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第二章 单层工业厂房 本章重点: 熟悉单层工业厂房结构的选型与结构布置方法; 掌握钢筋混凝土排架的荷载与内力计算方法、内 力组合原则及柱的截面设计方法; 熟悉排架柱的配筋构造要求。 2.1结构类型和结构体系 单层厂房依据其 跨度、高度和吊车起重量 等因素 的不同可采用 混合结构、钢筋混凝土结构 和 钢结 构 。单 层厂房的结构类型和体系可分为: 排架与刚架 单跨与多跨; 等高与不等高 ; 排架结构图 门式刚架结构图 2.2结构组成及荷载传递 2.2.1 结构组成 单层工业厂房是由多种结构组成的空间结构。如 根据构件的作用不同可以分为 承重结构 和 围护结 构 。 承重结构: 直接承受荷载并将荷载传递给其它构 件的构件 :如屋面板、天窗架、屋架、柱、吊车梁 和基础是单层厂房的主要承重结构构件; 1. 屋盖结构 屋盖结构可分有檩体系和无檩体系两种。 有檩体系: 由小型屋面板、檩条及屋盖支撑组成。 刚度小。 无檩体系: 由屋面板、天沟板、天窗架、屋架、 托架、及屋盖支撑组成。刚度大。 2. 纵、横向平面排架 横向平面排架:包括横梁 (屋架 )、柱及基础。 纵向平面排架 : 由连系梁、吊车梁、纵向柱列(包括柱间支撑)和基础组 成。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的内力。 3.围护结构: 包括纵墙、山墙、墙梁、抗风柱、 基础梁。 外纵墙、山墙、连系梁、抗风柱和基础梁都是围 护结构构件,这些构件所承受的荷载,主要是墙 体和构件的自重以及作用在墙面上的风荷载。 2.3 结构布置 单层工业厂房的结构布置包括平面布置、支撑布置和围护 结构的布置。 2.3.1 厂房平面布置 1. 柱网布置: 要考虑工艺、经济、模数化等因素。 厂房承重柱的纵向和横向定位轴线所形成的网络,称为柱 网。柱网布置就是确定纵向定位轴线之间(跨度)和横向 定位轴线之间(柱距)的尺寸。 在结构平面布置中,厂房的跨度 18m时,取 3m的倍数; 18m 则取 6m的倍数。厂房的柱距,一般取 6m或 6m倍数。 2. 变形缝设置 ( 1)伸缩缝为减小由于温 度变化所引起的应力,可 用温度伸缩缝将厂房分成 几个温度区段。 最大伸缩缝间距: 处于室内或土中 100M 处于露天时 70M ( 2)沉降缝 :解决不均匀沉降问题。 在一般单层厂房中可不设沉降缝。沉降缝应将建筑物从屋 顶到基础底面全部分开,以使在缝两边发生不同沉降时而 不致损坏整个建筑物。沉降缝可兼做伸缩缝。 ( 3)防震缝: 减小厂房震害而采取的措施。 防震缝应将上部结构和基础都完全分开,防震缝的宽度在 厂房纵横跨交接处可采用 100 150mm,其它情况可采用 50 90mm。地震区的厂房,其伸缩缝和沉降缝均应符合 防震缝的要求。 2.3.2支撑布置 单层厂房支撑包括屋盖支撑和柱间支撑两类,应了解各 支撑的作用和设置条件及设置位置。 1. 屋盖支撑 上弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑 纵向水平支撑 垂直支撑和水平系杆 天窗架支撑 上弦横向水平支撑 下弦横向及纵向水平支撑 垂 直 支 撑 及 水 平 系 杆 2. 柱间支撑 柱间支撑是纵向平面排架中最主要的抗侧力构件,其作用 是承受纵向水平荷载和提高纵向刚度。 2.3.3围护结构的布置 1.抗风柱布置 抗风柱与屋架相连必须满足两个条件: 水平方向可靠连接; 垂直方向允许有一定的相对位移。 2 .圈梁 设置圈梁的目的是将墙体和柱、抗风柱等箍在一起,以 增加厂房的整体刚性,防止由于地基发生过大的不均匀 沉降或较大的振动荷载对厂房产生不利影响。 3.连系梁: 单层厂房的外墙一般做成自承重墙,不宜设置墙梁(亦称 连系梁)。当墙的高度超过一定限度(例如 15m以上), 墙体的砌体强度不足以承受本身自重时,需要在墙下布置 连系梁。连系梁两端支承在柱牛腿上,并通过牛腿将墙体 荷载传给柱子。 4.基础梁布置 在排架结构或刚架结构的单层厂房中,采用基础梁承受 围护墙体的重量,并把它传给柱下单独基础,不另设墙 基础。 2.4结构选型和截面尺寸确定 2.4.1 屋盖结构构件 1. 屋面板无檩:大型屋面板 (1.5m 6.0m), F型屋面板、 单肋板、空心板。 2.有檩:檩条、小型屋面板(槽瓦、波形大瓦等) 檩条搁在屋架或屋面大梁上,起着支承小型屋面板并将 屋面荷载传给屋架的作用。它与屋架间用预埋钢板焊接, 并与屋盖支撑一起保证屋盖结构的整体刚度。 3. 屋架 4. 天窗架和托架 天窗架 托架 2.4.2 吊车梁 吊车梁直接承受吊车起重、运行和制动时产生的各种往 复荷载;传递厂房的纵向荷载、保证厂房的纵向刚度。 吊车梁的类型 2.4.3 柱 1. 柱的形式 :矩形、工字形、双肢柱。 2. 柱的截面尺寸 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。 表 2.4.2给出矩形、 I形截面柱尺寸的限值,若满足该限 值要求,就认为厂房的横向刚度已得到保证。厂房柱截 面尺寸参考下表。 2.4.4 基础 1. 基础的类型: 单层厂房一般采用预制柱下基础,其 主要形式有杯形基础(分梯形和锥形)、高杯基础、爆 扩桩基础和预制桩基础。 2. 基础尺寸的初步 拟定基础类型基础底面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。 基础类型 2.5排架结构内力分析 横向平面排架结构是单层厂房结构计算的基本单 元,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 排架计算简图 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。 2. 基本假定和计算简图 ( 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; ( 4)排架柱的高度由固定端算至柱顶铰接处; ( 5)排架的跨度以厂房的轴线为准。 2.5.2 排架上的荷载 1. 恒载 屋盖恒载 G1 (包括屋面构造层、屋面板、天沟板、天 窗架、屋架、屋盖支撑以及与屋架连接的设备管道); 悬墙自重重力荷载 G2; 吊车梁和轨道及连接件的重力荷载 G3; 柱自重重力荷载 G4、 G5。 恒载作用位置及相应的计算简图 2. 屋面活荷载 (1)屋面均布活荷载: 不上人屋面取 0.5 kN/m2,上人屋 面取 2.0 kN/m2。 (2)屋面雪荷载 Sk= rS0 Sk:屋面水平投影面上的雪荷载标准值,单位为: kN/m2 S0:基本雪压,单位为 kN/m2; r:屋面积雪分布系数,当坡屋面坡度不大于 25时, r =1.0。 3. 风荷载 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。 4. 吊车荷载 吊车荷载示意图 桥式吊车在排架上产生的吊车荷载有 竖向荷载、 横向水平荷载 和 纵向水平荷载 。 ( 1)吊车竖向荷载 Dmax(或 Dmin) 当小车在额定最大起重 量 Q 开到大车某一极限 位置时,在这一侧的每 个大车轮压为吊车的最 大轮压标准值,在另一 侧的为最小轮压标准值。 Dmax可以发生在左柱,也可以发生在右柱,在 Dmax、 Dmin作用下单跨排架的计算应考虑两种情 况,如下图所示。 m a x m a x 3 m i n m i n 3;M D e M D e ( 2)吊车横向水平荷载 Tmax 在计算吊车横向水平荷载作用下排架结构内力时,无 论单跨或多跨厂房最多考虑两台吊车同时制动。小车 制动力可近似考虑由支承吊车的两侧排架柱各负担一 半。吊车横向水平制动力作用在吊车的竖向轮压处。 对于一般的四轮桥式吊车,每个轮子作用在轨 道上的横向水平制动力为: 排架柱上最大横向水平力为: 1 () 4 T Q g m a x m a x m a x m a x ii k T T y D TT P 或 : 吊车荷载作用下的计算简图 ( 3)吊车纵向水平荷载 To 吊车纵向水平荷载是桥式吊车在厂房纵向启 动或制动时产生的惯性力。 吊车纵向水平荷载由吊车每侧制动轮传至两 侧轨道,并通过吊车梁传给纵向柱列或柱间支 撑,而与横向排架结构无关。 吊车纵向水平荷载标准值: 0 , m a x / 1 0pT n P 2.5.3 等高排架内力分析 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。 1. 柱顶水平集中力作用下等高排架的内力分析 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。 柱顶作用的水平力与各柱顶的水平剪力平衡 横梁轴向刚度无穷大,各柱顶的位移相等 各柱的柱顶剪力和柱顶位置的关系 解联立方程求得各柱柱顶剪力 式中为第 i根柱的剪力分配系数: 2. 任意荷载作用下等高排架的内力分析 任意荷载作用下等高排架的内力分析 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 ; 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: R= Ri ; 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 : iR; 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 。 2.5.6 内力组合 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。 1. 柱的控制截面 - 上柱柱底截面 - 牛腿顶面 - 下柱柱底截面 柱的控制截面 2. 内力组合原则 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( 3-18)式中 n=1时,组合系数 0.9应改为 1.0。 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: Mmax及相应的 N、 V Mmin及相应的 N、 V Nmax及相应的 M、 V Nmin及相应的 M、 V 弯矩、轴力和配筋关系图 2.6柱的设计 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。 2.6.1 截面设计 1. 截面配筋计算 柱按偏心受压构件计算配筋: ( 1)斜截面和正截面 ; ( 2)大偏心 ,小偏心 ; ( 3)对称配筋 ,非对称配筋。 配筋计算要点(使用阶段验算): 单层厂房排架柱各控制截面的不利内力组合值( M , N , V ) 是柱配筋计算的依据。 一般情况下,矩形、工字形截面实腹柱可按构造要求配置 箍筋,不必进行受剪承载力计算。 因柱截面上同时作用弯矩和轴力,且弯矩有正、负两种情 况,故这种柱应按对称配筋偏心受压截面进行弯矩作用平 面内的受压承载力计算,还应按轴心受压截面进行平面外 受压承载力验算。 在对柱进行受压承载力计算或验算时,需要考虑二阶效应 影响。 内力组合的取舍: 对称配筋时,取: |Mmax|及相应的 N; Nmax及相应的 M; Nmin及相应的 M。 对于大偏心受压, M接近, N小不利; 对于小偏心受压, M接近, N大不利; 无论什么情况, N接近, M大不利。 2. 构造要求 受力纵筋: 直径 d12mm, 全部纵向配筋率不宜超过 5%。 混凝土强度等级: C20,一般在 C25 C40之间当偏心 受压柱的截面高度 h600 mm 时,在侧面应设置直径为 10 16mm的纵向构造钢筋,并相应地设置复合箍筋 或拉筋。柱内纵向钢筋的净距不应小于 50 mm ; 对水平浇筑的预制柱,其上部纵向钢筋的净距不应小于 30 mm和 1. 5d ( d 为钢筋的最大直径),下部纵向钢 筋的净距不应小于 25 mm 和 d 。 偏心受压柱中垂直于弯矩作用平面的纵向受力钢筋以及轴 心受压柱中各边的纵向受力钢筋,其中距不应大于 350 mm 。 箍筋: 直径 6 mm, 且 d /4( d为纵向钢筋的最小直径) 间距 400 mm,且 柱宽 b ; 当 h600 mm、 d10 16 mm时,箍筋应为封闭 式。 当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率超过 3 时,箍筋直径 不宜小于 8 mm ,间距不应大于 10d ( d 为纵向钢筋的最小 直径),且不应大于 200 mm。 2.6.3 柱的吊装验算(施工阶段验算) 柱的吊装方式及简图 吊装采用一点吊时 , 吊点设在牛腿的根部 , 吊车验算 的控制截面有上柱柱底 、 牛腿根部和下柱跨中三个控 制截面 。 吊装方法有平吊和翻身吊两种 ; 吊装时,柱自重的分项系数取 1.2;应考虑动力系数 1.5;结构的重要性系数取 0.9; 应注意不同的起吊方法,柱的受力状态不同,截面尺 寸和可利用钢筋的数量不同。 吊装时通过限制钢筋应力来限制裂缝宽度。 00 .8 7 k sk s M hA 2.6.2 牛腿设计 牛腿设置在柱上,用来支承屋架、托架、吊车梁和连系 梁等主要受力构件。 牛腿按力的作用位置分为: 长牛腿 (a1h0),短牛腿 (a1h0)。 牛腿类别 1. 牛腿的受力特点及破坏形态 试验表明,从加载至破坏,牛腿大体经历弹性、裂缝出 现与开展和破坏三个阶段。 牛 腿 的 受 力 特 点 裂缝开展 : 当达到极限值的 2040%,出现垂直裂缝; 在极限荷载的 4060%,出现第二条斜裂缝; 约极限荷载的 80%,突然出现第三条斜裂缝。 弯压破坏 当 1 a/h0 0.75时,且纵向钢筋配筋率较低时,随着 荷载增加纵向钢筋应力不断增加最终受拉钢筋屈服,牛 腿下部与柱相交的受压区砼压碎。 斜压破坏 当 a/h0=0.10.75时,随着荷载增加,整个压杆范围内 出现大量短小斜裂缝,最终形成一条通长斜裂缝而破坏, 此时受拉钢筋达到屈服强度。 剪切破坏 当 a/h0 0.1时,牛腿与下柱的交接面上出现一系列短 而细的斜裂缝,最后牛腿沿此裂缝从柱上切下而破坏。 局部受压破坏 当加载垫板过小时,可能发生局部受压破坏。 2. 牛腿截面尺寸的确定 牛腿的宽度与柱同宽 ; 牛腿的高度由不出现斜裂缝为控制条件来确定; 3. 牛腿的配筋计算与构造 斜截面受弯承载力计算及纵筋构造 牛 腿 的 计 算 简 图 2.7柱下单独基础设计 按受力特点分为: 轴心受压基础 和 偏心受压基础 ; 按施工方法分为:现浇柱下基础和预制柱下杯形基础; 基础受力类型 2.7.1 概述 1.基础的作用和设计要求作用: 作用: 将上部结构的荷载通过基础安全均匀地 扩散到地基土中 。 要求: 应有足够大的基础外形尺寸 (与荷载重和地基 承载力有关 ); 应有足够的基底配筋 (受弯计算 )。 应有足够的基础高度 (冲韧验算 ); 2.7.2柱下单独基础设计 1. 基底外形尺寸的确定 : 轴心受压柱下基础 上部结构传来的荷载效 应为: Nk; 地基土的承载力特征值 为: pk; 基础埋深为 d,基础自重 和基底以上土重度的平 均值为 m,可近似取 m=20KN/m3。 轴心受压基础 基础底面积的确定条件是: 偏心受压柱下基础 : 上部结构传来的荷载: Nk、 Mk、 Vk; 地基土的承载力特征值: fa。 基底的线性分布的 应力 Pmax,Pmin应满 足以下条件: Pmax,Pmin可由材料力学公式求解: , m a x , m in 2 6 ( 1 ) , ,: : : k bk k bk k k w k bk k k h W K w bk bk w k w p N e bl bp N N G N M M V N e M e A bl W l b N Ne b l 基 础 梁 传 来 的 竖 向 标 准 值 及 基 础 梁 中 线 至 基 础 底 面 中 心 线 的 距 离 ; 力 矩 作 用 方 向 的 基 础 底 面 边 长 ; 垂 直 于 力 矩 作 用 方 向 的 基 础 底 面 边 长 ; 当 ea/6 时,用下式计算 pmax: 确定偏心受压基础底面积时,采用以下方法 (试算法): ( 1)按轴心受压基础公式计算,计算基础底面积 A1 ( 2)考虑偏心影响, A=( 1.1-1.4) A1 ( 3)确定最大和最下基底压力 ; ( 4)验算是否满承载力计算公式要求 ,修改 b,l指 导符合条件为止。 , m a x 2 3 bk k Np la 2.基础高度的确定 基础高度是由构造条件及基础抗冲切条件确定的。 式中: am 冲切破坏锥体 截面上边长, at和下边长 ab的平均值: am=( at+ ab) /2 00 . 7 l j l l h p t m P p A F f a h 3.基础板底配筋的确定 基础底板在地基净反 力作用下,在两个方 向都会产生弯曲,其 受力如同支承于柱的 反向悬臂结构。因此 ,需在板底两个方向 都配有钢筋来抵抗正 截面受弯破坏。 沿长边 b方向截面 ( -) 截面处的弯矩 M : 沿短边 l方向截面 ( -) 截面处的弯矩 M : 21 ( ) ( 2 ) 24I j c cM p b b l l 21 ( ) ( 2 ) 24 j c c M p l l b b 2.8屋架设计要点 2.8.1 屋架的高度和杆件截面尺寸 屋架高度与跨度之比一般取 1/101/6; 上、下弦截面宽度一般取 200 240 mm; 上、下弦截面高度一般取 180 140 mm; 上弦节间长度一般采用 3 m,下弦节间长度为 4.56.0 m ; 腹杆长细比不应大于 40(拉杆)或 35(压杆)。 2.8.2 荷载及荷载组合 设计屋架时应考虑三种荷载组合 : 全跨恒载 +全跨活载 全跨恒载 +半跨活载 屋架自重恒载 +半跨屋面板重 +半跨屋面安装荷载 2.8.3 计算简图和内力计算 1. 按具有不动铰支座的连续梁计算上弦杆的弯 矩; 2. 按铰支桁架计算各杆件的轴力。 2.8.4 杆件截面设计和配筋构造要求 混凝土一般采用 C30C50;预应力钢筋采用钢 铰线、螺旋肋钢丝,普通钢筋用 HRB335、 HRB400级 。 屋架上弦杆为小偏心受压构件;下弦杆一般为 轴心受拉构件;腹杆为轴心受力构件 。 2.8.5 屋架的扶直和吊装验算 2.9吊车梁设计要点 2.9.1 拟定截面尺寸 混凝土一般采用 C30C50; 预应力钢筋采用钢铰线、螺旋肋钢丝,普通钢筋 用 HRB335、 HRB400级 。 吊车梁的截面一般为工字形或 T形,高度取 h=(1/101/5) l。 l为吊车梁的跨度。 2.9.2 吊车梁的荷载特点及吊车梁验算项 吊车荷载是两组移动的集中荷载 : 竖向轮压和 横向水平制动力 。 吊车荷载具有冲击和振动作用 , 设计时应考虑 动力系数 。 吊车荷载是重复荷载,设计时应进行疲劳验算。 吊车荷载使吊车梁产生扭矩。
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