简单探讨单层厂房混凝土结构设计

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　　[摘要] 单层厂房是各类厂房中最基本的、应用最普遍的一种；，它对各种类型的工业生产有较大的适应性，如冶金和机械工业工厂中的轧钢、炼钢，铸造，锻压、金工、装配等车间，往往设有较重的机械和设备，产品较重且轮廓尺寸较大，因而大多采用单层厂房结构。[关键词] 厂房 结构 钢筋混凝土 结构设计
　　引言
　　 单层厂房按其主要承重结构的材料分，有混合结构、钢结构和钢筋混凝土结构。厂房内无吊车或吊车起重量不超过50kN、跨度在15m以内、柱顶标高在5m以内，  无特殊工艺要求的小型厂房，可采用混合结构(砖柱、钢筋混凝土屋架、木屋架或轻钢屋架)。当吊车吨位在250kN(中级工作制)以上、跨度大于36m的大型厂房或有特殊工艺要求的厂房(如设有100kN以上锻锤的车间以及高温车间的特殊部位等)，一般采用钢屋架、钢筋混凝土柱或全钢结构。其他大部分厂房均可采用钢筋混凝土结构。而且，目前除特殊情况外，均采用装配式钢筋混凝土结构。在这儿我们主要介绍单层的钢筋混凝土结构。
　　一、单层厂房结构组成和布置
　　1．结构组成
　　 装配式钢筋混凝土排架结构是目前单层厂房中最基本的、应用比较普遍的结构形式。这种结构受力明确、设计与施工方便。它通常由下列构件组成，并相互连成一整体(图11-79)。
　　 (1)屋盖结构、屋盖结构分无檩和有檩两种体系。无檩体系由大型屋面板、屋面梁或屋架(包括屋盖支撑／所组成；有檩体系由小型屋面板、檩条、屋架(包括屋盖支撑)组成，屋盖结构有时还设有天窗架，托架，屋盖结构起围护和承重双重作用。
　　 (2)柱子。承受屋架、吊车梁、外墙和支撑传来的荷载，把它们传给基础。
　　
　　 (3)吊车梁。两端简支在柱子牛腿上，主要承受吊车竖向和水平荷载。
　　 (4)支撑。包括屋盖支撑和柱间支撑，其作用是加强厂房结构的空间刚度，并保证结构构件在安装和使用阶段的稳定性，同时起传递风载和吊车水平荷载或地震力的作用。
　　 (5)基础。承受柱和基础梁传来的荷载并将它传至地基。
　　(6)围护结构。包括纵墙及横墙(山墙)以及由墙梁(有时还有抗风梁及抗风桁架)和基础梁等组成的墙架。它们主要是承受墙体和构件的白重以及作用在墙面上的风荷载。
　　2．柱网布置
　　 厂房承重柱(或承重墙)的纵向和横向定位轴线，在平面上排列所形成的网格，称为柱网。柱网布置就是确定纵向定位轴线之间(柱距)和横向定位轴线之间(跨度)的尺  寸。确定柱网尺寸，即是确定柱的位置，同时也是确定屋面板、屋架和吊车梁等构件的跨度并涉及到厂房结构构件的布置。柱网布置应满足生产工艺流程的要求，并遵守国家有关厂房建筑统一模数制的规定，为厂房结构构件的统一、通用及施工工厂化创造条件。
　　
　　柱网布置的原则一般为：
　　厂房跨度小于或等于18m时，应采用3m的倍数；跨度大于18m时，应采用6m的倍数。厂房柱距应采用6m或6m的倍数。当工艺布置有明显的优越性时，亦可采用21m、27m、33m的跨度和9m或其他柱距。
　　 目前，一般单层厂房大多采用6m柱距，但从现代化工业发展趋势来看，扩大柱距，对增加车间的有效面积，提高设备布置和工艺布置的灵活性、机械化施工中减少结构构件的数量和加快施工进度等都是有利的。当厂房较为高大时，采用9m或9m柱距较6m柱距优越。当然，由于构件尺寸增大，也给制作、运输和吊装带来不方便。    12m柱距是6m柱距的扩大模数，在大小车间相结合时，两者可配合使用，此外，  12m柱距可以利用现有设备做成6m屋面板系统(有托架的)，当条件具备时又可直接采用  12m屋面板(无托架的)。所以，在选择12m柱距和9m柱距时，应优先采用前者。
　　3.  支撑布置
　　 在装配式钢筋混凝土单层厂房结构中，支撑虽非主要的构件，但却是连系主要结构构件以构成整体的重要组成成分。实践证明，如果支撑布置不当，不仅会影响厂房的正常使用，甚至可能引起工程事故。
　　 屋盖支撑包括设置在屋面梁(屋架)间的垂直支撑、水平系杆，以及设置在上、下弦平面内的横向支撑和设在下弦平面内的纵向水平支撑。
　　4. 抗风柱、圈梁、连系梁、过梁和基础梁的布置
　　 (1)抗风柱。当厂房高度和跨度均不大(柱顶在8m以下，跨度为9-12m)时，可在山墙设置砖壁柱作为抗风柱；当高度和跨度较大时，一般都设置钢筋混凝土抗风柱，柱外侧再贴砌山墙。在很高的厂房中，为不使抗风柱的截面尺寸过大，可加没水平抗风梁或钢抗风桁架，作为抗风柱的中间铰支点。
　　 抗风柱与屋架连接必须满足两个要求：一是在水平方向必须与屋架有可靠的连接以保证有效地传递风载；二是在竖向应允许两者之间有一定相对位移的可能性，以防厂房与抗风柱沉降不均匀寸产生不利影响。
　　 (2)圈梁、连系梁、过梁和基础梁。当用砖作为厂房围护墙时，一般要设置圈梁、连系梁、过梁及基础梁。
　　   圈梁的作用是将墙体同厂房柱箍在一起，以加强厂房的整体刚度，防止由于地基的不均匀沉降或较大振动荷载引起对厂房的不利影响。圈梁设置于墙体内，和柱连接仅起拉结作用。圈梁不承受墙体重量，所以柱上不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。对于一般单层厂房，可参照下列原则布置：对无桥式吊车的厂房，当墙厚≤240mm、檐高为5―8m时，应在檐口附近布置一道，当檐高大于8m时，宜增设一道，对有桥式吊车或有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墙中适当位置增设一道，外墙高度大干15m时还应适当增设。
　　 连系梁的作用是连系纵向柱列，以增强厂房的纵向刚度并传递风载到纵向柱列；此外，连系梁还承受其上部墙体的重量。连系梁通常是预制的，两端搁置在柱牛腿上，其连接可采用螺栓连接或焊接连接。
　　 过梁的作用是承托窗洞口上部的墙体重量。
　　在进行厂房结构布置时，应尽可能将圈梁、连系梁和过梁结合起来，使一个构件起  到两种或三种构件的作用，以节约材料，简化施工。在一般厂房中，通常用基础梁来承托围护墙体的重量，而不另做墙基础。基础梁底部距土壤表面应预留100mm的空隙，使梁可随柱基础一起沉降。在基础梁下有冻胀性土时，应在梁下铺设一层干砂、碎砖或矿渣等松散材料，并留50～150mm的空隙。这可防止土壤冻结膨胀时将梁顶裂。基础梁与柱一般不要求连接，将基础梁直接放置在柱基础杯口上或当基础埋置较深时，放置在基础上面的混凝土垫块上。当厂房内有较大振动的设备或在地震区时，基础梁与柱应有可靠的连接。
　　(三)变形缝
　　 在单层厂房中有时需设置变形缝，它包括伸缩缝、沉降缝和防震缝。
　　 如果厂房长度和宽度过大，当气温变化时，将使结构内部产生很大的温度内力，严重的可使墙面、屋面等拉裂，影响使用。为减小厂房结构中的温度应力，需要用伸缩缝将厂房结构分成几个温度区段-伸缩缝的作法是从基础顶面开始，将桕邻温度区段的上部结构完全分开，并留出一定宽度的缝隙，使上部结构在气温有变化寸，水平方向可以自山地发生变形。温度区段的形状应力求简单，并使伸缩缝的数量最少，温度区段的长度(伸缩缝之间的距离)取决于结构类型和温度变化情况。《混凝土规范》规定，室内  的装配式钢筋混凝土排架结构的伸缩缝最大间距为lOOm，露天的装配式钢筋混凝土排  架结构为70m。
　　 一般单层厂房排架结构中不设置沉降缝．只有在特殊条件：下才考虑设置，如厂房相邻两部分高度相差很大，两跨间吊车起重量相差悬殊，地基强度或―下卧层土质有极大差别，厂房各部分的施工时间先后相差很长，土壤压缩程度不同等。沉降缝应将建筑物从屋顶到基础全部分开，当缝两边的厂房有过大的不均匀沉降时，不致使结构产生较大的附加应力和变形，沉降缝可兼作伸缩缝，而伸缩缝不能兼作沉降缝、

　　 防震缝是为了减轻厂房地震灾害而采取的措施之一、关于防震缝详见《抗震规范》。
　　二、柱的设计
　　2.1柱的形式和尺寸
　　 单层厂房中的柱主要有排架柱和拉风柱两类。柱的截面尺寸除应满足承载力的要求外，还应保持具有足够的刚度，以免厂房变性过大，造成吊车轮与轨道过早磨损，影响吊车的正常运行或导致墙体和屋盖产生裂缝，影响厂房的正常使用。柱的截面尺寸除了考虑吊车起重量和柱的类型两个因数外，还应该考虑厂房跨数和高度、柱的形式、维护结构的材料和构造、施工等。
　　2.2截面设计
　　 柱的混凝土强度等级不宜低于C20，纵向受力钢筋直径d不宜小于12mm，全部纵向钢筋的配筋率不宜超过5%。当偏心受压柱的截面高度h≥600mm时，在侧面应设置直径为10～16mm的纵向构造钢筋，并相应地设置符合箍筋和拉筋。柱内纵向钢筋的净距不应小于50mm；对水平浇筑的预制柱，其上部纵向钢筋的最小净间距不应小于30mm和1.5d（d为钢筋的最大直径），下部纵向钢筋的最小净间距不应小于25mm和d。偏心受压柱中垂直于弯矩作用平面的纵向受力钢筋以及轴心受压柱中各边的纵向受力钢筋，其中距不宜大于300mm。
　　 柱中的箍筋应为封闭式。箍筋间距不应大于400mm及构件截面的短边尺寸，且在绑扎骨架中不应大于15d,在焊接骨架中不应大于20d（d为纵向钢筋的最小直径）。箍筋直径不应小于d/4（d为纵向钢筋的最大直径），且不应小于6mm。当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率超过3%时，箍筋直径不宜小于8mm，间距不应大于10d（d为纵向钢筋的最小直径），且不应大于200mm。当柱截面短边尺寸大于400mm且各边纵向钢筋对于3根时，或当柱截面短边尺寸不大于400mm但各边纵向钢筋多于4根时，应设置复合箍筋。
　　2.3牛腿设计
　　 牛腿设计的主要内容包括确定牛腿的截面尺寸、进行配筋计算和构造设计。
　　 ①牛腿按照集中力作用线至下柱边缘的距离分为两种：一种为长牛腿，与悬臂梁相似，按悬臂梁进行设计；另一种为短牛腿，是一个变截面短悬臂深梁。
　　 ②截面尺寸：牛腿的截面宽度与柱宽相同，因而，确定牛腿的截面尺寸主要是确定其截面宽度。在设计过程中，通常以不出现斜裂缝作为控制条件。
　　 ③水平箍筋：水平箍筋的直径应取6～12mm，间距100～150mm，且在上部2h0/3范围内的水平箍筋总截面面积不应小于承受竖向力的受拉钢筋截面积的1/2.
　　 ④弯起钢筋：当牛腿的剪跨比大于或等于0.3时，宜设置弯起钢筋。弯起钢筋宜采用HRB335级或HRB400级钢筋。
　　2.4抗风柱设计
　　 抗风柱承受山墙传来的风荷载，它的外边缘位置与单层厂房横向封闭轴线相重合，离屋架中心线500mm。为了避免抗风柱与端屋架相碰，应将抗风柱的上部截面高度适当减小，形成变截面单阶柱。
　　2.5预埋件设计
　　 预埋件由锚板、锚筋焊接而成。锚板宜采用可焊性及塑性良好的HPB235级钢制作；锚筋应尽量采用HRB335级钢筋。若采用光圆钢筋，受力预埋件的端头必须加弯钩。
　　三、柱下独立基础设计
　　 ①基础形状：独立基础的底面一般为矩形，长宽比宜小于2。基础的截面形状一般可采用对称的阶梯形或锥形，当荷载引起的偏心距较大时也可做成不对称形式，但基础中心对柱截面中心的偏移为50mm的倍数，且同一柱列宜取相同的偏移值。
　　 ②底板配筋：基础底板受力钢筋的最小直径不宜小于10mm，间距不宜大于200mm，也不宜小于100mm。当基础底面边长大于或等于2.5m时，底板受力钢筋的长度可取边长的0.9倍，并宜交错布置。
　　 ③混凝土等级强度：基础的混凝土强度等级不宜低于C20。垫层的混凝土强度等级应为C10，垫底厚度不宜小于70mm,周边伸出基础边缘宜为100mm。
　　 ④杯口深度：杯口的深度等于柱的插入深度+50mm。为了保证预制柱能嵌固在基础中，柱伸入杯口应有足够的深度，并且其深度还应满足柱内受力钢筋锚固长度的要求，并应考虑吊装时柱的稳定性。
　　
　　 结束语
　　 单层厂房结构具有较大的净空和跨度，因而构件的内力和基础受力均较大。与此同时，它经常承受机械设备的振动和吊车等荷载，因此在进行建筑设计时必须对动力荷载的影响等因素进行综合的考虑，做好单层厂房的建筑设计，对工业生产将带来很多好处，创造更多的社会价值。
　　 参考文献
　　[1]梁兴文.混凝土结构设计.科学出版社.2004(02)
　　[2]江见鲸.钢筋混凝土基本构件设计.清华大学出版社.2006(11)
　　[3]李国胜.混凝土结构设计禁忌及实例.中国建筑工业出版社.2006
　　

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