建筑结构设计 单层排架结构,单层厂房的结构组成与布置原则 结构的主要构件及作用 排架结构分析 排架柱设计 柱下独立基础设计 屋面构件 吊车梁设计要点,本章主要内容,2.1.1 单层工业厂房的结构种类,2.1 单层工业厂房结构组成与布置,砌体混合结构（,）,）,（,按结构材料,钢结构,钢筋混凝土结构,钢混凝土混合结构,刚架特点： 刚架立柱和横梁的截面高度都是随内力（主要是弯矩）的增减沿轴线方向做成变高的，节约材料。 优点： 梁柱合一，构件种类少，制作较简单。 缺点： 刚度较差，承载后会产生跨变，梁柱转角处产生早期裂缝。,2.1.2 单层排架结构组成,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）屋架下弦横向支撑,14）屋架垂直支撑,15）柱间支撑,一、柱网布置,柱网是竖向承重构件纵横向定位轴线所形成的网格。 柱距应采用6米或6米的倍数。 跨度在18米以下采用3米(30M)的倍数，在18米以上采用6米(60M)的倍数。(1M100mm),2.1.3 单层排架结构布置,二、定位轴线,柱网尺寸和定位轴线的一般原则 符合生产和使用要求 建筑平面和结构方案经济合理 遵循国家有关厂房建筑模数有关标准的规定 再厂房结构形式和施工方法上具有先进性和合理性,墙、边柱与纵向定位轴线的关系：,柱距12米或Q50t，联系尺寸D=250、500。,中柱与纵向定位轴线的关系：,等高跨,上柱中心线与纵向轴线重合,A插入距； B墙厚； C伸缩缝宽； D联系尺寸,墙、柱与横向定位轴线的关系：,柱,伸缩缝和端部处,一般部位处柱中心线与轴线重合,墙,非承重墙：墙内缘与轴线重合,承重墙：,墙内缘与轴线的距离为半砖或半砖的倍数。,三、变形缝设置,伸缩缝（温度应力）,横向伸缩缝一般采用双柱；纵向伸缩缝一般采用单柱。 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全分开，并留出一定宽度的缝隙。,沉降缝（基础不均匀沉降）一般不设。下列情况之一设：,相邻部位高差很大； 相邻跨吊车起重量悬殊； 下卧土层有很大变化； 各部分施工时间相差很长； 沉降缝应将建筑物从屋顶到基础全部分开。,抗震缝（减轻震害）,当厂房平、立面布置复杂或结构高度、刚度相差很大时设置。,四、厂房的剖面布置,高度（满足生产工艺、建筑模数要求）,自室内地面至柱顶的高度应为300mm的倍数； 自室内地面至牛腿顶面的高度应为300mm的倍数； 自室内地面至吊车轨顶的标志高度应为600mm的倍数。,净空要求,屋架下弦与吊车架外轮廓线的距离 ；,吊车架外缘与内缘的间距,轨道中心线与纵向轴线的距离,五、支撑布置,主要作用： 保证结构构件的稳定与正常工作 增强厂房的整体稳定性和空间刚度 把部分水平荷载传递到主要承重构件 保证在施工安装阶段结构构件的稳定,柱间支撑,作用：保证厂房纵向排架的刚度和稳定；将水平荷载传至基础。,位置：伸缩缝区段中央或临近中央。,位置：伸缩缝区段两端。,屋架垂直支撑及水平系杆,作用：增加屋架的侧向稳定，防止上下弦杆的侧向颤动。,屋架下弦横向水平支撑,作用：将屋架下弦受到的水平力传至纵向排架柱位置：伸缩缝区段两端,屋架上弦横向水平支撑,作用：增强屋盖整体刚度和上弦的侧向稳定，将抗风柱传来的风荷载传给纵向排架柱顶。,屋架纵向水平支撑（下弦）,作用：增强排架间的协同工作能力，保证横向水平力的纵向分布。,六、抗风柱、圈梁、连系梁、过梁和基础梁布置,抗风柱 作用：使部分风荷载经抗风柱下端直接传至基础而上部则通过屋盖系统传至纵向柱列。 抗风柱的柱脚一般采用插入基础杯口的固接方式。 抗风柱上端与屋架的连接必须满足两个要求： 在水平方向必须与屋架有可靠的连接以保证有效地传递风荷载。 在竖向脱开，且两者之间能允许一定的竖向相对位移。 圈梁、连系梁、过梁和基础梁,2.2 排架结构分析,单层工业厂房是由纵、横向排架组成的空间结构。 为方便，可简化为纵、横向平面排架分别进行分析，忽略两者的相互影响。 除进行抗震和温度应力分析，纵向排架一般不计算。 排架结构分析主要包括：确定计算简图，荷载计算，柱控制截面的内力分析和内力组合，以及验算排架的水平位移值。,柱总高H柱顶标高基础底面标高初步拟定底基础高度 上部标高Hu柱顶标高轨顶标高轨道构造高度 吊车梁支承处的吊车梁高,三、荷载计算,形式、大小、作用位置、方向。,屋面活荷载： 包括屋面均布活荷载，雪荷载和屋面积灰荷载三种 排架计算时，屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，仅取大者，积灰荷载与前两者中大者同时考虑；荷载分项系数 1.4 吊车荷载（桥式吊车）：对排架的作用有竖向荷载和水平荷载两种,F5,F5,恒载,风载,风荷载： 排架承受的风荷载由计算单元范围内的外墙面及屋面传来，垂直作用于建筑物表面，并且在迎风面形成正压区，在背风面形成负压区。 柱顶以下墙面上的风荷载按作用在排架柱上的均布荷载考虑，其风压高度变化系数可按柱顶标高取值。 柱顶以上的风荷载按作用在柱顶的水平集中力考虑，其值为屋面风荷载合力的水平分力以及女儿墙迎风面和背风面水平风荷载的总和。,吊车荷载,K,桥式吊车按照使用（或达到额定值）的频繁程度分为轻级、中级、重级和特重级四个载荷状态。,最大轮压与最小轮压,最大轮压 可从产品目录中查得；最小轮压 可由下式确定：（四轮吊车）,G1,k：大车自重标准值； G2,k：小车自重标准值； G3,k：吊车额定起吊重量标准值 D为P在吊车梁支座产生的竖向荷载 移动荷载，须用影响线求最值 : 多台吊车同时满载的可能性较小，与吊车工作制度及吊车台数有关,Dmax可以发生在左柱，也可以发生在右柱，在Dmax、Dmin作用下，单跨排架的计算考虑上图(a)、(b)两种荷载情况。 Dmax 、Dmin对下柱均为偏心力，应将其换算成作用在下柱顶面的轴心压力和弯矩，其弯矩： Mmax=Dmaxe4，Mmin=Dmine4,吊车横向水平荷载,作用位置：吊车梁顶面,作用方向：垂直轨道侧（正、反向）,吊车横向水平荷载系数,每个轮子上的横向水平制动力：,如果吊车相同，,同样，利用影响线可以确定柱子受到的水平力,小车吊着重物在桥架上运行，在启动或制动时都将产生横向水平惯性力，即吊车横向水平荷裁。这种横向惯性力通过小车制动轮与桥架上轨道间的摩擦力传给桥架，桥架又通过它的车轮在吊车轨顶传给两侧的吊车梁，再经过吊车梁顶面与柱上的连接钢板传给两侧的排架柱。,硬钩 0.20,F5屋面活载 e1对上柱偏心距 e4吊车梁支座对下柱偏心距,小车沿横向左右运行，对Tmax要考虑它向左和向右两种作用。,吊车纵向水平荷载,按一侧所有制动轮最大轮压之和的10%确定：,作用位置：轨道顶面,作用方向：沿轨道方向，由纵向排架承受,对于一层吊车厂房： 水平荷载： 单跨、多跨，最多考虑2台； 竖向荷载： 单跨时，最多考虑2台 多跨时，最多考虑4台。,当沿厂房纵向运行的桥架在启动或突然刹车时，引起的纵向水平惯性力，它由桥架每侧的制动轮传至两侧轨道，再通过吊车梁传给厂房纵向排架。,2.2.2 等高排架的内力计算,一、柱的抗侧刚度,等高排架是指柱顶水平位移值相等的排架，它包括柱顶标高相同，或柱顶标高虽不同但柱顶由倾斜横梁贯通相连的排架。,二、剪力分配法,柱顶作用集中荷载,由平衡条件：,由物理条件：,由几何条件：,可求得：,称为柱i的剪力分配系数。,柱自身抗侧刚度与所有柱总抗侧刚度的比值。 求出各柱顶剪力后，各柱可按独立悬臂柱计算内力。,任意荷载作用,在柱顶加不动铰支座，阻止水平位移，利用图表（见教材附录2，P429-432）求出内力和支座反力R； 为消除不动铰支座影响，撤销柱顶不动铰支座，并将支座反力R反向作用于柱顶，以恢复到原来的实际情况，并求出该工况内力； 将上述两种情况的内力叠加，得到排架柱实际内力。,2.2.3 水平位移计算,为了保证吊车的正常运行，需要控制厂房的水平位移。 正常使用极限状态，考虑一台最大吊车的横向水平荷载作用，吊车梁顶处的水平位移 应满足：,Hk-基础顶面至吊车梁顶面的距离,2.2.4 排架计算模型的讨论,一、排架的整体空间作用,基本概念,排架结构的整体空间作用指的是排架与排架，排架与山墙之间相互关联的整体作用,在b、c两种情况下，其最大侧向位移量,即在b、c两种情况的侧移小于按平面排架计算的侧移。,空间工作的条件： 各横向排架（山墙可理解为广义横向排架）之间有联系（即屋盖有一定的整体刚度）； 各横向排架彼此情况不同，或者结构不均匀、或者荷载不均匀。,在设计中，需要考虑整体空间工作时，只对吊车荷载才考虑厂房的整体空间作用（局部荷载下整体空间作用比均布荷载下要大）。,柱顶在单个荷载作用下的空间作用分配系数,称为空间作用分配系数,当某榀排架柱顶作用水平力 时，如果考虑排架整体空间作用，该排架仅承担 ，其余部分由其它排架承担。,吊车荷载作用下的考虑空间作用的计算方法,考虑空间作用后，上柱弯矩增大；下柱弯矩减小。,二、屋架、地基变形对内力的影响,平衡条件：,物理条件：,几何条件：,横梁变形,左右两种情况A柱的剪力是否相同？,思考题,地基不均匀沉降,地基不均匀沉降对排架内力有无影响？,三、柱长不同的等高排架计算,四、抽柱后的计算模型,将计算单元内的排架合并。,单层厂房中，有时由于工艺要求，或者在局部区段少放置若干根柱(习称“抽柱”），或者中列柱的柱距比边列柱的为大，因而形成了纵向柱距不等的情况。,恒载和风荷载的计算方法用一般排架。吊车荷载不同，B轴柱按加长吊车梁的影响线确定；A和C轴柱应考虑作用在、柱子上相应值的一半，即,求得内力后， A和C轴柱的弯矩、剪力除2得到原结构单根柱的内力，轴力根据实际受荷情况确定。,2.3 排架柱设计,2.3.1 荷载组合 建筑结构荷载规范（GB 50009-2001）3.2.4-3.2.5,1.2恒荷载标准值+1.41项活荷载标准 1.2恒荷载标准值+1.40.90(2项或2项以上活荷载标准值）,可变荷载效应控制（对于单层排架结构，可以采用简化组合）,永久荷载效应控制 1.35恒荷载标准值+所有活荷载的组合值,2.3.2 内力组合,一、控制截面,构件设计时一般选取若干个可靠度较低因而对整个构件起控制作用的截面进行设计，这些截面称为控制截面。,二、组合内容,最大弯矩及相应的轴力和剪力； 最小弯矩及相应的轴力和剪力； 最大轴力及相应的弯矩和剪力； 最小轴力及相应的弯矩和剪力。,三、注意事项,每一项组合必须包括恒荷载产生的内力； 对活荷载，必须明确组合的目标，即每次组合只能以一种内力为目标来决定内力取舍； 有T必有D，有D也有T； 风荷载有向左和向右两种作用情况，只能选择其中一种情况进行内力组合； 组合最大轴力和最小轴力时，轴力为零的项应考虑进去。,2.3.3 混凝土柱截面设计,一、截面形式,从刚度要求出发，需满足表2- 3 的要求。,二、截面配筋,取最不利内力组合，按偏压构件设计。,偏压构件的承载力计算需用到计算长度。,，相应的计算长度 为 。,对两端为不动铰支座的构件，其临界荷载为：,对于其它支承的构件，将其换算为具有与两端铰支座相同临界 荷载的受压构件，即,根据杆系稳定理论：,对于双跨排架，,偏于安全，规范分别取 和 。,无吊车荷载,对于等高等截面单跨排架，,有吊车荷载,考虑房屋的空间作用，即不仅考虑同一排架内各柱参加工作；而且还考虑相邻排架的协同工作。因此，可将上端近似简化为不动铰支座。,当 ， 时， 。,规范分别取 和 。,变截面上段：,变截面下段：,，,三、吊装验算,验算内容：吊装、运输阶段的承载力和裂缝宽度验算（一般考虑翻身吊装） ；,荷载：自重，考虑动力系数1.5；,安全等级：降一级，乘系数0.9 ；,四、构造,如果不满足，增加吊点或调整配筋。,单点绑扎起吊，吊点设在变阶处；,柱的混凝土强度一般按设计强度的70考虑；,2.3.4