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1、单元17 单层厂房排架结构【学习目标】 1、能辨识单层厂房结构形式、结构组成； 2、能进行简单的结构布置； 3、会计算排架结构相关构件（如牛腿、基础等）的配筋。 【知识点】 单层工业厂房的特点及结构形式、排架结构的组成及传力途径、结构布置、厂房柱、柱下独立基础等。 【工作任务】 任 务 单层厂房柱牛腿的设计 【教学设计】 本单元设计一个项目-单层厂房柱牛腿设计。围绕这个项目，教学从参观工程实例结合图片展示，从简单到复杂，逐步深入，分三步进行，让学生确定牛腿尺寸、配筋计算及构造要求、绘制施工图。 17.1 单层厂房的特点及结构形式 在工业建筑中，单层厂房是最普遍采用的一种结构形式，主要用于冶金、
2、机械、化工、纺织等工业厂房。这类厂房一般设有较重的机械和设备，产品较重且轮廓尺寸较大，大型设备可以直接安装在地面上，便于产品的加工和运输。单层厂房便于定型设计、构配件的标准化、通用化、生产工业化、施工机械化。 17.1.1 单层厂房的特点 单层厂房，生产工艺流程较多，车间内部运输频繁，地面上放置较重的机械设备和产品。所以单层厂房不仅要满足生产工艺的要求，还要满足布置起重运输设备、生产设备及劳动保护要求。因此其特点一般跨度大、高度高，结构构件承受的荷载大，构件尺寸大，耗材多，同时设计时还要考虑动荷载作用。17.1.2 单层厂房的结构型式 单层厂房按承重结构的材料大致可分为：混合结构、混凝土结构和
3、钢结构。 一般来说，无吊车或吊车起重量50kN、跨度15m、柱顶标高8m，无特殊工艺要求的小型厂房，可采用混合结构(砖柱、钢筋混凝土屋架或木屋架或轻钢屋架)；当吊车起重量2500kN、跨度36m的大型厂房或有特殊工艺要求的厂房(如设有100kN以上锻锤的车间以及高温车间的特殊部位等)，一般采用钢屋架、钢筋混凝土柱或全钢结构；其他大部分厂房均可采用混凝土结构，一般应优先采用装配式和预应力混凝土结构。钢筋混凝土单层工业厂房主要有两种结构类型：排架结构和刚架结构，如图171所示。 图17-1 钢筋混凝土单层工业厂房的两种基本类型排架结构 是由屋架(或屋面梁)、柱、基础等构件组成，柱与屋架铰接，与基础
4、刚接。根据生产工艺和使用要求的不同，排架结构可做成等高、不等高等多种形式（如图17-2所示）；根据结构的材料的不同，排架可分为：钢钢筋混凝土排架、钢筋混凝土排架和钢筋混凝土一砖排架。此类结构能承受较大的荷载作用，在冶金和机械工业厂房中广泛应用，其跨度可达30m，高度可达2030m，吊车吨位可达150t或150t以上。 a 等高两跨厂房 b 不等高三跨厂房 c 锯齿形柔性排架 d 常用单跨厂房 图17-2 单跨与多跨排架 刚架结构的主要特点 是梁与柱刚接，柱与基础通常为铰接。因梁、柱整体结合，故受荷载后，在刚架的转折处将产生较大的弯矩，容易开裂；另外，柱顶在横梁推力的作用下，将产生相对位移，使厂
5、房的跨度发生变化，故此类结构的刚度较差，仅适用于屋盖较轻的厂房或吊车吨位不超过lOt,跨度不超过lOm的轻型厂房或仓库等。本单元主要讲述钢筋混凝土铰结排架结构的单层厂房，这类厂房的结构构件组成如图17-3所示。 图17-3 单层厂房结构组成 1-屋面板；2-天沟板；3-天窗架；4-屋架；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-屋架下弦横向水平支撑；14-屋架端部垂直支撑；15-柱间支撑 【工学结合】参观我院室内运动馆、大学生活动中心等建筑物，分析它们的结构组成。17.2 排架结构的组成及传力途径 17.2.1 结构组成
6、单层厂房由如图17-3所示的屋面板、屋架、吊车梁、连系梁、柱、基础等构件组成。 1屋盖结构 屋盖结构分无檩和有檩两种体系，前者由大型屋面板、屋面梁或屋架(包括屋盖支撑)组成；后者由小型屋面板、檩条、屋架(包括屋盖支撑)组成。屋盖结构有时还有天窗架、托架，其作用主要是维护和承重(承受屋盖结构的自重、屋面活载、雪载和其他荷载，并将这些荷载传给排架柱)，以及采光和通风等。2横向平面排架 横向平面排架由横梁(屋面梁或屋架)和横向柱列(包括基础)组成，它是厂房的基本承重结构。厂房结构承受的竖向荷载(结构自重、屋面活载、雪载和吊车竖向荷载等)及横向水平荷载(风载和吊车横向制动力、地震作用)主要通过它将荷载
7、传至基础和地基，如图17-4所示。图17-4 单层厂房的横向排架及受荷示意图 3纵向平面排架 由纵向柱列(包括基础)、连系梁、吊车梁和柱间支撑等组成，其作用是保证厂房结构的纵向稳定性和刚度，并承受作用在山墙和天窗端壁并通过屋盖结构传来的纵向风载、吊车纵向水平荷载(如图17-5所示)、纵向地震作用以及温度应力等。图17-5 纵向排架示意图 4吊车梁 简支在柱牛腿上，主要承受吊车竖向和横向或纵向水平荷载，并将它们分别传至横向或纵向排架。5支撑 包括屋盖和柱间支撑，其作用是加强厂房结构的空间刚度，并保证结构构件在安装和使用阶段的稳定和安全，同时起传递风载和吊车水平荷载或地震力的作用。6基础 承受柱和
8、基础梁传来的荷载并将它们传至地基。7围护结构 包括纵墙和横墙(山墙)及由墙梁、抗风柱(有时还有抗风梁或抗风桁架)和基础梁等组成的墙架。这些构件所承受的荷载，主要是墙体和构件的自重以及作用在墙面上的风荷载。17.2.2 荷载及传荷路线 作用在厂房上的荷载有可变荷载和永久荷载两大类。可变荷载又称活载，包括吊车竖向荷载，纵、横向水平制动力，屋面活荷载，风荷载等。 永久荷载又称恒载，包括各种结构构件(如屋面板、屋架等)的自重及各种制造层的重量等。横向排架和纵向排架的传力途径如图17-6所示：图17-6 单层厂房主要荷载的传递路线 17.2.3 排架结构的设计内容 排架结构中主要的承重构件是屋面板、屋架
9、、吊车梁、柱和基础。其中柱和基础，一般需要通过计算确定。屋面板、屋架、吊车梁以及其他大部分组成构件均有标准图或通用图，可供设计时选用。因此，排架设计的主要内容是：1. 选用合适的标准构件； 2. 进行各组成构件的结构布置； 3. 分析排架的内力； 4. 为柱、牛腿及柱下基础配筋； 5. 绘结构构件布置图以及柱和基础的施工图。 17.3 结构布置 结构布置包括屋盖结构（屋面板、天沟板、屋架、天窗架及其支撑等）布置；吊车梁、柱（包括抗风柱）及柱间支撑等布置；圈梁、连系梁及过梁布置；基础和基础梁布置。 屋面板、屋架及其支撑、基础梁等构件，一般按所选用的标准图的编号和相关的规定进行布置。柱和基础则根据
10、实际情况自行编号布置。下面就结构布置中几个主要问题进行说明。 17.3.1 柱网及变形缝的布置 1柱网布置 厂房承重柱(或承重墙)的纵向和横向定位轴线，在平面上排列所形成的网格，称为柱网。柱网布置就是确定纵向定位轴线之间(跨度)和横向定位轴线之间(柱距)的尺寸。确定柱网尺寸，既是确定柱的位置，同时也是确定屋面板、屋架和吊车梁等构件的跨度并涉及到厂房结构构件的布置。柱网布置恰当与否，将直接影响厂房结构的经济合理性和先进性，对生产使用也有密切关系。柱网布置的一般原则应为：图17-7 柱网布置示意图 符合生产工艺要求；建筑平面和结构方案经济合理；在厂房结构形式和施工方法上具有先进性和合理性；符合厂房
11、建筑统一化基本规则的有关规定；适应生产发展和技术革新的要求。 厂房跨度在18m及以下时，应采用3m的倍数；在18m以上时，应采用6m的倍数。厂房柱距应采用6m或6m的倍数（如图17-7所示）。当工艺布置和技术经济有明显的优越性时，亦可采用21m、27m、33m的跨度和9m或其他柱距。 目前，从经济指标、材料消耗、施工条件等方面来衡量，一般的，特别是高度较低的厂房，采用6m柱距比12m柱距优越。 但从现代化工业发展趋势来看，扩大柱距，对增加车间有效面积，提高设备布置和工艺布置的灵活性，机械化施工中减少结构构件的数量和加快施工进度等，都是有利的。当然，由于构件尺寸增大，也给制作、运输和吊装带来不便
12、。12m柱距是6m柱距的扩大模数，在大小车间相结合时，两者可配合使用。此外，12m柱距可以利用现有设备做成6m屋面板系统(有托架梁)；当条件具备时又可直接采用12m屋面板(无托架梁)。所以，在选择12m柱距和9m柱距时，应优先采用前者。2变形缝 变形缝包括伸缩缝、沉降缝和防震缝三种。a 双柱式(横向伸缩缝) b 滚轴式(纵向伸缩缝)图17-8 单层厂房伸缩缝的构造 如果厂房长度和宽度过大，当气温变化时，将使结构内部产生很大的温度应力，严重的可将墙面、屋面等拉裂，影响使用。为减小厂房结构中的温度应力，可设置伸缩缝，将厂房结构分成几个温度区段。伸缩缝应从基础顶面开始，将两个温度区段的上部结构构件完
13、全分开。并留出一定宽度的缝隙，使上部结构在气温变化时，水平方向可以自由地发生变形（如图17-8所示）。温度区段的形状，应力求简单，并应使伸缩缝的数量最少。温度区段的长度(伸缩缝之间的距离)，取决于结构类型和温度变化情况。混凝土结构设计规范对钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距作了规定，当厂房的伸缩缝间距超过规定值时，应验算温度应力。 在一般单层厂房中可不做沉降缝，只有在特殊情况下才考虑设置，如厂房相邻两部分高度相差很大(如10m以上)、两跨间吊车起重量相差悬殊，地基承载力或下卧层土质有较大差别，或厂房各部分的施工时间先后相差很长，土壤压缩程度不同等情况。沉降缝应将建筑物从屋顶到基础全部分开，以使在缝
14、两边发生不同沉降时不致损坏整个建筑物。沉降缝可兼作伸缩缝。 防震缝是为了减轻厂房地震灾害而采取的有效措施之一。当厂房平、立面布置复杂或结构高度或刚度相差很大，以及在厂房侧边建生活间、变电所、炉子间等附属建筑时，应设置防震缝将相邻部分分开。地震区的厂房，其伸缩缝和沉降缝均应符合防震缝的宽度要求。17.3.2 支撑的作用和布置原则 在装配式钢筋混凝土单层厂房结构中，支撑虽非主要的构件，但却是连系主要结构构件以构成整体的重要组成成分。实践证明，如果支撑布置不当，不仅会影响厂房的正常使用，甚至可能引起工程事故，所以应予以足够的重视。 下面主要讲述各类支撑的作用和布置原则，至于具体布置方法及与其他构件的连接构造，可参阅有关标准图集。 1屋盖支撑 屋盖支撑包括设置在屋面梁(屋架)间的垂直支撑、水平系杆以及设置在上、下弦平面内的横向支撑和通常设置在下弦水平面内的纵向水平支撑。 (1)屋面梁(屋架)间的垂直支撑及水平系杆。 垂直支撑和下弦水平系杆是用以保证屋架的整体稳定(抗倾覆)以及防止在吊车工作时(或有其他振动荷载)屋架下弦的侧向颤动。上弦水平系杆则用以
