单层工业厂房 课件.ppt

3 单层工业厂房,主要学习内容：单层厂房排架结构的组成、构件选型和布置排架荷载及内力计算单层厂房柱及牛腿的设计柱下单独基础的设计学习重点与难点：单层厂房排架结构的组成和构件的布置排架荷载及内力计算牛腿的设计柱下单独基础的设计,3.1 概述3.2 排架结构的组成、构件选型和布置3.3 排架计算3.4 单层厂房柱3.5 柱下单独基础3.6 单层工业厂房的新进展,3 单层工业厂房,3.1 概述,唐山渤海冶金重工业单层厂房,3.1 概述,恒鑫机械重工业单层厂房,3.1 概述,深圳怡龙电子工业多层厂房,3.1 概述,上海南汇康桥轻工业多层厂房,3.1 概述,张家港DIC化工厂层数混合厂房,3.1 概述,开封火电厂层数混合厂房,工业厂房按层数可分为： 单层厂房 多层厂房 层数混合厂房 ,3.1 概述,机械、冶金等重工业；食品、电子、精密仪器制造等轻工业；化学工业、热电站等。,结构特点 跨度大，高度大，荷载大 ： 构件内力和截面尺寸大； 常承受吊车、机械设备动力等荷载： 结构设计时应考虑动力荷载的影响； 结构空旷： 几乎无内隔墙，仅在四周设墙和柱； 基础受力大： 对地质有较高要求。,3.1.1 单层厂房的特点,(2) 工艺设计特点 生产工艺流程的需要 车间内生产工艺流程确定厂房结构的平面布置及厂房的高度、剖面、立面及围护结构等； 起重运输或设备安装检修的需要 厂房内的起重吊车、运输通道及设备检修场地等影响厂房主要构件的设计； 卫生方面的需要 建立良好的工作环境，解决采光、通风、三废、余热、湿气及噪音等对环境的污染。,3.1.1 单层厂房的特点,按结构材料分,3.1.2 单层工业厂房结构的类型,混合结构 砖柱RC/木/轻钢屋架 钢筋混凝土结构 RC柱RC/钢屋架 钢结构 钢柱钢屋架,吊车吨位5t，跨度15m，柱顶标高8m小型厂房,吊车吨位25t，或跨度36m或特殊工艺厂房,按结构形式分,3.1.2 单层工业厂房结构的类型,排架结构,刚架结构,刚性排架屋架或横梁变形很小，可忽略,柔性排架屋架或横梁变形较大，不能忽略,两铰门式,三铰门式,单层厂房结构的基本形式 跨度 30m，H=2030m，吊车吨位可达150t。 特点：屋架/屋面梁刚度大 柱顶与屋架/屋面梁铰接 柱底与基础刚接。,单跨,多跨,等高,排架结构,刚体,3.1.2 单层工业厂房结构的类型,不等高,锯齿形,排架结构,3.1.2 单层工业厂房结构的类型,刚架结构,特点：屋架/屋面梁与柱刚接，柱与基础一般为铰接。,三铰门架,两铰门架,两铰门架,优点：梁柱合一，结构轻巧，制作简单 缺点：刚度较差，产生跨变，梁柱转角易产生裂缝 一般适用吊车吨位10T，跨度1824m，柱顶标高6 8m的金工、机修、装配及喷漆等车间和仓库,3.1.2 单层工业厂房结构的类型,本节的知识结构,3.2 排架结构的组成、选型和布置,屋盖结构,单层厂房排架结构布置,单层工业厂房排架结构概念设计,横向排架,纵向排架,围护结构,单层厂房排架结构组成,单层厂房排架结构构件选型,屋面板,檩 条,天窗架/托架,排架柱,吊车梁,基 础,柱 网,变形缝,支撑体系,围护结构,屋架/屋面梁,(1) 结构的组成,3.2.1 结构组成和荷载传递路径,屋盖结构横向平面排架纵向平面排架围护结构,1 屋面板,2 天沟板,3 天窗架,5 托架,6 吊车梁,7 排架柱,8 抗风柱,9 基础,10 连系梁,11 基础梁,12 天窗架垂直支撑,13 屋架下弦横向支撑,14 屋架垂直支撑,15 柱间支撑,4 屋架,(1) 结构的组成,3.2.1 结构组成和荷载传递路径,1基础 2基础梁3排架柱4抗风拄5联系梁6吊车梁7屋架8屋面板9天沟10屋架上弦支撑11屋架下弦横向水平支撑；12屋架下弦纵向水平支撑，13屋架竖向支撑14柱间支撑15围护墙,屋盖结构,有檩体系小型屋面板檩条屋架屋盖支撑无檩体系大型屋面板屋面梁/屋架屋盖支撑,有檩体系,无檩体系,3.2.1 结构组成和荷载传递路径,横向排架,横向排架是单层工业厂房的基本承重结构。组成屋架/屋面梁横向柱列基础作用： 主要承受包括屋盖荷载吊车荷载纵墙风荷载纵墙自重,横向排架结构,3.2.1 结构组成和荷载传递路径,纵向排架,组成：屋面板吊车梁纵向柱列柱间支撑作用保证厂房结构的纵向稳定性和刚度；承受纵向水平吊车荷载、地震作用及风荷载等.受力特点及设计荷载较小，内力较小构件数量多，刚度大,通常不必计算,纵向排架结构,3.2.1 结构组成和荷载传递路径,围护结构,组成：纵墙横墙（山墙）抗风柱连系梁、基础梁等作用承受墙体和构件的自重；承受作用在墙面上的风荷载等。,山墙及抗风柱,3.2.1 结构组成和荷载传递路径,主要结构构件及其作用,3.2.1 结构组成和荷载传递路径,主要结构构件及其作用(续),3.2.1 结构组成和荷载传递路径,主要结构构件及其作用(续),3.2.1 结构组成和荷载传递路径,主要结构构件及其作用(续),3.2.1 结构组成和荷载传递路径,荷载种类,恒载 活载吊车竖向荷载吊车横向制动力吊车纵向制动力风荷载施工荷载积灰荷载地震作用其它荷载,(2) 荷载及其传递路径,排架结构的荷载,3.2.1 结构组成和荷载传递路径,荷载按方向划分： 竖向荷载 横向水平荷载 纵向水平荷载,(2) 荷载传递路径,基 础,荷 载,排架柱,地 基,3.2.1 结构组成和荷载传递路径,总体传力路径,总体荷载传递路径,3.2.1 结构组成和荷载传递路径,（1）单层厂房结构的设计步骤,3.2.2 主要构件的选型,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,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,工业设计要求,（2）结构构件的选型原则 经济合理：减少材料用量、减轻自重； 工艺和建筑设计要求； 荷载作用情况 施工条件和构件供应情况； 各种构件的适应范围和技术经济指标。,3.2.2 主要构件的选型,(2) 主要构件选型,屋面板,无檩体系屋盖：大型屋面板，适用于保温或不保温卷材防水屋面。,有檩体系屋盖：小型屋面板。,布置： 支撑在屋架/屋面梁或檩条上。 作用： 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。,3.2.2 主要构件的选型,常用屋面板,3.2.2 主要构件的选型,檩条,布置：搁在屋架或屋面梁上 作用： 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和稳定性。,3.2.2 主要构件的选型,常用檩条,3.2.2 主要构件的选型,屋架和屋面梁,拱式(三铰拱/两铰拱)：适用于15m以下的厂房。 桁架式(三角形/梯形/折线形/拱形)：适用于1836m的厂房。 抗震要求：优先采用低重心或重量轻的PC屋架/ 钢屋架/轻钢屋架。,屋架和屋面梁是厂房结构最主要的承重构件之一，它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。,屋架及屋面梁的选用:,3.2.2 主要构件的选型,常用屋架和屋面梁,3.2.2 主要构件的选型,常用屋架和屋面梁(续),3.2.2 主要构件的选型,天窗架,采光和通风要求。 削弱屋盖的整体刚度，应加强支撑，宜采用钢结构。 主要有M形和W形两种。,钢筋混凝土门形天窗架,W形天窗架,Y形天窗架,多压杆式钢天窗架,桁架式钢天窗架,3.2.2 主要构件的选型,托架,作用： 支撑中间屋面梁/屋架 柱距屋面板/檩条宽度 常用形式： 12m跨PC桁架式托架。,3.2.2 主要构件的选型,吊车梁,吊车梁的作用： 直接承受吊车起重、运行和制动时产生的各种往复移动荷载 它还具有将厂房的纵向荷载传递至纵向柱列、加强厂房纵向刚度等作用。,吊车梁的选型依据： 吊车的起重量工作级别台数厂房的跨度柱距等,3.2.2 主要构件的选型,常用吊车梁,3.2.2 主要构件的选型,常用吊车梁(续),3.2.2 主要构件的选型,柱的形式： 矩形柱、工字形柱、双肢柱等。,柱,截面尺寸：h500mm 采用矩形实腹柱；h600800mm 采用工字形或矩形柱；h9001200mm 采用工字形柱；h13001500mm 采用工字形或双肢柱。,常用柱的形式,3.2.2 主要构件的选型,作用：承受全部重量和作用力。常用形式：目前一般采用单独的杯形基础。,基础,桩基础,阶梯形基础,锥形基础,深埋高杯口基础,3.2.2 主要构件的选型,(1)柱网布置,跨度,柱距,3.2.3 柱网布置和变形缝,跨度：厂房纵向定位轴线之间的尺寸； 柱距：厂房横向定位轴线之间的尺寸。,厂房建筑模数协调标准规定： 跨度： 跨度18m： 3m的倍数进级(30M)； 跨度18m：6m的倍数进级(60M)允许21m/27m/33m等30M进级。 柱距：采用扩大模数6m的倍数进级(60M) ；也可采用9m的柱距；或利用托架扩大柱距。,柱网布置的模数,3.2.3 柱网布置和变形缝,作用：减少温度应力，保证厂房正常使用。 设置：从基础顶面至上部结构完全断开设缝。 最大间距：（GB50010-2002） 室外露天 70m； 室内或土中 100m,(2) 变形缝,伸缩缝,伸缩缝的布置,3.2.3 柱网布置和变形缝,沉降缝,作用：防止厂房发生不均匀沉降 设置：从基础至屋顶完全断开设缝。,沉降缝的布置,相邻厂房高度差异大,地基差别大,3.2.3 柱网布置和变形缝,防震缝,作用：减少厂房震害； 设置：从基础顶面至上部结构完全断开设缝； 缝宽：一般为50-70mm。 设置部位：平面、立面复杂；结构高度及刚度变化较大；厂房侧边贴建生活间、变电所等坡屋；,地震区：伸缩缝、沉降缝均应符合防震缝要求。,3.2.3 柱网布置和变形缝,（1）支撑的作用：,3.2.4 支撑的作用及布置原则,施工阶段和使用阶段保证厂房结构的几何稳定性 保证厂房结构的纵横向水平刚度及空间整体性； 提供侧向支撑，改善结构的侧向稳定性； 传递水平荷载至主要承重构件或基础。,支撑的分类： 屋盖支撑 柱间支撑,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 纵向水平系杆 天窗架支撑等,上柱柱间支撑 下柱柱间支撑,（2）屋盖支撑,上弦横向水平支撑,构成： 沿跨度方向用交叉角钢、直腹杆和屋架上弦杆构成水平桁架,作用： 保证屋架上弦的侧向稳定性； 增强屋盖的整体刚度； 承受并传递纵向水平荷载。,3.2.4 支撑的作用及布置原则,上弦横向水平支撑,有檩体系中的布置,布置在伸缩缝区段的两端 有时可设在第二柱间,3.2.4 支撑的作用及布置原则,上弦横向水平支撑,无檩体系的布置： 有连接可靠的大型屋面板； (可不设) 设有通过端部第二柱间或伸缩缝的天窗; (设) 采用钢筋砼拱形或梯形屋架。(应设),3.2.4 支撑的作用及布置原则,下弦横向水平支撑,构成： 沿跨度方向用交叉角钢、直腹杆和屋架下弦杆构成的水平桁架 。,作用： 将山墙风荷载及纵向水平荷载传至纵向柱列； 防止屋架下弦侧向振动。,3.2.4 支撑的作用及布置原则,下弦横向水平支撑,布置： 抗风柱与屋架下弦连接传递纵向水平力时； 设有硬钩桥吊或5T锻锤等振动设备时； 设有吊点屋架下弦的纵向或横向运行的悬挂吊车时； l 18m且下弦设有纵向水平支撑时(形成封闭水平支撑系统)。,3.2.4 支撑的作用及布置原则,下弦纵向水平支撑,构成： 由交叉角钢、直杆和屋架下弦第一节间组成的纵向水平桁架 。,作用：加强屋盖结构的横向水平刚度；保证横向水平荷载的纵向分布，加强厂房的空间工作；保证托架上弦的侧向稳定；传递山墙风荷载及纵向水平荷载。,3.2.4 支撑的作用及布置原则,下弦纵向水平支撑,纵向,布置：当已设有下弦横向水平支撑时，为保证厂房空间刚度，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；当设有软钩桥式吊车且厂房高度大、吊车起重量较大，应在屋架下弦端节间沿厂房纵向通长或局部设置一道；厂房设有托架，应沿托架一侧设置下弦纵向水平支撑。,3.2.4 支撑的作用及布置原则,垂直支撑,作用： 保证屋架或天窗架平面外的稳定； 将纵向水平力由屋架上弦平面传至屋架下弦平面内。,构成： 一般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。,垂直支撑及系杆的布置,3.2.4 支撑的作用及布置原则,垂直支撑,设置： 垂直支撑与屋架下弦横向水平支撑应布置在同一柱间；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1830m、屋架间距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。 伸缩缝区间长度60m时，应在柱间支撑部位增设一道垂直支撑； 设有3T锻锤的厂房，应在其所处柱间及其以锻锤为中心的30m范围内的屋架间，每跨连续增设一道垂直支撑。,3.2.4 支撑的作用及布置原则,水平系杆,分类： 刚性系杆： 既能承拉又能承压，一般为双角钢杆件或RC杆件； 柔性系杆： 只能承受拉力，多为单角钢，截面较小。 作用： 上弦水平系杆是为保证屋架上弦或屋面梁受压翼缘的侧向稳定； 下弦水平系杆是为防止在吊车或有其它水平振动时屋架下弦侧向颤动。,3.2.4 支撑的作用及布置原则,水平系杆,布置： 当屋盖设置垂直支撑时，未设置垂直支撑的屋架间，在相应于垂直支撑平面内的屋架上弦和下弦节点处，设置通长的水平系杆。 跨中设垂直支撑时，一般沿其纵向垂直平面设通长上弦刚性和下弦柔性系杆；端部设垂直支撑时，一般沿其铅垂面设通长下弦刚性系杆。 设有下弦横向或纵向水平支撑时，均应设相应的下弦刚性系杆，以形 成水平桁架。 天窗侧柱处应设柔性系杆，在天窗范围内沿纵向设13道通长上弦刚性系杆，以保证屋架上弦侧向稳定。 当屋架横向水平支撑设在端部第二柱间时，应在第一柱间设置上、下弦刚性系杆。,3.2.4 支撑的作用及布置原则,天窗架支撑,构成：天窗架上弦横向水平支撑天窗架间的垂直支撑水平系杆。,作用：保证天窗架上弦的侧向稳定； 传递天窗端壁上的风荷载。,布置： 垂直支撑设置在天窗两侧当横向水平支撑和垂直支撑均设置在天窗端部第一柱间内未设置上弦横向水平支撑的天窗架间的上弦节点处设置柔性系杆；,3.2.4 支撑的作用及布置原则,柱间支撑,构成： 由交叉钢杆件组成，交叉倾角宜取45,作用： 提高厂房的纵向刚度和稳定性; 传递纵向水平力到两侧柱列。,十字交叉形支撑,门架式支撑,形式：,3.2.4 支撑的作用及布置原则,柱间支撑,适用工况： 当设有A6A8的吊车，或A1A5的吊车起重量10t时 厂房跨度18m，或柱高8m时 厂房每列纵向柱总数7根时或设有3t以上的悬挂吊车时 或露天吊车栈桥的柱列应设置柱间支撑。,上柱柱间支撑：一般在伸缩缝区段两端与屋盖横向水平支撑相对应的柱间以及伸缩缝区段中央或临近中央的柱间。,下柱柱间支撑：在伸缩缝区段中部与上柱柱间支撑相应的位置。,布置要求：,3.2.4 支撑的作用及布置原则,3.2.5 围护结构布置,屋面板的布置 抗风柱的布置 圈梁的布置 连系梁的布置 过梁的布置 基础梁的布置 墙体(板)等构件的布置,抗风柱的布置,3.2.5 围护结构布置,抗风柱的布置,抗风柱与其他构件的连接： 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，可与下弦铰接； 抗风柱与屋架之间采用弹簧板连接：竖向可移动、水平刚度较大的； 如厂房沉降量较大时，宜采用槽形孔螺栓连接。,3.2.5 围护结构布置,圈梁的布置,构成： 设置于墙体内并与柱子连接的现浇钢筋混凝土构件 作用 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。,3.2.5 围护结构布置,连系梁及过梁布置,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。 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。,3.2.5 围护结构布置,基础梁布置,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。,3.2.5 围护结构布置,3.3 排架计算,3.3.1 计算简图,实为空间结构 简化计算 在跨度方向按横向平面排架计算， 在柱距方向按纵向平面排架计算。 纵向平面排架的柱列较多、抗侧移刚度较大，一般不考虑该方向柱列承受弯矩的影响，因此最终简化成横向平面排架进行计算。,(1) 计算单元,在结构平面图上由相邻柱距的中线截出一个典型的区段，作为横向排架的计算单元。,3.3.1 计算简图,(2) 基本假定,屋架/屋面梁与柱顶铰接； 柱下端固接于基础顶面； 横梁为轴向变形可忽略的刚杆。,简化：排架柱的轴线分别取上、下柱截面的形心线当为变截面柱时，排架柱轴线为一折线，屋面梁或屋架为一刚性杆。,根据上述假定及简化，可得到横向排架的计算简图。,假定：,3.3.1 计算简图,(3) 计算简图,柱总高H = 柱顶标高 基础顶面标高（-0.5m）。 上柱高度= 柱顶标高 牛腿顶面标高。 牛腿顶面标高 = 吊车轨顶标高 吊车梁及其轨道构造高度之和 。,简化计算计算跨度以厂房的轴线L为准，变截面处增加力偶M=P e。,3.3.1 计算简图,屋盖恒载F1(屋面板及构造层、天窗架、屋架及支撑自重) 上柱自重F2、牛腿自重F3、下柱自重F6 吊车梁及轨道、连接件等自重F4 围护墙体自重F5(柱牛腿上连系梁、围护墙、柱上的墙板) 屋面活载Q1 吊 车 荷 载 风载q、Fw,恒载,活载,吊车横向水平荷载Tmax吊车竖向荷载Dmax、Dmin,3.3.2 荷载计算,包括屋面板及构造层、天窗架、屋架及支撑的自重。 F1的作用位置： 采用屋架：通过屋架上、下弦中心线的交点作用于柱顶； 采用屋面梁：通过梁端支承垫板的中心线作用于柱顶。,(1) 屋盖恒载F1,3.3.2 荷载计算,将屋面横梁截断，在柱顶加以不动铰支座，简化为一次超静定悬臂梁计算； 柱顶偏心屋面恒载移至相应上柱或下柱的截面中心线处，并附加偏心弯矩。,F1作用内力计算简图,F1内力计算简图,3.3.2 荷载计算,对竖向偏心荷载F2、 F3、 F4、 F5换算成轴心荷载和偏心弯矩时，相应的换算偏心弯矩为： M2=F2e2 式中 e2为上、下柱轴线间的距离 作用于下柱柱顶截面中心； M3=F3 e3 式中 e3为牛腿截面中心线至下柱中心线的距离 作用于牛腿梯形截面中心； M4=F4 e4 式中 e4为吊车梁纵向至下柱截面中心线之间的距离 作用于吊车梁轨道中心； M5=F5 e5 式中 e5为连系梁中心线至柱中心线间的距离 作用于柱上牛腿连系梁截面中心。,(2) 恒载F2、 F3、 F4、 F5,3.3.2 荷载计算,(3) 屋面活荷载Q1,包括屋面均布活荷载、雪荷载及积灰荷载，按屋面的水平投影面积计算。 屋面均布活荷载： 一般不上人的钢筋混凝土屋面：0.5kN/m2 轻屋面、瓦材屋面：0.3kN/m2 积灰荷载： 由GB50009-2001查得 雪荷载： 屋面均布活荷载不与雪荷载同时组合，取大值参与组合。 作用位置及计算方法同屋盖恒载F1。,3.3.2 荷载计算,(4) 吊车荷载Dmax、Dmin和Tmax,单层厂房中的桥式吊车,吊车荷载的分布,3.3.2 荷载计算,吊车荷载作用的方向和位置,吊车荷载传递路径： 轮压作用于轨道 吊车梁 牛腿 柱,3.3.2 荷载计算,吊车竖向荷载Dmax、Dmin,吊车吊起额定起重量在运行过程中，对排架柱牛腿顶面产生的最大或最小的竖向压力。 计算方法： 根据简支梁支座反力影响线的原理：,多台吊车荷载的折减系数,参与组合的吊车台数： 单跨厂房排架不宜多于2台； 多跨厂房的排架不宜多于4台。,3.3.2 荷载计算,吊车横向水平荷载Tmax,小车起吊重物在启动和制动时产生的横向水平力。,对于一般的四轮吊车运行时，单轮横向水平刹车力为,计算方法,式中 Q 吊车的额定起重量； g 小车重量； a 横向水平荷载系数。,3.3.2 荷载计算,规范规定： 无论单跨或多跨厂房，计算Tmax时，最多考虑两台吊车，并考虑多台吊车时的荷载折减系数。,吊车横向水平荷载Tmax,根据简支梁支座反力影响线的原理，作用于排架柱上的吊车横向水平荷载为：,3.3.2 荷载计算,纵向运行的桥机在启动或突然刹车，由于吊车自重和吊物自重的惯性产生的吊车纵向制动力。 吊车纵向水平荷载标准值T0，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： 式中 m起重量相同的吊车台数， n吊车每侧的制动轮数。,吊车纵向水平荷载T0,3.3.2 荷载计算,风荷载标准值：式中 w0基本风压； z 风振系数，对单层厂房取z 1； z风压高度变化系数，分A、B、C、D四类； s风载体型系数。,(5) 风荷载q1/q2/Fw,3.3.2 荷载计算,柱顶以下按均布考虑,z按柱顶高度取值； 柱顶以上以集中荷载形式作用于柱顶, z按天窗檐或厂房檐口高度取值。,工程简化,q1/q2：作用于柱顶以下计算墙面上的均布风荷载； Fw：作用于柱顶以上的集中风荷载，包括屋面风荷载合力的水平分力及屋架端部高度范围内墙体迎风面和背风面风荷载的合力。,3.3.2 荷载计算,排架内力分析方法： 柱顶水平位移相等的排架等高排架剪力分配法 柱顶水平位移不相等的排架不等高排架力法,3.3.3 剪力分配法计算排架内力,剪力分配法适用工况： 荷载对称结构不对称 结构对称荷载不对称,当单位水平力作用于单阶悬臂柱顶端时，柱顶水平位移为：,反映了柱抵抗侧移的能力，称为柱的抗剪刚度或抗侧移刚度。,抗剪柔度系数,抗侧移刚度,3.3.3 剪力分配法计算排架内力,(1）柱顶作用水平集中力时的内力计算,根据求出的柱顶剪力，各排架柱按悬臂柱进行弯矩计算,3.3.3 剪力分配法计算排架内力,（2）柱顶任意荷载作用时的内力计算,步骤(1)： 在排架柱顶附加一个不动铰支座以阻止水平侧移，求出支座反力R及各柱顶支座反力Ri，R=Ri：,3.3.3 剪力分配法计算排架内力,（2）柱顶任意荷载作用时的内力计算,步骤(2): 撤除附加不动铰支座，并将支座反力R反方向作用于排架柱顶，以恢复原结构体系，利用剪力分配法求出各柱顶的剪力i (Fw+R)；,3.3.3 剪力分配法计算排架内力,（2）柱顶任意荷载作用时的内力计算,步骤(3): 将上述两步结果叠加即得排架各柱顶的实际剪力： Vi=Rii (Fw+R),3.3.3 剪力分配法计算排架内力,3.3.4 力法计算不等高排架内力,将刚性横梁切开，代以基本未知力：,不等高排架在任意荷载作用下，由于高、低跨的柱顶位移不相等，因此不能用剪力分配法求解，其内力通常用结构力学中的力法进行分析。,3.3.5 排架内力组合,（1）控制截面 荷载作用下柱内力沿柱高变化，设计时： 选择对全柱配筋起控制截面进行内力组合； 找出上柱及下柱的控制截面； 进行上柱和下柱各自配筋。 控制截面的位置： 上柱： 柱底 II； 下柱： 牛腿顶面，底面 。,对于一般排架结构，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：,由可变荷载效应控制的组合,由永久荷载效应控制的组合,（2）荷载效应组合,3.3.5 排架内力组合,(3) 内力组合,内力组合的目的： 钢筋混凝土柱的配筋设计。 内力组合的原则： 对于大偏压构件：M越大，N越小 配筋越多 内力最不利 对于小偏压构件：M越大，N越大 配筋越多 内力最不利 不利的内力组合 通常选择以下四种内力组合作为截面最不利内力组合： +Mmax及相应的N、V； -Mmax及相应的N、V； Nmax及相应的M、V； Nmin及相应的M、V。,Why？,3.3.5 排架内力组合,内力组合的注意事项,恒载必须参与每一种组合。组合的单一内力目标应明确：如以+Mmax为组合目标来分析荷载组合，并计算出相应荷载组合下的Mmax及N、V。当以Nmax或Nmin为组合目标时，应使相应的M尽可能大；当以Mmax为组合目标时，应使相应的N尽可能小。组合时“有Tmax必有Dmax或Dmin”；“有Dmax或Dmin也必有Tmax”。风荷载及吊车横向水平荷载均有向左及向右两种情况，只能选择一种参与组合。有多台吊车时，吊车荷载的计算时应按规范规定进行折减。,3.3.5 排架内力组合,3.4 单层厂房柱,3.4.1 柱的形式及其截面设计,柱的截面设计步骤: 确定柱的计算长度（l0）； 柱的配筋计算； 柱的吊装验算。 配筋计算： 采用对称配筋。,3.4.1 柱的形式及其截面设计,柱的形式：,参考相应的规定，一般为： h500mm时，采用矩形实腹柱； h600800mm时，采用工字形或矩形柱； h9001200mm时，采用工字形柱； h13001500mm时，采用工字形或双肢柱。,柱的计算长度,在对柱进行受压承载力计算或验算时，柱的偏心距增大系数或稳定系数与柱的计算长度有l0关。 混凝土结构设计规范根据单层厂房的实际支承及受力特点，结合工程经验所给出的计算长度。,刚性屋盖单层厂房排架柱、露天吊车柱和栈桥柱的计算长度,3.4.1 柱的形式及其截面设计,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% 。 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，下部不应小于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300mm。,构造要求,3.4.1 柱的形式及其截面设计,3.4.2 牛腿设计,牛腿分类： 短牛腿(图a)：a h0 按变截面深梁设计 长牛腿(图b)：a h0 按悬臂梁设计,试验结果表明：牛腿上部主拉应力迹线基本与牛腿上边缘平行，其拉应力沿牛腿长度方向均匀分布；牛腿下部主压应力迹线大致与从加载点到牛腿下部转角的连线ab相平行；牛腿中下部主拉应力迹线倾斜，加载后裂缝有向下倾斜的现象。,环氧树脂牛腿模型光弹试验,3.4.2 牛腿设计,试验结果表明： Fv=0.20.4Fu出现垂直裂缝，受力性能影响不大； Fv=0.40.6Fu在加载板内侧出现第一条斜裂缝，大体与受压迹线平行，它是控制牛腿截面尺寸的主要依据； Fv=0.8Fu左右突然出现第二条斜裂缝，预示着牛腿即将破坏。,钢筋混凝土牛腿试验,3.4.2 牛腿设计,（1）牛腿的破坏形态,弯压破坏(图a)： a/h00.75和纵筋配筋率较低 斜压破坏(图b、c)： a/h0=0.10.75 剪切破坏(图d)： a/h00.1 此外，还会发生因加载板尺寸过小而导致加载板下混凝土发生局压破坏(图e)及纵向受力钢筋锚固破坏。,3.4.2 牛腿设计,牛腿的设计步骤: 确定牛腿截面尺寸； 牛腿的配筋计算及配筋构造； 验算局部受压承载力。,（2）牛腿的设计,截面尺寸的确定宽度b：与柱同宽；高度h：斜截面抗裂要求；构造要求。,3.4.2 牛腿设计,截面尺寸的确定,牛腿截面高度通常以不出现斜裂缝作为控制条件，抗裂控制条件来确定牛腿的截面尺寸的经验公式：,式中Fvs、Fhs按荷载效应标准组合计算的竖向力和水平拉力值； 裂缝控制系数； 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。,0.65 牛腿基本不出现裂缝；0.70 大多数牛腿在不出现斜裂缝，或少数偶尔出现一些微细裂缝；0.80 不出现或仅出现细微裂缝。,3.4.2 牛腿设计,构造要求 为防止剪切破坏，牛腿外边缘高应满足： h1h/3，且h1200mm。,截面尺寸的确定,牛腿底面倾角一般为a45，以防止底面与下柱交接处应力严重集中。,3.4.2 牛腿设计,计算模型: 试验研究表明，牛腿在竖向力和水平拉力作用下，其受力特征可以用三角桁架模型来描述：,（3）牛腿的配筋计算与配筋构造,牛腿顶部水平纵向受力钢筋为拉杆 牛腿内的斜向受压混凝土为压杆,3.4.2 牛腿设计,对牛腿与下柱交接处压力合力作用位置取矩：,承载力计算:,式中 Fv、Fh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a0.3h0时，取a=0.3h0；,fy纵向受拉钢筋强度设计值。,3.4.2 牛腿设计,水平箍筋6-12100-150mm，且在上部2h0/3范围内 As/2； 弯起钢筋：a/h00.3 时应设置弯起钢筋。,牛腿的配筋构造,纵向受拉钢筋应满足=0.2%-0.6%,且不得下弯兼作弯起钢筋；,3.4.2 牛腿设计,3.5 柱下单独基础,3.5.1 概述,基础设计满足的条件：地基具有足够的稳定性： 地基不发生过大变形及足够的承载能力。基础具有足够的强度、刚度和耐久性： 基础本身不发生冲切、受弯和剪切破坏。,(2) 基础的设计条件：上部承重结构(柱/墙)传来的作用力（N、M、V）；地基土层的性质及承载力(fa)；,(3) 基础设计的内容：,基础的型式；刚性基础 VS 柔性基础刚性基础：砖、毛石、素混凝土、片石混凝土等基础柔性基础：钢筋混凝土基础埋置深度； 浅基础（dL且d5m）VS 深基础（d5m） 浅基础：单独基础、条形基础、十字交叉基础、箱基、筏基等深基础：桩基础、沉井基础、地下连续墙等基础底面尺寸；b、L基础高度；h底板的配筋计算；纵向As1 横向As2,选型及埋深等详见地基基础教程,3.5.1 概述,轴心受压基础按受力性能来分 偏心受压基础 预制柱基础按施工方法来分 现浇柱基础 锥形基础按截面形式来分 阶梯形基础,(4) 柱下单独基础的分类：,3.5.1 概述,常见柱下独立基础的形式,平板式基础（杯形基础）,板肋式基础,壳体基础,倒圆台板式基础,桩基,g),3.5.1 概述,3.5.2 柱下扩展基础,设计内容： 按地基承载力确定基础底面尺寸 防止(a)沉降过大； 按抗冲切承载力验算确定基础的高度 防止(b)冲切破坏； 按基础受弯承载力计算基础底板钢筋 防止(c)弯曲破坏。,柱下扩展基础典型破坏形态,地基的设计,基础本身的设计,(1)确定基础的底面尺寸,假定：基础本身绝对刚性；地基土反力为线性分布。,轴心受压柱基础的底面尺寸,基础底面的反力为均匀分布，设计时应满足：,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：,方形基础,验算截面,3.5.2 柱下扩展基础,偏心受压柱基础的地基承载力,偏心荷载作用时，基础底面反力线性分布，则边缘压力为：,3.5.2 柱下扩展基础,取 ，并将 代入，可得基础底面边缘的压力值为：,偏心受压柱基础的地基承载力,在偏心荷载作用下，基础底面的压力值应符合下式要求：,为什么乘以1.2？,3.5.2 柱下扩展基础,偏心受压柱基础的底面尺寸试算法的流程：,按轴压柱基础计算基底面积A,取A =bL = (1.21.4)A,确定基础长、短边尺寸b、L,假定b/L1.53.0,计算基础底面边缘Pmax和Pmin,验算Pf,结束,满足,调整b、L,3.5.2 柱下扩展基础,独立基础的高度应根据柱与基础交接处以及基础变阶处混凝土的受冲切承载力计算确定。,基础冲切破坏示意图,(2)确定基础高度,3.5.2 柱下扩展基础,作用于基础底板上的荷载有： 由柱传来的M、N和V; 基础与填土自重G; 基础底板上产生的向上的线性反力Pmax和Pmin。 净反力： 冲切破坏仅由柱传来的集中荷载M、N和V产生，将此部分反力称为净反力Pn,max和Pn,min：,基础底板的荷载,Why？,3.5.2 柱下扩展基础,基底的冲切荷载效应为：,底板的冲切承载力验算,冲切力的作用面积=？,式中 pn基底的单位面积净反力，可取为pn,max： Al冲切破坏面以外的基底冲切力作用面积。,3.5.2 柱下扩展基础,基底冲切力的作用面积如图中阴影部分所示。,底板的抗冲切承载力验算,(a)(b)当lat+2h0时,(c)当lat+2h0时,3.5.2 柱下扩展基础,此外，基础高度尚应满足受剪承载力要求：,底板的抗冲切承载力验算,式中 受冲切承载力的高度影响系数，h800mm取1.0， h=2000mm取0.9，其间按线性内插法取用。 ft混凝土的轴心抗拉强度设计值； am冲切破坏锥体最不利一侧的计算长度；,式中 A 验算截面处的受剪截面面积。,3.5.2 柱下扩展基础,基础底板在两个方向均产生向上的弯曲，因此两个方向都配置受力钢筋。 控制截面 柱与基础交接处I-I、II-II 阶形基础的变阶处III-III、IV-IV,(3)基础底板配筋,3.5.2 柱下扩展基础,为便于计算，将柱四角与基础板四角对应相连，将板划分为四块，并将每一块视为一端固定于柱边、三边自由的悬臂板，彼此互不联系。,计算简图,3.5.2 柱下扩展基础,对于轴压基础： 沿长边b方向弯矩MI为等于作用在梯形截面面积ABCD上的净反力pn的合力。 找出截面形心，将pn的合力乘以形心至柱边的距离，则有：,内力计算,同理，沿短边l方向弯矩MII为：,公式推导？,3.5.2 柱下扩展基础,对于整个底板受压的偏压基础：沿长边b方向弯矩MI为：,同理，沿短边l方向柱边截面II-II的弯矩MII为：,内力计算,3.5.2 柱下扩展基础,截面抗弯的内力臂一般近似取0.9h0。 沿长边方向底板配筋As1为：,沿短边布置的底板配筋As2： 一般布置在长边钢筋上面，则有：,配筋计算,3.5.2 柱下扩展基础,基础形状及截面尺寸构造 轴心受压基础底面一般采用正方形； 偏心受压基础应采用矩形，长边与弯矩方向平行； 长、短边之比在1.52.0之间，不应超过3.0； 基础的截面形状一般可采用对称的阶梯形或锥形。 锥形基础的边缘高度不宜小于300mm； 阶形基础的每阶高度宜为300500mm。,(4)构造要求,3.5.2 柱下扩展基础,基础形状及截面尺寸构造,普通独立基础杯底厚度和杯壁厚度,高杯口基础杯壁厚度,3.5.2 柱下扩展基础,混凝土强度及配筋构造,混凝土强度等级不宜低于C20，基础下50-100mm厚的低强度混凝土垫层（C10）。 底板钢筋采用HPB235/HRB335，受力钢筋的最小直径不宜小于10mm，间距不宜大于200mm，不宜小于100mm。 当基础底面边长大于或等于2.5m时，底板受力钢筋的长度可取边长的0.9倍，并宜交错布置。当有垫层时，受力钢筋的保护层厚度不宜小于35mm，无垫层时不宜小于70mm。 对于现浇柱下基础，如与柱不同浇注时，其插筋根数应与柱内纵向受力钢筋相同，插筋的锚固及与柱纵筋的搭接长度，应符合规范规定。,3.5.2 柱下扩展基础,预制基础的构造,柱纵筋锚固要求： H1la HPB235：la=30d HRB335：la=40d HRB400：la=45d 柱吊装稳定性要求：,H10.05柱长,柱的高度 hH1+a1+50mm 足够的杯口深度H1： 预制柱的嵌固； 杯底有足够的a1： 抵抗吊装柱对基底板的冲击； 柱和杯底之间留50mm空隙： 柱和基础整体浇注细石混凝土。,3.5.2 柱下扩展基础,杯壁配筋构造,无短柱基础杯口的配筋构造,轴压或小偏压柱且t/hs0.5时，或大偏压且t/hs0.75时，杯壁可不配筋； 轴压或小偏压柱且0.5t/hs0.65时，杯壁按下表构造配筋；否则应按计算配筋 。 当双杯口基础的中间隔板宽度小于400mm时，应在隔板内配置12200的纵向钢筋和8300的横向钢筋。,3.5.2 柱下扩展基础,3.5.3 高杯口基础设计,高杯口基础(带短柱独立基础)，其底面尺寸、底板冲切承载力验算、底板配筋计算均与普通独立基础相同，但需对短柱和杯口部分进行计算。,短柱的计算 按RC偏心受压构件验算短柱底部截面： e0/h0.225 按矩形应力图形验算抗压承载力； 0.225e0/h0.45 考虑塑性系数=1.75；E 0/h0.45 按对称配筋的RC偏压构件验算承载力 杯口