《混凝土设计》PPT课件.ppt

2.4 单层厂房柱的设计,2.4.1 柱截面几何尺寸的拟定,2.4.2 矩形及工字形截面柱的配筋计算,一般按偏心受压构件进行配筋计算，箍筋按构造要求配置。,柱配筋通常采用对称配筋方式。,2.4.3 矩形及工字形截面柱的构造,2.4.4 柱牛腿设计,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(图a)，按悬臂梁进行设计；时为短牛腿(图b)，是一个变截面短悬臂深梁。,（1）牛腿的应力状态和破坏过程 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。,图2-57 牛腿主应力图,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。,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,当1 ah0 0.75且纵向钢筋配筋率偏低时，随着荷载增加，斜裂缝不断向受压区延伸，纵筋应力不断增加并逐渐达到屈服强度，这时斜裂缝外侧部分绕牛腿下部与柱交接点转动，致使受压区混凝土压碎而引起破坏(图a)。设计中用配置足够数量的纵向受拉钢筋来避免出现这种破坏现象。,图2-58 牛腿的破坏形态,斜压破坏,当ah00.10.75时，随着荷载增加，在斜裂缝外侧整个压杆范围内，出现大量短小斜裂缝，当这些斜裂缝逐渐贯通时，压杆内混凝土剥落崩出，牛腿即破坏(图b)；有些牛腿不出现裂缝，而是在加载垫板下突然出现一条通长斜裂缝而破坏(图c)。这些现象称为斜压破坏，破坏时纵向受拉钢筋达到屈服强度。牛腿承载力计算主要是以这种破坏模式为依据的。,剪切破坏,当ah00.1或虽ah0较大但牛腿的外边缘高度h1较小时，在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(d)。这时牛腿内纵向钢筋应力较小。这一破坏现象可用控制牛腿截面尺寸(h1)和采取必要的构造措施来防止。,（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(即牛腿的高度限值)。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 计算的竖向力和水平拉力值；裂缝控制系数；对支承吊车梁的牛腿，取 0.65，其它牛腿，取0.80；a竖向力的作用点至下柱边缘的水平距离，此 时应考虑安装偏差20 mm，当考虑20 mm安装 偏差后的竖向力作用线仍位于下柱截面以内 时，取a0；b牛腿宽度；h0牛腿与下柱交接处的垂直截面有效高度，取h0h1as+ctan，当 45时，取45。,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。,牛腿的外边缘高度h1不应小于h3，且不应小于200 mm，以防止非根部受拉破坏；牛腿外边缘至吊车梁外边缘的距离不宜小于70 mm，以防止发生保护层剥落；牛腿底边倾斜角45,纵向受力钢筋,（3）牛腿配筋计算,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。,图2-60 牛腿的计算简图,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；对支承吊车梁的牛腿，当吊车梁 的上部通过连接钢板与上柱连接时，牛腿上无 此拉力。对支承屋架或其他构件的牛腿，则应 考虑水平拉力的影响,a意义同前，当a0.3h0时，取a=0.3h0；,牛腿配筋构造,（4）构造要求,1）纵向受力钢筋,纵向受力钢筋,2）水平箍筋 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612mm，间距100150mm，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。3）弯起钢筋 当牛腿的剪跨比a/h00.3时，宜设置弯起钢筋。弯起钢筋宜采用HRB335或HRB400级钢筋，并宜设置在牛腿上部l6至l2之间的范围内，其截面面积不宜小于承受竖向力的受拉钢筋截面积约1/2，其根数不宜小于2根，直径不宜于小于12 mm。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。,2.4.7 柱的运输与吊装验算,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,吊装方法有翻身吊（a）和平吊(b)两种。平吊较为方便，当采用平吊不满足承载力或裂缝宽度限值要求时，可采用翻身吊。,2.6 柱下独立基础及基础梁的设计,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。,基础的类型,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：1）基础的形式；2）埋置深度考虑持力层、地下水、管道等；3）底面尺寸按地基承载力及变形确定；4）基础高度按混凝土冲切强度确定；5）底板的配筋计算按地基受弯承载力确定；6）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；7）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。,2.6.1 基础底面积的确定,（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m,则，可得基础底面面积为：,基础地面积是根据地基承载力和上部荷载确定的。,Fk,（2）偏心受压基础 在偏心荷载作用下，基础底面的压力为线性非均匀分布。,Fk+Gk,Mk,Vk,Fk+Gk,Fk+Gk,Fk+Gk,图 2-72 偏心受压基础的计算简图,b,eb/6,e=b/6,eb/6,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：,当e0,地基反力分布图为梯形；当e=b/6时，pmin=0,地基反力分布图为三角形；当eb/6时，pmin0,地基一部分为拉应力,则基础底面的实际压力分布为3al,根据平衡关系：,式中 l垂直于力矩作用方向的基础底面边长;a合力作用点至基础底面最大压应力边缘的距离,。,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（2040）%，初步选定基础底面的边长l和b（一般b/l=1.52.0，多采用1.5左右），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。,2.6.2 基础高度的确定,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,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：,pj按荷载效应基本组合计算并考虑结构重要系数的基 础底面地基净反力设计值(扣除基础自重及其上的土 重)；当为轴心荷载时，；当为偏心受 力时，可取最大的净反力设计值，pjpnmax。,基础的受冲切承载力截面位置,2.6.3 基础配筋计算,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,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(h0d)，故沿短边l方向的受力钢筋截面面积为：,荷载效应的基本组合,(2)偏心荷载作用下的基础：当台阶的宽高比小于或等于2.5和偏心矩小于或等于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M、M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。,2.6.4 基础的构造要求,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。,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。,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。,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。,独立基础外形尺寸和配筋构造,2.6.6 基础梁的内力计算,对基础梁的设计可采用以下两种方法：（1）按组合梁考虑（2）按半无限体弹性地基上的梁计算,2.7 单层厂房排架设计实例,1.根据设计资料，进行结构方案的设计和主要承重构件的选型2.计算简图及柱截面尺寸确定3.荷载的计算4.内力分析（各种荷载单独作用下的计算简图及内力图）5.内力组合（各控制截面的最不利内力）6.柱的截面设计(配筋计算、裂缝宽度验算、牛腿设计和柱吊装验算)7.独立基础的设计（荷载计算、地基承载力验算、基础抗冲切强度验算、基础配筋计算）8.绘制施工图,习题：某单层单跨工业厂房，跨度为18m，柱距6m。厂房内 设有三台10t吊车，吊车工作制级别为A5，有关参数 见表。试计算作用在排架柱上的吊车竖向荷载标准值 和横向水平荷载标准值。（见课本P45图2-39）,作业：P155 习题【2-5】预习2.7 单层厂房排架设计实例思考题：1.计算单层厂房的风荷载时，应注意哪些问题？并画出计算简图。2.计算吊车竖向荷载、吊车横向水平荷载时，应注意哪些问题？并画出计算简图。,习题：某单跨厂房在各种荷载标准值作用下A柱截面 内力如下表，有两台吊车，吊车工作级别为A4，试 对该截面进行内力组合。,