第十二章 单层工业厂房

1. 第十二章 单层工业厂房 一、单层工业厂房的结构组成与受力特点 二、单层工业厂房的结构布置与支撑布置 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 四、单层工业厂房排架柱设计 五、牛腿设计 六、柱下独立基础设计

2. 一、单层工业厂房的结构组成与受力特点 • 单层厂房的承重结构可采用单跨或多跨，等高或不等高的排架结构，也可采用单跨或多跨的刚架结构。 1、单跨与多跨： • 一般厂房纵向长度比横向跨度大，且纵向柱距较横向柱距小，故横向刚度总比纵向刚度为小。 • 多跨可增大厂房横向刚度，减小柱截面尺寸，节约材料、减轻自重，采光通风困难。

3. 一、单层工业厂房的结构组成与受力特点 2、等高与不等高： • 区别：受力明确合理，构件简化统一 3.排架与刚架： • 排架：由屋面梁或屋架、柱和基础组成 • 排架的柱与屋架铰接而与基础刚接 • 按材料 钢—钢筋混凝土排架 重型工业厂房 • 钢筋混凝土排架 中型工业厂房 • 混凝土—砖排架 轻型工业厂房

4. 一、单层工业厂房的结构组成与受力特点 • 按受力和变形特点 刚性排架：横梁变形很小，内力分析 • 变形忽略。 • 柔性排架：横向变形较大。 • 刚架：由拱梁、柱、基础组成 • 刚架的梁与柱刚接，而柱与基础铰接 • 折线形 • 拱形

5. 二、单层工业厂房的结构布置与支撑布置 1、结构组成：屋面板、屋架、吊车梁、连系梁、柱和基础的构件组成. • 屋盖结构 • 横向平面排架 • 纵向平面排架 • 围护结构 a.屋盖结构： 有檩体系 • 无檩体系 • 作用：承受屋面活荷载、血载、自重及其他荷载 b .横向平面排架：横梁、横向柱列及基础组成 • 作用：承受竖向荷载及横向水平荷载

6. 二、单层工业厂房的结构布置与支撑布置 c.纵向平面排架：柱列、基础、连系梁、吊车梁和柱间支撑组成 • 作用：保证厂房纵向刚度和稳定性，以及纵向水平荷载 d.围护结构：纵墙、山墙、墙梁、抗风柱、基础梁 • 作用：围护和承载作用。

7. 二、单层工业厂房的结构布置与支撑布置 2、构件选型： • 屋面板：预应力混凝土构件 • 屋面梁和屋架 • 吊车梁：T型截面、吨位选取 • 柱：截面选择，尺寸限值 • 基础：现浇柱单独基础、预制柱下基础

8. 二、单层工业厂房的结构布置与支撑布置 3.传力路径： • 屋盖→屋架→柱→基础→地基 • 竖向荷载： • 横向荷载： • 纵向荷载：

9. 二、单层工业厂房的结构布置与支撑布置 4.结构布置： • 结构布置包括：屋盖结构布置、吊车梁、柱及柱间支撑布置、 • 圈梁连系梁及过梁布置、基础梁布置等。标准构件规定进行布置。 a.柱网布置 • 厂房承重柱的纵向布置和横向定位轴线，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距离和横向定位轴线之间的距离。 • 布置原则：（p290）建筑和结构经济合理；符合生产工艺和正常使用的要求；施工方法上具有先进性；符合厂房建筑统一化基本规则；适用生产发展和技术革新的要求。

10. 二、单层工业厂房的结构布置与支撑布置 • b.变形缝布置： • 伸缩缝 • 沉降缝 • 抗震缝

11. 二、单层工业厂房的结构布置与支撑布置 c.支撑布置： • 作用：使厂房结构形式整体，提高厂房结构构件的刚度和稳定性 • 屋盖支撑： • 屋盖间的垂直支撑及水平系杆（p147） • 作用：保证屋架的稳定，当吊车工作时，防止屋架下弦发生侧向颤动。 • 屋架间的横向水平支撑 上弦横向水平支撑 • 下弦横向水平支撑 • 屋架间纵向水平支撑 • 无窗架间的支撑：

12. 二、单层工业厂房的结构布置与支撑布置 • 柱间支撑： • 作用：提高厂房的纵向刚度和稳定性 • 位置： • 抗风柱的布置： • 山墙受风面积一般分成几个区域，使山墙受到的风荷载一部分直接传给纵向柱列，另一部分则经抗风柱上端通过屋盖结构传给纵向柱列和经抗风柱下端传给基础。 • 抗风柱与基础刚接，与屋架上弦铰接，与屋架的连接需满足两个要求：水平方向有可靠的连接 • 竖向有一定的相对位移 • 圈梁、连系梁、过梁和基础布置：

13. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • 结构设计基础是构件设计，要设计一个构件，须知构件受的内力，而厂房是一个空间结构，为方便计算一般分别按纵向和横平面排架近似计算。 • 排架计算内容：计算简图、荷载计算、内力分析、内力组合、侧移验算。

14. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 1.排架计算简图： 计算单元：典型单元、但应注意吊车荷载是移动的 两个假定：a.排架上端铰接屋架，下端嵌固于基础顶面 • b.拱梁为轴向变形可忽略不计的刚杆 • c.排架间无联系 • 计算简图：超静定结构 • 柱的截面尺寸大小与柱刚度有关、而柱刚度与柱所受内力大 • 关连，柱高关系如下： • H下=H总-H上 • H总：柱顶标高与基础顶面标高之差 • H上：柱顶标高与牛腿顶面标高之前 • 柱的轴线应分别取上、下柱截面的形心线，柱的截面尺寸应满足强度与刚度要求，主要取决于厂房的跨度；高度及吊车超重量等EI抗弯刚度

15. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • 排架荷载计算 1、自重 G1：屋盖自重，作用位置 G2：上柱自重 • G3：吊车梁及轨道自重 • G4：下柱自重 • G5：围护结构自重 2、屋面活荷载 • 屋面活荷载Q1：作用位置同G1 • 1）屋面均布活荷载：不上人屋面：0.7KN/ ㎡㎡ • 上人屋面 1.5KN/ 施工荷较大时按实际情况考虑 • 2）雪荷载：可规范取值 • 3）积灰荷载

16. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • 当雪荷载较大时，一般不与施工荷同时取用，取较大值。 • 雪荷载：屋面雪荷载根据建筑地区和屋面形式荷载规范取用 • SK=μrS0 • S0 ：基本雪压，以一般空旷平坦地面上统计的重现期为30年的最大积雪自重为标准而确定的，全国各地的基本雪压可查《荷载规范》中全国基本雪压分布图，对山区，可乘以1.2的系数 • μr：屋面积雪分布系数，可查规范

17. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 3、风荷载 • 风具有一定纬度运动的气流，当它遇到厂房受阻时，将在厂房的迎风面产生正压区，而在背风面和侧面形成负压区，作用在长房上的风压力和风吸力与风的吹向一致，其值与基本风压W0、建筑物的体型和高度等因素有关。可按 • W =μsμeβe w0 计算 • 式中：w0—基本风压，可查规范基本风压分布图，但一般不等于0.25 KN/m2,它以当地比较空旷平坦地面，离地10m统计约的30年一遇，10分钟平均最大风速V0为标准，按W0=V02/1600确定

18. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • μs :风载体型系数 • μE ：风压高度变化系数，其值与地面粗糙度有关，地面粗糙度分为A、B、C三类， • A类：指近海海面、海岛、海岸、及沙漠地区 • B类：田野、乡村、丛林及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区 • C类：指有密集建筑的大城市市区 • Βz ：风振系数，对于单层厂房可不考虑风振影响，取βE = 1

19. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • 风荷载是厂房高度变化的，但在单层厂房计算中，可近似假定沿厂房高度不变的均布风荷载（W1、W2），并按柱顶标高处的μE进行计算，排架计算单元宽度B范围内风荷设计值为： • N = rQWK = rQμsμEW0B • 柱顶集中风荷：FW的计FW为整个屋盖上的风荷载水平分量，在设计计算时可当以为一斜作用于同一跨间左边柱或右边柱的柱顶。 • μz取值：有矩形天窗时，按天窗檐口标高计；无天窗时，按厂房檐口标高或房盖平均标高计。 • 风荷是变的，内力组合时，既要考虑左右情况，又要考虑大风情况。

20. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • 5.吊车荷载： • a、吊车竖向荷载：Dmax、Dmin • 分类：1）梁式 • 2）桥式：按工作繁重程度分为轻、中、重三种工作制吊车。 • 桥式吊车有大车（桥架）和小车组成。 • 当小车吊有额定的最大起重量标准值Q开到大车一侧面的极限位置 • 时，在这一侧的每个大车轮压为吊车的最大轮压标准值Pmax另一侧为最小轮压标准值Pmin.同时产生，可查吊车附录表、吊车数据表 • Pmin =(G + g + Q)/2-Pmax 四轮吊车最小轮压标准值。 • 由于Pmax 是移动的，产生的支座（轮）最大垂直反力标准值Dk,max 可以利用吊车梁的支座反力影响线求解

21. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • Dmax = rQDk,max = rQ [P1max(y1+y2) + P2max(y3+y4)] • Dmin = rQDk,min =rQP1min(y1+y2) + P2min(y3+y4)] • 式中：P1,max,P2,max:两台起重量不同的吊车最大轮压标准值 • P1,max >P2,max • y1、y2、y3、y4与吊车轮子相对应的支座反力影响线上的竖标rQ:1.4 • 当两台吊车完全相同时，Dmax = rQPmax∑yi • Dmin = rQDk,min = rQPmin/PmaxDmax • 吊车台数规定：一般单层厂不多数两台吊车计算垂直荷载多跨时，一般按不多于四台计，当跨近期远期均肯定为一般时，按台计。

22. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • b.吊车水平荷载： • 吊车横向水平荷载 • 小车横向起制动荷，都通过大车轮传给吊车梁及柱，吊车横向水平制动力应按两侧柱的刚度大小分配，为近视计算时单厂规定可近似平分两侧柱，对四轮吊车，它满载运行时，每个轮子产生横向水平制动力标准值T为： • T=а/4（Q+G） • Q:吊车起重量标准值

23. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • G：小车自重标准值 • а：横向制动力系数对硬钩吊车а=0.2 • 软钩吊车Q≤10t时 а=0.12 • Q=15250t时 а=0.10 • Q≥75t时 а=0.08 • 传给柱的水平荷最大值： • 则Tmax=rQ Tk,max= rQ[T1(y1+)+ T2(y3+y4)] • 当两吊车完全相同时 • Tmax=rQ Tk,max=rQ TE yI • 轮子对应yI值与吊车竖向荷载相同 • Tmax=T/P max Dmax

24. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • 小车左右两分向均可走动，故有左右两个方向，且作用位置于吊车梁顶面，吊车横向水平荷载，无论单、多跨厂房，最多考虑两台吊车同时刹车。 • 2）、吊车纵向水平荷载： • 大车的纵向起制动，吊车自重及吊重惯性引起吊车纵向制动力，由吊车一侧的所有制动轮传至轨道；最后通过吊车梁传给柱列或柱间支撑，每台吊车纵向制动力TQ为 • TO=rQ *M*T= rQ M*N Pmax/10 • 设计值 • Pmax：最大轮压 • N : 吊车每侧制动轮数，对于一般四轮吊车N=1

25. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • M ：起重量相同的吊车台数，不轮单、多跨，当柱间无支撑时，吊车水平纵向荷由同一伸缩区段内所有柱共同负担，按柱间刚度大小分配，设有柱间支撑时，全部纵向水平荷载由柱间支撑承担。

26. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 1.等高排架内力计算： • 排架的计算简图：三种形式 2.柱顶为不动铰支排架的内力计算（单阶变截面柱） • 结构对称荷载对称的排架以及有山墙的一跨或两跨以上的无棱等高排架，当吊车起重量Q<30T时，可按柱顶为不动铰支的排架计算内力，如在各自重作用下（恒载） 3.等高铰支可动排架在柱顶水平集中力作用下的内力计算方法： • 在水平荷载局部荷载作用下如：风、吊车等荷载

27. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 • 1/δI：第I根柱的抗剪刚度，δI：为第I根柱的柔度 • 此为剪力分配法→当排架结构柱顶作用有水平架力F时，各柱的柱顶剪力按其抗剪刚度与各柱抗剪刚度总和的比例关系进行分配，故称剪力分配法。 • 其它各种各样的荷载，都可以通过以上两种情况进行求解。 • 例：在吊车垂直荷载Dmax Dmin作用下排架计算

28. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 4.等高排架在任意荷载作用下的内力计算方法 • 1）、当对称排架所受的荷载也对称时，排架结构顶端无侧移，排架柱可简化为柱顶为不动铰支排架情况。 • 2）、当对称排架所受的荷载非对称时，排架顶端有水平侧移，可分解为： • 先在排架柱顶附加一个不动铰支座，以阻止水平侧移，用柱顶为不动铰支排架情况求解并画内力图。 • 撤除附加不动铰支座，并将R以反向作用于排架柱顶恢复到原来的结构体系，进行求R作用时的内力。 • 关键是思想方法

29. 三、单层工业厂房铰接排架的内力分析与组合 二、不等高排架内力计算 • 按结构力学力法计算内力不宜用剪力分配法 三、柱顶为弹性铰支座排架内力计算 • 在吊车荷作用下，若考虑厂房的空间性能作用，则可假想在柱顶设置弹性支座来考虑厂房的空间性能。

30. 四、单层工业厂房排架柱设计 • 单层厂房柱截面设计： • 柱在单层厂房排架设计中是最主要的构件设计，在使用阶段为受压构件，求出内力后可按受压够进行截面设计，在施工阶段柱子的侧翻及吊装要求，按双筋矩形截面设计。 • 按受压构件进行设计 • 厂房中可按国家标准构件选用。

31. 五、牛腿设计 • 牛腿设计 • 牛腿在单厂柱中是常见的构造，它用来支撑吊车梁或屋架等承重构件，负荷大，应力状态复杂。 • 长牛腿：a/ho>1 a为荷载作用点至牛腿根部水平距离。 • 短牛腿：a/ho≤1 ho 牛腿有效高度 • 长牛腿受力特点近似于悬臂梁，可按悬臂梁的抗弯、抗剪进行计算。 • 牛腿几何尺寸：

32. 五、牛腿设计 • 牛腿的宽度及顶面长度 • 顶面长度：与吊车梁中线位置，吊车梁端部宽度及 吊车梁至牛腿端部的距离C1有关。 • 牛腿处边缘高和底面倾斜角度： • h1：≥h/3 а≤45° • 牛腿总高度：h:主要由斜截面抗裂条件控制

33. 五、牛腿设计 • 牛腿配筋计算与构造 • 水平拉杆由纵向受拉钢筋组成。斜压杆由竖向力作用点与牛腿根部之间的混凝土组成，其承载力主要由混凝土决定。 • 规范认为只要牛腿中 P173 • 由ΕMA=0 FVa+Fn(roho+as)=ASfnroho • 得 AS≥FVa/0.85fYho • 当a<0.3ho时取a=0.3ho • 3、构造： P176 • 4、局部承受验算： • 垫板下局部承受面积： • σ= FVK/A≤0.75fC

34. 六、柱下独立基础设计 • 前面讲过，排架单厂层房结构中预制柱下基础通常独用得预制构件，而现浇框架结构中通常用现浇基础，但排架柱基础杯口灌缝后，其受力性能和现浇柱下基础完全一样，故柱下单独基础均按现浇柱下基础进行计算。 • 基础得设计需解决三项内容：基础外形尺寸（主要包括底面积尺寸）基础高度得确定和基底配筋。 • 轴心受压柱下单独基得计算 • 基底尺寸的确定 • 基底尺寸由地基得承载力及变形条件确定。 • 基础底面荷载： 上部结构传来的荷载，柱、基础梁等 • 基础及其上土层的自重。 • 若在上述荷载作用下基底压应力为均匀分布，则基底压应力设计值为： P=N/A+G/A

35. 六、柱下独立基础设计 • N：柱传至基础顶面的轴心压力设计值 • A：基底底面积A=a*b a、b为基底长、宽 • G：基础及基上回填土的自重设计值，G= rmAd,其中rm为基础及基上回填土的平均重度，设计时可取rm=70N/m2 , d为基底埋深 • 则φ=N/A+rmd≤f • f：经深度荷宽度修正后的地基承载力设计值，当f<101 fk时取f=1.1 fk，fk为地基承载力标准值 • 则 A=N/f- rmd

36. 六、柱下独立基础设计 • 础高度的确定： • 基础高度应满足构造及抗冲切能力 • h≥H1+ a1+50 • H1、a1分别为杯口深度荷杯底厚度，可查表11-4、11-5 • 由于向上的基础及基上回填土自重引起的土壤反力与向下的基础及基上回填土自重相互抵消，因此柱下单独基础仅在向下的轴向压力N荷向上的均布土壤净反力Pn共同作用下，对矩形基础，有4个冲切面按一个冲切面考虑，冲切面荷载设计值为： • FL=Pn*A1 • FL:冲切荷载设计值。

37. 六、柱下独立基础设计 • Pn在荷载设计值作用下，基础底面单位面积上的净反力 • Pn=N/A • A1:考虑冲切荷载时取用的多边形面积 • 冲切面一般与基底成45◦角 • 而基础的抗冲切承载力为： • [FL]=0.6febmho • ho:基础冲切破坏锥体的有效高度 • bm:冲切破坏斜截面上下边长平均值 bm=( bt b b)/v • bt b b:上下边边长

38. 六、柱下独立基础设计 • 基底配筋 • 将基础看成倒置于柱顶的悬臂板 • 求出M1 M2等截面弯距 • 二、偏心受压柱下单独基础的计算 • 基础底板反力分析： • 假定基底的反力按线性分布，则基础底面两边缘的最大最小压应力为： • Pmax=(N+G)/A+M/N • A—M/N • 式中：W为基础底面面积的抵抗矩：W=b*a*a/6 矩形截 面。 • 令e为N+G的偏心矩e=m/(n+G),则 • Pmax=(N+G)/ ab*(1+6e) • Pmin=(N+G)/ ab*(1—6e) 由此可见

39. 六、柱下独立基础设计 • 当e=a/6时，Pmin=0 基底压应力图为三角形 • e> a/6时，Pmin<0 基底出现拉应力，边与实际不符， • 拉边缘压应力，基底压应力图也为三角形。 • 此时，按静力平衡条件： • 1/2 *3（a/2-e）*b= • Pmax=2(N+G)/3b(a/2-e)

40. 六、柱下独立基础设计 • 尺寸的确定： • 1）、平均压应力P=（Pmax+ Pmin）/2≤f 修正后地基可许承载力 • 2）、Pmax≤1.2 f • 3）、对有吊车厂房：保证e≤a/b • 4）、对无吊车厂房：e≤a/4 • 基底尺寸，一般情况按轴心受压计算底面积，再乘1.2—1.4的扩大系数，一般a/b=0.1—2.0，初步确定再按上述公式验算底面积 • 基础高度的确定 • 基本同轴心受压基础，不同的是公式

41. 六、柱下独立基础设计 • 4、基础底面配筋计算： • 方法同轴心收压基础，只是基底反力改变。 • 5、构造要求（略）