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(共48张PPT)
模块7 单层厂房排架结构
单层厂房的组成和布置
7.1
排架结构荷载及内力计算
7.2
单层厂房柱的设计
7.3
知识目标
（1）了解单层厂房的组成和布置，熟悉排架的计算简图、内力组合和控制截面。
（2）掌握排架荷载的计算方法。
（3）掌握柱下独立基础和牛腿的设计方法。
模块7 单层厂房排架结构
7.2 排架结构荷载及内力计算
7.2.1
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，设计时为简化计算，一般将厂房按横向平面排架和竖向平面排架分别计算。由于横向平面排架承担着厂房的大部分主要荷载，因而在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。
7.2 排架结构荷载及内力计算
计算单元
1.
由于横向平面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（吊车荷载除外）沿厂房纵向基本为均匀分布，因而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7-15（a）中的阴影部分所示。除吊车等移动荷载外，阴影部分就是排架的负荷范围，或称为从属面积。
7.2 排架结构荷载及内力计算
计算简图
2.
在确定排架结构的计算简图时，为简化计算做出以下假定：
（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，故计算时按铰接节点考虑。
（2）柱下端固接于基础顶面。由于预制排架柱插入基础杯口足够的深度，并用高强度等级的细石混凝土浇筑密实，因而排架柱与基础连接处可按固定端考虑。
7.2 排架结构荷载及内力计算
（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节点处，排架柱的轴线为柱的几何中心线。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，横向平面排架的计算简图如图7-15（b）所示。
7.2 排架结构荷载及内力计算
图7-15 横向平面排架的计算单元和计算简图
(a)计算单元(b)计算简图
7.2 排架结构荷载及内力计算
7.2.2
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F1、上柱自重F2、下柱自重F3、吊车梁与轨道连接件自重F4及有时支承在柱牛腿上的围护结构自重F5等。活荷载一般包括屋面活荷载F6，吊车荷载Tmax和Dmax（Dmin），均布风荷载q1、q2，以及作用在屋盖支承处的集中风荷载Fw，等等。图7-16为作用在排架上的荷载。
7.2 排架结构荷载及内力计算
图7-16 作用在排架上的荷载
7.2 排架结构荷载及内力计算
恒荷载
1.
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，标准构件的恒荷载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γG=1.2。
7.2 排架结构荷载及内力计算
屋面活荷载
2.
屋面活荷载包括屋面均布活荷载、雪荷载和屋面积灰荷载，各荷载数值均按屋面水平投影面积计算，其荷载分项系数都取γQ=1.4。
（1）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—2012）表5.3.1采用（见附表15）。
（2）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应按式（7-3）计算。
sk=μrs0 （7-3)
7.2 排架结构荷载及内力计算
式中，sk为雪荷载标准值；μr为屋面积雪分布系数，应根据不同类型的屋顶形式，按《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）表7.2.1采用；排架计算时，可近似按积雪全跨均匀分布考虑，取μr=1；s0为基本雪压，它是以当地一般空旷平坦地面上统计所得50年重现期最大积雪的自重确定的。全国各城市的基本雪压应按《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）附录E中附表E.5重现期R为50年的值采用。
7.2 排架结构荷载及内力计算
（3）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、水泥等的厂房屋面，其水平投影面上的屋面积灰荷载标准值及其组合值系数、频遇值系数和准永久值系数，应分别按《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）表5.4.1-1和表5.4.1-2采用（见附表16和附表17）。
对于屋面上易形成灰堆处，在设计屋面板、檩条时，积灰荷载标准值宜乘以下列规定的增大系数：
7.2 排架结构荷载及内力计算
①在高低跨处两倍于屋面高差但不大于6.0 m的分布宽度内取2.0。
②在天沟处不大于3.0 m的分布宽度内取1.4。
进行排架计算时，屋面均布活荷载不与雪荷载组合，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组合。
7.2 排架结构荷载及内力计算
吊车荷载
3.
单层厂房中常用的吊车有悬挂式吊车、手动吊车和桥式吊车等，一般采用桥式吊车。吊车共有A1～A8八个工作级别。
桥式吊车在排架上产生的荷载有吊车竖向荷载Dmax（或Dmin）、吊车横向水平荷载Tmax及吊车纵向水平荷载Te。
7.2 排架结构荷载及内力计算
（1）吊车竖向荷载Dmax(或Dmin)。吊车竖向荷载是指吊车在运行时，通过作用于吊车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吊车的最大轮压Pmax，同时另外一侧的每个大车轮压即为最小轮压Pmin，如图7-17所示。Pmax和Pmin可根据所选用的吊车型号、规格由产品目录或手册查得。
7.2 排架结构荷载及内力计算
图7-17 吊车的最大轮压与最小轮压
7.2 排架结构荷载及内力计算
吊车的最大轮压Pmax与最小轮压Pmin同时产生，分别作用在两侧的吊车梁上，经由吊车梁两端传给柱子的牛腿。吊车是一组移动荷载，当吊车在吊车梁上沿厂房纵向运行时，吊车梁传给各柱的竖向荷载也不同。对某一个柱子而言，当吊车行驶到某一位置时，柱上受到的竖向荷载最大，这一位置就是大车的最不利位置。
吊车竖向荷载Dmax和Dmin，除与小车行驶的位置有关外，还与厂房内的吊车台数及大车沿厂房纵向运行的位置有关。
7.2 排架结构荷载及内力计算
当计算同一跨内可能有多台吊车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—2012）规定，对单跨厂房一般按不多于两台吊车考虑，对于多跨厂房一般按不多于四台吊车考虑。
当两台吊车满载靠紧并行，其中较大一台吊车的内轮正好运行至计算排架柱的位置时，作用于最大轮压Pmax一侧排架柱上的吊车荷载为最大值Dmax，如图7-18所示。
7.2 排架结构荷载及内力计算
图7-18 吊车纵向运行最不利位置及吊车梁支座反力影响线
7.2 排架结构荷载及内力计算
与此同时，在另一侧的排架柱上，由最小轮压Pmin产生竖向荷载最小值Dmin。Dmax或Dmin可根据图7-18所示的吊车最不利位置和吊车梁支座反力影响线求得，即
Dmax=Pmax∑yi （7-4 )
Dmin=Pmin∑yi （7-5 )
式中，∑yi为吊车在最不利位置时，各轮子下影响线竖向坐标值之和，可根据吊车的宽度B和轮距K确定。
7.2 排架结构荷载及内力计算
（2）吊车横向水平荷载Tmax。吊车横向水平荷载Tmax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吊车梁，然后由吊车梁与上柱的连接钢板传给两侧排架柱。吊车横向水平荷载的作用位置在吊车梁顶面，且同时作用于吊车两侧的排架柱上，方向相同。
7.2 排架结构荷载及内力计算
当四轮吊车满载运行时，每个大车轮引起的横向水平荷载标准值为
（7-6)
式中，α为横向制动力系数。α的取值规定为：对软钩吊车，当Q≤10 t时，α=0.12，当Q=16～50 t时，α=0.10，当Q≥75 t时，α=0.08；对硬钩吊车，α=0.20。
7.2 排架结构荷载及内力计算
吊车的横向水平制动力也是移动荷载，其最不利作用位置与图7-18所示的吊车纵向运行最不利位置相同。所以，吊车对排架柱产生的最大横向水平荷载标准值Tmax也应根据吊车的最不利位置和吊车梁支座反力影响线来确定，即
Tmax=T∑yi （7-7）
7.2 排架结构荷载及内力计算
由于小车是沿桥架向左、向右运行的，有左、右两种制动情况，因而计算排架时，吊车的横向水平荷载应考虑向左和向右两种情况，如图7-19所示。
图7-19 吊车在横向水平荷载作用下的计算简图
7.2 排架结构荷载及内力计算
（3）吊车纵向水平荷载Te。吊车纵向水平荷载是由吊车的大车突然启动或制动引起的纵向水平惯性力，它由大车两端的制动轮与吊车轨道的摩擦，经吊车梁传给纵向柱列或柱间支撑。
当厂房有柱间支撑时，全部吊车纵向水平荷载由柱间支撑承受；当厂房无柱间支撑时，全部吊车纵向水平荷载由同一伸缩区段内的所有柱共同承受。在横向排架结构计算分析中，一般不考虑吊车纵向水平荷载。
7.2 排架结构荷载及内力计算
风荷载
4.
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。计算主要受力结构时，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按式（7-8）计算。
ωk=βzμsμzω0 （7-8）
式中，ωk为风荷载标准值；βz为高度z处的风振系数，对单层厂房，βz=1；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；ω0为基本风压。
7.2 排架结构荷载及内力计算
全国各城市的基本风压应按《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）附录E中附表E.5重现期R为50年的值采用，但不得小于0.30 kN/m2。
风荷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，主要与建筑物的体型和尺寸有关，按《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）表8.3.1的规定采用。图7-20（a）、（b）分别给出了封闭式双坡屋面和封闭式双跨双坡屋面的风荷载体型系数。
7.2 排架结构荷载及内力计算
图7-20 风荷载体型系数μs
(a)封闭式双坡屋面(b)封闭式双跨双坡屋面
7.2 排架结构荷载及内力计算
（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Fw的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（见图7-21），计算时也取为均布荷载，此时的风压高度变化系数μz按下述情况确定：有矩形天窗时，取天窗檐口标高值；无矩形天窗时，按厂房檐口标高取值。
7.2 排架结构荷载及内力计算
图7-21 排架在集中风荷载下的计算简图
7.2 排架结构荷载及内力计算
由于风荷载是可以变向的，因而在排架计算时，要考虑左风和右风两种情况。
7.2 排架结构荷载及内力计算
7.2.3
排架的内力计算
在进行排架内力计算之前，首先要确定排架上有哪几种可能单独考虑的荷载情况。然后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。
以单跨排架为例，若不考虑地震作用，可能有八种单独作用的荷载情况：恒荷载（F1、F2、F3、F4等）；屋面活荷载（F6）；吊车竖向荷载Dmax作用于左柱（Dmin作用于右柱）；吊车竖向荷载Dmax作用于右柱（Dmin作用于左柱）；吊车水平荷载Tmax作用于左、右柱，方向由左向右；吊车水平荷载Tmax作用于左、右柱，方向由右向左；风荷载（Fw、q1、q2），方向由左向右；风荷载（Fw、q1、q2），方向由右向左。
7.2 排架结构荷载及内力计算
单跨排架在恒荷载及屋面活荷载作用下的内力计算
1.
单跨排架在恒荷载F1、F2、F3、F4及屋面活荷载F6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7-22所示的简图计算内力。
图7-22 单跨等高排架计算简图
（无轴向变形的刚性连杆）
7.2 排架结构荷载及内力计算
根据对排架上的荷载分析可知，F1对上柱及下柱截面均有偏心，F6对上、下柱也有偏心且偏心距与F1相同，F2、F4对下柱截面也有偏心，在计算中可将F1、F2、F4及F6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M1和M2。由于F1、F2、F3、F4及F6作用于柱截面形心时只引起柱的轴向力，不引起弯矩和剪力，所以可按图7-23所示简图计算柱截面的弯矩和剪力。
图7-23 力矩M1、M2作用下的计算简图
7.2 排架结构荷载及内力计算
单跨排架在风荷载及吊车荷载作用下的排架内力计算
2.
在风荷载及吊车荷载作用下，单跨排架属于荷载不对称的情况，可视为柱顶有侧移的排架进行内力计算，计算简图如图7-24所示。
图7-24 单跨等高排架计算简图（柱顶有侧移的排架）
7.2 排架结构荷载及内力计算
（1）吊车竖向荷载Dmax(或Dmin)作用下的内力计算。吊车竖向荷载Dmax(或Dmin)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形心的轴向力Dmax(或Dmin)和附加力矩MD，max（或MD，min），按图7-25所示简图分别计算，然后叠加而得。
7.2 排架结构荷载及内力计算
图7-25 Dmax和Dmin分别作用下的计算简图
(a)Dmax作用在-柱（b）Dmin作用在-柱
7.2 排架结构荷载及内力计算
例如，当MD，max作用在?柱时［见图7-26（a）］，其排架柱的内力可由图7-26（b）和图7-26（c）的内力叠加得到。
图7-26 MD，max作用在?柱时的内力计算
7.2 排架结构荷载及内力计算
（2）吊车水平荷载作用下的排架内力计算。在吊车水平荷载Tmax作用下［见图7-27（a）］，其排架柱的内力可由图7-27（b）和图7-27（c）的内力叠加得到。
图7-27 吊车水平荷载作用下的排架内力计算
7.2 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Fw、q1、q2作用下的计算简图可由图7-28（a）、（b）叠加而得。其中，图7?28（a）可分解为Fw、q1、q2分别作用时的受力情况，如图7-29所示。
图7-28 风荷载作用下的排架内力计算
7.2 排架结构荷载及内力计算
图7-29 Fw、q1、q2分别作用时的受力情况
7.2 排架结构荷载及内力计算
7.2.4
排架结构的控制截面和内力组合
控制截面
1.
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，上柱各截面均相同，通常上柱底部截面Ⅰ—Ⅰ的内力最大(见图7-30)，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在吊车竖向荷载作用下弯矩最大，柱底截面Ⅲ—Ⅲ在风荷载和吊车水平荷载作用下弯矩最大，如图7-30所示。下柱的纵向钢筋按Ⅱ—Ⅱ截面和Ⅲ—Ⅲ截面中钢筋用量大者配置。柱底Ⅲ—Ⅲ截面的内力值也是设计柱下基础的依据。
7.2 排架结构荷载及内力计算
图7-30 单阶排架柱的控制截面
7.2 排架结构荷载及内力计算
内力组合
2.
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。其中，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对截面最不利的具体搭配，需要通过内力组合才能确定。对排架柱各控制截面，一般应考虑四种内力组合：第一种是+Mmax及相应的N、V，第二种是-Mmax及相应的N、V，第三种是Nmax及相应的M、V，第四种是Nmin及相应的M、V。
7.2 排架结构荷载及内力计算
在这四种内力组合中，第一、二、四种是以构件可能出现大偏心受压破坏进行组合的；第三种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，还需注意以下问题：
7.2 排架结构荷载及内力计算
（1）恒荷载必须参与每一种组合。
（2）吊车竖向荷载Dmax可分别作用于左柱和右柱，只能选择其中一种参与组合。
（3）吊车水平荷载Tmax的作用方向有向左和向右两种，只能选择其中一种参与组合。
（4）风荷载的作用方向有向左和向右两种，只能选择其中一种参与组合。
（5）组合Nmax或Nmin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。
7.2 排架结构荷载及内力计算
（6）在考虑吊车横向水平荷载Tmax时，该跨必然相应作用有该吊车的竖向荷载Dmax（或Dmin），即“有T必有D”；但在考虑吊车荷载Dmax（或Dmin）时，该跨不一定相应作用有该吊车的横向水平荷载，即“有D不一定有T”。

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