建筑钢结构设计
主讲人：吴建华
浙江科技学院
2011.4.
第三部分重型厂房钢结构
主要内容：
1、结构的形式和布置概述
2、结构的受力分析概述
5、吊车梁设计
1结构形式和结构布置1结构形式和结构布置
q重型厂房结构形式：
单层刚(框)架
多层刚架
q重型厂房的组成：
柱、屋架、吊车梁、天窗架、
支撑。（图
2-1示）
柱
屋架
吊车梁
天窗架
柱间支撑柱
屋架
吊车梁
天窗架
柱间支撑
.
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
q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重级特重级
工作级别A1～A3A4,A5 A6,A7 A8
（按照吊车使用的频繁程度）
柱网布置
计算单元---横向刚架结构
柱的形式
屋架的形式
支撑布置（柱间支撑、屋盖支撑）
-
------保证厂房纵向的刚度
柱网布置
计算单元
.温度收缩缝
：超出表
2-2中数值时
，应考虑温度
应力和温度变形的影响
温度区段长度表(m) 表2-2
结构情况
纵向温度区段
(垂直屋架或构
架跨度方向
)
柱顶为铰接柱顶为刚接
横向温度区段
(屋架或构架
跨度方向
)
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
180
220100
120
125
150
露天结构120 --
q托架与屋架的连接
叠接：构造简单，便于施工，但托架（托
梁）受扭。
平接：可以有效地减轻托架（托梁）受扭的
不利影响，较常用。
托梁与屋架的连接托梁与屋架的连接
铰接框架：（
c）横梁与柱子的铰接连接。
刚接框架：（
a)、（b）横梁与柱子的刚接连接
阶形柱的上柱起重量较小的边柱起重量≤50t的中柱
起重量＞50t的中柱起重量较大的边柱特大型厂房的下柱
图双肢格构式柱
.
A6一A8级吊车的单跨厂房
柱子与基础
刚性连接
纵向刚度
横向刚度
柱间
支撑
屋架与柱子
刚性连接
吊车梁
格构柱
吊车梁工程实例
吊车梁
吊车梁
格构柱
柱间支撑柱间支撑
q上层柱间支撑：吊车梁上部的柱间支撑
q下层柱间支撑：吊车梁下部的柱间支撑
刚性系杆刚性系杆cng减压器
下层柱间支撑上层柱间支撑
垂直
支撑
.
柱间支撑的作用：
作用于山墙上的风荷载、吊车纵向水平荷载、
纵向地震力等。
2）减少柱在平面外的计算长度。
3) 保证厂房的纵向刚度。
.柱间支撑的形式：
下层柱间
支
撑的形式
.柱间支撑的形式：
下层柱间
支撑的形式
(a)单层十字形；(b)人字形；(c)门形; (d)双层十字形
上层柱间
支撑的形式
(a)十字形；
(b)人字形；
(c)V字形
2 结构的受力分析
----刚架内力计算
荷载
内力计算时
----引用当量惯性矩（柱和屋架）
内力组合
荷载荷载
.
1.永久荷载（恒载）
屋面恒载
檩条自重
屋架、其它构件自重和围护结构自重
.
2.可变荷载（活载）
屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载
及吊车荷载。
.
3.施工荷载
内力计算内力计算
q为简化计算，引入当量惯性矩将格构式拄和屋
架换算为实腹式构件进行内力分析。
当量惯性矩：
22
I yc = m(Aa ca + Abcb )
Aα和Aβ
—
分别为格构柱两肢（或屋架上下两弦）截面积
Xα和Xβ
—格构式柱两肢（屋架上下两弦）的截面形心到
格构式柱截面中性轴的距离。
μ—反映剪力和几何形μ=0.9 平行弦
状的修正系数。
μ=0.8 上弦坡度i = 0.1
μ=0.7 上弦坡度i = 0.125
对于屋架：其当量惯性矩为：
AA
ab 2
I = m I = m h0 A a + A b
h—为上下两弦截面形心之间的距离。
屋架尺寸未定时，可按下式估算其当量惯性矩。
f
hMII
2
max
0 mm ==
Mmax —简支屋架在屋面荷载作用下的跨中
弯矩。
f —弦杆抗拉强度设计值。
内力组合内力组合
按照《建筑结构荷载规范》
(GB50009)的规定，结构设
计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，
按承载能力极限状态和正常使用极限状态，依照组合
规则进行荷载效应的组合，并取最不利组合进行设
计。
对于一般的刚
(框)架，按承载能力极限状态设计时，构件和
连接可取下列简化公式中的最不利值确定：
S = g S + g S
GGk Q 1 Q 1 k
n
S = g S + 0 .9 . g S
G Gk Qi Qik
i = 1
SGK、SQK —按规范规定的标准值算得的永久荷载效
应和可变荷载效应
γG、γQ —永久荷载分项系数和可变荷载分项系数
3 屋盖及支撑布置
一、钢屋盖的组成
钢屋盖由屋面、屋架
和支撑组成。
其它：托架、天
窗、檩条等。
屋面板
屋架
檩条
无檩体系：一般用于预应力混凝土大型屋面板
等重型屋面，将屋面板直接放在屋
架上。
房屋横向刚度大，整体性、耐久性
好；屋面板自重大，屋盖及下部结构
用料多，对抗震不利。
有檩体系：常用于轻型屋面材料的情况。
屋架间距灵活，构件重量轻、施
工、安装方便；屋盖构件数量多，整
体刚度差。
三角形屋架
梯形屋架
平行弦屋
架电脑加密锁
芬克式腹杆人字式腹杆豪式腹杆
人字式腹杆再分式腹杆
人字式腹杆交叉式腹杆
确定桁架形式的原则确定桁架形式的原则
.
1.满足使用要求：
三角形屋架：适合于波形石棉瓦、瓦楞铁皮
,
坡度一般在1/3～1/2
梯形屋架：压型钢板和大型钢筋混凝土屋面板，
坡度一般在1/2～1/8
.
2.受力合理：
1）弦杆：使各节间弦杆的内力相差不太大。
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。
2）腹杆：应使长杆受拉短杆受压，且腹杆数
量宜少，腹杆总长度也应较小。
q单向斜杆式：
斜腹杆受拉
竖腹杆受压
合理
斜腹杆受压
竖腹杆受拉
不合理
.
再分式腹杆∶减少受压上弦节间尺寸，避
免节间的附加弯矩也减少了上
弦杆在屋架平面内的长比。
q交叉式腹杆∶主要用于可能从不同方向受力
的支撑体系。
再分式腹杆
交叉式腹杆
.
3 .制造简单及运输与安装方便
杆件数量少，节点少，杆件尺寸划一及节
点构造形式划一。平行弦桁架最容易符合
上述要求。
.
4. 综合技术经济效果好
根据不同的条件桁架形式可以有很多变化
q三角形屋架下
弦下沉，弦杆交
角增大，方便制
造，屋架重心降
低，提高了稳定
性。
q可有效降低屋
架对支撑结构的
推力。
桁架主要尺寸的确定桁架主要尺寸的确定
跨度
L—工艺及使用要求
高度
H—经济、刚度、运输、坡度等
各种屋架中部高度：
三角形屋架：中部高度H≈
1/6～1/4
梯形屋架：中部高度H≈(1/10～1/6
端部高度H0≈
1.8～2.1m
三、屋盖支撑
檩条屋面板
平面屋架在屋架平面外的刚
度和稳定性很差，不能承受水
平荷载。因此，为使屋架结构
有足够的空间刚度和稳定性，
必须在屋架间设置支撑系统。
上弦横向水平支撑
下弦横向水平支撑
下弦纵向水平支撑
组成
垂直支撑
系杆
1、支撑的作用
①保证屋盖的整体性，提高空间刚度
仅由平面桁架、檩条及屋面材料组成的屋盖结构，是一个不稳定
的体系，如果将某些屋架在适当部位用支撑连系起来，成为稳定的空
间体系，其余屋架再由檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上，
就保证了整个屋盖结构的稳定。
②避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动
支撑可作为屋架弦杆的侧向支撑点，减小弦杆出平面外的计算长
度。
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③承担和传递水平荷载（如纵向和横向风荷载、悬挂吊车
水平荷载和地震作用等）。
④保证结构安装时的稳定与方便
屋盖的安装首先用支撑将两相邻屋架连系起
来组成一个基本空间稳
定体，在此基础上即可顺序进行其他构件的安装。
2、支撑的布置
（1）上弦横向水平支撑
上弦横向水平支撑一般应设置在房屋两端或纵向温度区段
两端的第一柱间或第二柱间，其最大间距为60m，否则在中
间应增设一道或几道支撑。有时可将其布置在第二个柱
间，但在第一个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递
端墙风力。
上弦横向水平支撑布置图上弦横向水平支撑布置图
.
(2)下弦横向水平支撑
当跨度L≥18m；
设有悬挂式吊车起重量大于5吨；
厂房内设有较大的振动设备。
与上弦横向水平支撑布置在同一柱间。
.
(3)纵向水平支撑
厂房内设有托架，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；
以及当房屋较高，跨度较大，空间刚度要求高
时。
下弦水平支撑布置图下弦水平支撑布置图
.
(4)垂直支撑
.
所有房屋中均应设置垂直支撑。
q梯形屋架在跨度L≤30m，三角形屋架在跨度
L≤24m时，仅在跨度中央设置一道。当跨度大
于上述数值时宜在跨度1／3附近或天窗架侧柱
外设置两道。
.
梯形屋架不分跨度大小，其两端还应各设置
一道，当有托架时则由托架代替。
.
垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同
一柱间。
屋盖支撑布置图屋盖支撑布置图
(b)
(a)
(e)
(f)
(c)
(d)
(g)
屋架的垂直支撑布置
.
(5)系杆
刚性系杆：能承受拉力也能承受压力的系杆。
柔性系杆：只能承受拉力的系杆。
作用：为没有参与组成空间稳定体的屋架提供
上下弦的侧向支承点。
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布置原则：
q在垂直支撑的平面内一般设置上下弦系杆；
q屋脊节点及主要支承节点处需设置刚性系杆，
天窗侧柱处及下弦跨中或跨中附近设置柔性系杆；
q当屋架横向支撑设在端部第二柱间时，第一柱间
所有系杆均应为刚性系杆。
3、屋盖支撑的计算原则3、屋盖支撑的计算原则
各种支撑都是一个平面桁架，桁架的腹杆一般采用交叉斜
杆。
竖腹杆：竖杆
弦杆：相邻屋架弦杆兼作
横向支撑桁架的弦杆
腹杆
支撑
桁架
斜腹杆：支撑
q屋盖支撑受力比较小，一般不进行内力计算，杆件
截面常按容许长细比来选。
q拉杆——单角钢
q压杆——双角钢
q当支撑桁架受力较大，应按桁架体系计算内力，按
图示拉杆（压杆退出工作）计算并据以选择截面。
4 钢屋架设计
1、屋架的内力分析
屋架上的荷载包括恒载、活荷载、雪荷载、风荷载、积
灰荷载及悬挂荷载等。
（1）基本假定
通常将荷载集中到
节点上，并假定屋架各杆均为理想直杆，
各杆轴线在同一平面内且汇交于节点中心，各节点均为理想铰
接，忽略实际节点产生的次应力。
（2）节间荷载引起的局部弯矩0.6M0
节间荷载作用的屋架，除把节间荷
载分配到相邻节点外，还应计算节间荷
载引起的局部弯矩。
0.8M0
0.6M0
0.6M0
0.6M0
0.6M0
0.6M00.6M0
直接承受节间荷载的弦杆为压弯构件（N，M）。
局部弯矩M理论上应按弹性支座上的连续梁计算。
简化计算：
M0为将上弦节间视为简支梁所得跨中弯矩。
（3）内力计算与荷载组合
①全跨恒载+全跨活载：即全跨永久荷载+全跨屋面活载或雪
荷载（取较大值）+全跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。
②全跨恒载+半跨活载：即全跨永久荷载+半跨屋面活载（或
半跨雪荷载）
+半跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。
wep.qq③采用大型混凝土屋面板的屋架，尚应考虑安装时可能的半跨
荷载：即屋架、支撑和天窗自重
+半跨屋面板自重+半跨屋面活
荷载。
.屋架上、下弦杆和靠近支座的腹杆由①作用时会引起杆
件的最不利内力；
.跨中附近的腹杆可能由②③两种荷载组合控制。
2、杆件的计算长度和容许长细比
（1）杆件的计算长度
(a)在桁架平面内
A.弦杆、支座斜杆、支座竖杆：本身线刚度大，但两
端节点嵌固程度较低，视为两端铰接杆件。
lox = l
B.中间腹杆：两端或
一端嵌固程度较大，
视为弹性嵌固。
= 0.8l
lox
(b)在桁架平面外
取决于弦杆侧向支承点间距离。
无檩方案：能保证大型屋面板三点与上弦杆焊接时:
lOy =l1
1（l1
1≤3m）
l1
1 —两块屋面板宽度。
.上弦杆
有檩方案
：檩条与支撑点交叉不连接时：lOy =l1
.下弦杆：取纵向水平支撑节点与系
杆或系杆与系杆之间的距离。
.腹杆：由于节点在平面外刚度很
小，对杆件嵌固作用较小，故腹杆两
端视为铰接，则lOy=l
檩条与支撑点交叉连接时：lOy=l1/2
单面连接的单角钢和双角钢组成
的十字形杆件，受力后有可能斜向失
稳，由于两端节点有一定的嵌固作
用，故斜平面计算长度略作折减(支
座斜杆和支座竖杆除外），l0=0.9l
(d)其他
，
如桁架受压弦杆侧向支承点间的
距离为两倍节间长度，且两节间弦杆
内力不等时，该弦杆在桁架平面外的
计算长度按下式计算
l0 =l1(0.75 + 0.25 NN12 ) 但不小于0.5ll
式中：Nl ——较大的压力，计算时取正值；
N2 ——较小的压力或拉力，计算时压力取正值，拉力取负值
确定桁架弦杆和单系腹杆的长细比时，其计算长度应
按下表规定采用。
项次弯曲方向弦杆
对甲苯磺酸吡啶盐
腹杆
支座斜杆和支座
竖杆
其他腹杆
1在桁架平面内
l l 0.8 l
2在桁架平面外
l1 l l
3斜平面－l 0.9 l
l —构件的几何长度（节点中心间距离）；
l1 —桁架弦杆侧向支承点间的距离；
（2）杆件的容许长细比
规范中对拉杆和压杆都规定了容许长细比。
3、杆件的截面形式
对轴心受压杆件，宜使杆件对两个主轴有相近的稳定
性，即可使两方向的长细比接近相等。
基本上采用由两个角钢组成的
T形截面或十字形截面
形式的杆件，也可用H型钢剖开而成的T形钢代替双角钢组
成的T形截面。受力较小的次要杆件可采用单角钢。
角钢杆件截面形式
杆件截面选取的原则：
承载能力高，抗弯强度大，截面伸展
便于连接，用料经济通常
壁厚较薄
外表平整
选用角钢和T型钢
等强设计：
压杆对截面主轴具有相等或接近的稳定性。
l = l (l )
x yyz
单轴对称截面绕对称轴屈曲时考lyz 虑扭转效应的换算长细比。
v上弦杆：
有节间荷载时，可采用不等
边角钢长肢相连。
当l0y =l0 x 时，可采用两个等边
角钢截面或TM截面；
无节间荷载时，宜采用不等
边角钢短肢相连的截面；
v下弦杆：
通常采用不等边角钢短肢
相连的截面
v支座斜杆：
l0 y = l0x 时，宜采用不等边角钢
长肢相连或等边角钢的截面。
v其他一般腹杆：
宜采用等边角钢相并的截面；
连接垂直支撑的竖腹杆宜采用两
个等边角钢组成的十字形截面；
受力很小的腹杆（如再
分杆等次要杆件），可采
用单角钢截面。
受压弦杆：
y
y
y
x
x
x
yx
xy
i
l
i
l
ll
0
0
00 2
=
=
=
=
l
l
ll
yx ii 2=
有节间荷载时
受拉弦杆：
l >>l
0 y 0 x
支座斜腹杆及竖杆：
l = l
0 y 0 x
xi yi=
yx ll =
其他腹杆：
l = 0.8l
0 x 0 y
ix = 0.8iy
lx = ly
连接垂直支撑的竖
杆：
垂直支撑传力时竖
杆不致产生偏心，
方便吊装。
一般要求一般要求
.
1.同一榀屋架中，角钢的规格不超过5～6种
最小角钢
L45X4 L56X36X4,L<18m 的小角钢屋
架不受此限。
.
2.屋架杆件中的填板。
作用：保证两角钢共同工作。
间距：压杆lz ￡ 40i
拉杆l￡ 80i
z
数量：不小于
2个。
4、杆件的截面选择
（1）一般原则
①应优先选用肢宽而薄的板件或肢件组成的截面，一般
板件或肢件的最小厚度为5mm。
②角钢杆件或T型钢的悬伸肢宽不得小于45mm。直接与支
撑或系杆相连的最小肢宽，应根据连接螺栓的直径d而定。
③屋架节点板（或T型钢弦杆的腹板）的厚度，对单壁式
屋架，可根据腹杆的最
豫公网安备41160202000603
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