单层工业厂房结构设计

单层工业厂房结构设计引言单层工业厂房的结构设计主要包括以下几个内容：1.单层厂房结构布置；2.结构构件的选型；3.排架结构设计；①荷载计算：恒、屋面活载（或雪载或积灰荷载）、风载、吊车荷载；②内力计算；③内力组合；④截面设计4.基础设计；5.其它构件设计（抗风柱、预埋件等）；6.施工图的绘制。以下结合一具体实例，详细对单层厂房结构设计的各步骤进行讲解。例题：某金工车间为双跨等高无天窗厂房，跨度24m，柱距为6m，车间总长为66m（不考虑伸缩缝）。厂房每跨各设一台20/5t及5t中级工作制吊车，吊车轨顶标高+9.90m。基本风压为0.30kN/m2，基本雪压0.2kN/m2，7度抗震设防。厂址地形平坦，厂区地层自上而下为：（1）耕土层：厚约0.5m；（2）黄土状亚粘土：可塑稍湿，厚约2m，地基承载力标准值；2N/m180kfk=（3）中砂：中密，很湿，厚约4～5m，地基承载力标准值；2N/m280kfk=（4）卵石：其颗粒空隙由中砂填充，中密，厚约5～7m，；2N/m600kfk=（5）基岩：表层中等风化，本层钻进深度2m。厂区地层（除表土层）承载能力较高，是建筑的良好地基。厂区冲积层潜水，据4～5份观测资料，地下水位高程为-8.00m，根据调查及对有关资料分析，厂区最高水位为-6.00m，且无腐蚀性。供建厂使用的主要材料有：（1）钢材：钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构所需的钢筋种类、型钢及1钢板可保证供应并备有各种规格。（2）水泥：普通硅酸盐水泥，可配制C10～C40级混凝土。（3）砖：普通粘土空心砖，强度等级为MU7.5。（4）其它：如砂石、石灰等地方材料均能按设计要求供应。柱子可在现场预制。该项目的施工单位有较高的施工水平，如果设计采用国家标准图及普通作法，其施工质量均能达到设计及施工验收规范的要求。建筑构造：（1）屋面：卷材防水屋面，其做法为：三毡四油上铺小石子防水层80mm泡沫砼保温层20mm厚1：3水泥砂浆找平层预应力混凝土大型屋面板（2）墙体：240mm厚砖墙，水泥砂浆粉刷内外墙面，铝合金门窗。（3）地面：室内为混凝土地面，室内外高差150mm。设计任务：1．单层厂房结构布置；2．选用标准构件；3．排架柱及柱下基础设计。设计内容：1．确定上、下柱的高度及截面尺寸；2．选用屋面板、天窗架、屋架、基础梁、吊车梁及轨道连接件；3．计算排架所承受的各项荷载；4．计算各种荷载作用下排架的内力；5．柱及牛腿的设计，柱下单独基础设计；6．绘制施工图（1）结构布置图（屋架、天窗架、屋面板、屋盖支撑布置；吊车梁、柱及柱间支撑、墙体布置）；（2）基础施工图（基础平面布置图及配筋图）；（3）柱施工图（柱模板图、柱配筋图）。230M0M0MKLLL(5.1第一节单层厂房结构布置一、结构平面布置在结构平面布置中，厂房的跨度在18m和18m以下，一般取3m的倍数（30）；在18m以上，一般取6m的倍数（60）。必要时也允许采用21m，27m，33m的跨度。厂房的柱距，一般取6m或6m倍数（60），个别也有取9m的柱距。结构平面的主要尺寸都由轴线表示。跨度方向的轴线称为纵向定位轴线，以、、……表示；柱距方向的轴线称为横向定位轴线，以①、②、③、……表示。轴线的尺寸应符合上述模数的规定。一）定位轴线和轴线划分紧密相关的构件是屋面板和屋架（屋面梁）。轴线尺寸均采用标志尺寸或标志尺寸的倍数。所谓标志尺寸是构件的实际尺寸加上两端必要的构造尺寸。例如，大型屋面板的实际尺寸是1490×5970mm，标志尺寸是1500×6000mm；18m屋面大梁的实际跨度是17950mm，标志跨度是18000mm。1、纵向定位轴线屋架（屋面大梁）的标志尺寸为3m的倍数，是与大型屋面板的标志宽度相配合的，而纵向定位轴线亦与屋架（屋面大梁）的标志尺寸相吻合，如图1。一般说来，当纵向定位轴线和屋架的标志尺寸相应，屋面板铺至屋架边缘①，屋架的标志尺寸与纵墙内皮重合时，这种轴线称为封闭式纵向定位轴线。但是，纵向定位轴线还与吊车和柱子截面尺寸有关。为了吊车和柱子间的构造连接以及吊车安全行驶的需要，吊车的轨距要小于厂房的标志跨度亦即纵向定位轴线的间距），使得吊车轨道中心离开纵向定位轴线一段距离（图2a）。工程中大量遇到的吊车轨距多是−=LLKKL2/)KLL−m，例如为13.5m，16.5m，22.5m等，吊车轨道中心至纵向定位轴线的距离为（=750mm。①如果屋架的跨度较大，屋架上弦斜边的实际长度与屋面板宽度方向的标志尺寸不相应时，可加铺宽度小于一般屋面板的嵌板。ABC252517950（构件实际尺寸）18000（标志尺寸30M。）AB大型屋面板外纵墙15001490图14联系尺寸插入距封闭轴线非封闭轴线（有联系尺寸）d)非封闭轴线（有插入距）图2561B如图2b，c所示，纵向定位轴线能否与纵墙内皮重合，则与吊车端部尺寸（查表1.1《起重运输机械专业标准ZQ1—62》）、吊车端部和上柱间的最小空隙BB2以及上柱截面高度B3B2B2B3B21BBA+=3B三个值有关。一般说来，当吊车起重量≤50t时，≥80mm，否则≥100mm。由排架内力分析得到，一般采用400mm，500mm，……。当（取最小值）+(估算)≤750mm时，纵向定位轴线可以与外纵墙内皮重合，屋面板正好铺至墙内皮，屋面不出现缝隙，这就是封闭式纵向定位轴线（图2b）。当单层厂房构件的平面布置较规则，它主要与构件的型号有关，一旦构件选定，平面布置即可确定，具体布置详见下节。一般说来，横向定位轴线通过柱子的截面几何中心，所以它们的间距一般就是柱距。显然，横向定位轴线亦是与屋面板的标志尺寸相重合的。在厂房尽端，横向定位轴线与山墙内皮重合，将山墙内侧第一排柱中心线内移600m，并将端部屋面板做成一端伸臂板（图3）。这样做的目的是使端屋架和山墙抗风柱的位置不发生冲突，使端部屋面板与中部屋面板的长度相同，使屋面板端头与山墙内皮重合，屋面不留缝隙，以形成封闭式横向定位轴线。同理，伸缩缝两边亦应各移600mm，使伸缩缝中心线与横向定位轴线重合。2、横向轴线定位当厂房为等高多跨时，中柱的上柱中心线一般与纵向定位轴线重合。当相邻两跨有高度差时，纵向定位轴线一般与较高部分厂房柱的外皮重合。但当该柱的A＞750mm时（图2d），必需增设一条纵向定位轴线。两条纵向定位轴线间的距离称为插入距，意思是需要插入轴线间的距离。插入距一般也取150mm，250mm等。A＞750mm时，柱需外移，以满足要求，这时纵向定位轴线位置不变，但外纵墙内皮不能和它重合，因而和屋面间将留有一条缝隙，在屋面的构造处理上需另补一条异形小板（图2c），这时的轴线称为非封闭纵向定位轴线。非封闭轴线与外纵墙内皮间的距离称为联系尺寸，视吊车起重量的大小，可为150mm，250mm或500mm。二）构件的平面布置2B表1-150∼500/50kN一般用途电动桥式起重机基本参数和尺寸《起重运输机械专业标准ZQ1—62》尺寸吊车工作级别A4或A5起重量Q跨度Lk宽度B轮距K轨顶以上高度H轨道中心至端部距离B1最大轮压Fp,max最小轮压Fp,min起重机总质量G+g小车总质量gkNmmmmmmmmmkNkNkNkN16.5465035007631164∗19.5853519022.551504000904221425.5100472445028.56400525018702301056328520（单闸）21（双闸）16.5555044001152518019.51203220322.55550440021401254722425.51355027010028.56400525021902301406631538（单闸）39（双闸）16.5565020502301653424119.51704825522.5555044001855831625.51956038015028.56400525021402602106840053（单闸）55（双闸）16.5565020501653525019.51754328522.5555044001855032125.519560360150/3028.56400525021502602106840569（单闸）74（双闸）∗G+g+Q=(76+31)×2=214kN，G+g=214-Q=164kN78续表1-150∼500/50kN一般用途电动桥式起重机基本参数和尺寸《起重运输机械专业标准ZQ1—62》尺寸吊车工作级别A4或A5起重量Q跨度Lk宽度B轮距K轨顶以上高度H轨道中心至端部距离B1最大轮压Fp,max最小轮压Fp,min起重机总质量G+g小车总质量gkNmmmmmmmmmkNkNkNkN16.5565022002301953025019.52053528022.5555044002154532025.523053305200/5028.56400525023002602406541075（单闸）78（双闸）16.5605046002602705034019.52806536522.5615048002907042025.531078475300/5028.566505250260030032088515117（单闸）118（双闸）16.527003957544019.54157548022.5635048004258552025.544585560500/5028.568005250275030046095610140（单闸）145（双闸）图3最高设备司机室屋架下弦底标高图49二、结构剖面布置厂房的高度，指的是屋架下弦下皮（或屋盖结构最低构件的下皮）以及吊车轨顶距室内地面的高度，分别是以屋架下弦底面标高和轨顶标高表示（室内地面标高为±0.000）。这两个数值是厂房结构剖面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。无吊车厂房，屋架下弦底面标高由设备的高度和生产需要的使用高度确定。有吊车厂房，屋架下弦底面标高由设备的高度和吊车需要的高度确定，并可用下式表达：7654321hhhhhhhH++++++=，或765821hhhhhhH+++++=取两个数值中的较大者（图4）。式中，——最高设备的高度，由工艺设计人确定，当只有个别高大设备时，可采用局部降低该处地面的办法以减少厂房高度；——超越安全高度（≥500mm）；——最高吊物高度，——吊索最小高度（、均由工艺设计人确定）；、——吊车底、顶至吊车轨顶高度（查表1-1）；h1h2h3h4h3h4h5h6h7——吊车行驶安全高度（≥220mm）；——司机室底至吊车底高度（查表1-1）。8h吊车轨顶标高由屋架下弦底面标高减去（76hh+）得到，一般由工艺设计人向土建设计人提供。吊车轨顶标高减去吊车轨道连接高度和吊车梁梁端高度（均可查有关标准图集），即为柱的牛腿顶面标高（图4）。在确定屋架下弦底面标高和牛腿顶面标高时，都应按照《厂房建筑统一化基本规则》，考虑统一模数的要求。当外墙采用大型板材时，还应与板材的尺寸相适应。对于连续多跨厂房，如果相邻各跨根据各自的工艺需要所决定的厂房高度参差不一时，会使得构造复杂，计算麻烦，构件规格增多，不利于工业化施工。这时最好做成等高厂房，可以增加厂房结构的刚度，简化构造处理。一般可按下列规定处理：（1）当高跨一侧仅有一个低跨时，如高度差≤2.10m，可不设高低跨；10（2）当高跨一侧连续有两个低跨时，如高度差≤1.80m，可不设高低跨；（3）当高跨一侧连续有三个低跨（或更多）时，如高度差≤1.50m，可不设高低跨。确定厂房高度的原则是，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；同时还要考虑减少构件种类，简化连接构造，保证施工方便等因素。总之，应结合具体工程特点，进行全面分析来确定。三、外墙1、圈梁设置圈梁的目的是将墙体和柱、抗风柱等箍在一起，以增加厂房的整体刚性，防止由于地基发生过大的不均匀沉降或较大的振动荷载对厂房产生不利影响。圈梁为现浇钢筋混凝土构件，埋设在墙体内，和柱