第九章建筑机构.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章单层厂房排架结构,第一节单层厂房的组成和布置,第二节排架结构荷载及内力计算,第三节单层厂房柱的设计,第一节单层厂房的组成和布置,在工业建筑中，如冶金、机械、纺织、化工等工业厂房，要求有较大的跨度、较高的空间和较大的起重机起重量，且其机器设备和产品较重，适宜采用单层厂房的形式。,钢筋混凝土单层厂房的承重结构主要由屋架,(,或屋面梁,),、柱和基础组成，按主要承重结构形式分为排架结构和刚架结构两种。排架结构是柱与屋架,(,或屋面梁,),为铰接，而与基础为刚接所组成的结构,(,图,9-1,),具有传力明确构造简单、施工方便等特点，适合于预制装配，是日前常用的单层厂房的结构形式。刚架结构的特点是柱与屋架,(,或屋面梁,),刚接成一个构件，而与基础通常为铰接。刚架结构有三铰门式刚架,(,顶节点为铰接,),和两铰门式刚架,(,顶节点为刚接,),两种形式，如,图,9-2,所示。本章主要介绍钢筋混凝土排架结构单层工业厂房。,一、单层厂房的结构组成与传力途径,1.,结构组成,单层厂房排架结构通常由下列结构构件组成并相互连接成整体，如,图,9-3,所示。,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,(1),屋盖结构。混凝土屋盖结构由屋面板,(,包括天沟板,),、屋架或屋面梁,(,包括屋盖支撑,),组成，有时还设有天窗架和托架等。混凝土屋盖结构分无擦和有擦两种屋盖体系，将大型屋面板直接支承在屋架或屋面梁上的称为无擦屋盖体系,;,将小型屋面板或瓦材支承在擦条上，再将擦条支承在屋架上的称为有擦屋盖体系。在屋盖结构中，屋面板起围护作用并承受作用在板上的荷载，再将这些荷载传至屋架或屋面梁,;,屋架或屋面梁是屋面承重构件，承受屋盖结构自重和屋面板传来的活荷载，并将这些荷载传至排架柱。天窗架支承在屋架或屋面梁上，也是一种屋面承重构件。,(2),横向平面排架。横向平面排架由横梁,(,屋架或屋面梁,),、横向柱列和基础组成，是厂房的基本承重结构。厂房结构承受的竖向荷载、横向水平荷载以及横向水平地震作用都是由横向平面排架承担并传至地基的。,上一页,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,(3),纵向平面排架。纵向平面排架由纵向柱列、连系梁、起重机梁、柱间支撑和基础等组成，其作用是保证厂房的纵向稳定性和刚性，并承受作用在山墙、天窗端壁以及通过屋盖结构传来的纵向风荷载、起重机纵向水平荷载等，再将其传至地基，如,图,9-4,所示。另外它还承受纵向水平地震作用、温度应力等。,(4),起重机梁。起重机梁一般为装配式的，简支在柱的牛腿上，主要承受起重机竖向荷载、横向或纵向水平荷载，并将它们分别传至横向或纵向平面排架。起重机梁是直接承受起重机动力荷载的构件。,(5),支撑。单层厂房的支撑包括屋盖支撑和柱间支撑两种，其作用是加强厂房结构的空间刚度，保证结构构件在安装和使用阶段的稳定和安全，同时起着把风荷载、起重机水平荷载或水平地震作用等传递到相应承重构件的作用。,(6),基础。基础承受柱和基础梁传来的荷载并将它们传至地基。,上一页,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,(7),围护结构。围护结构包括纵墙、横墙,(,山墙,),及由连系梁、抗风柱,(,有时还有抗风梁或抗风析架,),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等。,2.,传力途径,单层厂房结构所承受的荷载分为竖向荷载和水平荷载两大类。竖向荷载包括屋面上的恒荷载、活荷载、各承重结构构件及围护结构等非承重构件自重、起重机自重及起重机竖向活荷载等。水平荷载包括横向及纵向风荷载、起重机的横向水平荷载和纵向水平荷载以及水平地震作用等。,单层厂房结构的传力路线如,图,9-5,所示。,由,图,9-5,可看出，单层厂房结构所承受的各种荷载，大部分都传递给排架柱，再由排架柱传至基础及地基。所以，排架柱是受力最复杂、最重要的受力构件。在有起重机的厂房中，起重机梁也是非常重要的承重构件，设计时应予以重视。,上一页,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,二、单层厂房的结构布置,1.,柱网布置,单层厂房承重柱的纵向和横向定位轴线在平面上形成的网格称为柱网。柱网布置就是确定柱子纵向定位轴线之间的尺寸,(,跨度,),和横向定位轴线之间的尺寸,(,柱距,),。柱网布置既是确定柱位置的依据，也是确定屋面板、屋架和起重机梁等构件尺寸,(,跨度,),的依据，柱网布置的恰当与否将直接影响厂房结构的经济合理性和先进性。,柱网布置的一般原则是,:,符合生产工艺和正常使用的要求,;,建筑和结构方案经济合理,;,在施工方法上具有先进性和合理性,;,符合厂房建筑统一化、标准化的基本原则,;,适应生产发展和技术进步的要求。,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。厂房柱距一般采用,6 m,或,6 m,的倍数。当工艺布置和技术经济有明显的优越性时，也可扩大柱距，采用,21m,27m,和,33m,跨度和,9m,柱距或其他柱距。,上一页,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,2.,定位轴线,纵向定位轴线一般用编号,A,、,B,、,C,表示。对于无起重机或起重机起重量不大于,30t,的厂房，边柱外边缘、纵墙内边缘、纵向定位轴线三者相重合，形成封闭结合，如,图,9-6,(a),所示。纵向定位轴线之间的距离，即跨度五与起重机轨距,L,k,之间一般有如下关系,:,(9-1),(9-2),式中，,L,k,为起重机跨度，即起重机轨道中心线间的距离，可由起重机规格查得,;e,为起重机轨道中心线至纵向定位轴线间的距离，一般取,750 mm;B,1,为起重机轨道中心线至起重机桥架外边缘的距离，可由起重机规格查得,;B,2,为起重机桥架外边缘至上柱内边缘的净空宽度，当起重机起重量不大于,50 t,时，取,B,2,=80 mm,，当起重机起重量大于,50 t,时，取,B,2,=100 mm;,从为边柱的上柱截面高度或中柱边缘至其纵向定位轴线的距离。,上一页,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,对边柱，当按计算,e=750mm,时，取,e=750 mm,，如图,9-6(a),所示,;,对中柱，当为多跨等高厂房时，按计算,e=18m,时，宜设于厂房端部及伸缩缝处第一柱间，如,图,9-9,所示。,上一页,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,屋盖下弦纵向水平支撑是由交叉角钢等钢杆件和屋架下弦第一节间组成的水平析架。其作用是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，增强各排架间的空间作用。当屋盖设有托架时，还可以保证托架上翼缘的侧向稳定，并将托架区域内的横向水平荷载有效地传到相邻柱上。,当设置下弦纵向水平支撑时，为保证厂房空间刚度，必须同时设置相应的下弦横向水平支撑，形成封闭的水平支撑系统，如,图,9-9,所示。,垂直支撑及水平系杆。垂直支撑是指在相邻两揣屋架之间由角钢与屋架的直腹杆组成的垂直析架，如,图,9-10,所示。垂直支撑和水平系杆的作用是保证屋架在安装和使用阶段的侧向稳定，防止在起重机工作时屋架下弦的侧向颤动，上弦水平系杆则可保证屋架上弦或屋面梁受压翼缘的侧向稳定。当厂房跨度,L30 m,时，在屋架,1/3,跨度左右布置两道对称垂直支撑,;,当屋架端部高度大于,1.2m,时，还应在屋架两端各布置一道垂直支撑。当屋盖设置垂直支撑时，应在未设置垂直支撑的屋架间，在相应于垂直支撑平面内的屋架上弦和下弦节点处设置通长的水平系杆。,屋盖垂直支撑应与下弦横向水平支撑布置在同一柱距内。,天窗架支撑。天窗架支撑包括设置在天窗两端第一柱间的上弦横向水平支撑和沿天窗架两侧边设置的垂直支撑。其作用是保证天窗架上弦的侧向稳定，将天窗端壁上的风荷载传递给屋架。,天窗架支撑应设置在天窗架两端的第一柱距内，尽可能与屋架上弦横向水平支撑布置在同一柱间。,(2),柱间支撑。柱间支撑一般包括上部柱间支撑、中部柱间支撑及下部柱间支撑，如,图,9-11,所示。柱间支撑通常采用十字交叉形支撑，它具有构造简单、传力直接和刚度较大等特点。交叉杆件的倾角一般在,35,o,50,o,之间。,上一页,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,在特殊情况下，因生产工艺的要求及结构空间的限,制，可以采用其他形式的支撑。当,l/h,=2,时可采用人字形支撑,;,l/h,=2.5,时可采用八字形支撑,;,当柱距为,l5m,且,h,2,较小时，采用斜柱式支撑比较合理。,柱间支撑的作用是保证厂房结构的纵向刚度和稳定，并将水平荷载,(,包括天窗端壁部和厂房山墙上的风荷载、起重机纵向水平制动力以及作用于厂房纵向的其他荷载,),传至基础。,凡属下列情况之一者，应设置柱间支撑,:,厂房内设有悬臂起重机或,3t,及以上悬挂起重机。,厂房内设有重级工作制起重机，或设有中级、轻级工作制起重机，起重量在,10 t,及以上。,厂房跨度在,18m,以上或柱高在,8m,以上。,纵向柱列的总数在,7,根以下。,露天起重机栈桥的柱列。,上一页,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,柱间支撑应布置在伸缩缝区段的中央或临近中央,(,上部柱间支撑在厂房两端第一个柱距内也应同时设置,),，如,图,9-12,所示，这样有利于在温度变化或混凝土收缩时，厂房可较自由变形而不致产生较大的温度或收缩应力。还应在柱顶设置通长刚性连系杆来传递荷载，当屋架端部设有下弦连系杆时，也可不设柱顶连系杆。,柱间支撑一般采用钢结构，当厂房设有中级或轻级工作制起重机时，柱间支撑亦可采用钢筋混凝土结构。,5.,围护结构的布置,(1),抗风柱。单层厂房的山墙受风面积较大，一般需在山墙内侧设置抗风柱将山墙分成儿个区格，使山墙面受到的风荷载的一部分,(,靠近纵向柱列的区格,),直接传至纵向柱列，另一部分则经抗风柱下端直接传至基础和经上端通过屋盖系统传至纵向柱列。,抗风柱一般与基础刚接，与屋架上弦铰接,(,也可只与下弦铰接或同时与上、下弦铰接,),。,上一页,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,抗风柱上端与屋架的连接必须满足两个要求,:,一是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,;,二是在竖向应允许两者之间有一定的竖向相对位移，以防止厂房与抗风柱沉降不均匀时产生不利影响。所以，抗风柱和屋架一般采用竖向可以移动、水平向又有较大刚度的弹簧板连接,;,若厂房沉降较大时，则宜采用螺栓连接。,(2),圈梁、连系梁、过梁、基础梁。用砌体作为厂房的围护结构时，一般要设置圈梁或连系梁、过梁及基础梁。,圈梁。圈梁的作用是增强房屋的整体刚度，防止由于地基的不均匀沉降或较大振动荷载等对厂房的不利影响。圈梁置于墙体内，和柱连接，柱对它仅起拉结作用。通常，柱上不需设置支承圈梁的牛腿。,圈梁的布置与墙体高度、对厂房刚度的要求以及地基情况有关。一般单层厂房圈梁布置的原则是,:,对无桥式起重机的厂房，当墙厚,=240 mm,时，其宽度不宜小于,2h/3,。圈梁高度应为砌体每层厚度的倍数，且不小于,120 mm,。圈梁的纵向钢筋不宜小于,钢筋的搭接长度为,1.2l,a,(l,a,为锚固长度,),，箍筋间距不大于,250 mm,。当圈梁兼作过梁时，过梁部分配筋应按计算确定。,圈梁可采用现浇或预制装配现浇接头方式。混凝土强度等级，现浇的不宜低于,C15,预制的不宜低于,C20,。,上一页,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,连系梁。连系梁的作用是连系纵向柱列，以增强厂房的纵向刚度并传递风荷载到纵向柱列,;,此外，还承受其上部墙体的自重。,连系梁通常为预制的简支梁，两端搁置在柱外侧牛腿上，可采用螺栓连接或焊接连接。,过梁。过梁的作用是承受门窗洞口上的墙体自重。在进行厂房结构布置时，应尽可能将圈梁、连系梁和过梁结合起来，以节约材料，简化施工。,基础梁。在一般厂房中，基础梁的作用是承受围护墙体的自重，并将其传给柱下单独基础，而不另设墙基础。,上一页,下一页,返回,第一节单层厂房的组成和布置,基础梁底部离地基土表面应预留,100 mm,的空隙，使梁可随柱基础一起沉降而不受地基土的约束，同时还可防止地基土冻胀时将梁顶裂。基础梁与柱一般不连接,(,一级抗震等级的,基础梁顶面应增设预埋件与柱焊接,),，将基础梁直接搁置在柱基础杯口上，当基础埋置较深时，则放置在基础上面的混凝土垫块上，如,图,9-14,所示。当厂房高度不大且地基较好、柱基础又埋得较浅时，也可不设基础梁而做砖石或混凝土的墙基础。,上一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,一、排架结构的计算单元和计算简图,单层厂房排架结构实际上是一个空间结构体系，为简化计算，一般分为横向和竖向平面排架。由于横向平面排架承担着厂房的大部分主要荷载，因此，单层厂房的结构设计中，排架的计算分析主要以横向平面排架为主。纵向柱列只有在考虑地震时才进行计算。,1.,计算单元,由于横向排架沿厂房纵向一般为等间距均匀排列，作用于厂房上的各种荷载,(,起重机荷载除外,),沿厂房纵向基本为均匀分布，计算时可以通过任意相邻纵向柱距的中心线截取出有代表性的一段作为整个结构的横向平面排架的计算单元，如,图,9-15,(a),中的阴影部分所示。除起重机等移动荷载以外，阴影部分就是排架的负荷范围，或称从属面积。,2.,计算简图,在确定排架结构的计算简图时，为简化计算作厂以下假定,:,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,(1),柱上端与屋架,(,或屋面梁,),为铰接。屋架或屋面梁在柱顶一般采用预埋钢板焊接或预埋螺栓与柱连接，在构造上只能传递竖向力和水平力，而不能传递弯矩，故计算时按铰接结点考虑。,(2),柱下端固接于基础顶面。由于预制排架柱插人基础杯口有足够的深度，并用高强度等级的细石混凝土浇筑密实，因此，排架柱与基础连接处可按固定端考虑。,(3),排架横梁为无轴向变形刚性杆，横梁两侧柱顶的水平位移相等。一般单层厂房结构中常用的钢筋混凝土屋架或预应力混凝土屋架，下弦刚度较大，均符合这一假定。,(4),排架柱的高度由固定端算至柱顶铰接结点处，排架柱的轴线为柱的儿何中心线。当柱为变截面柱时，取上柱和下柱截面重心的连线，排架柱的轴线为一折线。,根据以上假定，横向排架的计算简图如,图,9-15,(b),所示。在计算简图中，横线代表屋架,(,横梁,),下缘，连接于柱顶。柱总高,H,取基础顶面至柱顶的距离，上柱高,H,1,为牛腿顶面至柱顶的距离，下柱高,H,2,为基础顶面至牛腿顶面的距离。,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,上、下柱的截面惯性矩分别为,I,1,和,I,2,，截面抗弯刚度分别取,E,c,l,1,和,E,c,I,2,，其中，,E,c,为混凝土弹性模量。排架的跨度,L,应,为下柱重心线间的距离，一般取排架柱的轴线间距。,柱总高,H=,柱顶标高,+,基础底面标高的绝对值,-,初步拟定的基础高度,;,上部柱高,H,u,=,柱顶标高,-,轨顶标高,+,轨道构造高度,+,起重机梁支承处的起重机梁高。,上、下部柱的截面弯曲刚度,E,c,l,1,、,E,c,I,2,，由混凝土强度等级以及预先假定的柱截面形状和尺寸确定。这里，,I,1,、,I,2,分别为上、下部柱的截面惯性矩。,二、排架的荷载计算,作用在排架上的荷载分恒荷载和活荷载两类。恒荷载一般包括屋盖自重,F,1,、上柱自重,F,2,、下柱自重,F,3,、起重机梁和轨道零件自重,F,4,，以及有时支承在牛腿上的围护结构等重力,F,5,等。活荷载一般包括屋面活荷载,F,6,，,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,起重机荷载,T,max,和,D,max,或,D,min,，均布风荷载,q,1,、,q,2,以及作用在屋盖支承处的集中风荷载,W,等。,图,9-16,所示为上述作用在排架上的荷载。,1.,恒荷载,各种恒荷载的数值可按材料重力密度和结构的有关尺寸由计算得到，标准构件可从标准图上直接查得。在排架计算中，取恒荷载的荷载分项系数,。,2.,屋面均布活荷载,房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载，应按,建筑结构荷载规范,(GB 50009-2001),中表,4.3.1,采用。对不上人屋面，其屋面均布活荷载标准值为,0.5 kN/m,2,。,3.,雪荷载,作用在建筑物或构筑物顶面上计算用的雪压，称为雪荷载。屋面水平投影面上的雪荷载标准值按下式计算,:,(9-3),上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,s,k,-,雪荷载标准值,(kN/m,2,);,-,屋面积雪分布系数，应根据不同类型的屋顶形式，按,建筑结构荷载规范,(GB 50009-2001),中表,6.2.1,采用,;,排架计算时，可近似按积雪全跨均匀分布考虑，取,;,s,0,-,基本雪压,(kN/m,2,),，它是以当地一般空旷平坦地面上统计所得,50,年一遇最大积雪的自重确定的。各地的基本雪压应按,建筑结构荷载规范,(GB 50009-2001),附录,D,中附表,D.4,给出的,50,年一遇的雪压采用。,山区的雪荷载应通过实测调查后确定。如无实测资料时，可按当地邻近空旷平坦地面的基本雪荷载乘以系数,1.2,采用。,4.,起重机荷载,单层厂房中常用的起重机有悬挂式起重机、手动起重机、桥式起重机等，一般采用桥式起重机。起重机共有,A,1A,8,共,8,个工作级别。,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,桥式起重机在排架上产生的荷载有竖向荷载,.,x(,或,D,a,横向水平荷载几,1l,、及起重机纵向水平荷载，,I,。,0,(1),起重机竖向荷载,D,max,(,或,D,min,),。,起重机最大轮压,P,max,与最小轮压,P,min,。起重机竖向荷载是指起重机在运行时，通过作用于起重机梁上的轮压传给排架柱的荷载。当小车吊有额定最大起重量行驶至大车某一侧端头极限位置时，小车所在一侧的每个大车轮压即为起重机的最大轮压,P,max,，同时另外一侧的每个大车轮压即为最小轮压,P,min,，如,图,9-17,所示。,P,max,和,P,min,可根据所选用的起重机型号规格由产品目录或手册查得。,起重机竖向荷载,D,max,(,或,D,min,),。起重机最大轮压,P,max,与最小轮压,P,min,同时产生，分别作用在两侧的起重机梁上，经由起重机梁两端传给柱子的牛腿。起重机是一组移动荷载，起重机在纵向的运行位置，直接影响其轮压对柱子所产生的竖向荷载，因此必须用起重机梁的支座反力影响线求得由,P,max,对排架柱所产生的最大竖向荷载值,D,max,。,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,由起重机轮压作用于排架柱上的起重机竖向荷载,D,max,和,D,min,，除与小车行驶的位置有关外，还与厂房内的起重机台数以及大车沿厂房纵向运行的位置有关。,当计算同一跨内可能有多台起重机作用在排架上所产生的竖向荷载时，,建筑结构荷载规范,(GB 50009-2001),规定，对单跨厂房一般按不多于两台起重机考虑，对于多跨厂房一般按不多于四台起重机考虑。,当两台起重机满载靠紧并行，其中较大一台起重机的内轮正好运行至计算排架柱的位置时，作用于最大轮压,P,max,一侧排架柱上的起重机荷载为最大值,D,max,，如,图,9-18,所示,;,与此同时，在另一侧的排架柱上，则由最小轮压,P,min,产生竖向荷载为最小,D,min,。,D,max,或,D,min,可根据图,9-18,所示的起重机最不利位置和起重机梁支座反力影响线求得,:,(9-4),(9-5),上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,-,起重机最不利位置时，各轮子下影响线竖向坐标值之和，可根据起重机的宽度,B,和轮距,K,确定。,起重机竖向荷载,D,max,与,D,min,沿起重机梁的中心线作用于牛腿顶面。,由于,D,max,既可发生在左柱，也可发生在右柱，因此在计算排架时两种情况均应考虑。,(2),起重机横向水平荷载,T,max,。起重机的横向水平荷载,T,max,是当小车沿厂房横向运动时，由于启动或突然制动产生的惯性力，通过小车制动轮与桥架上导轨之间的摩擦力传给大车，再通过大车轮均匀传给大车轨道和起重机梁，然后由起重机梁与上柱的连接钢板传给两侧排架柱。起重机横向水平荷载作用位置在起重机梁顶面，且同时作用于起重机两侧的排架柱上，方向相同。,当四轮起重机满载运行时，每个大车轮引起的横向水平荷载标准值为,:,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,(9-6),-,横向制动力系数，取值规定如下,:,软钩起重机：,硬钩起重机：,起重机的横向水平制动力也是移动荷载，其最不利作用位置与,图,9-18,起重机的竖向轮压相同，所以，起重机对排架柱产生的最大横向水平荷载标准值,T,max,，也需根据起重机的最不利位置和起重机梁支座反力影响线确定，即,:,(9-7),由于小车是沿桥架向左、右运行，有左、右两种制动情况，因此计算排架时，起重机的横向水平荷载应考虑向左和向右两种情况，如,图,9-19,所示。,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,(3),起重机纵向水平荷载,T,e,。起重机纵向水平荷载是由起重机的大车突然启动或制动引起的纵向水平惯性力，它由大车的制动轮与轨道的摩擦，经起重机梁传到纵向柱列或柱间支撑。,当厂房有柱间支撑时，全部起重机纵向水平荷载由柱间支撑承受,;,当厂房无柱间支撑时，全部起重机纵向水平荷载由同一伸缩区段内的所有各柱共同承受。在横向排架结构计算分析中，一般不考虑起重机纵向水平荷载。,5.,屋面积灰荷载,设计生产中有大量排灰的厂房及其邻近建筑物时，应考虑积灰荷载。对于具有一定除尘设施和保证清灰制度的机械、冶金、水泥厂的厂房屋面，其水平投影面上的屋面积灰荷载应分别按,建筑结构荷载规范,(GB 50009-2001),中表,4.4.1-1,和表,4.4.1-2,采用。对于屋面上易形成灰堆处，在设计屋面板、擦条时，积灰荷载标准值可乘以下列增大系数,:,在高低跨处两倍于屋面高差但不大于,6m,的分布宽度内取,2.0,，在天沟处不大于,3m,的分布宽度内取,1.4,。,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,排架计算时，屋面均布活荷载不与雪荷载同时组合，仅取两者中的较大值。屋面积灰荷载应与雪荷载和屋面均布活荷载两者中的较大值同时组合。,屋面均布活荷载雪荷载、屋面积灰荷载都属于可变荷载，都按屋面水平投影面积计，其荷载分项系数都取,6.,风荷载,作用在建筑物或构筑物表面上计算用的风压称为风荷载。,(1),垂直于建筑物表面上的风荷载。当计算主要承重结构时，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按下式计算,:,(9-8),w,k,-,风荷载标准值,(kN/m,2,);,-,高度二处的风振系数，对单层厂房，,-,风荷载体型系数,;,-,风压高度变化系数,;,w,0,-,基本风压,(kN/m,2,),。,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,基本风压是以当地比较空旷平坦地面上离地,10m,高度处，统计所得的,50,年一遇,10,分钟平均最大风速,v,0,(m/s),为标准，,按 确定的风压，此处,为空气的密度,(t/m,3,),，可按,建筑结构荷载规范,(GB 50009-2001),附录,D.2,确定。,基本风压应按,建筑结构荷载规范,(GB 50009-2001),中全国基本风压分布图和附表,D.4,给出的数据采用，但不得小于,0.30 kN/m,2,。,风载体型系数是指风作用在建筑物表面所引起的实际压力,(,或吸力,),与基本风压的比值。它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体形和尺寸有关，按,建筑结构荷载规范,(GB 50009-2001),表,7.3.1,的规定采用。,图,9-20,(a)b),中分别给出了封闭式双坡屋面和封闭式双跨双坡屋面的风载体型系数。,(2),屋面传来的集中风荷载。作用于柱顶以上的风荷载，通过屋架以集中力,F,w,形式施加于排架柱顶，其值为屋架高度范围内的外墙迎风面、背风面的风荷载及坡屋面上风荷载的水平分力的总和，,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,如,图,9-21,所示，计算时也取为均布荷载。此时的风压高度变化系数,按下述情况确定,:,有矩形天窗时，取天窗檐口标高,;,无矩形天窗时，按厂房檐口标高取值。进行排架计算时，将柱顶以上的风荷载以集中力,F,w,的形式作用于排架柱顶，其计算简图如,图,9-21,所示。,由于风载是可以变向的，因此在排架计算时，要考虑左风和右风两种情况。,三、排架的内力计算,在进行排架内力分析之前，首先要确定排架上有哪儿种可能单独考虑的荷载情况。以单跨排架为例，若不考虑地震作用，可能有以下,8,种单独作用的荷载情况,:,(1),恒荷载,(G,1,、,G,2,、,G,3,、,G,4,等,),。,(2),屋面活荷载,(Q,1,),。,(3),起重机竖向荷载,D,max,作用于左柱,(,D,min,作用于右柱,),。,(4),起重机竖向荷载,D,max,作用于右柱,(,D,min,作用于左柱,),。,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,(5),起重机水平荷载,T,max,作用于左、右柱方向由左向右。,(6),起重机水平荷载,T,max,作用于左、右柱，方向由右向左。,(7),风荷载,(,F,w,、,q,1,、,q,2,),，方向由左向右。,(8),风荷载,(,F,w,、,q,1,、,q,2,),，方向由右向左。,需要单独考虑的荷载确定之后，即可对每种荷载情况利用结构力学的方法进行排架内力计算，再进行最不利内力组合。,1.,单跨排架在恒荷载及屋面活荷载作用下的内力计算,在恒荷载,G,1,、,G,2,、,G,3,、,G,4,及屋面活荷载,Q,1,作用下，一般属于结构对称、荷载也对称的情况，可按无侧移排架计算。由于在排架计算简图中假定横梁为无轴向变形的刚性连杆，所以排架柱可按,图,9-22,(a),所示的简图计算内力。,根据对排架上的荷载分析可知，,G,1,对上柱及下柱截面均有偏心，,Q,1,对上、下柱也有偏心且偏心距与,G,1,相同，,G,2,、,G,3,对下柱截面也有偏心，在计算中可将,G,1,、,G,2,、,G,4,及,Q,1,简化为作用在柱截面中心的轴力和作用在相应柱顶,(,上柱,),及牛腿顶面,(,下柱,),处的力矩,M,1,和,M,2,。,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,由于,G,1,、,G,2,、,G,3,、,G,4,及,Q,1,作用于柱截面形中心时只引起柱的轴向力，不引起弯矩和剪力，所以可按,图,9-23,计算柱截面的弯矩和剪力。2.,在风荷载及起重机荷载作用下的排架内力计算,在风荷载及起重机荷载作用下为荷载不对称的情况，可视柱顶为有侧移的排架进行内力计算，如,图,9-22,(b),所示。,(1),起重机竖向荷载,D,max,(,或,D,min,),作用下的内力计算。起重机竖向荷载,D,max,(,或,D,min,),作用于牛腿顶面并对下柱截面有偏心，可将其简化为作用于柱截面中心的轴向,D,max,(,或,D,min,),和附加力矩,M,D,max,(,或,M,D,min,),，按,图,9-24,所示简图分别计算，然后叠加而得。,当,M,D,max,作用在柱时，排架柱的内力计算如,图,9-25,所示，其排架柱内力可由图,9-25(b),和图,9-25(c),的内力叠加得到,(2),起重机水平荷载作用下的排架内力计算。在起重机水平荷载,T,max,作用下，其排架柱的内力可由,图,9-26,(b),和,图,9-26,(c),的内力叠加得到。,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,(3),风荷载作用下的排架内力计算。排架在风荷载,F,w,、,q,1,、,q,2,作用下的计算简图可由,图,9-27,(a),与,图,9-27,(b),叠加而得。其中图,9-27(a),可分解为,F,w,、,q,1,、,q,2,分别作用时的受力情况，如,图,9-28,所示。,当风荷载由右向左作用时，,A,、,B,柱的内力分别与从左向右作用时,B,、,A,柱的内力数值相等，符号相反。,四、排架结构的控制截面和内力组合,1.,控制截面,控制截面是指对柱内钢筋量计算起控制作用的截面，也就是内力最大截面。在一般的单阶排架柱中，上柱各截面是相同的，通常上柱底部截面,I-I,的内力最大，因此取,I-I,截面为上柱的控制截面,;,在下柱中，通常各截面也是相同的，而牛腿顶截面,II-II,在起重机竖向荷载作用下弯矩最大，柱底截面,III-III,在风荷载和起重机水平荷载作用下弯矩最大，且轴力也最大，故取,II-II,和,III-III,截面为下柱的控制截面，,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,如,图,9-29,所示。下柱的纵筋按,II-II,和,III-III,截面中钢筋用量大者配置。柱底,III-III,截面的内力也是基础设计的依据。,2.,内力组合,排架柱各控制截面的内力包括弯矩,M,、轴力,N,和剪力,V,，属偏心受压构件，剪力,V,对排架柱的配筋影响较小。,由偏心受压正截面的,M-N,相关曲线可知，构件可在不同弯矩,M,和轴力,N,的组合下达到其极限承载力。,M,和,N,内力对截面最不利的具体搭配，需要进行内力组合才能进行判断。对排架柱各控制截面，一般应考虑以下四种内力组合,:,(1)+M,max,及相应的,N,V;,(2)-,M,max,及相应的,N,V;,(3),N,max,及相应的M,V;,(4),N,min,及相应的,M,V,。,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,在这四种内力组合中，第,(1),(2),(4),组是以构件可能出现大偏心受压破坏进行组合的,;,第,(3),组则是从构件可能出现小偏心受压破坏进行组合的。全部内力组合可使柱避免出现任何一种破坏形式。各控制截面的钢筋就是按这四种内力组合所计算出的钢筋用量最大者配置的。,在进行内力组合时，还须注意以下问题,:,(1),恒荷载必须参与每一种组合。,(2),起重机竖向荷载,D,max,可分别作用于左柱和右柱，只能选择其中一种参与组合。,(3),起重机水平荷载,T,max,向右与向左只能选其中一种参与组合。,(4),风荷载向右、向左方向只能选其一参与组合。,上一页,下一页,返回,第二节排架结构荷载及内力计算,(5),组合凡,N,max,或,N,min,时，应使弯矩,M,最大，对于轴力为零而弯矩不为零的荷载,(,如风荷载,),也应考虑组合。,(6),在考虑起重机横向水平荷载,T,max,时，必然有,D,max,(,或,D,min,),参与组合，即“有,T,必有,D”;,但在考虑起重机荷载,D,max,(,或,D,min,),时，该跨不一定作用有该起重机的横向水平荷载，即“有,D,不一定有,T,。,上一页,返回,第三节单层厂房柱的设计,一、柱下独立基础,柱的基础是单层厂房中的重要受力构件，上部结构传来的荷载都是通过基础传至地基的。按受力形式，柱下独立基础有轴心受压和偏心受压两种，在单层厂房中，柱下独立基础一般是偏心受压的。按施工方法，柱下独立基础可分为预制柱下基础和现浇柱下基础两种。,单层厂房柱下独立基础的常用形式是扩展基础，有阶梯形和锥形两类，如,图,9-30,所示。预制柱下基础因与预制柱连接的部分做成杯口，故又称为杯形基础。,1.,确定基础底面尺寸,基础底面尺寸是根据地基承载力条件和地基变形条件确定的。由于柱下扩展基础的底面积不太大，故假定基础是绝对刚性且地基土反力为线性分布。,(1),轴心受压柱下基础。轴心受压时，假定基础底面的压力为均匀分布，如,图,9-31,所示，设计时应满足下式要求,:,下一页,返回,第三节单层厂房柱的设计,(9-9),N,k,-,相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值,;,G,k,-,基础及基础上方土的重力标准值,;,A-,基础底面面积,;,f,a,-,经过深度和宽度修正后的地基承载力特征值。,设,d,为基础埋置深度，并设基础及其上土的重力密度的平均值为,(,可近似取 代入上式可得,(9-10),设计时先按式,(9-8),算得,A,，再选定基础底面积的一个边长,b,即可求得另一边长,l=A/b,，当采用正方形时,上一页,下一页,返回,第三节单层厂房柱的设计,(2),偏心受压柱下基础。当偏心荷载作用下基础底面全截面受压时，假定基础底面的压力按线性非均匀分布，如,图,9-32,(a),所示，这时基础底面边缘的最大和最小压力可按下式计算,:,(9-11),M,bk,-,作用于基础底面的力矩标准组合值，,M,bk,=,M,k,+N,wk,e,w,N,bk,-,由柱和基础梁传至基础底面的轴向力标准组合值，,N,bk,=,N,b,+N,wk,。,N,wk,-,基础梁传来的竖向力标准值,;,e,w,-,基础梁中心线至基础底面形中心的距离,;,W-,基础底面面积的抵抗矩，,W=lb,2,/6,。,令,e=,M,bk,/(N,bk,+G,),，并将,W=lb,2,/6,代入上式可得,(9-12),上一页,下一页,返回,第三节单层厂房柱的设计,由式,(9-12),可知，当,e0,，这时地基反力图形为梯形，如,图,9-32,a),所示,;,当,e=b/6,时，,p,k,min,=0,，地基反力为三角形，如,图,9-32,(b),所示,;,当。,eb/6,时，,p,k,min,=l,时，见,图,9-34,，取,a,b,=l;,a,m,-,冲切破坏锥体最不利一侧计算长度,;,h,0,-,基础冲切破坏锥体的有效高度,;,-,受冲切承载力截面高度影响系数，当基础高度,h,不大于,800 mm,时，取,1.0,，当,h=2 000 mm,时，取,0.9,，其间按线性内插法取用,;,f,t,-,混凝土轴心抗拉强度设计值,;,上一页下一页,返回,第三节单层厂房柱的设计,F,l,-,相应于荷载效应基本组合时作用在,A,上的地基土净反力设计值,;,A,l,-,冲切验算时取用的部分基底面积，即图,9-33,中的阴影面积,ABCDEF,，或图,9-34,中的阴影面积,ABCD;,p,j,-,扣除基础自重及其上土重后，相应于荷载效应基本组合时的地基土单位面积上的净反力，对偏心受压基础可取基础边缘处最大地基土单位面积净反力。,设计时，一般是根据构造要求先假定基础高度，然后按式,(9-17),验算。如不满足，则应将高度增大重新进行验算，直至满足。当基础底面落在,45,o,线,(,即冲切破坏锥体,),以内时，可不进行受冲切验算。,2.计算底板受力钢筋,在前面计算基础底面地基土的反力时，应计入基础自身重力及基础上方土的重力，但是在计算基础底板受力钢筋时，由于这部分地基土反力的合力与基础及其上方土的自重相抵消，因此这时地基土的反力中不应计及基础及其上方土的重力，即以地基净反力,p,j,来计算钢筋。,上一页,下一页,返回,第三节单层厂房柱的设计,基础底板在地基净反力作用下，在两个方向都将产生向上的弯曲，因此需在底板两个方向都配置受力钢筋。配筋计算的控制截面一般取在柱与基础交接处或变阶处,(,对阶形基础,),。,计算,(,两个方向,),弯矩时，把基础视作固定在柱周边或变阶处,(,对阶形基础,),的四面挑出的倒置的悬臂板，见,图,9-35,。,(1),轴心荷载作用下的基础。为简化计算，把基础底板划分为四块独立的悬臂板。对轴心受压基础，沿基础长边,b,方向的截面,I-I,处的弯矩,M,1,等于作用在梯形,ABCD,面积形中心处的地基净反力,p,j,的合力与形心到柱边截面的距离相乘之积。则由图,9-35(a),不难写出,:,(9-20),沿长边,b,方向的受拉钢筋截面面积,A,sI,可近似按下式计算,:,(9-21),h,0I,-,截面,I-I,的有效高度，,h,0I,=h-,A,sI,当基础下有混凝土垫层时，取,A,sI,=40mm,无混凝土垫层时，取,A,sI,=70mm,。,上一页,下一页,返回,第三节单层厂房柱的设