混凝土结构设计 单层工业厂房.ppt

1 建筑结构设计 第二章单层厂房结构设计 主讲 马远荣 2 结构类型和结构体系 按结构材料 混合结构 钢结构 钢筋混凝土结构 按结构形式 排架结构 等高 不等高 锯齿形 刚架结构 两铰门架 三铰门架 3 等高排架 不等高排架 锯齿型排架 结构类型和结构体系 4 单层排架结构组成 1 屋面板 2 天沟板 3 天窗架 4 屋架 5 托架 6 吊车梁 7 排架柱 8 抗风柱 9 基础 10 连系梁 11 基础梁 12 天窗架垂直支撑 13 屋架下弦横向支撑 14 屋架垂直支撑 15 柱间支撑 5 屋盖结构 横向平面排架 横梁 屋架或屋面梁 横向柱列 包括基础 纵向平面排架 连系梁 吊车梁 纵向柱列 包括基础 柱间支撑 围护结构 纵墙 山墙 墙梁 抗风柱 基础梁 单层排架结构组成 有檩体系 无檩体系 大型屋面板 屋架 屋面梁 屋盖支撑 小型屋面板 檩条 屋架 屋盖支撑 6 排架荷载图 横向平面排架荷载图 横向排架 主要承重结构 把竖向 横向水平荷载传给地基 7 排架荷载图 纵向平面排架荷载图 纵向排架 保证结构的纵向稳定和刚度 承受纵向水平荷载 并将其传给地基 8 荷载传递 荷载分类 竖向荷载 横向水平荷载 纵向水平荷载 纵向排架 横向排架 竖向荷载传递路线 9 荷载传递 屋架 柱 基础 纵墙 天窗架 吊车横向水平荷载 横向风荷载 横向地震作用 屋面板 吊车梁 横向水平荷载传递路线 通过横 向排架 10 荷载传递 屋盖及屋盖支撑 柱 基础 抗风柱 天窗架 吊车纵向水平荷载 纵向风荷载 纵向地震作用 天窗端壁 吊车梁 纵向水平荷载传递路线 通过纵 向排架 山墙 11 单层厂房结构布置 平面布置 柱网是承重柱的纵向和横向定位轴线所形成的网格 柱距应采用6米或6米的倍数 跨度在18米以下采用3米的倍数 在18米以上采用6米的倍数 1 柱网布置 抗风柱柱距 宜采用1 5米的倍数 12 2 变形缝设置 伸缩缝 横向伸缩缝一般采用双柱 纵向伸缩缝一般采用单柱 露天 70m室内或土中 100m 沉降缝 一般不设 下列情况之一设 相邻部位高差很大 相邻跨吊车起重量悬殊 下卧土层有很大变化 各部分施工时间相差很长 抗震缝 当厂房平 立面布置复杂或结构高度 刚度相差很大时设置 单层厂房结构布置 平面布置 13 支撑布置 支撑的作用 1 使厂房形成整体骨架 保证厂房的空间骨架 2 传递水平荷载 3 保证各构件的稳定性 4 保证施工 安装的稳定和安全 14 支撑的分类 上弦横向水平支撑 支撑布置 屋盖支撑 下弦横向水平支撑 下弦纵向水平支撑 垂直支撑 纵向水平系杆 天窗架支撑 天窗架水平支撑 天窗架垂直支撑 柱间支撑 上柱柱间支撑 下柱柱间支撑 15 作用 增强屋盖整体刚度和上弦的侧向稳定 将抗风柱传来的风荷载传给柱 屋盖支撑 上弦横向水平支撑 位置 在厂房端部及温度区段两端的第一或第二柱间 下弦横向水平支撑 位置 温度区段两端 纵向水平支撑 下弦 作用 增强排架间的协同工作能力 位置 伸缩缝区段两端 作用 将下弦受到的纵向水平力传至纵向柱顶 纵向水平支撑尽可能与横向水平支撑连接成封闭水平支撑系统 16 位置 伸缩缝区段两端 屋架垂直支撑 屋盖支撑 作用 保证屋架的平面外稳定和安装时的结构安全 将上弦平面内的水平荷载传递到下弦平面内 因此 垂直支撑宜与横向水平支撑布置在同一柱间内 水平系杆 上弦水平系杆 保证屋架上弦或屋面梁受压翼缘的纵向稳定下弦水平系杆 防止屋架下弦的侧向颤动 柔性系杆 只能承受拉力的系杆刚性系杆 既能承受拉力也能承受压力的系杆 屋架端部柱顶处和屋架上弦屋脊节点处 作用 屋架上下弦的侧向支承点 一般通长设置 天窗架支撑 位置 天窗架两端 一般与屋架上弦横向水平支撑在同一柱间作用 保证天窗架上弦的侧向稳定 把天窗端壁上的水平风荷载传递给屋架 17 18 柱间支撑 作用 保证厂房纵向排架的刚度和稳定 将水平荷载传至基础 位置 横向水平支撑设置的柱间 伸缩缝区段中央或临近中央 上部柱间支撑 承受山墙上的风载并保证厂房上部的纵向刚度和稳定 下部柱间支撑 承受上部支撑传来的力和吊车梁传来的吊车纵向制动力 并把它们传到基础 设置 P104 19 围护结构布置 抗风柱 作用 端墙受到的风荷载 一部分 靠近纵向柱列的区格 直接传到纵向柱列 另一部分则下端经抗风柱直接传到基础 上端通过屋盖系统传到纵向柱列 材料 砖壁柱 钢筋混凝土柱连接 与基础刚接 与下弦铰接或同时与上 下弦铰接 抗风柱与屋架相连必须满两个条件 水平方向可靠连接 垂直方向允许有一定的相对位移 20 21 围护结构布置 圈梁 作用 将墙体与排架柱 抗风柱等箍在一起 以增强厂房的整体刚度 防止由于地基不均匀沉降或较大振动荷载的不利影响 连系梁 作用 连系纵向柱列 增强纵向刚度并传递风荷载到纵向柱列 承受其上部墙体的重量 过梁 作用 承受门窗洞口上的墙体重量 基础梁 作用 承受围护墙体的重量 并把它传给柱下单独基础 注意构造 留100mm左右的间隙 22 构件选型与截面尺寸确定 屋盖结构构件 除基础和柱需根据各自的情况设计计算外 其余选用标准图集 屋面板 无檩体系 预应力混凝土大型屋面板 1 5mX6m 有檩体系 预应力混凝土槽瓦 波形大瓦等小型屋面板 檩条 支承小型屋面板并将屋面荷载传给屋架 屋架 主要承重构件 对保证厂房的刚度起重要作用 形式 屋面梁 两铰 或三铰 拱屋架 桁架式屋架 天窗架 形成天窗以便采光和通风 同时承受风载 托架 支承中间屋架 23 24 构件选型与截面尺寸确定 吊车梁 直接承受吊车起重 运行和制动时产生的各种往复移动荷载 同时还有传递厂房纵向荷载 保证厂房纵向刚度等作用 25 构件选型与截面尺寸确定 形式 单肢柱 双肢柱 尺寸 截面承载力 截面刚度两个条件决定 柱 26 构件选型与截面尺寸确定 基础 类型 尺寸 根据基底反力和地基承载力由计算确定 基础高度和外形尺寸可根据工程经验确定 27 排架结构内力分析 纵向平面排架 空间计算模型 用于纵向抗震计算 用来设计柱间支撑 一般根据经验确定 不需进行纵向平面排架计算 横向平面排架 排架柱的内力 基础的内力 柱的设计 基础的设计 内容 确定计算简图 荷载计算 内力分析和内力组合 28 排架结构计算单元 计算单元的选取 范围 由相邻柱距的中线截出的一个典型区段 图2 5 1 除吊车等移动荷载以外 计算单元就是排架的负荷范围 或称从属面积 计算单元上的荷载由该单元内的横向排架承担 29 计算假定 排架结构的计算简图 1 柱下端与基础固接 固定端位于基础顶面 2 柱上端与屋架 或屋面梁 铰接 只能传递轴力和水平剪力 3 横梁为轴向刚度很大的刚性连杆 计算简图 牛腿顶面至柱顶 基础顶面至牛腿顶面 截面刚度取值 柱的横向定位轴线 边柱外缘和墙内缘相重合 30 排架结构上的荷载 恒载 31 屋面活荷载 屋面活载 雪荷载 积灰荷载 取较大值 按水平投影面积计算 Q1 位置同G1 排架结构上的荷载 32 排架结构上的荷载 风荷载 1 柱以下墙面的水平风荷载按均布荷载计算 2 柱顶以上风荷载可按作用于柱顶的水平集中力Fw计算 水平集中力Fw 柱顶以上的高度内墙体迎风面 背风面的风荷载屋面风荷载的水平分力 考虑左吹风和右吹风两种情况 33 排架结构上的荷载 吊车荷载 竖向荷载 横向水平荷载 纵向水平荷载 K 桥式吊车 轻级 A1 A3 中级 A4 A5 重级 A6 A7 和特重级 A8 四个载荷状态 34 最大轮压与最小轮压 最大轮压可从产品目录中查得 最小轮压可由下式确定 吊车竖向荷载标准值 排架结构上的荷载 对下柱都是偏心压力 应换成轴心压力和力矩 计算吊车竖向荷载时 单跨厂房 参与组合的吊车台数不宜多于2台 多跨厂房 参与组合的吊车台数不宜多于4台 35 排架结构上的荷载 吊车横向水平荷载 由小车吊有重物刹车时引起的惯性力产生 传力过程 小车惯性力 大车 吊车梁 排架柱 作用位置 吊车梁顶面 作用方向 横向 横向制动系数 每个轮子上的横向水平制动力 四轮桥式吊车 同样 利用影响线可以确定柱子受到的水平力 计算吊车横向水平荷载时 不论是单跨还是多跨 参与组合的吊车台数不宜多于2台 36 37 吊车纵向水平荷载 按一侧所有制动轮最大轮压之和的10 确定 由大车行驶中刹车引起的惯性力产生 作用位置 轨道顶面 作用方向 纵向 无柱间支撑 由伸缩缝区段内所有柱共同承担 按各柱纵向的抗侧刚度分配 有柱间支撑 由柱间支撑承担 排架结构上的荷载 计算吊车纵向水平荷载时 不论是单跨还是多跨 参与组合的吊车台数不宜多于2台 38 活载下计算简图 排架结构上的荷载 39 排架内力分析的目的 求排架结构在各种荷载作用下柱各截面的弯矩和剪力 而只要求得排架柱顶剪力 问题就变为静定悬臂柱的内力计算 柱顶剪力的基本方法 力法 先求横梁内力 再求柱顶剪力剪力分配法 直接求柱顶剪力 只适合等高排架 排架结构内力分析 40 单阶一次超静定柱在任意荷载作用下的柱顶反力 等高排架内力分析 载常数 形常数 单阶变截面柱的柱顶位移系数 单阶变截面柱的柱顶反力系数 41 剪力分配法 柱顶作用集中荷载F 由平衡条件 由物理条件 由几何条件 可求得 称为柱i的剪力分配系数 等高排架内力分析 当排架结构柱顶作用水平集中力时 各柱的剪力按抗剪刚度与抗剪刚度之和的比例关系进行分配 42 任意荷载作用 等高排架内力分析 在柱顶加上不动铰支座 利用图表求出内力和支座反力 将支座反力反向作用于柱顶 按抗剪刚度分配 求出内力 将上述两种情况的内力叠加 43 排架结构考虑整体空间作用的计算 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 影响因素 屋盖刚度 山墙刚度 山墙间距 荷载类型 44 排架结构考虑整体空间作用的计算 空间作用分配系数 考虑空间作用时 直接受荷排架的柱顶位移 按平面排架计算时的柱顶位移 45 在柱顶加上不动铰支座 利用图表求出内力和支座反力 将支座反力乘上空间分配系数u 反向作用于柱顶 按抗剪刚度分配 求出内力 将上述两种情况的内力叠加 排架结构考虑整体空间作用的计算 考虑厂房的整体空间作用时 上柱内力将增大 下柱内力将减小 46 排架柱的内力组合 柱的控制截面 荷载组合 恒载 活载 上柱 上柱底面 I I截面 下柱 牛腿面 II II截面 柱底面 III III截面 47 排架柱的内力组合 内力组合项目 对控制载面考虑四种最不利内力组合 Mmax及相应的N V Mmax及相应的N V Nmax及相应的 Mmax或 Mmax V Nmin及相应的 Mmax或 Mmax V 48 排架柱的内力组合 注意事项 每一项组合必须包括恒荷载产生的内力 从荷载产生的角度来看 有T必有D 有D不一定有T 从荷载组合角度 有Tmax必有Dmax 或Dmin 有Dmax 或Dmin 也要有Tmax D T 风载都有左 右之分 组合时选取一种 多台吊车参与组合时 其内力乘以荷载折减系数 49 柱的设计 配筋计算 对称配筋的偏心受压构件计算 弯矩平面内 轴心受压构件验算 弯矩平面外 纵向受力钢筋 箍筋 构造配置 构造要求 50 牛腿的设计 长牛腿 短牛腿 试验研究 应力分布 牛腿上部主拉应力迹线基本上与牛腿边缘平行 牛腿下部主压应力迹线大致与ab连线平行 牛腿中 下部主拉应力迹线是倾斜的 51 裂缝开展 当达到极限值的20 40 出现垂直裂缝 在极限荷载的40 60 出现第一条斜裂缝 破坏形态 剪切破坏 斜压破坏 弯压破坏 牛腿的设计 斜压破坏 52 截面尺寸 截面设计 截面尺寸 截面配筋 构造 截面高度根据斜截面抗裂 按下式确定 牛腿的设计 作用在牛腿顶部的竖向力标准组合值 作用在牛腿顶部的水平力标准组合值 裂缝控制系数 需作疲劳验算的牛腿取0 65 其余0 8 b 牛腿宽度 同柱宽 a 考虑安装偏差20mm 当a 0取a 0 为防止局部受压