重型厂房结构设计.doc
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1、第2章 中、重型厂房结构设计在冶金,造船,机械制造等行业、有许多重型厂房,它们的显著特点是跨度大、高度大、吨位大。例如冶金工业的转炉车间,装配一个容积的转炉时,共跨度可达30m,多层部分的高度可达80m,整个厂房占地面积达,吊车的起重量可达450t。在机械制造行业,有高度60m,吊车起重量高达1200t的重型厂房。综合分析可靠性,耐久性和经济性表明,这种重型工业厂房最适宜采用全钢结构建造。随着我国钢产量的增加,一些中型厂房也会采用全钢结构或钢屋盖结构。本章内容以重型厂房为主要对象,同时也论及中型厂房结构和一般钢桁架。2.1 结构形式和结构布置2.1.1 一般说明在房屋建筑学中,已经学习了厂房的
2、类别及平面、剖面和立面建筑设计的基本知识。重型厂房一般取单层刚(框)架结构形式,但也有一部分为多层刚架者。图21是典型单层单跨厂房构造简图,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。 图21 单层厂房构造简图1柱;2屋架;3吊车梁;4天窗架;5柱间支撑吊车是厂房中常见的起重设备,按照吊车使用的繁重程度(亦即吊车的利用次数和荷载大小),国家标准起重机设计规范(GB3811)将其分为八个工作级别,称为A1A8。吊车的工作制等级与工作级别的对应关系 表21工作制等级轻级中级重级特重级工作级别A1A3A4,A5A6,A7A82.1.1.
3、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。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。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22所示)。图22 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22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。
4、双柱温度收缩缝或单柱温度收缩缝原则上皆可采用,不过在地震城区宜布置双柱收缩缝。温度区段长度表 (m) 表22结构情况纵向温度区段(垂直屋架或构架跨度方向)横向温度区段(屋架或构架跨度方向)柱顶为刚接柱顶为铰接采暖房屋和非采暖地区的房屋热车间和采暖地区的非采暖房屋露天结构 220180120120100150125 由于工艺要求或其他原因,有时需要将柱距局部加大。如图22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。通常在拔柱处设置构件,如图22中的构建T1,上承屋架(或其他屋面结构),下传柱子,该构件为实腹式时称为托粱,桁架式时称为托
5、架。托梁和托架一般作为简支受弯构件。托粱可采用焊接工字型截面,其截面高度可取其跨度的11018,翼缘宽度取截面高度的15125,箱形托梁双腹板之间的距离可取其截面高度的141/2, 且不宜小于400m。托架高度可取其跨度的11()15,节间距可取3m。托梁或托架与屋架的连接有叠接和平接两种,前者构造简单,便于施工,但存在使托梁或托架受扭的缺点;后者可有效地减轻托梁或托架受扭的不利影响,较常用。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22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
6、取一个计算单元。否则,应当划分数个计算单元。在柱网布置和剖、立面设计中还涉及到诸多几何参数的相互协调,尤其是吊车外轮廓与屋架下弦下表面之间的净距、吊车大轮的中心线与柱纵向定位轴线之间的净距离b、吊车外轮廓与柱体内表面之间的净距离c等,可参见图23取值,图23 吊车外轮廓线与临近构件的净距要求 2.1.1.2 横向框架及其截面选择横向框架可呈各种形式(如图24)。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(从而减小柱裁面尺寸),而且增大横向框架的刚度:横梁与柱子的连接可以是铰接(如图24c),亦可以是刚接(如图24a,b),相应地,称横向框架为铰接框架或刚接框架。对一些刚度要求较
7、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。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(如图24c)。图 24 框架形式从耗钢量考虑,重型厂房中的承重柱很少采用等截面实腹式柱,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(见图25a),亦可采用格构式。但是当格构式柱的加工制作费用比重增大时,需综合权衡经济指标来选择承重柱的结构形式,如边柱下段做成空腹式。实腹式等截面柱的构造简单,加工制作费用低,常在厂房高度不超过10m且吊车额定起重量不超过20t时采用。厂房高度不大,但吊车额定起重量超过100t,或吊车吨位不大而
8、厂房高度较大(有刚度要求)时,宜采用分离式承重柱。分离式柱的吊车肢和屋盖肢通常用水平板做成柔性连接(见图25b)。这种连接既可减小两肢在框架平面内的计算长度,又实现了两肢分别单独承担吊车荷载和屋盖(包括围护结构)荷载的设计意图。尤其对位置不高的大吨位吊车或车间有可能改扩建时,分离式柱更显其优点。 图25 格构式柱与分离式柱(a) 具有分离式柱脚的格构式; (b) 分离式柱双肢格构式柱是重型厂房阶形下柱的常见形式图26是其截面的常见类型。图26 双肢格构式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A6A8级吊车的车间除了要求结构具有大的横向刚度外,
9、还应保证足够大的纵向刚度。因此,对于装备A6A8级吊车的单跨厂房,宜将屋架和柱子的连接以及柱子和基础的连接均作刚性构造处理。纵向刚度则依靠柱的支撑来保证。设计在侵蚀性环境中工作的厂房,除了要选择耐腐蚀性的钢材,还应寻求有利于防侵蚀的结构形式和构造措施。同理,在高热环境中工作的厂房,在设计中不仅要考虑对结构的隔热防护,亦应采用有利于隔热的结构形式和构造措施。可参照已有的同类型构件或设计参考资料,初步确定构件的截面尺寸。在无资料可参照时,可按表23初拟柱各段截面的高度和宽度。其中Q指吊车吨位,H指全柱长度,指上阶柱长度。柱各段截面的高度和宽度 表 23类别柱高H(m)无吊车等截面柱阶 形 柱上阶形
10、下阶形阶形柱无论是实腹式还是格构式,均是以肩粱将其各阶段连在一起形成整体的。肩梁有单腹壁和双腹壁之分,如图27所示图27 肩梁构造及计算简图(a) 单腹壁肩梁; (b) 双腹壁肩梁; (c) 肩梁计算简图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(参见213节)的设置来实现的。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(参见图28)。下层柱间支撑一般宜布置在
11、温度区段的中部,以减少纵向温度应力的影响。当湿度区段长度大于150m或抗震设防烈度为8度、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。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。图28 柱间支撑布置常见的下层柱间支撑是单层十字形(见图29)。支撑的倾角应控制在之间,如果单层十字形不能满足这种构造要求。可选用人字形,K形,Y形,双层十字形或单斜杆形。如果由于柱距过大或其他原因(例如工艺或建筑上的需要),不能设置上述形式的下层柱间支撑时。可以考虑采用门形,L形柱间支撑,甚至不加任何斜撑而将吊车梁与下
12、段柱的吊车肢刚性连接构成刚架。后一方式制造和安装都较复杂,一般不提倡使用。上层柱间支撑的常见形式见图210,一般采用十字形,人字形或K形,柱距较大时可取v形或八字形。图29 下层柱间支撑的形式(a)单层十字形(b)人字形(c)K形(d)Y形(e)单斜杆形(f)门形 (g)L形 (h)刚架形 (i)双层十字形 图210 上层柱间支撑的形式 (a) 十字形 (b)人字形 (c)K形 (d)八字形 (e)V形2.1.2 屋架外形及腹杆形式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
13、。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桁架叫屋架。此外,拱架、网架也都能用作屋盖的承重结构。本章主要结合钢屋架阐述桁架设计的各种问题,也简略介绍一些其他用途的桁架的特点。2.1.2.2 桁架的外形及腹杆形式桁架的外形宜接受到它的用途的影响。就屋架来说,外形如图211所示。其中前四种为单系腹杆第五种即交叉腹杆为复系腹杆。 图211 钢屋架的外形 2.1.2.3 确定桁架形式的原则桁架外形与腹杆形式,应该经过综合分析来确定。确定的原则应从下述几个方面考虑。(1)满足使用要求 对屋架来说,上弦的坡度应适合防水材料的需要。此外
14、,屋架在端部与柱是简支还是刚接。房屋内部净空有何要求,有无吊顶,有无悬挂吊车,有无天窗及天窗形式以及建筑造型的需要等,也都影响屋架外形的确定。三角形屋架上弦坡度比较陡,适合于波形石棉瓦、瓦楞铁皮等屋面材料,坡度一般在。梯形屋架上弦较平坦,适合于采用压型钢板和大型钢筋混凝土屋面板(带油毡防水材料),坡度一般在。当采用长压型钢板顺坡铺设屋面时,最缓的可用到120甚至更小的坡度。三角形屋架端部高度小需加隅撑(图212)才能与柱形成刚接,否则只能与柱形成铰接。梯形屋架的端部可做成足够的高度,因之即可铰支于杆也可通过两个节点与柱相连而形成刚接框架。近年来一些国家在厂房中多采用平行弦双坡屋架,我国宝山钢铁
15、公司初轧厂的屋架形式如图211(f)所示。 图212 有隅撑的框架图213 皮带运输机桥简支桁架皮带运输机桥的桁架是斜置的(图213c)、通常跨度不特别大,一般采用户平行弦桁架,带竖杆的人字式腹杆体系(图213a),有时也用豪氏屋架中的单向斜杆体系(图213b)。(2)受力合理 只有受力合理时才能充分发挥材料作用,从而达到节省材料的目的。对弦杆来,所谓受力合理是要使各节间弦杆的内力相差不太大,这样,用根通长的型钢来做弦杆时对内力小的节间就没有太大的浪费。一般讲,简支屋架外形与均布荷载下的抛物线形弯矩图接近时,各处弦杆内力才比较接近。但是,弦杆做成折线形时节点费料费工,所以桁架弦杆般不做成多处转
16、折的形式,而经常做成上述三种形式,它们的弦杆都只在屋脊处有转折。塔架是主要承受水平荷载的悬臂空间桁架,塔架下部所受弯矩渐次增大,为使受力合理,通常做成上窄下宽的棱锥外形。(3)制造简单及运输与安装方便 制造简单,运输及安装方便可以节省劳动量并加快建设速度。(4)综合技术经济效果好 传统的分析方法多着眼于构建本身的省料与节省工时,这样还是不全面的。在确定桁架形式与主要尺寸时,除上述各点外还应该考虑到各种有关的因素,如跨度大小、荷载状况,材料供应条件等,尤其应该考虑建设速度的要求,以期获得较好的综合技术经济效果。在上述原则基础上,根据具体条件,桁架形式可有很多变化。图215(a)的方式可使三角形屋
17、架支座节点的构造有所改善,因为一般三角形屋架端节间弦杆内力大而交角小、制造上有困难。图215(a)的三角形屋架的下弦下沉后,不仅弦杆交角增大且屋架的重心降低,提高了空间的稳定性。平行弦双坡屋架如果不是坡度很小,下弦中间部分取水平段为好(图215b)。双坡平行弦屋架的水平变位较大,对支承结构产生推力。下弦中部取消水平段后,所述缺陷有所改善,弦杆内力也较均匀。 图215 屋架形式的变化2.1.2.4 桁架主要尺寸的确定桁架的主要尺寸指它的跨度L和高度H(包括梯形屋架的端部尚高度)(图211)。跨度L,对屋架来说由使用和工艺方面的要求决定。屋架的高度则由经济条件、刚度条件(屋架的挠度取值L500),
18、运输界限(铁路运输界限高度为385m)及屋面坡度等因素来决定。2.1.3 屋 盖 支 撑当采用屋架作为主要承重构件时,支撑(包括屋架支撑和天窗架支撑)是屋盖结构的必要组成部分。以下按支撑作用和支撑的布置原则,分别加以叙述。2.1.3.1 屋盖支撑的作用(1)保证屋盖结构的几何稳定性在屋盖中屋架是主要承重构件。各个屋架如仅用檩条和屋面板连系时由于没有必要的支撑,屋盖结构在空间是几何可变体系,如图216中虚线所示。只有用支撑合理地连接各个屋架,形成几何不变体系时,才能发挥屋架的作用,并保证屋盖结构在各种荷载作用下能很好地上作。首先用支撑将两个相邻的屋架组成空间稳定体,然后用檩条及上下弦平面内的一些
19、系杆将其余各屋架与空间稳定体连接起来,形成几何不变的屋盖结构体系(图216b)。图216 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 c垂直支撑 d 檩条或大垂屋面板(2)保证屋盖的刚度和空间整体性横向水平支撑是一个水平放置(或接近水平放置)的桁架,桁架两端的支座是柱或垂直支撑,桁架的高度常为6m(柱距方向),在屋面平面内具有很大的抗弯刚度。在山墙风荷载或悬挂吊车纵向刹车力作用下,可以保证屋盖结构不产生过大变形。3)为弦杆提供适当的侧向支承点支撑可作为屋架弦杆的侧向支承点(图216b),减小弦杆在屋架平面外的计算长度,保证受压上弦杆的侧向稳定,并使受拉下弦保持足够的侧向刚度。(4
20、)承担并传递水平荷载如传递风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震荷载。(5)保证结构安装时的稳定与方便。2.1.3.2 屋盖支撑的布置(1)上弦横向水平支撑在有檩条(有檩条系)或不用擦条而只采用大型屋面板(无檩条系)的屋盖中都应设置屋架上弦横向水平支撑。当有天窗架时,天窗架上弦也应设置横向水平支撑。上弦横向水平支撑应设置在房屋的两端或有横向伸缩缝时在温度缝区段的两瑞。一般设在第一个柱间(图217)或设在第二个柱间。横向水平支撑的间距L。以不超过60m为宜,所以在一个温度区段的中间还要布置一或几道。图217 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屋架垂直支撑天窗架横向水平
21、支撑 天窗架垂直支撑 e刚性系杆 f 柔性系杆(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(L18m)且没有悬挂式吊车,或虽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。(3)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。(4)垂直文撑 所有房屋中均应设置垂直支撑。梯形屋架
22、在跨度L30m,三角形屋架在跨度L24m时,仅在跨度中央设置一道(图218a,b),当跨度大于上述数值时宜在跨度13附近或天窗架侧柱外设置两道(图218c、d)。梯形屋架不分跨度大小,其两端还应各设置一道(图217、218),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,一般可设计成图218(e)、(f)及(g)的形式。 图218 屋架的垂直支撑天窗架的垂直支撑,一般在两侧设置(图219a),当天窗的宽度大于12m时还应在中央设置一道(图219b)。两侧的垂直支撑桁架,考虑到通风与采光的关系常采用图219(c)及(d)的形式,而中央处仍采取与屋架中相同的形式(图219e
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