单层工业厂房MicrosoftPowerPoint演示文稿.ppt

第二章单层工业厂房,本章重点：熟悉单层工业厂房结构的选型与结构布置方法；掌握钢筋混凝土排架的荷载与内力计算方法、内力组合原则及柱的截面设计方法；熟悉排架柱的配筋构造要求。,2.1结构类型和结构体系单层厂房依据其跨度、高度和吊车起重量等因素的不同可采用混合结构、钢筋混凝土结构和钢结构。单层厂房的结构类型和体系可分为：排架与刚架单跨与多跨；等高与不等高;,排架结构图,门式刚架结构图,2.2结构组成及荷载传递2.2.1结构组成单层工业厂房是由多种结构组成的空间结构。如根据构件的作用不同可以分为承重结构和围护结构。承重结构：直接承受荷载并将荷载传递给其它构件的构件:如屋面板、天窗架、屋架、柱、吊车梁和基础是单层厂房的主要承重结构构件；,1.屋盖结构屋盖结构可分有檩体系和无檩体系两种。有檩体系：由小型屋面板、檩条及屋盖支撑组成。刚度小。无檩体系：由屋面板、天沟板、天窗架、屋架、托架、及屋盖支撑组成。刚度大。,2.纵、横向平面排架横向平面排架：包括横梁(屋架)、柱及基础。,纵向平面排架:由连系梁、吊车梁、纵向柱列（包括柱间支撑）和基础组成。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的内力。,3.围护结构：包括纵墙、山墙、墙梁、抗风柱、基础梁。外纵墙、山墙、连系梁、抗风柱和基础梁都是围护结构构件，这些构件所承受的荷载，主要是墙体和构件的自重以及作用在墙面上的风荷载。,2.3结构布置单层工业厂房的结构布置包括平面布置、支撑布置和围护结构的布置。2.3.1厂房平面布置1.柱网布置：要考虑工艺、经济、模数化等因素。厂房承重柱的纵向和横向定位轴线所形成的网络，称为柱网。柱网布置就是确定纵向定位轴线之间（跨度）和横向定位轴线之间（柱距）的尺寸。在结构平面布置中，厂房的跨度18m时，取3m的倍数；18m则取6m的倍数。厂房的柱距，一般取6m或6m倍数。,2.变形缝设置（1）伸缩缝为减小由于温度变化所引起的应力，可用温度伸缩缝将厂房分成几个温度区段。最大伸缩缝间距：处于室内或土中100M处于露天时70M,（2）沉降缝:解决不均匀沉降问题。在一般单层厂房中可不设沉降缝。沉降缝应将建筑物从屋顶到基础底面全部分开，以使在缝两边发生不同沉降时而不致损坏整个建筑物。沉降缝可兼做伸缩缝。（3）防震缝：减小厂房震害而采取的措施。防震缝应将上部结构和基础都完全分开，防震缝的宽度在厂房纵横跨交接处可采用100150mm，其它情况可采用5090mm。地震区的厂房，其伸缩缝和沉降缝均应符合防震缝的要求。,2.3.2支撑布置单层厂房支撑包括屋盖支撑和柱间支撑两类，应了解各支撑的作用和设置条件及设置位置。1.屋盖支撑上弦横向水平支撑下弦横向水平支撑纵向水平支撑垂直支撑和水平系杆天窗架支撑,上弦横向水平支撑,下弦横向及纵向水平支撑,垂直支撑及水平系杆,2.柱间支撑柱间支撑是纵向平面排架中最主要的抗侧力构件，其作用是承受纵向水平荷载和提高纵向刚度。,2.3.3围护结构的布置1.抗风柱布置抗风柱与屋架相连必须满足两个条件：水平方向可靠连接；垂直方向允许有一定的相对位移。2.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。,3.连系梁：单层厂房的外墙一般做成自承重墙，不宜设置墙梁（亦称连系梁）。当墙的高度超过一定限度（例如15m以上），墙体的砌体强度不足以承受本身自重时，需要在墙下布置连系梁。连系梁两端支承在柱牛腿上，并通过牛腿将墙体荷载传给柱子。,4.基础梁布置在排架结构或刚架结构的单层厂房中，采用基础梁承受围护墙体的重量，并把它传给柱下单独基础，不另设墙基础。,2.4结构选型和截面尺寸确定2.4.1屋盖结构构件1.屋面板无檩：大型屋面板(1.5m6.0m)，F型屋面板、单肋板、空心板。,2.有檩：檩条、小型屋面板（槽瓦、波形大瓦等）檩条搁在屋架或屋面大梁上，起着支承小型屋面板并将屋面荷载传给屋架的作用。它与屋架间用预埋钢板焊接，并与屋盖支撑一起保证屋盖结构的整体刚度。,3.屋架,4.天窗架和托架,天窗架,托架,2.4.2吊车梁吊车梁直接承受吊车起重、运行和制动时产生的各种往复荷载；传递厂房的纵向荷载、保证厂房的纵向刚度。,吊车梁的类型,2.4.3柱1.柱的形式:矩形、工字形、双肢柱。,2.柱的截面尺寸设计柱子的截面尺寸时不仅考虑承载力，还需考虑厂房柱的刚度要求。表2.4.2给出矩形、I形截面柱尺寸的限值，若满足该限值要求，就认为厂房的横向刚度已得到保证。厂房柱截面尺寸参考下表。2.4.4基础1.基础的类型：单层厂房一般采用预制柱下基础，其主要形式有杯形基础（分梯形和锥形）、高杯基础、爆扩桩基础和预制桩基础。,2.基础尺寸的初步拟定基础类型基础底面尺寸根据基底反力和地基承载力由计算确定。基础高度和外形尺寸可根据工程经验确定。,基础类型,2.5排架结构内力分析横向平面排架结构是单层厂房结构计算的基本单元，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排架计算简图1.计算单元:按平面结构计算，根据结构布置和受力状况，选取最有代表性的计算单元。,2.基本假定和计算简图（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；（4）排架柱的高度由固定端算至柱顶铰接处；（5）排架的跨度以厂房的轴线为准。,2.5.2排架上的荷载1.恒载屋盖恒载G1（包括屋面构造层、屋面板、天沟板、天窗架、屋架、屋盖支撑以及与屋架连接的设备管道）；悬墙自重重力荷载G2；吊车梁和轨道及连接件的重力荷载G3；柱自重重力荷载G4、G5。,恒载作用位置及相应的计算简图,2.屋面活荷载(1)屋面均布活荷载：不上人屋面取0.5kN/m2，上人屋面取2.0kN/m2。(2)屋面雪荷载Sk=rS0Sk：屋面水平投影面上的雪荷载标准值，单位为：kN/m2S0：基本雪压，单位为kN/m2；r：屋面积雪分布系数，当坡屋面坡度不大于25时，r=1.0。,3.风荷载,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。,4.吊车荷载,吊车荷载示意图,桥式吊车在排架上产生的吊车荷载有竖向荷载、横向水平荷载和纵向水平荷载。（1）吊车竖向荷载Dmax（或Dmin）当小车在额定最大起重量Q开到大车某一极限位置时，在这一侧的每个大车轮压为吊车的最大轮压标准值，在另一侧的为最小轮压标准值。,Dmax可以发生在左柱，也可以发生在右柱，在Dmax、Dmin作用下单跨排架的计算应考虑两种情况，如下图所示。,（2）吊车横向水平荷载Tmax在计算吊车横向水平荷载作用下排架结构内力时，无论单跨或多跨厂房最多考虑两台吊车同时制动。小车制动力可近似考虑由支承吊车的两侧排架柱各负担一半。吊车横向水平制动力作用在吊车的竖向轮压处。,对于一般的四轮桥式吊车，每个轮子作用在轨道上的横向水平制动力为：排架柱上最大横向水平力为：,吊车荷载作用下的计算简图,（3）吊车纵向水平荷载To吊车纵向水平荷载是桥式吊车在厂房纵向启动或制动时产生的惯性力。吊车纵向水平荷载由吊车每侧制动轮传至两侧轨道，并通过吊车梁传给纵向柱列或柱间支撑，而与横向排架结构无关。吊车纵向水平荷载标准值：,2.5.3等高排架内力分析排架的内力分析方法与排架的形式及荷载的作用方式有关，可采用力法和位移法进行分析。1.柱顶水平集中力作用下等高排架的内力分析,利用解超静定结构的三个条件：平衡条件、变形条件和物理条件求解柱顶剪力。柱顶作用的水平力与各柱顶的水平剪力平衡横梁轴向刚度无穷大，各柱顶的位移相等各柱的柱顶剪力和柱顶位置的关系,解联立方程求得各柱柱顶剪力式中为第i根柱的剪力分配系数：,2.任意荷载作用下等高排架的内力分析,任意荷载作用下等高排架的内力分析,不能直接应用剪力法，但通过柱顶加铰支连杆可以通过转换用剪力分配法求解。分四步走：在排架柱顶附加一个不动铰支座，限制其水平侧移；此时排架变为多根一次超静定柱，利用柱顶反力系数可求得各柱顶反力Ri及相应的柱端剪力，则柱顶假想的不动铰支座反力为：R=Ri；撤除不动铰支座，将R反向加于排架柱顶，用剪力分配法将其分配给各柱，求得柱顶分为:iR；叠加上述计算结果，可得到排架在任意荷载作用下的柱顶剪力，至此，排架各柱的内力即可求解。,2.5.6内力组合柱的控制截面内力组合就是确定柱的控制截面和相应的最不利内力，并进行荷载组合。1.柱的控制截面-上柱柱底截面-牛腿顶面-下柱柱底截面,柱的控制截面,2.内力组合原则通过组合求出可能出现的最不利内力荷载规范规定荷载效应组合的设计值S，应从下列组合值中取最不利值：请注意：当（3-18）式中n=1时，组合系数0.9应改为1.0。,3.内力组合项目偏心受压柱的破坏形态有两种：大偏心受压和小偏心受压，故对控制截面考虑四种最不利内力组合：Mmax及相应的N、VMmin及相应的N、VNmax及相应的M、VNmin及相应的M、V,弯矩、轴力和配筋关系图,2.6柱的设计柱的设计包括柱的形式的选择、确定截面尺寸、配筋计算、吊装验算、牛腿设计等。2.6.1截面设计1.截面配筋计算柱按偏心受压构件计算配筋：（1）斜截面和正截面;（2）大偏心,小偏心;（3）对称配筋,非对称配筋。,配筋计算要点（使用阶段验算）：单层厂房排架柱各控制截面的不利内力组合值（M,N,V）是柱配筋计算的依据。一般情况下，矩形、工字形截面实腹柱可按构造要求配置箍筋，不必进行受剪承载力计算。因柱截面上同时作用弯矩和轴力，且弯矩有正、负两种情况，故这种柱应按对称配筋偏心受压截面进行弯矩作用平面内的受压承载力计算，还应按轴心受压截面进行平面外受压承载力验算。在对柱进行受压承载力计算或验算时，需要考虑二阶效应影响。,内力组合的取舍：对称配筋时，取：|Mmax|及相应的N；Nmax及相应的M；Nmin及相应的M。对于大偏心受压，M接近，N小不利；对于小偏心受压，M接近，N大不利；无论什么情况，N接近，M大不利。,2.构造要求受力纵筋：直径d12mm,全部纵向配筋率不宜超过5%。混凝土强度等级：C20，一般在C25C40之间当偏心受压柱的截面高度h600mm时，在侧面应设置直径为1016mm的纵向构造钢筋，并相应地设置复合箍筋或拉筋。柱内纵向钢筋的净距不应小于50mm；对水平浇筑的预制柱，其上部纵向钢筋的净距不应小于30mm和1.5d（d为钢筋的最大直径），下部纵向钢筋的净距不应小于25mm和d。,偏心受压柱中垂直于弯矩作用平面的纵向受力钢筋以及轴心受压柱中各边的纵向受力钢筋，其中距不应大于350mm。箍筋：直径6mm,且d/4（d为纵向钢筋的最小直径）间距400mm,且柱宽b;当h600mm、d1016mm时，箍筋应为封闭式。当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率超过3时，箍筋直径不宜小于8mm，间距不应大于10d(d为纵向钢筋的最小直径），且不应大于200mm。,2.6.3柱的吊装验算（施工阶段验算）,柱的吊装方式及简图,吊装采用一点吊时，吊点设在牛腿的根部，吊车验算的控制截面有上柱柱底、牛腿根部和下柱跨中三个控制截面。吊装方法有平吊和翻身吊两种；吊装时，柱自重的分项系数取1.2；应考虑动力系数1.5；结构的重要性系数取0.9;应注意不同的起吊方法，柱的受力状态不同，截面尺寸和可利用钢筋的数量不同。吊装时通过限制钢筋应力来限制裂缝宽度。,2.6.2牛腿设计牛腿设置在柱上，用来支承屋架、托架、吊车梁和连系梁等主要受力构件。牛腿按力的作用位置分为：长牛腿(a1h0)，短牛腿(a1h0)。,牛腿类别,1.牛腿的受力特点及破坏形态试验表明，从加载至破坏，牛腿大体经历弹性、裂缝出现与开展和破坏三个阶段。,牛腿的受力特点,裂缝开展:,当达到极限值的2040%，出现垂直裂缝；在极限荷载的4060%，出现第二条斜裂缝；约极限荷载的80%，突然出现第三条斜裂缝。,弯压破坏当1a/h00.75时，且纵向钢筋配筋率较低时，随着荷载增加纵向钢筋应力不断增加最终受拉钢筋屈服，牛腿下部与柱相交的受压区砼压碎。,斜压破坏当a/h0=0.10.75时，随着荷载增加，整个压杆范围内出现大量短小斜裂缝，最终形成一条通长斜裂缝而破坏，此时受拉钢筋达到屈服强度。,剪切破坏当a/h00.1时，牛腿与下柱的交接面上出现一系列短而细的斜裂缝，最后牛腿沿此裂缝从柱上切下而破坏。,局部受压破坏当加载垫板过小时，可能发生局部受压破坏。,2.牛腿截面尺寸的确定牛腿的宽度与柱同宽；牛腿的高度由不出现斜裂缝为控制条件来确定；,3.牛腿的配筋计算与构造斜截面受弯承载力计算及纵筋构造,牛腿的计算简图,2.7柱下单独基础设计按受力特点分为：轴心受压基础和偏心受压基础；按施工方法分为：现浇柱下基础和预制柱下杯形基础；,基础受力类型,2.7.1概述1.基础的作用和设计要求作用：作用：将上部结构的荷载通过基础安全均匀地扩散到地基土中。要求：应有足够大的基础外形尺寸(与荷载重和地基承载力有关)；应有足够的基底配筋(受弯计算)。应有足够的基础高度(冲韧验算)；,2.7.2柱下单独基础设计1.基底外形尺寸的确定：轴心受压柱下基础上部结构传来的荷载效应为：Nk；地基土的承载力特征值为：pk；基础埋深为d，基础自重和基底以上土重度的平均值为m，可近似取m=20KN/m3。,轴心受压基础,基础底面积的确定条件是：偏心受压柱下基础：上部结构传来的荷载：Nk、Mk、Vk；地基土的承载力特征值：fa。,基底的线性分布的应力Pmax,Pmin应满足以下条件：,Pmax,Pmin可由材料力学公式求解：,当ea/6时，用下式计算pmax:确定偏心受压基础底面积时，采用以下方法（试算法）：（1）按轴心受压基础公式计算，计算基础底面积A1（2）考虑偏心影响，A=（1.1-1.4）A1（3）确定最大和最下基底压力;（4）验算是否满承载力计算公式要求,修改b,l指导符合条件为止。,2.基础高度的确定基础高度是由构造条件及基础抗冲切条件确定的。,式中：am冲切破坏锥体截面上边长，at和下边长ab的平均值：am=（at+ab）/2,3.基础板底配筋的确定基础底板在地基净反力作用下，在两个方向都会产生弯曲，其受力如同支承于柱的反向悬臂结构。因此，需在板