1、单层工业厂房设计单层工业厂房设计主讲：马广东 如果说单层厂房是一个满足工业生产过程中各种需求的建筑空间，那么单层如果说单层厂房是一个满足工业生产过程中各种需求的建筑空间，那么单层厂房结构是这个建筑空间中的承重骨架。它即用来形成生产需要的高大空间，又厂房结构是这个建筑空间中的承重骨架。它即用来形成生产需要的高大空间，又用来承受由于生产活动和自然现象而形成的各种荷载用来承受由于生产活动和自然现象而形成的各种荷载。 概括来说，单层厂房结构和下列几种生产需要有着密切的关系：概括来说，单层厂房结构和下列几种生产需要有着密切的关系： 四、防止生产过程中产生有害因素的需要四、防止生产过程中产生有害因素的需要
2、 例如生产过程中有撞击和振动时，厂房结构要具有防震、隔震的措施；例如生产过程中有撞击和振动时，厂房结构要具有防震、隔震的措施；生产过程中有爆炸的可能时，要多开门窗并采取轻型墙体和屋面结构；生产生产过程中有爆炸的可能时，要多开门窗并采取轻型墙体和屋面结构；生产过程中会产生侵蚀性气体时，结构构造要提高抗裂性能和增设防腐措施等。过程中会产生侵蚀性气体时，结构构造要提高抗裂性能和增设防腐措施等。 第一章第一章 单层工业厂房的组成和布置单层工业厂房的组成和布置有檩体系屋盖无檩体系屋盖单层工业厂房效果图横向平面排架纵向平面排架（1）横向排架结构体系）横向排架结构体系屋面荷载屋面荷载屋面板屋面板天窗架天窗架
3、屋架屋架吊车竖向荷载吊车竖向荷载柱柱吊车梁吊车梁纵墙纵墙墙梁墙梁基础基础基础梁基础梁地基地基吊车梁吊车梁吊车横向水平荷载吊车横向水平荷载天窗架天窗架屋面板屋面板柱柱纵墙、墙梁纵墙、墙梁基础基础地基地基横向风荷载横向风荷载屋架屋架吊车梁吊车梁天窗端壁天窗端壁屋架屋架柱柱山墙、墙梁山墙、墙梁地基地基纵向风荷载纵向风荷载天窗架天窗架吊车纵向水平荷载吊车纵向水平荷载基础基础抗风柱抗风柱总 结： 本节课主要讲解了单层工业厂房的结构形式和荷载的传力途径。在了解单层工业厂房的结构形式的基础上，应重点掌握单层工业厂房荷载的传力途径。本节知识是后续单层工业厂房结构设计的基础。 1 .3.1 柱网的布置柱网的布置
4、图1 .10 跨度和柱距示意图 1.3.2 定位轴的定位方法定位轴的定位方法 1.3.2.1 横向定位轴线横向定位轴线图1.11 中间柱与横向定位轴线的定位 图1.12 非承重山墙与横向定位轴线的定位 图1.13 承重山墙与横向定位轴线的定位 图1.14 伸缩缝、防震缝处柱与横向定位轴线的定位 1.3.2.2 纵向定位轴线纵向定位轴线图1.15 吊车跨度与厂房跨度的关系 L厂房跨度；S吊车跨度；e吊车轨道中心线至厂房纵向定位轴线的距离 图1.16 边柱与纵向定位轴线的定位 (a)封闭结合；(b)非封闭结合 图1.17 “非封闭结合”屋面板与墙空隙的处理 图1.18 等高跨中柱单柱（无纵向伸缩缝
5、）的纵向定位轴线 图1.19 等高跨中柱单柱（有纵向伸缩缝）的纵向定位轴线 1 .3.3 变形缝的设置变形缝的设置1 .3.4 支撑的布置支撑的布置图1 .20 有檩屋盖体系厂房支撑作用示意图 1 .3.3.1 屋盖支撑屋盖支撑图1 .21 横向水平支撑布置图 图1 .22 纵向水平支撑布置 图1 .23 斜撑式垂直支撑 图1 .24 天窗架上弦横向 1 .3.3.2 柱间支撑柱间支撑图1 .25 柱间支撑 1 .3.4 圈梁、连续梁、过梁和基础梁的布置圈梁、连续梁、过梁和基础梁的布置图1 .26圈梁的搭接长度 图1 .27 基础梁的搁置 1 .4.1 单层厂房标准或通用定型构件的选单层厂房标
6、准或通用定型构件的选择方法择方法1.4.1 屋盖结构屋盖结构 图1.28 屋盖结构形式 (a)有檩体系；(b)无檩体系 1.4.1.1 屋盖承重结构屋盖承重结构图1.29 常见的钢筋混凝土屋架形式 (a)三角形；(b)组合式三角形；(c)预应力三角拱；(d)拱形；(e)预应力梯形；(f)折线形 图1.30 钢筋混凝土工字形屋面大梁 图1.31 屋架与柱的连接 (a)焊接方式；(b)螺栓连接方式 图1.32预应力钢筋混凝土托架（G433） (a)托架；（b）托架布置 1.4.1.2 屋盖的覆盖构件屋盖的覆盖构件图1.33 预应力钢筋混凝土屋面板、檐口板、嵌板 (a)屋面板；(b)檐口板；(c)嵌
7、板 表表1.1 屋面板类型表屋面板类型表 图1.34 檩条与屋架的连接 1.4.2 柱、基础及基础梁柱、基础及基础梁1.4.2.1 柱柱图1.35 钢筋混凝土柱类型 (a)矩形柱；(b)工字形柱；(c)预制空腹板工字形柱；(d)单肢管柱；(e)双肢柱；(f)平腹杆双肢柱；(g)斜腹杆双肢柱；(h)双肢管柱 图1.36 柱的外形及尺寸 (a)工字形；(b)双肢柱 图1.37 牛腿的构造要求 图1.38 抗风柱与屋架连接 图1.39 柱子预埋铁件 1.4.2.2 基础基础图1.40 现浇柱下基础 图1.41 预制柱下杯形基础 1.4.2.3 基础梁基础梁图1.42 基础梁与基础的连接 图1.43
8、基础梁搁置构造要求及防冻措施 1.4.3 吊车梁、连系梁及圈梁吊车梁、连系梁及圈梁1.4.3.1 吊车梁吊车梁图1.44 吊车梁的形式 图1.45 吊车梁与柱的连接 图1.46 吊车轨道与吊车梁的连接 图1.47 车挡 1.4.3.2 连系梁连系梁图1.48 连系梁与柱的连接 1.4.3.3 圈梁圈梁图1.49 圈梁与柱子的连接 (a)现浇圈梁；(b)预制圈梁 2.1.1 计算假定和计算简图计算假定和计算简图图2 .1 排架计算单元及计算简图图2 .2 排架计算简图 柱总高H2=柱顶标高+基础底面标高的绝对值初步拟定的基础高度；上部柱高H1=柱顶标高轨顶标高+轨道构造高度+吊车梁支撑处的吊车梁
9、高；上、下部柱的截面弯曲刚度EI1、 EI2，由混凝土强度等级以及预先假定的柱截面形状和尺寸确定。这里I1、I2分别为上、下部柱的截面惯性矩。2.1.2.1 恒荷载恒荷载图2 .3 排架上的荷载 图2 .4 排架在屋面恒荷载作用下的计算简图和柱的内力图 2 .1.2.2 屋面活荷载屋面活荷载2 .1.2.3 吊车荷载吊车荷载图2.5桥式吊车荷载 图2 .6 简支吊车梁的支座反力影响线 max,kmax,k4min,kmin,k4M=DM=Dee图2.7 吊车荷载 图2 .8 吊车横向水平制动力 /图2 .9 吊车纵向水平荷载 4ii=1y2.13图2 .10 吊车梁反力影响线 2 .1.2.4
10、 风荷载风荷载nQsiiz0i=1W=(h )w BkQB 图2 .11 横向排架上的风荷载 2 .1.3 排架的内力计算排架的内力计算2.1.3.1 剪力分配法计算等高排架剪力分配法计算等高排架排架内力分析就是确定排架柱在各种荷载单独作用下各个控制截面上的内力，并绘制各排架柱的弯矩M图、轴力N图及剪力V图。 图2 .12等高排架内力分析 lclcIECHnIEH03331113式中 , , ，C0可由单阶柱柱顶反力与水平位移系数值图中查取。Hu和H分别为上部柱高和柱的总高；Iu、Il分别为上、下部柱的截面惯性矩。luIIn HHnu111330nC图2 .13单阶悬臂柱的抗剪刚度 图2 .1
11、3单阶悬臂柱的抗剪刚度 11110iD图2 .14iiDV0niiniiDV101因为各柱顶水平位移相等，得niiniiDV101而FVnii1则FDnii101所以FFDDViniiii100niiiiDD100式中i称为柱i的剪力分配系数，它等于柱i自身的抗剪刚度与所有柱（包括其本身）总的抗剪刚度的比值。可见，在等高排架中，水平力是按排架柱侧向刚度来分配的，侧向刚度大的排架柱分到的多些，反之少些。图2 .15931013. 2400400121uImm4下部柱截面惯性矩92331085. 5325217525300212350300121600400121lImm4故3 . 0110003
12、30036. 01085. 51013. 299HHIInulu（）kNCHMRkNCHMRAA24. 43 . 1119 .3517.123 . 1111033min3max（ ）因此A柱和B柱的柱顶剪力为： VA,1=RA=-12.17kN() VB,1=RB=4.24kN()kNRRVVBABA97. 324. 417.1221212,2,()4） 叠加（2）和（3）两个状态叠加（2）和（3）两个状态，恢复结构原有受力状况，此时总的柱顶剪力kNVVVkNVVVBBBAAA21. 897. 324. 420. 897. 317.122,1 ,2,1 ,()()相应的内力图（弯矩图和剪力图）
13、如图（d）所示254. 022,1210. 3HHuA、C柱231. 023. 913. 2nB柱452. 023. 917. 4n由附录9中的附图9-1查的A、C柱：mmEECCCCA1693785. 223. 922.12,85. 220B柱：mmEECCCB1672594. 223. 922.12,94. 2200 . 133. 034. 033. 034. 06725169371267251,33. 06725169371269371BCABCA2）计算各柱顶剪力把荷载分成W、q1和q2三种情况，分别求出各柱顶所产生的剪力而后叠加。在各柱顶分别附加水平不动铰支座：kNHqCRA25.
14、822.1287. 1361. 0111()kNHqCRC16. 522.1217. 1361. 0211()在 q1 和q2作用下，B柱没有不动铰支座反力。因此A柱、C柱和B柱的柱顶剪力为： VA,1=RA=-8.25kN()， VC,1=RC=-5.16kN() VB,1=RB=0kN()() 叠加上述两个状态，恢复结构原有的受力状况，即把各柱分配到的柱顶剪力与柱顶不动铰支座反力相加，即得该柱的柱顶剪力：kNVVVkNVVVkNVVVCCCBBBAAA07. 009. 516. 524. 524. 5016. 309. 525. 82,1 ,2,1 ,2,1 ,()()()kNRRWVkN
15、RRWVVCABBCAACA24. 541.1534. 009. 516. 525. 8233. 02 ,2 ,2 ,2 .1.4 排架的内力组合排架的内力组合2.1.4.1 控制载面的选择控制载面的选择图2 .16 柱的控制截面 另外，截面2 .1.4.2 内力组合内力组合2.1.4.3 荷载组合效应荷载组合效应KQQGKGSSS11QiKniQiGKGSSS19 . 0QiKciniQiGKSSS135.1对组合值系数ci，除风荷载仍取c=0.6外，雪荷载和其他可变荷载可统一取c=0.7。应注意，在应用式的组合时，为减轻计算工作量，当考虑以自重为主时，对可变荷载可只考虑与结构自重方向一致的
16、竖向荷载，例如雪荷载、吊车竖向荷载，不考虑水平荷载，例如风荷载、吊车水平荷载。此外，当采用钢结构屋盖时，因屋盖自重较小，故可不考虑由永久荷载控制的组合。2.1.4.4 内力组合注意事项内力组合注意事项内力组合时应注意以下几点：内力组合时应注意以下几点：图2.18给出了对称配筋矩形截面偏心受压构件的截面承载力Nu-Mu的两条相关曲线，它们的截面尺寸及材料都相同，但每一侧纵向受力钢筋的数量不同，AS2AS1。3 .1.1 柱的计算内容柱的计算内容aieNMe/003 . 012. 0eheafeeeeeefNefeNaaiiii00)(121200140011hHhei式中：h和h0柱截面高度和有
17、效高度；H柱的计算长度；1考虑偏心距的变化对截面曲率的影响系数；0 . 17 . 22 . 001hei0.1/5.01NAfcc这里，fc为混凝土抗压设计强度，Ac为柱截面面积，N为设计轴向力；2考虑细长比对截面曲率的影响系数，0 . 1)(01. 015. 102hH)()5.05.0()(0ahfxheNAAyiSS式中：N由荷载设计值算得的设计轴力；fcm混凝土的弯曲抗压设计强度；fy、fy受拉、受压钢筋的屈服强度， fy=fy；As、As受拉、受压钢筋的截面面积， As=As；b、h、h0截面宽度、高度、有效高度；x压区计算高度，x=N/ fcmb； a、a受拉、受压钢筋重心分别至受
18、拉、受压区边缘的距离。)()5 . 0()(0ahfaheNAAyiSS)()5 . 05 . 0()(0ahfxheNAAyiSS式中：)()5 . 0()(0ahfaheNAAyiSSbfhbbfNxcmffcm)()()5 . 0()()5 . 0()5 . 0()(00ahfhhhbbxhbxfaheNAAyfoffcmiSS当 时， )()5 . 01 ()5 . 0()()(8 . 0(45. 0)5 . 0(020002000ahfbhfaheNAAbhfahbhfaheNbhfNhxycmiSSbcmbcmicmb)()5 . 0()()(8 . 0()5 . 0()(45.
19、0)5 . 0()(00002000ahfSfaheNAAbhfahhhhbbbhfaheNhbbbhfNhxyccmiSSbcmbfffcmiffbcm)5 . 0()()5 . 0(0000fffchhhbbhhhbS )2(ahASc)2(ahASc0)(ffchbbhbA AAcffffchbbhbbbhAA)()(%2 . 0)(bhhbbhbbAAffffss或mkNMkNNA.7001700:mkNMkNNB.7501500:故为大偏心受压情况。，组内力：故为小偏心受压情况。组内力：级钢筋）。,70.16539901500,70.1653170070.1653120)100500
20、(960100544. 05 .16)(9901205005 .16(544. 0,960,1000,100,120,50000kNNkNNBkNkNNAkNhbbbhfkNhbfIIhmmhmmbmmhhmmbbffbcmffcmbffff。故故mmehHhehHheeeeemhmNMeiiiaia64.502,22. 11150.1143. 01400111400110 . 150.111000/1050.11; 0 . 143. 096. 0412. 0412. 00412. 0, 0288. 096. 03 . 03 . 0412. 0170070022120023010000。故故m
21、mehHhehHheeeeemhmNMeiiiaia590,18. 11150.1152. 01400111400110 . 150.111000/1050.11; 0 . 152. 096. 050. 050. 0050. 0, 0288. 096. 03 . 03 . 050. 015007502212002301000026336233026.1084)40960(3101044.805 .16)4050064.502(101700)(1044.80)60960(120400)960562. 05 . 0960(960562. 0100562. 0544. 0018. 0544. 096
22、01005 .16)40960)(544. 08 . 0(90012040096010045. 05 .16)4050064.502(101700120400960100544. 05 .16101700mmAAmmShxSSc23358.1172)40960(31060-96012040009.4295 . 0-96009.4291005 .16)40500590(101500)(09.4291005 .161204005 .16101500mmAAmmxSS）（）（得可以。,2 .1296392196000%2 . 019600010001002120400)()(222mmmmmmbhh
23、bbhbbAffff3 .1.1.5 3 .1.1.5 矩形或工形截面柱矩形或工形截面柱运输及吊装验算运输及吊装验算图3 .1 sssAhM087.0s3 .1.2 牛腿设计牛腿设计图3 .2牛腿荷载作用位置 3 .1.2.1 牛腿的应力状态和破坏过程牛腿的应力状态和破坏过程图 牛腿内弹性阶段主应力迹线 图 牛腿的裂缝 图 牛腿的破坏形式 3 .1.2.2 牛腿设计牛腿设计005 . 05 . 01habhfFFFtkvkhkvkvkFhkFcvkfAF75. 0式中：A牛腿面上的局部承压面积，即加 载板面积； fc混凝土轴心抗压强度。yhvvsfFfhaFA2.185.00Fv作用在牛腿顶部
24、的竖向力设计值；Fh作用在牛腿顶部的水平拉力设计值；a同前，当a0.3h0时，取a=0.3h0；h、h0牛腿根部截面的高度、有效高度；fy纵向钢筋的设计强度。图3 .3 牛腿受力图 图3 .4 牛腿的计算简图 图3.5 牛腿的尺寸及配筋构造 005 . 05 . 01habhfFFFtkvkhkvk30033107002705 . 05000 . 2)1070010265 . 01 (65. 0hhh0=884.1mm ,取h=950mm,h0=910mm,=45，满足构造要求。mmhchk7 .3163400550950950yhvvsfFfhaFA2 . 185. 002334 .1244
25、9 .1405 .1103310104 .362 . 131091085. 027010980mmAs选用4B20,21256mmAS2371.73931091085. 027010980323/2mmAASw选用3B18，Aw=768mm2。可以。,/25.111575. 075. 0/18. 350044010700223mmNfmmNAFcvka)akkkfAGNP kkNkGAaf0(3)(0.5)aaKbdffbd dAGkm 3m20mkN dfNAakm 算出算出A后，再选定基础底面的一个边长后，再选定基础底面的一个边长b，即可求得另一，即可求得另一边长边长l=A/b。当偏心荷载
26、作用下基础底面全截面受压时，假定基础底面的压力按线性非当偏心荷载作用下基础底面全截面受压时，假定基础底面的压力按线性非均匀分布，这时底面边缘最大和最小压力可按下式计算：均匀分布，这时底面边缘最大和最小压力可按下式计算：WMAGNPPbkkbkkk min,max.bkNwkkbkNNN bkMhVeNMMkwwkkbk W62lbW )(kbkbkGNMe beblGNPPkbkkk61min,max.Nwk 基础梁传来的竖向力标准值基础梁传来的竖向力标准值6be 0min, kpalGNpkbkk3)(2max, eba 2akkkfppp2min,max,akfp2 . 1max, 0mi
27、n, kp)(akbkkfAGNp 沿柱边冲切沿变阶处冲切 其其他他内内插插20009 .08000 .1hhhp 27 . 00btmlslmthplaaaApFhafFtabactba 02haatb lab )2(0lhat )2(0lhat lAlFlAtahl 022002222 hallhbbAttltahl 02lhbbAtl 022)(cthb akkkfppp2min,max,当基础底面落在当基础底面落在45线（即冲切破坏锥体）以内时，可不进行受冲切验算。线（即冲切破坏锥体）以内时，可不进行受冲切验算。 IIyIIsIInnnttnIIIyIsInInnnInnnnttIhf
28、MApPpbbalpMhfMApppppplppalbbM0minmax20max2max12129 . 02/ )()2()(2419 . 02/ )(2/ )()2()(241 采用弯矩基本组合采用弯矩基本组合采用弯矩基本组合采用弯矩基本组合sIIahh 0 基基础础下下无无混混凝凝土土垫垫层层基基础础下下设设混混凝凝土土垫垫层层7540sIadhhIII 001a2a1h2ht5050752001a计算简图与柱截面尺寸恒载作用屋面活荷载作用kNyPyPDkNyPyPDikQiikQi3 .179)067. 0267. 08 . 01 (604 . 15 .603)067. 0267. 0
29、8 . 01 (2024 . 1minminminmaxmaxmaxkNgQTQ7 . 9)2 .77200(41 . 04 . 1)(4kNyTTi7 .20)067. 0267. 08 . 01 (7 . 9max20222011/15. 035. 00 . 14 . 007. 1/3 . 035. 00 . 18 . 007. 1mkNwwmkNwwzszzszkNBHwHwFmkNBwqmkNBwqzzsszzssQwQQ98. 865 . 135. 00 . 117. 1)5 . 06 . 0(4 . 13 . 235. 00 . 117. 1)4 . 08 . 0(4 . 1)()
30、(/29. 1615. 04 . 1/52. 263 . 04 . 11043010212211风荷载作用下的计算简图，如下图所示：295. 09 .128 . 3109. 01054.191013. 2219921HHIInEHEHCEIHAc32932902321002. 051. 254.1910295. 09 .128 . 3281. 01063.25102 . 7219943HHIInEHEHCEIHB329329043210014. 078. 263.2510416. 0292. 021292. 010)014. 0102. 012(1002. 0111329329BiACAEHE
31、HmkNeGeGeGGMmkNeGMkNGGkNGGGkNGGkNGGkNGGGGkNGGABBAA54.1613 . 08 .5857. 079.16425. 0)2 .188 .322()(1 .1605. 08 .32294.5396.1448 .58236.2726 .6458 .322222 .5179.2412 .188 .5879.1648 .32233224412111563451453432211恒载作用的内力kNCHMRCkNCHMRC28.1414.19.1254.16114.165.212.29.121.1612.22222212111则：kNRRRRCA93.1628
32、.1465. 221在RA、RC与M1、M2共同作用下，可以求出排架柱的弯矩图以及在恒荷载作用下的轴力图，如上图所示。kNQQ6 .7011由此在A、B柱顶及变阶处引起的弯矩分别为：mkNeQMmkNeQMmkNeQM65.1725. 06 .7059.1015. 06 .7053. 305. 06 .70212111111kNRRRkNCHMRCkNCHMRCA14. 256. 158. 056. 114. 19 .1265.1714. 158. 012. 29 .1253. 312. 2212222212111kNRRkNCHMRCB04. 104. 127. 19 .1259.1027.
33、 1112111则排架柱顶不动铰支座总反力为：kNRRRBA18. 304. 114. 2kNRVkNRRVkNRRVCCBBBAAA118. 3292. 01 . 018. 3416. 042. 12 . 118. 3292. 014. 2排架各柱在VA、VB、VC及M1、M2、M1共同作用下的内力图，如下图所示：2.屋面活荷载作用于BC跨由于结构对称，故只需将左跨作用有活荷载情况的A柱与C柱内力对换一下，并注意内力变号即可。如下图所示：屋面活荷载作用的内力mkNeDMmkNeDM5 .13475. 03 .17905.1813 . 05 .6033min13max1kNCHMRCA6 .
34、114. 19 .1295.18114. 11211kNCHMRCB24.1327. 19 .125 .13427. 11211排架柱顶不动铰支座总反力为：kNRRRBA76. 224.1316kNRVkNRRVkNRRVCCBBBAAA62.118 .39292. 0288 .39416. 056.4437.168 .39292. 075. 4排架各柱在VA、VB、VC及M1、M1共同作用下的内力图，如下图所示：mkNeDMmkNeDM63.45275. 05 .60379.533 . 03 .1793min13max1kNCHMRCA75. 414. 19 .1279.5314. 1121
35、1kNCHMRCB56.4427. 19 .1263.45227. 11211排架柱顶不动铰支座总反力为：kNRRRBA8 .3956.4475. 4kNRVkNRRVkNRRVCCBBBAAA81. 076. 2292. 039.1476. 2416. 024.1319.1576. 2292. 016排架各柱在VA、VB、VC及M1、M1共同作用下的内力图，如下图所示： kNCTRCA6 .1261. 07 .2061. 0maxkNCTRCB9 .1367. 07 .2067. 0max排架柱顶不动铰支座总反力为：kNRRRBA5 .269 .136 .12kNRVkNRRVkNRRVCC
36、BBBAAA74. 75 .26292. 088. 24 .26416. 09 .1336. 44 .26292. 06 .12排架各柱的内力图，如下图所示，当水平制动力方向相反时，则各柱弯矩图反向。吊车梁水平制动力作用于AB跨的内力吊车梁水平制动力作用于BC跨的内力kNCHqRCA79.10332. 09 .1252. 2332. 021排架柱顶不动铰支座总反力为：kNFRRRwCA17.2598. 84 . 579.10kNCHqRCC4 . 5332. 09 .1226. 1332. 022kNRRVkNRVkNRRVCCCBBAAA95. 15 .26292. 04 . 547.1017.25416. 044. 317.25292. 079.10排架各柱的内力图，如下图所示。
