单层厂房结构

,混凝土结构设计,第 3 章 单层厂房结构,课件审查：李晓文,第三章 单层厂房结构,本章主要内容及重点,概述,结构组成,结构布置,构件选型与截面设计,横向排架结构内力分析,柱的设计,柱下独立基础设计,横向排架结构内力分析,柱的设计,柱下独立基础设计,主要内容：,重点：,第三章 单层厂房结构,3.1 概 述,1,工业厂房的分类,工业厂房由于生产性质、工艺流程、机械设备和产品的不同，按,层数,分类，可分为：,单层厂房,多层厂房,层数混合的厂房,如精密仪表、电子、食品等工业,如化学工业、热电厂等,如冶金或机械厂的炼钢、轧钢、铸造、锻压、金工、装配等车间，一般因设有大型机器或设备，产品较重且轮廓尺寸较大，故宜直接在地面上生产而设计成单层厂房,第三章 单层厂房结构,3.1 概 述,混合结构,钢筋混凝土结构,2,单层厂房的分类,对无吊车或吊车吨位不超过5t、跨度在15m以内、柱顶标高不超过8m且无特殊工艺要求的小型厂房，可采用混合结构,对有重型吊车、跨度大于36m或有特殊工艺要求的大型厂房，可采用全钢结构或由钢筋混凝土柱与钢屋架组成的结构,（,1）,按生产规模,可分为：,大型,、,中型,和,小型,；,（,2）,按主要承重材料,可分为：,钢结构,除上述情况以外的单层厂房均可采用混凝土结构。而且除特殊情况之外，一般均采用装配式钢筋混凝土结构,第三章 单层厂房结构,3.1 概 述,2,单层厂房的分类,排架结构,门式刚架结构,（,3）,按承重结构体系,可分为：,排架结构,和,刚架结构,第三章 单层厂房结构,3.2 结构组成,1,结构组成,单层厂房结构是由一些构件组成的一个复杂的空间受力体系，可将结构整体分为以下几个子结构体系:,单层厂房结构,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. 屋架下弦横向水平支撑,14.屋架端部垂直支撑,15. 柱间支撑,第三章 单层厂房结构,3.2 结构组成,屋盖结,构,有檩体系,无檩体系,由大型屋面板、屋架或屋面梁及屋盖支撑组成，有时还包括有天窗架和托架等构件,由小型屋面板、檩条、屋架及屋盖支撑所组成,屋盖结构,1,结构组成,第三章 单层厂房结构,3.2 结构组成,横向排架 结 构,由横梁、横向柱列及其基础所组成的平面骨架，是厂房的基本承重结构。厂房承受的竖向荷载及横向水平荷载主要通过横向平面排架传至基础及地基,横向平面排架组成及荷载图,1,结构组成,第三章 单层厂房结构,3.2 结构组成,纵向排架 结 构,由连系梁、吊车梁、纵向柱列、柱间支撑和基础等构件组成的纵向平面骨架。,作用,是保证厂房结构的纵向稳定性和刚度，承受吊车纵向水平荷载、纵向水平地震作用、温度应力以及作用在山墙及天窗架端壁并通过屋盖结构传来的纵向风荷载等,围护结,构,位于厂房的四周，包括纵墙、横墙（山墙）、抗风柱、连系梁、基础梁等构件。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,纵向平面排架组成及荷载图,1,结构组成,第三章 单层厂房结构,3.2 结构组成,单层厂房结构中，纵向平面排架和横向平面排架间主要通过屋盖结构和支撑体系相连接而形成空间结构，,各构件及其作用,为,单层厂房结构构件及其作用,1,结构组成,第三章 单层厂房结构,3.2 结构组成,1,结构组成,第三章 单层厂房结构,3.2 结构组成,1,结构组成,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,工业设计要求,方案设计阶段,技术设计阶段,施工图阶段,确定柱网布置等平面问题,1 厂房结构的设计步骤,一个建设项目的设计，一般包括工艺设计、建筑设计、结构设计和设备设计（如水、暖、电等）等几方面。就单层厂房结构设计而言，可分为方案设计、技术设计和施工图绘制等三个阶段。,确定结构形式、标高等剖面问题,选择结构构件类型,确定结构布置,确定结构计算简图,荷载计算及排架内力分析,结构构件（柱、基础等）设计,结构布置图（屋面、柱、基础等）,构件布置与配筋图,节点大样图,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,2 屋盖支撑布置,（1）,上弦横向水平支撑,屋盖支撑包括上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑、纵向水平系杆、天窗架支撑等。,构成,：,沿厂房跨度方向用交叉角钢、直腹杆和屋架上弦杆构成的水平 桁架。,作用,：,保证屋架上弦的侧向稳定性；增强屋盖的整体刚度；作为山墙抗风柱的顶端水平支座，承受由山墙传来的风荷载和其他纵向水平荷载，并传至厂房纵向柱列。,布置,：,当,屋盖为有檩体系，或屋盖为无檩体系，但屋面板与屋架的连接质量不能保证且抗风柱与屋架上弦连接，每一伸缩缝区段端部第一或第二柱间布置；,当,设有天窗，且天窗通过厂房端部的第二柱间或通过伸缩缝，应在第一或第二柱间的天窗范围内设置，并在天窗范围内沿纵向设置13道通长的受压系杆，将天窗范围内各榀屋架与上弦横向水平支撑连系起来。,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,上弦横向水平支撑布置,2 屋盖支撑布置,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,（2）,下弦横向水平支撑,构成,：,沿厂房跨度方向用交叉角钢、直腹杆和屋架下弦杆构成的水平桁架 。,作用,：,将山墙风荷载及纵向水平荷载传至纵向柱列；防止屋架下弦侧向振动。,布置,：,当,屋架下弦设有悬挂吊车，或厂房内有较大振动，或山墙风荷载通过抗风柱传至屋架下弦，应在每一伸缩缝区段两端的第一或第二柱间设置，宜与上弦横向水平支撑设置在同一柱间。,下弦横向水平支撑布置,2 屋盖支撑布置,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,（3）,纵向水平支撑,构成,：,由交叉角钢、直杆和屋架下弦第一节间组成的纵向水平桁架 。,作用,：,加强屋盖结构的横向水平刚度；保证横向水平荷载的纵向分布，加强厂房的空间工作；保证托架上弦的侧向稳定。,布置,：,当,设有软钩桥式吊车且厂房高度大、吊车起重量较大，应在屋架下弦端节间沿厂房纵向通长或局部设置一道；,当,已设有下弦横向水平支撑时，为保证厂房空间刚度，应尽可能与横向水平支撑连接，以形成封闭的水平支撑系统。,纵向水平支撑布置,2 屋盖支撑布置,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,（4）,垂直支撑,构成,：,由角钢杆件与屋架直腹杆组成的垂直桁架，形式为十字交叉形或W形。,作用,：,保证屋架受荷后在平面外的稳定；传递纵向水平力。,布置,：,应,与下弦横向水平支撑布置在同一柱间内。,当,厂房跨度小于18m且无天窗时，一般可不设垂直支撑和水平系杆；,当,厂房跨度1830m、屋架间距为6m、采用大型屋面板时，应在每一伸缩缝区段端部的第一或第二柱间，屋架跨中设置一道垂直支撑；,当,屋架跨度大于30m时，应在每一伸缩缝区段端部的第一或第二柱间，屋架跨度1/3左右的节点处设置两道垂直支撑。,2 屋盖支撑布置,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,垂直支撑和水平系杆布置图,2 屋盖支撑布置,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,（5）,水平系杆,构成,：,分为上弦水平系杆和下弦水平系杆 。,作用,：,上弦水平系杆是为保证屋架上弦或屋面梁受压翼缘的侧向稳定；,下弦水平系杆是为防止在吊车或有其它水平振动时屋架下弦侧向颤动。,布置,：,当,屋盖设置垂直支撑时，未设置垂直支撑的屋架间，在相应于垂直支撑平面内的屋架上弦和下弦节点处，设置通长的水平系杆。,刚性系杆（压杆）,：凡设在屋架端部主要支承节点处和屋架上弦屋脊节点处的通长水平系杆，均应采用刚性系杆；当屋架横向水平支撑设在伸缩缝区段两端的第二柱间内时，第一柱间内的水平系杆均应采用刚性系杆。,柔性系杆（拉杆）,：其余均可采用柔性系杆。,2 屋盖支撑布置,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,（6）,天窗架支撑,构成,：包括,天窗架上弦横向水平支撑、天窗架间的垂直支撑和水平系杆。,作用,：,保证天窗架上弦的侧向稳定 ；将天窗端壁上的风荷载传给屋架 。,布置,：,纵向位置（柱间）,：,一般,天窗架上弦横向水平支撑和垂直支撑均设置在天窗端部第一柱间内。,横向位置（道）,：,一般,垂直支撑设置在天窗两侧。,水平系杆,：在未设置上弦横向水平支撑的天窗架间设置；应在上弦节点处设置柔性系杆；对有檩屋盖体系，檩条可以代替柔性系杆。,2 屋盖支撑布置,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,天窗架支撑布置,2 屋盖支撑布置,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,3 柱间支撑布置,构成,：,由交叉钢杆件组成，交叉倾角宜取45，支撑钢构件的截面尺寸需经承载力和稳定计算确定,。,柱间支撑,是,纵向平面排架中最主要的抗侧力构件,。,作用,：,提高厂房的纵向刚度和稳定性；将吊车纵向水平制动力、山墙及天窗端壁的风荷载、纵向水平地震作用等传至基础。,柱间支撑作用示意图,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,分类,：,对于有吊车的厂房，按其位置可分为上柱柱间支撑和下柱柱间支撑。,上柱柱间支撑,：,位于牛腿上部，并在柱顶设置通长的刚性系杆；,承受作用在山墙及天窗壁端的风荷载，并保证厂房上部的纵向刚度。,下柱柱间支撑,：,位于牛腿下部；,承受上部支撑传来的内力、吊车纵向制动力和纵向水平地震作用等，并将其传至基础 。,形式,：,十字交叉形；当柱间要通行或放置设备，或柱距较大而不宜采用交叉支撑时，可采用门架式支撑。,门架式柱间支撑,3 柱间支撑布置,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,布置,：,当,设有A6A8的吊车，或A1A5的吊车起重量10t时或厂房跨度18m，或柱高8m时或厂房每列纵向柱总数7根时或设有3t以上的悬挂吊车时或露天吊车栈桥的柱列，应,设置柱间支撑,。,上柱柱间支撑设置,：,一般在伸缩缝区段两端与屋盖横向水平支撑相对应的柱间,以及伸缩缝区段中央或临近中央的柱间,。,下柱柱间支撑设置,：,在伸缩缝区段中部与上柱柱间支撑相应的位置,。,3 柱间支撑布置,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,优点,：,纵向水平荷载作用下传力路线较短；厂房两端的温度伸缩变形较小；厂房纵向构件的伸缩受柱间支撑的约束较小，所引起的结构温度应力也较小。,柱间支撑与伸缩变形的关系,3 柱间支撑布置,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,4 围护结构布置,抗风柱一般与基础刚接，与屋架上弦铰接；当屋架设有下弦横向水平支撑时，也可与下弦铰接或同时与上、下弦铰接。抗风柱与屋架之间一般采用竖向可以移动、水平方向又有较大刚度的弹簧板连接；如厂房沉降量较大时，宜采用槽形孔螺栓连接。,（1）,抗风柱,抗风柱与屋架上、下弦连接构造,第三章 单层厂房结构,3.3 结构布置,（2）,圈梁、连系梁、过梁和基础梁,圈梁,是设置于墙体内并与柱子连接的现浇钢筋混凝土构件，其,作用,是将墙体与排架柱、抗风柱等箍在一起，以增强厂房的整体刚度，防止由于地基的不均匀沉降或较大的振动荷载对厂房产生不利影响。,连系梁,除承受墙体荷载外，还具有连系纵向柱列、增强厂房的纵向刚度、传递纵向水平荷载的作用。,当墙体开有门窗洞口时，需设置钢筋混凝土,过梁,，以支承洞口上部墙体的重量。,在进行围护结构布置时，应尽可能地将圈梁、连系梁和过梁结合起来，,使一种梁能兼作两种或三种梁的作用,，以简化构造，节约材料，方便施工。,在单层厂房中，一般采用,基础梁,来承托围护墙体的重量，并将其传至柱基础顶面，而不另做墙基础，以使墙体和柱的沉降变形一致。,4 围护结构布置,第三章 单层厂房结构,3.4 构件选型与截面尺寸确定,1 主要构件的选型,单层厂房结构的主要构件有屋盖结构构件、支撑、吊车梁、墙板、连系梁、基础梁、柱和基础等。,无檩体系屋盖,常采用预应力混凝土大型屋面板，它适用于保温或不保温卷材防水屋面，屋面坡度不应大于1/5。,无檩体系屋盖还可采用预应力F形屋面板，用于自防水非卷材屋面，以及预应力自防水保温屋面板、钢筋加气混凝土板等。,（1）,屋盖结构构件,有檩体系屋盖,常采用预应力混凝土槽瓦、波形大瓦等小型屋面板。,屋面板,:,第三章 单层厂房结构,3.4 构件选型与截面尺寸确定,檩条,：,檩条搁在屋架或屋面梁上，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和稳定性。,各种形式的屋面板,1 主要构件的选型,第三章 单层厂房结构,3.4 构件选型与截面尺寸确定,屋面梁和屋架,：,按型式可分为屋面梁、两铰（或三铰）拱屋架和桁架式屋架三大类。,屋面梁,：,屋面梁的外形有单坡和双坡两种。,两铰（或三铰）拱屋架,：两铰拱的支座节点为铰接，顶节点为刚接；三铰拱的支座节点和顶节点均为铰接。两铰拱的上弦为钢筋混凝土构件，三铰拱的上弦可用钢筋混凝土或预应力混凝土构件,。,两铰（或三铰）拱屋架,1 主要构件的选型,第三章 单层厂房结构,3.4 构件选型与截面尺寸确定,桁架式屋架,：当厂房跨度较大时，采用桁架式屋架较经济，它在单层厂房中应用非常普遍。桁架式屋架的矢高和外形对屋架受力均有较大影响，一般取高跨比为,1/61/8,较为合理，其外形有三角形、拱形、梯形、折线形等几种。,各种形式屋架德内力（,f/L=1/6,）,1 主要构件的选型,第三章 单层厂房结构,3.4 构件选型与截面尺寸确定,天窗架和托架,：,天窗架,：,天窗架的作用是形成天窗以便采光和通风，同时承受屋面板传来的竖向荷载和作用在天窗上的水平荷载，并将它们传给屋架。,托架,：一般为,12m,跨度的预应力混凝土三角形或折线形构件，上弦为钢筋混凝土压杆，下弦为预应力混凝土拉杆,。,天窗架的形式,托架的,形式,1 主要构件的选型,第三章 单层厂房结构,3.4 构件选型与截面尺寸确定,（2）,吊车梁：,吊车梁除直接承受吊车起重、运行和制动时产生的各种往复移动荷载外，它还具有将厂房的纵向荷载传递至纵向柱列、加强厂房纵向刚度等作用。,吊车梁的类型,吊车梁一般根据吊车的起重量、工作级别、台数、厂房的跨度和柱距等因素选用。,1 主要构件的选型,第三章 单层厂房结构,3.4 构件选型与截面尺寸确定,2 柱,（1）,柱的形式：,主要有排架柱和抗风柱两类。,钢筋混凝土,排架柱,一般由上柱、下柱和牛腿组成，其结构型式可概括为单肢柱和双肢柱两类。上柱一般为矩形截面或环形截面；下柱的截面形式较多，根据其截面形式可分为矩形截面柱、I形柱、双肢柱和管柱等几类。,柱的形式,抗风柱,一般由上柱和下柱组成，无牛腿，上柱为矩形截面，下柱一般为 I形截面。,第三章 单层厂房结构,3.4 构件选型与截面尺寸确定,（2）,柱的截面尺寸：,柱的截面尺寸除应满足承载力的要求外，还应保证具有足够的刚度，以免厂房变形过大，造成吊车轮与轨道过早磨损，影响吊车的正常运行，或导致墙体和屋盖产生裂缝，影响厂房的正常使用。,柱的截面尺寸除了考虑,吊车起重量,和,柱的类型,两个因素外，还应考虑,厂房跨数,和,高度,、,柱的型式,、,围护结构的材料和构造,、,施工和吊装,等。,2 柱,第三章 单层厂房结构,3.4 构件选型与截面尺寸确定,3 基础,单层厂房的柱下基础一般采用独立基础（也称扩展基础）。按施工方法可分为,预制柱下独立基础,和,现浇柱下独立基础,两种。对装配式钢筋混凝土单层厂房排架结构，常见的独立基础形式主要有,杯形基础,、,高杯基础,和,桩基础,等。,基础的类型,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,1 排架计算见图,（1）,计算单元,：,可在结构平面图上由相邻柱距的中线截出一个典型的区段，作为排架的计算单元。,计算单元和计算模型,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,（2）,基本假定和计算简图,：,为了简化计算，对于钢筋混凝土排架结构通常作如下,假定,：,柱下端与基础顶面为刚接；,柱顶与排架横梁（屋架或屋面梁）为铰接；,横梁（即屋架或屋面梁）为轴向刚度很大的刚性连杆。,根据上述假定，可得到横向排架的,计算简图,。,1 排架计算见图,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,横向,排架的计算简图,1 排架计算见图,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,2 排架结构上的荷载,作用在横向排架结构上的荷载有,恒载,、,屋面活荷载,、,雪荷载,、,积灰荷载,、,吊车荷载,和,风荷载,等，除吊车荷载外，其它荷载均取自计算单元范围内。,（1）,恒载,：,屋盖自重,G,1,：,屋盖自重包括屋架或屋面梁、屋面板、天沟板、天窗架、屋面构造层以及屋盖支撑等重力荷载。,悬墙自重G2,：,当设有连系梁支承围护墙体时，排架柱承受着计算单元范围内连系梁、墙体和窗等重力荷载。,吊车梁和轨道及连接件自重G3,。,柱自重G4（G5）,：,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,恒载作用位置及相应的,排架计算简图,2 排架结构上的荷载,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,（2）,屋面活荷载,：,包括屋面均布活荷载、屋面雪荷载和屋面积灰荷载三部分。其荷载分项系数均为1.4。,屋面均布活荷载,：,屋面水平投影面上的屋面均布活荷载标准值，按下列情况取：不上人的屋面为0.5kN/m,2,；上人的屋面为2.0kN/m,2,。,屋面雪荷载,：,屋面水平投影面上的雪荷载标准值 (kN/m,2,),式中: 为基本雪压 (kN/m,2,)； 为屋面积雪分布系数。,屋面积灰荷载,：,对设计生产中有大量排灰的厂房及其临近建筑时，应考虑屋面积灰荷载的影响。,屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，取两者中的较大值；当有屋面积灰荷载时，积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。,注：,2 排架结构上的荷载,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,吊车竖向荷载,：,和,的标准值按下式计算,式中 、 表示第 台吊车的最大轮压和最小轮压；,与吊车轮压相对应的支座反力影响线的竖向坐标值。,当计算吊车梁及其连接的强度时，吊车竖向荷载应乘以动力系数。,注：,计算排架考虑多台吊车竖向荷载时，对单跨厂房的每个排架，参与组合的吊车台数不宜多于2台；对多跨厂房的每个排架，不宜多于4台。,（3）,吊车荷载,：,2 排架结构上的荷载,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,吊车横向水平荷载,：,吊车总的横向水平荷载可按下式取值：,式中 吊车的额定起重量； 小车重量；, 重力加速度； 横向水平荷载系数。,对于一般四轮桥式吊车，大车每一轮子传递给吊车梁的横向水平制动力,为：,式中 为第 个大车轮子的横向水平制动力。,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。,注：,2 排架结构上的荷载,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,吊车纵向水平荷载,：,吊车纵向水平荷载标准值,T,0,，按作用在一边轨道上所有刹车轮的最大轮压之和的10%采用，即,式中，,n,为施加在一边轨道上所有刹车轮数之和，对于一般的四轮吊车，,n,=1,。,无论单跨或多跨厂房，在计算吊车纵向水平荷载时，一侧的整个纵向排架上最多只能考虑2台吊车。,注：,2 排架结构上的荷载,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,式中 基本风压值（kN/m,2,），是以当地比较空旷平坦地面上离,高度z处的风振系数；,风压高度变化系数；,风荷载体型系数。,地10m高处统计所得的50年一遇10分钟平均最大风速为标准确定的风压值；,（4）,风荷载,：,垂直于建筑物表面上的风荷载标准值 （kN/m,2,）按下式计算：,2 排架结构上的荷载,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,3 等高排架内力分析,（1）,柱顶水平集中力作用下等高排架内力分析,：,在柱顶水平集中力作用下，等高排架各柱顶侧移相等，沿横梁与柱的连接处将各柱的柱顶切开，在各柱顶的切口上作用一对相应的剪力 。,柱顶水平集中力作用下等高排架的变形和内力,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,式中 第,i,根排架柱的抗侧移刚度（或抗剪刚度），即悬臂,第,i,根排架柱的剪力分配系数，按下式计算：,求得柱顶剪力,V,i,后，用平衡条件可得排架柱各截面的弯矩和剪力。,当排架结构柱顶作用水平集中力,F,时，各柱的剪力按其抗剪刚度与各柱抗剪刚度总和的比例关系进行分配。,柱柱顶产生单位侧移所需施加的水平力,注：,3 等高排架内力分析,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,剪力分配系数必满足 。,各柱的柱顶剪力,V,i,仅与,F,的大小有关，而与其作用在排架左侧或右侧柱顶处位置无关，但,F,的作用位置对横梁内力有影响。,（2）,任意荷载作用下等高排架内力分析,：,等高排架在任意荷载作用下，为了利用剪力分配法求解，通常可采用以下三个步骤来进行这种情况下的排架内力分析。,对承受任意荷载作用的排架，先在排架柱顶部附加一个不动铰支座以阻止其侧移，则各柱为单阶一次超静定柱，应用柱顶反力系数可求得各柱反力,R,i,及相应的柱端剪力，柱顶假想的不动铰支座总反力为 。,3 等高排架内力分析,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,撤除假想的附加不动铰支座，将支座总反力,R,反向作用于排架柱顶，应用剪力分配法可求出柱顶水平力,R,作用下各柱顶剪力 。,将前面的计算结果相叠加，可得到在任意荷载作用下排架柱顶剪力 ，然后可求出各柱的内力。,任意荷载作用下等高排架内力分析,3 等高排架内力分析,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,4 不等高排架内力分析,不等高排架在任意荷载作用下，由于高、低跨的柱顶位移不相等，因此，不能用剪力分配法求解，其内力通常用结构力学中的力法进行分析。,式中 ， ， ， 为基本结构的柔度系数，可由单位力弯矩图图乘得到； 、 为载常数。,两跨不等高排架内力分析,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,5 考虑厂房整体空间作用的排架内力分析,（1）,厂房整体空间作用的概念,当,各榀排架柱顶均受有水平集中力,R,，且厂房两端无山墙时每一榀排架都相当于一个独立的平面排架。,当,各榀排架柱顶均受有水平集中力,R,，但厂房两端有山墙时，山墙则通过屋盖等纵向联系构件对其它各榀排架有不同程度的约束作用，使各榀排架柱顶水平位移呈曲线分布，且 。,当,仅其中一榀排架柱顶作用水平集中力,R,，且厂房两端无山墙时，则直接受荷排架通过屋盖等纵向联系构件，受到非直接受荷排架的约束，使其柱顶的水平位移减小，即 。,当,仅其中一榀排架柱顶作用水平集中力,R,，但厂房两端有山墙时，则直接受荷载排架受到非受荷排架和山墙两种约束，故各榀排架的柱顶水平位移将更小，即 。,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,厂房空间作用分析,当结构布置或荷载分布不均匀时，由于屋盖等纵向联系构件将各榀排架或山墙联系在一起，故各榀排架或山墙的受力及变形都不是单独的，而是相互制约。这种排架与排架，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,。,单层厂房,整体空间作用的程度,主要取决于,屋盖的水平刚度,、,荷载类型,、,山墙刚度和间距,等因素。,5 考虑厂房整体空间作用的排架内力分析,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,（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,根据试验资料及理论分析，给出了吊车荷载作用下单层单跨的空间工作分配系数。,厂房空间工作示意图,5 考虑厂房整体空间作用的排架内力分析,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,厂 房 情 况,吊车起,重量,（,t,）,厂房长度（m）,60,60,有檩屋盖,两端无山墙或一端有山墙,30,0.90,0.85,两端有山墙,30,0.85,无檩屋盖,两端无山墙或一端有山墙,75,厂房跨度（m）,1227,27,1227,27,0.90,0.85,0.85,0.80,两端有山墙,75,0.80,单跨厂房空间作用分配系数,5 考虑厂房整体空间作用的排架内力分析,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,6 内力组合,所谓,内力组合,，就是将排架柱在各单项荷载作用下的内力，按照它们在使用过程中同时出现的可能性，求出在某些荷载共同作用下，柱控制截面可能产生的最不利内力，作为柱和基础配筋计算的依据。,（1）,柱的控制截面,控制截面,是指,对截面配筋起控制作用的截面。,当,柱高度较大时，,下柱中间某截面,也可能为控制截面。,当,柱上作用有较大的集中荷载（如悬墙重量等）时，可根据其内力大小,还需,将集中荷载作用处的截面作为控制截面。,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,（2）,荷载效应组合,对于一般排架结构，荷载效应组合的设计值,S,应从下列组合值中取最不利值确定：,由可变荷载效应控制的组合,由永久荷载效应控制的组合,6 内力组合,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,（3）,不利内力组合,通常选择以下四种内力组合作为截面最不利内力组合：,+,M,max,及相应的,N,，,V,；,M,max,及相应的,N,，,V,；,N,max,及相应的,M,，,V,；,N,min,及相应的,M,，,V,。,6 内力组合,第三章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,（4）,内力组合注意事项,每次内力组合时，都必须考虑恒荷载产生的内力。,每次内力组合时，只能以一种内力为目标来决定可变荷载的取舍，并求得与其相应的其余两种内力。,在吊车竖向荷载中，同一柱的同一侧牛腿上有,D,max,或,D,min,作用，两者只能选择一种参加组合。,吊车横向水平荷载,T,max,同时作用在同一跨内的两个柱子上，向左或向右，组合时只能选取其中一个方向。,6 内力组合,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,1 截面设计,（1）,截面配筋计算,在对柱进行受压承载力计算或验算时，柱的偏心距增大系数,或稳定系数,与柱的计算长度有 关。,混凝土结构设计规范根据单层厂房的实际支承及受力特点，结合工程经验所给出的计算长度 。,刚性屋盖单层厂房排架柱、露天吊车柱和栈桥柱的计算长度,柱的类型,排 架 方 向,垂直排架方向,有柱间支撑,无柱间撑,无吊车,厂房柱,单 跨,1.5,H,1.0,H,1.2,H,两跨及多跨,1.25,H,1.0,H,1.2,H,有吊车,厂房柱,上 柱,2.0,H,u,1.25,H,u,1.5,H,u,下 柱,1.0,H,l,0.8,H,l,1.0,H,l,露天吊车柱和栈桥柱,2.0,H,l,1.0,H,l,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,（2）,构造要求,柱的,混凝土强度等级,不宜低于C20，,纵向受力钢筋直径,d,不宜小于12mm，全部纵向钢筋的配筋率不宜超过5% 。,柱内纵向钢筋的净距,不应小于50mm；对水平浇筑的预制柱，其上部纵向钢筋的最小净间距不应小于30mm和1.5,d,(为钢筋的最大直径)，下部纵向钢筋的最小净间距不应小于25mm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,不宜大于300mm。,1 截面设计,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,2 牛腿设计,在厂房结构钢筋混凝土柱中，常在其支承屋架、托架、吊车梁和连系梁等构件的部位，设置从柱侧面伸出的短悬臂，称为,牛腿,。,牛腿按承受的竖向力作用点至牛腿根部柱边缘水平距离的不同,分为两类,：,时为,长牛腿,，按悬臂梁进行设计；,时为,短牛腿,，是一个变截面短悬臂深梁。,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,（1）,牛腿的受力特点及破坏形态,试验研究表明，从加载至破坏，牛腿大体经历,弹性,、,裂缝出现与开展,和,最后破坏,三个阶段。,弹性阶段,：,通过 环氧树脂牛腿模型的光弹试验，得到了主应力迹线。,牛腿的应力状态,2 牛腿设计,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,裂缝出现与开展阶段,：,试验表明，当荷载达到极限荷载的,20%40%,时，由于上柱根部与牛腿交界处的主拉,应力集中,现象，在该处首先出现自上而下的,竖向裂缝,，裂缝细小且开展较慢，对牛腿的受力性能影响不大；,当荷载达到极限荷载的40%,60%时，在加载垫板内侧附近出现一条,斜裂缝,，其方向大体与主压应力轨迹线平行。,2 牛腿设计,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,2 牛腿设计,破坏阶段,：,随,a,/,h,0,值的不同，牛腿主要有以下几种破坏形态：,弯压破坏,剪切破坏,牛腿的破坏形态,斜压破坏,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,（2）,牛腿截面尺寸的确定,牛腿的截面宽度与柱宽相同。,牛腿截面尺寸通常以,不出现斜裂缝,作为控制条件。,设计时以下列经验公式作为抗裂控制条件来确定牛腿的截面尺寸：,式中,F,vk,、,F,hk,分别为作用于牛腿顶部按荷载效应标准组合计算的竖,裂缝控制系数；,a,竖向力的作用点至下柱边缘的水平距离,向力和水平拉力值；,b,牛腿宽度；,h,0,牛腿与下柱交接处的垂直截面有效高度。,2 牛腿设计,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,牛腿尺寸及配筋,为了防止牛腿顶面加载垫板下混凝土的,局部受压破坏,，垫板下的局部压应力应满足,式中：,A,为局部受压面积；,f,c,为混凝土轴心抗压强度设计值。,2 牛腿设计,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,（3）,纵向受力钢筋计算与构造,计算简图,：,试验研究表明，牛腿在竖向力和水平拉力作用下，其受力特征可以用由牛腿顶部水平纵向受力钢筋为拉杆和牛腿内的斜,向受压混凝土为压杆组成的三角桁架模型来描述。,牛腿的计算简图,2 牛腿设计,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,纵向受力钢筋计算,：在竖向力设计值,F,v,和水平拉力设计值,F,h,共同作用下，通过对 A 点取力矩平衡可得：,近似取,， ，则由上式可得纵向受力钢筋总截面面积,A,s,为,式中,F,v,、,F,h,分别为作用在牛腿顶部的竖向力设计值和水平拉力设计值；,a,意义同前，当,a,0.3,h,0,时，取,a,=0.3,h,0,；,f,y,为纵向受拉钢筋强度设计值。,2 牛腿设计,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,牛腿配筋构造,构造要求,：,2 牛腿设计,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,（4）,水平箍筋及弯起钢筋,在牛腿的截面尺寸满足公式的抗裂条件后，可不进行斜截面受剪承载力计算，只需按下述构造要求设置水平箍筋和弯起钢筋。,水平箍筋,的直径应取,6-12mm,，间距,100-150mm,，且在上部,2,h,0,/3,范围内的水平箍筋总截面面积不应小于承受竖向力的受拉钢筋截面面积的,1/2,。,当牛腿的,剪跨比,a,/,h,0,0.3时，宜设置,弯起钢筋,。,纵向受拉钢筋,不得兼作,弯起钢筋。,弯起钢筋的,锚固,同纵向受力钢筋。,2 牛腿设计,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,3 柱的吊装验算,柱,在其自重作用下为受弯构件，其计算简图和弯矩图如图所示，一般取,上柱柱底,、,牛腿根部,和,下柱跨中,三个,控制截面,。,柱的吊装方式及计算简图,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,4 抗风柱的设计,抗风柱承受山墙传来的风荷载，其外边缘与厂房横向封闭轴线重合，离屋架中心线,600mm,。为了避免抗风柱与端屋架相碰，应将抗风柱的上部截面高度适当减小，形成变截面柱。,抗风柱计算简图,（1）,抗风柱尺寸的确定,抗风柱截面尺寸除了满足有关截面尺寸的限值外，上柱截面尺寸不宜小于350mm300mm，下柱截面高度不宜小于,600mm,。,抗风柱的柱顶标高应低于屋架上弦中心线,50mm,；同时抗风柱变阶处的标高应低于屋架下弦底边,200mm,。,第三章 单层厂房结构,3.6 柱 的 设 计,（2）,计算简图及内力分析,抗风柱顶部一般支承在端屋架的,上弦节点,处，,支承点,可视为不动铰支座,；,柱底部固定于基础顶面,；,当屋架下弦设有横向水平支撑时，抗风柱亦可与,屋架下弦,相连接，作,为抗风柱的另一个,不动铰支座,；当在山墙内侧设置水平抗风梁或抗风桁架时，则,抗风梁（或桁架）,也为抗风柱的一个,支座,。,由于山墙的重量一般由基础梁承受，故抗风柱,主要承受风荷载,，若忽略抗风柱自重，则可,按,变截面受弯构件,进行设计,。,当山墙处设有连系梁时，则抗风柱可按,变截面的偏心受压构件,进行设计。,4 抗风柱的设计,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,1 基础的分类与设计内容,(1)柱下独立基础（扩展基础）根据其,受力性能,可分为：,轴心受压基础,偏心受压基础,(2)基础的,设计内容,：,基础的形式；,埋置深度；,底面尺寸；,基础高度；,底板的配筋计算；,对一些重要的建筑物或土质较为复杂的地基，尚应进行变形或稳定性验算；,当独立基础的混凝土强度等级小于柱的混凝土强度等级时，尚应验算柱下独立基础顶面的局部受压承载力。,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,2 基础底面尺寸,（1）,轴心荷载作用下的基础,：,在轴心荷载作用下，基础底面的压力为均匀分布，设计时应满足：,轴心受压基础压力分布,若基础的埋置深度为,d,，基础及其上填土的平均重度为 ,则 ，可得基础底面面积为：,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,（2）,偏心荷载作用下的基础,：在偏心荷载作用下，基础底面的压力为线性分布。,偏心受压基础压力分布,2 基础底面尺寸,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,基础底面边缘的压力可按下式计算：,取 ，并将 代入，可将基础底面边缘的压力值写成如下形式：,2 基础底面尺寸,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,在偏心荷载作用下，基础底面的压力值应符合下式要求：,在确定偏心荷载作用下基础的底面尺寸时，一般采用,试算法,。首先按轴心荷载作用下,初步估算基础的底面面积,；再,考虑基础底面弯矩的影响,，将基础底面积适当,增加（20-40）%,，,初步选定基础底面的边长,l,和,b,，计算偏心荷载作用下,基础底面的压力值,，然后验算是否满足要求；如不满足，应调整基础底面尺寸重新验算，直至满足为止。,2 基础底面尺寸,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,3 基础高度验算,独立基础的高度,除应,满足构造要求,外，还应根据柱与基础交接处以及基础变阶处混凝土的,受冲切承载力,计算,确定。,基础冲切破坏示意图,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,建筑地基基础设计规范规定，对矩形截面柱的矩形基础，柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载力应按下列公式验算：,3 基础高度验算,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,基础的受冲切承载力截面位置,3 基础高度验算,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,4 基础底板配筋,独立基础底板的受力状态可看作在地基土反力作用下支承于柱上,倒置的变截面悬臂板,。基础底板配筋采用,地基土净反力,。,(1),轴心荷载作用下的基础,：将基础底板划分为四个区块，每个区块都可看作是固定于柱边的悬臂板，且区块之间无联系。,基础底板配筋计算图,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,由于长边方向的钢筋一般置于沿短边方向钢筋的下面，此处若假定,b,方向为长边，故沿长边,b,方向的受力钢筋截面面积，可近似按下式计算：,如果基础底板两个方向受力钢筋直径均为,d,，则截面的有效高度为，故沿短边,l,方向的受力钢筋截面面积为：,4 基础底板配筋,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,(2),偏心荷载作用下的基础,：当偏心矩小于或等于1/6 基础宽度时，沿弯矩作用方向在任意截面处，及垂直于弯矩作用方向在任意截面处相应于荷载效应基本组合时的弯矩设计值可分别按下列公式计算：,当按上式求得弯矩设计值 、 后，其相应的基础底板受力钢筋截面面积可近似地按轴心受压公式进行计算。,4 基础底板配筋,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,5 构造要求,基础形状,：,独立基础的底面一般为矩形，长宽比宜小于,2,。基础的截面形状一般可采用对称的阶梯形或锥形。,底板配筋,：,基础底板受力钢筋的最小直径不宜小于,10mm,，间距不宜大于,200mm,，也不宜小于,100mm,。当基础底面边长大于或等于,2.5m,时，底板受力钢筋的长度可取边长的,0.9,倍，并宜交错布置。,混凝土强度等级,：,基础的混凝土强度等级不宜低于,C20,。垫层的混凝土强度等级应为,C10,。,杯口深度,：杯口的深度等于柱的插入深度,h,1,+50mm。为了保证预制柱能嵌固在基础中，柱伸入杯口应有足够的深度,h,1,；,h,1,还应满足柱内受力钢筋锚固长度的要求，并应考虑吊装安装时柱的稳定性。,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,杯口尺寸,：,杯口应大于柱截面边长，其顶部每边留出,75mm,，底部每边留出,50mm,，以便预制柱安装时进行就位、校正，并二次浇筑细石混凝土。,杯底厚度,：,杯底应具有足够的厚度,a,1,，以防预制柱在安装时发生杯底冲切破坏。,锥形基础的边缘高度,:一般取,a,2,200mm，且,a,2,a,1,和,a,2,h,c,/4（,h,c,为预制柱的截面高度）；当锥形基础的斜坡处为非支模制作时，坡度角不宜大于25,0,，最大不得大于35,0,。,5 构造要求,第三章 单层厂房结构,3.7 柱下独立基础设计,独立基础外形尺寸和配筋构造,5 构造要求,