第11章单层厂房结构

第11章单层厂房结构主讲人：王凤来博士、教授、博导2013年10月土木工程的专业精髓钢筋混凝土基本构件受剪构件受弯构件受拉构件受压构件受扭构件受拉受压受弯受剪受扭截面基本受力形态基本构件的受力往往是基本受力形态的复合土木工程的专业精髓学生建议：是否可以成为土木工程的符号？工程师是怎样炼成的？在工程中提炼符合实际受力状态、能够计算的计算简图——需要专业工具、逻辑思维能力和工程经验将工程按照计算简图还原到工程中去，实现两者的高度相似——需要专业工具、逻辑思维能力和工程经验边界条件如何取？——结构约束和相互影响关系我们要掌握的：计算跨度、计算高度如何取？——结构的几何关系杆件的几何特性如何取？——E、G、b、h、A、I计算荷载如何取？——荷载的类型及传递关系改变11-1概述采用单层厂房的优点是便于设计标准化、提高构配件生产工厂化和施工现场机械化的程度，同时可以缩短设计和施工期限，保证施工质量。采用多跨厂房的优点：由于厂房横向的跨数增加，提高了厂房横向的整体刚度，从而可以减少柱子的截面尺寸。所用材料的不同混合结构钢筋混凝土结构钢结构无吊车或吊车起重量不超过5t、跨度小于15m、柱顶标高不超过8m的小型厂房吊车起重量超过150t、跨度大于36m的大型厂房，或有特殊工艺要求的厂房（如设有5t以上锻锤的车间或高温车间等），则应采用钢屋架、钢筋混凝土柱或采用全钢结构。钢筋混凝土单层厂房的承重结构主要由屋面梁或屋架、柱和基础组成，其结构形式通常有排架或刚架二种。柱与屋面梁或屋架为铰接，而与基础刚接所组成的平面结构，称为排架结构。排架结构可做成等高、不等高或锯齿形等多种形式当柱与梁为刚接，其所构成的平面结构，称为刚架结构。当厂房跨度在18m及以下时，多采用三铰门式刚架；跨度更大时，则多采用两铰门式刚架。11-2单层厂房结构的组成和布置11-2-1结构的组成1．屋盖结构有檩体系屋盖结构包括由小型屋面板（或其它的瓦材）、檩条、屋架和屋盖支撑体系所组成。无檩体系屋盖结构包括由大型屋面板、屋架（或屋面梁）和屋盖支撑体系所组成；有时还设有天窗架及托架等。屋面板直接承受屋面上的荷载，并把它传给屋架或天窗架；天窗架其下端支承在屋架上，用以承受天窗上的荷载，并把它传给屋架；屋架承受屋架上的全部荷载，并把它传给柱子或托架；托架当柱子间距比屋架间距大时，用托架支承两个柱子之间的屋架，该屋架荷载通过托架再传给柱子。2．吊车梁承受吊车荷载（包括吊车梁自重、吊车桥架重、吊车运载重物时所产生的垂直轮压、以及启动或制动时所产生的纵向及横向水平力等），并把它传给柱子。3．柱子承受屋架、吊车梁、外墙和支撑传来的荷载，以及地震荷载等，并把它传给基础，是厂房的主要承重结构构件。4．支撑加强厂房结构的空间刚度，保证结构构件安装和使用时的稳定和安全，同时起传递山墙风荷载、吊车纵向水平荷载或地震荷载等。5．基础6．围护结构抗风柱连系梁和基础梁承受外墙重量，并把它传给柱子和基础。11-2-2支撑的布置厂房支撑体系可分为屋盖支撑和柱间支撑两类1．屋盖支撑（1）屋架上弦横向水平支撑增强屋盖的整体刚度，保证屋架上弦或屋面梁上翼缘的出平面稳定，同时可将山墙风荷载传至厂房两侧的纵向排架柱列，为抗风柱上端提供不动的侧向支点，改善了抗风柱的受力状态。（2）屋架间垂直支撑与水平系杆用以保证屋架在施工和使用中以及吊车在运行时产生的纵向水平力作用下的稳定性。（3）天窗架支撑增加天窗架系统的空间刚度，并将天窗壁板传来的风荷载传递给屋盖系统。（4）屋架下弦横向和纵向水平支撑为了保证横向水平荷载的纵向分布，提高厂房的刚度。2．柱间支撑柱间支撑的作用主要是提高厂房的纵向刚度和稳定性。对于上部柱间支撑，是用以承受作用在山墙上的水平风荷载；而对于下部柱间支撑，用以承受上部支撑传来的力和吊车梁传来的吊车纵向刹车力，并把它传至基础。11-2-3变形缝厂房的变形缝包括伸缩缝、沉降缝和防震缝三种。伸缩缝的做法是从基础顶面开始将相邻两个温度区段的上部结构构件完全分开，并留出一定宽度的缝隙，使上部结构在气温有变化时，在水平方向可以自由地发生变形。沉降缝是考虑由于结构上部大小不同的相邻荷载传到地基引起不均匀沉降，为防止结构产生裂缝而设置的。13-3排架计算单层厂房结构是一个空间受力体系，设计时为了简化计算，一般按纵向及横向的平面结构来分析。厂房的横向由屋架与柱子相连接，构成一个横向平面排架受力体系，厂房的各种荷载都是通过排架的柱子传递到基础和地基中去的。厂房的纵向由屋面板、吊车梁及柱间支撑和柱列，构成一个纵向结构体系。11-3-1计算简图在确定排架计算简图时，根据实践经验，作如下假定：1．柱子顶端与屋架或横梁为铰接2．柱子下端与基础顶面为固接3．横梁为没有轴向变形的刚性杆4．排架之间相互无联系横向排架的计算，是从厂房平面图中相邻柱距的轴线之间，截出一个典型区段作为计算单元11-3-2排架荷载计算1．永久荷载（1）屋盖荷载：包括屋面荷载、屋架、托架、天窗架及支撑等自重，荷载通过屋架作用于柱顶，如图G1（2）柱子自重G2和G3（3）悬墙、吊车梁及轨道等自重：作用在柱子的牛腿顶面上，G4和G5当采用封闭结合的厂房，亦即边柱外缘和外墙内缘与纵向定位轴线相重合时,无论采用任何屋架（或屋面梁）及任何形式的柱，其柱顶集中荷载的作用点，均位于厂房纵向定位轴线内侧150mm处，上柱截面高度通常为400mm，故其偏心距一般为e1=50mm。2．屋面活荷载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。3．风荷载风荷载的大小与建筑地点、厂房高度、厂房外表面形状以及周围环境等情况有关风荷载标准值按下式计算0zszku在平面排架计算时，其迎风面和背风面的荷载设计值q1和q2应按下式计算BqkQ4．吊车荷载（1）吊车竖向荷载max1min)(21PQQGP对一般常用四轮吊车，其相应的Pmin值，可按下式求得:吊车竖向荷载是指吊车在运行时作用在排架上的吊车轮压。《荷载规范》规定，对单跨厂房一般按不多于两台吊车考虑；对多跨厂房一般按不多于四台吊车考虑。icQyPDmaxmaxmaxminmaxminminPPDyPDicQ（2）吊车水平荷载)(411QQFQh《荷载规范》规定，对单跨或多跨厂房的每个排架参与组合的吊车台数不应多于2台，并需考虑正反两个方面的刹车情形。ihchyFF1对四轮吊车通过吊车桥架，其每个轮子在吊车轨道上的横向水平荷载设计值为：吊车每个轮子刹车力Fh1对柱子所产生的最大横向水平荷载设计值Fhmaxmax1maxmax11PDFPDFFkhhQhmaxminmaxminminPPDyPDicQ11-3-3排架内力计算1．下端固定上端铰支变截面柱的反力计算首先要求出单阶柱上端为不动铰支座时柱顶反力，（1）当柱下端为固定上端为自由，柱顶在单位力作用下的位移)(322)(1)(312)(13221121122212112121211HHHHHHEIHHHHHHEIHHEI2121;HHIIn11133232nEIH111330nC23201EIHC当n=1时，C0=3，则2323EIH（2）当柱下端为固定上端为不动铰支座时柱顶反力计算0RR当求得柱顶反力R值之后，即可按静定悬臂柱求得其内力图。2．等高排架内力计算对于等高排架一般运用剪力分配法求解（1）排架柱顶作用集中荷载时ni21niiniVVVVVF121则得第i柱的柱顶剪力为iiiiV11niininiVVVVF1212111111Fnii111FFViniiii111niiii111（2）排架柱作用任意荷载时第一步：利用上述剪力分配系数，将计算过程分成两个步骤进行；先将作用有荷载的排架柱柱顶视为不动铰支座，求出其支座反力值第二步：然后将所求得的R值反向作用于排架柱顶，以恢复到原来的受力情况。将上述两种情形所求得的内力相叠加，即可求出排架的实际内力。[例11-3]已知某双跨等高排架，作用其上的风荷载设计值Fw=3.88kN，q1=3.21kN/m，q2=1.60kN/m；A柱与C柱截面尺寸相同，I1=2.13×109mm4，I2=11.67×109mm4；B柱I1=4.17×109mm4，I2=11.67×109mm4；上柱高度均为H1=3.0m，柱总高均为H2=12.2m。试计算各排架柱内力（图11-27）。[解]（1）求各柱的剪力分配系数246.02.120.321HH对A、C柱；183.01067.111013.29921IIn对B柱：357.01067.111017.49921IIn按公式（11－13）求得，或由附表图15-1查得对A、C柱C0=2.813EEEICHCA131.551067.11813.2)10002.12(932032mm对B柱C0=2.922EEEICHB125.531067.11922.2)10002.12(932032mm剪力分配系数329.025.53131.551231.5511121BAACA342.025.53131.551225.5311121BABB（2）求各柱柱顶的剪力将风荷载分成Fw、q1、q2三种情况，分别求出各柱顶所产生的剪力，再相叠加。由于q1的作用，查附表图15-8得柱顶不动铰支座反力98.132.1221.3357.02111HqCRAkN由于q2的作用，其柱顶不动铰支座反力97.621.360.198.1312qqRRACkN各柱顶的总剪力ACAwAARRRFV)(81.598.13)97.698.1388.3(329.0kN（←）)(CAwBBRRFV49.8)97.698.1388.3(342.0kN（→）CCAwCCRRRFV)(20.197.6)97.698.1388.3(329.0kN（→）3．不等高排架内力计算不等高排架的特点是相邻两跨的横梁在不同的标高上，因而在荷载作用下高跨柱与低跨柱的柱顶位移不等，一般均采用力法进行内力分析。按力法列出其方程式为0022221211212111FFXXXX式中11––––为基本体系在X1=1作用下，在X1作用点沿X1的方向所产生的位移；22––––为基本体系在X2=1作用下，在X2作用点沿X2的方向所产生的位移；12––––为基本体系在X2=1作用下，在X1作用点沿X1的方向所产生的位移（21=12）；)(21FF––––为基本体系在外载的作用下，在X1（或X2）作用点，沿X1（或X2）的方向所产生的位移。在上述位移、下面的脚标，第一个表示位移的方向，第二个表示位移的原因。在计算时，上述的11、22、FF21、等值，可查附表15而得。但应注意，X1是作用于两个柱，所以11是由两部分（左11+右11）组成的，其值为对1柱：203211EICH左对2柱：203211EICH右)(322)(112121222112HHHHHEI2)(312122131322HHHHHEI对12、21值可应用图乘法求出4．内力组合内力组合的目的，是把作用在排架上各种可能同时出现的荷载，经过综合分析，求出在某些荷载作用下控制截面处所产生的最不利内力，作为柱子及基础截面设计的依据。（1）控制截面控制截面是指对柱内配筋量计算起控制作用的截面。对于一般单阶柱，上柱底部Ⅰ－Ⅰ截面的内力比上柱其