【工厂管理】第4章重型单层工业厂房钢结构设计
关于单层钢结构工业厂房结构设计
关于单层钢结构工业厂房结构设计【摘要】近些年来，世界各地频繁发生地震，带来的房屋倒塌、人员伤亡、财产损失，让我们深刻体会到了建筑物在设计时充分考虑抗震的重要性，作为一名结构设计工程师更是如此。
但是，由于地震有着复杂性和不确定性的特点，以目前的科技手段还很难完全掌握地震的发生规律。
因此，通过对单层工业厂房在地震中的破坏现象，分析其破坏的原因，对震后的恢复重建具有重要的现实意义和指导价值，并可作为今后结构设计的参考依据。
下面就从结构体系、构件连接方面来分析单层钢结构厂房的设计原则和所须注意的问题。
【关键词】钢结构；工业厂房；抗震设计一、结构体系一般单层钢结构厂房采用框架支撑体系，即横向设计成刚接框架，纵向设计成柱间支撑体系，这种体系经济节约，但柱间支撑可能会影响使用功能。
这种形式特别适用于纵向较长，横向较短的单层工业厂房。
1、截面设计钢结构厂房与钢筋混凝土房屋一样，同样应遵守强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的抗震设计基本原则。
1.1 强柱弱粱。
指在粱柱连接节点处柱端实际受弯承载力要大于梁端实际受弯承载力。
一般采用增大柱端弯矩的做法。
也就是使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求，用以提高结构的变形能力，防止在强烈地震作用下倒塌。
“强柱弱梁”不仅是手段，也是目的，其手段表现在人们认为对柱的设计弯矩放大，对梁不放大。
其目的表现在调整后，柱的抗弯能力比之前强了，而梁不变。
即柱的能力提高程度比梁大。
这样梁柱一起受力时，梁端可以先于柱屈服。
1.2 强剪弱弯。
指避免构件（梁、柱、墙）剪力较大的部位在梁端达到塑性变形能力极限之前发生非延性破坏，即控制脆性破坏形式的发生。
也就是说结构（框架梁、柱）的抗剪承载力要大于抗弯承载力，目的是控制构件发生弯曲破坏，而不是剪切破坏，避免脆性破坏，充分发挥塑性铰的能力。
1.3 强节点若构件。
以下为在设计中加强节点的措施：（1）构造保证。
①增加连接强度，如增加焊缝厚度和螺栓大小。
②梁端加腋或加隅撑。
解析钢铁工业单层厂房钢结构设计
Ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｐ ｕ ｔ ｓｆ ｏ ｗａ ｒ ｒ ｄｔ ｈｅ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｐ ｔ ｏ ｆｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｎｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｇ
ｈｅ ｔ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍｉ ｃ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ，ａ ｇ ｎ ｄ ｄ ｏ ｅ ｓ
并且 上段柱和下段柱在延 刚度上 的比值 偏大 ，这样 的设计 有利于下段柱减少弯矩 。下段柱 的截面高度
比较 小 ， 厂房 面 积 应 该 做 相 应 的调 整 。柱 截 面 积 翼
缘 厚度一般情况下在 １ ６ ￣３ ０ ｍ 之间 ，腹板厚度在
１ ２ ～２ Ｏ ｍ ｉ ｌ ｌ之 间 。 大 型 厂 房 的柱 肢 翼 缘 已经 达 到 了
一
Ｉ Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ 】Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｍａ ｉ ｎ ｌ ｙ ｄ ｏ ｅ ｓ ａ ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ －
ｐ ｅ ｒ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｏ ｎ ｎｄ ａ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ
研 究柱距经 济性的时候除 了要考 虑钢 材的消耗量还 应该 考虑 其它的施工因素 以及对 轧制型钢 的使用是 否合理 。一定要严格按照工厂依据尺 寸定制的钢材 来设计所 需的构件。此外要适 当照顾 一下吊车的运 行要 求，尽量保持柱距 的统一 性。同一个 跨 内两侧 相互对应 的吊车梁在跨度 上要保 持一致 。 三 、 处 理 好 屋 盖 的 结构 体 系
单层工业厂房钢结构设计内容
单层工业厂房钢结构设计内容
单层工业厂房钢结构设计通常包括以下内容：
1. 结构布局：确定工业厂房的总体布局，包括建筑尺寸、形状和内部分隔等。
要考虑到生产流程和设备布置的需要。
2. 荷载计算：根据相关标准和规范，对工业厂房的荷载进行计算，包括自重、雪荷载、风荷载、地震荷载等。
还需要考虑不同区域的荷载分布情况。
3. 结构材料选择：选择适合工业厂房钢结构的材料，包括钢材的强度、刚度和耐腐蚀性能等。
常用的材料有普通碳素结构钢和高强度低合金结构钢。
4. 结构形式设计：根据工业厂房的功能和荷载要求，确定合适的结构形式，例如桁架结构、刚架结构或组合结构等。
要考虑到结构的稳定性、刚度和变形限制。
5. 连接设计：设计适合工业厂房的连接方法和连接件，包括焊接、螺栓连接、铆接等。
要保证连接的强度和刚度，以及便于施工和维护。
6. 抗震设计：根据地震区划和相关规范，进行抗震设计。
包括选择适当的抗震措施和结构形式，以保证工业厂房在地震中的安全性。
7. 防火设计：考虑到工业厂房的防火要求，进行防火设计。
采用防火涂料、防火板等材料保护结构，确保在火灾发生时能够提供足够的安全时间。
8. 施工图设计：根据上述设计内容，绘制详细的施工图纸，包括构件尺寸、连接方式、材料规格等。
施工图纸是施工过程中的重要参考文件。
以上是单层工业厂房钢结构设计的一般内容，具体设计还需要考虑工业厂房的特殊要求和使用环境，以及国家和地方的相关建筑规范和标准。
钢结构课程设计(单层工业厂房)
钢结构单层工业厂房课程设计指导教师：曹现雷班级：土133班姓名：杨骏学号：139044535日期：2016.4.24目录一、设计资料 (1)二、屋架形式及几何尺寸 (1)三、支撑的布置 (2)四、檩条的布置 (3)五、材料自重及荷载 (4)六、荷载计算 (4)七、杆件截面选择 (5)八、各腹杆的焊缝尺寸计算 (10)九、节点板的设计 (11)一、设计资料：某厂房车间设有两台10吨中级工作制吊车。
车间无腐蚀性介质。
该车间为单跨双坡封闭式厂房，屋架采用梯形桁架式钢屋架，屋架下弦标高9m，其两端铰支于钢筋混凝土柱上，柱截面尺寸为400㎜×400㎜，混凝土强度等级为C30。
屋面采用压型钢板屋面，C型檩条，檩距为1.2m~2.6m。
屋面恒荷载（包括屋面板、保温层、檩条、屋架及支撑等）取值参考教材2.2.1中规定。
活荷载标准值取0.5kN/mm2；雪荷载标准值取0.2，不考虑积灰荷载和积雪不均匀分布情况。
结构重要性系数为γ0=1.0。
屋架采用Q235B钢，焊条采用E43型。
设计时，荷载按以下情况组合：a. 恒载+全跨活荷载（或雪荷载）b. 恒载+半跨活荷载（或雪荷载）二、屋架形式及几何尺寸屋架及几何尺寸如图1所示，檩条支承于屋架上弦节点。
檩距为2267.5mm，水平投影距离为2250mm。
屋架坡度为α= arctan = 7.13°。
图1 屋架形式和几何尺寸三、支撑的布置依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2001，支撑布置图如图2所示，上、下弦横向水平支撑设置在厂房两端和中部的同一柱间，并在相应开间的屋架跨中设置竖直支撑，在其余开间的屋架下弦跨中设置一道通长的刚性细杆，上弦通过水平支撑在节点处设置通长的刚性细杆。
下弦两端设纵向水平支撑。
故上弦杆在屋架平面外的计算长度等于横向支撑的节距。
支撑的布置见图2。
上弦水平支撑布置图下弦水平支撑布置图1-1中部垂直支撑布置图2-2 端部垂直支撑布置图图2 支撑的布置图四、檩条布置檩条设置在屋架上弦的每个节点上，间距2267.5mm。
轻、重型单层工业厂房钢结构设计区别与联系
计算力及吊车台数组合表
表4-5
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下翼缘与柱子的连接来承受并传递；
吊车梁的上翼缘需考虑竖向和横向水平荷载共同作用产生的内力。 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 弯矩以及相同轮位下制动结构的弯矩和剪力。
（4）疲劳强度验算
（5）翼缘和腹板局部稳定验算 翼缘自由外伸宽度b与其厚度t的比值
b 250 235 11.4 15 12.4 t 22 345
腹板高厚比
hw 1600 235 114 170 140 t 1.4 10 345
lz f
1.11.35 1.4 324000 4.8mm 2 150 5 20 50 1.0 310
选用腹板：1600×14
（3）翼缘尺寸
A1 Wx hwtw 22879000 1600 14 10566mm2 hw 6 1600 6
试用500×22
（4）截面几何特征
毛截面几何特性
1 I x 50 2.2 81.1 2 1.4 1603 12 1924853 104 mm 4
2
1924853 Wx 23417 103 mm3 82.2
净截面几何特性
制动梁的截面特性（毛截面和净截面） 4.承载能力和刚度验算 (1)强度验算
（3）刚度验算
1）竖向挠度计算
（4）疲劳计算
M p max -M p min α f Δσ α f y Δσ 2106 (4-41) Inx
M p max、M pmin、 Δσ2106 ---疲劳验算处截面的最大、最小弯矩；
浅谈重型钢结构厂房的结构设计
浅谈重型钢结构厂房的结构设计[摘要] 本文根据已完成的不同类型重型钢结构厂房，就吊车吨位≥50吨、轨高≥8m、跨度≥24m的大中型普钢厂房进行了结构选型的综合分析，总结了重型钢结构厂房的结构设计基本要则。
设计时应以满足平面工艺布局、建筑物使用功能、室内外综合公用管道空间布设为前提，根据各地不同的自然条件，如风雪荷载、抗震设防等进行方案对比分析。
此篇关于重型钢结构厂房结构设计的分析总结，对类似项目设计具有一定的参考作用。
[关键词]工业厂房重型钢结构吊车工艺布局风、雪荷载结构选型前言随着我国经济的高速发展，工业项目结构形式也发生了很大变化，由最初的高大、浑厚的混凝土排架或框架形式转换成了钢结构形式。
钢结构结构形式能充分利用钢材强度高、延展性好的优点，此类项目由专业厂家加工制作，施工吊装安装快捷，施工现场整洁干净，施工周期短，于是在各行各业涌现出了一批批钢结构厂房。
由于钢结构能更好地实现大跨度、大柱距、大吊车的结构布局，所以能满足多样化的工艺平面布局要求，加上钢结构厂房质轻的围护结构，故而此类结构受到了更多用户的青睐，被更广泛地推广到各行各业。
本文主要就典型重型厂房的进行设计例证，总结此类项目的基本设计要则，以更好地缩短设计周期，降低设计人为成本，在结构方案上合理化控制工程造价，实现工业项目的人性化设计。
一、结构平面布局选型经济合理的结构布局往往以合理的结构单元划分为前提。
结构单元的划分基本考虑因素有如下几项：工艺布局、吊车设置、建筑物平面投影尺寸等。
1、结构单元平面尺寸基本要求：在满足生产工艺布局、人流入口、货流入口、参观通道等要求前提下，重型钢结构厂房结构单元经济控制尺寸基本为长度方向总尺寸不超过220米，跨度方向不超过150m。
2、能归并为一个结构单元的吊车使用要求：尽量使轨高差异不大，檐口高度或刚架端部下沿高度在12m以上的合并为一个单元进行计算。
因为，鉴于轻钢规程（CECS 102：2002）的使用范围，没有必要将轻重吊车合并为一个单元进行计算。
轻、重型单层工业厂房钢结构设计区别与联系
2）抗剪要求：
3）局部挤压应力计算：
（3）翼缘尺寸 腹板的高度和厚度确定后，可求翼缘所需的面积A1。
非重级工作制吊车梁：
重级工作制吊车梁：
翼缘厚度应不小于8mm；翼缘宽度一般为（1/5~1/3）h当上翼缘轨道用压板连接时，翼缘宽度不大于300mm考虑到局部稳定，翼缘宽度应不大于30t（Q235）或24t（Q345）
（a）
H
（b）
（c）
（d）
采用长圆孔螺栓连接
3 荷载
轻型和重型单层工业厂房所承受的荷载种类大体相同永久荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、地震作用
地震作用
抗震设防区的重型厂房都应考虑地震作用的计算。
图4-6 重型厂房考虑地震作用时的分析模型
吊车系统
吊车系统
吊车梁系统
承受横向水平力作用，加强吊车梁的上翼缘：（1）上翼缘的钢板加厚加宽（2）制动梁或制动桁架
吊车梁内力计算
计算最大弯矩时的布置
吊车梁内力计算
吊车梁设计
1.截面选择（1）梁的高度在确定吊车梁的高度时，应考虑经济、刚度要求、建筑净空要求和腹板钢板规格。近似把吊车梁作为承受均布荷载的简支梁：
非重级工作制吊车梁的最小高度为：
重级工作制吊车梁的最小高度为：
（2）腹板的厚度 吊车梁的腹板厚度一般按经验公式、支座处抗剪要求和局部挤压条件来选定。1）经验公式：
上翼缘与腹板的连接焊缝
下翼缘与腹板的连接焊缝
图4-43 焊透的T形连接焊缝
例4.2 焊接实腹式吊车梁设计
1.设计资料
吊车资料 表例4-2A
（2）走道荷载，2kN/m2；（3）采用简支焊接实腹式工字型吊车梁，跨度为12m；（4）制动结构用焊接实腹式制动梁，宽度为1m；（5）吊车梁用Q345钢，焊条用E50型。
关于单层钢结构工业厂房结构设计
关于单层钢结构工业厂房结构设计单层钢结构工业厂房是一种常见的工业建筑类型，其结构设计需要考虑多个方面，包括结构的稳定性、刚度和可靠性等。
本文将详细介绍单层钢结构工业厂房的结构设计要点。
首先，单层钢结构工业厂房的结构设计要考虑其受力特点。
一般来说，工业厂房的受力主要由重力荷载和水平荷载组成。
重力荷载主要包括自重和活荷载，而水平荷载主要由风荷载和地震荷载构成。
因此，在结构设计中需要合理分析和计算这些荷载的作用，并确保结构能够承受荷载引起的应力和变形。
其次，单层钢结构工业厂房的结构设计要考虑材料的选择和使用。
钢结构具有重量轻、强度高和施工周期短等优点，因此在工业厂房中得到广泛应用。
在选择钢材时，需要考虑到其抗拉、抗压和抗弯等性能，并合理计算受力构件的尺寸和截面形状。
同时，在钢结构设计中还需要考虑构件的连接方式。
合理的构件连接可以提高结构的整体性能和可靠性。
在单层钢结构工业厂房中，常用的连接方式包括螺栓连接、焊接连接和铆接连接等。
不同的连接方式具有不同的特点和适用范围，需要根据具体情况进行选择。
此外，单层钢结构工业厂房的结构设计还需要考虑结构的刚度和稳定性。
刚度是指结构在受力作用下的变形程度，而稳定性则是指结构在受力作用下的稳定性能。
为了提高结构的刚度和稳定性，可以采用增加梁柱截面尺寸、设置支撑和加强节点等方法。
最后，单层钢结构工业厂房的结构设计还需要考虑建筑的使用功能和施工要求。
在结构设计中应根据厂房的功能需求合理布置不同的功能区域，并严格按照施工要求进行设计和施工。
此外，还需要考虑到可能的扩展和改造需求，为后续的施工和使用提供便利。
综上所述，单层钢结构工业厂房的结构设计是一个综合性的工作，需要考虑多个方面的因素。
只有在合理分析和计算荷载的基础上，选择适合的材料和构件连接方式，并兼顾刚度、稳定性和使用要求，才能设计出安全可靠的工业厂房结构。
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¾梯形屋架支座处的斜杆及竖杆，由于l0y=l0x，故可 采用图4.28a或c的形式。考虑到扭转影响，前者更
容易做到等稳定。 ¾屋架中其它腹杆，因l0x=0.8l，l0y=l，即l0y=1.25l0x ，
所以一般采用图4.28a两等肢角钢的形式。
¾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4.28d) 。
−104.2 63.1 63.1 107.2 107.2
−77.46 53.85 39.98 85.23 74.23
不利 组合
0.0 0.0 −96.17 −96.17 −96.17 −96.17 −104.2 −104.2 63.1 63.1 107.2 107.2
4.3.2 桁架杆件的计算长度
0.0 −49.32 −49.32 −49.32 −49.32 −53.42
0.0 −32.87 −16.44 −32.87 −16.44 −26.71
0.0 −96.17 −96.17 −96.17 −96.17 −104.2
0.0 −79.72 −63.29 −79.72 −63.29 −77.46
¾受压弦杆和单系腹杆的计算长度
屋架杆件的计算长度
¾受压变内力弦杆的平面外计算长度
图4.27 变内力弦杆平面外计算长度
l0
=
l1⎜⎜⎝⎛ 0.75 +
0.25
N2 N1
⎟⎟⎠⎞
¾受拉杆件计算长度取其节点间的几何长度 ¾杆件的刚度要求（长细比）：
9 受压杆件的容许长细比为150； 9 支撑的受压杆件为200； 9 直接承受动力荷载的桁架中的拉杆为250； 9 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； 9 支撑的受拉杆为400。
4.3.3 杆件的截面型式
要求：¾ 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；
¾ 截面比较扩展，壁厚较薄，外表平整； ¾ 压杆对于两个主轴具有相等或接近的稳定性，
即λx=λyz；
¾ 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；
¾受力小的腹杆，也可采用单角钢截面，如图4.2 8e和f。
9可用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。
窄翼缘
中翼缘
图4.29 T型钢杆件截面形式
宽翼缘
9当腹杆采用T型钢或单角钢时，因无缝隙，耐腐 蚀性好，但单面连接的单角钢的强度设计值降低 较多。
9T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12～15％。
¾ 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λyz
图4.28 角钢杆件截面形式
¾ 受压弦杆 • 常为l0y=2l0x，采用两等肢角钢或两短肢相并的不等肢
角钢组成的T形断面(图4.28a或b)。二者以用钢量较小
为好。鉴于λyz>λy，后一截面比较容易做到等稳定。
“A”焊缝—传递弦杆两端内力差△N=N1-N2和偏 心力矩△M=△N·e。焊缝两端的最大 合成应力：
σ
(
f
βf
)2
• 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4.28c)；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。
¾受拉弦杆，往往l0y比l0x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
¾节点的构造与计算
⑴一般节点 节点无集中荷载也无弦杆拼接的节点。
① 腹杆与节点板间的传力--两侧角焊缝 （L形围焊缝，三面围焊缝），按受轴 心力角钢的角焊缝计算。
② 弦杆与节点板间角焊缝只传递差值， 按下式计算其焊缝长度。
肢背焊缝：
lw1
≥
K1ΔN 2 × 0.7h f1 ⋅
f
w f
+
2hf 1
肢尖焊缝：
ΔN = N1 − N2
lw2
≥
K 2ΔN 2 × 0.7h f2 ⋅
f
w f
+
2hf 2
K1, K 2 − 角钢肢背、肢尖焊缝内 力分配系数
h f1 , h f2 − 肢背、肢尖焊缝焊脚尺 寸
f
w f
−
角焊缝强度设计值
⑵有集中荷载的节点
节点板伸出
槽焊缝“K”—假定只传递P力，按两条角焊缝 （焊脚尺寸为0.5t）计算所需的长度。
EF
ab 下 de 弦 杆 bc
cd
−7.537 4.565 4.565 7.759 7.759
−3.769 3.261 1.304 4.655 3.103
−50.75 30.74 30.74 52.24 52.24
−53.42 32.36 32.36 55.00 55.00
−26.71 23.11 9.24 32.99 21.99
9当屋架跨度较大(如L>24m)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。
9圆管多用在网架中，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。
桁桁架架节节点点设设计计
¾确定节点的构造，连接焊缝及节点承载力的计算。节 点的构造应传力路线明确、简捷、制作安装方便。
4.3 钢屋架设计
4.3.1 桁架的内力计算
¾计算简图
9铰接平面桁架
9节点荷载（单位力）
9不计焊接节点次应力 9节间荷载的处理：
图4.22 节间荷载
•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4.23 节间荷载的计算弯矩
图4.24 例题4-1荷载计算
竖向荷载
风荷载 图4.25 例题4-1计算简图
图4.26 例题4-2内力系数计算简图 9屋架中部某些斜杆，在全跨荷载时受拉而在半跨荷载（活
载）时，可能变成受压
例题4-2屋架内力组合表(部分)
杆件
内力系数 全跨 半跨
单项荷载内力
恒载 活载(P2=7.088) (6.733) 全跨 半跨
内力组合 恒+全 恒+半
AB 0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
上 HI BC
弦 GH
0.0 −6.958 −6.958
杆 CD −6.958 FG −6.958
DE −7.537
0.0 −4.638 −2.319 −4.638 −2.319 −3.769
0.0 −46.85 −46.85 −46.85 −46.85 −50.75