荷载计算、内力计算及内力组合.doc

13.2.2荷载计算作用在排架上的荷载分为恒荷载和活荷载两类。恒荷载一般包括屋盖自重，上柱自重，下柱自重，吊车架和吊车梁、轨道零件自重，以及有时支承在牛腿上的围护结构等重力等。活荷载一般包括屋面活荷载，吊车荷载、和，均布风载 、，以及作用在屋盖支承处的集中风荷载等。图1324示出了上述作用在排架上的荷载。 集中荷载的作用点要根据实际情况确定。设是作用在上部柱顶的竖向偏心压力，它对上柱计算轴线的偏心距为，则可将换算成轴心压力（=）和力矩，如图1325（a）所示。对上部柱是轴心压力，但对下部柱却是偏心压力，同样可把它换算成对下部柱的轴心压力和力矩，是上、下部柱计算轴线间的距离，如图1325（b）所示。这样,对整个排架柱的作用可归纳为：在上部柱和下部柱内产生轴向心压力,作用在柱顶的力矩和作用在下部柱顶的力矩。排架在轴心压力和作用下除对柱产生轴向受压变形外，不产生其他内力，因此不需要进行排架内力分析；对于力矩、的作用则应进行排架内力分析，图1325（c）示出了它的计算简图。对竖向偏心压力采取这样的换算是为了可以分别利用附录10中的附图102和附图103进行内力分析。 对图1324中的其他竖向偏心压力、以及和可同理换算。 下面讲述排架上各项荷载的具体计算。 1恒荷载 各种恒荷载的数值可按材料容重和结构的有关尺寸由计算得到，标准构件可从标准图上直接查得。在排架计算中，取恒荷载的荷载分项系数。考虑到构件安装顺序，吊车梁和柱等构件是在屋面梁（或屋架）没有吊装之前就位的，这时排架还没有形成，因此对吊车梁和柱自重产生的内力不应按排架计算，而应按悬臂柱来分析（有的设计单位仍按排架计算，不过这部分内力值不大，因此两种分析方法的最终结果差别不大）。 2屋面活荷载 屋面活荷载包括屋面均布活荷载、雪荷载和屋面积灰荷载三种，都按屋面的水平投影面积计。 （l）屋面均布活荷载按现行建筑结构荷载规范（以下简称“荷载规范”）中的表43l采用。对不上人屋面，当施工荷载较大时，应按实际情况采用。 （2）雪荷载作用在建筑物或构筑物顶面上计算用的雪压，称为雪荷载。屋面水平投影面上的雪荷载标准值按下式计算： （ 13 1）式中 雪荷载标准值（kN）； 屋面积雪分布系数，应根据不同类型的屋顶形式，按“荷载规范”中表6.2.1采用；排架计算时，可近似按积雪全跨均匀分布考虑，取=1； 基本雪压（kN），它是以当地一般空旷平坦地面上统计所得50年一遇最大积雪的自重确定的。各地的基本雪压应按“荷载规范”中的全国基本雪压分布图确定。 山区的基本雪压应通过实际调查后确定。如无实际资料时，可按当地邻近空旷平坦地面的基本雪压值乘以系数1.2采用。（3）屋面积灰荷载设计生产中有大量排灰的厂房及其邻近建筑物时，应考虑积灰荷载。 排架计算时，屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，仅取两者中的较大值。屋面积灰荷载应与雪荷载和屋面均布活荷载两者中的大值同时考虑。 屋面均布活荷载、雪荷载、屋面积灰荷载的荷载分项系数。 3吊车荷载单层厂房中常用的吊车有悬挂吊车、手动吊车、电动葫芦以及桥式吊车等。1）悬挂吊车的水平荷载可不列入排架计算，而由有关支撑系统承受；2）手动吊车和电动葫芦可不考虑水平荷载。3）因此这里讲的吊车荷载是专指桥式吊车而言的。 在设计厂房结构计算吊车荷载时，根据吊车达到其额定值的频繁程度，将吊车工作的载荷状态分为轻级、中级、重级和特重级四种。一般满载机会少，运行速度低以及不需要紧张而繁重工作的场所，如水电站、机械检修站等的吊车属于轻级载荷状态；机械加工车间和装配车间的吊车属于中级载荷状态；冶炼车间和直接参加连续生产的吊车属于重级或特重级载荷状态。 桥式吊车对排架的作用有竖向荷载和水平荷载两种。 （1）作用在排架上的吊车竖向荷载设计值、 在这一侧的每个大车的轮压称为吊车的最大轮压标准值，在另一侧的轮压称为最小轮压标准值，与同时发生。 通常可根据吊车型号、规格等查阅专业标准起重机基本参数和尺寸系列（ZQI62862）或直接参照吊车制造厂的产品规格得到。对于四轮吊车： ,、分别为大车、小车的自重标准值，以 kN计，等于各自的质量ml、m2（以t计）与重力加速度的乘积； G3,k与吊车额定起吊质量 Q对应的重力标准值，以 kN计，等于.以t计的额定起吊质量Q与重力加速度的乘积。吊车是移动的，因而由Pmax,k。在吊车梁支座产生的最大反力标准值Dmax,k 必须用吊车架支座竖向反力影响线来确定； Dmax,k、Dmin,k，按下式计算： 式中各大轮子下影响线纵标值的总和； 多台吊车的荷载折减系数，按表133取值。吊车最大轮压的设计值 吊车最小轮压的设计值Pmin=，故作用在排架上的吊车竖向荷载设计值这里的Q是吊车荷载的荷载分项系数， Q=1.4. 由于Dmax可以发生在左柱也可以发生在右柱两种荷载情况。 Dmax,Dmin对下部柱都是偏心压力，产生的力矩式中e4-吊车梁支座钢垫板 的中心线至下部柱 轴线的距离。 （2）作用在排架上的吊车横向水平荷载设计值 吊车的水平荷载有纵向水平荷载与横向水平荷载两种。 吊车横向水平荷载标准值，应按小车重力标准值与额定起重力标准值之和乘以横向水平荷载系数 ，因此总的吊车横向水平荷载标准值可以表示为： 式中吊车横向水平荷载系数，现行“荷载规范”规定： 对于软钩吊车 当额定起吊质量Q310t时，=1.12； 当额定起吊质量15tQ350t时，=0.10； 当额定起吊质量 Q3 75t时， =0.08 对于硬约吊车取=0.20 则两台吊车作用下的可直接由求得 注意，小车是沿横向左、右运行的，有正反两个方向的刹车情况，因此对 既要考虑它向左作用又要考虑它向右作用。这样，对单跨排架就有两种荷载情况，对两跨排架有四种荷载情况。 （3）多台吊车组合 多台吊车同时出现Dmax和Dmin的概率，以及同时出现Tmax的概率都很小，因此排架计算时，多台吊车的竖向荷载标准值和水平荷载标准值都应乘以多台吊车的荷载折减系数. 【例题1311】已知：有一单跨厂房，跨度18m，往距 6m，设计时考虑两台 10t中级载荷状态的桥式吊车，吊车桥架跨度=1.65m。 求：Dmax、Dmin和Tmax。 解由吊车产品目录ZQI62查得，桥架宽度B=5.55m，轮距 K=4.40m，小车质量m2=3.8t，吊车最大轮压标准值Pmax,k=115kN，大车质量m1=18t。 由式（132）得 4风荷载 作用在建筑物或构筑物表面上计算用的风压，称为风荷载。垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按下式计算：式中 基本风压是以当地比较空旷平坦地面上离地10m高度处，统计所得的50年一遇10分钟平均最大风速（ms）为标准，按确定的风压，此处产为空气的重力密度（tm3，可按“荷载规范”附录D确定。 基本风压应按“荷载规范”中全国基本风压分布图和附录D给出的数据采用，但不得小于0.30KN/m2（唐山地区为0.45KN/m2）。 风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）与基本风压的比值。 根据“荷载规范”，平坦或稍有起伏的地形，地面粗糙度可分为A、B、C、D四类： A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区C类指有密集建筑群的城市市区； D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。 对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表134取用。 排架计算时，作用在柱顶以下墙面上的风荷载按均布考虑，其风压高度变化系数可按柱项标高取值，这是偏于安全的。当基础项面至室外地坪的距离不大时，为简化计算，风荷载可按柱全高计算，不再减去基础顶面至室外地坪那一小段多算的风荷载。若基础理置较深时，则按实际情况计算，否则误差较大。 柱项至屋脊间屋盖部分的风荷载，仍取为均布的，其对排架的作用则按作用在往顶的水平集中风荷载标准值而考虑。这时的风压高度变化系数可按下述情况确定：有矩形天窗时，按天窗檐口取值；无矩形天窗时，按厂房檐口标高取值。值应分成两部分计算 应注意屋面坡面上风荷载本身是垂直于该坡面的，因此对于图1332（b）所示的双坡屋面： 式中 风荷载的设计值W、q1、q2。等于其标准值乘以风荷载分项系数。 风荷载是可以变向的，因此排架计算时，要考虑左风和右风两种情况。 【例题132】 已知：某金工车间，外形尺寸及部分风载体型系数如因1331（a）所示，基本风压 =35kNm2，柱项标高为+10.5m，室外天然地坪标高为 -0.30m， h1=2.1m,h2=1.2m，地面粗糙类别为B，排架计算宽度B=6m。 求：作用在排架上风荷载的设计值。 【解】1求q1,q2 风压高度变化系数按柱顶离室外天然地坪的高度 10.50.3=10.8m取值。查表134得：离地面 10m时， =1.00；离地面 15m时， =1.14。用插入法求出离地面10.8m的值： 2求 风压高度变化系数按檐口离室外地坪的高度 10.82.l= 12.9m取值。用插入法得 13.2.3用剪力分配法计算等高挑架 从排架计算的观点来看，柱顶水平位移相等的排架，称为等高排架。等高排架有柱顶标高相同的，以及柱顶标高虽不同但柱顶由倾斜横梁贯通相连的两种。 柱顶水平位移不相等的不等高排架，当采用“力法”计算时，可参阅有关文献。这里只介绍计算等高排架的一种简便方法剪力分配法 由结构力学知，当单位水平力作用在单阶悬臂柱顶时，见图1334（a）柱顶水平位移和H分别为上部柱高和柱的总高； 分别为上、下部柱的截面惯性矩。 由此要是柱顶产生单位位移，则需在柱顶施加的水平力，如图所示。显然，材料相同时，柱越粗壮，需施加的柱项水平力越大，可见反映了柱抵抗侧移的能力，一般称它为柱的“抗剪刚度”或“侧移刚度”。 1柱顶作用水平集中力时的剪力分配 当柱顶作用水平集中力F时，如图所示，设有n根柱，任一柱i的抗剪刚度，则其分担的柱项剪力可由力的平衡条件和变形条件求得。按抗剪刚度的定义，有式中i称为柱i的剪力分配系数，它等于柱i自身的抗剪刚度与所有柱（包括其本身）总的抗剪刚度的比值。 这里要说明一个问题，在图1335中如果把柱项水平集中力F从左侧柱A的柱顶移至右侧柱C的柱项，且不改变其作用方向，则由剪力分配法可知，各柱的柱项剪力不会改变，但横梁将由受压改变为受拉。 各柱的柱顶剪力求出后，各柱就可按独立悬臂柱那样计算内力。 2任意荷载作用时的剪力分配 计算过程分为三个步骤：1）先在排架柱须附加不动铰支座以阻止水平位移，并求出不动铰支座的水平反力R； 2）撤消附加的不动铰支座，在此排架柱顶加上反向作用的R； 3）将上述两个状态叠加，以恢复原状，即叠加上述两个步骤中求出的内力即为排架的实际内力。各种荷载作用下的不动铰支座反力R可从附录10中求得。 这里规定，柱顶剪力、柱顶水平集中力、柱顶不动铰支座反力，凡是自左向右作用的取为正号，反之取负号。 【例题13-3】 已知：某金工车间的排架计算简困，如图 1337所示， A往与 B柱形状和尺寸等均相同。 求：在 Mmax103kN m和 Mmin=35.9kN m联合作用下按剪力分配法计算的排架内力。【解】 （l）计算参数n和 上部柱截面惯性短 下部柱截面惯性矩 （2）在柱顶虚加不动铰支座 在A柱和B柱的柱顶分别虚加水平不动铰支座，如图1338（a）所示。查附录10中的附图103得C3=1.3。因此不动铰支座反力因此A柱和B往的柱顶剪力为： （3）撤销附加的不动铰支座 为了撤消附加的不动铰支座，需在排架的柱项施加水平集中力 和， 如因1338（b）所示。因为A柱与B柱相同，故剪力分配系数，于是在 和作用下，各分配到的往顶剪力 （4）叠加（2）和（3）两个状态 叠加（2）和（3）两个状态，恢复结构原有受力状况，此时总的柱顶剪力 相应的内力图（弯矩图和剪力图）如图238（d）、（e）所示。例题13-4 求：用剪力分配法计算此排架在风荷载作用下的内力。【解】 （2）计算各柱顶剪力 把风荷载分成三种情况求各位项所产生的剪力而后叠加。 在各柱项分别附加水平不动铰支座： 在的作用下，A柱虚加水平不动铰支座，由附录10中的附图108，查得C110.361，故A柱不动铰支座反力 在作用下，C柱虚加水平不动铰支座产生支座反力，其值为 在 ；和 。作用下，B柱没有不动铰支座反力。 撤消附加的不动铰支座，在排架柱顶施加集中力和，并把它们与 相加后进行剪力分配： 叠加上述两个状态，恢复结构原有受力状况，即把各柱分配到的柱项剪力与柱顶不动铰支座反力相加，即得该往的柱顶剪力：（3）绘制弯矩图，柱顶剪力求出后，按悬臂柱求弯矩图，如图1339（C）所示。 13.2.4内力组合 1控制截面通常上柱各截面配筋是相同的，而在上柱中，牛腿顶面（即上柱底截面 ） I I的内力的最大，因此截面II为上柱的控制截面。在下柱中，通常各截面配筋也是相同的，而牛腿顶截面-和柱底截面-的内力较大，因此取截面-和 -为下柱的控制截面 2荷载组合 在排架内力计算中，当求出了各种荷载单独作用下控制截面上的内力以后，有两个问题需要解决。 第一个问题是荷载组合。要考虑两方面：一是要找出哪几种荷载同时作用时才是最不利的，为此就要考虑可能出现的荷载组合情况；另一是几种活荷载同时作用又同时达到其设计值的可能性毕竟不大，因此要考虑活荷载组合值系数。 根据“荷载规范”，对于一般框架、排架结构，可以采用简化规则，按照下列组合值中取最不利值确定： （1）恒荷载+任一活荷载； （2）恒荷载十0.9（任意两个或两个以上活荷载之和）。 3内力组合 第二个问题是内力组合。控制截面的内力种类有轴向力N、弯矩M和水平剪力。对同一个控制截面，这三种内力应该怎样搭配，其截面的承载力才是最不利的？这就需要进行内力组合以便作出判断。 排架柱是偏心受压构件，其纵向受力钢筋的计算主要取决于轴向力N和弯矩M，根据可能需要的最大的配筋量，一般可考虑以下四种内力组合： （1）max及相应的N和V； （2）max及相应的N和