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第二章 单层厂房结构设计,学 习 内 容1、单层厂房的结构组成及结构布置；2、各种构件的作用；3、结构上作用的荷载及荷载的传递途径；4、单层厂房排架结构内力计算及配筋计算；5、柱下独立基础的设计。,学习目的 掌握钢筋混凝土单层厂房结构的设计方法，学会利用所学的力学及结构知识来解决实际结构设计问题。结合本章的学习，了解一般建筑结构设计的基本方法和步骤。,第2.1节 概 述,2.1.1 厂房的特点1、房屋类别 根据房屋的用途，建筑可分为两类：民用建筑 工业建筑。直接从事工业生产的工业建筑称为 厂房。根据厂房的层数，厂房分两类：单层厂房 多层厂房。多层厂房用于轻、小产品的生产厂房，如电子、精仪、服装加工等。单层厂房用于有大型生产设备、产品及原料重且大、有桥式吊车、并需要较大生产空间的工业,如炼钢、锻压、机械、纺织等。,2、单层厂房的特点 必须满足生产工艺及使用要求不同的生产有不同的工艺（如炼钢、化工），对厂房设计的要求就不同。要求有较大的空间以满足大型生产设备的安装、起 重及运输机械的运行需要。要有良好的通风采光条件以保证有较好的自然光及 有利于烟、尘、气等的排出。要考虑大型运输工具的通行重载汽车、火车。要考虑某些特殊要求如恒温、恒湿、防尘、防菌。,2.1.2 单层厂房的结构类型 1.结构类别从厂房结构的材料，可分为三类：砖混结构用于小型厂房（厂房跨度小于15 m、高度小于 8 m、无吊车）。砖混结构的缺点是承载力较低，整体性差。钢结构用于大型厂房（厂房跨度大于36m、吊车起重量大于150 吨）。钢结构的缺点是造价较高。钢筋混凝土结构用于中型厂房。钢筋混凝土单层厂房结构整体性好、抗侧刚度大、造价相对较低等优点，故在实际工程中被较多采用。,.结构形式单层厂房的结构形式有两种：排架结构、刚架结构。钢筋混凝土排架结构施工方便，受力性能好。是单层厂房应用最多的结构形式,排架结构）（图2-1-1）组成：屋架或梁、柱子、基础 特点：梁与柱铰接 柱与基础为固接。,刚架结构（图2-1-2）组成：梁、柱、基础特点：梁与柱为刚接，柱与基础为铰接。,&,排架的跨数可以是：单跨（&）、双跨、多跨。排架 柱可以是：等高、不等高（柱顶、柱底标高均可不同）。,双跨等高,双跨不等高,三跨不等高,2.1.3 钢筋混凝土单层厂房结构 设计内容,1.结构布置2.荷载计算3.排架内力分析4.柱配筋计算,5.牛腿设计 6.吊装及运输验算 7.柱下基础设计 8.绘制施工图,单层厂房（非地震区）的设计步骤如下图 所示。,问 答 题1.与民用建筑比较，工业厂房具有哪些特点？2.单层厂房有哪几种结构类型？如何选择？3.单层厂房的结构形式有几种？4.钢筋混凝土单层厂房结构的设计主要包括哪些内容？,第2.2节 单层厂房结构的组成及荷载,1.厂房结构中的主要构件 2.厂房结构上的荷载及荷载传递路线 了解单层厂房结构中主要构件的名称及作用 掌握结构所受荷载的种类、形式及传递线,2.2.1 厂房结构中的主要构件 单层厂房结构是一个空间结构，它由多种构件组合而成。了解厂房结构的组成是进行结构设计的前提。厂房结构的主要构件如图2-2-1所示。,图2-2-1,返52,基,梁,抗,吊,1、屋盖结构（1）屋盖的种类 无檩体系屋盖由大型屋 面板、屋架（或梁）组成。（图 a)特点：传力途径短、整体性好。使用的比较普遍。有檩体系屋盖由小型屋 面板、檀条、屋架（或梁）所组成。（图 b)特点：构造复杂、整体性差、刚度小。（2）屋盖的作用：与立柱组成横向排架结构；承受屋面上的竖向荷载；围护，保温隔热、防雨雪。（3）构件选型查标准图集。,返回46,返回46,表2-2-3,2、柱子（1）组成：厂房柱一般由三部分组成，即上柱、牛腿及下柱，如图2-2-3所示。（2）连接：柱顶与屋架铰接，柱底与基础固接。（）（3）作用：承受屋盖、吊车梁、外悬墙等构件的重量，同时还承受由吊车、风荷载及地震产生的水平作用，并将这些作用传给基础。,3、吊车梁（1）形式 按材料分：钢筋混凝土吊车梁、预应力混凝土吊车梁。截面形式：工字形和T形。（2）位置沿厂房纵向布置；两端焊接于柱子牛腿顶面。（3）作用 支承桥式吊车，供吊车沿厂房纵向行走。承受由吊车产生的竖向力及水平力。,（4）选型 常用吊车梁如 表2-2-4所示，设计时可选用。,#,4、支撑（1）种类分两类（%）柱间支撑 屋盖支撑（2）作用增加结构的空间刚度 加强结构的整体性 可帮助传递水平荷载（3）所用的材料一般为钢杆件,5、基础（1）位置位于整个结构的最底部，上接柱底，下连地基。（图2-2-1）（2）形式 一般为：独立基础（地基条件不理想时，也可采用条形基础）（3）作用承受由柱子和基础梁传来的上部荷载，并将全部荷载传至地基。6、围护墙（图2-2-1）包括纵墙和山墙，主要作用是保温、隔热、防风雨等。,7、梁(图2-2-1)（1）连系梁位置：沿厂房纵向布置，一般位于柱顶或柱子的外牛 腿上。作用：柱顶的连系梁的作用是连系纵向柱列，组成纵向排架。支承于柱外牛腿上的连系梁被用来承受上部墙体的重量。（2）基础梁位置：支承于基础上。作用：承托围护墙，将墙体重量传至基础。选型 连系梁、基础梁均有通用标准图集，设计时可直接选用。,8、抗风柱(图2-2-1)（1）位置位于山墙内侧，顶部与屋盖相连、下部接柱基础。图2-2-5所示。（2）作用增加山墙刚度，抵抗风荷载，并将风载传递给屋盖。,问 答 题,1.说明图中标出的装配式钢筋混凝土单层厂房结构构件的名称。,2.2.2 厂房结构上的荷载及荷载传递路线,由图2-2-1可以看出，单层厂房结构是由多种构件组合而成的空间结构。在进行力学分析时，可简化为平面结构。厂房空间结构（分解）一组横向排架一组纵向排架 横向排架=屋架横向柱列基础 纵向排架=连系梁纵向柱列基础 厂房上的荷载由这两组平面排架承担，主要由横向排架承担。1、荷载 下图为横向排架上作用的竖向荷载、水平荷载。,图2-2-6,图2-2-6,&,2、荷载的传递途径 厂房上的全部荷载都要经过一定的途径传到地基上去。了解荷载的传递途径，是为了掌握各受力构件上作用的荷载情况，为内力计算作准备。竖向荷载的传递途径如图2-2-7所示。,图2-2-7,横向水平荷载的传递路径如图 2-2-8所示。纵向水平荷载的传递路径如图 2-2-所示。,图2-2-8,图2-2-9,问 答 题2.试述屋面板、屋架、吊车梁、柱子及支撑的作用。3.试说明单层厂房横向平面排架承受的竖向荷载的传力途径。4.单层厂房横向水平排架承受的水平荷载有哪些？它们是如何传递？5.单层厂房纵向平面排架承受哪些水平荷载？写出其传力途径。,第2.3节 确定单层厂房的结构方案,1.结构选型 2.结构布置 掌握厂房设计中结构选型与结构布 置的基本原则及方法。,厂房结构方案主要包含：1、结构选型,2、结构布置2.3.1 厂房结构选型 结构选型 确定结构类型、确定结构体系。结构类型 如前所述，有砖混结构、钢结构及钢筋混凝土结构三种类型。结构体系 有排架结构、刚架结构两种。对一般的单层厂房，优先选用钢筋混凝土排架结构。2.3.2 厂房结构布置 结构布置内容：平面布置、剖面布置、主要构件布置、支 撑布置等。,1、平面布置 柱网布置：确定柱子的纵、横向定位轴线。横向定位轴线沿厂房短向的轴线。一般用、表示。,&,B,L,与柱网布置有关的因素：厂房跨度、厂房柱距、屋架跨度、吊车梁跨度。厂房跨度 指纵向定位轴线之间的尺寸。跨度的布置要求：满足生产工艺及使用要求。符合模数要求，提高设计标准化水平。厂房建筑统一化基本规则规定厂房跨度 应满足：当 18 m时,以3 m为模数,即9 m、12 m、15 m、18 m。当 18 m时,以6 m为模数,即24 m、30 m、36m，.。,厂房柱距 B 指横向定位轴线之间的尺寸。柱距一般为6 m,当有特殊要求时,可局部抽柱,形成12m柱距。屋架跨度屋架沿厂房横向布置，支承于柱顶部。屋架跨度=厂房跨度。吊车梁跨度沿厂房纵向布置，支承于两相邻柱的牛 腿之上。吊车梁跨度=柱距。定位轴线的形式 纵向定位轴线的形式 有2种 封闭式、非封闭式。,当纵向定位轴线之间的距离与屋架的标志尺寸相一致时，轴线与纵墙内皮重合，这种轴线称为封闭式纵向定位轴线，如图。,纵向定位轴线如何确定呢？,规定：纵向定位轴线的距离 为吊车大车的轨道距离(图），可查。即吊车轨道中心至纵向定位轴线的距离为：750mm（图）,由图又知：轨道中心至柱外皮的距离为：,（a）,（b）,（c）,轨道中心至吊车端部的距离，与吊车型号有关。吊车端部至上柱边的最小缝隙，与吊车起重量有关。上柱截面高度（设计定）。当 A750 mm 时，取A=750 mm，纵向定位轴线与纵墙内皮重合，成为封闭式纵向定位轴线（图a）。当A750 mm时，纵向定位轴线在距吊车轨道中心750 mm处，不与墙内皮重合，为非封闭式轴线（图b）。当厂房为多跨等高时，中柱的上柱中心线一般与纵向定位轴线重合（图c）。,横向定位轴线的形式为封闭式 对中间各跨，横向定位轴线通过柱截面形心，轴线间距为柱距。对边跨，取横向定位轴线与山墙内皮重合，将边柱中心线向内移500 mm，这时端部屋面板成为一端悬臂板（图）。（&）目的：使端屋架和抗风柱的位置不发生冲突。屋面板端部与山墙内皮重合，形成封闭屋面。,（3）变形缝的布置 伸缩缝 材料热胀冷缩，使厂房随温度变化而变形，如图（a）。尺寸越长，积累变形越大，结构应力也越大，可能开裂或破坏。为减小长度，留伸缩缝，如图(b)。,对于装配式钢筋混凝土排架结构，当有墙体封闭时，伸缩缝的最大间距为100 m，当无墙体封闭处于露天时，缝的最大间距为70 m。与山墙处屋面板的构造一样，伸缩缝两边的柱中心线也必须向内移500 mm（如图）。沉降缝 对于单层厂房排架结构，能较好地适应地基不均匀沉降，一般可不设置沉降缝 防震缝 对于较规则的厂房可不设防震缝。,图2-3-6,2、剖面布置 任务：根据吊车的吨位、型号及吊车轨顶标高等参数，确定排架柱各部分尺寸。厂房剖面如图。,上柱高：下柱高：柱总高：轨顶标高。：基础顶面至室内标高 的距离。A：轨顶至小车顶的距离。C：小车安全运行距离。D:牛腿顶面至轨顶的离。注意：室内地面至牛腿顶面、至柱顶的高度应为300的倍数。,3、屋盖结构布置 多用无檩体系屋盖，由屋架和屋面板组成。屋架沿厂房横向布置，支承于柱顶；屋面板沿厂房纵向布置，置于两相邻屋架上。屋面板跨度为屋架的间距，即柱距。板平面尺寸一般为1500 mm6000 mm，板的常用形式见 表2-2-1中号板。板的块数屋面板在两屋架沿厂房横向依次排列，根据板的宽度及厂房跨度即可确定板的块数。,4、支撑系统布置（1）屋盖支撑 屋盖横向、纵向水平支撑 在第一或第二柱间，沿厂房跨度方向用十字交叉角钢与屋架上弦或下弦相连形成水平桁架。角钢与屋架上弦杆相连称为上弦横向水平支撑,如图。,图2-3-8,角钢与屋架下弦杆相连称为下弦水平支撑。如图。,下弦纵向支撑可沿全长设置（如图2-3-8），也可在局部设置。如图2-3-9所示。,图2-3-9,垂直支撑 在相邻两屋架之间的同一铅垂面上，用十字交叉角钢连接两屋架的上、下弦节点，构成屋架间垂直支撑。如图2-3-10所示。,图2-3-10,（2）柱间支撑形式：采用十字交叉形杆件。设置部位：通常设置在温度区段中部，这样有利于温度变化时，厂房两端自由变形。对于上部柱间支撑，还可在两端加设，如图2-3-11。,图2-3-11,5、围护结构 包含：抗风柱、圈梁、过梁、基础梁及墙体。（图2-2-1）（1）抗风柱布置在山墙内侧。上部与屋盖铰接,下部与基础固接。一般采用钢筋混凝土抗风柱。（2）圈梁作用：增加墙体的整体性及厂房的整体刚度。设置：置于围护墙内，在同一标高处连续形成封闭。位置：根据厂房具体情况确定：当檐口标高小于8 m时，在檐口附近设一道圈梁；当檐口标高大于8 m时，宜增设一道；对有桥式吊车的厂房，还应在吊车梁标高处增设一道。,（3）基础梁作用：用来承托上部墙的重量，将其传给基础，使墙体与柱子具有相同的沉降。布置：在有落地墙体处均应布置基础梁。基础梁一般是直接放置在柱基的杯口上，当基础埋深较深时，可将基础梁放置在混凝土垫块上，如图2-3-12所示。,图2-3-12,问 答 题,1.单层厂房的横向定位轴线如何确定，在厂房尽端应如何处理？为什么？2.某两跨24 m厂房，A、B、C列柱距均为6 m。A、B、C柱的上柱尺寸 分别为400400、400600、400500，吊车的参数见下表。试确定厂房纵向定位轴线的位置。,3.单层厂房排架结构的屋架下弦、吊车轨顶及牛腿顶面标高如何确定？4.单层厂房排架柱的上柱、下柱的长度及截面尺寸如何确定？5.试分析题2-3-5图所示的三种柱间支撑布置方式中，哪种布置较好。,题2-3-5图,第2.4节 单层厂房的排架计算,1.排架的计算简图的确定 2.排架的荷载计算 3.排架的内力分析 4.排架柱的内力组合 掌握单层厂房排架结构内力分析方法 与步骤，为柱子及基础的配筋计算提供 依据。,2.4.1 排架的计算简图的确定 单层厂房结构：是空间受力体系（屋架、纵向联系梁、柱、基础。在进行内力分析时，可简化为两组平面排架结构。即 由于一般情况下纵向排架柱距较小且数量较多，还没有柱间支撑，其纵向抗侧力刚度较大，各柱在非地震力作用下的内力较小，所以一般不必计算。本节主要介绍横向排架的内力分析方法及有关问题。,确定排的架计算简图 任务：实际厂房（简化）力学模型。计算单元：从厂房平面布置中取一典型区段。计算单元的宽度取一个柱距（图a）。计算单元的横剖面如图(b)所示。(b)的计算简图如图(c)所示。,图2-4-1,图2-4-1,图2-4-1,(a),计算简图的基本假定：1、柱下端与基础为刚接；2、上端与屋架为铰接；3、屋盖平面内刚度很大，不发生轴向变形。,对双跨厂房：平面布置图 为(a)、横剖面如图（b）、计算简图如(c)所示。,(a),永久荷载有：屋盖自重，悬墙自重，吊车梁等重，上柱自重，下柱自重。可变荷载有：屋面活荷载，吊车竖向荷载，吊车水平荷，均布风荷载 及，屋盖支撑处的集中风荷载。,图2-4-3,2.4.2 排架的荷载计算横向排架上作用的荷载如图2-4-3所示,返回67,返回75,1、永久性荷载计算（标准值）（1）屋盖自重 中包含：屋架、屋面板、屋面上的找平层、保温层、防水层等构造层、屋盖支撑系统的自重。的计算依据：屋面构造详图、屋面结构布置图、屋架等构件的标准图集、建筑结构荷载规范（GB500092001）等。的计算范围：计算单元内屋盖全部重量的一半。的作用形式：计算单元内的屋盖系统的总重量通过屋架的两端以集中力的形式传至柱顶。,作用点的位置：屋架端部腹杆与下弦杆中心线的交点垂线即为 的作用位置。如图2-4-4中虚线所示。根据屋架与柱顶连接构造的定型设计要求，无论屋架与柱的形式如何，的作用点均位于厂房定位轴线内侧150 mm处。的偏心矩：一般情况下，与上柱形心线有一偏心距，对封闭式轴线（如图）：其中 为上柱截面高度,图2-4-4,（2）悬墙自重 中包含:计算单元内的纵墙、连系梁及窗的自重,按实际尺寸计算。作用点在墙体形心处。对下柱有偏心距：其中 为下柱截面高度，b为连系梁截面宽度。（3）吊车梁及轨道自重 的作用位置：吊车梁中心线作用于牛腿顶面。相对于下柱形心的偏心距为，根据具体布置计算。,如用直线代替柱轴线，则恒载作用下排架的内力计算简图如(a)所示。由于竖向力 在柱中只引起轴心压力，故这些荷载引起的柱内力不必通过排架分析。需要通过排架分析确定柱子内力的只有偏心力矩:这三组力矩如图(b)所示。,图2-4-6,、可变荷载计算（1）屋面活荷载标准值 包括：屋面均布活荷载、雪荷载、屋面积灰荷载。屋面均布活荷载：为施工或检修荷载，一般按荷载规范取用。当荷载较大时，可 按实际荷载计算。屋面雪荷载标准值 按荷载规范计算：式中:基本雪压,由荷载规范中“全国雪压分 布图”查得。屋面积雪分布系数，由荷载规范查得。,屋面积灰荷载 有大量排灰的厂房（如铸造、炼钢车间等）应考虑屋面积灰荷载。积灰荷载的标准值由荷载规范中查得。屋面活载组合 荷载规范规定：屋面活载与 不同时考虑，取二者中较大者。荷载的计算范围 计算单元水平投影面积内的荷载。荷载形式及作用位置 荷载形式：集中力（1/2计算范围内的面荷载组成）。作用位置：作用点的位置与 相同（图2-4-3）。也有偏心矩。,（）吊车竖向荷载 与 桥式吊车由 大车及小车组成。大车在吊车梁轨道上沿厂房纵向运行，小车则在大车轨道上沿厂房横向运行，小车上的吊钩起吊重物。,吊车荷载的传递：吊物小车 大车 吊车梁柱,吊车由吊车梁作用在横向排架柱上的压力为：、吊车梁作用在排架某侧（如 轴）第 个柱上的最大 压力。作用在排架另一侧（如 轴）第 个柱上的压力。吊车荷载是动荷载，随着大车和小车状况不同,吊车梁在 第 个柱上产生的压力也不相同。、与下列因素有关：大车轮子的轮压 大车轮子的数量 大车轮子的位置轮压越大、轮子越多、轮子离 柱 越近，则给该柱子的压力越大。,分析 大车轮子的压力 小车载有额定最大起重量、并行驶到大车某侧极限位置时，大车的最大轮压（一个轮子的轮压）。此条件下，大车另一侧的轮压。二者同时作用在排架的两端。（见图2-4-7）可查产品目录得到。由下式可求出四轮吊车的 式中、是大车自重标准值、小车自重标准值。吊车额定最大起重量标准值。、值由产品目录查得，均按 计。,、与、有关,但，。不只是一个轮子产生压力！大车轮子的数量 吊车梁上的吊车多，则轮子多，压力就大。规定：同一跨内，最多考虑2台吊车。即在同一侧，应考虑4个轮子产生的轮压。注意：。因为压力还与轮子的位置有关！大车的不利位置 轮子离 柱 越近，则给该柱的压力越大。位置如何确定？利用“反力影响线原理”。,已知：梁给柱的压力=柱给吊车梁的支反力。轮子距离支座柱越近，对支反力影响值越大。图（b）是 柱的反力影响线。图（a）为两台吊车对于 轴 柱的最不利位置。,（b）,式中 两台起重量不同的吊车的最大轮压，且 两台起重量不同的吊车的最小轮压，且,B、K吊车宽度、吊车的轮距。值由产品目录查得。与吊车轮压对应的梁支座反力影响线的竖标。该值表示在对应点作用单位集中力P时，在排架柱 上产生的压力。由图2-4-8可知，其余的 值 按比例关系求出。可变荷载分项系数，。,的作用位置 沿吊车梁中线作用于牛腿顶面。见图2-4-3。简化如(a)。该力对于下柱截面形心有偏心距。将偏心压力换算为作用在下柱顶面的轴心压力和弯矩的组合，如(b)所示。只需按弯矩进行排架分析。,图2-4-9,注意：由于 可以发生在左柱（图a），也可以发生在右柱（图b）。因此计算时应考虑图2-4-10所示的两种情况。,图2-4-10,(b),（3）吊车横向水平荷载 设计值 小车刹车产生的水平制动力。小车刹车大车轮吊车梁 柱子 的作用位置在吊车梁顶面。有正反两个方向。计算 时，吊车的数量、大车位置与计算 时一样。即按：2台吊车作用，大车行驶到最不利位置，小车满载，2台小车同时刹车的情况计算。见图2-4-12。,图2-4-11,小车满载刹车时，对大车轮子所产生的水平推力为T，由大车的位置按下式计算。式中 两台起重量不同的吊车单个大车轮子产生的水平制动力标准值，且。如何求？,注意：刹车力可同时向左，又可同时向右。对于单跨厂房如图(a)所示，多跨厂房如(b)所示。计算吊车的 时，无论是单跨或是多跨厂房，按发生的可能性，最多只考虑台吊车同时刹车。,（4）风荷载 风荷载的形式 如图（a）所示 作用在柱顶以下墙面上的水平风载，近似按均布荷载计算，用 表示。作用在柱顶以上屋盖部分的风荷载，近似按集中荷载计算，用 表示。包含屋盖各部分的水平分力。该风荷载通过屋盖与柱顶的连接件作用于柱顶。如图（b）所示。图中的，i=36。,图2-4-15,计算公式 风荷载标准值 按下式计算：式中 基本风压值()，按荷载规范 中“全国基本风压分布图”取用。风振系数。对高度小于30 m的单层厂房不计。风压高度变化系数。与建筑物的高度有关，其 值如 表2-4-1？所示。风载体型系数。与建筑物的体形有关，参照 荷载规范中各类基本体形系数选定。例：,如图2-4-14所示，有正有负，正值表示风压力，即风荷载垂直指向受荷面，负值表示风吸力，即风载垂直离开受荷面。,风荷载计算 其 按柱顶的高度取值。其 按檐口的高度取值。式中 B 计算单元宽度，可变荷载分顶系数，,注意：风荷载是双向的，分析时应考虑左风与右风两种情况。,2.4.3 排架的内力分析 内力分析的任务：确定排架柱在各种荷载作用下，各控制截面上的内力。绘制出排架柱的弯矩图、轴力图及剪力图（M图、N图及V图）。,1、等高排架的内力分析等高排架指各柱顶标高相同的排架。等高排架的特点当横梁刚度 视为无穷大时，等高排架在任意水平荷载作用下，各柱柱顶具有相同的水平位移，即 如图(a)所示。,图2-4-16,（1）柱顶受水平集中力作用剪力分配法 在柱顶水平集力 作用下，柱顶产生水平位移。沿柱顶将横梁与柱切开，在切口处代之一对剪力。思路：如 已知，内力可求。取横梁为脱离体，由平衡条件 有：,图2-4-16,（1）,对于相同材料的柱，柱越粗，所需的 越大,即所需施加的水平力越大。这个量反映了柱子抵抗侧移的能力。称为柱子的抗侧刚度。,图2-4-17,已知，在单位水平力 作用下，柱顶水平侧移为。反之要使柱顶产生单位水平位移即，则需在柱顶施加的水平集中力为。如图2-4-17所示。,由此可得：,等高排架，当各跨横梁 时，有：,将(2)、(3)式代入(1)式，得：,由此可得：,（2）,（3）,(4),（5）,将(5)式代回(2)式，得柱顶剪力,称为 柱的剪力分配系数，值可按附录附图计算，由 可求出分配系数，从而求出各柱顶剪力，最后按静定悬臂柱求出在 作用下的柱截面弯矩和剪力。由此可见，剪力分配法就是将作用在顶部的水平集中力 按抗侧刚度分配给各柱,再按静定悬臂柱求解柱子内力的方法。,（2）受任意荷载作用 均布风荷载作用如图(a)所示。,用剪力分配法原理间接求解内力，步骤如下：将原结构（a）分解为(b)+(c)两个部分。在(b)排架柱顶加一个不动铰支座，以阻止排架侧移。在风荷载的作用下，在附加支座内将产生支反力R。为使(b)+(c)=(a)，故在结构（c）的柱顶施加一个反方向力R。,图2-4-18,求解(b)排架的柱顶剪力 横梁刚度EA=，故(b)中各柱顶位移=0。将(b)结构转化为图(d)所示的两个一次超静定柱，其反力分别为。查附录1附图8即可求出在均布水平荷载作用下各柱顶的反力。就是该柱顶的剪力。求出总支反力,(d),求解（c）排架柱顶剪力(c)是个柱顶作用水平集中力R的等高排架，用剪力分配法求解其内力。各柱顶剪力 为：,迭加(b)与(c)各柱顶剪力，得(a)各柱顶总剪力,根据柱顶剪力 及柱上所受均布荷载计算各柱的弯矩。,根据上述解题原理，可求出任意荷载（如、等）作用下柱子的内力。不同的荷载作用下，在不动铰支座中所产生的支反力，可分别按附录附图2、附图3、附图4、附图5、附图6、附图7求解。计算步骤与风荷载作用下的步骤完全相同。,2.4.4 排架柱的内力组合 通过内力分析，分别求出了排架柱在各种荷载单独作用下的内力（M、N、V）。由于排架在使用中可能会受到两种或多种荷载同时作用，所以应根据各种荷载同时作用的可能性，进行柱的最不利内力组合。最不利内力组合的目的为柱子和基础的截面设计提供内力依据。最不利内力组合的截面 针对“控制截面”。1、柱子的控制截面控制截面对配筋量起控制作用的截面（危险截面）。,对于上柱，其底部截面的内力通常比其它截面大。对于下柱，其牛腿顶面和柱底截面的内力一般比其它截面大。柱子设计中的 控制截面为：-上柱底面-牛腿顶面-下柱底面 如图所示。对三个截面进行最不利内力组合，分别作为上柱、下柱及基础配筋的依据。,2、荷载效应组合 设计时须根据各种荷载同时作用的可能性进行荷载组合，然后再把这些荷载产生的内力进行组合。排架结构常见的荷载效应组合有以下几种情况：（1）恒载风载（2）恒载屋面活载（3）恒载吊车荷载（4）恒载屋面活载吊车荷载（5）恒载0.85（风载屋面活载）（6）恒载0.85（风载吊车荷载）（7）恒载0.85（风载屋面活载吊车荷载）,3、不利内力组合的类型 单层厂房柱属于偏心受压构件，纵向配筋决定于M与N。由偏压构件的破坏特征可知：大偏压构件是受拉破坏,当N基本不变时,M越大越危险，而当M不变时，N越小越危险，即所需As 越多。小偏压构件是受压破坏，当 M与N 其中一个不变时，另一个越大越危险，用钢量As 越大。对每个控制截面，一般考虑以下四种内力组合：（1）（2）（3）（4）。,4、内力组合注意事项（1）对任一控制截面，每次组合，只能以四种控制内力 其中之一为目标,决定各 活荷载的取舍，并按取定的荷载求出相应的另两种内力。（2）恒载产生的内力在任一种组合中，都必须考虑。（3）风荷载有左风、右风，一种组合只能取二者之一。（4）吊车竖向荷载有，一种组合只能取二者之一。（5）吊车水平荷载 有左有右，组合时取二者之一。（6）在同一跨内，与 不一定同时发生，故在组合中有 时，不一定要有。但在组合中有 时，则必须有，因为吊车水平荷载不可能脱离其竖向荷载而单独存在。,（7）在每一种组合中，M、N、V都是相对应的，即是在相同荷载作用下产生的。此外，在组合 时，对于N=0的内力，虽然将其组合并不改变N值，但只要增大了M，也对截面 不利，也要组合进来。（8）对于有多台吊车的厂房,荷载规范规定：吊车竖向荷载，对单跨厂房，最多只考虑2台吊车；多跨厂房最多考虑4台。吊车水平荷载，无论单跨或多跨厂房，最多只考虑2台。同时又规定：多台吊车引起的内力参与组合时，对其内力要按表2-4-2的规定进行折减。,2.4.5 问答题 1.铰接排架结构的计算简图是基于哪些基本假定得出的？2.写出下列六种荷载组合情况下的荷载效应组合值S的表达式，并说明荷载组合原则。1.恒+活+风+吊2.恒+风+吊3.恒+活+风4.恒+活+吊5.恒+风6.恒+吊 3.对排架柱,为什么要选择四种不利内力组合形式？4.单层厂房横向水平排架承受的水平荷载有哪些？它们是如何传递的？习题1 有一单层单跨厂房，跨度为18 m，柱间距为6 m，设计时考虑两台中级工作制桥式软钩吊车，起重量10 t，桥式吊车的跨度=16.5m，求吊车荷载 及。,第2.5节 单层厂房排架柱设计,1.排架柱的形式 2.柱截面尺寸的确定 3.柱截面配筋计算 4.运输及吊装验算 5.牛腿设计 1、了解柱截面形式及截面尺寸的确定方法；2、掌握根据最不利内力进行柱截面配筋及 牛腿配筋的计算方法；3、会做吊装运输阶段的验算；4、了解有关的构造要求；5、能绘制柱子的施工图。,2.5.1 排架柱的形式 厂房柱常用的柱形有：矩形截面柱、工字形截面柱、双肢柱。1、矩形截面柱图(a)特点：外形和构造简单，制作方便，但构件自重大，材料用量多，经济指标较差。适用：主要用于现浇柱及截面高度 小于 700 mm的装配式偏心受压柱。2、工字形截面柱图(b)特点：自重小，省材料，承载力及刚度较大。适用：当柱截面高度在700 mm1400 mm时,广泛应用。,3、双肢柱 图(c)(d)形式：有平腹杆双肢柱 与斜腹杆双肢柱两种。该柱是在矩形柱或工字形柱的基础上，为了减小自重在中部挖出一些洞而形成。特点：自重轻、省材料、受力合理。但整体刚度差、构造较复杂，一般用于水平荷载较大或柱高较大的厂房中。柱形选择应考虑厂房柱的承载能力，横向刚度、吊车情况、柱高、柱距等因素。一般可参考表2-5-1、2-5-2、表2-5-3初定。,2.5.2 柱截面尺寸的确定 柱的截面尺寸要满足承载力及刚度要求。表2-5-1给出了6 m柱距满足刚度要求的柱高、柱宽的最小限值。2-5-2与2-5-3给 出了厂房柱的截面形式及参考尺寸。对工字形截面柱，其翼缘高度不宜小于100 mm，腹板厚度不宜小于80 mm。,2.5.3 柱截面配筋计算 根据排架内力组合得到的各控制截面最不利内力M、N、V及所确定的柱截面形式和尺寸，按偏心受压构件对柱进行配筋设计。由于柱受正、负弯矩作用,故柱一般采用对称配筋。柱计算长度L按 表2-5-4确定。,2.5.4 运输及吊装验算 厂房柱一般为预制柱，要经过吊装、运输的阶段，因此要进行该阶段的承载力及裂缝宽度验算。1、吊装方式：有翻身吊和平吊两种。一般采用翻身吊（如图示），吊点一般设在牛腿下边缘处。,2、计算简图：作用分布荷载的简支梁。分3段，各部分荷载即自重。3、内力计算：取，同时考虑1.5的起吊动力系数，分别求出上柱底截面、牛腿下边缘及下柱跨中的弯矩截面，弯矩图如图所示。4、强度验算：按柱的已有配筋，验算承载力是否满足。,2.5.5 牛腿设计 牛腿为支承吊车梁或连系梁等构件，在厂房柱侧面伸出的悬臂部分。牛腿的分类分为两类当 时，为短牛腿，如图(a)所示。当 时，为长牛腿，如图(b)所示。其中：竖向荷载作用点到牛腿下部柱边缘的水平距离。牛腿根部垂直截面的有效高度。,长牛腿按悬臂梁计算内力并配筋；短牛腿是变截面的悬臂深梁，其应力状态及破坏特征不同于悬臂梁，（如图2-5-4所示），应按下述方法设计。,1、截面尺寸的确定截面宽度 b 与柱同宽；截面高度 h 按使用阶段不开裂为控制条件确定；一般先假设牛腿高度h，再按下列公式验算。式中 作用于牛腿顶部的竖向力 作用于牛腿顶部的水平拉力 裂缝控制系数，根据牛腿承受的吊车工作制的级别分别取 混凝土轴心抗拉强度标准值。,（2）正截面承载力计算 由计算简图得牛腿中纵向受拉钢筋 可按三角桁架拉杆的承载力计算，对A点取矩得：则 式中 作用在牛腿顶部的竖向力 及水平拉力设计值。意义同前，,A,、承载力计算（1）计算简图 牛腿破坏时的受力状态如图(a)，取计算简图如（b)所示。,（b）,（a）,（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，须按下式验算局部抗压强度。即：式中A 局部受压面积。A=ab，其a、b分别为加载板的长度和宽度。当局部抗压强度不满足时，应采用 增大加载板面积；在下面设置钢筋网。,（3）斜截面承载力计算 由试验研究知，如牛腿的截面尺寸满足前述抗裂要求，又按构造要求配置了水平箍筋和弯起钢筋，则斜截面承载力可得到保证而不必验算。,3、牛腿的构造要求（1）纵向受力钢筋 外形：宜采用变形钢筋；尺寸：应满足图2-5-7的要求；为牛腿外缘至吊车梁外边缘的距离，。钢筋布置：应满足图2-5-7的要求。（2）水平箍筋（见图2-5-8）直径：为6 mm12 mm。间距：为100 mm150 mm，在上部范围内水平箍筋总截面面积应满足：,某设有吊车的单层厂房,下柱高,采用C25级混凝土,纵向受力钢筋为HRB335级。所受的一组内力为，N=1000 kN。截面尺寸如题2-5-1图所示，采用对称配筋，求所需纵向受力钢筋的面积。,第2章第5节习题1,第2.6节 柱下独立基础设计,1.基础的分类及形式 2.基础底面尺寸的确定 3.基础高度的确定 4.基础底板配筋计算 5.构造要求 1、了解单层厂房排架柱下独立基础的形成 及构造。2、掌握轴心受压基础及偏心受压基础设计 方法并能绘制基础施工图。,2.6.1 柱下独立基础的分类及形式 1、分类 按受力性能分为：轴心受压基础、偏心受压基础。按施工方法分为：现浇独立基础、预制独立基础。,2、柱下独立基础的形式 单层厂房柱下独立基础的主要形式有：杯形基础、预制桩基础等，如图2-6-1示。杯形基础外形简单，施工方便，适用于地基土质较为均匀，地基承载力较大而上部结构荷载不太大的厂房，它是目前最常用的单层厂房柱下独立基础形式。杯形基础一般采用现浇式，厂房柱多为预制柱，将柱在基础杯口中就位后，杯与杯壁之间的缝隙用细石混凝土浇填，使柱与基础形成整体。,基础设计的内容：确定基础底面积；确定基础高度；计算底板配筋；构造处理及绘制施工图。2.6.2 确定基础底面面积 基础的底面尺寸应满足地基承载力的要求，1、轴心受压基础的 基础受轴心压力，基础底面的压应力均匀分布（如图）。压应力为：设计时应满足下式：,图2-6-2,（1）,式中 上部结构传至基础顶面的竖向力设计值。基础自重设计值和基础上土重标准值；A基础底面面积，（如图）；经宽度和深度修正后的地基承载力设计值。设 为基础埋置深度（如图2-6-2所示），并设基础和其上土的重度为，则：代入（1）式可得：由上式求得底面积A,先定基础底面的一个边长,则可求出另一个边长。,、偏心受压基础底面积 方法：先初定，再按地基承载力条件最终确定。初估基础底面积 受压基础估算底面积，再考虑弯矩放大10%40%，即 计算基础底面压应力 在压力作用下，基础底面的压应力按线性非均匀分布。如图2-6-3所示。边缘应力为：,图2-6-3,基础边缘应力值 按材料力学公式计算：式中 基础底面面积（估算的）基础底面面积的弹性抵抗矩，作用于基础底面的轴向力设计值，意义同轴压基础。由基础梁传来的竖向力设计值；作用于基础底面的弯矩设计值；基础梁中心线至基础中心线的距离；,柱子传至基础顶面的剪力；基础高度。验算基础底面尺寸是否满足地基承载力要求（a）地基所受的平均压应力不超过地基承载力设计值，即：（b）地基所受的最大压应力不超过1.2倍地基承载力设计值，即：（c）对有吊车的厂房，应控制。式中：基础底面最大压应力设计值。基础底面最小压应力设计值。如果条件满足，表明初定的基础底面积是合适的。,特殊情况：令：，有：当 时，基底全部为压应力，如图(a)、(b)所示。当 时，0 表明基础底面有了拉应力区。由于基础与地基的接触面是不可能承受拉应力的，所以，这部分基础面积与地基之间是脱离的，如图(c)。这时承受地基反力的基础面积不是。,图2-6-3,3k,k,3K,对这种情况，不能按前式计算，而应按下式计算 式中 合力 作用点至基础底面最大压力边缘的距离。偏心受压基础底面积 A 的确定步骤：按轴心受压先初定底面积 根据 初定边长；将 代入应力计算式求出 验算地基条件。如果条件满足，基础底面积 是合适的。如不满足或富余过多，应调整底边尺寸，直至合理为止。,2.6.3 基础高度 的确定 基础高度 按构造要求和抗冲切承载力确定。先根据构造要求假定基础高度，然后按抗冲切要求验算。试验表明，当基础承受柱传来的荷载时，如果沿柱周边或变阶处的基础高度不足时，则沿柱边或变阶周边将发生呈角锥形的冲切破坏。如图2-6-4所示，图中阴影部分为角锥体，其界面与水平面的夹角取 度。1、抗冲切承载力验算,抗冲切验算公式,关于 的计算对矩形底面的基础,由于沿长边方向冲切面以外的挑出长度大，相应的 和冲切力 也较短边方向大。所以只需按长边方向计算,如图2-6-5(a)所示。式中 分别为基础及、柱 子的长边尺寸。分别为基础及柱子的 短边尺寸。基础冲切破坏锥体的有效高度。,图2-6-5,注意：如不能满足抗冲切验算的要求，说明假定的基础高度不够，应增加高度重新验算，直至满足。如基础底面落在冲切锥体底面以内，则不必进行冲切验算（基础高度足够，不会发生冲切破坏）。,2.6.4 基础底板配筋计算 1、弯矩控制截面 基础底板在地基净反力作用下，在两个方向都会产生向上的弯矩，因此，要在两个方向配筋。底板配筋控制截面：选在柱与基础交接处，如图2-6-7中-及-截面。分别计算两个方向的弯矩，作为配筋的依据。、弯矩计算 计算弯矩时，将基础视为固定在柱子上的四块悬挑板，板的划分如图2-6-7c中虚线所示，各块板在地基净反力的作用下产生弯矩。,图2-6-7,设 为地基净反力 沿长边方向在-截面处产生的弯矩设计值，为-截面处的弯矩设计值，则 等于作用在梯形面积ABCD上的地基净反力 与该面积形心到柱边的距离 的乘积。由图2-6-7可得,式中 地基净反力，对轴心受压基础:对偏心受压基础,计算 时，取 为-截面处的地基净反力,（如图（b）所示）。按比例求出。计算 时，则取,2.6.5 构造要求 1.混凝土强度等级不宜低于C20；2.受力钢筋直径，3.基础下一般应设置厚度为 100 mm的素混凝土垫层，其强度等级一般为C10。4、钢筋净保护层 当有垫