第3讲(18)单层排架.ppt
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1、1,混凝土结构设计 张耀庭 华中科技大学土木工程与力学学院 结构教研室 2009.1-2013.3,2,第12章 单层厂房排架结构,12.1 单层厂房的结构型式、组成与布置,12.2 排架结构分析,12.3 排架柱设计,12.4 柱下独立基础设计,12.5 屋面构件,12.6 吊车梁设计要点,3,12.1.1 单层工业厂房的结构种类,按结构材料,砌体混合结构(,钢结构,钢筋混凝土结构,),),(,12.1 单层厂房的结构型式、组成与布置,钢混凝土混合结构,4,单层厂房应用范围:在工业厂房中有单层、多层等不同结构型式,对于中型工业厂房:如冶金、机械、金属加工、飞机制作等,其生产过程和范围都较为庞
2、大,大型设备均需直接安装在地面上使用,因此,一般采用单层结构型式。 单厂结构的主要特点:横向跨度大;一般有大型天车(吊车)运行,局部动荷载影响大;层高较大;因生产工艺要求,室内较空旷。 钢筋混凝土结构型式:装配式排架结构是当前应用最广的一种结构型式,一般由屋面梁或屋架、柱及基础等构件组成;装配式门式结构,通常梁柱连为一体,柱与基础采用铰结或刚结,亦可做成三铰门架型式。,5,单厂设计,12.1 组成与布置,12.1 .1结构种类,等高排架,不等高排架,锯齿型排架,6,a.三铰刚架;b.两铰刚架;c.弧形刚架; d.弧形或工字型空腹刚架,7,8,9,柱网的布置应符合厂房建筑模数协调标准GBJ6-6
3、8 跨度在18M和18M以下时,采用30M的模数; 跨度在18M以上时,采用60M的模数;,10,11,12.1.2 单层排架结构组成,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)屋架下弦横向支撑,14)屋架垂直支撑,15)柱间支撑,12,单层厂房排架结构通常由下列结构构件组成并相互连接成整体: 1.屋盖结构:由屋面板(包括天沟板)、屋架或屋面梁(包括屋盖支撑)组成,有时还有天窗架和托架等。可分为无檩和有檩两种屋盖体系,将大型屋面板直接支承在屋架或屋面梁上的,称为无檩屋盖体系;将小
4、型屋面板或瓦材支承在檩条上,再将檩条支承在屋架或屋面梁上的,称为有檩屋盖体系。屋面板起维护作用并承受作用在板上的荷载,再将这些荷载传至屋架或屋面梁;屋架或屋面梁是屋面承重构件,承受屋盖自重、屋面板传来的活荷载,并将这些荷载传至排架柱。天窗架支承在屋架或屋面梁上,也是一种屋面承重构件。,13,2.横向平面排架:由横梁(屋架或屋面梁)、横向柱列和基础组成,是厂房的基本承重结构。厂房上承受的竖向、横向荷载,均由横向平面排架传至基础。 3.纵向平面排架:由纵向柱列、联系梁、柱间支撑、基础组成,其作用是保证厂房的纵向稳定性和刚性,并承受作用在山墙、天窗端壁、屋盖结构传来的纵向风荷载、吊车纵向水平荷载等,
5、再将其传递至地基。另外,它还承受纵向水平地震作用、温度应力等。 4.吊车梁:一般为装配式,简支在柱的牛腿上,主要承受吊车竖向荷载、横向或纵向水平荷载,并将其传递至横向或纵向平面排架。吊车梁是直接承受吊车动力荷载的构件。,14,5.支撑:包括屋盖支撑、柱间支撑。支撑的作用是加强厂房结构的空间刚度,保证结构构件在安装和使用阶段的稳定和安全,同时起着将风荷载、吊车水平荷载或水平地震作用等传递到相应承重构件的作用。 6.基础:承受柱和基础梁传来的荷载并将它们传至地基。 7.围护结构:包括纵墙、横墙(山墙)及由联系梁、抗风柱(有时还有抗风梁或抗风行架)和基础梁等组成的墙架。这些构件所承受的荷载,主要是墙
6、体和构件的自重以及作用在墙面上的风荷载等。,15,一、柱网布置,柱网的布置应符合厂房建筑模数协调标准GBJ6-68 柱网是竖向承重构件纵横向定位轴线所形成的网格。,柱距应采用6米或6米的倍数,常用6m、12m;,跨度在18米以下采用3米的倍数(扩大模数30M数列);在18米以上采用6米的倍数,工艺布置有明显优越性时也可用3米倍数。常用的有:12、15、18、21、27、30、33、36米。,12.1.3 单层排架结构布置,单厂设计,12.1 组成与布置,12.1 .1结构种类,12.1 .2结构组成,12.1 .3结构布置,16,二、定位轴线,墙、边柱与纵向定位轴线的关系:,柱距6米、无吊车或
7、,边柱外缘和墙内缘与纵向定位轴线重合,称封闭结合。,单厂设计,12.1 组成与布置,12.1 .1结构种类,12.1 .2结构组成,12.1 .3结构布置,17,中柱与纵向定位轴线的关系:,等高跨,上柱中心线与纵向轴线重合,18,墙、柱与横向定位轴线的关系:,柱,伸缩缝和端部处,一般部位处柱中心线与轴线重合,500,500,500,墙,非承重墙:墙内缘与轴线重合,承重墙:,墙内缘与轴线的距离为半砖或半砖的倍数。,19,在厂房端部横向定位轴线与山墙边缘重合,将山墙内侧第一排柱中心内移500mm;伸缩缝两边的中心线向两边移动500mm.,20,三、变形缝设置,伸缩缝,横向伸缩缝一般采用双柱;纵向伸
8、缩缝一般采用单柱。,沉降缝,一般不设。下列情况之一设:,相邻部位高差很大; 相邻跨吊车起重量悬殊; 下卧土层有很大变化; 各部分施工时间相差很长。,抗震缝,当厂房平、立面布置复杂或结构高度、刚度相差很大时设置。,21,22,四、厂房的剖面布置,高度,自室内地面至柱顶的高度应为300的倍数;,自室内地面至牛腿的高度应为300的倍数;,自室内地面至吊车轨道的标志高度应为600的倍数。,净空,23,五、支撑布置,柱间支撑,作用:保证厂房纵向排架的刚度和稳定;将水平荷载传至基础。,位置:伸缩缝区段中央或临近中央。 当有下列条件之一时需设置柱间支撑:厂房内设有悬挂吊车或3t及以上悬挂吊车;有重级工作制吊
9、车,或有10t以上的中级、轻级工作制吊车;跨度18m以上或柱高8m以上;纵向柱列总数7根以下;露天吊车栈桥的柱列。,24,位置:伸缩缝区段两端。,屋架下弦横向水平支撑,作用:将屋架下弦受到的水平力传至柱顶。,六、抗风柱、圈梁、连系梁、过梁和基础梁布置,25,26,27,抗风柱: 单厂山墙受风面积大,设置抗风柱可将山墙分成区格,使墙面受到的风荷载,在近纵向柱列区格直接传至纵向柱列,另一部分传递给抗风柱,再由抗风柱下端直接传至基础,而上端则通过屋盖系统传至纵向柱列。 抗风柱上柱宜采用矩形截面,截面尺寸不宜小于350300mm,下柱宜采用矩形或工字形截面,当柱较高时也采用双肢柱。 用砌体作为厂房的维
10、护结构时,一般要设置圈梁、联系梁、过梁及基础梁。 圈梁: 将墙体与厂房柱箍在一起,其作用可增加房屋的整体刚度,防止由于地基不均匀沉降或较大振动荷载对厂房的不利影响。 布置原则:对无吊车厂房,当墙厚小于等于240mm、檐口标高为58m时,应在檐口附近布置一道,当檐口标高大于8m时,宜增设一道;对有吊车或较大振动设备的厂房,除在檐口或窗顶布置圈梁外,尚宜在吊车梁标高处或其它适当位置增设一道,当外墙高度大于15m时还应适当增设。圈梁截面宽度宜与墙厚相同,当墙厚大于240mm时,其宽度不宜小于120mm,圈梁的纵向钢筋不宜小于 ,钢筋的搭接长度为1.2 ,箍筋间距不大于250mm。,28,联系梁:联系
11、纵向柱列,增强厂房纵向刚度并将风荷载传递到纵向柱列,并承受其上部墙体重力。联系梁一般预制,两端搁置在柱牛腿上,其连接可采用螺栓或焊接。 过梁:作用是承托门窗洞口上墙体重力。 基础梁:基础梁一般直接搁置在柱基础杯口上,当基础埋置深度较深时,放置在基础上面的混凝土垫块上,基础梁底部离地基土表面应预留100mm的孔隙。 联系梁、过梁、基础梁、屋架、屋面梁、吊车梁、支撑、天窗架等,一般均有全国通用图集或定型图集,设计时可直接查用。,29,思考题 1.单层厂房的结构型式主要有几种? 2.单层厂房排架结构主要由哪些结构构件组成? 3.单层厂房排架结构的柱网布置、关键剖面标高尺寸的确定 4.单厂变形缝种类及
12、设置 5.单层厂房支撑的分类、作用及布置方法 6.装配式单层厂房排架结构的抗风柱、圈梁、联系梁、过梁基础梁的布置 装配式排架结构分析计算,包括以下主要内容: 确定排架计算简图;荷载计算;内力分析及内力组合;验算排架水平位移等。,30,思考题 1.装配式钢筋混凝土单层厂房排架结构的计算单元、计算简图如何确定? 2.作用在单层排架上的荷载,在不考虑抗震的情况下,主要荷载有哪些?其值如何确定? 1)各种荷载的大小、方向、作用点如何确定? 2)风荷载如何计算? 3)吊车荷载如何确定?,31,单层工业厂房是由纵横向排架组成的空间结构,为方便设计,一般将其简化为纵、横向平面排架分别进行分析;但除进行抗震和
13、温度应力分析外,纵向平面排架一般不需要进行计算。,12.2 排架结构分析,32,几点说明: 1.装配式单层钢筋混凝土厂房结构实际上是空间结构,由于各横向平面排架及各纵向平面排架之间相互影响较小,所以,近似认为它们各自相互独立工作,简化为平面结构进行计算。 2.纵向平面排架由柱列、基础、联系梁、吊车梁和柱间支撑等组成,由于纵向柱较多,抗侧移刚度大,因此,一般不需要计算。 3.装配式排架结构,预制柱插入杯口基础一定深度,并用细石混凝土将柱与基础浇捣成一体,且地基变形是有限制的,基础的转动很小,因此,将柱下端简化为固结是符合实际的;但在地基土质较差、变形较大或有大面积堆料等比较大的地面荷载时,应考虑
14、基础位移和转动对排架内力和变形的影响。,33,4.屋面梁或屋架两端没有轴向位移,对屋面梁、下弦刚度较大的屋架是适用的,对于组合式屋架或两铰、三铰拱屋架,则应考虑其轴向变形对排架内力和变形的影响,这种情况称为“跨变”,所以,假定(2)没有考虑跨变的情况。 5.计算简图中,柱的计算轴线取上部和下部柱的截面重心的连线,屋面梁或屋架用一根没有轴向变形的刚杆表示。 6.柱总高柱顶标高基础底面标高绝对值基础高度 上柱高柱顶标高轨顶标高轨道高吊 车梁高 7.排架的跨度以厂房的跨度为准。,34,35,三、荷载计算,恒载,屋盖自重,上柱自重,下柱自重,吊车梁及轨道自重,活载,屋面活载,吊车荷载,形式、大小、作用
15、位置、方向。,风荷载,36,37,混凝土结构设计,可靠度的基本概念,结构的功能要求 承载能力要求:结构能承受在正常施工和正常使用 过程中出现的各种作用而不出现承载力不足的状况. 正常使用要求:结构在承受正常使用过程中出现的 各种作用时能良好工作而不出现影响正常使用或适 用性不充分的状况。 整体性要求:结构在偶然事件(火灾、爆炸、撞击 等)发生时及发生后,仍能保持必需的整体稳定性 而不发生连续倒塌。,(2)结构的功能函数 设 表影响结构某一功能的基本变量。则与此功能对应的结构功能函数可表为 考虑结构功能仅与荷载效应 (荷载引起的结构的内力,位移等)和结构抗力 (结构承受荷载效应的能力,如承载能力
16、、刚度、抗裂度等)两个基本变量有关的最简单情况。此时,结构的功能函数可表为,(3)结构的极限状态 (GB50068-2001) 结构的期望状态:结构处于 满足其功能要求的状态.其功能 函数 结构的不期望状态:结构处 于未能满足其功能要求的状态. 其功能函数 结构的极限状态:结构整体或部分超越某一状态 结构就不能满足设计规定的某一功能的要求,此状 态即称为结构该功能的极限状态。其功能函数满足:,(4)极限状态的分类 由结构的功能要求分类: 1.承载能力极限状态(GB50068-2001) 结构或结构构件达到最大承载能力或达到不适于 继续承载的变形.其主要表现有 整个结构或结构的一部分作为刚体失去
17、平衡 (如倾覆等); 结构构件或连接因材料强度被超过而破坏(包 括疲劳破坏),或因过度变形而不适于继续承载; 结构转变为机动体系(机构); 结构或结构构件丧失稳定(如压屈等); 地基丧失承载能力而破坏(如失稳等)。,整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 如:倾覆、滑移 结构构件或连接因材料强度被超过而破坏,或因过度变形而不适于继续承载 如:钢筋混凝土构件:混凝土的抗拉抗压强度、钢筋的屈服强度;大体积混凝土结构,还需要混凝土的多轴强度;钢结构节点的抗剪强度;砌体结构,需要使用砌体的抗压强度、轴心抗拉强度、弯曲抗拉强度和抗剪强度;钢筋混凝土或钢结构的塑性设计中,要控制构件截面的变形不能太大; 结
18、构转变为机动体系(机构) 如:门式钢架形成塑性铰 结构或结构构件丧失稳定 如:欧拉屈曲;压弯构件失稳;薄壁钢构件受压翼缘和腹板失稳;圆柱壳失稳;球面扁壳失稳等; 地基丧失承载能力而破坏 整体剪切、局部剪切、冲切破坏等 结构构件的疲劳破坏 如结构大震作用下的破坏,是低周疲劳破坏;铁路桥梁、厂房吊车梁、海洋平台等,是高周疲劳破坏;,2正常使用极限状态 结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项 规定限值.其主要表现有 影响正常使用或外观的变形; 影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂 缝); 影响正常使用的振动; 影响正常使用的其他特定状态。 3整体性极限状态(抗连续破坏极限状态) 结构由于火灾
19、、爆炸、撞击等事故产生的损坏达 到与初始起因不相称的程度限值。即结构由于局部 损坏而达到其余部分将发生连续破坏(或连续倒 塌)状态限值。(研究中,尚未进入工程实践),影响正常使用或外观的变形 框架梁变形过大;起重机梁的变形过大,卡轨 影响正常使用或耐久性能的局部损坏 裂缝:荷载引起结构性裂缝和非结构裂缝,如:温度、干缩、钢筋锈胀裂缝等 影响正常使用的振动 楼板、桥梁振动过大,约0.5%g的加速度的振动是一般人不能接受的。我国规范尚没有关于振动方面的规定,国外如加拿大、英国都相关的验算规定。 影响正常使用的其他特定状态 取决于结构使用功能与用户要求。,根据结构极限状态被超越后的结构状况分类: 1
20、、不可逆极限状态 当引起超越极限状态的作用被移掉后,仍将永久地保持超越效应的极限状态。即因超越极限状态而产生的结构的损坏或功能失常将一直保持,除非结构被重新修复。 承载力极限状态一般是不可逆的,正常使用极限状态有时可逆有时不可逆。 2、可逆极限状态 产生超越极限状态的作用被移掉后,将不再保持超越效应的极限状态。即因超越结构极限状态而产生的结构损坏或功能失常仅在超越的原因存在时保持。 总之,极限状态的分类没有固定的规则,主要以设计需要为依据。如日本,地震经常发生,所以其建筑及公共设施结构设计基础给出了可恢复极限状态;对于钢桥,车辆反复作用引起的疲劳破坏严重,所以,美国的荷载与抗力系数桥梁设计规范
21、单独列出了疲劳极限状态,在大地震、洪水、车辆、冰流撞击等条件下,该规范还列出了极端事件极限状态。,(5)结构的可靠度 结构失效:结构不能满足对其的功能要求,如结构 或构件中承载力不足或适用性不充分等 结构的可靠性:结构在规定的时间内,在规定的 条件下,完成预定功能的能力. 结构的可靠度:结构在规定时间内,在规定条件 下,完成预定功能的概率. 结构可靠度可表为 结构失效概率可表为 与 间存在互补关系:,(6)结构的可靠指标 假定结构功能函数仅由荷载效应 与构件抗力 组成的简单情况。若 ,则有 。结构失效概率可表为 增大, 也增大,故 反映了结构的可靠程度, 称 之为结构可靠指标, 常用来描述结构
22、的可靠程度。,(7) 的几何意义:结构极限状态方程仅由两个基本随机变量构成的简单情况,假定R、S相互独立并分别服从正态分布,对R,S作标准化变换,显然, 均服从 分布.,用 除上式得,由解析几何知,在标准正态化坐标系 中,上式为极限状态直线的标准法线式方程。 为原点 到极限状态直线的法线距离 (见图2-4)。 为法线对各坐标向量的方向余弦。 的几何意义为标准正态坐标系中原点 到极限状态直线的最短距离。对结构极限状态方程为若干相互独立、正态变量构成非线性方程情况,同样可证明 的合理近似取值为标准正态坐标系中原点 到极限状态曲面的最短距离。,作用分类,作用按照随时间的变化可分为三类(5.2.3条)
23、: 永久作用:在设计基准期内量值不随时间变化或其 变化与平均值之比可以忽略不计。如结构自重、土壤 最重量形成的土压力、预加应力等。 可变作用:在设计基准期内量值随时间而变且其变 化与平均值之比不能忽略。如使用或居住荷载(人 员、设备、家具等)以及风、雪等。 偶然作用:在设计基准期内不一定出现,而一旦出 现其量值很大且持续时间很短。如撞击、爆炸、某地 区罕遇的龙卷风等。 按随空间的变异可分为固定作用和自由作用,按结 构的反应特点可分为静态作用和动态作用,按有无界限 值可分为有界作用和无界作用.,永久作用 自重,预应力,土压力,固定水位的静水压力及浮托力,地应力、围岩压力等 可变作用 屋面楼面活荷
24、载,风荷载,雪荷载,积灰荷载,起重机荷载,堆荷荷载,运输机械荷载,汽车荷载,铁路荷载,缆车荷载,船泊荷载,波浪力,冰荷载,施工荷载,汽车冲击力、离心力等 偶然作用 撞击、火灾、煤气爆炸,天然气爆炸,船只撞击力,车辆脱轨,滑坡,泥石流等 地震作用 以前将地震作用列为偶然作用,我国工程结构可靠性设计统一标准、欧洲规范结构设计基础(EN1990:2002)中将其单独列出。地震作用与偶然作用有相似特征,如出现的可能性小,一旦出现量值很大,且地震的发生是一种自然现象,可以根据多年的记录资料进行统计分析等。但是,地震对结构的作用与持久、短暂和偶然状况不同,这三种状况下,结构所受外部作用均与结构本身无关,而
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