1、3.3 厂房主构件设计3.3 厂房主构件设计3.3.1 荷载效应组合IIIIIIIIIIII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（或者荷载效应较大、或者抗力较小）进行设计，这些截面称为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（或者荷载效应较大、或者抗力较小）进行设计，这些截面称为控制截面控制截面。在荷载作用下，排架柱的内力是沿柱高变化的。设计时应根据内力图和截面的变化情况，选取几个起控制作用的截面来计算。在荷载作用下，排架柱的内力是沿柱高变化的。设计时应根据内力图和截面的变化情况，选取几个起控制作用的截面来计算。二、内力组合内力组
2、合是要解决内力如何搭配，截面最不利。内力组合是要解决内力如何搭配，截面最不利。?立柱是压弯构件，控制内力是弯矩和轴力，因而需要组合：立柱是压弯构件，控制内力是弯矩和轴力，因而需要组合：?最大正弯矩及相应的轴力和剪力；最大正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（仅限于混凝土柱）。最小轴力及相应的弯矩和剪力（仅限于混凝土柱）。?最大负弯矩及相应的轴力和剪力；最大负弯矩及相应的轴力和剪力；uNuM钢筋砼钢筋砼N NM M曲线曲线*当采用对称截面时，上述两项可以合并成一种，即当采用对称截面时，上述两项可以合并成一种，即|M|ma
3、x及对应轴力和剪力。及对应轴力和剪力。?刚架横梁属于受弯构件，控制内力是弯矩和剪力。对于梁端刚架横梁属于受弯构件，控制内力是弯矩和剪力。对于梁端截面，组合：截面，组合：?最大负弯矩及对应的剪力；最大负弯矩及对应的剪力；?最大正弯矩及对应的剪力；最大正弯矩及对应的剪力；?最大剪力及对应的弯矩。最大剪力及对应的弯矩。对于梁跨中截面对于梁跨中截面和最小截面和最小截面，组合最大正弯矩。，组合最大正弯矩。当横梁的坡度较大时（大于当横梁的坡度较大时（大于1/5），应考虑梁内轴力的影响，组合最大弯矩时同时组合相应的轴力。），应考虑梁内轴力的影响，组合最大弯矩时同时组合相应的轴力。刚架刚架三、荷载效应组合?承
4、载能力和稳定计算采用荷载效应（内力）的承载能力和稳定计算采用荷载效应（内力）的基本组合基本组合。?结构水平位移验算应采用荷载效应的结构水平位移验算应采用荷载效应的标准组合标准组合。?荷载组合是要解决各种荷载如何搭配才能得到最大的内力。荷载组合是要解决各种荷载如何搭配才能得到最大的内力。?荷载效应的基本组合，应考虑两种情况：荷载效应的基本组合，应考虑两种情况：由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合式（式（1.4.2）由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合式（式（1.4.3）四、注意事项?每一项组合必须包括恒荷载产生的内力；每一项组合必须包括恒荷载产生的内力；?对活荷载，必须明
5、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；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；?有有T T 必有必有D D，有，有D D 也有也有T 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；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。组合最大轴力和最小轴力时，轴力为零的项应考虑进去。3.3.2 构件计算长度受压构件可能会发生受压构件可能会发生屈曲失屈曲失稳稳破坏。结构设计时一般将任意约束条件下的杆件等效成具有相同临界荷载的两端铰支构件。破坏。结构设
6、计时一般将任意约束条件下的杆件等效成具有相同临界荷载的两端铰支构件。一、等截面杆一、等截面杆0yxM0M000.55的偏心受压构件尚应根据最不利内力准永久组合值进行裂缝宽度验算；的偏心受压构件尚应根据最不利内力准永久组合值进行裂缝宽度验算；?施工阶段施工阶段应进行吊装验算，包括正截面承载力和裂缝宽度计算。应进行吊装验算，包括正截面承载力和裂缝宽度计算。吊点g1g3g2M1M3M2一、柱的计算要点二、构造要求?纵向受力钢筋直径不宜小于纵向受力钢筋直径不宜小于12mm，全部纵向受力钢筋的配筋率不宜超过，全部纵向受力钢筋的配筋率不宜超过5%；柱截面每边纵向钢筋的配筋率不应小于；柱截面每边纵向钢筋的配
7、筋率不应小于0.2%；?纵向钢筋净距不应小于纵向钢筋净距不应小于50mm；垂直于弯矩作用平面的纵向受力钢筋的中距不应大于；垂直于弯矩作用平面的纵向受力钢筋的中距不应大于300mm。?箍筋直径不应小于最大纵筋直径的四分之一，且不小于箍筋直径不应小于最大纵筋直径的四分之一，且不小于6mm；当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率大于；当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率大于3%时，箍筋直径不应小于时，箍筋直径不应小于8mm；?箍筋间距不应大于箍筋间距不应大于400mm及构件的短边尺寸，且不应大于及构件的短边尺寸，且不应大于15倍最小纵筋直径；当柱截面的短边尺寸大于倍最小纵筋直径；当柱截面的短边尺寸大于400且各边
8、纵向钢筋多于且各边纵向钢筋多于3根时，或各边纵向钢筋多于根时，或各边纵向钢筋多于4根时，应设置复合箍筋。根时，应设置复合箍筋。三、牛腿设计0ha 长牛腿长牛腿0ha 短牛腿短牛腿1.试验研究1.试验研究Fa0hh应力分布应力分布?牛腿上部主拉应力迹线基本上与牛腿边缘平行；牛腿上部主拉应力迹线基本上与牛腿边缘平行；?牛腿下部主压应力迹线大致与ab连线平行；牛腿下部主压应力迹线大致与ab连线平行；?牛腿中、下部主拉应力迹线是倾斜的。牛腿中、下部主拉应力迹线是倾斜的。裂缝开展裂缝开展?当达到极限值的当达到极限值的2040%，出现垂直裂缝；，出现垂直裂缝；?在极限荷载的在极限荷载的4060%，出现第一
9、条斜裂缝；，出现第一条斜裂缝；?约极限荷载的约极限荷载的80%，突然出现第二条斜裂缝。，突然出现第二条斜裂缝。F破坏形态破坏形态剪切破坏剪切破坏1.0/0ha斜压破坏斜压破坏75.01.0/0=ha弯压破坏弯压破坏75.0/0haF局部承压破坏局部承压破坏牛腿在使用过程中，设计上不允许出现斜裂缝指裂缝，这是确定牛腿截面尺寸的主要依据。试验证明，a/h0是影响裂缝出现迟早的主要依据。?截面尺寸截面尺寸2.截面设计2.截面设计（截面尺寸、截面配筋、构造）（截面尺寸、截面配筋、构造）牛腿的截面宽度通常与柱同宽，因此主要确定截面高度；牛腿的截面宽度通常与柱同宽，因此主要确定截面高度；牛腿截面高度的确定
10、一般以控制其在使用阶段不出现或仅出现细微斜裂缝为准；牛腿截面高度的确定一般以控制其在使用阶段不出现或仅出现细微斜裂缝为准；牛腿的纵向钢筋和弯筋对斜裂缝出现无明显的影响，影响截面抗裂能力的主要是牛腿的截面尺寸。牛腿的纵向钢筋和弯筋对斜裂缝出现无明显的影响，影响截面抗裂能力的主要是牛腿的截面尺寸。截面高度根据斜截面抗裂截面高度根据斜截面抗裂，按下式确定：，按下式确定：005.05.01habhfFFFtkvkhkvk+vkF作用在牛腿顶部的竖向力标准组合值；作用在牛腿顶部的竖向力标准组合值；hkF作用在牛腿顶部的水平力标准组合值；作用在牛腿顶部的水平力标准组合值；裂缝控制系数，需作疲劳验算的牛腿取
11、0.65，其余0.8；裂缝控制系数，需作疲劳验算的牛腿取0.65，其余0.8；b 牛腿宽度，同柱宽；牛腿宽度，同柱宽；a 考虑安装偏差考虑安装偏差20mm，当，当a5时，应考虑轴力的影响，按时，应考虑轴力的影响，按压弯构件压弯构件进行强度、整体稳定和局部稳定计算；进行强度、整体稳定和局部稳定计算；二、刚架柱?门式刚架柱按门式刚架柱按压弯构件压弯构件进行强度、整体稳定、局部稳定计算以及刚度验算；进行强度、整体稳定、局部稳定计算以及刚度验算；?楔形柱在刚架平面内的整体稳定按式楔形柱在刚架平面内的整体稳定按式(3.3.7)计算；计算；?楔形柱在刚架平面外的整体稳定按式楔形柱在刚架平面外的整体稳定按式
12、(3.3.8)分段计算；分段计算；?变截面柱下端铰接时，应验算柱端的受剪承载力。变截面柱下端铰接时，应验算柱端的受剪承载力。3.3.5 刚架连接设计一、梁柱节点斜放端板斜放端板平放端板平放端板?形式：三种；端板之间用高强螺栓连接；端板与梁、柱翼缘和腹板间的连接采用全熔透对接焊缝；形式：三种；端板之间用高强螺栓连接；端板与梁、柱翼缘和腹板间的连接采用全熔透对接焊缝；?设计内容：包括确定端板厚度、螺栓强度验算、梁柱节点域的剪应力验算和螺栓处腹板强度验算；设计内容：包括确定端板厚度、螺栓强度验算、梁柱节点域的剪应力验算和螺栓处腹板强度验算；?端板厚度根据端板支承条件按图端板厚度根据端板支承条件按图3
13、.3.14确定，且不宜小于确定，且不宜小于16mm；?螺栓按同时承受剪力和拉力验算强度；螺栓按同时承受剪力和拉力验算强度；?节点域按式节点域按式(3.3.10)验算剪应力：验算剪应力：?梁、柱腹板的强度按式梁、柱腹板的强度按式(3.3.11)计算。计算。竖放端板竖放端板二、柱脚节点?形式：铰接和刚接形式：铰接和刚接底板螺栓(a)靴梁(b)靴梁隔板LBcca1tt隔板靴梁(c)靴梁肋板柱轴力水平焊缝底板柱轴力竖向焊缝靴梁和隔板底板水平焊缝铰接柱脚刚接柱脚755075501.5hchc(c)埋入式圆柱头焊钉纵向钢筋箍筋圆 柱 头焊钉180(b)外包式底板(a)露出式靴梁肋板锚栓承托底板锚栓抗剪键N
14、MVNMZeZeDDss/3LBca1ttcmaxmin?露出式刚接柱脚设计要点露出式刚接柱脚设计要点?设计内容包括设计内容包括底板、靴梁、隔板、肋板和锚栓底板、靴梁、隔板、肋板和锚栓。?柱脚柱脚底板底板平面尺寸取决于基础材料的抗压强度；底板厚度由以柱身、靴梁、隔板和肋板等为支座的各区格板的抗弯承载力确定；平面尺寸取决于基础材料的抗压强度；底板厚度由以柱身、靴梁、隔板和肋板等为支座的各区格板的抗弯承载力确定；靴梁肋板两相邻边固支板三边固支板?靴梁靴梁的高度根据传递柱翼缘压力所需要的靴梁与柱身之间的竖向焊缝长度确定，并按在底板反力作用下、支承于柱侧边的双外伸梁验算抗弯和抗剪强度；靴梁厚度取略小于
15、柱翼板厚度；靴梁与底板的连接焊缝按靴梁负荷范围内的底板反力计算；的高度根据传递柱翼缘压力所需要的靴梁与柱身之间的竖向焊缝长度确定，并按在底板反力作用下、支承于柱侧边的双外伸梁验算抗弯和抗剪强度；靴梁厚度取略小于柱翼板厚度；靴梁与底板的连接焊缝按靴梁负荷范围内的底板反力计算；?隔板隔板按支承于靴梁的简支梁验算抗弯、抗剪强度，荷载取隔板负荷范围内的底板反力；按支承于靴梁的简支梁验算抗弯、抗剪强度，荷载取隔板负荷范围内的底板反力；?肋板肋板按悬臂梁计算，计算内容及方法同隔板；按悬臂梁计算，计算内容及方法同隔板；靴梁立柱?当底板与基础接触面的最小应力出现负值时需由锚栓来承担拉力。当底板与基础接触面的最
16、小应力出现负值时需由锚栓来承担拉力。锚栓锚栓总拉力总拉力Z为：为：Z=(M-NeD)/(ez+eD)NMZeZeDDss/3maxminM、N弯矩、轴力设计值；弯矩、轴力设计值；ez锚栓位置到底板中心的距离；锚栓位置到底板中心的距离；eD压应力合力作用点到底板中心的距离，压应力合力作用点到底板中心的距离，eD=L/2-s/3，s=Lmax/(max+|min|)。3.4 柱间支撑设计3.4 柱间支撑设计lHuHlW1T+W2lHuHl2W1T+W一、计算简图?为简化，将柱与基础的连接以及上、下段柱的交接处也视为铰接；为简化，将柱与基础的连接以及上、下段柱的交接处也视为铰接；二、荷载包括由房屋两
17、端或一端的山墙传来的纵向风荷载、吊车纵向水平荷载和保证柱子平面外稳定的支撑力（对钢结构）。包括由房屋两端或一端的山墙传来的纵向风荷载、吊车纵向水平荷载和保证柱子平面外稳定的支撑力（对钢结构）。?交叉腹杆可以按压杆体系设计；也可以按拉杆体系设计。交叉腹杆可以按压杆体系设计；也可以按拉杆体系设计。3.4.1内力分析山墙风荷载?风荷载风荷载抗风柱基础屋架柱顶柱间支撑当设有抗风桁架时，抗风桁架是抗风柱的中间支点，一部分风荷载通过抗风桁架传给柱间支撑（当设有抗风桁架时，抗风桁架是抗风柱的中间支点，一部分风荷载通过抗风桁架传给柱间支撑（W2）。）。?吊车纵向水平荷载通过吊车梁传递到柱间支撑。吊车纵向水平荷
18、载通过吊车梁传递到柱间支撑。?支撑系统所受的支撑力设计值按下列公式计算：支撑系统所受的支撑力设计值按下列公式计算：)4.06.0(601nNFniibn+=3.4.2截面计算与连接构造一、计算内容支撑构件为轴心受力构件，截面计算内同包括强度、整体稳定和刚度。一般先根据长细比构造要求（刚度条件）初选截面，再进行强度和稳定验算。支撑构件为轴心受力构件，截面计算内同包括强度、整体稳定和刚度。一般先根据长细比构造要求（刚度条件）初选截面，再进行强度和稳定验算。二、计算长度确定交叉腹杆长细比时，确定交叉腹杆长细比时，平平面内面内计算长度取节点中心到交叉点间的距离。计算长度取节点中心到交叉点间的距离。平面
19、内屈曲NNTTNNl/2平面外平面外的计算长度考虑交叉杆的的计算长度考虑交叉杆的相互约束作用相互约束作用，即计算某个方向斜杆的计算长度时，另一个方向的斜杆提供侧向（平面外）的，即计算某个方向斜杆的计算长度时，另一个方向的斜杆提供侧向（平面外）的弹性支承刚度弹性支承刚度。crNkl4)/5.0tan(/5.0/5.0=(3.4.2)NNTT平面外屈曲Ncryxl/2EIl/2kk/2k/221211131tanh+=05010015020025030035000.20.40.60.81u1原式近似式如何计算侧向弹性支承刚度如何计算侧向弹性支承刚度k？l/21TTEIl/2受拉支承杆的弹性约束刚度
20、111tanh41=lTkEITl/5.01=近似取，(3.4.3)则+=212314lTk+=TlEIlT2234142)(lNcr=+=TNlTkcr23414Tll22/)2/tanh(=EIT/=其中3434)/5.0tan(/5.0/5.02=近似取crNkl4)/5.0tan(/5.0/5.0=(3.4.2)+=TNNTcrcr223413434+=TNlTkcr23414234+=crNT22431=crNT=crNT4315.000.20.40.60.811.21.41.600.20.40.60.81u原式近似式支撑杆计算长度可查附表C.3.4三、连接构造节点板锚板锚筋(b)支
21、撑与混凝土柱的连接支撑斜杆(a)支撑与钢柱的连接节点板支撑斜杆(a)两端均不中断(b)一端中断3.5 柱下独立基础设计3.5 柱下独立基础设计3.5.1 概述(a)台阶形基础(c)杯形基础(b)锥形基础素混凝土垫层一、独立基础种形式一、独立基础种形式设计内容：设计内容：?地基计算（确定底板尺寸）；地基计算（确定底板尺寸）；?抗冲切承载力计算（确定基础高度）；抗冲切承载力计算（确定基础高度）；?受弯承载力计算（确定底板配筋）；受弯承载力计算（确定底板配筋）；?构造（根据工程经验）。构造（根据工程经验）。(b)冲切破坏(c)弯曲破坏(a)地基破坏二、地基基础破坏类型二、地基基础破坏类型?基础是绝对
22、刚性的；基础是绝对刚性的；?基底某点反力与该点的地基沉降成正比。基底某点反力与该点的地基沉降成正比。?轴心受压基础轴心受压基础Fk荷载效应标准组合3.5.2 地基计算?假定假定时，上部结构传至基础顶面的竖向力值；Gk基础自重和基础上方的土重；A 基础底面面积；m-基础及上方土重力密度平均值Fa修正后的地基承载力特征值。akkkfAGFp+=取取AdGmk=dfFAmakpkFkGd?偏心受压基础偏心受压基础Mk-作用于基础底面的力矩标准组合值W-基础底面面积抵抗矩，W=lb2/6基础底面全截面受压时，根据假定，基底压力线性非均匀分布，如下图示，地基最大、最小反力见下式基础底面全截面受压时，根据
23、假定，基底压力线性非均匀分布，如下图示，地基最大、最小反力见下式maxkpkFkGh0kMkVkkGF+hVMMkkk+=0kVminkpbWMblGFppkkkkk+=minmax令令)/(kkkGFMe+=)61(minmaxbeblGFppkkkk+=当时，当时，6/be laGFpkkk3)(2max+=将地基容许承载力提高将地基容许承载力提高20的原因是因为的原因是因为Pk max只是在基础边缘的局部分布应力，而且只是在基础边缘的局部分布应力，而且Pk max中的大部分是由活荷载而不是由恒荷裁产生的。中的大部分是由活荷载而不是由恒荷裁产生的。确定偏心受压基础底面尺寸确定偏心受压基础底
24、面尺寸一般可采用试算法：先按轴心受压基础计算出所需的底面积，然后再增大一般可采用试算法：先按轴心受压基础计算出所需的底面积，然后再增大2040；按此面积初步选定长、短边尺寸；按此面积初步选定长、短边尺寸(通常通常bl2，一般取，一般取1.5左右左右)，然后验算是否满足地基承载力（上式）的要求。如果不满足，再假定尺寸重算，直至满足为止。，然后验算是否满足地基承载力（上式）的要求。如果不满足，再假定尺寸重算，直至满足为止。对于甲级、乙级和部分丙级建筑，还需进行变形验算。地基变形采用分层总和法计算，上部结构荷载采用对于甲级、乙级和部分丙级建筑，还需进行变形验算。地基变形采用分层总和法计算，上部结构荷
25、载采用准永久组合准永久组合。地基承载力应满足：地基承载力应满足：+=aakfpfpppkkk2.12maxminmax3.5.3 基础抗冲切承载力计算沿柱边冲切沿柱边冲切沿变阶处冲切沿变阶处冲切抗冲切承载力与冲切破坏面的面积有关；而冲切破坏面以外部分抗冲切承载力与冲切破坏面的面积有关；而冲切破坏面以外部分Al基底反力构成了冲切荷载。基底反力构成了冲切荷载。为防止冲切破坏，必须使冲切面外的地基反力所产生的冲切力小于、等于冲切面上混凝土的受冲切承载力。为防止冲切破坏，必须使冲切面外的地基反力所产生的冲切力小于、等于冲切面上混凝土的受冲切承载力。破坏锥体Al破坏锥体的水平投影面积破坏锥体的水平投影面
26、积45NMpnh0450450h0h0h0h0bbbtABCDEFNMpnh0450450h0h0h0h0bbbtABDEFC为了防止基础的冲切破坏，要求满足为了防止基础的冲切破坏，要求满足Fl0.7hftamh0Fl冲切荷载设计值，冲切荷载设计值，Fl=pjAl，其中，其中pj是由上部结构荷载效应的是由上部结构荷载效应的基本组合值基本组合值引起的引起的基底反基底反力，不包括基础及覆土的重力力，不包括基础及覆土的重力；Al考虑冲切荷载时取用的多边形面积，即图中阴影考虑冲切荷载时取用的多边形面积，即图中阴影ABCDEF面积面积h截面高度影响系数，当基础高度截面高度影响系数，当基础高度h800mm
27、时，取时，取h=1.0；当；当h2000mm时，取时，取h=0.9，其间按线性插入；，其间按线性插入；ft基础的混凝土抗拉强度设计值；基础的混凝土抗拉强度设计值；am冲切破坏锥体的平均边长，冲切破坏锥体的平均边长，am=(at+ab)/2；h0柱与基础交接处或基础变阶处的截面有效高度，取两个配筋方向截面有效高度的平均值。柱与基础交接处或基础变阶处的截面有效高度，取两个配筋方向截面有效高度的平均值。3.5.4 基础受弯承载力计算blclbcABCD+=+=)2()(24)2()(2422ccjIIccjIbbllpMllbbpM(3.5.6)pj由上部结构荷载效应的基本组合值引起的由上部结构荷载
28、效应的基本组合值引起的基底净反力基底净反力，计算，计算MI时取时取pj=（pj,max+pjI）/2；计算；计算MII时取时取pj=（pj,max+pj,min）/2。计算受力钢筋面积时，可近似取内力臂系数计算受力钢筋面积时，可近似取内力臂系数s=0.9。pj,maxh0pjIpj,minh3.5.5 构造要求?材料混凝土：C20；钢筋：材料混凝土：C20；钢筋：10020010、，sd?保护层厚度有100厚素混凝土垫层时，为40；没有垫层时为70。保护层厚度有100厚素混凝土垫层时，为40；没有垫层时为70。1a2a1h2ht5050752001a?插入深度插入深度1h应满足应满足表3-4的要求（与柱截面形式和截面尺寸有关）纵筋锚固要求吊装时的稳定要求（5%柱长）表3-4的要求（与柱截面形式和截面尺寸有关）纵筋锚固要求吊装时的稳定要求（5%柱长）?杯底厚度、杯壁厚度杯底厚度、杯壁厚度1a见表3-5。见表3-5。t?杯壁配筋柱轴心或小偏心受压且杯壁配筋柱轴心或小偏心受压且65.0/2ht时可不配筋；，大偏心受压且时可不配筋；，大偏心受压且75.0/2ht柱轴心或小偏心受压且柱轴心或小偏心受压且65.0/5.02ht时可按构造配筋；其它情况按计算配筋。时可按构造配筋；其它情况按计算配筋。1a2a1h2ht5050752001a
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