第十二章+單層工業(yè)廠房

第十二章單層工業(yè)廠房單層工業(yè)廠房的橫向承重結(jié)構(gòu)通常分為排架結(jié)構(gòu)和剛架結(jié)構(gòu)兩大類。單層廠房的排架結(jié)構(gòu)按主要受力構(gòu)件所用材料不同，可以分為混合結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兩大類?；旌辖Y(jié)構(gòu)可以細分為鋼筋混凝土磚排架以及鋼和鋼筋混凝土排架。鋼筋混凝土磚排架是指由鋼筋混凝土屋面板、磚柱和基礎(chǔ)組成的排架體系。鋼和鋼筋混凝土排架是由鋼屋架、鋼筋混凝土柱和基礎(chǔ)組成的排架體系。鋼筋混凝土排架是由鋼筋混凝土屋面梁或屋架、柱基礎(chǔ)組成的排架體系。我們看到工業(yè)廠房中主要采用排架結(jié)構(gòu)，剛架結(jié)構(gòu)適用范圍有限。在排架結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)排架是使用最為普遍的形式。第一節(jié)單層工業(yè)廠房排架結(jié)構(gòu)的組成一、單層工業(yè)廠房的組成及主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選型

單層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)體系主要由屋蓋結(jié)構(gòu)、柱和基礎(chǔ)三大部份組成。屋蓋結(jié)構(gòu)根據(jù)屋架上是否設置檁條可分為有檁體系和無檁體系兩種。二、主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件及選型（一）屋蓋結(jié)構(gòu)在屋面結(jié)構(gòu)中，屋面板用量最多，常用的屋面板包括如下幾種:預應力混凝土屋面板預應力混凝土F形板預應力混凝土單肋板屋面適用坡度1/3～1/4屋面梁和屋架是屋蓋結(jié)構(gòu)中最主要的承重構(gòu)件，常用的屋面梁和屋架如下：預應力混凝土單坡屋面梁預應力混凝土雙坡屋面梁鋼筋混凝土兩鉸拱屋架鋼筋混凝土三鉸拱屋架鋼筋混凝土折線形屋架預應力混凝土折線形屋架預應力混凝土折線形屋架（二）吊車梁吊車梁是支承在牛腿柱上用以來安裝吊車軌道確保吊車安全可靠地在廠房縱向和橫向運行的梁，它承受吊車起重瞬間和運行時產(chǎn)生的動荷載，將縱向剎車制動力和橫向剎車力有效傳給廠房排架體系；在連接各個排架確保廠房空間整體性方面具有重要作用。常用的吊車梁如下：鋼筋混凝土吊車梁先張法預應力混凝土等截面吊車梁后張法預應力混凝土吊車梁后張法預應力混凝土魚腹式吊車梁后張法預應力混凝土魚腹式吊車梁（三）柱是廠房結(jié)構(gòu)中主要的受力構(gòu)件之一，承受屋蓋結(jié)構(gòu)、吊車梁、連系梁、圈梁、支撐體系和自重等傳來的全部豎向荷載，并傳至基礎(chǔ)。（四）支撐支撐體系中包括屋蓋支撐及柱間支撐兩大類。屋蓋支撐的作用主要是保證施工階段屋架就位后的安全；柱間支撐的主要作用是平衡廠房縱向排架體系傳來的水平力。

（五）基礎(chǔ)基礎(chǔ)不但承受柱傳來的上部荷載，還承受壓在杯口頂面上的基礎(chǔ)梁傳來的墻體荷載，并將這些荷載傳至地基最終擴散到大地。單層工業(yè)廠房基礎(chǔ)常用的類型主要為柱下獨立杯形基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)兩類。（六）圍護結(jié)構(gòu)單層工業(yè)廠房的圍護結(jié)構(gòu)主要是指山墻、外縱墻、山墻抗風柱、連系梁和基礎(chǔ)等。

第二節(jié)單層工業(yè)廠房的受力特性一、橫向排架如圖所示，縱向排架自上而下依次由天窗屋面板、天窗架、屋面板、屋架、屋架支撐排架柱、連系梁、基礎(chǔ)梁和基礎(chǔ)等組成。1.屋蓋結(jié)構(gòu)承受的永久荷載由結(jié)構(gòu)構(gòu)件和裝飾構(gòu)造部分的自重引起；可變荷載在屋面上可能出現(xiàn)在北方地區(qū)的雪荷載，有動力車間周圍的廠房屋面的積灰荷載。施工階段的施工荷載、試用階段的檢修荷載，坡屋面的風荷載等。2.排架柱承受屋架傳來的屋蓋結(jié)構(gòu)承受的全部荷載，包括豎向壓力和柱頂?shù)乃酵屏Γ挥傻踯嚵簜鱽淼呢Q向壓力和橫向水平推力，柱的自重引起的永久荷載，連系梁、墻體和自重引起的永久荷載；迎風墻面和背風墻面的風壓力和風的吸力，地震等偶然事件發(fā)生后產(chǎn)生的橫向地震作用等。

二、縱向排架?？v向排架由廠房縱向柱列、柱間支撐、連系梁、吊車梁及基礎(chǔ)組成。它主要承受山墻承受的大風荷載和吊車縱向運行中的剎車制動慣性作用；當?shù)卣鸢l(fā)生后可以抵御縱向地震作用力產(chǎn)生的破壞作用?？v向柱列中柱的數(shù)量多、廠房長度長，一般縱向排架剛度較大，受力性能要遠好于橫向排架。第三節(jié)廠房結(jié)構(gòu)布置一、結(jié)構(gòu)構(gòu)配件的作用支撐的作用不僅在于傳遞廠房結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，增加廠房整體性，而且在保證屋架安裝時的穩(wěn)定和安全性方面也具有很重要的作用。支撐按所處的位置分為屋蓋支撐和柱間支撐兩類，按和水平面的夾角大小分為水平支撐和垂直支撐，按支撐的走向分為縱向支撐和橫向支撐，按截面和組成分為支撐和系桿。

1.上弦橫向支撐一般在屋架的上弦沿著相鄰屋架每隔一個節(jié)點交叉設置，因大致和水平面平行，所以稱為上弦橫向水平支撐。作用：傳遞由山墻抗風柱傳來的水平風荷載直到縱向排架體系，提高屋蓋結(jié)構(gòu)的整體性，可有效減少屋架上弦桿件平面外的計算長度。設置位置：一般位于廠房兩端離開山墻的第二柱距內(nèi)，也可在離開變形縫的第二柱距內(nèi)設置。

2、下弦橫向支撐一般在屋架的下弦沿著相鄰屋架每隔一個節(jié)點交叉設置，因和水平面基本平行，所以稱為下弦橫向水平支撐。作用：傳遞由山墻抗風柱傳來的水平風荷載到縱向排架體系，提高屋蓋結(jié)構(gòu)的整體性，可有效減少屋架下弦桿件平面外的計算長度。設置：設置位置與上弦橫向水平支撐在同一柱距內(nèi)。當廠房吊車起重量大，振動荷載大時，均應設置屋架下弦橫向水平支撐。

3、下弦縱向支撐下弦縱向支撐因和水平面基本平行，所以稱為下弦縱向水平支撐。作用：提高屋蓋結(jié)構(gòu)的整體性、增加屋蓋的剛度，保證房屋橫向受到的力在各個縱向布置的排架中的分布，增加橫向排架桿件的工作性能。設置：一般在屋架的下弦沿著兩側(cè)靠近屋架支座的縱向或屋架下弦的的中部縱向拉通布置。4、天窗架支撐通常天窗實際上是廠房屋面局部升高后用于通風和采光的側(cè)窗。它是屋蓋的重要組成部分。天窗架的穩(wěn)定性和傳力的可靠性也直接影響支承它的屋架，所以它的支撐其實就是屋面支撐的延續(xù)。天窗架支承包括天窗架上弦水平支撐和天窗間水平支撐。作用：將天窗端壁承受的水平風荷載傳至屋架；增加天窗系統(tǒng)的整體剛度。設置：天窗兩端的第一柱間應設置天窗架的上弦橫向支撐和垂直支撐，天窗架支撐與屋架上弦支撐應盡可能設置在同一柱距內(nèi)，一般天窗架是從廠房第二柱距開始設置。

5、垂直支撐和水平系桿垂直支撐和系桿設置在相鄰兩榀屋架之間，對于確保屋架施工階段的安全和傳遞水平縱向力，提高屋架整體性都有著直接作用。作用：垂直支撐可保證屋架在安裝和使用階段的側(cè)向穩(wěn)定，防止屋架在安裝階段的傾覆；廠房投入使用后可增加廠房的整體剛度。上弦水平系桿可保證上弦的側(cè)向穩(wěn)定性，防止上弦桿件局部失穩(wěn)；下弦水平系桿可防止由吊車或其他振動影響產(chǎn)生的下弦側(cè)向顫動。設置：1）設有天窗時，應沿屋脊設置一道通常鋼筋混凝土受壓水平系桿。2）廠房寬度大于等于18m時，應在伸縮縫區(qū)段兩端第一或第二柱間設一道跨中垂直支撐；當廠房跨度大于等于30m時應設兩道對稱的垂直支撐。3)對梯形屋架或端部豎桿較高的折線形屋架，除按上面的要求設置垂直支撐和水平系桿外，還應在屋架的端部設置垂直支撐和水平系桿。

6、柱間支撐柱間支撐一般設置在房屋的縱向柱列之間，故稱為柱間支撐。它分為上部柱間支撐和下部柱間支撐，上部柱間支撐設置在吊車梁的上部，下部柱間支撐設置在吊車梁以下。一般情況下柱間支撐為交叉鋼拉桿組成（俗稱剪刀撐），當由于通行等原因不能設置交叉剪刀撐時，可采用門式支承。作用：上部柱間支撐用以承受山墻水平風荷載的作用；下部柱間支撐用以承受它上部屋架支承傳來的水平力和吊車縱向剎車時的制動力，并將這些水平力傳至基礎(chǔ)；柱間支撐還可以增加廠房縱向剛度提高廠房縱向穩(wěn)定性。設置：柱間支撐一般設置在廠房伸縮縫區(qū)段的中部，當溫度變化時，廠房可向兩端自由伸縮，以緩解溫度應力的影響。上部的柱間支撐一般設置在廠房兩端第一個柱距內(nèi)，以便能直接傳遞山墻風荷載。7、抗風柱作用：單層工業(yè)廠房山墻高度高，迎風面積大，受到的風荷載也大。為了有效傳遞山墻受到的風荷載，一般需要設置抗風柱將山墻分成幾個區(qū)格，以便使墻面受到的風荷載一部分直接傳給縱向柱列；另一部分則經(jīng)抗風柱上端通過屋蓋結(jié)構(gòu)傳給縱橫向柱列并經(jīng)柱間支撐傳給基礎(chǔ)。設置：1）當廠房高度和跨度均不大（如柱頂高度在8m以下，跨度為9～12m時），可采用磚柱和墻體一起砌筑作為抗風柱；2）當廠房高度和跨度均較大時，一般都采用設在山墻內(nèi)側(cè)的鋼筋混凝土抗風柱。8、圈梁、連系梁、過梁和基礎(chǔ)梁（1）圈梁作用：圈梁在混合結(jié)構(gòu)的墻體內(nèi)封圈澆注，它的作用將廠房的墻體和廠房柱箍在一起，以增加廠房的整體性和空間剛度，防止由于地基不均勻沉降或較大振動作用對廠房產(chǎn)生的不利影響。圈梁與柱通過鋼筋拉結(jié)，圈梁是墻體的組成部分，不承受墻體荷載，柱上不設置支承圈梁的牛腿。設置：圈梁的布置與墻體高度、對廠房的剛度要求及地基情況有關(guān)。（2）連系梁連系梁的作用是聯(lián)系縱向柱列，以增強廠房的縱向剛度并將風荷載傳給縱向柱列，此外，連系梁還承受其上墻體的自重。（3）過梁是承托門、窗洞口上部墻體重力的荷載的梁。過梁的設計與民用建筑中的過量相同。（4）基礎(chǔ)梁基礎(chǔ)梁的作用是承受維護墻體的重力荷載，因支承在基礎(chǔ)頂面所以叫基礎(chǔ)梁。第四節(jié)單層工業(yè)廠房排架內(nèi)力計算一、概述通常從廠房中部選擇一榀排架作為研究基本單元，即假想將該排架以相鄰柱距1/2處切開，忽略構(gòu)件之間的連接和相互影響，簡化成為排架結(jié)構(gòu)。對于變截面排架柱，一般以牛腿頂面為界將柱劃分為上柱和下柱。

二、荷載計算通常情況下排架柱頂承受屋蓋系統(tǒng)傳來的豎向作用，包括屋蓋中各構(gòu)件自重，及中等屋面承受的雪荷載、積灰荷載、施工檢修和荷載等，牛腿頂面承受吊車梁引起的偏心豎向作用，以及上柱和下柱自重。大風和地震發(fā)生后，排架柱還要承受水平方向的風荷載和水平地震作用的影響。廠房電車分為梁式吊車和橋式吊車。此處，以橋式吊車的受力為討論對象，分析吊車荷載的計算。1、水平方向的吊車荷載吊車除沿廠房縱向運行時會產(chǎn)生縱向剎車慣性作用外，在橋架的軌道上運行的小車還會引起沿廠房橫向的慣性力并通過吊車軌道傳給吊車梁和橫向排架。2、豎向吊車荷載橋式吊車的四個行輪在吊車軌道頂面豎向給吊車梁施加壓力，吊車梁將豎向荷載通過牛腿傳到排架柱。由于電車提起的重物自重可變，小車在橋架里軌道上的位置也可隨時變化，對排架柱施加所施加的作用效應就是可變的。排架柱設計時就是要找出產(chǎn)生最不利內(nèi)力的荷載布置方式作為計算依據(jù)。3、吊車水平荷載如前所述，橋架縱向運行的制動慣性力，以及在橋架里軌道上運行的小車橫向剎車或啟動制動均會對排架產(chǎn)生縱向及橫向作用。三、排架內(nèi)力計算1、等高排架內(nèi)力計算由于等高排架在水平荷載作用下，各柱頂?shù)奈灰葡嗟龋谂偶苤袃?nèi)力的分配就根據(jù)柱的抗側(cè)移剛度的大小分配。（1）在柱頂集中荷載作用下在柱頂集中荷載作用下，各柱頂集中剪力按下式計算：（2）在任意水平荷載作用下任意水平荷載作用下，等高排架內(nèi)力計算，可按以下三步進行：1）在有荷載作用的排架柱頂假想加上不動鉸支座，并分別求出各排架柱的頂不動鉸支座中的反力；2）將1)中求出的各柱頂不動鉸支座中的反力之和反向施加于排架柱頂，按柱頂承受集中水平荷載的等高排架求出各排架柱的內(nèi)力；3）將1）與2）計算結(jié)果疊加，即可得出排架柱頂?shù)膶嶋H剪力。上述步驟與砌體結(jié)構(gòu)中求解彈性方案房屋排架柱內(nèi)力的思路和方法相似。2、不等高排架內(nèi)力計算不等高排架在任意荷載作用下，各跨柱頂?shù)奈灰撇坏?，一般用力法求解其?nèi)力。四、內(nèi)力組合控制截面對于牛腿柱，上柱底部截面內(nèi)力最大為其控制截面。對于下柱，牛腿頂面和柱底截面內(nèi)力較大，是其控制截面。

2、荷載組合荷載組合就是分析各種荷載同時出現(xiàn)的可能性，以便把各控制截面所對應的內(nèi)力相結(jié)合

3、內(nèi)力組合內(nèi)力組合是在荷載組合的基礎(chǔ)上，組合出各控制截面的最不利內(nèi)力。承載能力極限狀態(tài)計算時，應應采用荷載效應基本組合；按支撐使用極限狀態(tài)驗算時，應根據(jù)不同情況采用標準組合或準永久組合。第五節(jié)單層工業(yè)廠房排架柱設計一、柱的截面形式根據(jù)以往經(jīng)驗，柱的截面形式包括：單肢柱和雙肢柱兩類，單肢柱按截面不同分為矩形、工字型和管柱等幾種。雙肢柱根據(jù)截面不同和截面構(gòu)成的不同又可分為平腹桿、斜腹桿、斜腹桿管柱，平腹桿管柱。二、柱截面設計柱界面設計步驟為：（1）確定柱的計算長度（l0）；（2）柱的配筋計算；（3）柱頂?shù)跹b驗算。1、確定柱頂計算長度規(guī)范給定的柱計算長度取值如表12—6所示。2、柱的配筋計算柱承受的內(nèi)力有M、V和Ｎ，因此柱配筋計算時上柱和下柱都是偏心受壓構(gòu)件，并選取柱的三個控制截面的最不利內(nèi)力。3、柱的吊裝驗算單層工業(yè)廠房排架柱需要根據(jù)施工或運輸過程可能的受力情況進行驗算，防止柱在安裝時可能發(fā)生的破壞。一般柱的起吊，采用的是平吊或翻身吊，為了便于施工，應盡量采用平吊的施工方法。但當采用平吊較多的增加柱的配筋時，可以考慮采用翻身吊。排架柱吊裝方法如圖12—24所示。翻身吊起吊的瞬間新增加的內(nèi)力和柱內(nèi)配筋一致，一般不會發(fā)生問題，所以可以不進行驗算。平吊時吊點選擇在牛腿的下緣處，內(nèi)力計算時要考慮吊裝時的動力系數(shù)1.5。

三、牛腿設計1、牛腿尺寸的確定牛腿的寬度與柱相同，高度可先假定，然后以使牛腿在正常使用時確保不開裂為目的，按下式驗算以確定其截面高度：牛腿的外邊緣高度應符合圖12—25的要求，即h1不應小于h/3，且不小于200mm.

2.牛腿的配筋（1）縱向受力鋼筋牛腿中縱向受力鋼筋應沿牛腿頂部配置。其所需的截面面積應按下式計算：

（2）水平箍筋與彎筋基本要求牛腿應設置水平箍筋，箍筋直徑6~12mm，間距為100~150mm；在上部范圍內(nèi)的箍筋總截面積不宜小于承受豎向力的受力鋼筋截面面積的1/2。3、牛腿的局部受壓承載力驗算《規(guī)范》規(guī)定:牛腿頂面上，豎向壓力所引起的局部壓應力不應超過0.75，即滿足公式（12—11）的規(guī)定：4、牛腿的構(gòu)造規(guī)定（1）沿牛腿頂面配置的縱向受力鋼筋，宜采用HRB400級或HRB500級熱軋帶肋鋼筋。全部縱向受力鋼筋及彎起鋼筋宜沿牛腿外邊緣向下伸入下柱內(nèi)150mm后截斷，如圖12—24所示。（2）承受豎向力所需的縱向受力鋼筋的配筋率不應小于0.2%及0.45ft/fy，也不宜大于0.6%，鋼筋數(shù)量不宜少于4根直徑12mm的鋼筋。（3）當牛腿的剪跨比不小于0.3時，宜設置彎起鋼筋。彎起鋼筋宜采用HRB400級或HRB500級熱軋帶肋鋼筋，并宜使其與集中荷載作用點到牛腿斜邊下端點連線的交點位于牛腿上部l/6~l/2之間的范圍內(nèi)，為該連線的長度，如圖12—25。第六節(jié)柱下鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)

單層工業(yè)廠房柱下獨立基礎(chǔ)通常采用階形基礎(chǔ)或錐形基礎(chǔ)兩種?；A(chǔ)底面尺寸1、軸心受壓柱下基礎(chǔ)軸心受壓柱的基礎(chǔ)底面一般均為雙軸對稱截面，所以，基礎(chǔ)底面上承受的地基土的反力為均勻分布。設計時要求基礎(chǔ)底面的壓應力標準值不超過修正后地承載力特征值。若取基礎(chǔ)及以上土的平均重度為，基礎(chǔ)埋深為d，則，帶入式（12—12）中可得到軸心受壓基礎(chǔ)底面面積的計算公式：當A確定后可以根據(jù)基礎(chǔ)受力的實際選用矩形或正方形，就對正方形基礎(chǔ)，可按公式求得基礎(chǔ)邊長。2、偏心受壓基礎(chǔ)偏心受壓基礎(chǔ)是由于上部排架柱傳來的內(nèi)力除有豎向壓力外還有偏心彎矩作用在基礎(chǔ)底面上，兩種內(nèi)力的合力使得基礎(chǔ)底面上壓力分布不均勻，如圖12—27所示。

偏心受壓基礎(chǔ)底面積及其尺寸的確定，應按下列步驟進行：按軸心受壓基礎(chǔ)確定基礎(chǔ)底面積的公式（12—13）確定基礎(chǔ)底面積，并暫定為：取偏心受壓基礎(chǔ)基底估算面積為：取基礎(chǔ)，一般取1.5，確定b和l；按下列公式進行基底壓應力驗算，并應使基礎(chǔ)邊緣最大壓應力標準值滿足式（12—14）與式（12—15）的要求，不滿足時調(diào)整基礎(chǔ)底面尺寸，直到滿足為止。

二、基礎(chǔ)高度確定基礎(chǔ)高度時，應滿足沖切承載力、抗剪承載力及相關(guān)的構(gòu)造規(guī)定。通?；A(chǔ)高度由沖切承載力控制。通常是按經(jīng)驗和構(gòu)造規(guī)定假定，然后根據(jù)沖切力承載力驗算，當不滿足公式（12—17）時，調(diào)整，直到滿足要求?，F(xiàn)行國家標準《建筑地基基礎(chǔ)設計規(guī)范》規(guī)定：對矩形截面柱的矩形基礎(chǔ)，應驗算