鋼結構廠房
鋼結構廠房
排架結構是相對簡單的大跨度結構,一般為單層建筑物。應用排架結構最為常見的建筑物是單層工業廠房,但是在許多民用建筑中,如影劇院、菜市場、倉庫等也可以采用排架結構。排架結構屬于平面超靜定結構,但與框架相比,超靜定次數較少,手工計算較為容易。排架計算一般采用剪力分配法,是力學中位移法的一種。

結構組成
 
排架結構有三個主要部分組成:形成跨度的屋面結構、豎向支撐結構、基礎結構。
 
屋面結構
 
由于排架結構跨度較大,屋面結構多采用桁架體系,鋼結構或鋼筋混凝土結構,以減輕屋面結構的重量。較小跨度的排架結構則多采用鋼筋混凝土屋面梁。由于連接平面排架 之間縱向構件的標準長度為6米,因此排架的柱距也多為6米。
 
屋架之間搭設屋面板。為了保證屋面結構的整體剛度,屋面板多數采用重型結構——大型預應力混凝土屋面板——無檁體系。有時也采用輕型屋面結構,以檁條連接屋架,在檁條之上放置小型屋面板或輕型板——有檁體系。
 
同時為了保證屋面體系的剛度,屋架之間還要設置各種支撐,通常包括上、下弦水平支撐、垂直支撐及縱向水平系桿。
 
屋蓋上、下弦水平支撐是指布置在屋架(屋面梁)上、下弦平面內以及天窗架上弦平面內的水平支撐。支撐節間的劃分應與屋架節間相適應。水平支撐一般采用十字交叉的形式。交叉桿件的交角一般為30°~60°。
 
屋蓋垂直支撐是指布置在屋架(屋面梁)間或天窗架(包括擋風板立柱)間的支撐。系桿分剛性(壓桿)和柔性(拉桿)兩種。系桿設置在屋架上、下弦及天窗上弦平面內。
 
屋架上弦支撐是指排架每個伸縮縫區段端部的橫向水平支撐,它的作用是:在屋架上弦平面內構成剛性框,增強屋蓋的整體剛度,保證屋架上弦或屋面梁上翼緣平面外的穩定,同時將抗風柱傳來的風荷載傳遞到(縱向)排架柱頂。
 
當采用鋼筋混凝土屋面梁的有檁屋蓋體系時,應在梁的上翼緣平面內設置橫向水平支撐,并應布置在端部第一柱距內以及伸縮縫區段兩端的第一或第二個柱距內。當采用大型屋面板且連接可靠、能保證屋蓋平面的穩定并能傳遞山墻風荷載時,則認為大型屋面板能起上弦橫向支撐的作用,可不再設置上弦橫向水平支撐。
 
對于采用鋼筋混凝土拱形及梯形屋架的屋蓋系統,應在每一個伸縮縫區段端部的第一或第二個柱距內布置上弦橫向水平支撐。當排架設置天窗時可根據屋架上弦桿件的穩定條件,在天窗范圍內沿排架縱向設置連系桿。
 
屋架(屋面梁)下弦支撐包括下弦橫向水平支撐和縱向水平支撐兩種。下弦橫向水平支撐的作用是承受垂直支撐傳來的荷載,并將山墻風荷載傳遞至兩旁柱上。
 
當排架跨度l≥18m時,下弦橫向水平支撐應布置在每一伸縮縫區段端部的第一個柱距內。當l<18m且山墻上的風荷載由屋架上弦水平支撐傳遞時,可不設屋蓋下弦橫向水平支撐。當設有屋蓋下弦縱向水平支撐時,為保證排架空間剛度,必須同時設置相應的下弦橫向水平支撐。
 
下弦縱向水平支撐能提高排架的空間剛度,增強排架間的空間作用,保證橫向水平力的縱向分布。當排架柱距為6m,且排架內設有普通橋式吊車,吊車噸位≥10t(重級)或吊車噸位≥30t等情況時,應設置下弦縱向水平支撐。
 
屋架垂直支撐除能保證屋蓋系統的空間剛度和屋架安裝時結構的安全外,還能將屋架上弦平面內的水平荷載傳遞到屋架下弦平面內。所以垂直支撐應與屋架下弦橫向水平支撐布置在同一柱間內。在有檁屋蓋體系中,上弦縱向系桿是用來保證屋架上弦或屋面梁受壓翼緣的側向穩定的(即防止局部失穩),并可減小屋架上弦桿的計算長度。
 
當排架跨度為(18~30)m,屋架間距為6m,采用大型屋面板時,應在屋架跨度中點布置一道垂直支撐。對于拱形屋架及屋面梁,因其支座處高度不大,故該處可不設置垂直支撐,但需對梁支座進行抗傾覆驗算,如穩定性不能滿足要求時,應采取措施。梯形屋架支座處必須設置垂直支撐。當屋架跨度超過30m,間距為6m,采用大型屋面板時,應在屋架跨度l/3左右附近的節點處設置兩道垂直支撐及系桿。
 
在一般情況下,當屋面采用大型屋面板時,應在未設置支撐的屋架間相應于垂直支撐平面的屋架上弦和下弦節點處,設置通長的水平系桿。對于有檁體系,屋架上弦的水平系桿可以用檁條代替(但應對檁條進行穩定和承載力驗算),僅在下弦設置通長的水平系桿。
 
垂直支撐一般在伸縮縫區段的兩端各設置一道。當屋架跨度不大于18m,屋面為大型屋面板的一般排架中,無天窗時可不設置垂直支撐和水平系桿;有天窗時,可在屋脊節點處設置一道水平系桿。
 
當廠房需要天窗時,屋面設置天窗架;當特殊的原因使柱距加大時,由于縱向屋面板不能加長,因此屋架也不能移位,就必須設置托架保證屋架的支撐。
 
排架結構的柱
 
排架結構的柱截面可以采用多種形式,但不論哪種形式,在建筑跨度方向上的尺度均應大于長度方面的尺度;目前常用的有實腹矩形柱、工字形柱、雙肢柱等。
 
實腹矩形柱的外形簡單,施工方便,但混凝土用量多,經濟指標較差。
 
工字形柱的材料利用比較合理,目前在單層廠房中應用廣泛,但其混凝土用量比雙肢柱多,特別是當截面尺寸較大(如截面高度h≥1600mm)時更甚,同時自重大,施工吊裝也較困難,因此使用范圍也受到一定限制。
 
雙肢柱有平腹桿和斜腹桿兩種,前者構造較簡單,制作也較方便,在一般情況下受力合理,而且腹部整齊的矩形孔洞便于布置工藝管道。當承受較大水平荷載時宜采用具有桁架受力特點的斜腹桿雙肢柱。但其施工制作較復雜,若采用預制腹桿則制作條件將得到改善。雙肢柱與工形柱相比較,混凝土用量少,自重較輕,柱高大時尤為顯著,但其整體剛度差些,鋼筋構造也較復雜,用鋼量稍多。
 
根據工程經驗,目前對預制柱可按截面高度h確定截面型式:
 
當h≤600mm時,宜采用矩形截面;
 
當h=(600~800)mm時,采用工字形或矩形;
 
當h=(900~1400)mm時,宜采用工字形;
 
當h>1400mm時,宜采用雙肢柱。
 
對設有懸臂吊車的柱宜采用矩形柱;對易受撞擊及設有壁行吊車的柱宜采用矩形柱或腹板厚度≥120mm、翼緣高度≥150mm的工字形柱,當采用雙肢柱時,則在安裝吊車的局部區段宜做成實腹柱。
 
實踐表明,矩形、工字形和斜腹桿雙肢柱的側移剛度和受剪承載力都較大,因此《建筑抗震設計規范》規定,當抗震設防烈度為8度和9度時,廠房宜采用矩形,工字形截面和斜腹桿雙肢柱,不宜采用薄壁工字形柱、腹板開孔柱、預制腹板的工字形柱和管柱;柱底至室內地坪以上500mm范圍內和階形柱的上柱宜采用矩形截面。
 
柱上有牛腿,可以承擔吊車梁、聯系梁,這些梁均與柱成鉸接狀態;一般排架柱以吊車梁牛腿為界,分上下兩段,分別稱為上柱與下柱;在排架結構的縱向上,采用柱間支撐來保證結構縱向的穩定性與剛度,同時傳遞縱向荷載。為了避免溫度應力的作用,有利于在溫度變化或混凝土收縮,結構可以較自由變形而不致產生較大的溫度或收縮應力,柱間支撐一般設置在結構縱向的中間區域,并在柱頂設置通長剛性連系桿來傳遞荷載。
 
柱間支撐一般包括上部柱間支撐、中部及下部柱間支撐。柱間支撐通常宜采用十字交叉形支撐;它具有構造簡單、傳力直接和剛度較大等特點。交叉桿件的傾角一般在35°~50°之間。在特殊情況下,因生產工藝的要求及結構空間的限制,可以采用其他型式的支撐如采用人字形支撐、八字形支撐等。
 
柱間支撐的作用是保證廠房結構的縱向剛度和穩定,并將水平荷載(包括天窗端壁部和廠房山墻上的風荷載、吊車縱向水平制動力以及作用于廠房縱向的其他荷載)傳至基礎。
 
凡屬下列情況之一者,應設置柱間支撐:
 
1)廠房內設有懸臂吊車或3t及以上懸掛吊車;
 
2)廠房內設有重級工作制吊車,或設有中級、輕級工作制吊車,起重量在10t及以上;
 
3)廠房跨度在18m以上或柱高在8m以上;
 
4)縱向柱列的總數在七根以下;
 
5)露天吊車棧橋的柱列。
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