混凝土结构设计单层工业厂房

混凝土结构设计单层工业厂房第二章单层厂房本章讨论单层装配式钢筋混凝土厂房的结构设计。为掌握钢筋混凝土单层厂房整体结构布置与设计计算，对厂房的结构组成、构件选型、排架内力分析与组合及主要构件设计等都一一作了介绍。重点内容：单层厂房结构的选型与布置；钢筋混凝土排架结构的荷载计算、内力分析与组合；钢筋混凝土排架柱及柱下单独基础的设计。难点为：单层厂房中支撑的布置；排架柱的内力组合；柱下单独基础抗冲切计算。2.l概述2.1.1单层厂房的特点工业厂房按层数分类，可分为单层厂房(多用于机械、冶金等工业)、多层厂房(多用于食品、电子、精密机器制造等工业)和层数混合的厂房(多用于化学工业、热电站)三类。一般说来，单层厂房具有以下结构特点： (1)单层厂房结构的跨度大、高度大，承受的荷载大，因而构件的内力大，截面尺寸大，用料多。(2)单层厂房常承受动力荷载(如吊车荷载、动力机械设备荷载等)，因此在进行结构设计时须考虑动力荷载的影响。(3)单层厂房是空旷型结构，室内几乎无隔墙，仅在四周设置柱和墙。柱是承受屋盖荷载、墙体荷载、吊车荷载以及地震作用的主要构件。(4)单层厂房的基础反力大，因此对工程地质勘察需提出较高的要求，并作深入的分析，以确定地基承载力和基础埋置深度、形式与尺寸。2.1.2单层厂房的结构分类1.按承重结构的材料分类混合结构（砖柱、钢筋混凝土屋架或木屋架或轻钢屋架）混凝土结构（钢筋混凝土柱、钢屋架或预应力混凝土屋架）全钢结构（钢柱、钢屋架）2.按承重结构的型式分类排架（等高排架、不等高排架、锯齿形排架）刚架（门式刚架）排架结构由屋架(或屋面梁)、柱和基础组成，柱与屋架铰接，而与基础刚接。刚架也是由横梁、柱和基础组成。柱与横梁刚接，而与基础铰接。2．2单层厂房的结构组成与结构布置2．2．结构组成装配式钢筋混凝土单层厂房结构是由多种构件组成的空间整体.根据组成构件作用不同，可将单层厂房结构分为承重结构和围护结构两大类。承重结构：直接承受荷载并将荷载传给其它构件，如屋面板、天窗架、屋架、柱、吊车梁、基础等；围护结构：主要承受自重及风荷载，如外纵墙、山墙、连系梁、抗风柱、基础梁等。2.2.1.1屋盖结构屋盖结构分无檩体系和有檩体系两种：当大型屋面板直接支承(焊牢)在屋架或屋面梁上的称为无檩体系，其刚度和整体性好，目前应用很广泛；当小型屋面板(或瓦材)支承在檩条上，檩条支承在屋架上(板与檩条，檩条与屋架均需有牢固的连接)，通常称为有檩体系。该体系由于采用了小型屋面板及檩条，所以构件重量轻，便于运输与安装。但因构件种类多，荷载传递路线长，故其刚度和整体性较差，其造价比无檩体系的大，所以它只有在运输、吊装等困难的情况下，或在轻型不保温的厂房中才被采用。2.2.1.2横向平面排架横向平面排架是由屋架(屋面梁)、横向柱列和基础组成，是单层厂房的基本承重结构(图2．4)。厂房结构的竖向荷载和横向水平荷载主要通过它传给地基。因此，在单层厂房的结构设计中，一定要进行横向平面排架计算。竖向荷载传递途径2．2．1．3纵向平面排架纵向平面排架是由连系梁、吊车梁、纵向柱列(包括柱间支撑)和基础组成(图2.2.3)。作用主要是保证厂房结构的纵向稳定和刚度，承受作用在厂房结构上的纵向水平荷载，并将其传给地基，同时也承受因温度变化和收缩变形而产生内力。2.2.2结构布置为使单层厂房的构配件达到统一，提高设计标准化，单层厂房的主要尺寸和标高必须符合规定的统一模数制。1.平面与剖面布置（1）定位轴线与厂房横向平面排架平行的轴线，称为横向定位轴线，以①、②、⑧…表示；与其垂直的轴线，称为纵向定位轴线，以A、B…表示，纵横向定位轴线在平面上排列所形成的网格，称为柱网。定位轴线之间的距离和主要构件的标志尺寸相一致，且符合建筑模数。所谓标志尺寸就是构件的实际尺寸加上两端必要的构造尺寸。如，大型屋面板的实际尺寸是1490mmX5970mm，标志尺寸是1500mmX5000mm；18m屋架的实际跨度是17950mm，标志跨度是18000mm，横向定位轴线通过柱截面的几何中心，且通过屋架中心线与屋面板等横向接缝。在厂房端部横向定位轴线与山墙内边缘重合，将山墙内侧第一排柱中心内移500mm，并将端部屋面板做成一端伸臂板一般说，在横向是与墙、柱中心线重合，在纵向则由墙内缘或柱外缘通过(3)变形缝设置变形缝包括伸缩缝、沉降缝和防震缝三种。①伸缩缝:伸缩缝将厂房从基础顶面到屋面完全分开《混凝土规范》)规定：对于装配式钢筋混凝土排架结构，当处于室内时，其伸缩缝的最大间距为100m；当处在露天时，其伸缩缝的最大间距为70m。当超过上述规定或对厂房有特殊要求时，应进行温度应力验算。此外，对于下列情况，伸缩缝的最大间距还应适当减小。②沉降缝单层厂房结构主要是由简支构件装配而成，因地基不均匀沉降引起的不利影响较小。所以，在一般单层厂房中可不设沉降缝，只在特殊情况下才考虑设置.③防震缝防震缝是为了减轻厂房震害而采取的措施之一。当厂房平面、立面复杂，结构高度或刚度相差很大，以及在厂房侧边布置附属用房(如生活间、变电所、炉子间等)时，应设置防震缝。三缝合一（5）剖面布置①厂房高度厂房的高度指室内地面至柱顶(或下撑式屋架下弦底面)的距离。厂房的高度和轨顶标高是厂房结构设计中的两个重要参数，要综合考虑生产工艺和建筑结构两方面的因素才能确定。确定厂房高度时，应按照《厂房建筑模数协调标准》(GBJ6—86)的规定，考虑建筑模数的要求。有吊车和无吊车的厂房(包括有悬挂吊车的厂房)自室内地面至柱顶的高度应为扩大模数3M数列；有吊车的厂房，自室内地面至支承吊车梁的牛腿面的高度应为扩大模数3M数列。注：①自室内地面至支承吊车梁的牛腿面的高度在7.2m以上时，宜采用7.8m、8.4m、9.0m和9.6m等数值；②预制钢筋混凝土柱自室内地面至柱底的高度宜为模数化尺寸。确定厂房高度的原则是：在满足生产工艺前提下，尽可能合理地降低厂房高度，以便减小柱的内力，减少围护结构面积，降低造价；同时又要考虑减少构件种类，简化连接构造，保证施工方便等因素。厂房跨度工根据生产工艺要求确定，同时满足《厂房建筑模数协调标准》的要求，以便采用标准预制构件。对于有吊车的厂房，跨度工可采用下列公式确定：2.3支撑布置支撑体系是联系屋架、柱等主要构件，并使其构成整体的重要部分，对单层厂房抗震设计尤为重要；单层厂房的支撑体系包括屋盖支撑和柱间支撑两部分。（1）屋盖支撑①（上、下弦）横向水平支承构成刚性框、增强屋面的整体刚度，保证屋架（屋面梁）的侧向稳定，同时将山墙抗风柱所承受的纵向水平力传到两侧柱列上。②纵向水平支撑*加强屋盖结构在横向水平面内的刚度，保证横向水平荷载的纵向分布，增强排架的空间工作。③屋架间的垂直支撑及水平系杆④天窗架支撑（2）柱间支撑3.围护结构布置（1）抗风柱（2）圈梁、连系梁、过梁和基础梁2.4单层厂房结构主要构件选型单层厂房结构设计的三个阶段：方案设计阶段；技术设计阶段；施工图设计阶段。除拄和基础外，一般都可以根据工程的具体情况，从工业厂房结构构件标准图集中选用合适的标准构件。国家建筑标准设计图集介绍全国通用标准图；大区通用标准图（如中南标、华北标等）；省（直辖市）通用标准图（如河南省标、北京市标、上海市标等）地（市）通用标准图“如郑州市标、洛阳市标等”。全国通用标准图集一般包括设计和施工说明、构件选用表、结构布置图、连接大样图、模板图、配筋图、钢筋节点图、预埋件大样图，钢筋及钢材用量表等部分，它们均属于结构施工图，因此，可作为施工的依据。2.4.2屋面主要构件选型屋面板目前，单层厂房屋面板主要有以下几种：预应力混凝土大型屋面板，预应力混凝土“F”形屋面板、预应力混凝土单肋板和预应力混凝土夹心保温屋面板，其中应用较多的是预应力混凝土屋面板(或称为预应力混凝土大型屋面板)，其外型尺寸常用的是1．5mX6m，为配合屋架尺寸，还有0.9mX6m的嵌板，其形式见国家标准图集92G410(四)。编号的意义：Y-WB-2x82、檩条在有檩体系屋盖中，檩条搁在屋架或屋面梁上，支承小型屋面板并将屋面荷载传给屋架或屋面梁。它与屋架的连接应牢固，使其与支撑构件共同组成整体，以保证厂房的空间刚度，可靠地传递水平荷载。2.4.3、屋架屋架是厂房结构的一个重要组成部分，屋架选型的合理与否直接关系到厂房屋盖结构的刚度和稳定性。选择合理的屋架型式，不仅要考虑受力合理与否，而且还要综合考虑其它因素，如施工条件、材料供应、跨度大小等。屋架的选型方法先确定屋架型式（屋面梁、三铰或两铰拱屋架、桁架式屋架），然后根据具体的设计条件从屋架标准图集中选用合适的屋架。2.4.4.天窗架及托架2.4.5吊车梁吊车梁直接承受吊车传来的竖向荷载和水平制动力，由于吊车往返运行，因此吊车梁除了要满足承载力、抗裂度和刚度要求外，还要满足疲劳强度的要求。钢筋混凝土吊车梁的型式很多，目前常用的主要有以下几种：(1)混凝土等截面吊车梁：用于厂房跨度30m以下，吊车起重量为30t以下(2)组合式吊车梁：自重较轻，适用于吊车起重量较小(一般不大于5t)的轻、中级工作制吊车。(3)预应力混凝土等截面吊车梁。适用于吊车起重量为75t以下的情况。(4)预应力混凝土变截面吊车梁。一般在吊车起重量大、跨度大时采用(5)桁架式吊车梁。对一般中型厂房多采用等高T形或I形截面吊车梁。(6)部分预应力混凝土吊车梁。适用于吊车起重量为30t以下的情况。2.4.6常用柱型2.4.6.1柱的截面形式单层厂房钢筋混凝土柱按其截面形式分为两大类：单肢柱(包括矩形、I形、环形截面)和双肢柱(包括平腹杆、斜腹杆、双肢管柱)。2.5排架内力分析本节介绍横向平面排架结构(以下简称排架)的内力分析方法。它主要解决两个问题：(1)求出排架柱在各种荷载作用下起控制作用的截面的最不利内力，作为柱截面设计和承载力校核的依据；(2)求出柱传给基础的最不利内力，作为基础设计的依据。2.5.1计算筒图2.5.1.1计算单元2.计算假定与计算简图(1)柱上端与屋架(或屋面梁)铰接(2)柱下端与基础固接(3)排架横梁为无轴向变形的刚杆，横梁两端处柱的水平位移相等（跨变排架应考虑横梁轴向变形的影响）计算简图：(4)排架柱的高度由固定端算至柱顶铰结点处(5)排架的跨度以厂房的轴线为准，2.4.2荷载计算掌握各种荷载值的计算，荷载的作用位置（荷载的大小、作用点）恒荷载（1）屋盖自重；（2）上柱自重；（3）下柱自重；（4）吊车梁及轨道等自重。2.活荷载（1）屋面活荷载（作用位置与屋盖恒载相同）①屋面均布活荷载；②雪荷载；③屋面积灰荷载。当不考虑屋面积灰荷载时，取屋面均布活荷载和雪荷载两者中的较大值；当考虑屋面积灰荷载时，取屋面均布活荷载、雪荷载和屋面积灰荷载三者中的较大值。雪荷载的计算：风荷载的计算风荷载标准值风荷载的方向是变化的，设计时既要考虑左风荷载、又要考虑右风荷载。作用于排架上的风荷载3.吊车荷载吊车的工作级别（原规范称为吊车的工作制度）：根据吊车荷载达到其额定值的程度将吊车的工作级别分为A1—A8级。其中A1—A5级对应于原规范的轻级和中级工作制；其中A6—A8级对应于原规范的重级和超重级工作制。（1）吊车竖向荷载（最大竖向荷载、最小竖向荷载当小车吊在额定最大起重量Q开到大车某一极限工况位置时，在这一侧的每个大车轮压称为吊车的最大轮压Pmax,k(标准值)，在另一侧的称为最小轮压标准值Pmin,k。Pmax,k与Pmin,k同时发生。计算吊车轮压施加于排架柱的荷载时，应考虑数台吊车的不利组合：单跨厂房的一榀排架，最多考虑两台吊车；对多跨厂房的一榀排架时，最多考虑四台吊车。Pmax,k与Pmin,k可根据吊车型号、规格等查阅产品目录或起重运输机械专业标准(ZQI一62)得到。对于四轮吊车最大轮压设计值Pmax与和最小轮压设计值Pmin可按下列公式计算但吊车是移动的，故作用于每榀排架上的吊车竖向荷载组合值需应用影响线原理求出。产生的最大竖向荷载Dmax。时，另一边相应柱子承受Pmin产生的最小竖向荷载Dmin。

Dmax和Dmin即为作用在排架柱上的吊车竖向荷载，两者同时出现。Dmax和Dmin对下柱都是偏心压力，应把它们换算成作用在下柱顶面的轴心压力和力矩。（2）吊车横向水平荷载Tmax吊车横向水平荷载由小车吊起重物后的横向水平制动力引起，作用于吊车梁顶面与柱联结处。通过一个大车轮传递的吊车横向水平力标准值：--横向水平荷载系数吊车在排架上产生的最大水平荷载标准值：吊车横向水平荷载应同时作用于支承该吊车的两侧柱上；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。2.5.3排架内力分析不考虑厂房整体空间作用排架计算方法：1.等高排架内力分析（剪力分配法）（1）阶梯形柱的位移计算柱顶位移，可查P301附录Ⅰ2.柱顶水平集中力作用下的内力2.柱顶水平集中力作用下的内力3.任意荷载作用下的内力2.4.4不等高排架内力分析采用力法求解2.5.6排架内力组合在分析排架结构的内力时，先求出各种荷载单独作用时各柱的内力，然后进行内力组合。其目的是求出起控制作用的截面的最不利内力，作为柱及基础设计的依据。1.控制截面上柱柱底截面：Ⅰ-Ⅰ截面；下柱牛腿顶面：Ⅱ-Ⅱ截面；柱底截面：Ⅲ-Ⅲ截面。2.荷载效应组合《建筑结构荷载规范》GB50009-2006的规定（简要复习）（1）作用（荷载）效应的基本组合：对于基本组合，荷载效应组合的设计值应从下列组合值中取最不利值确定：①由可变荷载效应控制的组合：对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则：当仅有一个可变荷载时：②由永久荷载效应控制的组合：（2）基本组合的荷载分项系数取值的规定：①永久荷载分项系数当其效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合，1.2；对由永久荷载效应控制的组合，1.35。当其效应对结构有利时：一般情况下，应取1.0；对结构倾覆、滑移或漂浮验算，取0.9。②可变荷载的分项系数一般情况下，应取1.4；对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，应取1.3。3）对常见的住宅、办公楼等民用建筑，当仅有一个可变荷载作用时，其承载能力极限状态设计表达式可简化为：①由可变荷载效应控制的组合：②由永久荷载效应控制的组合：单层厂房的荷载效应组合：（1）组合原则①由可变荷载效应控制的组合：当有多个可变荷载作用时：当只有一个可变荷载作用时：②由永久荷载效应控制的组合：与原规范不同，在考虑组合时，摒弃了“遇风组合”的惯例，要求所有可变荷载当作为伴随荷载时，都必须以其组合值为代表值，而不仅仅限于有风荷载参与组合的情况。至于对组合值系数，除风荷载仍取外，对其它可变荷载，目前建议统一取。当设计一般排架和框架时，为便于计算，仍允许采用简化的组合规则，也即对所有参与组合的可变荷载的效应设计值，乘以一个统一的组合系数，但考虑到原规范中的组合系数0.85在某些情况下偏于不安全，因此将它提高到0.9。在应用荷载组合时，为减轻计算工作量，当考虑以自重为