单层厂房设计培训课程课件.ppt

12 单层厂房,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,12.1 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。,12.1.1 单层工业厂房的特点及结构形式,（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铺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。,12.1 概述,唐山渤海冶金重工业单层厂房,12.1 概述,恒鑫机械重工业单层厂房,12.1 概述,12.1 概述,12.1 概述,上海南汇康桥轻工业多层厂房,12.1 概述,张家港DIC化工厂层数混合厂房,12.1 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,12.1 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。,12.1.1 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。,12.1.1 单层厂房的特点,按结构材料分,12.1.2 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,其它情况,按结构形式分,12.1.2 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,12.1.2 单层工业厂房结构的类型,不等高,锯齿形,排架结构,12.1.2 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,12.1.2 单层工业厂房结构的类型,本节的知识结构,12.1.2 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,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,12.1.2 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,12.1.2 结构组成和荷载传递路径,1基础 2基础梁3排架柱4抗风柱5连系梁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,12.1.2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。组成横梁（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,12.1.2结构组成和荷载传递路径,纵向排架,组成：连系梁吊车梁纵向柱列柱间支撑基础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,12.1.2 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,12.1.2 结构组成和荷载传递路径,主要结构构件及其作用,12.1.2 结构组成和荷载传递路径,主要结构构件及其作用(续),12.1.2 结构组成和荷载传递路径,主要结构构件及其作用(续),12.1.2 结构组成和荷载传递路径,主要结构构件及其作用(续),12.1.2 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,12.1.2 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,12.1.2 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,12.1.2 结构组成和荷载传递路径,（1）单层厂房结构的设计步骤,12.1.2 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,工业设计要求,节点大样图,（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。,12.1.2 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。,12.1.2 主要构件的选型,常用屋面板,12.1.2 主要构件的选型,檩条,布置：搁在屋架或屋面梁上 作用：支承小型屋面板并将屋面荷载传给屋架；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。,12.1.2 主要构件的选型,常用檩条,12.1.2 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:,12.1.2 主要构件的选型,常用屋架和屋面梁,12.1.2 主要构件的选型,常用屋架和屋面梁(续),12.1.2 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,12.1.2 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。,12.1.2 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；将厂房的纵向荷载传递至纵向柱列、加强厂房纵向刚度等。,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,12.1.2 主要构件的选型,常用吊车梁,12.1.2 主要构件的选型,常用吊车梁(续),12.1.2 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,12.1.2 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,12.1.2 主要构件的选型,12.1.3 单层工业厂房的结构布置,单层厂房承重柱或承重墙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。相邻纵向定位轴线间的距离称为跨度，相邻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。,1.柱网的布置,(1)柱网布置,跨度,柱距,2.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。,跨度：跨度18m：3m的倍数进级(30M)；跨度18m：6m的倍数进级(60M)允许24m/30m/36m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,厂房建筑模数协调标准规定：,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：混凝土结构设计规范（GB50010-2011）室外露天70m；室内或土中100m。,(2)变形缝,伸缩缝,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。,相邻厂房高度差异大,地基差别大,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5070mm。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。,（1）支撑的作用：,3.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。,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,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),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。,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)。,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。,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。,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,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。,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。,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。,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；,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：,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：,4.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,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。,抗风柱与其他构件的连接：,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。,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。,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。,当基础梁上围护墙较高(如：15m以上)，墙体不能满足承载力要求，或基础梁不能承担其上墙重时，可设置连系梁。当厂房的围护墙不高，柱基础埋深较小，且地基较好时，可不设置基础梁，采用墙下条形基础。基础 单层厂房的柱下基础一般采用单独基础。这种基础按外形不同，分为阶形基础和锥形基础，如图2.14所示。为了便于预制柱的插入，并保证柱与基础的整体性，这种基础与预制柱的连接部分常做成杯口状，故统称杯形基础。,当柱传来的荷载较大，或地基承载力较小，采用单独的杯形基础所需底面积较大，导致相邻基础非常接近时，可采用柱下条形基础(如图2.16所示)。当地基土质很不均匀，可能发生影响厂房正常使用的不均匀沉降时，也宜采用条形基础。如果柱传来的荷载很大，而基础的持力层又很深，则应考虑采用桩基础(如图2.17所示)。,12.2排架计算,12.2.1 计算简图,单层厂房结构实际上是一空间结构。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。排架计算的主要内容：,计算简图,荷载计算,内力分析,内力组合,(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。,12.2.1 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：,12.2.1 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Hu=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。,12.2.1 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,12.2.2 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F1,12.2.2 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,12.2.2 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、F5,12.2.2 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：由建筑结构荷载规范（GB50009-2012）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。,12.2.2 荷载计算,(4)吊车竖向荷载Dmax、Dmin和横向水平荷载Tmax,单层厂房中的桥式吊车,吊车荷载的分布,12.2.2 荷载计算,单层工业厂房中的吊车，按主要承重结构的形式分为单梁式吊车和桥式吊车；按吊钩的种类分为软钩吊车和硬钩吊车；按动力来源又分为手动吊车和电动吊车。在实际工程中应根据使用要求确定，目前多采用电动吊车。吊车的起重量标有如15/3t或20/5t等时，表明吊车的主钩额定起重量为15t或20t，副钩额定起重量为3t或5t，主、副钩的起重量不会同时出现。厂房设计时，按主钩额定起重量考虑。考虑吊车在工作中的繁重程度，按利用等级（吊车在使用期内要求的总工作循环次数）和载荷状态（吊车荷载达到其额定值的频繁程度），将吊车划分为A1A8共8个工作级别。吊车的工作级别与过去采用的吊车工作制的对应关系为：A1A3相应于轻级工作制，例如用于检修设备的吊车；A4，A5相应于中级工作制；A6，A7相应于重级工作制，例如轧钢厂房中的吊车；A8相应于超重级工作制。,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,12.2.2 荷载计算,吊车竖向荷载设计值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。,12.2.2 荷载计算,吊车横向水平荷载设计值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标准值为,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。,12.2.2 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。,吊车横向水平荷载设计值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：,12.2.2 荷载计算,吊车荷载作用下的计算简图,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。,吊车纵向水平荷载设计值T0,12.2.2 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,12.2.2 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。,12.2.2 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,12.2.3 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,用剪力分配法计算等高排架,1、单阶悬臂柱的抗侧移刚度,要使柱顶产生单位水平位移，需在柱顶施加1/u的水平力。,反映了柱抵抗侧移的能力，称为抗侧移刚度，记作D0。,2、柱顶作用水平集中力时的剪力分配,用剪力分配法计算等高排架,D01,D02,D03,F,无轴向变形,无轴向变形,F,用剪力分配法计算等高排架,2、柱顶作用水平集中力时的剪力分配,剪力分配系数,自身的抗剪刚度与所有柱（包括其本身）总的抗剪刚度的比值。,剪力分配法,3、任意荷载作用时的剪力分配,用剪力分配法计算等高排架,Tmax,=,+,Tmax,RA、RB可由附图9求出,Tmax,Tmax,3、任意荷载作用时的剪力分配,用剪力分配法计算等高排架,Tmax,=,+,Tmax,Tmax,在排架柱顶附加不动铰支座以阻止水平位移，求出水平反力R。得到VA1、VB1,撤销附加的不动铰支座，取消荷载，将反力R反向施加于排架柱顶。得到VA2、VB2,叠加上述两种状态下的柱顶剪力，得实际柱顶剪力。按悬臂柱分析得排架柱实际内力。,1,2,3,3、任意荷载作用时的剪力分配,Tmax,Tmax,Tmax,Tmax,Tmax,Tmax,=,+,1,剪力分配法,Tmax,3,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。,力法计算不等高排架内力,根据横梁两端的水平位移相等的变形条件，利用结构力学中的力法进行求解：,12.2.4、内力组合,在排架所受的多种荷载中，除结构自重为恒载外，其余均为活载。多种活载同时作用在结构上，又同时使其内力达到最大值的概率极小，因此对活荷载来说，应引入荷载组合系数c，考虑荷载组合的问题。,通过以上方法可求得排架任意截面任意截面的内力，截面设计时取用何截面内力？控制截面的概念。,在每种可能的荷载组合下，通过剪力分配法，都可得出一组内力（M，V，N），称为内力组合，那组内力组合最不利？,1、控制截面,控制截面：构件某一区段内对截面配筋起控制作用的截面。,上 柱,下 柱,一般上柱底面I-I截面（牛腿顶面）内力最大，故一般I-I截面为上柱的控制截面,一般下柱顶面-截面（牛腿顶面以下截面）和-截面（基础顶面以上截面）内力较大，为下柱的控制截面，同时-截面为基础设计设计的依据,2、荷载组合,恒载,屋面活载,吊车活载,风载,以上荷载可能出现的荷载组合有8种，分别是：,恒载恒载+屋面活载恒载+吊车活载恒载+风载恒载+屋面活载+吊车活载恒载+屋面活载+风载恒载+吊车活载+风载恒载+屋面活载+吊车活载+风载,1）荷载组合时，可变荷载组合系数如何取值？,2）哪个荷载组合得出的内力组合（M、N、V）最不利？,1）荷载组合时，可变荷载组合系数如何取值？,建筑结构荷载规范规定，对于一般排架、框架结构，可采用简化规则，在下列荷载效应组合中取不利值确定：,（1）由可变荷载效应控制的组合,“恒荷载”+任一种“活荷载”,“恒荷载”+0.9（任意两种或两种以上“活荷载”）,（2）由永久荷载效应控制的组合,2）哪个荷载组合得出的内力组合（M、N、V）最不利？,排架柱是偏心受压构件,大偏心受压构件,小偏心受压构件,M越大，N越小越危险,M越大，N越大越危险,纵向受力钢筋的计算取决于N和M，故一般考虑以下四种内力组合：,（1）+Mmax及相应的N和V,（2）-Mmax及相应的N和V,（3）Nmax及相应的M和V,（4）Nmin及相应的M和V,由于柱一般为对称配筋，故（1）（2）可合并为：,对称配筋矩形截面偏心受压构件的截面承载力Nu-Mu相关曲线,内力组合根据各种荷载可能同时出现的情况，求出在某些荷载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。,内力组合必须以以上四种组合为目标，结果源自各种荷载组合下计算得的内力。,3、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。由于柱底水平剪力对基础底面产生弯矩，故对于-截面，必须组合剪力V。,12.2.4 排架内力组合,12.2.5 考虑整体空间作用的计算,单层厂房计算时取横向平面排架只是一种简化，与实际有差别：,厂房两端无山墙时各榀排架柱顶位移一致；厂房两端有山墙时各榀排架柱顶水平位移呈曲线分布；厂房两端无山墙，单榀排架柱顶作用水平力，非直接受荷排架的约束使其柱顶的水平位移减小；厂房两端有山墙时，受到非受荷排架和山墙两种约束，各榀排架的柱顶水平位移将更小。,12.2.5 考虑整体空间作用的计算,排架与排架、排架与山墙之间相互关联的整体作用称为厂房的整体空间作用。其条件有两个：各横向排架之间必须有纵向构件联系；各横向排架的刚度不同或承受的荷载不同。,一伸缩缝区段内两端无山墙，且各个横向排架承载相同时，不应考虑厂房的空间作用，按平面排架计算；当一端或两端有山墙，且各个横向排架承受相同荷载作用时，仍可按平面排架计算，其结果偏于安全；仅在吊车竖向及水平等局部荷载作用时，才考虑厂房的整体空间作用。,实际工程简化,12.2.5 考虑整体空间作用的计算,单个水平荷载作用下的：,空间作用分配系数k,k的物理意义：当Rk1时，直接承受荷载的排架所分担的荷载；k越小，通过纵向联系构件传给其它排架的水平力Rk 越大，其空间作用越大。,12.2.5 考虑整体空间作用的计算,屋盖刚度 屋盖刚度越大，传递的水平力Rk越大，相应的空间作用分配系数k越小，空间作用越大。承重排架刚度 承重排架刚度越大，分担的荷载越大，k越大，空间作用越小。厂房两端有无山墙 有山墙比无山墙的空间作用大，有山墙k比无山墙k小。厂房山墙的间距 山墙间距越小，屋盖平面刚度越大，空间作用越大，k越小。,影响整体空间作用程度的因素,12.2.5 考虑整体空间作用的计算,12.2.6 纵向柱距不等的排架内力计算*,纵向柱距不等的排架，可选取合并单元进行内力计算。,计算单元及计算简图,12.2.6 纵向柱距不等的排架内力计算*,恒载、风载计算同等距排架 吊车荷载：应按计算单元的中间排架产生的D3max、D3min、T3max时吊车位置来计算，即合并排架的吊车荷载为：,荷载计算,内力还原 按合并排架和荷载求得的内力应进行还原，以求得柱的实际内力。吊车竖向荷载Pmax、Pmin引起柱的轴力，应按该柱实际承受的最大、最小竖向吊车荷载来计算，不能把合并排架求得的轴力除以2。,12.2.6 复式排架的简化计算*,(1)单层厂房有附属跨排架,满足EI1/EI21/20 时：,附跨柱按柱顶为不动铰支点的独立柱计算，有风荷载作用时，可取柱顶反力为不动铰支座反力R的0.8倍。主跨排架内力计算时，不考虑附跨排架参加工作，仅考虑附跨柱顶作用的垂直及水平荷载。,当框架抗剪刚度大于柱抗剪刚度的20倍时(如图a)，可取 X1=R；当不满足上述条件时（如图b），可取 X1=0.95R；当排架中屋架下弦高于框架顶层高时（如图c）,取 X1=0.85R。,由框架和排架组成。,(2)复式排架,12.2.6 复式排架的简化计算*,12.2.6 排架的横向刚度验算*,一般情况下排架横向刚度有保证，可不必验算；当吊车吨位较大时，为安全计，应对吊车梁顶面与柱连接K处的水平位移进行验算：,注意：横向刚度验算属正常使用极限状态，计算时荷载应取标准值，不考虑长期荷载效应的影响。,(1)当uK5mm时，满足正常使用要求；(2)当5mmuK10mm时，厂房柱应满足：中、轻级工作制吊车 uK HK/1800；重级工作制吊车 uK HK/1800；(3)露天栈桥柱：uK 10mm且uK HK/2500。,12.3 单层厂房柱,12.3.1 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。,12.3.1 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。,工字型柱的外形尺寸,12.3.1 柱的形式及其截面设计,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l0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,12.3.2 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。,构造要求,12.3.2 柱的形式及其截面设计,吊装验算,排架柱平卧预制,排架柱翻身起吊,排架柱平卧起吊,平吊和翻身吊验算时有何异同？（施工方便、满足承载力和裂缝限值要求等角度）,As,As,As,As,单点起吊,多点起吊,单点起吊吊装验算时，最不利受力阶段为吊点刚离开地面时，此时柱底端搁置在地面上，柱为在其自重下的受弯构件。,由此时的计算简图可知，一般可取上柱柱底、牛腿根部和下柱跨中三个控制截面。,根据排架柱的长度，可采取单点起吊和多点起吊方案。,吊装验算时，应注意：,1、考虑施工振动，柱自重应乘以动力系数1.5。,2、吊装验算为临时性验算，构件安全等级可较其使用阶段的安全等级降低一级。,3、吊装时，混凝土强度一般按设计强度的70%考虑。即：吊装时，混凝土强度不得低于设计强度的70%。,6、多点起吊时，吊装方法应与施工单位共同商定并进行相应的验算。,4、吊装验算包括承载力和裂缝控制验算。（上册第3和第8章）,5、吊装验算配筋不足时，可在局部区段加配短钢筋。,12.3.3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,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。,其中h0为牛腿根部垂直截面的有效高度。,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。,a/h0=0.5的环氧树脂牛腿模型光弹性试验,12.3.3牛腿设计,试验结果表明：Fv=0.20.4Fu出现竖向裂缝，对牛腿受力性能影响不大；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,12.3.3牛腿设计,牛腿的破坏形态,牛腿的破坏形态主要取决于a/h0值，主要有三种破坏形态：,当a/h00.75和纵向受力钢筋配筋率较低时。,第一条斜裂缝出现后，随荷载增加，不断向受压区延伸，水平纵向受力钢筋应力随之增大并逐渐达到屈服，裂缝外侧混凝土绕牛腿与柱交点转动，混凝土压碎而破坏。,弯曲破坏,剪切破坏,当a/h00.1或边缘高度h1较小时，发生纯剪破坏。,沿加载板内侧接近竖直截面的纯剪破坏。牛腿与下柱交界面上出现一系列短斜裂缝，最后牛腿沿此斜裂缝从柱上切下而遭破坏。,当a/h0=0.10.75时，发生斜压或斜拉破坏。,沿斜裂缝外侧出现一批短而细斜裂缝，最终斜裂缝贯通，混凝土压碎，导致牛腿破坏。,不出现短斜裂缝，由于主拉应力较大，而在加载板内侧出现一条通长斜裂缝，牛腿沿次裂缝破坏。,斜压破坏,斜拉破坏,局部受压破坏,当加载板过小或混凝土强度过低时，由于局部压应力很大，导致加载板下的混凝土局部压碎破坏。,牛腿在竖