖
19、的纵向水平荷载。作用于山墙的风荷载、悬挂吊车的纵向刹车力及纵向地震作用将通过屋盖支撑体系传给厂房的下部支承结构。保证结构安装时的稳定与方便。,（1）上弦横向水平支撑。在有檩体系或仅采用大型屋面板的无檩体系屋盖中均应设置屋架上弦横向水平支撑。如果能保证大型屋面板有三个角与屋架焊接牢固，则可考虑大型屋面板起支撑作用，但由于施工条件的限制，焊接质量不易保证，故一般只考虑大型屋面板起系杆作用。,2.屋盖支撑的布置,可在房屋的两端或横向温度伸缩缝间区段两端的第一个柱间（图2.7）.也可布置在第二柱间，但第一柱间必须用刚性系杆与端屋架上弦牢固连接（图2.6）两道横向水平支撑的距离不宜大于60m，故当房屋较
20、长（60m）时，尚应在中间柱间设横向水平支撑。,上弦横向水平支撑设置：,图 2.6 无天窗时屋盖支撑布置,图 2.7 有天窗时支撑的布置,一般和上弦横向水平支撑布置在同一开间。下弦横向水平支撑设置:一般情况下，应设置下弦横向水平支撑。但当房屋跨度18m且未设悬挂起重运输设备和吊车，或者虽有吊车但吨位不大，也没有较大振动设备，可不设置。,（2）下弦横向水平支撑,设置条件:当房屋内设有较大吨位的重级、中级工作制桥式吊车、壁行式吊车或有锻锤等较大振动设备时。房屋较高，跨度较大、空间刚度要求较高时。有托架处的房屋（图2.8），为了保证托架的侧向稳定，在有托架处也应设置纵向水平支撑。设置位置:沿纵向柱列
21、在屋架下弦端节间内设置：单跨厂房一般沿两纵向柱列设置多跨厂房则根据具体情况沿全部或部分纵向柱列设置,（3）下弦纵向水平支撑,图 2.8 托架处纵向支撑布置,所有房屋均应设置竖向支撑。在设置横向支撑的开间内，均应设置竖向支撑。梯形屋架，当跨度30m时，一般只需在屋架两端及跨中竖杆平面内布置三道竖向支撑（2.9a），当屋架跨度30m时，应在两端和在跨度/3处或天窗架处各布置一道竖向支撑（图2.9b）。三角形屋架，当跨度18m时，仅在跨中设置一道竖向支撑（图2.9c）；当跨度18m时可根据具体情况设置两道（图2.9d）。天窗架的竖向支撑，一般在天窗架的两侧布置，当天窗的宽度大于12m时，还应在天窗中
22、央设置一道（图2.9b）。,（4)竖向支撑,图 2.9,系杆有刚性系杆和柔性系杆之分，能承受压力的为刚性系杆，一般由两个角钢组成十字形截面；只能承受拉力的称为柔性系杆，一般采用单角钢。,（5)系杆,设置原则：在上弦横向水平支撑或竖向支撑的节点处，应沿房屋纵向通长设置柔性系杆；在有天窗时，应沿屋脊设置刚性系杆；,在屋架上弦平面内，大型屋面板可起系杆作用，所以一般只在屋脊及两端设系杆，当采用檩条时，连接可靠的檩条可代替系杆。,上弦横向水平支撑布置在第二柱间时，第一柱间必须布置刚性系杆；在屋架下弦中部，一般设一道或两道柔性系杆；支承节点处应设置刚性系杆。,屋盖的横向和纵向水平支撑均为平行弦桁架。腹杆
23、通常采用交叉斜杆体系，屋架的弦杆兼作横向水平支撑的弦杆，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下弦端节间的长度，一般为36m。,3.支撑的形式及杆件截面选择,图 2.10,竖向支撑也是一个平行弦桁架。其腹杆形式应根据它的宽度和高度两个方面的尺寸比例来确定。当宽度和高度相近时，宜采用交叉斜杆，当二者相差较大时可采用V形或W形（图2.10）。,屋盖支撑受力很小，一般不必计算，可按构造要求和容许长细比选择截面。凡是交叉斜杆按拉杆设计，容许长细比取400，可用单角钢；纵向水平支撑和竖向支撑的弦杆及竖杆，V形和W形的腹杆，均按压杆设计，容许长细比取200，采取两个角
24、钢组成的T形截面。,当支撑桁架受力较大时，支撑桁架杆件除满足长细比限值的要求外，尚应按桁架体系计算内力和选择截面。交叉斜腹杆体系的支撑桁架属静不定体系。计算时可近似地采用图2.11所示的简化计算简图，把所有斜腹杆设计成只能受拉不能抗压的柔性杆件。,图 2.11 支撑桁架计算简图,在图示方向的节点荷载作用下，实线斜杆受拉，虚线的斜杆受压而退出工作。在相反方向的荷载作用下，则虚线斜杆受拉，实线斜杆退出工作。,1.柱间支撑的作用1)保证厂房骨架的整体稳定和纵向刚度。厂房柱在框架平面外的刚度远低于在框架平面内的刚度，且柱脚构造接近铰接，吊车和柱的连接也是铰接，如果不设柱间支撑，纵向构架将是一个几何可变
25、体系，因此设置柱间支撑对保证厂房的整体稳定性和纵向刚度是不可缺的。2)承受厂房的纵向力。作用于山墙的风力和吊车的纵向制动力均须通过柱间支撑传至基础。3)在框架平面外为厂房柱提供可靠的支承点，减少柱在框架平面外的计算长度。,2.3.2 柱间支撑,柱间支撑分为下柱间支撑和上柱间支撑。设置原则：下柱间支撑应布置在温度区段中部，使厂房结构在温度变化时能较自由地从支撑架向两侧伸缩，减少支撑和纵向构件的温度应力。但在短而高的厂房中，温度应力不大，下柱支撑布置在厂房的两端，可以提高厂房的纵向刚度,2.柱间支撑的布置,温度区段不大于120m时，可以在温度区段的中央设置一道柱间支撑（图2.12a）。温度区段大于
26、120m时，应在温度区段中间1/3范围布置两道下层支撑，以免传力路线太长，纵向刚度不够，但是两道下层支撑之间的距离又不宜大于60m，以减少温度应力的影响（图2.12b）。,图 2.12 柱间支撑的布置间距及位置,上柱支撑应布置在温度区段的两端以及有下柱支撑的柱间（图2.12）。这样，便于传递从屋架横向支撑传来的纵向力。由于上段柱刚度较小，端部设置上层支撑，不会引起很大的温度应力。,柱间支撑形式 上柱支撑除了在温度区段两端用单斜杆外，其余上柱支撑用交叉腹杆或其他形式。下柱支撑用交叉腹杆最为经济，刚度也大。在某些车间中，当采用交叉斜腹杆的支撑妨碍生产操作或交通时，可采用门架式支撑（图2.13）,图 2.13 门架式柱间支撑,屋架杆件端部切割宜与其轴线垂直（图a）。为了减小节点板的尺寸，也可采用斜切（图b，c），但绝不容许采用图d所示的切割形式。,图 节点板的形状,节点板的形状和尺寸根据所连杆件及所需连接焊缝长度确定。为了节约钢材和减少切割工作量，节点板的形状应尽量简单而有规则，如采用矩形、梯形或平行四边形等（如图），一般至少有两条边平行。节点板不应有凹角，以免有严重的应力集中。,
