单层厂房结构型式与排架计算2.ppt

混凝土房屋结构设计,石家庄铁道学院土木工程分院建筑工程系,第二章单层厂房,返回,目的：确定柱和基础的内力。,内容：确定计算简图、荷载计算、内力分析和内力组合。,1.计算单元,按平面结构计算，根据结构布置和受力状况，选取最有代表性的计算单元。,第2章,混凝土结构设计,返回,返回,2排架结构的基本假定(1)通常屋架与柱顶用预埋钢板焊接，可视为铰接，它只能传递竖向力和水平力，不能传递弯矩；(2)排架柱(预制)插入基础杯口有一定深度，柱和基础间用高等级细石混凝土浇筑密实，柱与基础连接处可视为固定端，固定端位于基础顶面；(3)排架横梁(屋架或屋面梁)刚度很大，受力后的轴向变形可忽略不计，简化为一刚性连杆，即排架受力后，横梁两端的柱顶水平位移相等。,返回,3排架结构的计算简图(1)排架柱的高度由固定端算至柱顶铰结点处。排架柱的轴线为柱的几何中心线。当柱为变截面柱时，排架柱的轴线为一折线。上柱高Hu，下柱高Hl，全柱高H，上柱截面惯性矩为Iu，下柱截面惯性矩为Il，如上图(b)所示。(2)排架的跨度以厂房的轴线为准。横梁用一条线来代表(EA=)，计算简图如上图(c)。由上图(b)改用上图(c)，需在柱的变截面处增加一个力偶M，M等于上柱传下的竖向力乘以上下柱几何中心线的间距e。,返回,返回,1恒载（由材料重度计算，注意作用位置）,(1)屋盖恒载包括屋面构造层、屋面板、天窗架、屋架、屋盖支撑以及与屋架连接的各种管道的重力荷载。它们都以集中力Gl的形式施加于柱顶，作用点位于屋架上下弦几何中心线汇交处(对标准屋架通常在纵向定位轴线内侧l50mm处)。Gl对上柱截面中心往往有偏心距el，对下柱截面中心又增加另一偏心距e2(e2为上下柱中心线间距)，所以Gl对柱顶截面中心有一个外力矩Glel，对变截面处下柱截面中心有一个附加力矩Gle2，如上图(b)所示。,返回,返回,(2)柱、吊车梁和轨道联结重力荷载柱的重力荷载G2、G3分别按上、下柱(下柱包括牛腿)的实际体积计算。上柱自重G2作用于上柱重心，它的作用线与上柱中心线相重合，对下柱截面中心线有偏心距e2，对牛腿顶面处下柱截面中心有一个外力矩G2e2；下柱自重G3作用于下柱的重心，它的作用线与下柱中心线相重合。吊车梁和轨道联结的重力荷载G4可从相应的标准图集中查得，轨道联结也可按12kN/m沿吊车梁长度方向的均布荷载计算。G4的作用线与吊车梁轨道中心线相重合，距柱纵向定位轴线一般为750mm，并作用在柱牛腿顶面。G4对下柱截面中心的偏心距离为e4，故G4对下柱截面中心有一外力矩G4e4。,返回,返回,(3)墙体荷载当外墙墙体或大型墙板搁置在连系梁(墙梁)上，连系梁又支承在柱的牛腿上时，排架柱将受到墙体、墙体上的窗重以及连系梁自重产生的偏心荷载G5，e5为墙体中心线到排架柱中心线的距离，墙体荷载作用下的计算简图如下图所示。,返回,2.吊车荷载,吊车荷载是移动荷载，作用在厂房排架上的桥式吊车荷载一般有三种形式：(1)吊车竖向荷载Dmax、Dmin；(2)吊车横向水平荷载Tmax；(3)吊车纵向水平荷载。第(1)、(2)种作用在厂房横向排架上(如下图所示)，第(3)种作用在厂房纵向排架上。,返回,(1)吊车竖向荷载最大轮压Pmax和最小轮压Pmin吊车竖向荷载是吊车满载运行时通过轮压传给排架柱的竖向移动荷载。桥式吊车竖向荷载标准值应采用吊车的最大轮压Pmax和吊车的最小轮压Pmin。当吊车满载且卷扬机小车行驶到吊车桥架一侧的极限位置时，小车所在一侧轮压将出现最大轮压Pmax；同时，另一侧吊车轮压出现最小轮压Pmin(见下图)。,返回,多台吊车的荷载折减系数当有多台吊车时，对一层吊车单跨厂房的每个排架，参与组合的吊车台数不宜多于2台；对一层吊车多跨厂房的每个排架，不宜多于4台。对于多层吊车的单跨或多跨厂房，应按实际使用情况考虑。当按两台或两台以上吊车计算排架时，多台吊车的竖向荷载标准值应乘以下表所示的折减系数后采用，这是考虑到多台吊车同时满载，且小车位置也同时处于最不利位置的概率是很小的。,注：对于多层吊车的单跨或多跨厂房，计算排架时，参与组合的吊车台数及荷载的折减系数，应按实际情况考虑。,返回,吊车对排架柱产生的最大竖向荷载Dmax和最小竖向荷载Dmin一般预制吊车梁为简支梁，利用简支梁的反力影响线可求出吊车对排架柱产生的最大竖向荷载Dmax(另一侧排架柱为最小竖向荷载Dmin)。分析表明，只有当两台吊车挨紧运行，且其中起重量大的一台的轮子行至排架柱的位置时(见上图)，作用于计算排架柱的吊车竖向荷载才是最大值Dmax(另一侧排架柱为最小值Dmin)。由反力影响线得(见下图)：,返回,Dmax=PimaxyiDmin=Piminyi式中Pimax、Pimin分别为第i台吊车最大、最小轮压；yi为各轮压对应的反力影响线的竖值。,返回,桥式吊车基本参数Pmax、Pmin、桥宽B、轮距K等，可按所采用的桥式吊车规格，从产品说明书或有关专业标准中查得。在上图中，B1、K1为吊车1的桥宽和轮距；B2、K2为吊车2的桥宽和轮距；C为两台吊车最大轮压P1max和P2max作用点的间距(见上图)，其值为C=(B1-K1)/2+(B2-K2)/2,返回,吊车竖向荷载对排架下柱产生的力矩Mmax、Mmin最大(最小)竖向荷载Dmax(Dmin)对下柱几何中心线产生的力矩为Mmax=Dmaxe4Mmin=Dmine4式中e4为吊车梁中心线和下柱中心线间的距离。求出Dmax、Dmin、Mmax、Mmin后即可得到排架在吊车竖向荷载作用下的计算简图，如下图所示。值得注意的是，Dmax、Mmax也可能施加在B柱上，与此相应的是Dmin、Mmin作用在A柱上。,返回,返回,(2)吊车横向水平荷载吊车横向水平荷载T桥式吊车的横向水平荷载是由吊车上的小车在启动或制动时引起的惯性力而产生的。荷载规范建议吊车的横向水平荷载在两边轨道上平均分配，分别由车轮传至轨顶，并经轨道和埋设在吊车梁顶面的连接件传给上柱。因此，吊车横向水平荷载施加于排架的作用点，就在吊车梁顶面标高处，且有向左或向右两种可能性，如下图所示。,返回,考虑多台吊车水平荷载时，由于同时制动的机遇很小，荷载规范规定：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。计算排架承受的水平荷载标准值时，也应乘以荷载折减系数。因此，对一般4轮桥式吊车，每个轮子上产生的横向水平荷载标准值T，可按下式计算：,返回,T=(Q+Q1)g/4(kN)式中Q吊车的额定起重量(t)；Q1横行小车重量(t)；g重力加速度(9.81，可近似取10)；横向水平荷载系数(或称小车制动力系数)。对于软钩吊车：当Q10t时，=12；当Q=1550t时，=10；当Q75t时，=8；对于硬钩吊车=20。,返回,吊车横向最大水平荷载Tmax作用下的计算简图吊车横向水平荷载也是移动荷载，也要用影响线才能求出吊车对排架柱产生的最大水平荷载Tmax。吊车的位置与计算吊车竖向荷载Dmax时相同，所用公式类似，即：Tmax=Tiyi吊车横向水平荷载作用下的计算简图如下图所示。,返回,(3)吊车纵向水平荷载桥式吊车的纵向水平荷载是吊车的大车在启动或制动时引起的惯性力产生的，通过大车制动轮与钢轨间的摩擦传给厂房纵向结构。因此，吊车纵向水平荷载的作用点位于刹车轮与轨道的接触点，其方向与轨道方向一致。作用在一边轨道上的吊车纵向水平荷载标准值Te可按下式计算(取吊车的大车制动力系数为0.1)：Te=0.1nPmax式中n吊车每侧制动轮数(一台四轮桥式吊车，n=1)；Pmax刹车轮的最大轮压。,返回,计算吊车纵向水平荷载引起的厂房纵向结构的内力时，对单跨或多跨厂房的每个纵向排架，参与组合的吊车台数均不应多于2台。吊车纵向水平荷载将由同一伸缩缝区段内各柱共同承受，按各柱沿厂房纵向的抗侧刚度大小比例分配。当有柱间支撑时，全部纵向水平荷载可考虑由柱间支撑承受。,返回,3风荷载作用于单层厂房排架结构上的风荷载可分为两部分：(1)柱顶以下的风荷载，可近似地按竖向均布荷载q计，风压高度系数偏安全地按柱顶标高计算。(2)柱顶(屋架下弦)以上的风荷载，通过屋架以集中力FW的形式作用于排架柱顶。这时的风压高度变化系数均可按天窗檐口处标高计算，也可按各部分平均高出室外地面的高度计算。风荷载作用下的计算简图如下图所示。,第3章,混凝土结构设计,返回,作用于单层厂房表面上的风荷载与受风表面的形状、所处的地理位置、周围环境、离地面高度有关。荷载规范规定，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值Wk(kN/m2)，按下式计算：Wk=ZSZWO式中ZZ高度处的风振系数，仅在高度大于30m且高宽比大干1.5的房屋结构，以及基本自振周期T1大于0.25s的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构中才予考虑，单厂结构中Z=1；,返回,S风荷载体型系数，是指风作用在建筑物表面所引起的实际压力(或吸力)与理论风压的比值。主要与建筑物的体型和尺度有关。荷载规范中列出多种基本体型的风荷载体型系数，供设计时采用；Z风压高度变化系数，根据离地面高度及地面粗糙度类别，查表确定；WO基本风压(kN/m2)，是以当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的、50年一遇10分钟平均最大风速VO(m/s)为标准，按WO=VO2/1600确定的风压值。,返回,4.雪荷载、屋面积灰荷载和屋面均布活荷载这三种荷载都是作用在屋面上的可变荷载，都以相同的途径传至柱顶，其计算简图同屋盖恒载。在进行单层厂房结构设计时，考虑到屋面均布活荷载与雪荷载相遇的可能性很小，荷载规范规定，屋面均布活荷载，不应与雪荷载同时考虑，而应取两者中的较大值。当有屋面积灰荷载时，它应与屋面均布活荷载或屋面雪荷载中之较大值同时取用。(1)屋面积灰荷载当设计生产中有大量排灰的厂房(如冶金、铸造、水泥等行业的建筑)及其邻近建筑时，需考虑厂房屋面积灰荷载，其取值应按荷载规定确定。,返回,(2)雪荷载作用于屋面水平投影面上的雪荷载标准值Sk(kN/m2)，按下式计算：Sk=rSO式中r屋面积雪分布系数,与屋面形式、朝向及风力等有关。荷载规范规定了多种典型屋面的屋面积雪分布系数，供设计时采用；SO基本雪压(kN/m2)是以当地一般空旷平坦地面上统计所得30年一遇最大积雪的自重确定的，荷载规范中给出了全国基本雪压分布图。,返回,(3)屋面均布活荷载不上人屋面的均布活荷载指施工阶段及使用阶段进行屋面维修时的荷载。对钢筋混凝土屋面(包括挑檐、雨篷)上的屋面均布活荷载，按0.5kN/m2计算。其他屋面构造的屋面均布活荷载取值，详见荷载规范。,第2章,混凝土结构设计,2.2.3用剪力分配法计算高排架,排架的内力分析方法与排架的形式及荷载的作用方式有关，可采用力法和位移法进行分析。等高排架与不等高排架单位水平力作用在单阶悬臂柱顶时，柱顶位移的计算。柱的“抗剪刚度”或“侧移刚度”：当使柱顶产生单位水平位移时，所需施加的力的大小,第2章,混凝土结构设计,1.柱顶水平集中力作用下等高排架的内力分析,第2章,混凝土结构设计,利用解超静定结构的三个条件：平衡条件、变形条件和物理条件求解柱顶剪力。,第2章,混凝土结构设计,在柱顶集中力作用下，可直接用剪力分配法求解。,第2章,混凝土结构设计,2.任意荷载作用下等高排架的内力分析,第2章,混凝土结构设计,不能直接应用剪力法，但通过柱顶加铰支连杆可以通过转换用剪力分配法求解。分四步走：,在排架柱顶附加一个不动铰支座，限制其水平侧移；,叠加上述计算结果，可得到排架在任意荷载作用下的柱顶剪力，至此，排架各柱的内力即可求解。,此时排架变为多根一次超静定柱，利用柱顶反力系数可求得各柱顶反力Ri及相应的柱端剪力，则柱顶假想的不动铰支座反力为;,撤除不动铰支座，将R反向加于排架柱顶，用剪力分配法将其分配给各柱，求得柱顶分为;,第2章,混凝土结构设计,2.2.4内力组合,1.柱的控制截面,内力组合就是确定柱的控制截面和相应的最不利内力，并进行荷载组合。,第2章,混凝土结构设计,2.荷载组合,通过组合求出可能出现的最不利内力,荷载规范规定荷载效应组合的设计值S，应从下列组合值中取最不利值：,请注意：当（2-18）式中n=1时，组合系数0.9应改为1.0。,第2章,混凝土结构设计,3.内力组合项目,偏心受压柱的破坏形态有两种：大偏心受压和小偏心受压，故对控制截面考虑四种最不利内力组合：,第2章,混凝土结构设计,4.内力组合注意事项,无论什么情况，恒载必须参加组合；,目的在于得到最大内力，其他为最大内力的对应值；,Dmax作用在A柱，和Dmax作用在B柱不可能同时出现，所以不可能在同一组组合中出现；,Tmax参加组合时，必有垂直荷载项D(Dmax或Dmin)，而垂直荷载参加组合时，不一定有Tmax项(未必刹车)；,风荷载，左风、右风不同时存在，故不同时参加组合；,求Nmin时，N=0的风荷载应参加组合。,第2章,混凝土结构设计,2.2.5排架考虑整体空间作用的计算,1.厂房整体空间作用的基本概念,第2章,混凝土结构设计,2.吊车荷载作用下考虑厂房整体空间作用的排架内力分析,排架与排架、排架与山墙之间的相互制约作用，称为厂房的整体空间作用。,吊车荷载为局部荷载，可按考虑厂房空间作用的方法计算吊车荷载作用下的排架内力。,实用中采用空间作用分配系数来考虑厂房的荷载，该系数实质上是考虑空间作用排架的侧移与按平面排架计算时的柱顶侧移0的比值。,第2章,混凝土结构设计,3.考虑厂房整体空间作用时排架内力计算步骤,比较：,第2章,混凝土结构设计,2.3.1柱的型式,柱的设计包括柱的形式的选择、确定截面尺寸、配筋计算、吊装验算、牛腿设计等。,.,矩形、工字形、双肢柱。,第2章,混凝土结构设计,2.3.2矩形、工字形柱的设计,1.截面尺寸和外形构造尺寸,.,设计柱子的截面尺寸时不仅考虑承载力，还需考虑厂房柱的刚度要求。,第2章,混凝土结构设计,2.截面配筋计算,柱按偏心受压构件计算配筋：,.,第2章,混凝土结构设计,内力组合的取舍：,受压构件按规范确定计算长度l0。,第2章,混凝土结构设计,3.吊装运输阶段的承载力和裂缝宽度计算,.,第2章,混凝土结构设计,吊装采用一点吊时，吊点设在牛腿的根部，吊