建筑课件 第13章 单层厂房结构.ppt

第13章 单层厂房结构 13.1 结构特性和体系 13.2 结构布置和主要结构构件 13.3 排架结构的内力分析 13.4 钢筋混凝土柱和基础设计 1. 结构特性 为什么要设计层单层结构？ q机器设备和产品较重，且需一定起重量的起重设备 ； q生产工艺需要较大面积的生产空间； q设备需要一定埋深的设备基础； q采光、通风、保温等功能需要； 单层厂房结构的优点 q设计标准化、构配件生产工厂化、施工机械化； q设计和施工周期短； q空间大，易布置； q质量好，且易控制。 2. 结构体系 传统结构体系 “板架柱”结构体系（包括天窗架、支撑、 围护结构和基础等） 结构体系分类 按厂房高度分类：有等高多跨；不等高多跨 按厂房跨数分类：有单跨；多跨 按屋盖组成分类：有有檩体系；无檩体系；露天 按屋盖结构的连续性分类：有装配简支；装配简支 按屋脊形式分类：有单屋脊；多屋脊；锯齿形 按结构承重方式分类：有横向承重；纵向承重 “板架柱”结构体系组成 结构受力性能 通常将该空间结构体系简化为横向或纵向平面排架 计算。其在竖向荷载（主要为重力荷载）和水平荷 载（风、吊车制动力、水平地震作用)作用下具有较 好的受力性能。但由于该结构较空旷，其空间刚度 较小，整体性差，因此抵御水平荷载作用的能力很 弱。设计时通过设置各种支撑提高其空间刚度。 结构的传力方式 地基 基础 基础梁柱 围护结构 吊车梁风荷载 屋面 非传统结构体系 q门式刚架结构体系 qv形折板结构体系 qt形板结构体系 q落地拱结构体系 q壳体结构体系 1.平剖面尺寸和 变形缝 根据生产工艺和建筑平面设计要求确定下列尺寸 跨度 跨度为18m和18m以下，应采用3m的倍数； 18m以上，宜 采用6m的倍数。 柱距 柱距应采用6m或6m的倍数。 定为轴线 变形缝（伸缩缝） 规范规定，装配式钢筋混凝土排架结构变形缝最大间 距宜取100m，露天取70m 。（见教材图示） 2.屋盖结构布置和 主要构件 单层厂房的屋盖结构分无檩体系和有檩体系两种 。 无檩体系组成：大型屋面板、天窗架、屋架和屋 盖支撑系统。 有檩体系组成：小型屋面板（或瓦材）、檩条、 天窗架、屋架和屋盖支撑系统。 有檩体系与无檩体系相比较，其构件多、传力途径 长、承载力低、屋盖系统的刚度和整体性差。本章 主要介绍无檩体系。 屋面板 预应力混凝土大型屋面板，它适用于保温 或不保温卷材防水屋面，屋面坡度不应大 于1/5。规格： ，其与屋架 上弦不少于三点焊接(焊缝长度不小于8mm ，厚度不小于6mm ）。 檩条 檩条是置于屋架的上弦，将小型屋面板所承受 的荷载传至屋架的构件，并与屋架焊接，以增 加屋面体系的整体刚度。檩条的跨度一般为4m 或6m 。 屋架 屋架是屋盖体系的主要承重构件，其主要作 用： q保持厂房内部具有与跨度相应的空间； q作为排架结构内力分析中的水平横梁； q直接承受其平面内由屋面板、檩条、天 窗架传来的荷载及悬挂吊车、管线的吊重 ； q与屋架支撑组成水平的和垂直的支撑体 系，以保证屋盖体系具有足够的水平和竖 向刚度和某些屋架构件的稳定性。 屋架型式和受力特点 三角形屋架 拱形屋架 梯形屋架 折线形屋架 1824m跨度的钢筋混凝土或预应力混凝土屋架多做成折线形 ， 24m以上跨度的屋架可做成梯形屋架。无论哪种屋架，其 合理的高跨比为1/61/8。 18m以下跨度可做成组合屋架。 天窗架和托架 常用的天窗架跨度为6m、 9m 。天 窗架宜用钢材制作，也可采用矩 形截面的钢筋混凝土天窗架。 有时由于生产工艺的需要，抽取某个柱子，其该柱 所支撑的屋架由托架承担。托架将屋面荷载传至支 撑托架的柱。托架的跨度一般为12m。 三角形托架 折线形托架 3.屋盖支撑体系 为什么要设置屋盖支撑? 屋盖支撑系统包括:天窗架支撑、屋架上弦支撑、 屋架下弦支撑、屋架垂直支撑及水平系杆。 天窗支撑 由于一般天窗架跨度12m，可仅设天窗 架垂直支撑，设置在天窗端部第一 柱距及设有柱间支撑的柱距内的天窗两侧。 屋架上弦支撑 在每一伸缩缝区段端部第一或第二 柱间距内布置在屋架上弦平面内。 其作用：(1）传递山墙风荷载； ( 2）其与屋架上弦形 成水平桁架。(有天窗时沿屋脊设置水平系杆） 屋架下弦支撑 下弦水平支撑应根据下列要求设置： q当厂房跨度18m时，应在每一伸缩缝区段端部第 一或第二柱距布置在屋架下弦平面内；当厂房跨度 18m时且山墙传来的风荷载由屋架上弦支撑传递时 ，可以不设； q当厂房有沿纵向运行的悬挂吊车且吊点设在屋架 下弦时，应在悬挂吊车轨道尽头的柱间设置上述下 弦水平支撑； q当具有下列情况之一时，应设置交叉角钢、直腹 杆和屋架下弦第一节点间组成水平桁架，即下弦纵 向水平支撑： （1）厂房内设有软钩桥式吊车且厂房高大，吊车起重量大 时（如等高多跨厂房柱高15m；无天窗 18m，中级工 作制吊车起重量 50t 时）； （2）厂房内设有硬钩桥式吊车 （3）厂房内设有悬挂吊车或设有较大振动设备时； （4）厂房内设有托架时，这时下弦纵向水平支撑应布置在托 架所在柱间，并向两端各伸一个柱距。 q当设置下弦纵向水平支撑时，为保证厂房空间刚 度，必须同时设置相应的下弦横向水平支撑，形成 封闭水平支撑体系。 屋架垂直支撑 十字交叉形 h=25004000mm w形 h=10003000mm v一般情况下，厂房跨度 30m时在屋架跨度 1/3左右布置两道垂直支撑。 v当屋架端布高度 1.2m时，还应在屋架两端各布置一道垂直 支撑。 v当厂房伸缩缝区段90m时，还应在柱间支撑柱距内增设一道 垂直支撑。 v当屋盖设置垂直支撑时，应在未设置垂直支撑的屋架间， 在相应垂直支撑平面内的屋架上弦和下弦节点处，设置通长 的水平系杆。 v凡设在屋架端部柱顶处和屋架上弦屋脊节点处的通长水平 系杆，均应采用刚性系杆，其余均可采用柔性系杆 （刚性系 杆可用 2755、柔性系杆可用 2705 角钢制成）。 屋架支撑的组成 屋盖支撑一般用角钢制成，其节间应与屋架节间相适应。交 叉杆件的倾角为300 600 。支撑杆件允许长细比见表13-1。其 节点构造查阅有关资料的构造图集。杆件截面按构造确定， 一般取用245 2 70。 4.梁、柱体系布置 和主要构件 单厂结构中梁系由吊车梁、连系梁、基础梁和圈 梁组成；柱系由系列柱组成。柱、屋架和基础组成的 排架结构体系将全部重力荷载及风荷载和纵横向水平 地震作用传至地基。因此，柱系是单厂结构的最主要 构件。 吊车梁 吊车梁是承受桥式吊车垂直轮压和水平制动力的 构件。 吊车梁常用类型有：钢筋混凝土等截面实腹吊车梁、混凝土 和钢组合梁、预应力混凝土先（后）张法等截面吊车梁和后张 法预应力混凝土变截面吊车梁。一般情况下，6m 跨其重量5 10t的吊车梁采用钢筋混凝土构件； 6m跨起重量15/3 30/5t 的 吊车梁采用钢筋混凝土构件或预应力混凝土构件； 6m跨起重量 30/5t 以上的吊车梁和12m跨吊车梁一般采用预应力混凝土构件 。 吊车梁一般根据起重量、吊车工作制、吊车跨度吊车台数以 及排架的柱间距等因数综合考虑确定。 连系梁和圈梁 连系梁和圈梁的作用：连系梁承受围 护墙的重力荷载并传递给排架柱，基础 梁也是连系梁；圈梁将围护墙、排架柱、山墙抗风柱等连接 在一起，增加结构体系的整体刚度，可以降低地基不均匀沉降 和振动荷载对结构的不利影响。圈梁在平面上应尽可能沿整个 厂房交圈。 圈梁设置要求 v对有桥式吊车的厂房，须在柱顶附近和吊车梁标高处各设 一道圈梁；当外墙高度超过15m时还应增设，通常每4 6m 高设一道； v对无桥式吊车的厂房，须在柱顶附近设一道圈梁；当外墙 高度超过8m时还应适当增设； v圈梁截面宜与墙体厚度等宽，当墙厚240mm时，不宜小 于2/3墙厚。圈梁截面高度不宜小于120mm ； v圈梁可兼作门窗过梁。 柱 一般情况下，由于厂房设有吊车，因此单厂结构体系的 柱为变截面柱。 钢筋混凝土柱型式 单肢柱：矩形、工字形、环形； 双肢柱：平腹杆双肢柱、斜腹杆双肢柱； 柱截面尺寸构造要求教材截面尺寸参考表。 抗风柱 截面尺寸应满足下列要求：截面高度 h2 hx/25 ，且 h2600mm。截面高度 b2 hy/35， 且 b2 350mm。 抗风柱与屋架的连接详见有关构造详图。 柱间支撑 承受山墙和屋盖横向水 平支撑传来的风荷载、 屋盖传来的纵向水平地震作用以及吊 车梁传来的吊车纵向水平制动力，并 将各荷载传至基础。此外，它还能提 高单厂结构体系的纵向刚度。 设置位置 v上柱柱间支撑设置在伸缩缝区段两侧，并与屋架横 向水平支撑相对应的柱间以及伸缩缝区段中央柱间； v上柱柱间支撑设置在伸缩缝区段中部，并与上柱柱 间支撑相应的位置。 有下列情况时应设置柱间支撑 厂房跨度18m，或柱高8m ； 设有起重量10t的中、轻级工作制（a1a5)吊车 或设有重级工作制（a6 、a7)吊车； 设有起重量3t的悬挂吊车； 露天吊车的柱列。 柱间支撑的构造要求 v当柱截面高度600mm时，下柱柱间支撑应设计成 双片，每片用单角钢做成交叉形，两片间用角钢或 缀条连接； v交叉杆件的倾角一般为350550； v两片支撑中心距等于柱高减去200mm （工字形截 面柱取柱截面高度减翼缘高度； v双肢柱的下柱柱间支撑宜设置在吊车梁的垂直平 面内； v上柱柱间支撑一般为单片角钢做成的交叉杆； v柱间支撑钢杆件的长细比应满足表131的要求。 5.基础体系的布置 和主要构件 单厂结构的基础主要采用柱下独立的现浇钢筋混凝土杯形基 础，承受排架平面内传来的作用力（n、m 、v）。有柱间支 撑的柱下基础尚需承受排架平面外柱间支撑传来的作用力 基础类型有：单杯口基础；双杯口或多杯口基础； 高杯口基础。 q整个厂房的基础顶面宜在同一标高，而各种杯口基础和设备 基础底面因地质条件和工艺要求不在同一标高时，应满足下 列要求： （131） 设备基础 独立基础的外形及外形尺寸构造要求 锥形基础 阶梯形基础 高杯口基础 桩基础 qt/h1值的要求与柱的受力状态和杯壁配筋有关（见计算） ； q锥形基础的坡度 tana2.5，a2 a1 ； q阶梯形基础，当 h850mm 时宜采用双阶，当h900mm时宜采 用三阶，每阶高300500mm 。 q钢筋混凝土杯形基础外形尺寸h1、a1、t的要求见教材表； q双杯口基础除两杯口中心距为伸缩缝两侧双柱中心距 1000mm外，其余尺寸要求与单杯口基础相同； q高杯口基础的柱插入深度h1和杯壁厚t的要求与一般杯口基 础相似，杯口、短柱的设计计算可参考有关资料； 基础梁吊车梁一般为梯形截面。 吊车梁截面 1. 基本假定和计 算简图 基本假定 (1)屋架与柱顶为铰接，只传递 n 和 v，不传 递 m； (2)柱底嵌固于基础，固定端位于基础顶面，不 考虑各种荷载引起的基础角变形； (3)横梁（或屋架）的轴向刚度无穷大，即不计 其轴向变形的影响； (4)排架之间相互无联系，即不考虑结构的空间 作用。（结构的空间作用用修正内力方法解决 。 计算简图 2. 排架荷载计算 屋盖荷载 1.屋盖永久荷载 屋盖永久荷载包括屋面构造层、屋面板、天窗架、屋架、 屋盖支撑体系重力荷载以及与屋架连接的各种重力荷载。 以集中力g1作用于柱顶。 2.屋面可变荷载 屋面可变荷载包括屋面均布活荷载、雪荷载和积灰荷载 。 均布活荷载：施工阶段的施工荷载和使用阶段的维修荷载 。 荷载规范规定不上人屋面均布活荷载的标 准值为 0.5kn/m2 。 雪荷载：按屋面水平投影面上的雪荷载计算。屋面雪荷载 的标准值 (kn/m2)按下式计算 (131) 式中 基本风压； 屋面积雪分布系数。 积灰荷载：设计生产中有大量排灰的厂房及其邻近厂房时， 应考虑厂房屋面水平投影面上的积灰荷载， 按荷载规范取值。 注意 v屋面均布活荷载与雪荷载不同时考虑，两者取 较大值； v积灰荷载应与不上人屋面均布活荷载和雪荷载 中的较大者同时考虑。 v屋面可变荷载以集中力的形式作用于柱顶，其 作用点同屋盖永久荷载； v对多跨排架结构，要考虑可变荷载分布对结构 的不利影响。 柱、吊车梁和轨道及连接件重力载 柱自重分别上、下柱的体积计算；吊车 梁和轨道及连接件重力荷载可从有关标 准图查得，轨道及连接件重力荷载可按 0.81.0kn/m 估算。 因为在一般情况下，施工时柱和吊车梁 安装后再安装屋架，故柱和吊车梁重力 荷载作用下的内力分析可将柱视为悬臂 构件计算。 风荷载 柱顶以上的风荷载通过屋架以集中力fw的形式作用于柱 顶；柱顶以下的风荷载可近似按作用柱上计算。 风荷载标准值 （kn/m2) (132) 式中 某地区基本风压值； 风荷载体型系数，是风吹到厂房表面引起的 压力或吸力与理论风压的比值； 风荷载高度变化系数，与地面粗糙程度和所 求风压值处离地面高度有关。 吊车荷载 国家标准起重机设计规范（gb3811-83)参照国际标准 起重设备分级(iso4301-1980)的原则，吊车按其在使用期 内要求的总循环次数以及荷载达到其额定值的频繁程度分成 轻、中、重和超重级四种工作制。根据要求的利用的等级和 荷载状态，吊车分为8个工作级别：a1a8。 按吊车吊钩的种类分为：软钩、硬钩 1.吊车竖向荷载 荷载规范规定：计算排架考虑多台吊车竖向荷载时，对一 层吊车单跨厂房的每个排架，参与组合的吊车数不宜多于2台 ；对一层吊车多跨厂房的每个排架，不宜多于4台。 最大轮压 值通常可根据吊车型号、规格等由产品目录或有 关设计手册查得。对一般常用四轮吊车，其相应的 值为 (133) (134) (135) 式中 各轮压对应反力影响线的坐标值； 折减系数（考虑多台吊车同时均满载的荷载 效应折减系数。 2.吊车横向水平荷载 对于四轮吊车满载运行 时，每个轮子产生的横 向水平制动力的标准值 为 (136) 式中 横向水平制动力 系数，对软钩吊车其值为：当 q100kn时，a=0.12，q160500kn 时， a=0.10，当q750kn时， a=0.08。对硬钩吊车其值为： a=0.20。 吊车施加在排架结构上的横向水平荷载为 (137) 荷载规范规定：考虑多 台吊车水平荷载时，对单跨 或多跨厂房的每个排架，参 与组合的吊车台数不应多 于2台。 3.吊车纵向水平荷载 吊车纵向水平制动力与桥式吊车每侧的制动轮数和吊车的最 大轮压 有关。 吊车纵向水平荷载的标准值为 (138) 式中 吊车每侧制动轮数，四轮桥式吊车 n=1； 制动轮在轮压下与轨道间的滑动摩擦系数。 注意 q当厂房有柱间支撑时，全部吊车纵向水平荷载由柱 间支撑承担； q当厂房无柱间支撑时，全部吊车纵向水平荷载由同 一伸缩缝区段内的所有各柱共同承担； q不论单跨或多跨厂房，参与组合的吊车台数不应多 于两台。 墙体荷载 3.排架结构的内力 计算方法 内力计算方法 v先按平面排架计算内力，在考虑厂房整体空间作用； v计算排架在每种荷载作用的内力，绘出排架柱内力图； v确定柱的几个关键控制截面； v关键控制截面的内力不利组合； v根据控制截面的内力最不利组合，进行截面设计。 单阶悬臂柱柱顶在单位力作用下的位移 令： 则 由图乘法求得 (139) 下端为固定上端为不动铰支座单阶柱在任意荷载作用 下的内力计算 由柱顶的变形协调条件可得 (1310) 由图乘法求得 (1311) 由式 (1310) 可得 (1312) v单阶变截面柱在各种荷载作用下的柱顶反力系数见教材 的附表。 柱顶反力系数 等高排架内力计算 1.排架柱顶作用集中荷载 由基本假定：横梁的轴刚度无穷大可得 (1313) (1314) (1315) 将式(1315)代入式(1314)可得 则 (1316) 将式(1316)代入式(1315)可得 (1317) 式中 第 i 柱的剪力分配系数。 2.排架在任意荷载作用下 不等高排架内力计算 不等高排架适合用力法求解。 由未知力x1、x2处的变形协 调条件 、 求解x1、x2 。 (1318) 4. 排架结构的 内力组合 内力组合的目的：将各种荷载单独作用下计算的内力，按 照它们共同作用的可能性进行组合，以便求出构件控制截面 的最不利内力组合设计值，作为构件承载力极限状态的设计 依据。 控制截面 内力组合原则 荷载规范规定，对于承载力极限状态的基本组合，一 般排架的荷载效应组合的设计值为 1）由可变荷载效应控制的组合 (1319) 2）由永久荷载效应控制的组合 (1320) 根据上述组合原则，对不考虑抗震设防的单厂结构，按承载力 极限状态进行内力分析时，需进行以下可能的组合： 1.2*恒荷+0.9*1.4(活荷+风荷+吊车荷载) 1.2*恒荷+0.9*1.4(风荷+吊车荷载) 1.2*恒荷+0.9*1.4(活荷+风荷) 1.2*恒荷+0.9*1.4(活荷+吊车荷载) 1.2*恒荷+1.4*吊车荷载 1.2*恒荷+1.4*风荷 内力组合应注意的问题： q恒荷在任何一种内力组合下都存在； q吊车竖向荷载 有分别作用在一跨厂房两个柱上的两种 情况，每次只能选择其中一种情况参加内力组合； q在选择吊车横向水平荷载时，该跨必然作用有吊车的相应竖 向荷载；但选择吊车竖向荷载时，不一定存在该吊车相应的 横向水平荷载； q吊车横向水平荷载，可能是任意一跨内两台吊车引起的，存 在作用在该跨两个柱上及两个方向制动的两种情况，只能选 其中一种情况参加组合；也可能是任意两跨内由本跨一台最 大吨位吊车引起的，也存在作用在本跨两个柱上以及两个方 向制动的两种情况。对每一跨来说，只能选择上述两种可能 情况中的一种情况参加内力组合；对整个排架结构来说，可 选择任意两跨的各一种横向水平荷载参加内力组合； q风荷载有左或右风压作用方向，只能选择其中一种参加 内力组合。 内力组合项目 对实腹柱：m、n 对柱截面配筋起控制作用，而v一般不起控 制作用； 空实腹柱：除考虑m、n外，还考虑v的影响； 基础设计：要考虑m、n、 v共同作用的影响。 截面最不内力组合： 1. 及相应的 、 2. 及相应的 、 3. 及相应的 或 、 4. 及相应的 或 、 1. 钢筋混凝土 柱设计 柱的计算长度 规范规定： 注：1.当计算中不考虑吊车荷载实，可按无吊车厂房柱的计算长度采用；但 2.表中 * 的值仅用于 hu/hl 3情况，当 hu/hl h0 牛腿的应力状态 牛腿破坏形态 弯压破坏 裂缝 约为极限荷载的20%40%，其走向是自上而下，此缝 不形成破坏裂缝； 裂缝 约为极限荷载的40%60%，其方向大致与主压应力迹 线平行； （1）弯压破坏 当1a/h00.75或纵筋配置偏少时，斜裂缝 随荷载的增加不断向受压区延伸，同时 纵筋拉应力不断增加以至屈服，直至受压 区混凝土被压碎而破坏。 （2）斜压破坏 斜压破坏 当a/h0 0.1 0.75时。 （3）剪切破坏 剪切破坏 当a/h0450取a=450。 牛腿局部受压验算 (1322) 式中