单层工业厂房结构.ppt

2单层工业厂房结构 本章主要介绍 单层厂房的组成 传力途径及设计内容 单层厂房的结构布置 排架的内力计算 单层厂房柱设计 单层厂房结构主要构件的选型 各构件间的连接 重点是单层厂房的组成 受力特点 支撑的布置 构件选型 排架内力计算 构件间的连接 本章提要 本章内容 2 1概述2 2单层工业厂房排架结构的组成 传力途径及设计内容2 3单层工业厂房的结构布置2 4单层厂房结构主要构件的选型2 5单层厂房排架内力计算2 6单层厂房柱的设计2 7单层工业厂房结构主要构件间的连接构造 2 1概述 2 1 1单层厂房的结构类型2 1 1 1按材料分单层厂房的结构按其承重结构的材料来分 有混合结构 钢筋混凝土结构和钢结构等类型 混合结构的主要承重结构为墙或带壁柱墙 屋架可用钢筋混凝土结构 钢木结构或轻钢结构 中型以上厂房大多选用钢筋混凝土结构 单层厂房的结构按其施工方法来分 有装配式和现浇式两种 目前除特殊情况外 均采用装配式钢筋混凝土结构 2 1 1 2按施工方法分 1 排架结构装配式单层厂房的主要承重结构是屋架或屋面梁 柱和基础 当屋架与柱顶为铰接 柱与基础顶面为刚接时 这样组成的结构叫排架 随着生产工艺及使用要求的不同 排架结构可设计成等高或不等高 单跨或多跨的各种形式 如图2 1所示 2 1 1 3按承重结构的形式分 2 刚架结构钢筋混凝土门式刚架 钢筋混凝土门式刚架的基本特点是柱和屋架 横梁 合并为同一个构件 柱与基础的连接为铰接或刚接 门式刚架种类很多 目前在单层厂房中用得较多的是两铰和三铰两种形式 同样 门式刚架也可用于多跨厂房 如图2 2所示 图2 1钢筋混凝土排架结构 图2 2钢筋混凝土门式刚架 2 2单层工业厂房排架结构的组成 传力途径及设计内容 单层工业厂房排架结构通常由横向平面排架和纵向平面排架及支撑系统连成一个整体的空间结构体系 由下列构件组成 如图2 4所示 2 2 1单层工业厂房排架结构的组成 图2 4装配式钢筋混凝土单层厂房结构 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 屋架下弦横向支撑 14 屋架垂直支撑 15 柱间支撑 2 单层排架结构组成 屋盖结构分无檩和有檩两种体系 无檩体系由大型屋面板 屋面梁或屋架以及屋盖支撑所组成 如图2 5所示 有檩体系由小型屋面板 檩条 屋架 包括屋盖支撑 组成 如图2 6所示 屋盖结构有时还有天窗架 托架 其作用主要是围护和承重 承受屋盖结构自重 屋面活荷载 雪荷载和其它荷载 以及采光和通风 墙体围护结构包括外墙 抗风柱 墙梁 基础梁等 其作用主要是围护和承重 2 2 1 1屋盖和墙体围护结构体系 图2 5无檩体系 图2 6有檩体系 横向平面排架是由屋面梁或屋架 横向柱列和基础等组成 它是厂房基本承重结构 厂房横向排架承受竖向荷载 如结构自重 屋面活荷载和吊车竖向荷载等 及横向水平荷载 如风荷载 吊车横向制动力和地震作用等 如图2 7所示 2 2 1 2横向排架结构体系 图2 7单层厂房的荷载 纵向排架结构体系是由纵向柱列和基础 连系梁和柱间支撑等组成 其作用是保证厂房结构的纵向稳定和承重 厂房纵向排架主要承受纵向水平荷载 如纵向风荷载 吊车纵向制动力 纵向地震作用和温度应力等 如图2 8所示 2 2 1 3纵向排架结构体系 图2 8厂房的纵向排架 1 风力 2 吊车纵向制动力 3 连系梁 4 柱间支撑 5 吊车梁 6 柱 2 2 2荷载的传递 永久荷载是长期作用在厂房结构上的不变荷载 恒荷载 如各种结构构件 围护结构以及设备的自重等 2 2 2 1永久荷载 可变荷载是作用在厂房结构上的活荷载 主要有 1 雪荷载 以基本雪压所算得的在厂房各屋面上的积雪重量 2 风荷载 以基本风压所算得的在厂房各部分表面上的风压 吸 力 3 吊车荷载 吊车起吊重物在厂房内运行时的移动集中荷载包括吊车竖向荷载和吊车水平荷载 4 积灰荷载 大量排灰的厂房及其邻近建筑 应考虑积灰荷载 5 施工荷载 厂房在施工或检修时的荷载 2 2 2 2可变荷载 作用在单层厂房结构上所有荷载按其作用方向可分为竖向荷载 横向水平荷载以及纵向水平荷载三种 荷载的传递 特别是水平荷载的传递 实际上很复杂的 而不是简单的直接传递 为了清楚起见 再把上面分析的荷载传递路线综合成图表来表达 如图2 9所示 在一般的单层厂房中 横向排架是主要承重结构 而屋架 吊车梁 柱和基础是厂房中的主要承重构件 2 2 2 3偶然荷载 图2 9荷载传递路线图 单层工业厂房结构设计是根据建筑设计资料 以及坚固适用 技术先进 经济合理的原则进行结构设计 单层厂房结构设计的主要内容 1 确定结构方案 进行结构布置 2 确定主要承重构件 3 进行排架内力分析与组合 4 排架柱设计 5 确定主要构件之间的连接构造 2 2 3单层工业厂房结构设计的内容 2 3单层工业厂房的结构布置 单层厂房承重柱的纵向和横向定位轴线在平面上形成的有规律的网格称为柱网 柱子纵向定位轴线间的距离称为跨度 横向定位轴线的距离称为柱距 确定柱网尺寸时 首先要满足生产工艺要求 尤其是工艺设备的布置 其次是根据建筑材料 结构形式 施工技术水平 经济效果 以及提高建筑工业化程度和建筑处理 扩大生产 技术改造等方面因素来确定 此外 还应满足模数制的要求 2 3 1柱网的布置 1 跨度 单层厂房的跨度在18m以下时 应采用30M数列 1M 100mm 即9m 12m 15m 18m 在18m以上时 应采用扩大模数60M数列 即24m 30m 36m等 如图2 10所示 2 柱距单层厂房的柱距应采用扩大模数60M数列 见图2 10 单层厂房山墙处的抗风柱柱距宜采用扩大模数15M数列 图2 10跨度和柱距示意图 1 伸缩缝为减少厂房结构的温度应力 可设置伸缩缝 将厂房结构分成若干温度区段 伸缩缝的一般做法是从基础顶面开始将相邻温度区段的上部结构完全分开 在伸缩缝两侧设置并列的双排柱 双榀屋架 而基础可做成将双排柱连在一起的双杯口基础 2 3 2变形缝的设置 2 沉降缝由于单层厂房结构主要是由简支构件装配而成 因地基发生不均匀沉降在构件中产生的附加内力不大 所以在单层厂房结构中 除主厂房结构与生活间等附属建筑物相连接处外 很少采用沉降缝 当厂房高差大于10m 地基承载力或下卧土层有巨大差异及施工间隔相差很久时应考虑设置沉降缝 沉降缝应将建筑物从基础到屋顶全部分开 以使缝两边发生不同沉降时不至于相互影响 3 防震缝防震缝是为减轻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房 如生活间 变电所 炉子间等时 设置抗震缝将相邻部分分开 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 支撑的作用 从图2 11所举的有檩屋盖体系厂房支撑布置中可以看出 如果不设支撑时 山墙上的风力 W将从A点传至B点 这样不仅厂房整体刚度差 稳定性也难于保证 如设了支撑 山墙上的风力W则从A点传至1 2 3 4 5 6 再传至柱间支撑 最后传至基础 支撑的主要作用是 1 保证厂房结构的纵向及横向水平刚度 2 在施工和使用阶段 保证结构构件的稳定性 3 将某些水平荷载传给主要承重结构或基础 2 3 3支撑的布置 图2 11有檩屋盖体系厂房支撑作用示意图 屋盖支撑包括上弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑 下弦纵向水平支撑 垂直支撑及系杆等 1 横向水平支撑横向水平支撑 见图2 12 是由交叉角钢和屋架上弦或下弦组成的水平桁架 其作用是 加强屋盖结构在纵向水平面内的刚度 将山墙抗风柱所承受的纵向水平力传到两侧柱列上去 布置在温度区段的两端 设置在屋架上弦平面内的称为上弦横向水平支撑 设置在屋架下弦平面内的称为下弦横向水平支撑 2 3 3 1屋盖支撑 2 纵向水平支撑 这里 纵向水平支撑 见图2 13 一般是由交叉角钢等钢杆件和屋架下弦第一节间组成的水平桁架 其作用是加强屋盖结构在横向水平面内的刚性 3 垂直支撑及水平系杆垂直支撑一般是由角钢杆件与屋架的直腹杆或天窗架的立柱组成的垂直桁架 屋架垂直支撑根据屋架高度不同做成十字交叉形或W形天窗架 垂直支撑一般做成斜叉形 垂直支撑的作用是保证屋架及天窗架在承受荷载后的平面外稳定 并将屋架上弦平面内的水平荷载传递到屋架下弦平面内 所以垂直支撑与横向水平支撑配合作用 4 天窗架支撑天窗架支撑包括天窗上弦水平支撑和天窗架间垂直支撑 天窗架支撑的作用是增强整体刚度 保证其系统的空间稳定性 并把端壁上的水平风荷载传给屋架 天窗架支撑一般均设置在天窗架的两端 如图2 15所示 图2 12横向水平支撑布置图 图2 13纵向水平支撑布置 图2 14斜撑式垂直支撑 图2 15天窗架上弦横向 柱间支撑一般采用交叉钢斜杆组成 交叉倾角 在35 55 之间 以45 为宜 钢杆件的截面尺寸需经强度和稳定计算确定 如图2 16 a 所示 当柱间因交通 设备布置或柱距较大而不能采用交叉斜杆式支撑时 可以做成门架式支撑 如图2 16 b 所示 柱间支撑的作用是保证厂房的纵向刚度和稳定性 吊车纵向制动力和山墙纵向风荷载及纵向地震力经屋盖系统传递到两纵向柱列上去 2 3 3 2柱间支撑 柱间支撑布置 一般上柱柱间支撑设置在温度区段两侧与屋盖横向水平支撑相对应的柱间 以及温度区段中央或临近中央的柱间 下柱柱间支撑设置在温度区段中部与上柱柱间支撑相应的位置 柱间支撑的布置原则 凡属下列情况之一的一般厂房需设置柱间支撑 1 设有重级工作制吊车或中轻级工作制吊车起重量 10t时 2 厂房跨度 18m或柱高 8m时 3 纵向柱的总数每排 7根 4 设有3t及3t以上悬挂吊车时 5 露天吊车柱列 图2 16柱间支撑 当用砖砌体作为厂房围护墙时 一般要设置圈梁 连系梁 过梁和基础梁 圈梁的作用是将墙体同厂房柱箍在一起 以加强厂房的整体刚度 防止由于地基不均匀沉降 较大振动荷载或地震对厂房引起的不利影响 圈梁设在墙内 并与柱用钢筋拉接 圈梁不承受墙体重量 故柱上不设置支承圈梁的牛腿 圈梁的布置与墙体高度 厂房的刚度要求及地基情况有关 2 3 4圈梁 连续梁 过梁和基础梁的布置 圈梁应连续设置在墙体的同一水平面上 并尽可能沿整个建筑物形成封闭状 如图2 17 圈梁的截面宽度宜与墙厚相同 连系梁的作用是连系纵向柱列 以增强厂房的纵向刚度 并将风荷载传给纵向柱列 此外 连系梁还承受其上面墙体的重量 连梁通常是预制的 两端搁置在柱牛腿上 用螺栓或电焊与牛腿连接 过梁的作用是承托门窗洞口上部墙体的重量 在一般厂房中 通常用基础梁来承受围护墙体的重量 如图2 18 图2 17圈梁的搭接长度 图2 18基础梁的搁置 2 4单层厂房结构主要构件的选型 选用构件时的主要依据 一般可根据两种方法选用 1 根据荷载或对负荷的限制条件 2 根据允许的最大内力 弯矩和剪力 1 无檩体系屋面构件无檩体系采用大型屋面板 适用于大中型单层厂房 各种无檩体系屋盖的类型 特点 尺寸 允许均布荷载及适用条件见表2 1 2 屋面板有檩体系屋面板类型 尺寸 特点及适用条件见表2 2 3 檩条檩条与屋架上弦的连接一般采用焊接 钢筋混凝土檩条类型 跨度等见表2 3 2 4 1屋面构件选型 表2 1屋面板类型表 表2 2有檩体系屋面板 表2 3钢筋混凝土檩条类型表 屋架或屋面梁直接承受屋面荷载 有些厂房的屋架 或屋面梁 还承受悬挂吊车 管道或其它工艺设备及天窗架等荷载 并和屋盖支撑系统一起 保证屋盖水平和垂直方向的刚度和稳定性 目前常用的钢筋混凝土屋架的形式及其适用条件见表2 4 2 4 2屋架选型 表2 4钢筋混凝土屋架类型表 吊车梁是有吊车厂房的重要承重构件 它直接承受吊车起重 运行 制动时产生的各种往复移动荷载 为此吊车梁除了要满足一般梁的强度 抗裂度 刚度等要求外 还要满足疲劳强度的要求 同时 吊车梁还传递厂房纵向荷载 如山墙上的风荷载 吊车梁的选用一般按吊车的起重能力 跨度和吊车工作制的不同 可采用不同形式 常用钢筋混凝土吊车梁见表2 5 2 4 3吊车梁选型 表2 5常用钢筋混凝土吊车梁 柱主要承受屋盖和吊车梁等竖向荷载 风荷载及吊车产生的纵向和横向水平荷载 有时还承受墙体 管道设备等荷载 所以 柱应具有足够的抗压和抗弯能力 目前柱子标准图集给出了一些柱子的标准设计 但大多数情况还需要设计者自行设计 常用柱的类型见图2 19 常用柱距6m的柱截面尺寸参见表3 1 3 2 p89 2 4 4常用柱选型 图2 19柱的类型 a 矩形柱 b 工字形柱 c 预制空腹板工字形柱 d 单肢管柱 e 双肢柱 f 平腹杆双肢柱 g 斜腹杆双肢柱 h 双肢管柱 柱截面尺寸参考表 柱距6m 2 5单层厂房排架内力计算 单层厂房结构实际上是一空间结构体系 为了计算方便 一般分别按纵 横两个方向作为平面排架来分析 即假定各个横向平面排架 或纵向平面排架 均单独工作 计算单元 单层厂房是一个复杂的空间结构 实际计算时 可根据厂房的构造和荷载特点进行简化并确定计算简图 如图2 20所示 由相邻柱距的中部截取一个典型区段 称为计算单元 如图2 20所示 2 5 1计算假定和计算简图 为简化计算 根据构造特点 对确定排架的计算简图时 有以下计算假定 1 屋架或屋面大梁与柱顶连接处 仅用预埋钢板焊牢 它抵抗转动的能力很小 计算中只考虑传递垂直力和水平剪力 按铰接结点考虑 2 排架柱与基础的连接做法是 预制柱插入基础杯口一定深度 柱和基础间用高强度等级细石混凝土浇筑密实 因此排架柱与基础连接处按固定端位于基础顶面 3 铰接排架的横梁 屋架 的刚度很大 受力后的轴向变形可忽略不计 排架受力后横梁两端两个柱子的柱顶水平位移相等 4 排架柱的高度由固定端算至柱顶铰接处 排架柱的计算轴线为柱的几何中心线 当柱为变截面时 排架柱的轴线为一折线 如图2 20 a b 所示 5 排架的跨度以厂房的纵向定位轴线为准 计算简图如图2 20 c 所示 图2 20排架计算简图 1 屋面恒荷载屋面恒荷载标准值用G1k表示 设计值用G1表示 它包括各种构造层屋面板 天沟板 屋架 天窗 天窗架 屋架支撑 托架等自重 一般来说 G1对上柱截面的几何中心有一个偏心距e1 G1对下柱截面的几何中心又增加了附加偏心距e2 如图2 22所示 2 5 2排架荷载计算 2 5 2 1恒荷载 作用在排架上的荷载分为恒荷载和活荷载两类 如图2 21所示 2 上柱自重上柱自重标准值用G2k表示 设计值用G2表示 它沿上柱中心线作用 3 吊车梁及轨道等零件自重标准值用G4k表示 设计值用G4表示 它沿吊车梁中心线作用于牛腿顶面 一般吊车梁中心线到柱外边缘 边柱 或柱中心线 中柱 的距离为750mm 4 下柱自重下柱自重标准值用G3k表示 设计值用G3表示 它沿下柱中心线作用 5 支承在柱牛腿上的围护结构等自重 支承在柱牛腿上的围护结构等自重标准值用G5k表示 设计值用G5表示 它沿承重梁中心线作用在柱牛腿顶面 6 墙体荷载当墙直接砌筑在基础梁上或大型墙板直接搁置在基础上时 它们对排架柱无竖向作用力 它们对排架的作用是传递墙面上的水平风荷载给排架柱 图2 21排架上的荷载 图2 22排架在屋面恒荷载作用下的计算简图和柱的内力图 屋面活荷载标准值用Q1k表示 设计值用Q1表示 作用点和计算简图与屋盖恒荷载相同 屋面活荷载包括屋面均布活荷载 雪荷载和积灰荷载三种 均按屋面的水平投影面积计算 1 屋面均布活荷载屋面均布活荷载按 荷载规范 采用 当施工荷载较大时 则按实际情况采用 2 5 2 2屋面活荷载 2 雪荷载雪荷载是积雪重量 为积雪深度和平均积雪密度的乘积 屋面雪荷载标准值Sk计算式为 Sk rS0 雪荷载标准值 屋面积雪分布系数 基本雪压 3 积灰荷载对生产中有大量排灰的厂房及其邻近建筑物应考虑积灰荷载 可由 荷载规范 查得 注意 屋面均布活荷载不应与雪荷载同时考虑 只考虑两者中的较大值 当有积灰荷载时 积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑 吊车按生产工艺要求和吊车本身构造特点有多种不同的型号和规格 桥式吊车为厂房中常用的一种吊车形式 桥式吊车由大车 桥架 和小车组成 如图2 23所示 吊车对排架的作用有竖向荷载 横向水平荷载和纵向水平荷载 现分别叙述如下 1 吊车竖向荷载吊车竖向荷载是一种通过轮压传给排架柱的移动荷载 由吊车额定起重量 大车自重 小车自重三部分组成 如图2 23所示 2 5 2 3吊车荷载 对于四轮吊车的最小轮压标准值Pmin k可按下式计算 Pk min 1 2 Gk gk Qk Pk max每榀排架上作用的吊车竖向荷载指的是几台吊车组合后通过吊车梁传给柱的可能的最大反力 由于吊车荷载是移动荷载 每榀排架上作用的吊车竖向荷载组合值需用影响线原理求出 作用在排架上的吊车竖向荷载的组合值与吊车的台数及吊车沿厂房纵向运行所处位置有关 当两台吊车挨紧并行 且其中一台起重量较大的吊车轮子正好运行至计算排架上 而两台吊车的其余轮子分布在相邻两柱距之间时 吊车竖向荷载组合值可达最大 其标准值Dk max Dk min 按下列公式计算 Dk max yiPik max y1 y2 P1k max y3 y4 P2k max Dk min yiPik min y1 y2 P1k min y3 y4 P2k min 当小车吊在额定最大起重量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 各大车轮子下影响线纵标的总和 多台吊车的荷载折减系数 按表3 3查得 桥式吊车按其利用等级 按使用期内要求的总工作循环次数分级 和荷载状态 吊车达到其额定值的频繁程度 分成 个工作级别 级 级 轻级 中级 重级 超重级 吊车竖向荷载Dk max和Dk min沿吊车梁的中心线作用在牛腿顶面 它们是相对于下柱截面具有偏心距e4的偏心压力 Dk max和Dk min应换算成作用于下柱顶面的轴力和力矩 如图2 25 a 所示 吊车梁支座钢垫板的中心线至下柱轴线的距离 2 吊车横向水平荷载T吊车横向水平荷载是指载有重物的小车在左右行驶中突然刹车时 由于吊车Gk和小车gk的惯性力而在厂房排架柱上所产生的横向水平制动力 横向制动力应等分作用在排架的两侧柱子上 它的方向有左右两种可能性 如图2 25 b 所示 吊车横向水平制动力本应按两侧柱子的刚度大小分配 但为简化计算 荷载规范 允许近似地平均分配给两侧排架柱 如图2 26所示 对于各类四轮桥式吊车 当其小车满载运行中突然刹车时 在大车每一轮子上所产生的横向水平制动力的标准值为 Tk 1 4 Qk gk 每个大车轮传给吊车轨道的横向水平制动力T确定后 即可按计算吊车竖向荷载Dk max和Dk min的方法计算Tk max 3 吊车纵向水平荷载T0吊车纵向水平荷载T0是指吊车沿厂房纵向运行中突然刹车时 由吊车自重和吊重物的惯性力在厂房纵向排架柱上所产生的水平制动力 它是通过每侧的制动轮传至两侧吊车轨道 然后再由吊车梁传给纵向柱列或柱间支撑 如图2 27所示 每台吊车纵向水平制动力的标准值为 T0 k n 10Pk max 例2 1 有单跨单层厂房 跨度为24m 柱距为6m 设计时考虑两台A5级工作制20 5t 主钩 副钩 桥式软钩吊车 求作用于排架柱上的Dmax Dmin Tmax 解 1 查附表17得 吊车桥距lK 22 5m时 吊车最大宽度B 5600mm 大车轮距K 4400mm 小车重gk 77 2kN 吊车最大轮压Pkmax 202kN 吊车最小轮压Pkmin 60kN 2 确定吊车的最不利位置及柱支座反力影响线 如图2 28所示 3 计算Dkmax Dkmin Tkmax 图2 23桥式吊车荷载 图2 25吊车荷载 图2 26吊车横向水平制动力 图2 27吊车纵向水平荷载 图2 28吊车梁反力影响线 垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按下式计算 基本风压值 按 荷载规范 中 全国基本风压分布图 查取 但不得小于0 3kN m2 z高度处的风振系数 对单层厂房 风荷载体型系数 附表18 风压高度变化系数 应按地面粗糙度由附表19确定 2 5 2 4风荷载 排架计算时作用在不同位置处风荷载的计算原则 1 作用在排架柱顶以下墙面上的风荷载按均布考虑 迎风面为q1 背风面为q2 其风压高度变化系数可按柱顶标高取值 2 作用于柱顶以上屋盖部分的风荷载仍取为均布荷载 但对排架的作用则按作用在柱顶的集中风荷载FW考虑 其风压高度变化系数取值如下 有矩形天窗时 按天窗檐口取值 无矩形天窗时 按厂房檐口标高取值 3 作用在排架上的风荷载如图2 30所示 其设计值分别按下式计算 q1 Qwk1B Q s1 zw0B kN m q2 Qwk2B Q s2 zw0B kN m 例2 2 如图2 31所示 柱距为6m的单跨单层厂房 建于天津市郊区 求作用于排架上的风荷载设计值 解 从 荷载规范 中查得天津市基本风压为w0 0 4kN m2 风荷载体型系数 s值如图2 31 b 所示 计算单元宽度B 6m 1 柱顶以下风荷载按均布荷载计算 风压高度变化系数 z按柱顶标高计算 由 荷载规范 查得15m高度处 z 0 84 10m高处 z 0 71 故12m高度处 z 0 76q1 Q s1 zw0B 2 04kN m q2 Q s2 zw0B 1 28kN m 2 计算作用于柱顶的集中风荷载w风压高度变化系数 z按天窗檐口处标高 17 920 计算 由 荷载规范 查得20m高度处 z 0 94 故17 92m高度处 z 0 90W 20 34kN 作用于排架风荷载如图2 32所示 图2 30横向排架上的风荷载 图2 31 a 厂房剖面图 b 计算简图及 s值 图2 32作用于排架风荷载 等高排架就是指在排架计算简图中 各柱柱顶标高相同 如图2 33所示 2 5 3排架的内力计算 2 5 3 1等高排架内力分析 排架内力分析就是确定排架柱在各种荷载单独作用下各个控制截面上的内力 并绘制各排架柱的弯矩M图 轴力N图及剪力V图 等高排架内力分析方法是剪力分配法 按剪力分配法求出各柱柱顶剪力 然后按独立悬臂柱计算在已知剪力和外荷载作用下任意截面的内力 1 抗剪刚度 当单位水平力 作用于单阶悬臂柱柱顶时 柱顶水平位移可由力学方法求得 若使柱顶产生单位水平位移 则所需施加于柱顶的力为 即抗剪刚度k 反映柱抵抗侧移的能力 2 当排架柱顶作用水平集中荷载F时 如图2 34所示 由于横梁为刚性连杆 所以各柱柱顶水平位移相等 即 uA uB uC u如沿横梁与柱的连接部位将各柱柱顶切开 因柱顶是铰无弯矩 在各柱的切口上代替一对相应剪力VA VB VC 并取横梁为脱离体 则由平衡条件 X 0得 F VA VB VC 设各柱柱顶在单位水平集中力作用下柱顶位移为 A B和 C 则在柱顶剪力VA VB VC作用下 各柱柱顶水平位移为 uA VA A uB VB B uC VC C即 VA uA A u A kA uVB uB B u B kB uVC uC C u C kC u 得 kA kB kC F u 1 kA kB kC F则各柱柱顶剪力为 VA ukA kA kA kB kC F AFVB ukB kB kA kB kC F BFVC ukC kC kA kB kC F CF即Vi iF 3 当任意荷载作用时在任意荷载作用下 排架柱的计算分为两个步骤 第一步 先在排架柱顶附加一个不动铰支座以阻止水平侧移 如图2 35所示 求出支座反力R 可利用附表算出 第二步 撤除附加不动铰支座 并将R以反方向作用于排架柱顶 如图2 35 c 所示 以恢复到原来结构体系 例2 3 一单层单跨厂房排架如图2 36所示 A柱与B柱相同 I上A I上B 2 13 109mm4 I下A I下B 5 876 109mm4 上柱高Hu 3 30m 全柱高H 10 80m 排架上作用有吊车最大横向水平荷载Tmax 8 9kN 作用点距柱顶高度y 2 4m 求排架柱的内力 并绘制内力图 解 1 计算几何参数n Iu Il 0 362 Hu Hl 0 306 2 求柱顶剪力 求支座反力Tmax作用点至柱顶高度y 2 4m y Hu 0 728 即y 0 728Hu a 0 728计算简图如图2 37所示 得C5 0 647 Ra TmaxC5 5 76kN Rb 0Ra Rb 5 76kN 将 Ra Rb 反向作用于柱顶并进行分配确定剪力分配系数 A B 0 5 A Ra Rb 2 88kN 求柱顶剪力将图2 37 b c 图中各柱顶所产生的剪力叠加得 Va 5 76 2 88 2 88kN Vb 2 88kN 3 画内力图如图2 38所示 例2 4 一等高排架如图2 39 a 所示 已知W 5 66kN q1 1 68kN m q 1 05kN m A柱与C柱相同 I上A I上C 2 13 105cm4 I下A I下C 9 23 105cm4 I上B 4 17 105cm4 I下B 9 23 105cm4 求柱的内力并绘制弯矩图 解 1 计算剪力分配系数 Hu Hl 0 254A C柱n Iu Il 0 231B柱n Iu Il 0 452 A C柱C0 2 85kA kC 1 A 1 C E 694B柱C0 2 94kB 1 B E 672剪力分配系数 A C 0 33 B 0 34 2 计算各柱顶剪力由q1的作用求A柱铰支座反力RA C11 0 361 RA q1HC11 7 41kN 在q2的作用下得 RC q2HC11 4 63kN R RA RC 12 04kN 拆除不动铰支座 将W R 5 66 12 04 17 7kN反向作用于柱顶并分配 如图11 39 b c 所示 VA A W R RA 1 57kN VB B W R 6kN VC C W R RC 1 2kN 3 绘制弯矩图 如图2 40所示 图11 33等高排架内力分析 图2 34柱顶作用有集中荷载的等高排架 图2 35作用任意荷载的等高排架 图2 36 图2 37吊车横向荷载作用计算简图及柱顶剪力计算 图2 38吊车横向荷载作用内力图 图2 39风荷载作用下计算简图及柱顶剪力计算 图2 40风荷载作用下的弯矩图 控制截面就是对柱子配筋量起控制作用的某些截面 一般取上柱柱底截面 为上柱的控制截面 对下柱 在吊车竖向荷载作用下 牛腿顶面处的弯矩最大 在风荷载和吊车横向水平荷载作用下 柱底截面的弯矩最大 因此通常取牛腿顶面 和柱底 这两个截面为下柱的控制截面 如图2 42所示 2 5 4排架的内力组合 2 5 4 1控制载面的选择 图2 42柱的控制截面 由于在柱的截面上存在着正负弯矩 故排架柱常采用对称配筋 对于柱底 截面也是基础顶面的柱截面 由于基础计算的需要 尚应有M N和V的组合 未确定柱截面大偏压或小偏压之前 对于矩形 工字形截面柱一般应考虑以下四种内力组合类型 1 Mmax及相应的N V 2 Mmax及相应的N V 3 Nmax及相应的M V 4 Nmin及相应的M V 2 5 4 2内力组合 荷载规范 中规定 对于一般排架结构 荷载效应的基本组合可采用简化规则 并按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 2 由永久荷载效应控制的组合 2 5 4 3荷载组合效应 1 每次组合只能以一种内力 Mmax Mmax Nmax或Nmin为目标 决定活荷载的取舍 并按这些荷载求得相应的其余两种内力 2 恒荷载产生的内力在任何一种内力组合中都必须考虑 3 风荷载有左吹风或右吹风两种情况 组合时两者只取其中之一 4 吊车横向水平荷载Tmax同时作用在左 右两侧排架柱上 向左或向右 组合时只取其中之一 2 5 4 4内力组合注意事项 5 在同一跨内Dmax和Dmin与Tmax不一定同时发生 故在组合中有Dmax或Dmin时 不一定要有Tmax 但在组合中有Tmax时 则必有Dmax或Dmin 因为吊车水平荷载不可能脱离其竖向荷载而单独存在 2 6单层厂房柱的设计 1 选择柱型 2 确定柱的外形尺寸 3 柱的截面设计 4 牛腿设计 5 柱子在施工吊装时的强度和裂缝宽度验算 6 预埋件及其它连接构造的设计 7 绘制施工图 2 6 1柱的计算内容 柱在吊装时的混凝土强度一般应达到设计强度的70 吊装方式有翻身吊和平吊两种情况 如图2 63 a b 所示 自重标准值乘以动力系数计算 运输吊装阶段的最大裂缝宽度允许值 wmax 可取为0 2mm 当验算不满足要求时 应优先采用调整或增设吊点以减少弯矩 或在吊装时采用临时加固措施来解决 2 6 2运输及吊装验算 图2 63 牛腿设计内容主要有确定牛腿的截面尺寸 进行配筋计算和构造设计 牛腿按其所受竖向荷载作用点到牛腿下部与柱边缘交接点的水平距离a的大小 可把牛腿分为两大类 当a h0时为短牛腿 如图2 64 a 所示 当a h0时为长牛腿 如图2 64 b 所示 其中h0为牛腿根部垂直截面的有效高度 当为长牛腿时 与悬臂梁相似 按悬臂梁进行计算 2 6 3牛腿设计 图2 64牛腿荷载作用位置 从环氧树脂牛腿模型光弹性试验得到牛腿的主应力迹线 如图2 65所示 当外荷载Fv为极限荷载的20 40 时 在牛腿主拉应力迹线的密集区首先出现垂直裂缝 如图2 66所示 当Fv继续增加到极限荷载的40 60 时 在加载板内侧附近出现第一条斜裂缝 如继续加载则裂缝 不断发展 当加载至极限荷载的80 左右时 突然在加载板外侧出现斜裂缝 这预示牛腿即将破坏 2 6 3 1牛腿的应力状态和破坏过程 1 剪切破坏当a h0 0 1时 发生剪切破坏 其特征是牛腿与下柱的交接面处出现一系列的短斜裂缝 最终沿此裂缝把牛腿从柱上切下而破坏 如图2 67 a 所示 2 斜压破坏当a h0 0 1 0 75时 发生斜压破坏 其特征是在加载板内侧出现斜裂缝 后 继续加载至极限荷载的80 左右 在加载板内外侧之间 在斜向范围内出现大量短小斜裂缝 最后在加载板外侧突然出现斜裂缝 而后牛腿沿此斜压杆或斜裂缝 而破坏 如图2 67 b 所示 3 弯压破坏当a h0 0 75时 发生弯压破坏 其特征是当出现斜裂缝 后 随荷载的增加 斜裂缝不断向受压区延伸 同时牛腿中纵向受拉钢筋的应力也不断增加并逐渐达到其屈服强度 最后斜裂缝 以外的部分绕牛腿下部与柱的交接点转动 从而导致该处混凝土压碎而破坏 如图2 67 c 所示 图2 65牛腿内弹性阶段主应力迹线 图2 66牛腿的裂缝 图2 67牛腿的破坏形式 1 截面尺寸的确定 图2 68 牛腿的截面宽度通常与柱相同 而截面高度一般按使用阶段不出现斜裂缝 或仅出现微细裂缝作为控制条件 斜裂缝出现时的荷载Fv与a h0的关系可列经验公式表示 2 6 3 2牛腿设计 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 ho 牛腿与下柱交接处的垂直截面有效高度 2 承载力计算 1 计算简图 牛腿在即将破坏时的计算简图可视为一个三角桁架 如图2 69所示 2 正截面承载力计算 如图2 69所示 对A点取力矩平衡方程 MA 0可得 抵抗竖向力产生的弯矩所需钢筋 近似取 抵抗水平力所需钢筋 3 斜截面承载力 牛腿斜截面承载力主要取决于混凝土强度等级 同时水平箍筋和弯起钢筋对牛腿斜裂缝开展的抑制作用可间接地提高牛腿斜截面的承载力 4 局部受压验算 为防止牛腿顶面加载板下混凝土局部受压破坏 其局部受压应力不得超过0 75fc 即 c Fvk A 0 75fc 图2 68牛腿受力图 图2 69牛腿的计算简图 牛腿内纵向受拉钢筋宜采用变形钢筋 牛腿几何尺寸及配筋应满足图2 70所示的要求 其中a1为牛腿外边缘至吊车梁外边缘之间的距离 a1 70mm 当牛腿的剪跨比a h0 0 3时 应设置弯起钢筋 弯起钢筋宜采用变形钢筋 并宜设置在牛腿上部l 6至l 2之间的范围内 其截面面积不应少于承受竖向力的受拉钢筋面积的二分之一 且不应小于0 0015bh0 其根数不应少于2根 直径不应小于12mm 2 6 3 3牛腿的构造要求 图2 70牛腿的尺寸及配筋构造 图2 71A柱吊装图 2 7柱下独立基础设计 屋架与柱的连接方法有焊接和螺栓连接两种 焊接法是在屋架或屋面梁端部支承部位的预埋件底部焊上一块垫板 待屋架或屋面梁就位校正后 与柱顶预埋钢筋焊接牢固如图2 74 a 所示 图2 74 b 为螺栓连接方式 是在柱顶伸出预埋螺栓 在屋架或屋面梁端部支承部位焊上带有缺口的支承钢板 就位校正后 用螺母拧紧 柱与屋架或屋面梁连接处的预埋件承受由屋架传来的垂直压力 2 7 1 图2 74柱与屋架的连接 吊车梁与柱的连接 多采用焊接 为承受吊车横向水平刹车力 吊车梁上翼缘与柱间用钢板或角钢焊接 为承受吊车梁竖向压力 吊车梁底部安装前应焊接上一块垫板 或称支承钢板 与柱牛腿顶面预埋钢板焊牢 吊车梁的对头空隙 吊车梁与柱之间的空隙均须用C20混凝土填实 2 7 2吊车梁与柱的连接 抗风柱与屋架的连接多为铰接 在构造处理上应满足 一是在水平方向应有可靠的连接 以保证有效地传递风荷载 二是在竖向应使屋架与抗风柱之间有一定的相对竖向位移的可能性 以防止抗风柱与厂房沉降不均时屋盖的竖向荷载传给抗风柱 对屋盖结构产生不利影响 弹簧板连接如图2 75 a 所示 螺栓连接方式 如图2 75 b 所示 2 7 3抗风柱与屋架的连接 图2 75抗风柱与屋架的连接 连系梁与柱的位置有设在墙内和不在墙内两种 前者也称墙梁 墙梁分承重和非承重两种 非承重墙梁的主要作用是增强厂房纵向刚度 传递山墙传来的风荷载到纵向柱列中去 同时承受墙上的水平风荷载 它应搁置在柱的牛腿上用焊接或螺栓连接 如图2 76所示 2 7 4柱与连系梁的连接 图2 76连系梁与柱的连接 柱间支撑的主要作用是为了提高厂房的纵向刚度和稳定性 将吊车纵向制动力和山墙抗风柱经屋盖系统传来的风力 也包括纵向地震力 经柱间支撑传至基础 柱间支撑一般由型钢构成 较小截面柱的柱间支撑布置在上柱截面形心轴线上 其上下节点分别在上柱柱顶和上柱根部附近 较大截面柱的柱间支撑 布置在下柱截面翼缘部分的形心轴线上 其上下节点分别在牛腿顶面和基础顶面附近 如图2 77所示 2 7 5柱与柱间支撑的连接 图2 77柱与柱间支撑的连接 a 柱间支撑节点 b 侧立面 c 下柱柱间支撑 d 预埋件