单层厂房的结构组成及布置

钢筋混凝土结构单层工业厂房简介学习目标了解单层工业厂房结构的组成及结构布置的特点。了解牛腿构造要求根据不同使用要求，工业厂房可设计为单层厂房和多层厂房。按承重结构材料的不同，工业厂房可分为钢筋混凝土结构厂房、钢结构厂房、混合结构厂房。钢筋混凝土结构单层厂房按主要承重结构形式分为排架结构和刚架结构，如图9.1所示。排架结构由屋架（或屋面梁）、柱、基础组成，其中柱与基础刚接，而屋架（或屋面梁）与柱铰接。排架结构按所用材料的不同分为钢屋架与钢筋混凝土柱组成的排架结构、钢筋混凝土排架结构。刚架结构是指梁或屋架与柱刚性连接的结构，柱与基础通常为铰接。常用的刚架结构有钢筋混凝土门式刚架结构。单层厂房的结构组成及布置一、单层厂房的结构组成单层厂房结构是由一些构件组成的一个复杂的空间受力体系，可将结构整体分为以下几个子结构体系：屋盖系统梁柱系统基础支撑系统维护系统①屋盖系统屋盖系统由排架柱顶以上部分构件，包括屋面板、天沟板、屋架(或屋面大梁)组成。有时还设有天窗架和托架等。屋面板：承受屋面构造层自重、屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载以及施工荷载等，并将它们传给屋架（屋面梁），具有覆盖、围护和传递荷载的作用。1）屋面板屋盖结构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——有檩体系——由小型屋面板、檩条、屋架及屋盖支撑所组成屋架或屋面梁：与柱形成横向排架结构，承受屋盖上的全部竖向荷载，承受其自重和板传来的活载，并将其传给排架柱。2）屋架天沟板：屋面排水并承受屋面积水及天沟板上的构造层自重、施工荷载等，并将它们传给屋架。屋面排水分有组织排水和无组织排水，有组织排水一般是把雨水集到天沟内再由雨水管排下，集聚雨水的沟就被称为天沟。3）天沟板天窗架：形成天窗以便于采光和通风，承受其上屋面板传来的荷载及天窗上的风荷载等，并将它们传给屋架。4）天窗架托架：当柱间距大于屋架间距时用以支承屋架，并将屋架荷载传给柱子。5）托架②梁柱系统梁柱系统由排架柱，抗风柱，吊车梁，基础梁，连系梁，等构成。排架柱：承受屋盖结构、吊车梁、外墙、柱间支撑等传来的竖向和水平荷载，并将它们传给基础。6）排架柱7）抗风柱抗风柱：承受山墙传来的风荷载，并将它们传给屋盖结构和基础。抗风柱一般与基础刚接，与屋架上弦铰接；当屋架设有下弦横向水平支撑时，也可与下弦铰接或同时与上、下弦铰接抗风柱与屋架上、下弦连接构造连系梁：连系纵向柱列，增强厂房的纵向刚度，并将风荷载传递给纵向柱列，同时还承受其上部墙体的重量。8）连系梁基础梁：承受围护墙体的重量，并将其传给基础。9）基础梁吊车梁：承受吊车竖向和横向或纵向水平荷载，并将它们分别传给横向或纵向排架。10）吊车梁横向排架结构由横梁、横向柱列及其基础所组成的平面骨架，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(水平风力，地震水平作用力)主要通过横向平面排架传至基础及地基。纵向排架结构由连系梁、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，承受吊车纵向水平荷载、纵向水平地震作用、温度应力以及作用在山墙及天窗架端壁并通过屋盖结构传来的纵向风荷载等。③基础承受柱、基础梁传来的荷载，并将其传给地基。基础包括柱下独立基础和设备基础。柱下独立基础承受柱和基础梁传来的荷载。设备基础承受设备传来的荷载。11）基础④支撑系统支撑系统包括屋盖支撑和柱间支撑。屋盖支撑又分上弦横向水平支撑，下弦横向水平支撑，纵向水平支撑，垂直支撑及系杆。屋盖支撑加强屋盖结构空间刚度，保证屋架的稳定，将风荷载传给排架结构。柱间支撑加强厂房的纵向刚度和稳定性，承受并传递纵向水平荷载至排架柱或基础。11）天窗架垂直支撑12）屋架下弦横向支撑13）屋架垂直支撑14）柱间支撑围护结构——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。a.竖向荷载传递②横向水平荷载传递③纵向水平荷载传递单层厂房中的横向排架是主要承重结构，而屋架、吊车梁、排架柱和基础是主要承重构件。二、单层厂房的结构布置1、单层厂房柱网布置厂房承重柱(或承重墙)的定位轴线，在平面上排列形成的网格，称为柱网。纵向定位轴线之间的距离称为跨度，横向定位轴线之间的距离称为柱距。柱网布置就是确定跨度和柱距尺寸。也是确定屋面板，屋架，吊车梁等构件跨度的依据。《厂房建筑统一化基本规则》规定：厂房跨度L应满足：•当L≤18m时，以3m为模数，即9m、12m、15m、18m。•当L＞18m时，以6m为模数，即24m、30m、36m。厂房柱距一般为6m，当有特殊要求时，可局部抽柱，形成12m柱距。2、变形缝的设置厂房的变形缝包括：伸缩缝、沉降缝、防震缝。①伸缩缝•由于材料的热胀冷缩性质，致使厂房随温度变化而产生变形，且厂房平面尺寸越大，积累变形越大，从而产生的结构应力也越大，有可能导致结构开裂或破坏。为避免这种不利影响，可将厂房划分开，用减小长度的方法来减小温度引起的变形及应力。在相邻段之间留有一定宽度的缝隙，供膨胀变形用，这个缝即称为伸缩缝。《混凝土结构设计规范》规定：对于装配式钢筋混凝土排架结构，在室内或土中伸缩缝的最大间距为100m，露天时，缝的最大间距为70m。②沉降缝沉降缝：单层厂房结构对地基不均匀沉降有较好的适应能力，故在一般的单层厂房中可不设沉降缝。当厂房相邻两部分高度相差大于10m，或吊车起重量相差悬殊，地基承载力或下卧层土质有较大差别等，应考虑设置沉降缝。沉降缝可兼起伸缩缝的作用③防震缝防震缝：位于地震区的单层厂房，如因生产工艺或使用要求而使其平、立面布置复杂或结构相邻两部分的刚度和高度相差较大时，应设置防震缝将相邻两部分分开，防震缝的两侧应布置墙或者柱。图9.12（a）矩形截面柱；(b)工字形截面柱；(c)双肢柱；排架结构的构件选型适用条件图9.13（a）阶形基础；（b）锥形基础；（c）高杯口基础图9.14桩基础柱下条形基础3、支撑的布置及作用单层厂房支撑分屋盖支撑和柱间支撑两类。①屋盖支撑包括：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、纵向水平系杆、天窗架支撑等。a.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他纵向水平荷载，并传至厂房纵向柱列。上弦横向水平支撑布置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。b.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。下弦横向水平支撑布置b.下弦横向水平支撑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，以形成空间行架体系。下弦横向水平支撑布置c.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。纵向水平支撑布置c.纵向水平支撑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。纵向水平支撑布置d.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。d、垂直支撑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。垂直支撑和水平系杆布置图e、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。e、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。垂直支撑和水平系杆布置图②柱间支撑布置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。柱间支撑是纵向平面排架中最主要的抗侧力构件。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。柱间支撑作用示意图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。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。门架式柱间支撑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。优点：纵向水平荷载作用下传力路线较短；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