单层工业厂房结构

第二章单层工业厂房第一节概述一、单层厂房的特点工业厂房按层数分类：1、单层厂房(多用于机械、冶金、矿山等工业)2、多层厂房(多用于食品、电子、精密机器制造等工业)3、层数混合的厂房(多用于化学工业、热电站)三类。机械制造类、冶金类厂房(如炼钢、轧钢、铸工、锻压、金工装配等车间)设有重型设备，生产的产品重、体积大，既不便于上下搬动，又增加楼面荷载，因而大多采用单层厂房，以便将这些大型设备安装在地面，方便产品加工与运输。厂房建筑：为工业生产服务，要满足生产工艺要求，也要为工作人员提供良好的工作环境和劳动保护条件。在设计过程中，按照生产使用要求，认真研究和分析单层厂房的特点，力求做到技术先进、经济合理、安全可靠、施工方便。单层厂房的结构特点：(1)跨度大、高度大，荷载大，构件内力大、截面尺寸大，用料多。(2)承受动力荷载(吊车、动力机械设备等)，须考虑动力荷载(3)空旷型结构，仅在四周设置柱和围护墙。柱是承受屋盖荷载、墙体荷载、吊车荷载以及地震作用的主要构件。(4)基础受力大，对工程地质勘察要求高，需作深入分析，以确定地基承载力和基础埋置深度、形式与尺寸二、单层厂房的结构分类按承重结构的材料分类：1、混合结构(砖柱、钢筋混凝土屋架或木屋架或轻钢屋架)2、混凝土结构(钢筋混凝土柱、钢屋架或预应力混凝土屋架)3、全钢结构(钢屋架、钢柱)三类。混合结构：无吊车或吊车吨位不超过5t、跨度在1．5m以内、柱顶标高在8m以下、无特殊工艺要求的小型厂房。钢筋混凝土结构或全钢结构：吊车吨位250t(中级工作制)以上、跨度大于36m的大型厂房有特殊工艺要求的厂房(如设有10t以上锻锤的车间)。其它大部分厂房均可采用装配式和预应力混凝土结构。随着我国钢产量的增加，全钢结构厂房增多。按承重结构的型式分类：1、排架：排架结构由屋架(或屋面梁)、柱和基础组成，柱与屋架铰接，与基础刚接。根据工艺和使用要求，分等高、不等高、锯齿形等式。钢筋混凝土排架结构是单厂结构的基本形式，跨度可超过30m，高度可达20～30m或更高，吊车吨位可达150t甚至更大。2、刚架：由横梁、柱和基础组成。柱与横梁刚接，与基础铰接。常用的是装配式钢筋混凝土门式刚架(梁柱合一钢筋混凝土结构)。门式刚架：按其横梁形式的不同，分为人字形、弧形两种；按顶节点连接方式，分为三铰门、两铰门式刚架门式刚架的特点：(1)梁柱合一，构件种类少，制作较简单，且结构轻巧；(2)门式刚架的横梁是人字形或弧形的，内部空间较大；(3)柱与横梁的截面高度可随内力(主要是弯矩)变化，构件截面一般为矩形，也可为工字形或空腹式，节约材料和减轻自重；(4)横梁在荷载作用下产生水平推力，柱顶的跨度有所变化，梁柱转角处易产生早期裂缝，跨度较大时影响吊车安全行驶；(5)构件呈“厂”形或“Y”形，这使构件的翻身、起吊和对中就位等都比较麻烦，跨度大时尤为严重。门式刚架适用范围：跨度不超过18m，檐高不超过10m，无吊车或吊车吨位不超过l0t的仓库或车间建筑中。食堂、礼堂、体育馆等公共性建筑也可采用门式刚架，其跨度可大一些。第二节单厂结构组成与结构布置一、结构组成装配式钢筋砼单厂结构：多种构件组成的空间整体结构。按构件作用，为承重结构和围护结构两大类。1、承重结构构件：直接承受荷载并传递荷载给其它构件的构件屋面板、天窗架、屋架、柱、吊车梁、基础2、围护结构构件：主要承受墙体和构件自重、墙面的风荷载外纵墙、山墙、连系梁、抗风柱、基础梁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(一)屋盖结构分类：无檩体系有檩体系1、无檩体系：当大型屋面板直接支承(焊牢)在屋架或屋面梁上，刚度和整体性好，应用广泛；2、有檩体系：小型屋面板(或瓦材)支承在檩条上，檩条支承在屋架上，构件重量轻，便于运输与安装。但构件种类多，荷载传递路线长，故其刚度和整体性较差，其造价比无檩体系的大，应用于运输、吊装等困难的情况，或轻型不保温的厂房。(二)横向平面排架组成：屋架(屋面梁)横向柱列基础作用：基本承重结构。竖向和水平荷载通过它传给地基。荷载传递途径：(三)纵向平面排架组成：连系梁、吊车梁、纵向柱列(包括柱间支撑)、基础作用：保证结构的纵向稳定和刚度，承受纵向水平荷载，并将其传给地基，同时承受温度变化和收缩变形而产生的内力。※不考虑地震作用时，一般不进行纵向平面排架计算原因：纵向长度比宽度大得多纵向柱列中柱子数量较多，（地震、截面尺寸，吊车、风）吊车梁、连系梁等多道联系，柱间支撑的有效作用，纵向排架中构件由纵向荷载产生的内力通常都不大。纵、横向平面排架间主要依靠屋盖结构和支撑体系相连接，保证厂房结构的整体性和稳定性。二、结构布置单层厂房结构设计最关键的环节。合理程度关系到厂房结构设计的安全可靠和经济合理，以及厂房面积的使用和施工速度等问题。主要尺寸和标高符合《厂房建筑模数协调标准》规定的统一模数制，100mm为基本单位，用“M”表示。目的：使构配件逐步达到统一，提高设计标准化、生产工厂化和施工机械化的水平。(一)平面与剖面布置结构平面的主要尺寸都由定位轴线表示。横向定位轴线：与横向平面排架平行的轴线，阿拉伯数字；纵向定位轴线：与横向轴线垂直的轴线，大写字母。柱网：纵横向定位轴线在平面上排列所形成的网格1、定位轴线定位轴线间的距离应和主要构件标志尺寸一致，且符合模数。标志尺寸：构件的实际尺寸加上两端必要的构造尺寸。横向定位轴线有关构件:屋面板、吊车梁、连系梁、基础梁、纵向支撑等构件。横向定位轴线与这些构件标志尺寸一致。※山墙内侧第一排柱中心内移500mm，端部横向定位轴线与山墙内边缘重合，端部屋面板为一端伸臂板端部与中部屋面板长度相同，屋面板端头与山墙内边缘重合，屋面不留缝隙，形成封闭式，横向定位轴线端屋架和山墙抗风柱的位置不发生冲突。伸缩缝两边同样处理。定位轴线布置原则：①要有利于标准构件的选用、构造节点的简化和施工方便等；②凡是承重墙(或非承重墙)、柱，都要设置定位轴线，定位轴线间尺寸和主要构件标志尺寸一致，符合建筑模数要求；③定位轴线的具体位置，总是沿屋面板的接缝处、屋架端部外侧设置、或与屋架的侧面中心重合。横向与墙、柱中心线重合，纵向通过墙内缘或柱外缘。2、柱网布置柱网布置：确定柱的位置，也是确定屋面板、屋架和吊车梁等构件跨度的依据，并涉及结构构件的布置。柱网布置原则：符合生产工艺和正常使用的要求；建筑和结构经济合理；结构形式、施工方法具有先进性和合理性；符合建筑模数协调标准；适应生产发展和技术革新的要求。柱网尺寸模数：跨度≤18m，应采用扩大模数3M(3米）数列跨度18m，应采用扩大模数60M（6米）数列柱距，采用扩大模数60M（6米）数列抗风柱柱距：宜采用扩大模数15M（1.5米）数列3、构件的平面布置平面布置：除柱网布置外，还有吊车梁、围护墙布置，屋面梁(屋架)、屋面板、天沟板布置；基础与基础梁布置等。应注意：①边列柱、抗风柱、墙体(外纵墙和山墙)和定位轴线的关系；②两端第一柱间和伸缩缝处：吊车梁、屋面板、天沟板；③基础梁和基础、柱的关系，尤其四个角部4、变形缝设置变形缝包括伸缩缝、沉降缝和防震缝三种。①伸缩缝作用：上部结构随气温变化在水平方向自由变形，减小温度应力。设置：伸缩缝将厂房从基础顶面到屋面完全分开。伸缩缝之间距离：对于装配式钢筋混凝土排架结构室内或土中，其伸缩缝的最大间距为100m；露天时，其伸缩缝的最大间距为70m。超过上述规定或有特殊要求时，应进行温度应力验算。横向伸缩缝：伸缩缝处横向定位轴线不变，在该轴线左右设双排柱和屋架，双杯口基础，柱、屋架中心线都向两边移500mm。又称双柱伸缩缝。纵向伸缩缝：采用单柱伸缩缝，设置两条纵向定位轴线，将伸缩缝一侧的屋架或屋面梁搁置在活动支座上。高低跨处，低跨屋架搁置在活动支座上，采用两条纵向定位轴线。②沉降缝作用：在缝两边发生不同沉降时而不致损坏整个建筑物。设置：沉降缝应将建筑物从屋顶到基础底面全部分开。沉降缝可兼做伸缩缝，伸缩缝不能兼做沉降缝。单层厂房结构主要是由简支构件装配而成，因地基不均匀沉降引起的不利影响较小。一般单层厂房中可不设沉降缝。只在特殊情况下才考虑设置：厂房相邻两部分高度相差很大(如10m以上)两跨间吊车起重量相差悬殊地基承载力或下卧层土质有很大差别厂房各部分的施工时间先后相差很长土壤压缩程度不同等情况③防震缝作用：减轻厂房震害而采取的措施之一。平面、立面复杂，结构高度或刚度相差很大，厂房侧边布置附属用房(如生活间、变电所、炉子间等)时，应设置防震缝。设置：防震缝应将上部结构和基础都完全分开，宽度：在厂房纵横跨交接处100～150mm，其它情况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。一般情况下，应考虑将三种“缝”在一个位置设置，同时满足三种缝的要求，即“三缝合一”。5、剖面布置①厂房高度高度：室内地面至柱顶(或下撑式屋架下弦底面)的距离。厂房的高度、轨顶标高是厂房结构设计中的两个重要参数，要综合考虑生产工艺和建筑结构两方面的因素才能确定。具体确定方法见《房屋建筑学》教材中工业建筑设计部分。在确定厂房高度时，应按照《厂房建筑模数协调标准》的规定，考虑建筑模数的要求。自室内地面至柱顶的高度和牛腿面的高度应为扩大模数3M数列。连续多跨：高度不一：构造复杂、计算麻烦、构件规格多、整体刚度差处理方法：不设高低跨的高差限值高跨一侧仅一个低跨，高差≤2.1M高跨一侧两个连续低跨，高差≤1.8M高跨一侧三个以上连续低跨，高差≤1.5M确定高度的原则：在满足生产工艺前提下，尽可能合理地降低厂房高度，以便减小柱的内力，减少围护结构面积，降低造价；同时又要考虑减少构件种类，简化连接构造，保证施工方便等因素。②厂房跨度厂房跨度上根据生产工艺要求确定，同时满足《厂房建筑模数协调标准》的要求，以便采用标准预制构件。对于有吊车的厂房，跨度L可采用下列公式确定L＝Lk+2ee＝B+C+h1Lk——吊车跨度，即吊车轨道中心线间的距离，吊车规格表查；e——吊车轨道中心线至纵向定位轴线间的距离一般取750mm,吊车起重量大于75t，宜为1000mm；梁式吊车而厂房为混合结构时，宜为500mm；B——吊车桥架的外边缘至吊车轨道中心线的距离，其值可由吊车规格表查得，一般在200—400mm之间；C——吊车桥架外边缘至上柱内边缘的净空宽度，当吊车起重量小于或等于50t时，C≥80mm；当吊车起重量大于75t时，C≥100mm；H1——边柱上柱内边缘或中柱边缘至柱纵向定位轴线的距离.(二)支撑布置在装配式钢筋混凝土单层厂房结构中，支撑体系是联系屋架、柱等主要构件，并使其构成整体的重要组成部分，对单层厂房抗震设计尤为重要。支撑布置不当，不仅会影响厂房的正常使用，甚至可能引起工程质量事故。应根据当地的地震设防烈度，执行现行的国家建筑标准设计图集。支撑的作用：1、施工、使用阶段，保证结构几何稳定性屋盖结构、纵向结构——几何可变体系。2、保证横向结构平面外刚度、结构纵向刚度、空间整体性3、为结构构件提供适当的侧向支承点，改善它们的侧向稳定性。如：屋架弦杆、柱的侧向支承点，减小计算长度。4、将某些水平荷载(如风荷载、纵向吊车制动力、纵向地震作用等)传给主要承重结构或基础。分类：屋盖支撑柱间支撑1、屋盖支撑包括上、下弦横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑及纵向水平系杆、天窗架支撑。①横向水平支撑（上、下）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布置方式：在厂房端部及温度区段两端的第一或第二柱间。作用：构成刚性框，增强屋盖的整体刚度，保证屋架