第三章单层工业厂房结构设计.

同济大学电子音像出版社本章重点熟悉单层工业厂房结构的选型与结构布置方法；掌握钢筋混凝土排架的荷载与内力计算方法、内力组合原则及柱的截面设计方法；熟悉排架柱的配筋构造要求。第三章单层工业厂房结构设计单层厂房多层厂房层数混合的厂房如精密仪表、电子、食品等工业如化学工业、热电厂等如冶金或机械厂的炼钢、轧钢、铸造、锻压、金工、装配等车间，一般因设有大型机器或设备，产品较重且轮廓尺寸较大，故宜直接在地面上生产而设计成单层厂房——————工业厂房的分类工业厂房由于生产性质、工艺流程、机械设备和产品的不同，按层数分类，可分为：§3.1§3.1单层厂房的结构和特点第三章单层工业厂房结构设计混合结构钢筋混凝土结构单层厂房的分类对无吊车或吊车吨位不超过5t、跨度在15m以内、柱距不超过6m且无特殊工艺要求的小型厂房，可采用钢筋混凝土或轻钢屋架，承重砖柱作为主要承重构件——（1）按生产规模可分为：大型、中型和小型。（2）按跨度、高度和吊车起重量等因素的不同可分为：混合结构、钢结构和钢筋混凝土结构。对有重型吊车（如150t以上的吊车）、跨度大于36m或有特殊工艺要求（如有10t以上的锻锤的车间）的大型厂房，可采用钢屋架、钢筋混凝土柱或全钢结构——钢结构——除上述情况以外的单层厂房均可采用钢筋混凝土结构。而且除特殊情况之外，一般均采用装配式钢筋混凝土结构第三章单层工业厂房结构设计单层厂房的分类（3）按承重结构体系可分为：排架结构（主要由屋架、柱和基础组成）和刚架结构（主要是门式刚架）。排架结构图（单跨与多跨、等高与不等高）刚架结构图第三章单层工业厂房结构设计单层工业厂房的优缺点：优点：（1）生产工艺流程和车间内部运输比较容易组织；（2）可以充分利用地基承载力，在地面上放置较重的、产生较大振动的机器设备和产品；（3）可以在屋盖上设置天窗，用以天然采光和自然通风。在不采用人工照明和机械通风的情况下可以建造大面积的厂房；（4）扩建和改建比较方便；（5）单层厂房构件的形式比较标准化，便于定型设计和工业化施工，缩短设计和施工时间。缺点：占地面积大，对于用地极为紧张的大中城市不利。第三章单层工业厂房结构设计3.2.1单层厂房结构的组成单层厂房结构是由若干构件组成的一个复杂的空间受力体系。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.屋架下弦横向水平支撑14.屋架端部垂直支撑15.柱间支撑单层工业厂房空间结构图§3.2§3.2单层工业厂房结构的组成和布置第三章单层工业厂房结构设计3.2.1单层厂房结构的组成屋盖结构——有檩体系无檩体系——由大型屋面板、屋架或屋面梁及屋盖支撑组成，有时还包括有天窗架和托架等构件。刚度大。——由小型屋面板、檩条、屋架及屋盖支撑所组成。刚度小。1.屋盖结构屋盖结构第三章单层工业厂房结构设计2.纵、横向平面排架横向平面排架：包括横梁(屋架)、横向柱列及基础，是厂房的基本承重结构。厂房承受的竖向荷载及横向水平荷载主要通过横向平面排架传至基础及地基。横向平面排架1.风压力2.风吸力3.屋面荷载4.天窗荷载5.屋架荷载6.吊车竖向荷载7.吊车横向荷载8.牛腿自重9.墙自重10.地基反力第三章单层工业厂房结构设计纵向平面排架：由连系梁、吊车梁、纵向柱列、柱间支撑和基础等构件组成的纵向平面骨架。作用是保证厂房结构的纵向稳定性和刚度，承受纵向水平荷载。纵向平面排架1.山墙传来的风力2.吊车纵向制动力3.连系梁4.柱间支撑5.吊车梁6.柱第三章单层工业厂房结构设计3.围护结构位于厂房的四周，包括纵墙、横墙（山墙）、抗风柱、连系梁、基础梁等构件。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。4.支撑系统单层厂房支撑包括屋盖支撑和柱间支撑两类，应了解各支撑的作用和设置条件及设置位置。（1）屋盖支撑上弦横向水平支撑下弦横向水平支撑纵向水平支撑垂直支撑和水平系杆天窗架支撑第三章单层工业厂房结构设计①上弦横向水平支撑构成：沿厂房跨度方向用交叉角钢、直腹杆和屋架上弦杆构成的水平桁架。作用：保证屋架上弦的侧向稳定性；增强屋盖的整体刚度；作为山墙抗风柱的顶端水平支座，承受由山墙传来的风荷载和其它纵向水平荷载，并传至厂房纵向柱列。布置：当屋盖为有檩体系，或屋盖为无檩体系，但屋面板与屋架的连接质量不能保证且抗风柱与屋架上弦连接，每一伸缩缝区段端部第一或第二柱间布置；当设有天窗，且天窗通过厂房端部的第二柱间或通过伸缩缝，应在第一或第二柱间的天窗范围内设置，并在天窗范围内沿纵向设置1～3道通长的受压系杆，将天窗范围内各榀屋架与上弦横向水平支撑连系起来。第三章单层工业厂房结构设计上弦横向水平支撑第三章单层工业厂房结构设计下弦横向水平支撑②下弦横向水平支撑构成：沿厂房跨度方向用交叉角钢、直腹杆和屋架下弦杆构成的水平桁架。作用：将山墙风荷载及纵向水平荷载传至纵向柱列；防止屋架下弦侧向振动。布置：当屋架下弦设有悬挂吊车，或厂房内有较大振动，或山墙风荷载通过抗风柱传至屋架下弦，应在每一伸缩缝区段两端的第一或第二柱间设置，宜与上弦横向水平支撑设置在同一柱间。第三章单层工业厂房结构设计③纵向水平支撑构成：由交叉角钢、直杆和屋架下弦第一节间组成的纵向水平桁架。作用：加强屋盖结构的横向水平刚度；保证横向水平荷载的纵向分布，加强厂房的空间工作；保证托架上弦的侧向稳定。布置：当设有软钩桥式吊车且厂房高度大、吊车起重量较大，应在屋架下弦端节间沿厂房纵向通长或局部设置一道；当已设有下弦横向水平支撑时，为保证厂房空间刚度，应尽可能与横向水平支撑连接，以形成封闭的水平支撑系统。第三章单层工业厂房结构设计纵向水平支撑布置第三章单层工业厂房结构设计④垂直支撑构成：由角钢杆件与屋架直腹杆组成的垂直桁架，形式为十字交叉形或W形。作用：保证屋架受荷后在平面外的稳定；传递纵向水平力。布置：应与下弦横向水平支撑布置在同一柱间内。当厂房跨度小于18m且无天窗时，一般可不设垂直支撑和水平系杆；当厂房跨度18～30m、屋架间距为6m、采用大型屋面板时，应在每一伸缩缝区段端部的第一或第二柱间，屋架跨中设置一道垂直支撑；当屋架跨度大于30m时，应在每一伸缩缝区段端部的第一或第二柱间，屋架跨度1/3左右的节点处设置两道垂直支撑。第三章单层工业厂房结构设计垂直支撑及水平系杆第三章单层工业厂房结构设计⑤水平系杆构成：分为上弦水平系杆和下弦水平系杆。作用：上弦水平系杆是为保证屋架上弦或屋面梁受压翼缘的侧向稳定；下弦水平系杆是为防止在吊车或有其它水平振动时屋架下弦侧向颤动。布置：当屋盖设置垂直支撑时，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。刚性系杆（压杆）：凡设在屋架端部主要支承节点处和屋架上弦屋脊节点处的通长水平系杆，均应采用刚性系杆；当屋架横向水平支撑设在伸缩缝区段两端的第二柱间内时，第一柱间内的水平系杆均应采用刚性系杆。柔性系杆（拉杆）：其余均可采用柔性系杆。第三章单层工业厂房结构设计⑥天窗架支撑构成：包括天窗架上弦横向水平支撑、天窗架间的垂直支撑和水平系杆。作用：保证天窗架上弦的侧向稳定；将天窗端壁上的风荷载传给屋架。布置：纵向位置（柱间）：一般天窗架上弦横向水平支撑和垂直支撑均设置在天窗端部第一柱间内。横向位置（道）：一般垂直支撑设置在天窗两侧。水平系杆：在未设置上弦横向水平支撑的天窗架间设置；应在上弦节点处设置柔性系杆；对有檩屋盖体系，檩条可以代替柔性系杆。第三章单层工业厂房结构设计天窗架支撑布置第三章单层工业厂房结构设计（2）柱间支撑柱间支撑是纵向平面排架中最主要的抗侧力构件，其作用是承受纵向水平荷载和提高纵向刚度。构成：由交叉钢杆件组成，交叉倾角宜取45°，支撑钢构件的截面尺寸需经承载力和稳定计算确定。作用：提高厂房的纵向刚度和稳定性；将吊车纵向水平制动力、山墙及天窗端壁的风荷载、纵向水平地震作用等传至基础。形式：十字交叉形；当柱间要通行或放置设备，或柱距较大而不宜采用交叉支撑时，可采用门架式支撑。分类：对于有吊车的厂房，按其位置可分为上柱柱间支撑和下柱柱间支撑。上柱柱间支撑：位于牛腿上部，并在柱顶设置通长的刚性系杆；承受作用在山墙及天窗壁端的风荷载，并保证厂房上部的纵向刚度。下柱柱间支撑：位于牛腿下部；承受上部支撑传来的内力、吊车纵向制动力和纵向水平地震作用等，并将其传至基础。第三章单层工业厂房结构设计柱间支撑布置第三章单层工业厂房结构设计布置：当设有A6～A8的吊车，或A1～A5的吊车起重量≥10t时或厂房跨度≥18m，或柱高≥8m时或厂房每列纵向柱总数＜7根时或设有3t以上的悬挂吊车时或露天吊车栈桥的柱列，应设置柱间支撑。上柱柱间支撑设置：一般在伸缩缝区段两端与屋盖横向水平支撑相对应的柱间以及伸缩缝区段中央或临近中央的柱间。下柱柱间支撑设置：在伸缩缝区段中部与上柱柱间支撑相应的位置。第三章单层工业厂房结构设计优点：纵向水平荷载作用下传力路线较短；厂房两端的温度伸缩变形较小；厂房纵向构件的伸缩受柱间支撑的约束较小，所引起的结构温度应力也较小。柱间支撑与伸缩变形的关系第三章单层工业厂房结构设计荷载传递竖向荷载传递图横向排架是主要的承重结构，屋架、排架柱和基础是主要的承重构件。第三章单层工业厂房结构设计横向水平荷载传递图第三章单层工业厂房结构设计纵向水平荷载传递图第三章单层工业厂房结构设计3.2.2主要结构构件及选型单层厂房结构的主要构件有屋盖结构构件、支撑、吊车梁、墙板、连系梁、基础梁、柱和基础等。3.2.2.1屋盖结构构件1.屋面板无檩：大型屋面板(1.5m6.0m)，F型屋面板、单肋板、空心板。有檩：檩条、小型屋面板（槽瓦、波形大瓦等）。2.檩条檩条搁置在屋架上，支承小型屋面板并将屋面荷载传给屋架。它与屋架间用预埋钢板焊接，并与屋盖支撑一起保证屋盖结构的整体刚度和稳定性。第三章单层工业厂房结构设计3.屋架由跨度、高度、排水坡度确定。形式：梯形、折线形、……。各种形式的屋架当厂房跨度较大时，采用桁架式屋架较经济，它在单层厂房中应用非常普遍。桁架式屋架的矢高和外形对屋架受力均有较大影响，一般取高跨比为1/6~1/8较为合理，其外形有三角形、拱形、梯形、折线形等几种。第三章单层工业厂房结构设计4.天窗架和托架天窗架天窗架：天窗架的作用是形成天窗以便采光和通风，同时承受屋面板传来的竖向荷载和作用在天窗上的水平荷载，并将它们传给屋架。托架托架：一般为12m跨度的预应力混凝土三角形或折线形构件，上弦为钢筋混凝土压杆，下弦为预应力混凝土拉杆。第三章单层工业厂房结构设计3.2.2.2吊车梁吊车梁的类型吊车梁直接承受吊车起重、运行和制动时产生的各种往复荷载；传递厂房的纵向荷载、保证厂房的纵向刚度。吊车梁的选用要考虑吊车的起重量、工作级别、台数、厂房的跨度和柱距等因素。第三章单层工业厂房结构设计3.2.2.3柱1.柱的形式：主要有排架柱和抗风柱两类。钢筋混凝土排架柱一般由上柱、下柱和牛腿组成，其结构型式可概括为单肢柱和双肢柱两类。上柱一般为矩形截面或环形截面；下柱的截面形式较多，根据其截面形式可分为矩形截面柱、I形柱、双肢柱和管柱等几类。抗风柱一般由上柱和下柱组成，无牛腿，上柱为矩形截面，下柱一般为I形截面。2.柱的截面尺寸：柱的截面尺寸除应满足承载力的要求外，还应保证具有足够的刚度，以免厂房变形过大，造成吊车轮与轨道过早磨损，影响吊车的正常运行，或导致墙体和屋盖产生裂缝，影响厂房的正常使用。柱的截面尺寸除了考虑吊车起重量和柱的类型两个因素外，还应考虑厂房跨数和高度、柱的型式、围护结构的材料和构造、施工和吊装等。第三章单层工业厂房结构设计柱的形式第三章单层工业厂房结构设计3.2.2.4基础1.基础的类型单层厂房的柱下基础一般采用独立基础（也称扩展基础）。按施工方法可分为预制柱下独立基础和现浇