单层厂房排架结构设计

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 单层厂房排架结构,同济大学土木工程学院建筑工程系顾祥林,一、概述,1. 单层厂房的应用和类型,单层工业厂房能提供一个大的室内空间，且厂房中一般配有水平和垂直运输工具，因此在工业建筑中得到广泛的应用。,重工业生产中的炼钢、铸造、装配、机修、金工,轻工业生产中的纺织,一、概述,1. 单层厂房的应用和类型,按生产规模：单层厂房可分为大、中、小型厂房,按组成材料：单层厂房可分为,混合结构厂房,（吊车吨位,50kN，跨度 15m，柱距 6m,）,钢结构厂房,（吊车吨位,150kN，跨度 36m，柱特殊工艺要求如100kN以上锻锤,）,钢筋混凝土结构厂房,按结构形式：单层厂房可分为,排架结构,和刚架结构,一、概述,2. 单层厂房的特点,生产工艺流程和车间内部运输比较容易组织,小型工部,中型工部,大型工部,露天仓库,总装配,小型工部,中型工部,大型工部,露天仓库,总装配,一、概述,2. 单层厂房的特点,可以充分利用地基承载力，在地面上放置较重的、有较大振动的机器,可以设置天窗，用以天然采光和自然通风,扩建、改建比较方便,构件标准化。具有装配式房屋的共性,占地面积大,一、概述,3. 单层厂房排架结构的设计步骤,工艺设计要求,方案设计阶段,技术设计阶段,施工图阶段,结构选型和结构布置,结构分析和构件设计,选择结构构件,排架荷载的计算和内力分析,结构构件设计,结构布置图,构件施工图,节点大样图,定柱网等平面问题,定结构形式标高等剖面问题,定结构构件类型问题,结构布置,二、单层厂房组成和结构布置,1. 单层厂房的组成,天窗架,屋架,屋架下弦水平支撑,排架柱,基础,围护墙,屋面板,天沟板,连系梁,天窗架垂直支撑,托架,抗风柱,屋架端部垂直支撑,吊车梁,柱间支撑,基础梁,屋盖系统,梁柱系统,基础,支撑系统,围护系统,二、单层厂房组成和结构布置,2. 单层厂房的其它形式,大型,设备,高侧窗（采光通风）,有坡地面,北,采光,北,二、单层厂房组成和结构布置,3. 承重结构构件的布置,模数,*以100mm为基本单位，用,M,表示（模数）,*厂房建筑构件的截面尺寸，宜取,M,/2或1,M,进阶,*厂房的跨度,18,m时，跨度取3m（30,M,）的倍数,*厂房的跨度,18,m时，跨度取6m（60,M,）的倍数，当工艺布置有明显的优越性时，跨度亦可用21m、27m、33m,*厂房的柱距一般取6m或6m （60,M,）的倍数，个别亦可采用9m,*厂房自室内地坪至柱顶和牛腿面的高度取3,M,的倍数，,二、单层厂房组成和结构布置,3. 承重结构构件的布置,横向定位轴线,（跨度方向的轴线，用1、2、3、,表示）,屋面板,屋架,吊车梁,排架柱,600,600,6000,6000,6000,6000,6000,6000,6000,1,8,7,6,5,4,3,2,！,二、单层厂房组成和结构布置,3. 承重结构构件的布置,纵向定位轴线,（柱距方向的轴线，用A、B、C、,表示）,A,B,3,B,2,B,1,L,k,L,A,750,L,k,L,750,750,A,B,屋架,吊车,吊车产品说明书,吊车起重量,500kN时，,B,2,80mm，其它，,B,2,100mm,排架内力分析定,L,A,B,3,B,2,B,1,L,k,A,750,联系尺寸,a,c,750,二、单层厂房组成和结构布置,3. 承重结构构件的布置,纵向定位轴线,（柱距方向的轴线，用A、B、C、,表示）,B,1,B,2,B,2,B,1,B,3,B,3,B,A,750,A,750,B,A,750,B,1,B,2,B,2,B,1,B,3,B,3,A,750,C,750,750,a,i,/2,a,i,/2,插入距,二、单层厂房组成和结构布置,3. 承重结构构件的布置,B,2,B,3,A,750,B,1,B,A,750,B,3,C,B,B,2,B,1,750,插入距,a,i,纵向定位轴线,（柱距方向的轴线，用A、B、C、,表示）,二、单层厂房组成和结构布置,3. 承重结构构件的布置,抗风柱,18000,屋架或屋面梁,吊车梁,排架柱,B,外墙,A,1,2,3,4,5,6,7,6000,6000,6000,6000,6000,6000,600,600,屋面板,天沟板,天沟板,柱网及结构的平面布置图,二、单层厂房组成和结构布置,3. 承重结构构件的布置,变形缝,（伸缩逢、沉降缝和抗震缝）,温度区段,气温升高时,T,气温升高时,温度区段,温度区段,伸缩缝,T,4,h,时为0.6,-0.5,风荷载体型系数,三、排架荷载计算及内力分析,3. 排架上的荷载标准值,风荷载,T,max,T,max,q,2,P,2,+,P,4,D,max,(,D,min,)+,P,5,P,1,e,2,+,P,2,e,2,+,P,5,e,5,-,P,4,e,4,-,D,max,(,D,min,),e,4,P,1,e,2,+,P,2,e,2,+,P,5,e,5,-,P,4,e,4,-,D,min,(,D,max,),e,4,P,2,+,P,4,D,min,(,D,max,)+,P,5,P,1,P,1,P,1,e,1,P,1,e,1,q,1,A,B,W,*,柱顶以下的风载按均布荷载计算，屋面与天窗架所受的风荷载一般折算成作用在柱顶上的集中风荷载,*,风荷载的方向是任意的，应考虑左、右两种可能性,三、排架荷载计算及内力分析,4. 等高排架的内力分析,对称荷载下的对称结构-,柱顶无侧移,=,+,+,三、排架荷载计算及内力分析,4. 等高排架的内力分析,不对称荷载下的对称结构或对称荷载下的不对称结构,+,=,T,max,T,max,R,1,+,R,2,T,max,T,max,R,1,R,2,+,=,M,1,M,2,q,1,R,1,-,R,2,M,2,R,1,R,2,M,1,q,1,三、排架荷载计算及内力分析,4. 等高排架的内力分析,M,1,a,A,J,u,J,l,H,H,l,H,u,M,1,R,a,a,1,H,s,H,2,H,u,/3,1,H,u,+,H,l,/3,H,u,H,u,+2,H,l,/3,H,a m,设,H,u,=,H,，,H,l,=（1-,）,H,，,J,u,=,nJ,l,，则有,实际上是二阶悬臂柱的柔度系数,顶部铰接底部固接变截面杆,三、排架荷载计算及内力分析,4. 等高排架的内力分析,M,1,a,A,J,u,J,l,H,H,l,H,u,M,1,R,a,a,1,H,s,H,2,H,u,/3,1,H,u,+,H,l,/3,H,u,H,u,+2,H,l,/3,H,a m,顶部铰接底部固接变截面杆,三、排架荷载计算及内力分析,4. 等高排架的内力分析,顶部铰接底部固接变截面杆,M,1,a,A,J,u,J,l,H,H,l,H,u,M,1,R,a,求得,R,a,后,R,a,H,u,M,1,-,R,a,H,u,R,a,同理可求出各种荷载作用下单阶柱的系数C,1,C,12,，制成表格以备查用，见教材附录3-2,三、排架荷载计算及内力分析,4. 等高排架的内力分析,柱顶有水平集中荷载作用时的内力分析,V,a,V,b,V,c,A,B,C,P,a,b,c,P,A,B,C,a,b,c,根据导得的柔度系数,三、排架荷载计算及内力分析,4. 等高排架的内力分析,柱顶有水平集中荷载作用时的内力分析,V,a,V,b,V,c,A,B,C,P,a,b,c,P,A,B,C,a,b,c,剪力分配系数,柱的抗侧刚度,三、排架荷载计算及内力分析,5. 不等高排架的内力分析,半铰结点,不等高排架的计算简图,三、排架荷载计算及内力分析,5. 不等高排架的内力分析,柱顶有水平集中荷载作用时的内力分析,t,A,B,C,B,P,B,a,b,d,c,X,1,X,1,X,2,X,2,d,d,b,b,a,b,d,c,1,1,t,db,bd,H,b,H,bu,采用力法,物理意义见上图，可查阅附录3的有关表格,求,X,1,、,X,2,三、排架荷载计算及内力分析,5. 不等高排架的内力分析,a,b,c,A,B,C,M,1,M,1,a,b,d,c,X,1,X,1,X,2,X,2,d,t,求,X,1,、,X,2,柱上作用其他荷载时的内力分析,三、排架荷载计算及内力分析,6. 单层厂房排架的内力分析中的空间作用,单层厂房空间工作的概念,P,P,P,P,P,P,P,基本计,算单元,a,P,P,P,P,P,P,P,山墙,b,三、排架荷载计算及内力分析,6. 单层厂房排架的内力分析中的空间作用,P,P,P,P,P,P,P,c,P,d,单层厂房空间工作的概念,排架之间的相互制约作用称为单层厂房结构的空间作用,三、排架荷载计算及内力分析,6. 单层厂房排架的内力分析中的空间作用,单层厂房结构空间分配系数,P,2,1,+,1,P,1,P,P,1,屋盖结构,A,B,C,D,E,水平荷载,P,作用下,C,排架柱顶的实际位移,排架的空间作用系数,水平荷载,P,作用下单榀排架柱顶的实际位移,三、排架荷载计算及内力分析,6. 单层厂房排架的内力分析中的空间作用,等高多跨厂房结构空间分配系数,等高多跨排架的空间作用分配系数,排架的跨数,第,i,跨排架的单跨空间作用分配系数，按教材表3-5、表3-6取用,三、排架荷载计算及内力分析,6. 单层厂房排架的内力分析中的空间作用,考虑厂房结构空间作用时的实用计算方法,T,max,T,max,A,B,A,B,T,max,T,max,R,a,R,a,R,b,R,b,A,B,-m(R,a,+,R,b,),-,a,m(R,a,+,R,b,),-,b,m(R,a,+,R,b,),A,B,R,a,-,a,m(R,a,+,R,b,),R,b,-,b,m(R,a,+,R,b,),T,max,T,max,=,+,=,直接采用空间模型对厂房进行分析时，无需考虑m！,三、排架荷载计算及内力分析,7. 排架荷载效应组合,荷载效应组合原则,*,1.2,永久荷载效应+0.9 (1.4 风载效应+1.4 活荷载效应+1.4 吊车荷载效应),*,1.2,永久荷载效应+0.9 (1.4 风载效应+1.4 吊车荷载效应),*,1.2,永久荷载效应+0.9 (1.4 风载效应+1.4 活荷载效应),*,1.2,永久荷载效应+,0.9 ,(1.4 活荷载效应+1.4 吊车荷载效应),*,1.2,永久荷载效应+1.4 吊车荷载效应,*,1.2,永久荷载效应+1.4 风载效应,*,1.2,永久荷载效应+1.4 活荷载效应,一般框架、排架,三、排架荷载计算及内力分析,7. 排架荷载效应组合,荷载效应组合原则,*,1.35,永久荷载效应+1.4 0.6,风载效应+1.4 0.7,活荷载效应+1.4 0.7,吊车荷载效应,*,1.35,永久荷载效应+1.4 0.6,风载效应+1.4 0.7,活荷载效应,*,1.35,永久荷载效应+1.4 0.6,风载效应+1.4 0.7,吊车荷载效应,*,1.35,永久荷载效应+1.4 0.7,活荷载效应+1.4 0.7,吊车荷载效应,*,1.35,永久荷载效应+1.4 0.7,活荷载效应,*,1.35,永久荷载效应+1.4 0.6,风载效应,*,1.35,永久荷载效应+1.4 0.7,吊车荷载效应,三、排架荷载计算及内力分析,7. 排架荷载效应组合,注意事项,*,永久荷载任何情况下都存在,*,吊车垂直荷载有最大轮压分别作用在一跨两个柱子上的情况,每次只选其中一项参加组合,*有,吊车水平荷载时，必有垂直荷载。反之不一定,*,吊车水平荷载有两个方向，每次只选一项参加组合,*,风有左来风和右来风两种情况，每次只选一项参加组合,四、单层厂房柱的设计,1. 柱的结构形式和截面尺寸,肩梁,平腹杆,肢杆,斜腹杆,上柱,下柱,牛腿,吊车梁,750,750,结构形式,四、单层厂房柱的设计,1. 柱的结构形式和截面尺寸,矩形截面高度一般在700mm以内,工字形截面高度一般为8001600mm,教材中表3-7,截面尺寸,保证厂房的横向刚度,双肢柱的截面高度可参考教材中表3-7再增大10%,四、单层厂房柱的设计,2. 矩形和I形截面排架柱的配筋计算,材料力学中一般根据支承情况来确定柱的计算长度,柱的计算长度,排架柱上部为铰接下部为固接,地基土具有压缩性,有联系梁、吊车梁、圈梁等与柱相连,材料力学的方法,？,教材中表3-9给出了具体的规定,四、单层厂房柱的设计,2. 矩形和I形截面排架柱的配筋计算,柱的配筋计算-,同一般压弯构件,基顶,I,I,II,II,III,III,I-I截面上柱的弯矩和轴力都最大,I-I截面作为上柱的控制截面,II-II截面下柱在吊车垂直荷载下的弯矩最大,III-III截面下柱在吊车水平荷载下的弯矩最大，轴力也最大,II-II、III-III截面作为下柱的控制截面,四、单层厂房柱的设计,2. 矩形和I形截面排架柱的配筋计算,基顶,I,I,II,II,III,III,柱的配筋计算,问题：,由荷载效应组合可知，同一截面可求出多组内力，那么哪组内力对配筋起控制作用,？,解决方法：,*对应每组内力均求出配筋，取配筋大者进行设计，此法工作量大、烦琐,*按一定原则选取最不利的几组内力进行分析比较，此法方便、适用,四、单层厂房柱的设计,2. 矩形和I形截面排架柱的配筋计算,柱的配筋计算-,内力和配筋的关系,A,s,1,(,A,s,2,),小偏心受压,大偏心受压,A,s,1,(,A,s,2,),A,s,1,A,s,2,A,s,1,A,s,2,N,M,2),4),3),1),根据,M,-,N,关系，得出下列四条规则：,1）大偏压，,M,不变时，,N,越小，,A,s,越大,2）大偏压，,N,不变时，,M,越大，,A,s,越大,3）小偏压，,M,不变时，,N,越大，,A,s,越大,4）小偏压，,N,不变时，,M,越大，,A,s,越大,四、单层厂房柱的设计,2. 矩形和I形截面排架柱的配筋计算,柱的配筋计算-,最不利的内力,1）大偏压，,M,不变时，,N,越小，,A,s,越大,2）大偏压，,N,不变时，,M,越大，,A,s,越大,3）小偏压，,M,不变时，,N,越大，,A,s,越大,4）小偏压，,N,不变时，,M,越大，,A,s,越大,*最大正弯矩,M,max,及相应的轴力,N,*最大负弯矩-,M,max,及相应的轴力,N,*最大轴力,N,max,及相应的最大正弯矩,M,max,或最大负弯矩-,M,max,*最小轴力,N,min,及相应的最大正弯矩,M,max,或最大负弯矩-,M,max,四、单层厂房柱的设计,2. 矩形和I形截面排架柱的配筋计算,柱在平面外的承载力验算-,吊车起重量,490kN，或起重量294kN且柱距为12m,P,max,P,max,P,max,P,max,R,2,R,1,e,e,M,y,0.35,M,y,0.7,M,y,0.3,M,y,吊车梁反力的偏心距,吊车最不利位置时，吊车梁传给牛腿的反力差，可由影响线来求得。,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,牛腿的分类,F,v,a,a,s,h,0,h,F,v,a,a,s,h,0,h,a,h,0,，短牛腿,a,h,0,，长牛腿，设计方法同一般钢筋混凝土悬臂梁,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,牛腿的受力特点与破坏形态-,弹性阶段,F,v,B,A,主拉应力,主压应力,*荷载,F,v,较小时，牛腿基本处于弹性受力阶段,h,0,F,v,a,a,s,*在,F,v,达极限荷载的20 40%时，牛腿根部出现裂缝,；,在,F,v,达极荷载的40 60%时，出现裂缝,*,继续加载，随着,a,/,h,0,值的不同，牛腿的破坏形态各不相同,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,F,v,B,A,主拉应力,主压应力,h,0,F,v,a,a,s,牛腿的受力特点与破坏形态-,弯压破坏,当0.75,a,/,h,0,1时，,裂缝,逐渐发展，裂缝以外的部分绕牛腿和下柱的交点转动，最后压区混凝土被压碎，牛腿破坏,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,F,v,a,a,s,h,0,F,v,a,a,s,h,0,F,v,B,A,主拉应力,主压应力,h,0,F,v,a,a,s,牛腿的受力特点与破坏形态-,斜压破坏,当0.145,时，取=45,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,牛腿的截面尺寸-,计算公式,F,hs,F,vs,c,1,c,a,a,s,h,0,h,1,h,当,F,vs,V,cr,时，牛腿不会开裂,按短期荷载效应组合计算的竖向压力值,按短期荷载效应组合计算的横向拉力值,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,牛腿的截面尺寸,F,hs,F,vs,c,1,c,a,a,s,h,0,h,1,h,*为了防止发生非根部受拉破坏，,h,1,h,/3，且要求,h,1,200mm,*为了防止发生保护层剥落，,c,1,70mm,*为了防止发生局部受压破坏，要求,F,vs,/,A,0.75,f,c,（,A,牛腿面上局部承压面积），否则应加大局部受压面积、提高混凝土强度或在牛腿中增设钢筋网片,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,牛腿的配筋设计和构造要求-,纵筋（按计算确定）,h,0,F,h,F,v,h,0,h,0,+,a,s,h,0,A,s,f,y,a,F,v,F,h,A,B,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,h,0,+,a,s,h,0,A,s,f,y,a,F,v,F,h,A,B,牛腿的配筋设计和构造要求-,纵筋（按计算确定）,对,A,点取矩,设计时取,0.85, ，则有,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,牛腿的配筋设计和构造要求-,纵筋（按计算确定）,h,0,+,a,s,h,0,A,s,f,y,a,F,v,F,h,A,B,牛腿顶部竖向力设计值,牛腿顶部水平拉力设计值,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,牛腿的配筋设计和构造要求-,纵筋（按计算确定）,*纵筋宜采用HRB335或HRB400（RRB400）级钢筋,*承受竖向力的纵向受力钢筋按全截面计算的最大配筋率为0.6%，最小配筋率为0.2%和0.45,f,t,/,f,y,中的大者,*纵筋不得少于4根，直径不应小于12mm，不得兼作弯筋,0.4,l,a,F,v,F,h,h,1,h,0,h,a,s,15,d,15,d,*纵筋伸入上柱的锚固长度，采用直线型锚固时，不应小于,l,a,，,其他如图,*牛腿面上的水平力通过预埋件直接传给纵筋，抵抗水平力的纵筋不得少于2根，直径不得少于12mm,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,牛腿的配筋设计和构造要求-,纵筋（按构造要求确定）,15,d,0.4,l,a,F,v,F,h,h,1,h,0,h,a,s,15,d,*箍筋的直径为612mm，间距为100150mm，配筋范围为整个牛腿,*牛腿,上部2,h,0,/3,范围内水平箍筋的总截面积不宜小于承受,F,v,的受拉钢筋总截面积的一半,四、单层厂房柱的设计,3. 牛腿的设计,15,d,l,/2,l,/6,0.4,l,a,F,v,F,h,h,1,h,0,h,a,s,l,15,d,牛腿的配筋设计和构造要求-,弯筋（按构造要求确定）,*当,h,0,/,a,0.3时，牛腿中应设弯筋，弯筋的配筋范围为牛腿上部,l,/6 ,l,/2,的范围内,*弯筋应采用HRB335或HRB400（RRB400）级钢筋，钢筋的直径不应小于12mm，弯筋的截面积不应小于受拉钢筋截面积的一半，且不应小于0.001,bh,，弯筋的根数不少于2根,四、单层厂房柱的设计,4. 矩形和I形截面排架柱的构造,l,l,*矩形截面柱混凝土的强度等级不宜低于C20，I形截面柱混凝土的强度等级不宜低于C25,*柱纵向受力钢筋的直径不应小于12mm，纵筋的间距应大于等于50mm，但不得大于350mm,*上、下柱纵向受力钢筋应在牛腿面以下搭接，搭接长度按下式计算，且,l,l,300mm（受拉时），,l,l,200mm（受压时）,：,混凝土和纵筋,受拉钢筋锚固长度,钢筋搭接长度修正系数，其值参见教材中表3-10取用,四、单层厂房柱的设计,4. 矩形和I形截面排架柱的构造,l,l,纵筋,*伸入根部的牛腿纵向钢筋的下弯位置不应与上、下柱的纵向受力钢筋相重合,*牛腿纵向钢筋与弯筋宜放置上、下两排,*柱截面高度大于600mm时，在侧面应设置直径为1016mm的纵向受力钢筋，并应设置相应的附加箍筋或拉筋,四、单层厂房柱的设计,4. 矩形和I形截面排架柱的构造,b,400,h,400,h,600,附加钢筋,b,400,h,1000,120,箍筋,四、单层厂房柱的设计,5. 柱与其它构件的连接,M,3,M,4,M,5,M,6,M,