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混凝土结构设计第3章单层工业厂房结构教材作者：沈蒲生课件制作：陈长冰课件审查：建工系3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3.1概述3.2单层工业厂房排架结构的组成、传力途径及设计内容3.3单层工业厂房的结构布置3.4单层厂房结构主要构件的选型3.5单层厂房排架内力计算3.6单层厂房柱的设计3.7单层工业厂房结构主要构件间的连接构造3.1概述（1）厂房首先要满足生产工艺的要求，并为工厂创造良好的劳动卫生条件，以利提高产品质量和劳动生产率。（2）厂房内一般都有笨重的机器设备、起重运输设备（吊车）等，这就要求厂房有较大的空间。同时，厂房结构要承受较大的静、动荷载以及振动或撞击力等。（3）有的厂房在生产过程中会散发大量的余热、烟尘、有害气体、有侵蚀性的液体以及生产噪音等，这就要求厂房有良好的通风和采光。3.1.1单层工业厂房的特点（4）生产过程往往需要各种工程技术管网，如上下水、热力、压缩空气、煤气、氧气管道和电力供应等。厂房设计时应考虑各种管道的敷设要求和它们的荷载。（5）生产过程中有大量的原料、加工零件、半成品、成品、废料等需要用电瓶车、汽车或火车进行运输。厂房设计时应考虑所采用的运输工具的通行问题。3.1.2单层厂房的结构类型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。3.1.2.1按材料分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。3.1.2.2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。排架结构按其所用材料分钢筋混凝土排架结构、钢屋架和钢筋混凝土柱组成的排架结构、砖墙或砖垛代替钢筋混凝土柱的砖排架结构。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3.1所示）。3.1.2.3按承重结构的形式分2.刚架结构刚架结构也称框架结构，刚架结构也是由横梁、柱和基础所组成。常用有钢筋混凝土门式刚架和钢框架结构。（1）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3.2所示。（2）钢框架结构。钢框架结构的屋架、柱、吊车梁等主要构件均采用钢结构。厂房钢柱的上柱升高至屋架上弦，屋架的上下弦均与上柱相连接，使屋架与柱形成刚接，以提高厂房的横向刚度。如图3.3所示。图3.1钢筋混凝土排架结构图3.2钢筋混凝土门式刚架图3.3钢框架结构3.2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3.4所示。3.2.1单层工业厂房排架结构的组成图3.4装配式钢筋混凝土单层厂房结构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3.5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3.6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。3.2.1.1屋盖和墙体围护结构体系图3.5无檩体系图3.6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3.7所示。3.2.1.2横向排架结构体系图3.7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3.8所示。3.2.1.3纵向排架结构体系图3.8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3.2.2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。3.2.2.1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。3.2.2.2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3.9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。3.2.2.3偶然荷载图3.9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。3.2.3单层工业厂房结构设计的内容3.3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。3.3.1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3.10所示。（2）柱距单层厂房的柱距应采用扩大模数60M数列，见图3.10。单层厂房山墙处的抗风柱柱距宜采用扩大模数15M数列。图3.10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。3.3.2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。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。变形缝的对比支撑的作用，从图3.11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。3.3.3支撑的布置图3.11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。3.3.3.1屋盖支撑（1）上弦横向水平支撑。当屋盖结构的纵向平面内的刚度不足，具有以下情况之一时，应设置上弦横向水平支撑：①跨度较大的无檩体系屋盖，当屋面板与屋架连接点的焊接质量不能保证，且山墙抗风柱与屋架上弦连接时,如图3.12(a)中的1；②厂房设有天窗，当天窗通到厂房两端的第二柱间或通过伸缩缝时，此时，应在第一或第二柱间的天窗范围内设置上弦横向水平支撑，并在天窗范围内沿纵向设置一至三道通长的受压系杆，以保证屋架上弦的侧向稳定。如图3.12(c)、(d)中的2。（2）下弦横向水平支撑。当具有以下情况之一时，应设置下弦横向水平支撑，下弦横向水平支撑一般宜设于厂房端部及伸缩缝处第一柱间，如图3.12(a)、(c)中的3、4。①厂房跨度≥18m，或厂房跨度＜18m，且山墙上风荷载由屋架上弦传递时；②屋架下弦悬挂吊车的纵向水平荷载较大而通过垂直支撑传力时，可在悬挂吊车轨道尽头的柱间设置；③当厂房高度较大，纵向风荷载由山墙抗风柱传至屋架下弦时；④厂房内有较大的振动荷载，吊车吨位大时。2.纵向水平支撑纵向水平支撑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；在屋盖设有托架时，还可以保证托架上缘的侧向稳定，并将托架区域内的横向水平风力有效地传到相邻柱子上去。当具有以下情况之一时，应设置纵向水平支撑（1）厂房内设有托架时，则必须在设有托架的柱间和两端相邻的一个柱间设置下弦纵向水平支撑，见图3.13(a)。（2）厂房内设有软钩桥式吊车，厂房高大，吊车吨位大时（如单跨厂房柱高15~18m以上，中级工作制吊车30t以上时）。如图3.13(b)所示（3）厂房内设有硬钩桥式吊车或5t级以上的锻锤时，此时，布置要求如图3.13(b)所示，当吊车吨位大或对厂房刚度有特殊要求时，可沿中间柱列适当增设纵向水平支撑，如图3.13(c)所示。当厂房已设有下弦横向水平支撑时，则纵向水平支撑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，如图3.13（a)、(b)所示。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；并传递纵向水平力，所以垂直支撑与横向水平支撑配合作用。屋架的垂直支撑，宜按下列要求布置：（1）当屋架跨度大于18m小于30m时，垂直支撑应布置在厂房端部第二柱间和伸缩缝两边第二柱间，并在屋架跨中设置一道垂直支撑和水平系杆。（2）当屋架跨度大于30m时，应在屋架跨度的1/3左右节点处设置两道垂直支撑和水平系杆。（3）竖杆较高的折线形或梯形屋架之间，除按以上要求布置支撑外，在屋架的端部需增设垂直支撑和水平系杆。（4）当屋架设有轻型悬挂吊车时，悬挂吊车节点位置可设置斜撑式垂直支撑