混凝土结构设计单层工业厂房

第二章单层厂房主讲：管品武教授第二章单层厂房♠本章讨论单层装配式钢筋混凝土厂房的结构设计。为掌握钢筋混凝土单层厂房整体结构布置与设计计算，对厂房的结构组成、构件选型、排架内力分析与组合及主要构件设计等都一一作了介绍。♠重点内容：单层厂房结构的选型与布置；钢筋混凝土排架结构的荷载计算、内力分析与组合；钢筋混凝土排架柱及柱下单独基础的设计。♠难点为：单层厂房中支撑的布置；排架柱的内力组合；柱下单独基础抗冲切计算。2.l概述♠2.1.1单层厂房的特点♠工业厂房按层数分类，可分为单层厂房(多用于机械、冶金等工业)、多层厂房(多用于食品、电子、精密机器制造等工业)和层数混合的厂房(多用于化学工业、热电站)三类。♠一般说来，单层厂房具有以下结构特点：♥(1)单层厂房结构的跨度大、高度大，承受的荷载大，因而构件的内力大，截面尺寸大，用料多。♥(2)单层厂房常承受动力荷载(如吊车荷载、动力机械设备荷载等)，因此在进行结构设计时须考虑动力荷载的影响。♥(3)单层厂房是空旷型结构，室内几乎无隔墙，仅在四周设置柱和墙。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)单层厂房的基础反力大，因此对工程地质勘察需提出较高的要求，并作深入的分析，以确定地基承载力和基础埋置深度、形式与尺寸。♠2.1.2单层厂房的结构分类♥1.按承重结构的材料分类♣混合结构（砖柱、钢筋混凝土屋架或木屋架或轻钢屋架）♣混凝土结构（钢筋混凝土柱、钢屋架或预应力混凝土屋架）♣全钢结构（钢柱、钢屋架）♠2.按承重结构的型式分类♥排架（等高排架、不等高排架、锯齿形排架）♥刚架（门式刚架）♠排架结构由屋架(或屋面梁)、柱和基础组成，柱与屋架铰接，而与基础刚接。♠刚架也是由横梁、柱和基础组成。柱与横梁刚接，而与基础铰接。2．2单层厂房的结构组成与结构布置♠2．2．结构组成♠装配式钢筋混凝土单层厂房结构是由多种构件组成的空间整体.♠根据组成构件作用不同，可将单层厂房结构分为承重结构和围护结构两大类。♥承重结构：直接承受荷载并将荷载传给其它构件，如屋面板、天窗架、屋架、柱、吊车梁、基础等；♥围护结构：主要承受自重及风荷载，如外纵墙、山墙、连系梁、抗风柱、基础梁等。2.2.1.1屋盖结构♠屋盖结构分无檩体系和有檩体系两种：♥当大型屋面板直接支承(焊牢)在屋架或屋面梁上的称为无檩体系，其刚度和整体性好，目前应用很广泛；♥当小型屋面板(或瓦材)支承在檩条上，檩条支承在屋架上(板与檩条，檩条与屋架均需有牢固的连接)，通常称为有檩体系。♣该体系由于采用了小型屋面板及檩条，所以构件重量轻，便于运输与安装。但因构件种类多，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，所以它只有在运输、吊装等困难的情况下，或在轻型不保温的厂房中才被采用。2.2.1.2横向平面排架♣横向平面排架是由屋架(屋面梁)、横向柱列和基础组成，是单层厂房的基本承重结构(图2．4)。♣厂房结构的竖向荷载和横向水平荷载主要通过它传给地基。因此，在单层厂房的结构设计中，一定要进行横向平面排架计算。竖向荷载传递途径2．2．1．3纵向平面排架♠纵向平面排架是由连系梁、吊车梁、纵向柱列(包括柱间支撑)和基础组成(图2.2.3)。作用主要是保证厂房结构的纵向稳定和刚度，承受作用在厂房结构上的纵向水平荷载，并将其传给地基，同时也承受因温度变化和收缩变形而产生内力。2.2.2结构布置♠为使单层厂房的构配件达到统一，提高设计标准化，单层厂房的主要尺寸和标高必须符合规定的统一模数制。♠1.平面与剖面布置♠（1）定位轴线♥与厂房横向平面排架平行的轴线，称为横向定位轴线，以①、②、⑧…表示；与其垂直的轴线，称为纵向定位轴线，以A、B…表示，纵横向定位轴线在平面上排列所形成的网格，称为柱网。♠定位轴线之间的距离和主要构件的标志尺寸相一致，且符合建筑模数。所谓标志尺寸就是构件的实际尺寸加上两端必要的构造尺寸。♠如，大型屋面板的实际尺寸是1490mmX5970mm，标志尺寸是1500mmX5000mm；18m屋架的实际跨度是17950mm，标志跨度是18000mm，♠横向定位轴线通过柱截面的几何中心，且通过屋架中心线与屋面板等横向接缝。在厂房端部横向定位轴线与山墙内边缘重合，将山墙内侧第一排柱中心内移500mm，并将端部屋面板做成一端伸臂板♠一般说，在横向是与墙、柱中心线重合，在纵向则由墙内缘或柱外缘通过(3)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:伸缩缝将厂房从基础顶面到屋面完全分开♥《混凝土规范》)规定：对于装配式钢筋混凝土排架结构，当处于室内时，其伸缩缝的最大间距为100m；当处在露天时，其伸缩缝的最大间距为70m。当超过上述规定或对厂房有特殊要求时，应进行温度应力验算。此外，对于下列情况，伸缩缝的最大间距还应适当减小。♠②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。所以，在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.♥③防震缝♣防震缝是为了减轻厂房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属用房(如生活间、变电所、炉子间等)时，应设置防震缝。♣三缝合一（5）剖面布置♠①厂房高度♠厂房的高度指室内地面至柱顶(或下撑式屋架下弦底面)的距离。♠厂房的高度和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。♠确定厂房高度时，应按照《厂房建筑模数协调标准》(GBJ6—86)的规定，考虑建筑模数的要求。有吊车和无吊车的厂房(包括有悬挂吊车的厂房)自室内地面至柱顶的高度应为扩大模数3M数列；有吊车的厂房，自室内地面至支承吊车梁的牛腿面的高度应为扩大模数3M数列。♥注：①自室内地面至支承吊车梁的牛腿面的高度在7.2m以上时，宜采用7.8m、8.4m、9.0m和9.6m等数值；♥②预制钢筋混凝土柱自室内地面至柱底的高度宜为模数化尺寸。♠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。♠厂房跨度工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，跨度工可采用下列公式确定：2.3支撑布置♠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部分，对单层厂房抗震设计尤为重要；♠单层厂房的支撑体系包括屋盖支撑和柱间支撑两部分。♠（1）屋盖支撑♠①（上、下弦）横向水平支承♥构成刚性框、增强屋面的整体刚度，保证屋架（屋面梁）的侧向稳定，同时将山墙抗风柱所承受的纵向水平力传到两侧柱列上。♠②纵向水平支撑♠*加强屋盖结构在横向水平面内的刚度，保证横向水平荷载的纵向分布，增强排架的空间工作。③屋架间的垂直支撑及水平系杆④天窗架支撑（2）柱间支撑3.围护结构布置♠（1）抗风柱（2）圈梁、连系梁、过梁和基础梁2.4单层厂房结构主要构件选型♠单层厂房结构设计的三个阶段：♥方案设计阶段；技术设计阶段；施工图设计阶段。♠除拄和基础外，一般都可以根据工程的具体情况，从工业厂房结构构件标准图集中选用合适的标准构件。♠国家建筑标准设计图集介绍♣全国通用标准图；♣大区通用标准图（如中南标、华北标等）；♣省（直辖市）通用标准图（如河南省标、北京市标、上海市标等）♣地（市）通用标准图“如郑州市标、洛阳市标等”。♥全国通用标准图集一般包括设计和施工说明、构件选用表、结构布置图、连接大样图、模板图、配筋图、钢筋节点图、预埋件大样图，钢筋及钢材用量表等部分，它们均属于结构施工图，因此，可作为施工的依据。2.4.2屋面主要构件选型♠屋面板♥目前，单层厂房屋面板主要有以下几种：预应力混凝土大型屋面板，预应力混凝土“F”形屋面板、预应力混凝土单肋板和预应力混凝土夹心保温屋面板，其中应用较多的是预应力混凝土屋面板(或称为预应力混凝土大型屋面板)，其外型尺寸常用的是1．5mX6m，为配合屋架尺寸，还有0.9mX6m的嵌板，其形式见国家标准图集92G410(四)。♥编号的意义：Y-WB-2x8♠2、檩条♥在有檩体系屋盖中，檩条搁在屋架或屋面梁上，支承小型屋面板并将屋面荷载传给屋架或屋面梁。它与屋架的连接应牢固，使其与支撑构件共同组成整体，以保证厂房的空间刚度，可靠地传递水平荷载。2.4.3、屋架♠屋架是厂房结构的一个重要组成部分，屋架选型的合理与否直接关系到厂房屋盖结构的刚度和稳定性。选择合理的屋架型式，不仅要考虑受力合理与否，而且还要综合考虑其它因素，如施工条件、材料供应、跨度大小等。♠屋架的选型方法♥先确定屋架型式（屋面梁、三铰或两铰拱屋架、桁架式屋架），然后根据具体的设计条件从屋架标准图集中选用合适的屋架。2.4.4.天窗架及托架2.4.5吊车梁♠吊车梁直接承受吊车传来的竖向荷载和水平制动力，由于吊车往返运行，因此吊车梁除了要满足承载力、抗裂度和刚度要求外，还要满足疲劳强度的要求。♠钢筋混凝土吊车梁的型式很多，目前常用的主要有以下几种：♠(1)混凝土等截面吊车梁：用于厂房跨度30m以下，吊车起重量为30t以下♠(2)组合式吊车梁：自重较轻，适用于吊车起重量较小(一般不大于5t)的轻、中级工作制吊车。♠(3)预应力混凝土等截面吊车梁。适用于吊车起重量为75t以下的情况。♠(4)预应力混凝土变截面吊车梁。一般在吊车起重量大、跨度大时采用♠(5)桁架式吊车梁。对一般中型厂房多采用等高T形或I形截面吊车梁。♠(6)部分预应力混凝土吊车梁。适用于吊车起重量为30t以下的情况。2.4.6常用柱型♠2.4.6.1柱的截面形式♥单层厂房钢筋混凝土柱按其截面形式分为两大类：单肢柱(包括矩形、I形、环形截面)和双肢柱(包括平腹杆、斜腹杆、双肢管柱)。2.5排架内力分析♠本节介绍横向平面排架结构(以下简称排架)的内力分析方法。它主要解决两个问题：♥(1)求出排架柱在各种荷载作用下起控制作用的截面的最不利内力，作为柱截面设计和承载力校核的依据；♥(2)求出柱传给基础的最不利内力，作为基础设计的依据。♠2.5.1计算筒图♠2.5.1.1计算单元♠2.计算假定与计算简图♥(1)柱上端与屋架(或屋面梁)铰接♥(2)柱下端与基础固接♥(3)排架横梁为无轴向变形的刚杆，横梁两端处柱的水平位移相等（跨变排架应考虑横梁轴向变形的影响）♣计算简图：♥(4)排架柱的高度由固定端算至柱顶铰结点处♥(5)排架的跨度以厂房的轴线为准，♠2.4.2荷载计算♠掌握各种荷载值的计算，荷载的作用位置（荷载的大小、作用点）♠恒荷载♠（1）屋盖自重；（2）上柱自重；（3）下柱自重；（4）吊车梁及轨道等自重。♠2.活荷载♠（1）屋面活荷载（作用位置与屋盖恒载相同）♥①屋面均布活荷载；②雪荷载；③屋面积灰荷载。♠当不考虑屋面积灰荷载时，取屋面均布活荷载和雪荷载两者中的较大值；♠当考虑屋面积灰荷载时，取屋面均布活荷载、雪荷载和屋面积灰荷载三者中的较大值。♠雪荷载的计算：风荷载的计算♠风荷载标准值♠风荷载的方向是变化的，设计时既要考虑左风荷载、又要考虑右风荷载。0wwzszk作用于排架上的风荷载♠3.吊车荷载♥吊车的工作级别（原规范称为吊车的工作制度）：♥根据吊车荷载达到其额定值的程度将吊车的工作级别分为A1—A8级。♥其中A1—A5级对应于原规范的轻级和中级工作制；♥其中A6—A8级对应于原规范的重级和超重级工作制。（1）吊车竖向荷载（最大竖向荷载、最小竖向荷载♠当小车吊在额定最大起重量Q开到大车某一极限工况位置时，在这一侧的每个大车轮压称为吊车的最大轮压Pmax,k(标准值)，在另一侧的称为最小轮压标准值Pmin,k。♠Pmax,k与Pmin,k同时发生。计算吊车轮压施加于排架柱的荷载时，应考虑数台吊车的不利组合：♥单跨厂房的一榀排架，最多考虑两台吊车；对多跨厂房的一榀排架时，最多考虑四台吊车。♠Pmax,k与Pmin,k可根据吊车型号、规格等查阅产品目录或起重运输机械专业标准(ZQI一62)得到。