单层工业厂房结构.ppt

11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 11 1概述11 2单层工业厂房排架结构的组成 传力途径及设计内容11 3单层工业厂房的结构布置11 4单层厂房结构主要构件的选型11 5单层厂房排架内力计算11 6单层厂房柱的设计11 7单层工业厂房结构主要构件间的连接构造 11 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 11 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 11 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 11 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 11 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11 1所示 11 1 2 3按承重结构的形式分 2 钢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11 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11 3所示 图11 1钢筋混凝土排架结构 图11 2钢筋混凝土门式刚架 图11 3钢框架结构 11 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11 4所示 11 2 1单层工业厂房排架结构的组成 图11 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11 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11 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 11 2 1 1屋盖和墙体围护结构体系 图11 5无檩体系 图11 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11 7所示 11 2 1 2横向排架结构体系 图11 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11 8所示 11 2 1 3纵向排架结构体系 图11 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 11 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 11 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 11 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11 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 11 2 2 3偶然荷载 图11 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 11 2 3单层工业厂房结构设计的内容 11 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 11 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11 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11 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11 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 11 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 支撑的作用 从图11 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 11 3 3支撑的布置 图11 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 11 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 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11 12 a 中的1 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11 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11 12 a c 中的3 4 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 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 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 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11 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11 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11 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11 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11 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 如图11 14所示 4 天窗架支撑 天窗架支撑包括天窗上弦水平支撑和天窗架间垂直支撑 天窗架支撑的作用是增强整体刚度 保证其系统的空间稳定性 并把端壁上的水平风荷载传给屋架 天窗架支撑一般均设置在天窗架的两端 如图11 15所示 图11 12横向水平支撑布置图 图11 13纵向水平支撑布置 图11 14斜撑式垂直支撑 图11 15天窗架上弦横向 柱间支撑一般采用交叉钢斜杆组成 交叉倾角 在35 55 之间 以45 为宜 钢杆件的截面尺寸需经强度和稳定计算确定 如图11 16 a 所示 当柱间因交通 设备布置或柱距较大而不能采用交叉斜杆式支撑时 可以做成门架式支撑 如图11 16 b 所示 柱间支撑的作用是保证厂房的纵向刚度和稳定性 吊车纵向制动力和山墙纵向风荷载及纵向地震力经屋盖系统传递到两纵向柱列上去 11 3 3 2柱间支撑 柱间支撑布置 一般上柱柱间支撑设置在温度区段两侧与屋盖横向水平支撑相对应的柱间 以及温度区段中央或临近中央的柱间 下柱柱间支撑设置在温度区段中部与上柱柱间支撑相应的位置 柱间支撑的布置原则 凡属下列情况之一的一般厂房需设置柱间支撑 1 设有重级工作制吊车或中轻级工作制吊车起重量 10t时 2 厂房跨度 18m或柱高 8m时 3 纵向柱的总数每排 7根 4 设有3t及3t以上悬挂吊车时 5 露天吊车柱列 图11 16柱间支撑 当用砖砌体作为厂房围护墙时 一般要设置圈梁 连续梁 过梁和基础梁 圈梁的作用是将墙体同厂房柱箍在一起 以加强厂房的整体刚度 防止由于地基不均匀沉降 较大振动荷载或地震对厂房引起的不利影响 圈梁设在墙内 并与柱用钢筋拉接 圈梁不承受墙体重量 故柱上不设置支承圈梁的牛腿 圈梁的布置与墙体高度 厂房的刚度要求及地基情况有关 11 3 4圈梁 连续梁 过梁和基础梁的布置 圈梁应连续设置在墙体的同一水平面上 并尽可能沿整个建筑物形成封闭状 如图11 17 圈梁的截面宽度宜与墙厚相同 连续梁的作用是连系纵向柱列 以增强厂房的纵向刚度 并将风荷载传给纵向柱列 此外 连续梁还承受其上面墙体的重量 连梁通常是预制的 两端搁置在柱牛腿上 用螺栓或电焊与牛腿连接 过梁的作用是承托门窗洞口上部墙体的重量 在一般厂房中 通常用基础梁来承受围护墙体的重量 如图11 18 图11 17圈梁的搭接长度 图11 18基础梁的搁置 11 4单层厂房结构主要构件的选型 工业厂房结构构件标准图集有三类 经国家建委审定的全国通用标准图集 适用于全国各地 经某地区或某工业部门审定的通用图集 适用于该地区或该部门所属单位 经某设计单位审定的定型图集适用于该单位 这些图集一般包括设计和设计施工说明 构件选用表 结构布置图 连接大样图 模板图 配筋图 预埋件详图 钢筋及钢材用量表等几个部分 均属结构施工图范畴 11 4 1单层厂房标准或通用定型构件的选择方法 设计和施工说明 包括构件适用范围 主要设计依据 主要计算方法 使用材料 施工 制作及安装要求等部分 选用构件时要特别注意与施工说明内容相吻合 构件选用表 是选用构件时的主要依据 一般可根据两种方法选用 1 根据荷载或对负荷的限制条件 2 根据允许的最大内力 弯矩和剪力 1 无檩体系屋面构件 无檩体系采用大型屋面板 适用于大中型单层厂房 各种无檩体系屋盖的类型 特点 尺寸 允许均布荷载及适用条件见表11 1 2 屋面板 有檩体系屋面板类型 尺寸 特点及适用条件见表11 2 3 檩条 檩条与屋架上弦的连接一般采用焊接 钢筋混凝土檩条类型 跨度等见表11 3 11 4 2屋面构件选型 表11 1屋面板类型表 表11 2有檩体系屋面板 表11 3钢筋混凝土檩条类型表 屋架或屋面梁直接承受屋面荷载 有些厂房的屋架 或屋面梁 还承受悬挂吊车 管道或其它工艺设备及天窗架等荷载 并和屋盖支撑系统一起 保证屋盖水平和垂直方向的刚度和稳定性 目前常用的钢筋混凝土屋架的形式及其适用条件见表11 4 屋面梁和屋架一般为平卧制作 因此除按一般受弯构件计算外 还应进行施工阶段翻身扶直以及吊装 或运输 时的验算 验算时应将构件自重乘以1 5的动力系数 11 4 3屋架选型 表11 4钢筋混凝土屋架类型表 吊车梁是有吊车厂房的重要承重构件 它直接承受吊车起重 运行 制动时产生的各种往复移动荷载 为此吊车梁除了要满足一般梁的强度 抗裂度 刚度等要求外 还要满足疲劳强度的要求 同时 吊车梁还传递厂房纵向荷载 如山墙上的风荷载 吊车梁的选用一般按吊车的起重能力 跨度和吊车工作制的不同 可采用不同形式 常用钢筋混凝土吊车梁见表11 5 11 4 4吊车梁选型 表11 5常用钢筋混凝土吊车梁 柱主要承受屋盖和吊车梁等竖向荷载 风荷载及吊车产生的纵向和横向水平荷载 有时还承受墙体 管道设备等荷载 所以 柱应具有足够的抗压和抗弯能力 目前柱子标准图集CL335给出了一些柱子的标准设计 但大多数情况还需要设计者自行设计 常用柱的类型见图11 19 常用柱距6m的柱截面尺寸参见表11 6 11 4 5常用柱选型 图11 19柱的类型 a 矩形柱 b 工字形柱 c 预制空腹板工字形柱 d 单肢管柱 e 双肢柱 f 平腹杆双肢柱 g 斜腹杆双肢柱 h 双肢管柱 表11 6柱截面尺寸参考表 柱距6m 基础支承厂房上部结构的全部重量 然后传递到地基中去 因此基础起着承上传下的作用 选择什么类型的基础 主要取决于上部结构荷载的大小和性质 工程地质条件等 一般情况下 可采用独立的杯形基础 基础的类型 特点及适用条件见表11 7 11 4 6基础选型 表11 7基础类型表 11 5单层厂房排架内力计算 单层厂房结构实际上是一空间结构体系 为了计算方便 一般分别按纵 横两个方向作为平面排架来分析 即假定各个横向平面排架 或纵向平面排架 均单独工作 计算单元 单层厂房是一个复杂的空间结构 实际计算时 可根据厂房的构造和荷载特点进行简化并确定计算简图 如图11 20所示 由相邻柱距的中部截取一个典型区段 称为计算单元 如图11 20所示 11 5 1计算假定和计算简图 为简化计算 根据构造特点 对确定排架的计算简图时 有以下计算假定 1 屋架或屋面大梁与柱顶连接处 仅用预埋钢板焊牢 它抵抗转动的能力很小 计算中只考虑传递垂直力和水平剪力 按铰接结点考虑 2 排架柱与基础的连接做法是 预制柱插入基础杯口一定深度 柱和基础间用高强度等级细石混凝土浇筑密实 因此排架柱与基础连接处按固定端位于基础顶面 3 铰接排架的横梁 屋架 的刚度很大 受力后的轴向变形可忽略不计 排架受力后横梁两端两个柱子的柱顶水平位移相等 4 排架柱的高度由固定端算至柱顶铰接处 排架柱的轴线为柱的几何中心线 当柱为变截面时 排架柱的轴线为一折线 如图11 20 a b 所示 5 排架的跨度以厂房的纵向定位轴线为准 计算简图如图11 20 c 所示 只需在变截面处增加一个力偶 M M等于上柱传下的竖向力乘以上下柱几何中心线间距离e 图11 20排架计算简图 1 屋面恒荷载 屋面恒荷载标准值用G1k表示 设计值用G1表示 它包括各种构造层屋面板 天沟板 屋架 天窗 天窗架 屋架支撑 托架等自重 一般来说 G1对上柱截面的几何中心有一个偏心距e1 G1对下柱截面的几何中心又增加了附加偏心距e2 如图11 22所示 11 5 2排架荷载计算 10 5 2 1恒荷载 作用在排架上的荷载分为恒荷载和活荷载两类 如图11 21所示 2 上柱自重 上柱自重标准值用G2k表示 设计值用G2表示 它沿上柱中心线作用 3 吊车梁及轨道等零件自重标准值用G3k表示 设计值用G3表示 它沿吊车梁中心线作用于牛腿顶面 一般吊车梁中心线到柱外边缘 边柱 或柱中心线 中柱 的距离为750mm 4 下柱自重 下柱自重标准值用G4k表示 设计值用G4表示 它沿下柱中心线作用 5 支承在柱牛腿上的围护结构等自重 支承在柱牛腿上的围护结构等自重标准值用G5k表示 设计值用G5表示 它沿承重梁中心线作用在柱牛腿顶面 6 墙体荷载 当墙直接砌筑在基础梁上或大型墙板直接搁置在基础上时 它们对排架柱无竖向作用力 它们对排架的作用是传递墙面上的水平风荷载给排架柱 图11 21排架上的荷载 图11 22排架在屋面恒荷载作用下的计算简图和柱的内力图 屋面活荷载标准值用Q1k表示 设计值用Q1表示 作用点和计算简图与屋盖恒荷载相同 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 1 屋面均布活荷载 屋面均布活荷载按 荷载规范 采用 当施工荷载较大时 则按实际情况采用 11 5 2 2屋面活荷载 2 雪荷载 雪荷载是积雪重量 为积雪深度和平均积雪密度的乘积 屋面雪荷载标准值Sk计算式为 Sk rS0 3 积灰荷载 对生产中有大量排灰的厂房及其邻近建筑物应考虑积灰荷载 可由 荷载规范 查得 吊车按生产工艺要求和吊车本身构造特点有多种不同的型号和规格 桥式吊车为厂房中常用的一种吊车形式 桥式吊车由大车 桥架 和小车组成 如图11 23所示 吊车对排架的作用有竖向荷载 横向水平荷载和纵向水平荷载 现分别叙述如下 1 吊车竖向荷载 吊车竖向荷载是一种通过轮压传给排架柱的移动荷载 由吊车额定起重量 大车自重 小车自重三部分组成 如图11 23所示 11 5 2 3吊车荷载 对于四轮吊车的最小轮压标准值Pmin k可按下式计算 Pmin k 1 2 Qbk Qlk Qck Pmax k每榀排架上作用的吊车竖向荷载指的是几台吊车组合后通过吊车梁传给柱的可能的最大反力 由于吊车荷载是移动荷载 每榀排架上作用的吊车竖向荷载组合值需用影响线原理求出 作用在排架上的吊车竖向荷载的组合值与吊车的台数及吊车沿厂房纵向运行所处位置有关 当两台吊车挨紧并行 且其中一台起重量较大的吊车轮子正好运行至计算排架上 而两台吊车的其余轮子分布在相邻两柱距之间时 吊车竖向荷载组合值可达最大 其标准值Dmax k Dmin k按下列公式计算 Dmax k yiPimax k y1 y1 P1max k y2 y2 P2max k Dmin k yiPimin k y1 y1 P1min k y2 y2 P2min k 由于多台吊车共同作用时 各台吊车荷载不能同时达到最大值 因此应将各吊车荷载的最大值进行折减 当两台吊车完全相同时 可按下式计算 吊车竖向荷载Dmax k和Dmin k沿吊车梁的中心线作用在牛腿顶面 它们是相对于下柱截面具有偏心距e4的偏心压力 Dmax k和Dmin k应换算成作用于下柱顶面的轴力和力矩 如图11 25 a 所示 2 吊车横向水平荷载T 吊车横向水平荷载是指载有重物的小车在左右行驶中突然刹车时 由于吊车Qbk和小车Qlk的惯性力而在厂房排架柱上所产生的横向水平制动力 横向制动力应等分作用在排架的两侧柱子上 它的方向有左右两种可能性 如图11 25 b 所示 吊车横向水平制动力本应按两侧柱子的刚度大小分配 但为简化计算 荷载规范 允许近似地平均分配给两侧排架柱 如图11 26所示 对于各类四轮桥式吊车 当其小车满载运行中突然刹车时 在大车每一轮子上所产生的横向水平制动力的标准值为 Tk 1 4 Qck Qlk 每个大车轮传给吊车轨道的横向水平制动力T确定后 即可按计算吊车竖向荷载Dmax k和Dmin k的方法计算Tmax k 3 吊车纵向水平荷载T0吊车纵向水平荷载T0是指吊车沿厂房纵向运行中突然刹车时 由吊车自重和吊重物的惯性力在厂房纵向排架柱上所产生的水平制动力 它是通过每侧的制动轮传至两侧吊车轨道 然后再由吊车梁传给纵向柱列或柱间支撑 如图11 27所示 每台吊车纵向水平制动力的标准值为 T0 k n 10Pmax k 例11 1 有单跨单层厂房 跨度为24m 柱距为6m 设计时考虑两台As级工作制20 5t桥式软钩吊车 求作用于排架柱上的Dmax k Dmin k Tmax k 解 1 查 ZQ1 62 得 吊车桥距lK 22 5m时 吊车最大宽度B 5600mm 大车轮距K 4400mm 小车重Qlk 77 2kN 吊车最大轮压Pmax k 202kN 吊车最小轮压Pmin k 60kN 2 确定吊车的最不利位置及柱支座反力影响线 如图11 28所示 3 计算Dmax k Dmin k Tmax k查表得折减系数 0 9 Dmax k 387 23kNDmin k 115 02kNTk 6 93kN Tmax k 13 28kN 图11 23桥式吊车荷载 图11 25吊车荷载 图11 26吊车横向水平制动力 图11 27吊车纵向水平荷载 图11 28吊车梁反力影响线 垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按下式计算 wk z s zw0排架计算时作用在不同位置处风荷载的计算原则 1 作用在排架柱顶以下墙面上的风荷载按均布考虑 迎风面为q1 背风面为q2 其风压高度变化系数可按柱顶标高取值 11 5 2 4风荷载 2 作用于柱顶以上屋盖部分的风荷载仍取为均布荷载 但对排架的作用则按作用在柱顶的集中风荷载W考虑 其风压高度变化系数取值如下 有矩形天窗时 按天窗檐口取值 无矩形天窗时 按厂房檐口标高取值 3 作用在排架上的风荷载如图11 30所示 其设计值分别按下式计算 q1 Qwk1B Q s1 zw0B kN m q2 Qwk2B Q s2 zw0B kN m 例11 2 如图11 31所示 柱距为6m的单跨单层厂房 建于天津市郊区 求作用于排架上的风荷载设计值 解 从 荷载规范 中查得天津市基本风压为w0 0 4kN m2 风荷载体型系数 s值如图11 31 b 所示 计算单元宽度B 6m 1 柱顶以下风荷载按均布荷载计算 风压高度变化系数 z按柱顶标高计算 由 荷载规范 查得15m高度处 z 0 84 10m高处 z 0 71 故12m高度处 z 0 76 q1 Q s1 zw0B 2 04kN m q2 Q s2 zw0B 1 28kN m 2 计算作用于柱顶的集中风荷载w 风压高度变化系数 z按天窗檐口处标高 17 920 计算 由 荷载规范 查得20m高度处 z 0 94 故17 92m高度处 z 0 90 W 20 34 kN 作用于排架风荷载如图11 32所示 图11 30横向排架上的风荷载 图11 31 a 厂房剖面图 b 计算简图及 s值 图11 32作用于排架风荷载 等高排架就是指在排架计算简图中 各柱柱顶标高相同或柱顶标高虽不同 但柱顶有倾斜横梁贯通连接的排架 如图11 33所示 11 5 3排架的内力计算 10 5 3 1等高排架内力分析 排架内力分析就是确定排架柱在各种荷载单独作用下各个控制截面上的内力 并绘制各排架柱的弯矩M图 轴力N图及剪力V图 1 当排架柱顶作用水平集中荷载W时 如图11 34所示 由于横梁为刚性连杆 所以各柱柱顶水平位移相等 即 A B C 如沿横梁与柱的连接部位将各柱柱顶切开 因柱顶是铰无弯矩 在各柱的切口上代替一对相应剪力VA VB VC 并取横梁为脱离体 则由平衡条件 X 0得 W VA VB VC 设各柱柱顶在单位水平集中力作用下柱顶位移为 A B和 C 则在柱顶剪力VA VB VC作用下 各柱柱顶水平位移为 A VA A B VB B C VC C即 VA A A AVB B B BVC C C C 由公式 11 16 得 A B C W则各柱柱顶剪力为 VA A AWVB B BWVC C CW 即 Vi iW 2 当任意荷载作用时 在任意荷载作用下 排架柱的计算分为两个步骤 第一步 先在排架柱顶附加一个不动铰支座以阻止水平侧移 如图11 35所示 求出支座反力R 可利用附表算出 第二步 撤除附加不动铰支座 并将R以反方向作用于排架柱顶 如图11 35 c 所示 以恢复到原来结构体系 例11 3 一单层单跨厂房排架如图11 36所示 A柱与B柱相同 I上A I上B 2 13 109mm4 I下A I下B 5 876 109mm4 上柱高H1 3 30m 全柱高H2 10 80m 排架上作用有吊车最大横向水平荷载Tmax 8 9kN 作用点距柱顶高度y 2 4m 求排架柱的内力 并绘制内力图 解 1 计算几何参数 n I上 I下 0 362 H1 H2 0 306 2 求柱顶剪力 求支座反力 Tmax作用点至柱顶高度y 2 4m y H1 0 728 即y 0 728H1 计算简图如图11 37所示 查附表17e y 0 7H1 得C5 0 66 查附表17f y 0 8H1 得C5 0 615 用插入法得 当y 0 728H1时 C5 0 647 Ra TmaxC5 5 76 kN Rb 0 Ra Rb 5 76 kN 将 Ra Rb 反向作用于柱顶并进行分配 确定剪力分配系数 A B 0 5 A Ra Rb 2 88kN 求柱顶剪力 将图11 37 b c 图中各柱顶所产生的剪力叠加得 Va 5 76 2 88 2 88kN Vb 2 88kN 3 画内力图 如图11 38所示 例11 4 一等高排架如图11 39 a 所示 已知W 5 66kN q1 1 68kN m q 1 05kN m A柱与C柱相同 I上A I上C 2 13 105cm4 I下A I下C 9 23 105cm4 I上B 4 17 105cm4 I下B 9 23 105cm4 求柱的内力并绘制弯矩图 解 1 计算剪力分配系数 H1 H2 0 254 A C柱 n I上 I下 0 231 B柱 n I1 I2 0 452 查附表17a得 A C柱 C0 2 85 A C 694 1 E cm B柱 C0 2 94 B 672 1 Ecm 剪力分配系数 A C 0 33 B 0 34 2 计算各柱顶剪力 由q1的作用求A柱铰支座反力RA 查附表17h得C11 0 361 RA q1H2C11 7 41 kN 在q2的作用下得 RC q2H2C11 4 63 kN R RA RC 12 04 kN 拆除不动铰支座 将W R 5 66 12 04 17 7kN反向作用于柱顶并分配 如图11 39 b c 所示 VA A W R RA 1 57 kN VB B W R 6 kN VC C W R RC 1 2 kN 3 绘制弯矩图 如图11 40所示 图11 33等高排架内力分析 图11 34柱顶作用有集中荷载的等高排架 图11 35作用任意荷载的等高排架 图11 36 图11 37吊车横向荷载作用计算简图及柱顶剪力计算 图11 38吊车横向荷载作用内力图 图11 39风荷载作用下计算简图及柱顶剪力计算 图11 40风荷载作用下的弯矩图 不等高排架见图11 41所示 在水平风荷载作用下 排架中各柱水平侧移 D E F G 而 E G 所以内力计算时不能采用剪力分配法 多采用力学方法或借助于图表进行内力分析 以排架横梁内力作为基本未知量x1和x2 并取图示基本结构 此时 排架各柱在所有外荷载q1 q2 q3和多余未知力x1 x2的共同作用下 可列出力学方法典型方程 11 5 3 2不等高排架内力分析 D E F G 即 D E x1 EFx2 DEq 0 EFx1 E F x2 EGq 0联立上述两个方程 求解得到各横梁内力x1和x2后 即可按静定悬臂柱求得排架各柱内力 图11 41不等高排架的内力分析 控制截面就是对柱子配筋量起控制作用的某些截面 一般取上柱柱底截面 为上柱的控制截面 对下柱 在吊车竖向荷载作用下 牛腿顶面处的弯矩最大 在风荷载和吊车横向水平荷载作用下 柱底截面的弯矩最大 因此通常取牛腿顶面 和柱底 这两个截面为下柱的控制截面 如图11 42所示 11 5 4排架的内力组合 11 5 4 1控制载面的选择 图11 42柱的控制截面 由于在柱的截面上存在着正负弯矩 故排架柱常采用对称配筋 对于柱底 截面也是基础顶面的柱截面 由于基础计算的需要 尚应有M N和V的组合 未确定柱截面大偏压或小偏压之前 对于矩形 工字形截面柱一般应考虑以下四种内力组合类型 1 Mmax及相应的N V 2 Mmax及相应的N V 3 Nmax及相应的M V 4 Nmin及相应的M V 11 5 4 2内力组合 荷载规范 中规定 对于一般排架结构 荷载效应的基本组合可采用简化规则 并按下列组合值中取最不利值确定 1 由可变荷载效应控制的组合 2 由永久荷载效应控制的组合 11 5 4 3荷载组合效应 1 每次组合只能以一种内力 Mmax Mmax Nmax或Nmin为目标 决定活荷载的取舍 并按这些荷载求得相应的其余两种内力 2 恒荷载产生的内力在任何一种内力组合中都必须考虑 3 风荷载有左吹风或右吹风两种情况 组合时两者只取其中之一 4 吊车横向水平荷载Tmax同时作用在左 右两侧排架柱上 向左或向右 组合时只取其中之一 11 5 4 4内力组合注意事项 5 在同一跨内Dmax和Dmin与Tmax不一定同时发生 故在组合中有Dmax或Dmin时 不一定要有Tmax 但在组合中有Tmax时 则必有Dmax或Dmin 因为吊车水平荷载不可能脱离其竖向荷载而单独存在 6 每一种组合中 M N V都是相对应的 即使是在相同荷载作用下产生的 此外在组合Nmax和Nmin时 对于N 0虽然将其组合不改变N值 但只要增加了M值 也是截面的不利组合 例11 5 单层单跨厂房排架内力计算 解 1 设计资料 1 某机修车间 为单层单跨厂房 厂房总长为72m 跨度为24m 柱距为6m 设有两台30 5tA5级工作制吊车 车间平面如图11 43所示 2 屋面构造及围护结构 屋面构造 二毡三油防水层 上铺小石子 25mm厚水泥砂浆找平层 60mm厚水泥蛭石保温层 预应力钢筋混凝土屋面板 围护结构 240mm厚普通砖墙 3 自然条件 基本风压0 35kN m2 基本雪压0 20kN m2 建筑场地为 级湿陷性黄土 修正后的地基承载力f 180kN m2 地下水位低于地面6m 本例不考虑地震作用 4 材料 钢筋为 HPB235级 HRB335 混凝土 基础采用C15 柱采用C25 2 结构方案及主要承重构件 根据厂房跨度 柱顶高度及吊车起重量大小 本车间采用钢筋混凝土排架结构 结构剖面如图11 44所示 为保证屋盖的整体性及空间刚度 屋盖采用无檩体系 根据厂房具体条件 柱间支撑设置位置如图11 43所示厂房主要承重构件选用如下 1 屋面板 采用标准图G410 一 中的1 5m 1 6m预应力混凝土屋面板 YWB 板重标准值 包括灌缝在内 为1 4kN m2 2 屋架 采用标准图集G415中的预应力混凝土折线形屋架 其自重标准值为106kN 榀 3 吊车梁 采用标准图集G323中的钢筋混凝土吊车梁 DL11 其高度1 2m 其自重标准值为40 8kN 根 轨道及连接件自重取0 8kN m 3 计算简图及柱截面几何尺寸的确定 1 计算简图 本车间为机修车间 工艺无特殊要求 结构布置均匀 荷载分布也均匀 故可从整个厂房中选择具有代表性的排架作为计算单元 如图11 43所示 计算单元宽度B 6 0m 根据建筑剖面及其构造 确定厂房计算简图 如图11 45所示 其中上柱高H1 4 2m 下柱高H3 10 4m 柱总高H2 14 6m 2 柱截面几何参数 上柱截面 bh 500mm 500mm 上柱截面A1 2 5 105mm2 惯性矩I1 5 21 109mm4 下柱截面选用工字形截面 b 500mm h 1000mm bw 120mm hf 200mm 下柱截面积A2 2 815 105mm2 惯性矩I2 35 6 109mm4 柱截面尺寸如图11 46所示 4 荷载的计算 1 恒荷载设计值 屋盖结构自重设计值 屋架自重设计值 1 2 106 127 2kN 榀 故作用于两端柱顶的屋盖结构自重设计值为 P1 127 2 0 5 3 192 6 24 0 5 293 4 kN 柱自重设计值 上柱 A1 2 5 105mm2 上柱自重设计值 P2 31 5kN 下柱 A2 2 815 105mm2 下柱自重设计值 P3 87 8kN 吊车梁及轨道自重设计值P4 1 2 40 8 6 0 8 54 7 kN 各恒荷载作用位置如图11 47所示 2 屋面活荷载设计值 由 荷载规范 查得屋面活荷载的标准值为0 7kN m2 而雪荷载的标准值为0 2kN m2 本车间不考虑积灰荷载 故仅按活荷载计算 P6 1 4 0 7 6 24 0 5 70 6 kN P6的作用位置与P1相同 如图11 47所示 3 吊车荷载设计值 本车间选用的吊车主要参数如下 30 5t吊车 中级工作制吊车 吊车梁高1 2m B 6 15m K 4 8m Pmax k 290kN Pmin k 70kN Qck 302kN Qlk 118kN吊车梁支座反力影响线如图11 48所示 故作用于排架柱上的吊车竖向荷载设计值 Dmax 802kN Dmin 193 6kN 由于作用在每一个轮上的吊车横向水平荷载标准值 Tk 1 4 Qck Qlk 对于30 5t的软钩吊车 0 1 所以T 10 45kN 故作用于排架上的吊车水平荷载设计值为 Tmax QT yi 28 89 kN 4 风荷载设计值 由 荷载规范 查得 基本风压w0 0 35kN m2 风压高度系数按B类地面取用 柱顶 H 14 1m z 1 11 檐口 H 17 4m z 1 19 屋顶 H 18 8m z 1 22 风载体型系数如图11 49所示 故风荷载标准值为 w1 0 311kN m2 w2 0 194kN m2 作用于排架上的风荷载的设计值为 q1 Qw1B 2 61 kN m q2 Qw2B 1 63 kN m 柱顶集中力设计值为 W 14 06 kN 风荷载是可以改变方向的 计算时需考虑左来风和右来风两种情况 因此风荷载作用下排架计算简图如图11 50所示 5 内力分析内力计算所选取的控制截面为上柱柱底 下柱牛腿顶面 及下柱柱底 内力符号及控制截面如图11 51所示 几何参数 n I1 I2 0 146 H1 H2 0 288 1 恒荷载作用下的内力 计算简图 由实际恒荷载作用 图11 47 得恒荷载作用下排架计算简图 如图11 52所示 A柱柱顶 M1 14 67kN mA柱牛腿顶面 M2 59 35kN m 计算柱顶剪力 由于恒荷载与排架对称 排架不产生水平位移 即相当于在排架柱顶有一水平铰支座 由附表17求柱顶反力 由附表得 C1 1 954 C3 1 207 由M1引起的柱顶反力 Ra 1 963kN 由M2引起的柱顶反力 Ra 4 91 kN 所以RA Ra Ra 2 95 kN 故柱顶剪力 Va 2 95kN 内力图 恒荷载作用下的内力图如图11 53所示 N图 V图从略 2 屋盖活荷载作用下的内力 计算简图 屋盖活荷载P6对排架的作用位置与P1相同 柱顶 M1 3 53 kN m牛腿顶面 M2 17 65 kN m计算简图如图11 54所示 计算柱顶剪力 由M1引起的柱顶反力 Ra 0 472 kN由M2引起的柱顶反力 Ra 1 459 kN 所以RA 0 987 kN故柱顶剪力 Va 0 987 kN 内力图 屋盖活荷载作用下的M图 如图11 55所示 V N图从略 3 吊车竖向荷载作用下的内力 计算简图 当Dmax作用在A柱时 Dmin同时作用在B柱 在把Dmax及Dmin移到下柱中心线上时 相应产生的力矩为 Mmax 321 kN mMmin 77 44 kN m计算简图如图11 56所示 柱顶剪力 在A B柱顶附加不动铰支座 由n 0 146 0 288 C3 1 207 Ra 26 5 kNRb 6 402 kNRa Rb 20 098 kN 将 Ra Rb 反向作用于柱顶并进行分配 a b 0 5 再分别与Ra Rb叠加 即得柱顶剪力Va Vb 如图11 57所示 Va 16 45 kNVb 16 45 kN 内力图 竖向荷载作用下内力图如图11 58所示 4 吊车水平荷载作用下的内力分析 吊车水平荷载作用下的内力分析不考虑厂房整体空间工作 计算简图 Tmax 28 89kN 作用点距柱顶高度y 3m y H1 0 714 y 0 714H1计算简图如图11 59 a 所示 柱顶剪力 在排架柱顶附加不动铰支座 由n 0 146 0 288 查附表 y 0 7H1 并用插入法得 C5 0 624 则 Ra 18 03 kNRb 0 将 Ra Rb 反向作用于柱顶并进行分配 再分别叠加 即得柱顶剪力 如图11 59 b c 所示 Va 9 015 kN Vb 9 015 kN 内力图 吊车横向荷载作用下内力图见图11 60所示 5 风荷载作用下的内力 计算简图 左吹风时 计算简图如图11 61 a 所示 柱顶剪力 在排架柱顶附加不动铰支座 求在均布风荷载 左风 作用下柱顶反力 如图11 61 b 所示 由n 0 146 0 288 查附表得C11 0 342 则 Ra 13 03 kNRb 8 139 kNR Ra Rb 21 169 kN 拆除不动铰支座 将 W R 14 506 21 169 35 675 kN 反向作用于柱顶并分配 如图11 61 c 所示 a W R 17 838 kN b W R 17 838 kN 叠加图11 61 b 及图11 61 c 得柱顶总剪力 Va 4 808 kN Vb 9 699 kN 内力图 风荷载作用下的内力图 如图11 62所示 6 排架内力组合 排架内力组合时 不考虑厂房整体空间工作 对A柱进行最不利内力组合 具体方法和数据见表11 9 图11 43车间平面图 图11 44结构剖面图 图11 45计算简图 图11 46柱截面尺寸 图11 47恒荷载作用位置 图11 48支座反力影响线 图11 49风载体型系数示意图 图11 50风荷载作用下排架计算简图 图11 51内力符号及控制截面 图11 52恒荷载作用下计算简图 图11 53恒荷载作用下弯矩图 图11 54屋盖活荷载计算简图 图11 55屋盖活荷载作用下弯矩图 图11 56吊车竖向荷载计算简图 图11 57柱顶剪力 图11 58竖向荷载作用下内力图 图11 59吊车水平荷载作用下计算简图 图11 60吊车横向荷载作用下内力图 图11 61风荷载作用下计算简图及柱顶剪力计算 图11 62风荷载作用下的内力图 表11 9A柱内力汇总及内力组合表 11 6单层厂房柱的设计 1 选择柱型 2 确定柱的外形尺寸 3 柱的截面设计 4 牛腿设计 5 柱子在施工吊装时的强度和裂缝宽度验算 6 预埋件及其它连接构造的设计 7 绘制施工图 11 6 1柱的计算内容 柱在吊装时的混凝土强度一般应达到设计强度的70 吊装方式有翻身吊和平吊两种情况 如图11 63 a b 所示 第二个问题是计算 ss时Ms应用自重标准值乘以动力系数计算 运输吊装阶段的最大裂缝宽度允许值 wmax 可取为0 2mm 当验算不满足要求时 应优先采用调整或增设吊点以减少弯矩 或在吊装时采用临时加固措施来解决 11 6 2运输及吊装验算 图11 63 牛腿设计内容主要有确定牛腿的截面尺寸 进行配筋计算和构造设计 牛腿按其所受竖向荷载作用点到牛腿下部与柱边缘交接点的水平距离a的大小 可把牛腿分为两大类 当a h0时为短牛腿 如图11 64 a 所示 当a h0时为长牛腿 如图11 64 b 所示 其中h0为牛腿根部垂直截面的有效高度 当为长牛腿时 与悬臂梁相似 按悬臂梁进行计算