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第12章单层厂房结构本章主要内容及重点单层厂房结构形式排架计算单层厂房柱的设计柱下独立基础设计横向排架结构内力分析柱的设计柱下独立基础设计主要内容:重点:单层厂房结构组成和传力途径单层厂房结构布置一、工业厂房的分类
工业厂房由于生产性质、工艺流程、机械设备和产品的不同,按层数分类,可分为:单层厂房多层厂房层数混合的厂房如精密仪表、电子、食品等工业如化学工业、热电厂等如冶金或机械厂的炼钢、轧钢、铸造、锻压、金工、装配等车间,一般因设有大型机器或设备,产品较重且轮廓尺寸较大,故宜直接在地面上生产而设计成单层厂房——————12.1单层厂房的结构形式、组成和结构布置12.1.1单层厂房的结构形式
混合结构
钢筋混凝土结构
二、单层厂房的分类
对无吊车或吊车吨位不超过5t、跨度在15m以内、柱顶标高不超过8m且无特殊工艺要求的小型厂房,可采用混合结构对有重型吊车、跨度大于36m或有特殊工艺要求的大型厂房,可采用全钢结构或由钢筋混凝土柱与钢屋架组成的结构————
1、按生产规模可分为:大型、中型和小型;
2、按主要承重材料可分为:钢结构
——除上述情况以外的单层厂房均可采用混凝土结构。而且除特殊情况之外,一般均采用装配式钢筋混凝土结构3、按承重结构体系可分为:排架结构和刚架结构
排架结构:由屋架(或屋面梁)、柱和基础组成。特点:柱与屋架铰接、与基础刚接。目前,排架结构是单层厂房的基本结构形式。
刚架结构:指装配式钢筋混凝土门式钢架。
特点:柱与横梁刚接为一个构件、柱与基础铰接。三饺两饺弧形钢架弧形或工字型空腹钢架
目前,钢混钢架已很少使用,但钢的钢架结构仍应用广泛。本章重点讲述排架结构设计中的要点。12.1.2单层厂房的结构组成和传力路线
一、单层厂房结构的组成承重结构: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。单层厂房结构的组成,按作用分:屋盖结构——有檩体系
无檩体系
——由大型屋面板、屋架或屋面梁及屋盖支撑组成,有时还包括有天窗架和托架等构件——由小型屋面板、檩条、屋架及屋盖支撑所组成1、屋盖结构混凝土屋盖结构组成:屋面板、天沟板、屋架屋面梁或屋架支撑,有时还有天窗架和托架等。有檩体系无檩体系构件名称构件作用备注屋盖结构屋面板承受屋面构造层自重、屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载以及施工荷载等,并将它们传给屋架(屋面梁),具有覆盖、围护和传递荷载的作用支撑在屋架(屋面梁)或檩条上天沟板屋面排水并承受屋面积水及天沟板上的构造层自重、施工荷载等,并将它们传给屋架天窗架形成天窗以便于采光和通风,承受其上屋面板传来的荷载及天窗上的风荷载等,并将它们传给屋架托架当柱距比屋架间距大时,用以支撑屋架,并将荷载传给柱屋架或屋面梁与柱形成横向排架结构,承受屋盖上的全部竖向荷载,并将它们传给柱檩条支撑小型屋面板(或瓦材),承受屋面板传来的荷载,并将它们传给屋架有檩体系屋盖中采用——横向排架结构
由横梁(屋架或屋面梁)、横向柱列及其基础所组成的平面骨架,是厂房的基本承重结构。厂房承受的竖向荷载及横向水平荷载主要通过横向平面排架传至基础及地基。横向平面排架组成及荷载图2、横向平面排架结构
——纵向排架结构
由连系梁、吊车梁、纵向柱列、柱间支撑和基础等构件组成的纵向平面骨架。作用是保证厂房结构的纵向稳定性和刚度,承受吊车纵向水平荷载、纵向水平地震作用、温度应力以及作用在山墙及天窗架端壁并通过屋盖结构传来的纵向风荷载等。纵向平面排架组成及荷载图3、纵向平面排架结构
——吊车梁
一般为装配式,简支在柱牛腿上,主要承受吊车竖向和横向或纵向水平荷载,并将它们分别传给横向或纵向排架4、吊车梁
5、支撑
屋盖支撑加强屋盖结构空间刚度,保证屋架的稳定,将风荷载传给排架结构柱间支撑加强厂房的纵向刚度和稳定性,承受并传递纵向水平荷载至排架柱或基础支撑
6、基础梁
基础梁
承受柱、基础梁传来的全部荷载,并将它们传给地基围护结构
——位于厂房的四周,包括纵墙、横墙(山墙)、抗风柱、连系梁、基础梁等构件。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。7、围护结构
单层厂房结构中,纵向平面排架和横向平面排架间主要通过屋盖结构和支撑体系相连接而形成空间结构,各构件及其作用如下表所示。单层厂房结构构件及其作用
构件名称构件作用备注屋盖结构屋面板承受屋面构造层自重、屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载以及施工荷载等,并将它们传给屋架(屋面梁),具有覆盖、围护和传递荷载的作用支撑在屋架(屋面梁)或檩条上天沟板屋面排水并承受屋面积水及天沟板上的构造层自重、施工荷载等,并将它们传给屋架天窗架形成天窗以便于采光和通风,承受其上屋面板传来的荷载及天窗上的风荷载等,并将它们传给屋架托架当柱距比屋架间距大时,用以支撑屋架,并将荷载传给柱构件名称构件作用备注屋盖结构屋架或屋面梁与柱形成横向排架结构,承受屋盖上的全部竖向荷载,并将它们传给柱檩条支撑小型屋面板(或瓦材),承受屋面板传来的荷载,并将它们传给屋架有檩体系屋盖中采用柱排架柱承受屋盖结构、吊车梁、外墙、柱间支撑等传来的竖向和水平荷载,并将它们传给基础同时为横向排架和纵向排架中的构件抗风柱承受山墙传来的风荷载,并将它们传给屋盖结构和基础也是围护结构的一部分支撑体系屋盖支撑加强屋盖结构空间刚度,保证屋架的稳定,将风荷载传给排架结构柱间支撑加强厂房的纵向刚度和稳定性,承受并传递纵向水平荷载至排架柱或基础构件名称构件作用备注围护结构外纵墙山墙厂房的围护构件,承受风荷载及其自重连系梁连系纵向柱列,增强厂房的纵向刚度,并将风荷载传递给纵向柱列,同时还承受其上部墙体的重量圈梁加强厂房的整体刚度,防止由于地基不均匀沉降或较大振动荷载引起的不利影响过梁承受门窗洞口上部墙体的重量,并将它们传给门窗两侧墙体基础梁承受围护墙体的重量,并将它们传给基础吊车梁承受吊车竖向和横向或纵向水平荷载,并将它们分别传给横向或纵向排架简支在柱牛腿上基础承受柱、基础梁传来的全部荷载,并将它们传给地基二、单层厂房荷载传递路线示意图方案设计阶段技术设计阶段施工图阶段确定柱网布置等平面问题
一个建设项目的设计,一般包括工艺设计、建筑设计、结构设计和设备设计(如水、暖、电等)等几方面。就单层厂房结构设计而言,可分为方案设计、技术设计和施工图绘制等三个阶段。——确定结构形式、标高等剖面问题选择结构构件类型确定结构布置——确定结构计算简图荷载计算及排架内力分析结构构件(柱、基础等)设计——结构布置图(屋面、柱、基础等)构件布置与配筋图节点大样图12.1.2单层厂房的结构布置跨度定义:厂房承载柱或承重墙的纵向定位轴线之间的距离。柱距定义:横向定位轴线之间的距离。柱网定义:厂房承重柱(或承重墙)的纵向与横向定位轴线在平面上排列所形成的网格,称为柱网。柱网布置:就是确定柱子纵向定位轴线之间的距离(跨度)和横向定位轴线之间的距离(柱距)。一、柱网与定位轴线1、柱网布置柱网布置的一般原则:
(1)符合生产工艺和正常使用的要求;(2)建筑平面和结构方案经济合理;(3)在厂房结构形式和施工方法上具有先进性和合理性;(4)在结构平面布置中,柱网应采用统一模数制。以100mm为基本单位,用M表示。规定:当厂房的跨度≤18m时,应取3m的倍数,即9m、12m、15m、18m;厂房的跨度≥18m时,则取6m的倍数,即24m、30m、36m等。厂房的柱距一般取6m或6m的倍数,有时也有9m、12m。如下图所示结构平面的主要尺寸由轴线表示。柱距方向的轴线称为横向定位轴线,以①②③…表示。跨度方向的轴线称为纵向定位轴线,以A、B、C……表示;ABC123456782、纵向定位轴线(1)纵向定位轴线,以A、B、C……表示;(2)对于无吊车或吊车吨位≤30t的厂房,要求边柱外边缘、纵墙内边缘、纵向定位轴线三者重合,形成封闭,如图12-8(a)。(3)关系
纵向定位轴线之间的距离,即跨度L与吊车轨距Lk关系:L=Lk+2ee=B1+B2+B3
e—为吊车轨道中心线至吊车桥架外边缘的距离,一般取750mm,留此距离目的保证构照要求和安全行驶。
3、横向定位轴线横向定位轴线一般过柱截面几何中心,用①②③…表示。在厂房纵向尽端处,横向定位轴线与山墙内皮重合,并把山墙内侧第一排柱中心线内移600mm,并将端部屋面板做成一伸臂板。同样,在伸缩缝两侧的柱中心线也须向两边内移600mm,使伸缩缝中心线与横向定位轴线重合。二、变形缝的设置(1)伸缩缝设置
a.伸缩缝的设置情况:当房屋的长度或宽度过大时,为减小房屋结构中的温度应力,应设置伸缩缝。变形缝包括伸缩缝、沉降缝和防震缝三种。
b.伸缩缝的做法:应从基础顶面开始,将两个温度区段的上部结构完全分开,并留出一定宽度的缝隙,使上部结构在气温变化时,沿水平方向可以较自由地发生变形,不致引起房屋开裂。对于钢筋混凝土装配式排架结构,其伸缩缝的最大间距,露天时为70m,室内或土中时为100m。
伸缩缝的做法有双柱式[图1(a)]和滚轴式[图1(b)],双柱式用于沿横向设置的伸缩缝,而滚轴式用于沿纵向设置的伸缩缝。图1单层厂房伸缩缝的构造(a)双柱式;(b)滚轴式(2)沉降缝
a.设置情况。在单层厂房中,一般不做沉降缝,只在下列特殊情况才考虑设置:当相邻厂房高度相差悬殊(10m以上)、地基土的压缩性有显著差异、厂房结构(或基础)类型有明显不同、厂房各部分的施工时间先后相差较长时,为避免由于地基不均匀沉降在结构中产生附加应力使结构破坏,应设置沉降缝。
b.做法。沉降缝应从屋顶至基础完全分开,以使缝两侧结构发生不同沉降时互不影响,从而保证房屋的安全和使用功能。
沉降缝的最小宽度不得小于50mm,沉降缝可兼做伸缩缝。(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生活间、变电所、炉子间等附属房时,应设置防震缝将相邻部分分开,地震区的厂房伸缩缝和沉降缝均应符合防震缝的要求。三、单层厂房的支撑(1)加强厂房结构的空间刚度,保证结构构件在安装和使用阶段的稳定和安全;(2)有效传递纵向水平荷载(风荷载、吊车纵向水平荷载及地震作用等);同时还起着把风荷载、吊车水平荷载和水平地震作用等传递到相应承重构件的作用。支撑的作用厂房支撑分为屋盖支撑和柱间支撑两类。
1、屋盖支撑(1)上弦横向水平支撑
屋盖支撑包括上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑、纵向水平系杆、天窗架支撑等。构成:沿厂房跨度方向用交叉角钢、直腹杆和屋架上弦杆构成的水平桁架。
布置在厂房端部及温度区段两端的第一或第二柱间;如下图所示
第二章单层厂房结构
上弦横向水平支撑布置(2)屋盖下弦水平支撑屋盖下弦水平支撑系指布置在屋架下弦平面内的水平支撑,包括下弦横向水平支撑和下弦纵向水平支撑。下弦横向水平支撑布置屋架之间纵向水平支撑的作用及布置示意图(3)垂直支撑及水平系杆垂直支撑是指在相邻两榀屋架之间由角钢与屋架的直腹杆组成的垂直桁架。
构成:由角钢杆件与屋架直腹杆组成的垂直桁架,形式为十字交叉形或W形。作用:保证屋架受荷后在平面外的稳定;传递纵向水平力。布置:应与下弦横向水平支撑布置在同一柱间内。当厂房跨度小于18m且无天窗时,一般可不设垂直支撑和水平系杆;当厂房跨度18~30m、屋架间距为6m、采用大型屋面板时,应在每一伸缩缝区段端部的第一或第二柱间,屋架跨中设置一道垂直支撑;当屋架跨度大于30m时,应在每一伸缩缝区段端部的第一或第二柱间,屋架跨度1/3左右的节点处设置两道垂直支撑。
(4)垂直支撑垂直支撑和水平系杆布置图2、柱间支撑布置
柱间支撑是纵向平面排架中最主要的抗侧力构件。
柱间支撑是由交叉的型钢和相邻两柱组成的立面桁架,柱间支撑按其位置分为上柱柱间支撑和下柱柱间支撑。分别位于吊车梁上部和下部。柱间支撑一般设置在伸缩缝区段两端与屋盖横向水平支撑相对应的柱距以及伸缩缝区段中央或临近中央的柱距,并在柱顶设置通长的刚性连系杆以传递水平作用力。四、抗风柱的作用与构造抗风柱一般与基础刚接,与屋架上弦铰接;当屋架设有下弦横向水平支撑时,也可与下弦铰接或同时与上、下弦铰接。
抗风柱与屋架之间一般采用竖向可以移动、水平方向又有较大刚度的弹簧板连接;如厂房沉降量较大时,宜采用槽形孔螺栓连接。如下图抗风柱与屋架上、下弦连接构造五、圈梁、连系梁、过梁和基础梁
圈梁:设置于墙体内并与柱子连接的现浇钢筋混凝土构件,其作用是将墙体与排架柱、抗风柱等箍在一起,以增强厂房的整体刚度,防止由于地基的不均匀沉降或较大的振动荷载对厂房产生不利影响。连系梁:除承受墙体荷载外,还具有连系纵向柱列、增强厂房的纵向刚度、传递纵向水平荷载的作用。
过梁:当墙体开有门窗洞口时,需设置钢筋混凝土过梁,以支承洞口上部墙体的重量。在进行围护结构布置时,应尽可能地将圈梁、连系梁和过梁结合起来,使一种梁能兼作两种或三种梁的作用,以简化构造,节约材料,方便施工。
基础梁:在单层厂房中,一般采用基础梁来承托围护墙体的重量,并将其传至柱基础顶面,而不另做墙基础,以使墙体和柱的沉降变形一致。一、排架的计算简图1、计算单元由于横向排架沿厂房纵向一般为等间距均匀排列,作用于厂房上的各种荷载(吊车荷载除外)沿厂房纵向基本为均匀分布,计算时可以通过任意相邻纵向柱距的中心线截取出有代表性的一段作为整个结构的横向平面排架的计算单元,除吊车等移动荷载以外,阴影部分就是排架的负荷范围,或称从属面积。第二章单层厂房结构可在结构平面图上由相邻柱距的中线截出一个典型的区段,作为排架的计算单元。计算单元即为一个排架的负荷范围。计算单元和计算模型横向排架的计算简图计算简图中,柱的计算轴线取上部和下部柱截面重心的连线,屋面梁或屋架用一根没有轴向变形的刚杆表示。厂房标高共有3个:柱顶标高、牛腿标高、轨道标高。(1)结构设计要确定柱顶标高和牛腿标高,这两种标高应符合模数制。(2)轨道标高由工艺确定,实际轨道标高可与工艺要求值相差200mm。(3)标高计算柱顶标高=轨顶标高+吊车高度+净空净空—指屋架下弦至吊车顶端的距离(≥220mm),恒载和活载两类。见课本图12-19排架荷载示意图。(一)恒载
集中荷载作用点的位置要根据实际确定,如屋架自重作用点的位置确定如下:当采用屋架时,如(a)图。当采用屋面梁时如图(b)图。设F1是屋架自重作用在上部柱的竖向偏心压力,它对上部柱计算轴线偏心距为e1,则它对排架所产生的作用可归纳如下:
恒载作用位置及相应的排架计算简图
(1)恒载:屋盖自重F1——
作用于上柱柱顶,距上柱计算轴线的偏心距为e1。悬墙自重F5——沿悬墙中心线作用于侧牛腿顶面。吊车梁和轨道及连接件自重F4——沿吊车梁中心线作用于牛腿顶面。柱自重(上柱F2、下柱F3):F2作用于上柱形心,与下柱偏心距为e0(e0为上下柱形心的距离)。F3作用于下柱形心。其他竖向荷载的作用点如下:
恒载作用位置及相应的排架计算简图
(二)屋面活荷载50年(1)任意高度处风荷载标准值确定:(三)风荷载(2)排架计算简图上风荷载标准值计算沿厂房高度变化的风荷载可分为两部分:
(1)柱顶以下的风荷载标准值沿高度取为均匀分布,其值分别为q1k+q2k,此时风压高度变化系数μz按柱顶标高确定。
(2)
柱顶以上的风荷载标准值取其水平分力之和,并以水平集中风荷载Fw的形式作用于排架柱顶(如图所示)。
此时的风压高度变化系数μz,对有天窗的可按天窗檐口标高确定;对无天窗的可按屋盖的平均标高或檐口标高确定。风荷载的计算方法见课本上例题2-1
50按主要承重结构分:单梁式和桥式,常用桥式吊车。按吊钩的种类分:
软钩和硬钩,一般采用软钩吊车。按动力来源分:
手动和电动,多采用电动吊车。按运行频繁程度分:轻级工作制——运行时间不超过全部生产时间15%,如检修设备的吊车。重级工作制——运行时间超过全部生产时间40%的,如轧钢厂吊车。中级工作制——介于轻级和重级工作制之间,使用最多的吊车。特重级工作制吊车起重量Q的表示:如20/5t,表明吊车主钩额定起重量为20t,副钩额定起重量为5t。(四)吊车荷载1、吊车的分类厂房设计可按吊车荷载进行。吊车工作制度:按其额定起重量的频繁程度分类为轻级、中级、重级及特重级四种荷载状态。吊车工作级别:根据《建筑结构荷载规范》,按吊车利用等级和荷载状态,可分为8个工作级别。
即A1~A3(轻)、A4~A5(中)、A6~A7(重)和A8(特重)
1、吊车竖向荷载:
桥式吊车由大车(桥架)和小车组成。大车在吊车梁的轨道上沿厂房纵向行驶,小车在大车的导轨上沿厂房横向运行。吊车荷载通过大车两端行驶的四个轮子作用在吊车梁上,再由吊车梁传给排架柱,故应先计算每一个轮子所传递的吊车荷载,再根据轮子在吊车梁上的位置计算由吊车梁传给柱子的吊车荷载。
桥式吊车对排架的作用有竖向荷载和横向荷载两种。图1吊车荷载示意图吊车竖向荷载概念:吊车竖向荷载是指吊车(大车与小车)自重与起吊重物经由吊车梁传给柱子的竖向压力。最大轮压Pmax
、最小轮压Pmin
概念:当小车起吊重量达额定的最大值Qmax,且小车行驶到大车桥一端的极限位置时,在这一侧的每个大吊车轮压,称为“吊车的最大轮压标准值Pmax,k”
;此时,作用在另一边轨道上的轮压则为“最小轮压标准值Pmin,k
”
。二者同时发生。如图所示。图2吊车的最大轮压与最小轮压
Pmax,k标准值可根据吊车的规格(吊车类型、起重量、跨度及工作制等)自吊车产品样本中查得。吊车是移动的,吊车梁传给柱子的吊车最大竖向荷载Dmax与吊车最小竖向荷载Dmin即支座的最大反力标准值(最小反力值)可根据吊车每个轮子的轮压Pmax,k(Pmin,k)、吊车宽度B和轮距K,利用吊车梁(按简支梁考虑)的支座反力影响线及吊车轮子的最不利位置求出。
53当单跨厂房中设有相同的两台吊车时,Dmax和Dmin计算公式为Dmax=βPmax∑yiDmin=Pmin∑yi=式中∑yi——吊车最不利布置时,各轮子下影响线竖向坐标值之和,可根据吊车的宽度
B和轮距K确定。图1吊车梁的支座反力影响线及吊车轮子的最不利位置式中:、——表示第台吊车的最大轮压和最小轮压;
——与吊车轮压相对应的支座反力影响线的竖向坐标值,可根据吊车的宽度B及轮距K计算。
b---为多台吊车荷载折减系数。当单跨厂房中设有不同的两台吊车时,Dmax和Dmin计算公式为吊车竖向荷载Dmax、Dmin沿吊车梁的中心线作用在牛腿顶面,对下柱截面中心线的偏心距为e4(如图所示),相应的力矩MDmax、MDmin为MDmax=Dmaxe4
MDmin=Dmin
e4
排架结构在吊车竖向荷载作用下的计算简图如图所示。(2)吊车水平荷载分为横向水平荷载和纵向水平荷载两种。吊车横向水平荷载:主要是指小车制动或启动时所产生的横向水平惯性力,通过小车刹车轮与桥架轨道之间的摩擦力传给大车,再通过大车轮在吊车轨顶传给吊车梁,而后由梁柱连接钢板传给柱。考虑正、反两个方向的刹车情况,横向水平荷载作用在吊车梁的顶面水平处(图)。图12吊车的横向水平作用《荷载规范》规定:吊车横向水平荷载标准值,应取横行小车重力标准值G2,k与额定起重量标准值G3,k之和乘以横向制动系数。吊车横向水平荷载平均分配于各轮,则每个轮子所传递的横向水平力为:Tk=α(G2,k+G3,k)/n式中:α——吊车横向水平荷载系数,
对软钩吊车,当Q≤100kN时,α=0.12当Q=160~500kN时,α=0.1当Q≥750kN时,α=0.8;对硬钩吊车,α=0.2;n——每台吊车的总轮数。对于一般四轮桥式吊车,大车每一轮子传递给吊车梁的横向水平制动力
为:
Tk=a(G2,k+G3,k)/4
吊车每个轮子的T值确定后,即可用计算吊车竖向荷载的同样方法,计算作用于柱上的吊车最大横向水平荷载Tmax,k,只是此时的作用方向不同(图)。此Tmax,k值同时作用于吊车两边的柱上,方向相同。两吊车相同:两吊车不同:
《荷载规范》规定:计算排架时,多台吊车的竖向荷载和水平荷载的标准值,应乘以规定的折减系数(参见表12-1)。当两台吊车参与组合时,对吊车工作级别A1~A5,折减系数取0.9,对吊车工作级别A6~A8,折减系数取0.95;当三台吊车参与组合时,对吊车工作级别A1~A5,折减系数取0.85,对吊车工作级别A6~A8,折减系数取0.90;当四台吊车参与组合时,对吊车工作级别A1~A5,折减系数取0.8,对吊车工作级别A6~A8,折减系数取0.85。吊车纵向水平荷载:指大车制动或启动时所产生的惯性力,其作用点位于刹车轮与轨道的接触点,其方向与轨道方向一致,由厂房的纵向排架承担。
吊车纵向水平荷载标准值,应按作用在一边轨道上所有刹车轮的最大轮压之和的10%采用。每个轮子所传递的吊车纵向水平荷载Tl可按下式计算:
Tl=0.1mnPmaxm-起重量相同的吊车台数,n-吊车每侧刹车轮数。因为一般四轮吊车每侧的制动轮数为1,故Tl亦为每台吊车的纵向制动力。讲解课本上例题
三、用剪力分配法计算等高排架
1.等高排架的概念:根据排架横梁刚度无穷大和横梁长度不变的假定,排架在任何荷载作用下,所有柱顶水平位移均相等的排架,称等高排架。2.等高排架的特点——柱顶水平位移均相等。第一种:柱顶标高相同;第二种:柱顶标高虽不等,但柱顶水平位移均相等。
不等高排架的特点:高低跨柱顶水平位移不等。3.计算方法:不等高排架:力法等高排架:剪力分配法等高排架求解思路:等高排架柱顶位移相等,故可按剪力分配法先求出各柱柱顶剪力,然后按独立悬臂柱计算在已知剪力和外荷载作用下任意截面的内力。4.单位力作用下单阶悬臂柱顶水平位移的计算下面为一单阶柱柱顶受单位力作用时的位移计算简图。uy2=(H+2Hu)/3y3=2Hu/3P=1HlHuHEcIlEcIuBA3B1BA2A1y1=(2H+Hu)/3HP=1HHuHu图1单阶悬臂柱的侧移计算简图由结构力学中,当P=1时,由图乘法可知:
其中C0可查附表9-2得到。由图示及公式可知:单位力作用下柱顶产生位移为Δu,反之,欲使柱顶产生单位位移,则需在柱顶施加1/Δu的水平力。在材料相同的情况下,柱越粗,则需施加的柱顶水平力越大,可见1/Δu反映了柱的抗侧移能力,俗称柱的“抗剪刚度”或“侧移刚度”,记作D05.柱顶作用水平集中力时的剪力分配
当柱顶有水平集中力作用时,设有n根柱,各柱顶水平位移为u.任一根柱的侧移刚度为K=1/u,则其分配的柱顶剪力Vi可由力的平衡条件和变形协调条件求得。如下图,根据柱侧移刚度的定义,有:下面推导剪力分配系数公式:其中:a=b=c=u6.等高排架在任意荷载作用下的内力计算
③3:可按附录C查表求得。讲解课本上例题四、排架柱的控制截面与内力组合
2.内力组合中的两个问题在排架内力计算中,当求出了各种荷载单独作用下某个控制截面上的内力以后,有待解决的两个问题如下:(1)控制截面上有三种内力:轴力、剪力、弯矩。问题一:对同一个控制截面,这三种内力如何搭配时,其截面的承载力才是最不利的?(2)永久荷载和可能同时出现的各种可变荷载,对某个控制截面的同一种内力都会分别产生荷载效应。问题二:把同一种内力的这些荷载效应进行怎样的组合才能得到其最不利内力?注意:柱控制截面的最不利内力是柱和基础配筋计算的依据(1)不同种类的内力组合问题一:对同一个控制截面,轴力、剪力、弯矩如何搭配时,其截面的承载力才是最不利的?单层厂房的排架柱是偏心受压构件,一般采用对称配筋,其纵向受力钢筋的计算主要取决于轴向压力N和弯矩M。根据可能需要的最大配筋量,对于矩形、工字形截面柱的每一个控制截面,一般可考虑一下四种内力的不利组合:(1)+Mmax与相应的N和V。(2)-Mmax与相应的N和V。(3)Nmax与相应的M和V。(4)Nmin与相应的M和V。
组合目的:在进行某一种内力组合时,如2)中-Mmax与相应的N,其目的是为求出某截面可能产生的最大负弯矩(绝对值)。求最不利组合的做法:凡使该截面产生负弯矩的活荷载项,只要实际上是可能同时发生的,都要参加组合,然后,将所选项的轴力N也相加。
(1)+Mmax与相应的N和V。(2)-Mmax与相应的N和V。(3)Nmax与相应的M和V。(4)Nmin与相应的M和V。注意:(1)当采用对称配筋及采用对称基础时,前两种组合可以合并为一种,即|M|max与相应的N和V.(2)通常,按上述内力组合已能满足设计要求,但某些特殊情况下,它们可能都不是最不利的。如大偏心受压柱截面,偏心距越大,配筋量越大。(即使M不是最大,但N相对来说较小时),此时内力组合才为最不利。
永久荷载和可能出现的各种可变荷载,对某个控制截面的同一种内力都会分别产生荷载效应,所以如何把同一种内力的这些荷载效应进行组合才能求出其最不利内力是求解的关键。对于一般排架、框架结构,荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定:(2)同一种内力的组合
问题二:把同一种内力的这些荷载效应进行怎样的组合才能得到其最不利内力?由可变荷载效应控制的组合
由永久荷载效应控制的组合3、内力组合表及注意事项b)在“恒荷载+任一种活荷载”的内力组合中,只能在吊车竖向荷载和吊车水平荷载两者中取一。c)注意取用的吊车荷载项目数。一般情况下,内力组合表中每一个吊车荷载项都是表示一个跨度内两台吊车的内力(已乘以β)。故对于Tmax不论单跨还是多跨都只能取表中一项;而对吊车竖向荷载,单跨时取一,多跨时取一项或取两项。取两项时,对于A1~A5,应将其两项之和乘以0.8/0.9,对于A6~A8,应将其两项之和乘以0.85/0.95.⑦在组合截面Ⅲ-Ⅲ的内力时,应求出相应的水平剪力值。因柱底水平剪力对基础底面将产生弯矩,其影响不能忽视。4、对内力组合值的评价对称配筋矩形截面,偏心受压时截面承载力Nu-Mu曲线相关图如图13-37所示。它们是两截面尺寸及材料都相同、但每一侧纵向受力钢筋的数量不同的两条曲线,其中AS1<AS2.小偏心破坏大偏心破坏界限破坏NuMuaAS2AS1becfdAS2AS1oAS1<AS2由图可知,弯矩M和轴力N对配筋的影响有以下四条规则:①大偏压截面:当M不变时,N越小,配筋量As越多;②大偏压截面:当N不变时,M越大,配筋量As越多;③小偏压截面:当M不变时,N越大,配筋量As越多;④小偏压截面:当N不变时,M越大,配筋量As越多。根据排架计算求得的各控制截面最不利的内力组合M和N,分别对上柱和下柱进行配筋计算。第四节单层厂房柱的设计
一、柱的形式
柱是单层厂房中的主要承重结构构件,常用的单层厂房排架柱的截面形式有单肢柱(如矩形、I形)、双肢柱(如平腹杆、斜腹杆及管柱)两大类。(一)矩形柱矩形柱外形简单,施工方便,但不能充分发挥全部混凝土的作用(主要是受拉区混凝土不起作用),目前,虽应用普遍,但一般为小型厂房或上柱,其截面高度≤500mm。(二)I形柱
I形柱比矩形柱受力合理,因其省去了受力较小的部分混凝土而形成薄腹,这对柱的承载能力和刚度的影响很小。I形柱的制作也不复杂,自重却较矩形柱轻,故广泛用于各类中型厂房,其截面高度为600~1200mm,腹板≥100mm,翼缘厚度≥120mm。(三)双肢柱
双肢柱是进一步将I形柱的腹板挖空而形成的,故更省料,适用于重型厂房,其截面高度在1300mm以上。双肢柱的双肢主要承担轴力,腹杆受剪。平腹杆双肢柱的制作较为简单;斜腹杆双肢柱具有桁架的受力特点,故其承载能力较大。
根据工程经验,目前对预制柱可按截面高度h确定截面形式:当当当当二、柱的设计
柱设计内容确定外形构造尺寸和截面尺寸截面设计,即根据各控制截面最不利的内力组合进行截面承载力设计;
施工吊装运输阶段的承载力和裂缝宽度验算;与屋架、吊车梁等构件的连接构造
和绘制施工图;有吊车时需要进行牛腿计算;(一)外形截面尺寸和构造尺寸柱截面尺寸不仅要满足结构承载力的要求,而且还应使柱具有足够的刚度,保证厂房在正常使用过程中不出现过大的变形,以免吊车运行时卡轨,使吊车轮与轨道磨损严重以及墙体开裂等。因此,柱的截面尺寸不应太小。
柱最小截面尺寸见P112表12-4.
柱截面形式和尺寸取决于柱高和吊车起重量。设计步骤:首先:初步估计柱的截面尺寸;其次:根据表12-4柱截面尺寸限值进行验算。参见课本P122(二)截面设计(使用阶段截面配筋计算、施工阶段验算)
1、柱的计算长度
排架柱配筋计算之前,需确定柱计算长度。柱计算长度按规范表格确定(见教材表12-5).
柱的计算长度:将上下柱分别计算。2、柱截面配筋计算根据排架计算求得的各控制截面最不利的内力组合M和N,分别对上柱和下柱进行配筋计算。一般情况下,排架方向按偏心受压构件计算,计算出的纵向钢筋对称配置于弯矩作用方向的两边。垂直于排架方向按轴心受压构件验算承载力,验算时所考虑的受压钢筋应是周边对称布置。钢筋轴心受压稳定系数,可按垂直于排架方向的长细比,查表求得。
当e0=Mk/Nk>0.55h0时,应验算裂缝宽度:即wmax<[wmax]3、构造要求
柱的混凝土强度等级不宜低于C20,纵向受力钢筋直径d不宜小于12mm,全部纵向钢筋的配筋率不宜超过5%,不易少于0.5%。单侧纵向配筋不少于0.2%。
柱内纵向钢筋的净距不应小于50mm;对水平浇筑的预制柱,其上部纵向钢筋的最小净间距不应小于30mm和1.5d(为钢筋的最大直径),下部纵向钢筋的最小净间距不应小于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,其中距不宜大于350mm。单层工业厂房预制柱在运输、吊装时的受力状态与其在使用阶段不同,而且这时混凝土的强度还有可能未达到设计强度,故柱有可能在吊装时出现裂缝,因而还需进行施工阶段的裂缝宽度验算。
验算的原则:要求柱在吊装时的荷载效应标准组合下的最大裂缝宽度ωmax不大于0.2mm。4、柱的吊装阶段验算承载力的验算裂缝宽度的验算吊装过程中注意要点:验算时,柱的自重采用荷载的标准值,并乘以动力系数1.5。进行截面强度验算时,考虑到施工荷载下的受力状态系临时性质,故建筑物的安全等级可降低一级使用。吊装时柱的混凝土强度等级一般按设计强度等级的70%考虑,当吊装验算要求高于设计强度等级的70%方可吊装时,应在设计图上注明。柱在其自重作用下为受弯构件,其计算简图和弯矩图如图所示,验算时一般取上柱柱底、牛腿根部和下柱跨中三个控制截面。起吊时宜采用翻身、单点绑扎起点,吊点设在变阶处(如图)。因此,应按图中的1—1,2—2,3—3三个截面进行强度及裂缝宽度的验算。截面裂缝宽度的验算应按第9章(上册)介绍的方法计算和验算,当变阶处柱截面吊装验算的钢筋不够时,可在该局部区段加配短钢筋。柱的吊装方式及计算简图图1柱的吊装(a)平吊;(b)翻转90°起吊;(c)计算简图三、牛腿设计
1.牛腿作用:支撑吊车梁等构件2.牛腿的分类:如图,根据承受的竖向力作用点至
牛腿根部柱边缘水平距离a的大小进行划分:
长牛腿:()按悬臂梁计算;
短牛腿:()下面专题研究。
其中:h0为牛腿与下柱交接处牛腿垂直截面的有效高度。(一)短牛腿的试验研究结果
试验研究表明,从加载至破坏,牛腿大体经历弹性、裂缝出现与开展和最后破坏三个阶段。通过环氧树脂牛腿模型的光弹试验,得到了主应力迹线。牛腿的应力状态1.弹性阶段:2.裂缝出现与开展阶段:试验表明,当荷载达到极限荷载的20%~40%时,由于上柱根部与牛腿交界处的主拉应力出集中现象,在该处首先出现自上而下的竖向裂缝,裂缝细小且开展较慢,对牛腿的受力性能影响不大;当荷载达到极限荷载的40%~60%时,在加载垫板内侧附近出现一条斜裂缝,其方向大体与主压应力轨迹线平行。3.破坏阶段:取决于a/h0的比值,主要有以下几种破坏形态:剪切破坏
牛腿的破坏形态局部破坏弯曲破坏纯剪破坏
斜压破坏
斜拉破坏
局部破坏纯剪破坏斜拉破坏斜压破坏
弯曲破坏4.牛腿在竖向力和水平拉力同时作用下的受力情况
试验表明,同时作用有竖向力Fv和Fh时,牛腿面出现斜裂缝的荷载比仅有竖向力作用的牛腿有不同程度的降低。当Fv/Fh=0.2~0.5时,开裂荷载下降36%~47%。影响较大,同时承载力也随着降低。有无水平推力,牛腿的破坏规律类似。(二)牛腿设计
牛腿设计主要内容:确定牛腿的截面尺寸、承载力计算和配筋构造。1、确定牛腿的几何尺寸牛腿的几何尺寸(包括牛腿的宽度、顶面的长度、外缘高度和底面倾斜角度等)可参照下图的构造确定。(1)根据吊车梁宽度b和吊车梁外缘到牛腿外边缘的距离(100mm左右)确定牛腿顶面的长度。(2)根据牛腿外面缘的高度h1≥200~300mm的构造要求,并取α=45°,即可确定牛腿的总高h,若h1≥h/3,则牛腿尺寸符合要求。(3)按下式验算牛腿截面总高度h是否满足抗裂要求:
750huhlb/2b/2吊车梁≥100=45°h1≥200或h/3式中:Fvk、Fhk——分别为作用于牛腿顶部按荷载效应标准组合计算的竖向力和水平拉力值;
β——裂缝控制系数,对支持吊车梁牛腿取0.65,对其他牛腿取0.8;
a——竖向力的作用点至下柱边缘的水平距离.b——牛腿宽度;h0——牛腿与下柱交接处的垂直截面有效高度。牛腿尺寸及配筋(4)为了防止牛腿顶面加载垫板下混凝土的局部受压破坏,垫板下的局部压应力应满足:式中:A为局部受压面积;
fc为混凝土轴心抗压强度设计值。2、承载力计算与配筋构造1)计算简图-两杆桁架:水平拉杆由牛腿内的水平纵向钢筋构成,斜杆由斜裂缝外侧混凝土受压带构成;由结力可知,水平杆承受轴向拉力且沿长度处处相同,故该水平纵向受拉钢筋不能弯起。牛腿的计算简图2)纵向受力钢筋计算与构造:在竖向力设计值Fv和水平拉力设计值Fh共同作用下,通过对A点取力矩平衡可得:近似取,,则由上式可得纵向受力钢筋总截面面积As为:式中Fv、Fh——分别为作用在牛腿顶部的竖向力设计值和水平拉力设计值;a——意义同前,当a<0.3h0时,取a=0.3h0;
fy——为纵向受拉钢筋强度设计值。纵向受拉钢筋构造要求(p129):建议从以下四方面把握。(1)钢筋级别(2)钢筋直径(3)钢筋锚固与截断(4)钢筋配筋率构造要求主要是纵向受拉钢筋不能弯起牛腿配筋构造(3)水平箍筋及弯起钢筋的构造要求
在牛腿的截面尺寸满足公式的抗裂条件后,可不进行斜截面受剪承载力计算,只需按下述构造要求设置水平箍筋和弯起钢筋。
水平箍筋的直径应取6-12mm,间距100-150mm,且在上部2h0/3范围内的水平箍筋总截面面积不应小于承受竖向力的受拉钢筋截面面积的1/2。当牛腿的剪跨比a/h0≥0.3时,宜设置弯起钢筋。纵向受拉钢筋不得兼作弯起钢筋。弯起钢筋的锚固同纵向受力钢筋。3预埋件设计
单层厂房中的屋面板、屋架(屋面梁)、吊车梁、柱等预制构件之间的连接常采用预埋件。预埋件的组成如图所示。第五节柱下独立基础设计一、基础的分类(一)基础类型
单层厂房的柱下基础一般采用独立基础(也称扩展基础)。按施工方法可分为预制柱下独立基础和现浇柱下独立基础两种。对装配式钢筋混凝土单层厂房排架结构,常见的独立基础形式主要有杯形基础、高杯基础和桩基础等(P121)。基础的类型3.7柱下独立基础设计独立基础的设计主要内容(P121):(1)确定基础底面尺寸;(2)确定基础高度和变阶处高度;(3)计算底板的配筋;(4)构照措施及绘制施工图柱下独立基础(扩展基础)根据其受力性能可分为:轴心受压基础偏心受压基础二、柱下独立基础的设计基础底面尺寸是根据地基承载力和变形条件确定的。当符合《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)的要求时,可只按地基承载力计算,而不必验算地基变形。(一)基础底面面积尺寸(按全反力)(1)轴心荷载作用下的基础:在轴心荷载作用下,基础底面的压力为均匀分布,设计时应满足:
轴心受压基础压力分布式中:Nk——柱传至基础顶面的按荷载效应标准组合确定的轴心压力值;Gk——基础自重和基础上的土重;A——基础底面面积,A=a×b;fa——修正后的地基承载力特征值,按《建筑地基基础设计规范》采用。轴心受压基础压力分布若基础的埋置深度为d,基础及其上填土的平均重度为,则,可得基础底面面积为:
轴心受压基础的底面常用方形,若用矩形则可按已定的一个边长求另一边长。基础长边l与短边b尺寸之比β=l/b不应超过3;一般对边柱基础β=l/b=1.2~1.5;对中柱β=l/b=1.0~1.2.(2)偏心荷载作用下的基础:在偏心荷载作用下,基础底面的压力为线性分布,如下图a。此时,基础底面两边缘的最大和最小压应力可按下式计算:偏心受压基础压力分布基础底面边缘的压力可按下式计算:式中:W——
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