重型厂房设计.ppt
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1、重型厂房结构设计,济南大学土木建筑学院,主要内容,2.1 结构形式和结构布置2.2 计算原理2.3 钢屋架设计2.4 吊车梁设计,2.1 结构形式和结构布置,1-柱;2-屋架;3-吊车梁;4-天窗架;5-柱间支撑图2.1 单层厂房构造简图,2.1.1 一般说明 跨度大,高度大,吊车起重量大 单层、多层;单跨、多跨 屋盖体系: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对应关系,柱网布置 工艺、结构和经济等,符合标准化模数要求。工艺要求:工艺流程、设备基础、地下管沟结构要求:强度、刚度、稳定性施工要求:柱距、跨度、构件的类别
2、尽量少些经济性:合理的柱网布置应使总的经济效应最佳,常见柱距选择:跨度不小于30m、高度不小于14m、吊车额定起重量不小于50吨时,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;多跨形式,温度收缩缝设置温度区段长度表(m),托梁和托架设置受力条件:简支受弯工字形托梁高/跨比可取为1/101/8,翼缘宽度与截面高度的比可取1/51/2.5;箱形托梁双腹板之间的距离可取其截面高度的1/41/2,且不宜小于400mm。托架高度可取其跨度的1/101/5,节间距可取3m。与屋架连接方式:
3、叠接和平接叠接:构造简单,便于施工,但托梁或托架受扭;平接:减轻托梁或托架受扭,较常用,图2.2 柱网布置、托架和计算单元,计算单元结构承受的荷载,通常以计算单元表示:按从属面积确定。吊车尺寸要求 吊车跨度Lc;a;b;c。,图2.3 吊车尺寸要求,横向框架形式形式:单跨、多跨;单坡、双坡、多坡柱脚:通常做成刚接;横梁与柱子的连接可以是铰接,亦可以是刚接。,图2.4 框架形式,框架柱截面形式:一般采用阶形柱,下段多取缀条格构式,也可以采用实腹式组合截面;上段多采用实腹式截面;分离式承重柱,图2.5 格构式柱和分离柱,阶形柱截面类型 上柱:实腹截面或图(a)下柱:边柱、中柱,图2.6 双肢格构式
4、柱截面,柱各段截面的高度和宽度,肩梁构造及计算,图2.7 肩梁构造及计算简图,单腹壁肩梁,双腹壁肩梁,惯性矩线刚度高跨比截面高度,柱间支撑,图2.8 柱间支撑布置,作用保证厂房纵向刚度承受和传递纵向水平荷载:风、吊车、地震,设置每列柱都必须设置柱间支撑中列柱与其边列柱布置在同一柱间下层柱间支撑一般宜布置在温度区段的中部两道下层柱间支撑的距离不应超过72m上层柱间支撑除相应于下柱布置外,在每个温度区段的两端增加设置每列柱顶均要布置刚性系杆,柱间支撑的形式下层柱间支撑,计算:截面、连接构造:角钢截面不宜小于L756;槽钢不宜小于12;下层柱间支撑一般设置为双片,以缀条相连,缀条截面为单角钢,长细比
5、不超过200,不小于L505,图2.9 下层柱间支撑形式,上层柱间支撑一般设置为单片,如果上柱设有人孔或截面高度过大(800mm),亦应采用双片;支撑的连接可采用焊缝或高强度螺栓。采用焊缝时,焊脚尺寸不应小于6mm,焊缝长度不应小于80mm,同时要在连接处设置安装螺栓,一般不小于M16;对于人字形、八字形支撑还要注意采取构造措施,使其连接仅传递水平力,而不传递垂直力,以免成为吊车梁的中间支点。,柱间支撑的形式上层柱间支撑,图2.10 上层柱间支撑形式,2.1.2 屋架外形及腹杆形式,桁架的应用特点:由直杆在端部相互连接而组成的格子式结构;杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力;用料经济,自重小;易
6、于构成各种外形。应用:简支桁架、拱、框架,网架及塔架等,屋盖承重结构的梁式桁架叫屋架,钢屋架的外形及腹杆形式外形:三角形、梯形、平行弦等腹杆形式 单系腹杆:人字式、芬克式、豪式、再分式 复系腹杆:交叉式,图2.11 钢屋架的外形,确定桁架形式的原则满足使用要求:建筑,使用和防水材料的需要受力合理:使各节间弦杆的内力相差不太大;应使长腹杆受拉短腹杆受压;且腹杆数量宜少;腹杆总长度也应较小。,制造简单及运输与安装方便综合技术经济效果好桁架主要尺寸:跨度L和高度H(梯形屋架端部高度H0)跨度L由使用和工艺方面的要求决定屋架的高度H由经济条件、刚度条件、运输界限及屋面坡度等因素决定中部高度:三角形屋架
7、H(1/41/6)L;梯形屋架H(1/6l/10)L梯形屋架端部的高度H0与中部高度及屋面坡度有关:取(1/161/10)L,约1.8m2.1m;端部刚接时应足够大。,2.1.3 屋盖支撑屋盖支撑的作用保证屋盖结构的几何稳定性保证屋盖的刚度和空间整体性为弦杆提供适当的侧向支承点承担并传递水平荷载保证结构安装时的稳定与方便,图2.14 屋盖支撑作用,屋盖支撑的布置上弦横向水平支撑:应设置在房屋/温度缝区段的两端的第一或第二柱间,间距L0以不超过60m为宜,图2.15a 屋盖支撑示例,屋盖支撑的布置下弦横向水平支撑:跨度较小时可以不设,与上弦横向水平支撑在同一柱间纵向水平支撑,图2.15b 屋盖支
8、撑示例,屋盖支撑的布置天窗上弦横向水平支撑和垂直支撑,图2.15c 屋盖支撑示例,屋盖支撑的布置屋架垂直支撑:与横向水平支撑在同一柱间 跨度小时跨中设一道;跨度大时设在三分点处或天窗架处;梯形屋架端部各设一道,有托架可以代替。,图2.16 屋架垂直支撑,屋盖支撑的布置天窗架垂直支撑:一般在两侧设置;天窗跨度大于12m时中央加一道。,图2.17 天窗架垂直支撑,屋盖支撑的布置系杆:分类:刚性系杆、柔性系杆布置原则:(1)在垂直支撑的平面内一般设置上下弦系杆;(2)屋脊节点及主要支承节点处需设置刚性系杆;(3)天窗侧柱处及下弦跨中或跨中附近设置柔性系杆;(4)当屋架横向支撑设在端部第二柱间时,则第
9、一柱间 所有系杆均应为刚性系杆。,屋盖支撑的杆件布置(除系杆外均为平面桁架)常采用交叉斜杆的形式,少用单斜杆横向水平支撑:屋架弦杆兼做弦杆;节间宜成正方形,节点间的距离常为屋架上弦杆节间长度的24倍垂直支撑:交叉斜杆、V形和W形截面形式:柔性单角钢;刚性双角钢十字形支撑的计算原则内力长细比交叉斜腹杆:按拉杆,图2.18 天窗架垂直支撑,2.2 计算原理,2.2.1 荷载计算仅承担一个计算单元内的各种荷载:永久荷载、可变荷载及偶然荷载,标准值按GB50009计算。永久荷载:屋面恒载、檩条、屋架、其他构件自重及围护结构自重等,换算成水平投影面的均布面荷载;可变荷载:屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、风
10、荷载及吊车荷载、施工检修荷载等;,平面刚架分析:墙架结构、吊车梁系统等均以集中力方式作用于刚架上。,P64页给出了屋面、檩条和墙架恒载的范围,注意事项:屋面活荷载不与屋面雪荷载同时考虑;积灰荷载要考虑局部增大系数;风荷载是垂直于建筑物表面的,投影到水平面为:风压高度系数和风载体型系数见GB50009。,图2.19 风荷载投影,图2.20 风向与分区,封闭式双坡屋面的风载体型系数:,2.2.2 刚架内力计算,是反映剪力影响和几何形状的修正系数:平行弦=0.9;梯形屋架i=1/10时=0.8;i=1/8时=0.7。,将格构式柱和屋架的惯性矩换算为实腹构件:,图2.21 双肢格构式柱,屋架的当量惯性
11、矩为:,当屋架的几何尺寸未定时:,内力针对荷载工况按标准值进行分析,效应按荷载组合线性叠加,一般采用计算机计算。分析工况为:(1)永久荷载;(2)屋面活荷载;(3)左(右)风载;(4)吊车竖向荷载;(5)吊车刹车力2.2.3 内力组合原则(按GB50009)承载能力极限状态:基本组合、偶然组合正常使用极限状态:荷载的标准组合,对于排架、框架结构,简化内力组合为:,可变荷载效应控制组合时:,永久荷载效应控制组合时:,G=1.2或1.0,G=1.35或1.0,对压弯构件:最大正负弯矩、最大正负轴力,通常按效应挑选荷载组合:对受弯构件:最大正负弯矩、最大正负剪力,实际做法:做内力组合表,2.3 钢屋
12、架设计,2.3.1 桁架的内力计算计算简图铰接平面桁架节点荷载不计焊接节点次应力节间荷载的处理:端节间正弯矩M=0.8M0,M0=Pd/4其他节间及支座弯矩 M=0.6M0,图2.22 节间荷载,图2.23 节间荷载的计算弯矩,图2.24 例题2-1荷载计算,图2.25 例题2-1计算简图,竖向荷载,风荷载,图2.26 例题2-2内力系数计算简图,例题2-2屋架内力组合表(部分),2.3.2 桁架杆件的计算长度受压弦杆和单系腹杆的计算长度(见上册P.170表5-1),受压变内力杆件的平面外计算长度(见上册P.171),图2.27 变内力杆平面外计算长度,受拉杆件计算长度取其节点间的几何长度杆件
13、的刚度要求(长细比):受压杆件的容许长细比为150;支撑的受压杆件为200;直接承受动力荷载的桁架中的拉杆为250;只承受静力荷载作用的桁架的拉杆,可仅计算在竖向平面内的长细比,容许值为350;支撑的受拉杆为400。,2.3.3 杆件的截面型式具有较大的承载能力、较大的抗弯刚度,便于相互连接且用料经济;截面比较扩展,壁厚较薄,外表平整;压杆具有相等或接近的稳定性,即x=yz;受拉弦杆角钢的伸出肢宜宽一些,以便具有较好的出平面刚度;双角钢属于单轴对称截面,绕对称轴y屈曲时伴随有扭转,应考虑扭转效应取换算长细比yz,图2.28 角钢杆件截面形式,受压弦杆,常为l0y=2l0 x,采用两等肢角钢或两
14、短肢相并的不等肢角钢组成的T形断面(图2.28a或b)。二者之中以用钢量较小的为好。鉴于yzy,后一截面比较容易做到等稳定。当有节间荷载时,为增强弦杆在屋架平面内的抗弯能力,可采用两长肢相并的不等肢角钢组成的T形截面(图2.28c);但弦杆处于屋架的边缘,为增加出平面的刚度以利运输及安装,也可以考虑采用两等肢角钢。受拉弦杆,往往l0y比l0 x大得多,此时可采用两短肢相并的不等肢角钢组成的或者等肢角钢组成的T形截面(图2.28b或a)。,梯形屋架支座处的斜杆及竖杆,由于l0y=l0 x,故可采用图2.28a或c的形式。考虑到扭转影响,前者更容易做到等稳定。屋架中其它腹杆,因l0 x=0.8l,
15、l0y=l,即l0y=1.25l0 x,所以一般采用图2.28a两等肢角钢的形式。连接垂直支撑的竖杆,常采用两个等肢角钢组成的十字形截面(图2.28d)。受力小的腹杆,也可采用单角钢截面,如图2.28e和f。,用T型钢取代双角钢,弦杆多采用TW型钢,腹杆可用TM型钢、单角钢或双角钢。,图2.29 T型钢杆件截面形式,当腹杆采用T型钢或单角钢时,耐腐蚀性好,但是单面连接的单角钢的强度设计值降低较多。T型钢弦杆双角钢腹杆的屋架比传统的全角钢屋架约节省钢材1215。当屋架跨度较大(如L24m)且弦杆内力相差较大,弦杆可改变一次截面,角钢厚度不变而改变肢宽,T型钢弦杆可改变腹板高度。圆管多用在网架中,
16、矩形管桁架在国外用的较多,H型钢可用于跨度和荷载较大的桁架。,2.3.4 一般构造要求与截面选择一般构造要求在一榀屋架中,角钢规格不超过56种;普通钢屋架最小角钢规格应是L454或L56364,小角钢屋架不受此限;节点板厚度:梯形屋架和平行弦屋架由腹杆最大内力确定,三角形屋架支座处的节点板的厚度由上弦杆内力来决定。节点板的厚度还受到焊缝的焊脚尺寸hf和T型钢腹板厚度等因素的影响,中间节点板厚度可参照下表取用。支座节点板厚度可比中间节点板厚度增大2mm,除支座节点板外,全屋架取相同厚度。节点板要进行撕裂验算。,中间节点板厚度选用表(Q235钢),填板间距:对压杆取lz 40i,拉杆取lz 80i
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