钢筋混凝土设计单层工业厂房课件.ppt

第2章 单层厂房结构,2.5 横向排架结构内力分析,1 排架计算,（1）计算单元：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。,计算单元和计算模型,1 排架计算,(1)计算单元 范围：由相邻柱距的中线截出的一个典型区段，如图。除吊车等移动荷载以外，计算单元就是排架的负荷范围，或称从属面积。计算单元上的荷载由该单元内的横向排架承担。吊车荷载，不可能在所有排架上同时出现，不按计算单元考虑，根据与该排架相连的两边吊车梁传给柱子的荷载来计算。 (2)计算假定与计算简图 确定排架结构的计算简图时，作以下假定： (a)柱上端与屋架(或屋面梁)铰接； (b)柱下端与基础固接； (c)排架横梁为无轴向变形的刚杆，柱顶水平位移相等一般钢筋混凝土屋架或预应力混凝土屋架适用。钢筋混凝土组合式屋架或两铰、三铰拱屋架考虑轴向变形 (d)柱高度由固定端至柱顶铰结点，柱的轴线几何中心线。变截面柱的轴线为一折线。,第2章 单层厂房结构,3.5 横向排架结构内力分析,横向排架的计算简图,1 排架计算见图,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,2 排架结构上的荷载,作用在横向排架结构上的荷载有恒载、屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、吊车荷载和风荷载等，除吊车荷载外，其它荷载均取自计算单元范围内。,（1）恒载 ：,屋盖自重G1 ：屋盖自重包括屋架或屋面梁、屋面板、天沟板、天窗架、屋面构造层以及屋盖支撑等重力荷载。,悬墙自重G2 ：当设有连系梁支承围护墙体时，排架柱承受着计算单元范围内连系梁、墙体和窗等重力荷载。,吊车梁和轨道及连接件自重G3 。,柱自重G4（G5） ：,第2章 单层厂房结构,2 横向排架结构内力分析,恒载作用位置及相应的排架计算简图,2 排架结构上的荷载,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,（2）屋面活荷载 ：包括屋面均布活荷载、屋面雪荷载和屋面积灰荷载三部分。其荷载分项系数均为1.4。,屋面均布活荷载 ：屋面水平投影面上的屋面均布活荷载标准值，按下列情况取：不上人的屋面为0.5kN/m2；上人的屋面为2.0kN/m2。,屋面雪荷载 ：屋面水平投影面上的雪荷载标准值 (kN/m2) 式中: 为基本雪压 (kN/m2)； 为屋面积雪分布系数。,屋面积灰荷载 ：对设计生产中有大量排灰的厂房及其临近建筑时，应考虑屋面积灰荷载的影响。屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，取两者中的较大值；当有屋面积灰荷载时，积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。,注：,2 排架结构上的荷载,2 排架结构上的荷载,2 排架结构上的荷载,2 排架结构上的荷载(3)吊车荷载,工作制：根据吊车荷载达到其额定值的频繁程度将吊车工作制度分为轻级、中级、重级、超重级。吊车荷载分类：竖向荷载Dmax(或Dmin) 横向水平荷载Tmax、Tmin 纵向水平荷载T竖向荷载：当小车吊在额定最大起重量Q开到大车一端的极限位置，该侧的每个大车轮压称为吊车的最大轮压Pmax,k(标准值)，另一侧为最小轮压(标准值)Pmin,k。吊车轮压应考虑数台吊车不利组合：单跨厂房最多考虑两台吊车；多跨厂房最多考虑四台吊车。 Pmax,k根据吊车型号、规格等查阅产品目录或起重运输机械专业标准(ZQ工一62)得到。四轮吊车： 2(Pmax,k+Pmin,k)=(Q1,k+Q2,k+Q,k)g 设计值:标准值乘1.4,2 排架结构上的荷载(3)吊车荷载,吊车是移动的，吊车竖向荷载组合值用影响线计算。两台吊车满载并行，其中一台的一个轮子（与另一吊车相邻）正好位于计算排架柱上，另一台吊车与它紧靠在一起的时候，传给柱子上的压力为最大。当一边柱子承受由Pmax产生的最大竖向荷载Dmax时，另一边柱子承受最小竖向荷载Dmin，Dmax和Dmin同时出现。,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,吊车竖向荷载 ： 和 的标准值按下式计算式中 、 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。,当计算吊车梁及其连接的强度时，吊车竖向荷载应乘以动力系数。,注：,计算排架考虑多台吊车竖向荷载时，对单跨厂房的每个排架，参与组合的吊车台数不宜多于2台；对多跨厂房的每个排架，不宜多于4台。,（3）吊车荷载 ：,2 排架结构上的荷载,2 排架结构上的荷载(3)吊车荷载,横向水平制动力可近似考虑由两侧排架柱各负担一半。 作用点：吊车的竖向轮压处。荷载规范规定：吊车横向水平荷载作用，单跨、多跨均最多考虑两台吊车同时制动。,2 排架结构上的荷载(3)吊车荷载,通常起重量Q50t的桥式吊车，其大车总轮数为4，每个大车轮传递的吊车横向水平荷载标准值Tk： Tk（Q,k+Q1,k）g 横向水平荷载系数(或小车制动力系数) 对软钩吊车： 当Q10t时，0.12；当Q1550t时，0.10； 当Q75t时，0.08； 对硬钩吊车：0.2。吊车在排架上产生最大横向水平荷载标准值Tmax,k时的吊车位置与产生Dmax、Dmin相同。排架柱所受的最大横向水平荷载标准值Tmax，k可由影响线求得,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,吊车横向水平荷载 ：吊车总的横向水平荷载可按下式取值：式中 吊车的额定起重量； 小车重量； 重力加速度； 横向水平荷载系数。,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： 式中 为第 个大车轮子的横向水平制动力。,考虑多台吊车水平荷载时，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。,注：,2 排架结构上的荷载,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,吊车纵向水平荷载： 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，即式中，n为施加在一边轨道上所有刹车轮数之和，对于一般的四轮吊车，n=1。,无论单跨或多跨厂房，在计算吊车纵向水平荷载时，一侧的整个纵向排架上最多只能考虑2台吊车。,注：,2 排架结构上的荷载,【例2.1】有单跨单层厂房，跨度为24m，柱距为6m，设计时考虑两台A3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ZQ162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5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=6.93kNTmax,k=13.28kN,图1桥式吊车荷载,图2 吊车荷载,图3 吊车横向水平制动力,图4 吊车纵向水平荷载,图5 吊车梁反力影响线,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,式中 基本风压值（kN/m2），是以当地比较空旷平坦地面上离 高度z处的风振系数； 风压高度变化系数； 风荷载体型系数。,地10m高处统计所得的50年一遇10分钟平均最大风速为标准确定的风压值；,（4）风荷载 ： 垂直于建筑物表面上的风荷载标准值 （kN/m2）按下式计算：,2 排架结构上的荷载,2 排架结构上的荷载(4)风荷载,垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按下式计算：wk=zszw0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。,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。 作用在排架上的风荷载，其设计值分别按下式计算：,2 排架结构上的荷载(4)风荷载,【例2.2】如图2.1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2.1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=0.76q1=Qs1zw0B=2.04kN/m()q2=Qs2zw0B=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=0.90W=20.34kN（）作用于排架风荷载如图所示。,图2.1 横向排架上的风荷载,图2.2.,(a) 厂房剖面图；(b) 计算简图及s值,图2.3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。,排架的内力计算,2.5.3. 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。,图等高排架内力分析,（1） 当排架柱顶作用水平集中荷载F时,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：F=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=VAAB=VBBC=VCC即：VA=A/A=/AVB=B/B=/BVC=C/C=/C,由公式得：/A+/B+/C=F则各柱柱顶剪力为：VA=/A=AFVB=/B=BFVC=/C=CF即Vi=iF,（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，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，以恢复到原来结构体系。,【例11.3】一单层单跨厂房排架如图所示。A柱与B柱相同。I上A=I上B=2.13109mm4，I下A=I下B=5.876109mm4，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，计算简图如图所示。,查附表(y=0.7H1)得C5=0.66。查附表(y=0.8H1)得C5=0.615。用插入法得，当y=0.728H1时：C5=0.647Ra=TmaxC5-5.76kN()Rb=0Ra+Rb=5.76kN() 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(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,图 吊车横向荷载作用计算简图及柱顶剪力计算,【例11.4】一等高排架如图，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=2.13105cm4, I下A=I下C=9.23105cm4,I上B=4.17 105cm4,I下B=9.23105cm4。求柱的内力并绘制弯矩图。 【解】 (1) 计算剪力分配系数=H1/H2=0.254A、C柱n=I上/I下=0.231B柱n=I1/I2=0.452,查附表得：A、C柱C0=2.85A=C=6941/EcmB柱C0=2.94B=6721/Ecm剪力分配系数：A=C=0.33B=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1得C11=0.361。RA=q1H2C11=7.41kN()在q2的作用下得：RC=q2H2C11=4.63kNR=RA+RC=12.04kN()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(b)、(c)所示。,VA=A(W+R)-RA=-1.57kN()VB=B(W+R)= 6kN()VC=C(W+R)-RC=1.2kN()（3） 绘制弯矩图（如图所示）。,图 风荷载作用下计算简图及柱顶剪力计算,图风荷载作用下的弯矩图,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,总结 3等高排架内力分析,（1）柱顶水平集中力作用下等高排架内力分析 ：,在柱顶水平集中力作用下，等高排架各柱顶侧移相等，沿横梁与柱的连接处将各柱的柱顶切开，在各柱顶的切口上作用一对相应的剪力 。,柱顶水平集中力作用下等高排架的变形和内力,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,式中 第 i 根排架柱的抗侧移刚度（或抗剪刚度），即悬臂 第 i 根排架柱的剪力分配系数，按下式计算：,求得柱顶剪力Vi 后，用平衡条件可得排架柱各截面的弯矩和剪力。,当排架结构柱顶作用水平集中力F时，各柱的剪力按其抗剪刚度与各柱抗剪刚度总和的比例关系进行分配。,柱柱顶产生单位侧移所需施加的水平力,注：,3 等高排架内力分析,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,剪力分配系数必满足 。,各柱的柱顶剪力Vi仅与F 的大小有关，而与其作用在排架左侧或右侧柱顶处位置无关，但F 的作用位置对横梁内力有影响。,（2）任意荷载作用下等高排架内力分析 ：等高排架在任意荷载作用下，为了利用剪力分配法求解，通常可采用以下三个步骤来进行这种情况下的排架内力分析。,对承受任意荷载作用的排架，先在排架柱顶部附加一个不动铰支座以阻止其侧移，则各柱为单阶一次超静定柱，应用柱顶反力系数可求得各柱反力Ri及相应的柱端剪力，柱顶假想的不动铰支座总反力为 。,3 等高排架内力分析,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,撤除假想的附加不动铰支座，将支座总反力R反向作用于排架柱顶，应用剪力分配法可求出柱顶水平力R作用下各柱顶剪力 。,将前面的计算结果相叠加，可得到在任意荷载作用下排架柱顶剪力 ，然后可求出各柱的内力。,任意荷载作用下等高排架内力分析,3 等高排架内力分析,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,4 不等高排架内力分析,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。 式中 ， ， ， 为基本结构的柔度系数，可由单位力弯矩图图乘得到； 、 为载常数。,两跨不等高排架内力分析,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,5 考虑厂房整体空间作用的排架内力分析,（1）厂房整体空间作用的概念,当各榀排架柱顶均受有水平集中力R，且厂房两端无山墙时每一榀排架都相当于一个独立的平面排架。,当各榀排架柱顶均受有水平集中力R，但厂房两端有山墙时，山墙则通过屋盖等纵向联系构件对其它各榀排架有不同程度的约束作用，使各榀排架柱顶水平位移呈曲线分布，且 。,当仅其中一榀排架柱顶作用水平集中力R，且厂房两端无山墙时，则直接受荷排架通过屋盖等纵向联系构件，受到非直接受荷排架的约束，使其柱顶的水平位移减小，即 。,当仅其中一榀排架柱顶作用水平集中力R，但厂房两端有山墙时，则直接受荷载排架受到非受荷排架和山墙两种约束，故各榀排架的柱顶水平位移将更小，即 。,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,厂房空间作用分析,当结构布置或荷载分布不均匀时，由于屋盖等纵向联系构件将各榀排架或山墙联系在一起，故各榀排架或山墙的受力及变形都不是单独的，而是相互制约。这种排架与排架，排架与山墙之间的相互制约作用，称为厂房的整体空间作用。,单层厂房整体空间作用的程度主要取决于屋盖的水平刚度、荷载类型、山墙刚度和间距等因素。,5 考虑厂房整体空间作用的排架内力分析,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,（2）吊车荷载作用下考虑厂房整体空间作用的排架内力分析,根据试验资料及理论分析，给出了吊车荷载作用下单层单跨的空间工作分配系数。,厂房空间工作示意图,5 考虑厂房整体空间作用的排架内力分析,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,单跨厂房空间作用分配系数,5 考虑厂房整体空间作用的排架内力分析,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,6 内力组合,所谓内力组合，就是将排架柱在各单项荷载作用下的内力，按照它们在使用过程中同时出现的可能性，求出在某些荷载共同作用下，柱控制截面可能产生的最不利内力，作为柱和基础配筋计算的依据。,（1）柱的控制截面,控制截面是指对截面配筋起控制作用的截面。,当柱高度较大时，下柱中间某截面也可能为控制截面。,当柱上作用有较大的集中荷载（如悬墙重量等）时，可根据其内力大小还需将集中荷载作用处的截面作为控制截面。,图11.42 柱的控制截面,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,（2）荷载效应组合,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,6 内力组合,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,（3）不利内力组合,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。,6 内力组合,第2章 单层厂房结构,横向排架结构内力分析,（4）内力组合注意事项,每次内力组合时，都必须考虑恒荷载产生的内力。,每次内力组合时，只能以一种内力为目标来决定可变荷载的取舍，并求得与其相应的其余两种内力。,在吊车竖向荷载中，同一柱的同一侧牛腿上有Dmax或Dmin作用，两者只能选择一种参加组合。,吊车横向水平荷载Tmax同时作用在同一跨内的两个柱子上，向左或向右，组合时只能选取其中一个方向。,6 内力组合,2.5 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。,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(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。,2.6.1 运输及吊装验算,图,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ah0时为短牛腿，如图；当ah0时为长牛腿，如图所示。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。,2.6.2 牛腿设计,图牛腿荷载作用位置,从环氧树脂牛腿模型光弹性试验得到牛腿的主应力迹线，如图所示。 当外荷载Fv为极限荷载的20%40%时，在牛腿主拉应力迹线的密集区首先出现垂直裂缝，如图11所示。当Fv继续增加到极限荷载的40%60%时，在加载板内侧附近出现第一条斜裂缝，如继续加载则裂缝不断发展；当加载至极限荷载的80%左右时，突然在加载板外侧出现斜裂缝，这预示牛腿即将破坏。,.1 牛腿的应力状态和破坏过程,图 牛腿内弹性阶段主应力迹线,（1） 剪切破坏当a/h00.1时，发生剪切破坏，其特征是牛腿与下柱的交接面处出现一系列的短斜裂缝，最终沿此裂缝把牛腿从柱上切下而破坏。如图11.67 (a) 所示。（2） 斜压破坏当a/h0=0.10.75时，发生斜压破坏。其特征是在加载板内侧出现斜裂缝后，继续加载至极限荷载的80%左右，在加载板内外侧之间，在斜向范围内出现大量短小斜裂缝，最后在加载板外侧突然出现斜裂缝，而后牛腿沿此斜压杆或斜裂缝而破坏。如图11.67(b)所示。 ,（3） 弯压破坏当a/h00.75时，发生弯压破坏。其特征是当出现斜裂缝后，随荷载的增加，斜裂缝不断向受压区延伸，同时牛腿中纵向受拉钢筋的应力也不断增加并逐渐达到其屈服强度，最后斜裂缝以外的部分绕牛腿下部与柱的交接点转动，从而导致该处混凝土压碎而破坏。如图11.67(c)所示。,图11.66 牛腿的裂缝,图11.67 牛腿的破坏形式,1.截面尺寸的确定（图11.68）牛腿的截面宽度通常与柱相同，而截面高度一般按使用阶段不出现斜裂缝或仅出现微细裂缝作为控制条件。斜裂缝出现时的荷载Fv与a/h0的关系可列经验公式表示： ,11.6.3.2 牛腿设计,2.承载力计算 （1） 计算简图。 牛腿在即将破坏时的计算简图可视为一个三角桁架，如图11.69所示。 （2） 正截面承载力计算。如图11.69所示。对A点取力矩平衡方程MA=0可得：,（3） 斜截面承载力。牛腿斜截面承载力主要取决于混凝土强度等级，同时水平箍筋和弯起钢筋对牛腿斜裂缝开展的抑制作用可间接地提高牛腿斜截面的承载力。 （4） 局部受压验算。为防止牛腿顶面加载板下混凝土局部受压破坏，其局部受压应力不得超过0.75fc，即：c=Fvs/A0.75fc,图11.68 牛腿受力图,图11.69 牛腿的计算简图,牛腿内纵向受拉钢筋宜采用变形钢筋，牛腿几何尺寸及配筋应满足图11.70所示的要求，其中a1为牛腿外边缘至吊车梁外边缘之间的距离，a170mm。当牛腿的剪跨比a/h00.3时，应设置弯起钢筋，弯起钢筋宜采用变形钢筋，并宜设置在牛腿上部l/6至l/2之间的范围内，其截面面积不应少于承受竖向力的受拉钢筋面积的二分之一，且不应小于0.0015bh0，其根数不应少于2根，直径不应小于12mm。 ,11.6.3.3 牛腿的构造要求,【例11.6】试设计例11.5中排架A柱。【解】柱的设计包括截面设计、牛腿设计和吊装验算等。(1) A柱截面设计 (2) A柱吊装验算起吊时，混凝土达到强度设计值100%。计算简图如图11.71所示。荷载计算截面验算 裂缝宽度验算,(3) 牛腿设计设牛腿高度h=700mm，根据吊车梁支承位置截面尺寸及构造要求，初步拟定如图11.72所示。 牛腿高度验算 牛腿有效高度 (4) 施工图A柱的施工图如图11.73所示。,图11.70 牛腿的尺寸及配筋构造,图11.71 A柱吊装图,图11.72 A柱牛腿尺寸图,图11.73 A柱施工图,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,1 截面设计,（1）截面配筋计算 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 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,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,（2）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% 。 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300mm。,1 截面设计,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,2 牛腿设计,在厂房结构钢筋混凝土柱中，常在其支承屋架、托架、吊车梁和连系梁等构件的部位，设置从柱侧面伸出的短悬臂，称为牛腿。 牛腿按承受的竖向力作用点至牛腿根部柱边缘水平距离的不同分为两类： 时为长牛腿，按悬臂梁进行设计； 时为短牛腿 ，是一个变截面短悬臂深梁。,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,（1）牛腿的受力特点及破坏形态 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。,弹性阶段 ：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,2 牛腿设计,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,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。,2 牛腿设计,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,2 牛腿设计,破坏阶段 ：随a/h0值的不同，牛腿主要有以下几种破坏形态： 弯压破坏,剪切破坏,牛腿的破坏形态,斜压破坏,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,（2）牛腿截面尺寸的确定 牛腿的截面宽度与柱宽相同。 牛腿截面尺寸通常以不出现斜裂缝作为控制条件。设计时以下列经验公式作为抗裂控制条件来确定牛腿的截面尺寸：,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 裂缝控制系数； a竖向力的作用点至下柱边缘的水平距离,向力和水平拉力值；,b牛腿宽度；,h0牛腿与下柱交接处的垂直截面有效高度。,2 牛腿设计,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,牛腿尺寸及配筋,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 牛腿设计,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,（3）纵向受力钢筋计算与构造,计算简图：试验研究表明，牛腿在竖向力和水平拉力作用下，其受力特征可以用由牛腿顶部水平纵向受力钢筋为拉杆和牛腿内的斜向受压混凝土为压杆组成的三角桁架模型来描述。,牛腿的计算简图,2 牛腿设计,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,纵向受力钢筋计算 ：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a0.3h0时，取a=0.3h0；,fy为纵向受拉钢筋强度设计值。,2 牛腿设计,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,牛腿配筋构造,构造要求 ：,2 牛腿设计,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,（4）水平箍筋及弯起钢筋 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/h00.3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。,2 牛腿设计,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,3 柱的吊装验算,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，一般取上柱柱底、牛腿根部和下柱跨中三个控制截面。,柱的吊装方式及计算简图,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,4 抗风柱的设计,抗风柱承受山墙传来的风荷载，其外边缘与厂房横向封闭轴线重合，离屋架中心线600mm。为了避免抗风柱与端屋架相碰，应将抗风柱的上部截面高度适当减小，形成变截面柱。,抗风柱计算简图,（1）抗风柱尺寸的确定 抗风柱截面尺寸除了满足有关截面尺寸的限值外，上柱截面尺寸不宜小于350mm300mm，下柱截面高度不宜小于600mm。 抗风柱的柱顶标高应低于屋架上弦中心线50mm；同时抗风柱变阶处的标高应低于屋架下弦底边200mm。,第2章 单层厂房结构,柱 的 设 计,（2）计算简图及内力分析 抗风柱顶部一般支承在端屋架的上弦节点处，支承点可视为不动铰支座； 柱底部固定于基础顶面； 当屋架下弦设有横向水平支撑时，抗风柱亦可与屋架下弦相连接，作为抗风柱的另一个不动铰支座；当在山墙内侧设置水平抗风梁或抗风桁架时，则抗风梁（或桁架）也为抗风柱的一个支座。,由于山墙的重量一般由基础梁承受，故抗风柱主要承受风荷载，若忽略抗风柱自重，则可按变截面受弯构件进行设计。 当山墙处设有连系梁时，则抗风柱可按变截面的偏心受压构件进行设计。,4 抗风柱的设计,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,1 基础的分类与设计内容,(1)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,(2)基础的设计内容： 基础的形式； 埋置深度； 底面尺寸； 基础高度； 底板的配筋计算；,对一些重要的建筑物或土质较为复杂的地基，尚应进行变形或稳定性验算；,当独立基础的混凝土强度等级小于柱的混凝土强度等级时，尚应验算柱下独立基础顶面的局部受压承载力。,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,2 基础底面尺寸,（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,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：,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,（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。,偏心受压基础压力分布,2 基础底面尺寸,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,基础底面边缘的压力可按下式计算：,取 ，并将 代入，可将基础底面边缘的压力值写成如下形式：,2 基础底面尺寸,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,在偏心荷载作用下，基础底面的压力值应符合下式要求：,在确定偏心荷载作用下基础的底面尺寸时，一般采用试算法。首先按轴心荷载作用下初步估算基础的底面面积；再考虑基础底面弯矩的影响，将基础底面积适当增加（20-40）%，初步选定基础底面的边长l和b，计算偏心荷载作用下基础底面的压力值，然后验算是否满足要求；如不满足，应调整基础底面尺寸重新验算，直至满足为止。,2 基础底面尺寸,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,3 基础高度验算,独立基础的高度除应满足构造要求外，还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,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,建筑地基基础设计规范规定，对矩形截面柱的矩形基础，柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载力应按下列公式验算：,3 基础高度验算,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,基础的受冲切承载力截面位置,3 基础高度验算,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,4 基础底板配筋,独立基础底板的受力状态可看作在地基土反力作用下支承于柱上倒置的变截面悬臂板。基础底板配筋采用地基土净反力。,(1) 轴心荷载作用下的基础：将基础底板划分为四个区块，每个区块都可看作是固定于柱边的悬臂板，且区块之间无联系。,基础底板配筋计算图,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,由于长边方向的钢筋一般置于沿短边方向钢筋的下面，此处若假定b方向为长边，故沿长边b方向的受力钢筋截面面积，可近似按下式计算：,如果基础底板两个方向受力钢筋直径均为d，则截面的有效高度为，故沿短边l方向的受力钢筋截面面积为：,4 基础底板配筋,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,(2) 偏心荷载作用下的基础：当偏心矩小于或等于1/6 基础宽度时，沿弯矩作用方向在任意截面处，及垂直于弯矩作用方向在任意截面处相应于荷载效应基本组合时的弯矩设计值可分别按下列公式计算：,当按上式求得弯矩设计值 、 后，其相应的基础底板受力钢筋截面面积可近似地按轴心受压公式进行计算。,4 基础底板配筋,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,5 构造要求,基础形状：独立基础的底面一般为矩形，长宽比宜小于2。基础的截面形状一般可采用对称的阶梯形或锥形。,底板配筋：基础底板受力钢筋的最小直径不宜小于10mm，间距不宜大于200mm，也不宜小于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。,混凝土强度等级：基础的混凝土强度等级不宜低于C20。垫层的混凝土强度等级应为C10。,杯口深度：杯口的深度等于柱的插入深度h1+50mm。为了保证预制柱能嵌固在基础中，柱伸入杯口应有足够的深度h1；h1还应满足柱内受力钢筋锚固长度的要求，并应考虑吊装安装时柱的稳定性。,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,杯口尺寸：杯口应大于柱截面边长，其顶部每边留出75mm，底部每边留出50mm，以便预制柱安装时进行就位、校正，并二次浇筑细石混凝土。,杯底厚度：杯底应具有足够的厚度a1，以防预制柱在安装时发生杯底冲切破坏。,锥形基础的边缘高度:一般取a2200mm，且a2a1和a2hc/4（hc为预制柱的截面高度）；当锥形基础的斜坡处为非支模制作时，坡度角不宜大于250，最大不得大于350。,5 构造要求,第2章 单层厂房结构,柱下独立基础设计,独立基础外形尺寸和配筋构造,5 构造要求,