大学课件_单层厂房结构设计培训讲义第4.1版1.pptx

1、3.1 单层厂房结构种类与布置3.2 厂房主体结构分析3.3 厂房主构件设计3.4 柱间支撑设计3.5 柱下独立基础设计3.6 屋盖设计第三章 单层厂房结构按结构材料钢结构（Q 25t,l 36m）3.1 单层厂房结构种类与布置3.1.1 单层厂房结构种类砌体混合结构（Q 5t,l 15m）(竖向构件用砌体，水平构件用砼、木或轻钢)钢筋混凝土结构钢混凝土混合结构(竖向构件用混凝土，水平构件用钢)按结构形式排架结构（等高、不等高、锯齿形）刚架结构（两铰门架、三铰门架）(c)锯齿形排架(b)不等高排架细石砼(a)等高排架 按结构形式排架结构（等高、不等高、锯齿形）刚架结构（两铰刚架、三铰刚架）(b

2、)实腹梁式钢厂房刚架结构类型(a)屋架式沥青麻丝(a)三铰刚架(b)两铰刚架混凝土厂房刚架结构类型拼接节点钢管钢销子 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。3.1.2 混凝土排架结构组成及布置一、结构组成 围护结构系统包括：屋面板、天沟板、纵横墙、基础梁、连系梁和抗风柱。作用：构成房屋空间；承担直接作用其表面的荷载，并传递给承重结屋面板天沟板抗风柱基础梁连系梁窗过梁纵墙构系统。屋面结构类型：无檩屋盖体系和有檩屋盖体系。承重结构系统吊车梁屋架

3、排架柱独立基础包括：屋架（屋面梁）、吊车梁、排架柱和基础；构成厂房的基本承重骨架；由纵、横向的平面排架构成。作用：所有荷载均由承重结构系统最终传到地基。横向平面排架由屋架（屋面梁）、横向排架柱和基础组成；承受所有的竖向荷载和横向水平荷载；纵向平面排架由纵向列柱、吊车梁、连系梁和柱间支撑组成；承受纵向水平荷载。柱间支撑连系梁吊车梁排架柱纵向排架柱间支撑垂直支撑纵向水平系杆下弦横向水平支撑 支撑系统包括柱间支撑和屋盖支撑两大部分；柱间支撑作用：保证厂房结构的纵向刚度和稳定，并承担纵向水平荷载；屋盖支撑包括：横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑及水平系杆；屋盖支撑作用：联系各种主要结构构件、加强屋盖

4、整体性和平面外稳定、减小平面外弦杆的计算长度、传递水平荷载等作用。跨度Q=10tQ=20/5tQ=20/5t跨度1.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。网格的间距称为柱网尺寸。其中沿纵向的间距称为柱距；沿横向的间距称为跨度。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)二、结构布置 (A)(B)(C)柱距柱距变形缝越跨布置设备2.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 边柱与

5、纵向定位轴线的关系为了使吊车的型号规格化，吊车跨度与屋架跨度之间存在固定关系：Lk=L-2，L为厂房跨度；Lk为吊车跨度，即两边轮子之间的距离；为纵向定位轴线至轨道中心线的距离，一般为750mm，当吊车额定起重量大于50t时采用1000mm。为了保证吊车沿厂房纵向行驶过程中与柱不发生碰撞，上柱内缘与吊车架外缘之间的空隙B2（B2=-B1-B3）应大于等于80mm（当Q50t）或100mm（当Q75t）B3 B2 B1LkLDD柱距6米、无吊车或Q20t，边柱外缘与纵向定位轴线重合，称封闭结合。柱距6米、32tQ50t，由于吊车外轮廓尺寸和柱子截面尺寸均有所增大，为了满足空隙B2的要求，需要将边

6、柱外移一定距离D（称为联系尺寸），称非封闭结合。中柱与纵向定位轴线的关系等高跨上柱中心线与纵向定位轴线重合单柱高低跨双柱高跨Q 20t高跨 Q 32tA=D高跨Q 20tA=B+C高跨 Q 32tA=B+C+DA插入距；B墙厚；C伸缩缝宽；D联系尺寸600600ae600 柱与横向定位轴线的关系变形缝两边柱的中心线与定位轴线的距离为600mm端部柱的中心线自横向定位轴线向内移600mm其它位置柱的中心线与横向定位轴线重合3.变形缝设置当房屋长度或宽度超过附表A.1规定的限值时，一般应设置伸缩缝；横向伸缩缝一般采用双柱，纵向伸缩缝一般采用单柱，在低跨屋架与支承屋架的牛腿之间设滚动支座，使其能自由

7、伸缩。由于排架结构对地基不均匀沉降不敏感，单层厂房一般不设沉降缝，只有在下列情况下才考虑设置：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。抗震设防区，当厂房平、立面布置复杂，结构高度或刚度相差很大，以及在厂房侧边贴建生活间、变电所、炉子间等披屋时，应设置防震缝将相邻两部分分开。HCHBHA300的倍数600的倍数300的倍数4.厂房的剖面布置基底标高0.000柱顶标高轨顶标志标高牛腿顶标高基础底面标高控制基础埋深，根据持力层深度和基础高度确定。室内地面标高一般高于室外地面100150mm，用0.000表示。牛腿顶面标高和柱顶标高由轨道顶面的标志标高控制，

8、轨顶标志标高必须满足600mm的倍数；牛腿顶面标高=轨顶标高-吊车梁在支承处的高度-轨道及垫层高度，必须满足300mm的倍数柱顶标高=轨顶实际标高HA+吊车轨顶至桥架顶面的高度HB+桥架顶面与屋架下弦的空隙HC，空隙HC不应小于220mm。柱间支撑位置：伸缩缝区段中央或临近中央。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。5.支撑布置 屋盖横向水平支撑包括上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑，一般布置在伸缩缝区段两端的两榀相邻屋架弦杆之间。当采用大型屋面板且连接可靠时，上弦横向水平支撑可不设。屋盖下弦纵向水平支撑一般情况下可不设，仅当厂房有较大起重量的桥式吊车、壁行吊车或锻锤等振动设

9、备，以及高度或跨度较大，或者对空间刚度要求较大时才设置；纵向水平支撑设置在下弦的两端节间处，沿厂房全长布置。屋盖垂直支撑垂直支撑布置在设有横向水平支撑的同一开间，另外当厂房单元大于66m时，在设柱间支撑的开间增设一道。当屋架端部高度大于1.2m时，在屋架两端各布置一道；当厂房跨度在1830m时还应在屋架中间加设一道，当跨度大于30m时，在屋架1/3节点处加设二道。纵向水平系杆系杆布置在未设置横向水平支撑的开间，对应垂直支撑位置的上、下弦节点。大型屋面板或刚性檩条可替代上弦系杆。6.围护结构布置 抗风柱抗风柱间距根据承受的风荷载大小确定，一般采用6m和4.5m；600屋架上弦抗 风柱弹簧板306

10、00柱顶与屋架的连接必须满足两个要求：一是在水平方向能有效地传递风荷载；二是在竖向允许有一定的相对位移，以防厂房与抗风柱沉降不均匀时产生不利影响；圈梁圈梁置于墙体内；因圈梁不承受墙体重量，故排架柱上不需要设置支承圈梁的牛腿，仅需设拉结筋与圈梁连接。过梁设置在门窗洞口上方，承受墙体重量。过梁 基础梁墙体基础梁直接搁置在柱基础杯口上，与柱一般不连接；与柱的相对位置有两种情况：一种突出于柱外；另一种是两柱之间。连系梁连系梁上部无墙体荷载时，与柱的连接可采用预埋件。当用砌体作为厂房的围护墙时，一般要设置圈梁、过梁及基础梁。(b)工字形柱(c)平腹杆双肢柱(d)斜腹杆双肢柱矩形柱的外形简单，施工方便，但

11、混凝土用量较多；截面高度h超过800mm，宜采用工字形截面；截面高度h超过1400mm时使用双肢柱更为经济；斜腹杆双肢柱承受剪力的能力优于平腹杆，但(a)矩形柱构造相对复杂些。三、排架柱选型与截面尺寸估算3.1.3 轻型门式刚架结构组成及布置一、结构组成 围护结构系统檩条屋面板(压型钢板)抗风柱(墙架柱)墙架梁墙面板(压型钢板)C型冷弯薄壁型钢。包括：屋面板、檩条、墙面板、墙架梁、抗风柱（墙架柱）。屋面板一般采用压型钢板。实腹式檩条形式有槽钢、角钢和Z型、柱间支撑刚性系杆刚架梁吊车梁刚架柱 承重结构系统包括：横梁、立柱、吊车梁和基础横梁、立柱和基础构成横向平面刚架；立柱、吊车梁、连系梁和柱间支

12、撑组成纵向平面排架。支撑系统当厂房设有5t的桥式吊车时，柱间支撑采用型钢；否则可采用带张紧装置的十字交叉圆钢。横向水平支撑中圆钢(受拉)和檩条(受压)构成沿厂房跨度方向的柔性水平桁架拉条为檩条提供侧向支撑点在两端由刚性撑杆、斜拉条和檐檩组成稳定的檩条支撑体系柱间支撑横向水平支撑直拉条斜拉条撑杆檩条檩托横梁角隅撑 支撑系统檩条和横梁之间的角隅撑为横梁下翼缘提供侧向支撑点，起到类似屋架下弦横向水平支撑和下弦系杆的作用。二、结构布置三、刚架梁柱截面选型与尺寸估算3.2 厂房主体结构分析单层排架结构厂房是由纵、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

13、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。3.2.1 排架结构计算单元HuH一、分析模型1.计算单元从整体结构中选取有代表性的一部分作为计算的对象，该部分称为计算单元。2.结构简图EI uA B柱子下端固接于基础顶面，横梁与柱铰接；横梁为没有轴向变形的刚杆。EI lEI uEI lAB12345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3.荷载计算排架柱柱间支撑吊车竖载屋面载屋面板屋架墙体重力竖向荷载吊车梁牛腿吊车横向水平载

14、纵墙风载吊车纵向水平载山墙风载横向水平荷载纵向水平荷载基础抗风柱连接钢板屋盖吊车梁吊车梁弹簧板基础梁地基单层排架厂房的荷载传递路线横向排架承担的荷载荷载传递路线恒载活载W屋盖自重 F1上柱自重 F2下柱自重 F3吊车梁及轨道自重 F4屋面活载 F5吊车荷载 Dmax,k、Tmax,k风荷载 q1、q2、形式、大小、作用位置、方向。荷载种类(A)Dmin,kF4F3F1F5F1Wk F5F2q1kF2q2kDmax,kTmax,kF4F3(B)永久荷载屋面板以及屋面建筑层自重；以集中荷载的形式作用在柱顶屋架点处，距离纵向定位轴线150mm。F2和F3为沿柱高的分布荷载；作用在各自的截面形心轴。F

15、4以集中荷载的形式作用在柱牛腿上，距离纵向定位轴线750mm(或1000mm)竖杆中心线与下弦杆中心线的交 F2F3F1包括屋架自重、屋盖支撑自重、F1150e1e0F4750e4F1F1+F2F1+F2+F4F1+F2+F3+F4(a)荷载作用位置F1+F2F1+F2+F4F1+F2+F3+F4(c)轴力图M1=F1e1M2=(F1+F2)e0-F4e4F1M1M2M1M2(b)偏心力矩屋面可变荷载包括屋面均布可变荷载、雪荷载和屋面积灰荷载三项，其中屋面均布可变荷载与雪荷载不同时考虑，取其中的大值；屋面可变分布荷载的计算方法见1.2.3节，将其乘以屋面的水平投影面积（计算单元宽度B厂房跨度的

16、一半）即可得到通过屋架作用在柱顶的集中荷载F5其作用位置同屋盖自重F1，需要将其等效成柱截面形心的轴心荷载和偏心力矩。s10.5h2h1风向SWkhWkL风荷载将面分布风荷载标准值wk乘以计算单元宽度B即得到柱顶以下的线分布风荷载标准值；因迎风面和背风面墙的S不同，两侧排架柱上的线分布荷载标准值不同，分别用q1k、q2k表示；屋盖部分受到的风荷载通过屋架传递到柱顶；分成两部分：柱顶到檐口部分和檐口到屋脊部分；计算单元范围内，某个屋面斜坡的风荷载为Wi,k=Bsiwi,k，其水平方向的分力为：Wih,k=Bsiwi,ksini=Bsiwi,kh2i/si=B h2i wi,k柱顶集中风荷载标准值

17、：Wk=Bh1wk+Bh2iwi,k吊车荷载（桥式吊车）竖向荷载 Dmax、Dmin横向水平荷载 Tmax纵向水平荷载 T0KDmax,k=Pj max,k iDmin,k=Pj min,k i y 吊车竖向荷载 Dmax,k、Dmin,k如果两台吊车相同，则iyiPmin,kPmax,k=Dmax,k yDmin,k=Pmin,kDmax,k=Pmax,k4i=1 4 i=1 yyi影响线坐标值，i=1、2、3、4；多台吊车的荷载折减系数，按表3-1取用。P1max,kP2max,kB1K1B2K2lly1y2y3y4P1max,k P2max,kDDmax可以发生在左柱，也可以发生在右柱，

18、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=Dmine4Tmax,k=(G2,k+G3,k)吊车横向水平荷载传力过程：小车惯性力大车吊车梁排架柱i y14TkPmax,k如果吊车相同，Tmax=Dmax作用位置：吊车梁顶面作用方向：垂直轨道侧（正、反向）每个轮子上的横向水平制动力：Tk=(G2,k+G3,k)/4同样，利用影响线可以确定柱受到的水平力连接钢板小车沿横向左右运行，对Tmax要考虑它向左和向右两种作用。M5M5TmaxM max

19、TmaxM minWq1q2M5=F5 e1M max=Dmax e4M min=Dmin e4排架可变荷载计算简图F5屋面活载；e1对上柱偏心距；e4吊车梁支座对下柱偏心距多台吊车的组合系数 2台3台4台轻、中级 =0.9重、特重级=0.95轻、中级 =0.85重、特重级 =0.9轻、中级 =0.8重、特重级=0.85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。1+3(1)1.柱的抗侧刚度设柱顶作用一单位力发生的位移为 u，1/u代表柱顶发生单位侧向位移时柱内的剪力，定义为柱的抗侧刚度，用D表示。11/uH 3C0EIlu=31

20、nC0=IuIlHuH与 n=、=有关。C0EIlH 3D=1/u=二、等高排架的内力计算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。uHul1H u EIH l EI由平衡条件：F=Vi由物理条件：Vi i i=D u ui 12.剪力分配法 柱顶作用集中荷载ni=11ui由几何条件：u1=L=ui=Lun可求得：=FVi=un n1 11uii 称为柱i的剪力分配系数。nF=iFVi=ui1 ui1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。Fu1uiunV1ViVnD1DiDn 任意荷

21、载作用M5M5M minTmaxM maxWq1M5M5M minTmaxM maxWq2q1q2R在柱顶加不动铰支座，阻止水平位移，利用图表求出各柱的内力和支座反力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。HK三、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 uK应满足：uK 10mm且uK uK ABH K1800 （轻、中级工作制）TmaxH K（重、特重级工作制）2200Tma

22、xuK当uK 5mm时可不验算相对位移。Hk-基础顶面至吊车梁顶面的距离四、排架计算模型的讨论1.排架的整体空间作用 基本概念结构均匀、荷载均匀FFFFFua结构均匀、荷载不均匀Fuc结构不均匀、荷载均匀FFFFFub在b、c两种情况下，其最大侧向位移量 ub、uc ua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

23、用下的空间作用分配系数 mk可见，在后两种情况中，计算单元(局部)内的水平荷载传递不再局限于该单元梁、柱组成的平面结构，厂房沿纵向(整体)存在明显的协同工作性能，这种协同工作性能称为整体空间作用。uuk k=mkmk =Fkuk平面排架Fk平面排架FxFk Fx平面排架ukukFk空间排架Fk FxFk称为空间作用分配系数ukuk当某榀排架柱顶作用水平力 Fk 时，如果考虑排架整体空间作用，该排架仅承担 mkFk ，其余部分由其它排架承担。TmaxTmax吊车荷载作用下的考虑空间作用的计算方法R=2C5TmaxR=mk2C5TmaxTmaxC5TmaxTmax(1mk)C5Tmax(1mk)C

24、5Tmax C5TmaxmkC5TmaxmkC5Tmax考虑空间作用后，上柱弯矩增大；下柱弯矩减小。2.屋架、地基变形对内力的影响 横梁变形uBuAuxuB平衡条件：VA+VB=F物理条件：VA=DA uA VB=DB uB几何条件：uB+ux=uAxEAux=LX=VBABLuAuBDBBEAX VFVADAABDmaxDminF 地基不均匀沉降地基不均匀沉降对排架内力有无影响？地基转动ABFABF3.柱长不同的等高排架计算ABCuuuEIEIEIABC计算单元ABC1232EIuAABC2EIlA2EIuC2EIlCEIuBEIlB将计算单元内的排架合并4.抽柱后的计算模型单层厂房中，有时

25、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。永久荷载、风荷载的计算方法同一般排架。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D2max1 1P max P maxP 2max P 2maxD1D3D1+D32Dmax=D2max+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。fHHuHlH.2.2 刚架结构（自学）一、计算模型单层刚架厂房的计算单元同排架结构；图a刚架横梁计算跨度取上段柱截面形心线之间的距离，刚架柱总高取基础顶

26、面（柱脚底面）到屋架底面的距离；对于图b，横梁计算跨度取立柱截面形心线之间的距离，柱高取基础顶面到横梁截面形心线的距离。L0钢屋架格构柱IlIuIt0(a)L0sIcIb等截面实腹梁等截面实腹柱(b)Hf(1-对于图c，横梁轴线取从横梁顶端截面形心引出的平行于上皮的直线，立柱轴线取从柱底截面形心引出的竖直线。两轴线交点之间的距离即为横梁计算跨度，交点至柱脚底面的距离即为柱高。Ib1Ic1Ic0ssL0)sIb0 Ib2变截面实腹梁变截面实腹柱(c)门式刚架结构的荷载种类与排架结构相同，但荷载作用方式有所区别。通过大型屋面板或檩条传给横梁的屋面荷载简化为均布线荷载。另外对于轻钢结构，墙面自重是通

27、过墙架梁传给立柱的，而不象混凝土排架结构那样通过基础梁直接传给基础。二、内力计算等截面刚架的内力计算可采用结构力学方法。ABDECABC整体结构正对称计算简图ABC反对称计算简图HHH Lt=三、水平位移计算LEIcEIcEIb1uH/2H/21M图212EIb3u=+6EIc令t为柱线刚度与梁线刚度的比值：IcLIbHEIc/HEIb/Lu=H3(1+t/2)/(6EIc)(3.2.17)如果横梁刚度无限大，则柱抗侧刚度系数为多少？任意水平荷载作用时，可等效为柱顶水平集中荷载。对于均布风荷载，柱脚铰接：F=0.67W；柱脚刚接：F=0.45WW为总的均布风荷载值。对于吊车横向水平荷载，柱脚铰接：F=1.15Tmax；柱脚刚接：F=Tmax为吊车横向水平荷载作用高度与柱高度的比值。H内力系数四、刚架分析模型讨论、横梁坡角对内力的影响l CgBADE1.210.80.60.40.2002468101214161820横梁坡角梁端弯矩跨中弯矩跨中轴力梁端轴力梁端剪力H/l=0.256000、地基不均匀沉降对内力的影响1800018000(a)中柱下沉4.0514.95(b)单位力作用下弯矩分布4.05去掉中柱，在横梁中柱处作用单位力f=315.9/EI当中柱沉降量为时，相当于在中柱处作用集中力EI/315.9。