单层工业厂房结构设计.docx

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单层工业厂房结构设计

单层工业厂房结构设计

引言

单层工业厂房的结构设计主要包括以下几个内容：

1.单层厂房结构布置；

2.结构构件的选型；

3.排架结构设计；

①荷载计算：

恒、屋面活载（或雪载或积灰荷载）、风载、吊车荷载；

②内力计算；

③内力组合；

④截面设计

4.基础设计；

5.其它构件设计（抗风柱、预埋件等）；

6.施工图的绘制。

以下结合一具体实例，详细对单层厂房结构设计的各步骤进行讲解。

例题：

某金工车间为双跨等高无天窗厂房，跨度24m，柱距为6m，车间总长为66m（不考虑伸缩缝）。

厂房每跨各设一台20/5t及5t中级工作制吊车，吊车轨顶标高+9.90m。

基本风压为0.30kN/m2，基本雪压0.2kN/m2，7度抗震设防。

厂址地形平坦，厂区地层自上而下为：

（1）耕土层：

厚约0.5m；

（2）黄土状亚粘土：

可塑稍湿，厚约2m，地基承载力标准值

；

（3）中砂：

中密，很湿，厚约4～5m，地基承载力标准值

；

（4）卵石：

其颗粒空隙由中砂填充，中密，厚约5～7m，

；

（5）基岩：

表层中等风化，本层钻进深度2m。

厂区地层（除表土层）承载能力较高，是建筑的良好地基。

厂区冲积层潜水，据4～5份观测资料，地下水位高程为-8.00m，根据调查及对有关资料分析，厂区最高水位为-6.00m，且无腐蚀性。

供建厂使用的主要材料有：

（1）钢材：

钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构所需的钢筋种类、型钢及钢板可保证供应并备有各种规格。

（2）水泥：

普通硅酸盐水泥，可配制C10～C40级混凝土。

（3）砖：

普通粘土空心砖，强度等级为MU7.5。

（4）其它：

如砂石、石灰等地方材料均能按设计要求供应。

柱子可在现场预制。

该项目的施工单位有较高的施工水平，如果设计采用国家标准图及普通作法，其施工质量均能达到设计及施工验收规范的要求。

建筑构造：

（1）屋面：

卷材防水屋面，其做法为：

三毡四油上铺小石子防水层

80mm泡沫砼保温层

20mm厚1：

3水泥砂浆找平层

预应力混凝土大型屋面板

（2）墙体：

240mm厚砖墙，水泥砂浆粉刷内外墙面，铝合金门窗。

（3）地面：

室内为混凝土地面，室内外高差150mm。

设计任务：

1．单层厂房结构布置；

2．选用标准构件；

3．排架柱及柱下基础设计。

设计内容：

1．确定上、下柱的高度及截面尺寸；

2．选用屋面板、天窗架、屋架、基础梁、吊车梁及轨道连接件；

3．计算排架所承受的各项荷载；

4．计算各种荷载作用下排架的内力；

5．柱及牛腿的设计，柱下单独基础设计；

6．绘制施工图

（1）结构布置图（屋架、天窗架、屋面板、屋盖支撑布置；吊车梁、柱及柱间支撑、墙体布置）；

（2）基础施工图（基础平面布置图及配筋图）；

（3）柱施工图（柱模板图、柱配筋图）。

第一节单层厂房结构布置

一、结构平面布置

在结构平面布置中，厂房的跨度在18m和18m以下，一般取3m的倍数（30

）；在18m以上，一般取6m的倍数（60

）。

必要时也允许采用21m，27m，33m的跨度。

厂房的柱距，一般取6m或6m倍数（60

），个别也有取9m的柱距。

结构平面的主要尺寸都由轴线表示。

跨度方向的轴线称为纵向定位轴线，以、、……表示；柱距方向的轴线称为横向定位轴线，以①、②、③、……表示。

轴线的尺寸应符合上述模数的规定。

一）定位轴线

和轴线划分紧密相关的构件是屋面板和屋架（屋面梁）。

轴线尺寸均采用标志尺寸或标志尺寸的倍数。

所谓标志尺寸是构件的实际尺寸加上两端必要的构造尺寸。

例如，大型屋面板的实际尺寸是1490×5970mm，标志尺寸是1500×6000mm；18m屋面大梁的实际跨度是17950mm，标志跨度是18000mm。

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1、纵向定位轴线

屋架（屋面大梁）的标志尺寸为3m的倍数，是与大型屋面板的标志宽度相配合的，而纵向定位轴线亦与屋架（屋面大梁）的标志尺寸相吻合，如图1。

一般说来，当纵向定位轴线和屋架的标志尺寸相应，屋面板铺至屋架边缘①，屋架的标志尺寸与纵墙内皮重合时，这种轴线称为封闭式纵向定位轴线。

但是，纵向定位轴线还与吊车和柱子截面尺寸有关。

为了吊车和柱子间的构造连接以及吊车安全行驶的需要，吊车的轨距

要小于厂房的标志跨度

亦即纵向定位轴线的间距），使得吊车轨道中心离开纵向定位轴线一段距离（图2a）。

工程中大量遇到的吊车轨距多是

m，例如

为13.5m，16.5m，22.5m等，吊车轨道中心至纵向定位轴线的距离为（

=750mm。

图1

图2

如图2b，c所示，纵向定位轴线能否与纵墙内皮重合，则与吊车端部尺寸

（查表1.1《起重运输机械专业标准ZQ1—62》）、吊车端部和上柱间的最小空隙B2以及上柱截面高度B3三个值有关。

一般说来，当吊车起重量≤50t时，

≥80mm，否则

≥100mm。

由排架内力分析得到，一般采用400mm，500mm，……。

当

（取最小值）+

（估算）≤750mm时，纵向定位轴线可以与外纵墙内皮重合，屋面板正好铺至墙内皮，屋面不出现缝隙，这就是封闭式纵向定位轴线（图2b）。

当

＞750mm时，柱需外移，以满足

要求，这时纵向定位轴线位置不变，但外纵墙内皮不能和它重合，因而和屋面间将留有一条缝隙，在屋面的构造处理上需另补一条异形小板（图2c），这时的轴线称为非封闭纵向定位轴线。

非封闭轴线与外纵墙内皮间的距离称为联系尺寸，视吊车起重量的大小，可为150mm，250mm或500mm。

当厂房为等高多跨时，中柱的上柱中心线一般与纵向定位轴线重合。

当相邻两跨有高度差时，纵向定位轴线一般与较高部分厂房柱的外皮重合。

但当该柱的

＞750mm时（图2d），必需增设一条纵向定位轴线。

两条纵向定位轴线间的距离称为插入距，意思是需要插入轴线间的距离。

插入距一般也取150mm，250mm等。

2、横向轴线定位

一般说来，横向定位轴线通过柱子的截面几何中心，所以它们的间距一般就是柱距。

显然，横向定位轴线亦是与屋面板的标志尺寸相重合的。

在厂房尽端，横向定位轴线与山墙内皮重合，将山墙内侧第一排柱中心线内移600m，并将端部屋面板做成一端伸臂板（图3）。

这样做的目的是使端屋架和山墙抗风柱的位置不发生冲突，使端部屋面板与中部屋面板的长度相同，使屋面板端头与山墙内皮重合，屋面不留缝隙，以形成封闭式横向定位轴线。

同理，伸缩缝两边亦应各移600mm，使伸缩缝中心线与横向定位轴线重合。

二）构件的平面布置

单层厂房构件的平面布置较规则，它主要与构件的型号有关，一旦构件选定，平面布置即可确定，具体布置详见下节。

表1-150500/50kN一般用途电动桥式起重机基本参数和尺寸

《起重运输机械专业标准ZQ1—62》

起重量

Q

跨度

Lk

尺寸

吊车工作级别A4或A5

宽度

B

轮距

K

轨顶以上高度

H

轨道中心至端部距离

B1

最大轮压

Fp,max

最小轮压

Fp,min

起重机总质量

G+g

小车总质量

g

kN

m

mm

mm

mm

mm

kN

kN

kN

kN

50

16.5

4650

3500

1870

230

76

31

164

20（单闸）

21（双闸）

19.5

5150

4000

85

35

190

22.5

90

42

214

25.5

6400

5250

100

47

244

28.5

105

63

285

100

16.5

5550

4400

2140

230

115

25

180

38（单闸）

39（双闸）

19.5

5550

4400

120

32

203

22.5

125

47

224

25.5

6400

5250

2190

135

50

270

28.5

140

66

315

150

16.5

5650

4400

2050

230

165

34

241

53（单闸）

55（双闸）

19.5

5550

2140

260

170

48

255

22.5

185

58

316

25.5

6400

5250

195

60

380

28.5

210

68

400

150/30

16.5

5650

4400

2050

260

165

35

250

69（单闸）

74（双闸）

19.5

5550

2150

175

43

285

22.5

185

50

321

25.5

6400

5250

195

60

360

28.5

210

68

405

续表1-150500/50kN一般用途电动桥式起重机基本参数和尺寸

《起重运输机械专业标准ZQ1—62》

起重量

Q

跨度

Lk

尺寸

吊车工作级别A4或A5

宽度

B

轮距

K

轨顶以上高度

H

轨道中心至端部距离

B1

最大轮压

Fp,max

最小轮压

Fp,min

起重机总质量

G+g

小车总质量

g

kN

m

mm

mm

mm

mm

kN

kN

kN

kN

200/50

16.5

5650

4400

2200

230

195

30

250

75（单闸）

78（双闸）

19.5

5550

2300

260

205

35

280

22.5

215

45

320

25.5

6400

5250

230

53

305

28.5

240

65

410

300/50

16.5

6050

4600

2600

260

270

50

340

117（单闸）

118（双闸）

19.5

6150

4800

300

280

65

365

22.5

290

70

420

25.5

6650

5250

310

78

475

28.5

320

88

515

500/50

16.5

6350

4800

2700

300

395

75

440

140（单闸）

145（双闸）

19.5

2750

415

75

480

22.5

425

85

520

25.5

6800

5250

445

85

560

28.5

460

95

610

图3

图4

二、结构剖面布置

厂房的高度，指的是屋架下弦下皮（或屋盖结构最低构件的下皮）以及吊车轨顶距室内地面的高度，分别是以屋架下弦底面标高和轨顶标高表示（室内地面标高为±0.000）。

这两个数值是厂房结构剖面设计中的两个重要参数，要综合考虑生产工艺和建筑结构两方面的因素才能确定。

无吊车厂房，屋架下弦底面标高由设备的高度和生产需要的使用高度确定。

有吊车厂房，屋架下弦底面标高由设备的高度和吊车需要的高度确定，并可用下式表达：

，或

取两个数值中的较大者（图4）。

式中，

——最高设备的高度，由工艺设计人确定，当只有个别高大设备时，可采用局部降低该处地面的办法以减少厂房高度；

——超越安全高度（≥500mm）；

——最高吊物高度，

——吊索最小高度（

、

均由工艺设计人确定）；

、

——吊车底、顶至吊车轨顶高度（查表1-1）；h7——吊车行驶安全高度（≥220mm）；

——司机室底至吊车底高度（查表1-1）。

吊车轨顶标高由屋架下弦底面标高减去（

）得到，一般由工艺设计人向土建设计人提供。

吊车轨顶标高减去吊车轨道连接高度和吊车梁梁端高度（均可查有关标准图集），即为柱的牛腿顶面标高（图4）。

在确定屋架下弦底面标高和牛腿顶面标高时，都应按照《厂房建筑统一化基本规则》，考虑统一模数的要求。

当外墙采用大型板材时，还应与板材的尺寸相适应。

对于连续多跨厂房，如果相邻各跨根据各自的工艺需要所决定的厂房高度参差不一时，会使得构造复杂，计算麻烦，构件规格增多，不利于工业化施工。

这时最好做成等高厂房，可以增加厂房结构的刚度，简化构造处理。

一般可按下列规定处理：

（1）当高跨一侧仅有一个低跨时，如高度差≤2.10m，可不设高低跨；

（2）当高跨一侧连续有两个低跨时，如高度差≤1.80m，可不设高低跨；

（3）当高跨一侧连续有三个低跨（或更多）时，如高度差≤1.50m，可不设高低跨。

确定厂房高度的原则是，在满足生产工艺前提下，尽可能合理地降低厂房高度，以便减小柱的内力，减少围护结构面积，降低造价；同时还要考虑减少构件种类，简化连接构造，保证施工方便等因素。

总之，应结合具体工程特点，进行全面分析来确定。

三、外墙

1、圈梁设置圈梁的目的是将墙体和柱、抗风柱等箍在一起，以增加厂房的整体刚性，防止由于地基发生过大的不均匀沉降或较大的振动荷载对厂房产生不利影响。

圈梁为现浇钢筋混凝土构件，埋设在墙体内，和柱子连续，在平面上尽可能沿整个厂房交圈。

它在受力上主要起拉结作用，不承受墙体重量，所以柱子上不必设置支承圈梁的牛腿。

圈梁的布置与墙体高度、对厂房刚度的要求以及地基情况有关。

对无桥式吊车的厂房檐高不足8m时，应在檐口附近设置一道圈梁；当檐高大于8m时，宜在墙体适当部位增设一道圈梁。

对有桥式吊车的厂房，除在檐口附近或窗顶处设置一道圈梁外，沿应在吊车梁标高处或墙体适当部位增设一道圈梁；当外墙高度在15m以上时，还应根据墙体高度适当增设。

对于有振动设备的厂房，除满足上述要求外，每隔4m距离，应有一道圈梁。

圈梁应尽可能连续设置在墙体的同一平面内，除伸缩缝处不得不切断外，其余部分应沿整个厂房形成封闭状。

当圈梁被门窗洞口切断时，应在洞口上部设置一道附加圈梁（课本图13—21）与圈梁搭接，附加圈梁的截面尺寸不应小于被切断的圈梁，搭接长度应不小于圈梁与附加圈梁高差的两倍。

圈梁的宽度宜与墙体厚度等同，当墙厚d＞240mm时，不宜小于

。

圈梁的高度不应小于120mm，纵向钢筋一般可采用4φ10～4φ12,箍筋不少于φ6@300,混凝土强度等级不宜低于C15.

2、连系梁单层厂房的外墙一般做成自承重墙，不宜设置墙梁（亦称连系梁）。

当墙的高度超过一定限度（例如15m以上），墙体的砌体强度不足以承受本身自重时，需要在墙下布置连系梁。

连系梁两端支承在柱牛腿上，并通过牛腿将墙体荷载传给柱子。

连系梁除支承墙体重量外，还起到连系纵向柱列、增强厂房纵向刚度、传递纵向水平荷载的作用。

连系梁与柱之间采用螺栓或焊接连续。

3、基础梁当墙体的砌体强度足以承受墙体自重时，可采用基础梁将墙体重量传给柱基，而不另作墙体基础。

这是因为柱的荷载较大，而自承重墙的重量较轻，两者基础的沉降值往往相差较多，如果构造处理不当，会使墙面开裂，影响生产使用。

外墙基础梁一般设置在边柱的外侧，基础梁顶面至少低于室内地面50mm。

基础梁底部距土层表面应预留100mm左右空隙，使基础梁可以随柱一起沉降。

基础梁一般不要与柱连接，将梁直接放置在柱基础的杯口上即可。

当基础埋置较深时，可将基础梁放在混凝土垫块上面。

4、过梁当墙上有门窗洞口时，要设置钢筋混凝土过梁承托门窗洞口上部的墙体重量。

单独设置的过梁宜采用预制构件，两端搁置在墙体上的支承长度不宜小于240mm。

在进行厂房围护结构的布置时，应尽可能地将圈梁、连系梁和过梁结合起来，使一种梁能起到两种梁甚至三种梁的作用，以简化构造，节约材料，方便施工。

四、例题结构布置

一）定位轴线

1、横向定位轴线：

本厂房长度为66m，小于《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）规定的70m，可不设温度缝，同时本结构也不需设沉降缝，因此，除端柱需内移600mm外，横向定位轴线均通过柱截面几何中心。

2、纵向定位轴线：

查表1-1《起重运输机械专业标准ZQ1—62》可得，B1=0.25m，Lk=22.5m，B2≥0.08m。

边柱：

B3=0.4m，B1+B2+B3=0.25+0.08+0.4=0.73m≤0.75m，因此采用封闭式纵向定位轴线，图5、图10（a）；

中柱：

B3=0.3m，B1+B2+B3=0.25+0.08+0.3=0.63m≤0.75m，中柱的上柱中心线与纵向定位轴线重合，图5、图10（a）。

本例的定位轴线见图6。

二）柱高

由工艺要求，轨顶标志高度为+9.9m，吊车最大为20/5t，

=24-1.5=22.5m，中级工作制，查表1-1《起重运输机械专业标准ZQ1—62》可得轨顶至吊车顶距H=2.136m，故：

柱顶标高=轨顶标高+H+吊车顶端与柱顶的净空尺寸=9.900+2.136+0.220=12.216m。

由牛腿顶面标高及模数要求，吊车梁高度为1.2m，轨顶垫高取0.2m，故牛腿顶面高=轨顶标高一吊车梁高一轨顶垫高=9.900—1.200—0.200=8.500m。

为满足模数要求，牛腿顶面标高取为8.700m，柱顶标高为12.600m，上柱高H1=12.600-8.700=3.900m，全柱高H2=柱顶标高+基顶至+0.000高度=12.600+0.500=13.100m；下柱高=13.100-3.900=9.200m。

实际轨顶标高=8.700+1.200+0.200=10.100m与9.900m要求相差在±0.200m范围内，故满足要求。

本例剖面布置见图5.

三）圈梁

本例有桥式吊车，除在檐口附近设置一道圈梁外，在标高8.64处增设一道圈梁见图5。

图5

图6