混凝土结构设计单层工业厂房解析

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1、第二章 单层厂房 主讲： 管品武 教授 第二章 单层厂房 本章讨论单层装配式钢筋混凝土厂房的结构设计。为掌 握钢筋混凝土单层厂房整体结构布置与设计计算，对厂 房的结构组成、构件选型、排架内力分析与组合及主要 构件设计等都一一作了介绍。 重点内容：单层厂房结构的选型与布置；钢筋混凝土排 架结构的荷载计算、内力分析与组合；钢筋混凝土排架 柱及柱下单独基础的设计。 难点为：单层厂房中支撑的布置；排架柱的内力组合； 柱下单独基础抗冲切计算。 2.l 概 述 2.1.1 单层厂房的特点 工业厂房按层数分类，可分为单层厂房(多用于机械、冶金等工业)、多层 厂房(多用于食品、电子、精密机器制造等工业)和层数

2、混合的厂房(多用于化 学工业、热电站)三类。 一般说来，单层厂房具有以下结构特点： (1)单层厂房结构的跨度大、高度大，承受的荷载大，因而构件的内力大，截 面尺寸大，用料多。 (2)单层厂房常承受动力荷载(如吊车荷载、动力机械设备荷载等)，因此在进 行结构设计时须考虑动力荷载的影响。 (3)单层厂房是空旷型结构，室内几乎无隔墙，仅在四周设置柱和墙。柱是承 受屋盖荷载、墙体荷载、吊车荷载以及地震作用的主要构件。 (4)单层厂房的基础反力大，因此对工程地质勘察需提出较高的要求，并作深 入的分析，以确定地基承载力和基础埋置深度、形式与尺寸。 2.1.2 单层厂房的结构分类 1.按承重结构的材料分类

3、混合结构（砖柱、钢筋混凝土屋架或木屋架或轻钢屋架） 混凝土结构（钢筋混凝土柱、钢屋架或预应力混凝土屋架 ） 全钢结构（钢柱、钢屋架） 2.按承重结构的型式分类 排架（等高排架、不等高排架、锯齿形排架） 刚架（门式刚架） 排架结构由屋架(或屋面梁)、柱和基础组成，柱与屋架 铰接，而与基础刚接。 刚架也是由横梁、柱和基础组成。柱与横梁刚接，而与 基础铰接。 22 单层厂房的结构组成与结构布置 22结构组成 装配式钢筋混凝土单层厂房结构是由多种构件组成的空 间整体. 根据组成构件作用不同，可将单层厂房结构分为承重结 构和围护结构两大类。 承重结构：直接承受荷载并将荷载传给其它构件，如屋面 板、天窗架

4、、屋架、柱、吊车梁、基础等； 围护结构：主要承受自重及风荷载，如外纵墙、山墙、连 系梁、抗风柱、基础梁等。 2.2.1.1 屋盖结构 屋盖结构分无檩体系和有檩体系两种： 当大型屋面板直接支承(焊牢)在屋架或屋面梁上的称为无檩体系，其 刚度和整体性好，目前应用很广泛； 当小型屋面板(或瓦材)支承在檩条上，檩条支承在屋架上(板与檩条， 檩条与屋架均需有牢固的连接)，通常称为有檩体系。 该体系由于采用了小型屋面板及檩条，所以构件重量轻， 便于运输与安装。但因构件种类多，荷载传递路线长，故其 刚度和整体性较差，其造价比无檩体系的大，所以它只有在 运输、吊装等困难的情况下，或在轻型不保温的厂房中才被 采

5、用。 2.2.1. 2 横向平面排架 横向平面排架是由屋架(屋面梁)、横向柱列和基 础组成，是单层厂房的基本承重结构(图24)。 厂房结构的竖向荷载和横向水平荷载主要通过它 传给地基。因此，在单层厂房的结构设计中，一 定要进行横向平面排架计算。 竖 向 荷 载 传 递 途 径 2213 纵向平面排架 纵向平面排架是由连系梁、吊车梁、纵向柱列(包括柱间 支撑)和基础组成(图2.2.3)。作用主要是保证厂房结构的 纵向稳定和刚度，承受作用在厂房结构上的纵向水平荷 载，并将其传给地基，同时也承受因温度变化和收缩变 形而产生内力。 2.2.2 结构布置 为使单层厂房的构配件达到统一，提高设计标准化，单

6、 层厂房的主要尺寸和标高必须符合规定的统一模数制。 1.平面与剖面布置 （1）定位轴线 与厂房横向平面排架平行的轴线，称为横向定位轴线，以 、表示；与其垂直的轴线，称为纵向定位轴线 ，以A、B表示，纵横向定位轴线在平面上排列所形成的 网格，称为柱网。 定位轴线之间的距离 和主要构件的标志尺寸 相一致，且符合建筑模 数。所谓标志尺寸就是 构件的实际尺寸加上两 端必要的构造尺寸。 如，大型屋面板的实 际尺寸是1490mmX 5970mm，标志尺寸是 1500mmX5000mm； 18m屋架的实际跨度是 17950mm，标志跨度 是18000mm， 横向定位轴线通过柱截面的几何中心，且通过屋架中心

7、线与屋面板等横向接缝。在厂房端部横向定位轴线与山 墙内边缘重合，将山墙内侧第一排柱中心内移500mm， 并将端部屋面板做成一端伸臂板 一般说，在横向是与墙、柱中心线重合，在纵向则由墙 内缘或柱外缘通过 (3)变形缝设置 变形缝包括伸缩缝、沉降缝和防震缝三种。 伸缩缝:伸缩缝将厂房从基础顶面到屋面完全分开 混凝土规范)规定：对于装配式钢筋混凝土排架结构 ，当处于室内时，其伸缩缝的最大间距为100m；当处在露 天时，其伸缩缝的最大间距为70m。当超过上述规定或对 厂房有特殊要求时，应进行温度应力验算。此外，对于下 列情况，伸缩缝的最大间距还应适当减小。 沉降缝 单层厂房结构主要是由简支构件装配而成

8、，因地基不均匀 沉降引起的不利影响较小。所以，在一般单层厂房中可不设 沉降缝，只在特殊情况下才考虑设置. 防震缝 防震缝是为了减轻厂房震害而采取的措施之一。当厂房平 面、立面复杂，结构高度或刚度相差很大，以及在厂房侧边 布置附属用房(如生活间、变电所、炉子间等)时，应设置防 震缝。 三缝合一 （5）剖面布置 厂房高度 厂房的高度指室内 地面至柱顶(或下撑式 屋架下弦底面)的距离 。 厂房的高度和轨顶标 高是厂房结构设计中 的两个重要参数，要 综合考虑生产工艺和 建筑结构两方面的因 素才能确定。 确定厂房高度时，应按照厂房建筑模数协调标准 (GBJ686)的规定，考虑建筑模数的要求。有吊车和无

9、吊车的厂房(包括有悬挂吊车的厂房)自室内地面至柱顶的 高度应为扩大模数3M数列；有吊车的厂房，自室内地面 至支承吊车梁的牛腿面的高度应为扩大模数3M数列。 注：自室内地面至支承吊车梁的牛腿面的高度在7.2m以上时，宜采 用7.8m、8.4m、9.0m和9.6m等数值； 预制钢筋混凝土柱自室内地面至柱底的高度宜为模数化尺寸。 确定厂房高度的原则是： 在满足生产工艺前提下，尽可能合理地降低厂房高度，以 便减小柱的内力，减少围护结构面积，降低造价；同时又 要考虑减少构件种类，简化连接构造，保证施工方便等因 素。 厂房跨度工根据生产工艺要求确定，同时满足厂房建 筑模数协调标准的要求，以便采用标准预制构

10、件。对 于有吊车的厂房，跨度工可采用下列公式确定： 2.3 支撑布置 支撑体系是联系屋架、柱等主要构件，并使其构成整体 的重要部分，对单层厂房抗震设计尤为重要； 单层厂房的支撑体系包括屋盖支撑和柱间支撑两部分。 （1）屋盖支撑 （上、下弦）横向水平支承 构成刚性框、增强屋面的整体刚度，保证屋架（屋面梁） 的侧向稳定，同时将山墙抗风柱所承受的纵向水平力传到 两侧柱列上。 纵向水平支撑 *加强屋盖结构在横向水平面内的刚度，保证横向水平 荷载的纵向分布，增强排架的空间工作。 屋架间的垂直支撑及水平系杆 天窗架支撑 （2）柱间支撑 3.围护结构布置 （1）抗风柱 （2）圈梁、连系梁、过梁和基础梁 2.

11、4 单层厂房结构主要构件选型 单层厂房结构设计的三个阶段： 方案设计阶段；技术设计阶段；施工图设计阶段。 除拄和基础外，一般都可以根据工程的具体情况，从工业厂房结构构件标 准图集中选用合适的标准构件。 国家建筑标准设计图集介绍 全国通用标准图； 大区通用标准图（如中南标、华北标等）； 省（直辖市）通用标准图（如河南省标、北京市标、上海市标等 ） 地（市）通用标准图“如郑州市标、洛阳市标等”。 全国通用标准图集一般包括设计和施工说明、构件选用表、结构布置图、连 接大样图、模板图、配筋图、钢筋节点图、预埋件大样图，钢筋及钢材用量表 等部分，它们均属于结构施工图，因此，可作为施工的依据。 2.4.2

12、 屋面主要构件选型 屋面板 目前，单层厂房屋面板主要有以下几种：预应力混凝土大 型屋面板，预应力混凝土“F”形屋面板、预应力混凝土单肋 板和预应力混凝土夹心保温屋面板，其中应用较多的是预 应力混凝土屋面板(或称为预应力混凝土大型屋面板)，其外 型尺寸常用的是15mX 6m，为配合屋架尺寸，还有 0.9mX 6m的嵌板，其形式见国家标准图集92G410(四)。 编号的意义： Y-WB-2x8 2、檩条 在有檩体系屋盖中，檩条搁在屋架或屋面梁上，支承小 型屋面板并将屋面荷载传给屋架或屋面梁。它与屋架的连 接应牢固，使其与支撑构件共同组成整体，以保证厂房的 空间刚度，可靠地传递水平荷载。 2.4.3

13、、屋架 屋架是厂房结构的一 个重要组成部分，屋架 选型的合理与否直接关 系到厂房屋盖结构的刚 度和稳定性。选择合理 的屋架型式，不仅要考 虑受力合理与否，而且 还要综合考虑其它因素 ，如施工条件、材料供 应、跨度大小等。 屋架的选型方法 先确定屋架型式（屋面梁、三铰或两铰拱屋架、桁架式屋 架），然后根据具体的设计条件从屋架标准图集中选用合 适的屋架。 2.4.4.天窗架及托架 2.4.5 吊车梁 吊车梁直接承受吊车传来的竖向荷载和水平制动力，由于吊车往返运 行，因此吊车梁除了要满足承载力、抗裂度和刚度要求外，还要满足 疲劳强度的要求。 钢筋混凝土吊车梁的型式很多，目前常用的主要有以下几种： (

14、1) 混凝土等截面吊车梁：用于厂房跨度30m以下，吊车起重量为 30t以下 (2)组合式吊车梁：自重较轻，适用于吊车起重量较小(一般不大于 5t)的轻、中级工作制吊车。 (3)预应力混凝土等截面吊车梁。适用于吊车起重量为75t以下的情 况。 (4)预应力混凝土变截面吊车梁。一般在吊车起重量大、跨度大时采 用 (5)桁架式吊车梁。对一般中型厂房多采用等高T形或I形截面吊车梁 。 (6)部分预应力混凝土吊车梁。适用于吊车起重量为30t以下的情况 。 2.4.6 常用柱型 2.4.6.1 柱的截面形式 单层厂房钢筋混凝土柱按其截面形式分为两大类：单肢柱 (包括矩形、I形、环形截面)和双肢柱(包括平腹

15、杆、斜腹杆 、双肢管柱)。 2.5 排架内力分析 本节介绍横向平面排架结构(以下简称排架)的内力分析 方法。它主要解决两个问题： (1)求出排架柱在各种荷载作用下起控制作用的截面的最不 利内力，作为柱截面设计和承载力校核的依据； (2)求出柱传给基础的最不利内力，作为基础设计的依据。 2.5.1 计算筒图 2.5.1.1 计算单元 2.计算假定与计算简图 (1)柱上端与屋架(或屋面梁)铰接 (2)柱下端与基础固接 (3)排架横梁为无轴向变形的刚杆，横梁两端处柱的水平位 移相等 （跨变排架应考虑横梁轴向变形的影响） 计算简图： (4)排架柱的高度由固定端算至柱顶铰结点处 (5)排架的跨度以厂房的

16、轴线为准， 2.4.2 荷载计算 掌握各种荷载值的计算，荷载的作用位置（荷载的大小 、作用点） 恒荷载 （1）屋盖自重；（2）上柱自重；（3）下柱自重；（4 ）吊车梁及轨道等自重。 2.活荷载 （1）屋面活荷载（作用位置与屋盖恒载相同） 屋面均布活荷载；雪荷载；屋面积灰荷载。 当不考虑屋面积灰荷载时，取屋面均布活荷载和雪荷载 两者中的较大值； 当考虑屋面积灰荷载时，取屋面均布活荷载、雪荷载和 屋面积灰荷载三者中的较大值。 雪荷载的计算： 风荷载的计算 风荷载标准值 风荷载的方向是变化的，设计时既要考虑左风荷载、又 要考虑右风荷载。 作用于排架上的风荷载 3.吊车荷载 吊车的工作级别（原规范称为吊车的工作制度）： 根据吊车荷载达