[摘要] 單層廠房是各類廠房中最基本的、應(yīng)用最普遍的一種；，它對(duì)各種類型的工業(yè)生產(chǎn)有較大的適應(yīng)性，如冶金和機(jī)械工業(yè)工廠中的軋鋼、煉鋼，鑄造，鍛壓、金工、裝配等車間，往往設(shè)有較重的機(jī)械和設(shè)備，產(chǎn)品較重且輪廓尺寸較大，因而大多采用單層廠房結(jié)構(gòu)。[關(guān)鍵詞] 廠房 結(jié)構(gòu) 鋼筋混凝土 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
引言
單層廠房按其主要承重結(jié)構(gòu)的材料分，有混合結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。廠房內(nèi)無吊車或吊車起重量不超過50kN、跨度在15m以內(nèi)、柱頂標(biāo)高在5m以內(nèi)， 無特殊工藝要求的小型廠房，可采用混合結(jié)構(gòu)(磚柱、鋼筋混凝土屋架、木屋架或輕鋼屋架)。當(dāng)?shù)踯噰嵨辉?50kN(中級(jí)工作制)以上、跨度大于36m的大型廠房或有特殊工藝要求的廠房(如設(shè)有100kN以上鍛錘的車間以及高溫車間的特殊部位等)，一般采用鋼屋架、鋼筋混凝土柱或全鋼結(jié)構(gòu)。其他大部分廠房均可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。而且，目前除特殊情況外，均采用裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在這兒我們主要介紹單層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
一、單層廠房結(jié)構(gòu)組成和布置
1．結(jié)構(gòu)組成
裝配式鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)是目前單層廠房中最基本的、應(yīng)用比較普遍的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)受力明確、設(shè)計(jì)與施工方便。它通常由下列構(gòu)件組成，并相互連成一整體(圖11-79)。
(1)屋蓋結(jié)構(gòu)、屋蓋結(jié)構(gòu)分無檁和有檁兩種體系。無檁體系由大型屋面板、屋面梁或屋架(包括屋蓋支撐／所組成；有檁體系由小型屋面板、檁條、屋架(包括屋蓋支撐)組成，屋蓋結(jié)構(gòu)有時(shí)還設(shè)有天窗架，托架，屋蓋結(jié)構(gòu)起圍護(hù)和承重雙重作用。
(2)柱子。承受屋架、吊車梁、外墻和支撐傳來的荷載，把它們傳給基礎(chǔ)。
(3)吊車梁。兩端簡支在柱子牛腿上，主要承受吊車豎向和水平荷載。
(4)支撐。包括屋蓋支撐和柱間支撐，其作用是加強(qiáng)廠房結(jié)構(gòu)的空間剛度，并保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件在安裝和使用階段的穩(wěn)定性，同時(shí)起傳遞風(fēng)載和吊車水平荷載或地震力的作用。
(5)基礎(chǔ)。承受柱和基礎(chǔ)梁傳來的荷載并將它傳至地基。
(6)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。包括縱墻及橫墻(山墻)以及由墻梁(有時(shí)還有抗風(fēng)梁及抗風(fēng)桁架)和基礎(chǔ)梁等組成的墻架。它們主要是承受墻體和構(gòu)件的白重以及作用在墻面上的風(fēng)荷載。
2．柱網(wǎng)布置
廠房承重柱(或承重墻)的縱向和橫向定位軸線，在平面上排列所形成的網(wǎng)格，稱為柱網(wǎng)。柱網(wǎng)布置就是確定縱向定位軸線之間(柱距)和橫向定位軸線之間(跨度)的尺 寸。確定柱網(wǎng)尺寸，即是確定柱的位置，同時(shí)也是確定屋面板、屋架和吊車梁等構(gòu)件的跨度并涉及到廠房結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置。柱網(wǎng)布置應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝流程的要求，并遵守國家有關(guān)廠房建筑統(tǒng)一模數(shù)制的規(guī)定，為廠房結(jié)構(gòu)構(gòu)件的統(tǒng)一、通用及施工工廠化創(chuàng)造條件。
柱網(wǎng)布置的原則一般為：
廠房跨度小于或等于18m時(shí)，應(yīng)采用3m的倍數(shù)；跨度大于18m時(shí)，應(yīng)采用6m的倍數(shù)。廠房柱距應(yīng)采用6m或6m的倍數(shù)。當(dāng)工藝布置有明顯的優(yōu)越性時(shí)，亦可采用21m、27m、33m的跨度和9m或其他柱距。
目前，一般單層廠房大多采用6m柱距，但從現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來看，擴(kuò)大柱距，對(duì)增加車間的有效面積，提高設(shè)備布置和工藝布置的靈活性、機(jī)械化施工中減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件的數(shù)量和加快施工進(jìn)度等都是有利的。當(dāng)廠房較為高大時(shí)，采用9m或9m柱距較6m柱距優(yōu)越。當(dāng)然，由于構(gòu)件尺寸增大，也給制作、運(yùn)輸和吊裝帶來不方便。 12m柱距是6m柱距的擴(kuò)大模數(shù)，在大小車間相結(jié)合時(shí)，兩者可配合使用，此外， 12m柱距可以利用現(xiàn)有設(shè)備做成6m屋面板系統(tǒng)(有托架的)，當(dāng)條件具備時(shí)又可直接采用 12m屋面板(無托架的)。所以，在選擇12m柱距和9m柱距時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用前者。
3. 支撐布置
在裝配式鋼筋混凝土單層廠房結(jié)構(gòu)中，支撐雖非主要的構(gòu)件，但卻是連系主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件以構(gòu)成整體的重要組成成分。實(shí)踐證明，如果支撐布置不當(dāng)，不僅會(huì)影響廠房的正常使用，甚至可能引起工程事故。
屋蓋支撐包括設(shè)置在屋面梁(屋架)間的垂直支撐、水平系桿，以及設(shè)置在上、下弦平面內(nèi)的橫向支撐和設(shè)在下弦平面內(nèi)的縱向水平支撐。
4. 抗風(fēng)柱、圈梁、連系梁、過梁和基礎(chǔ)梁的布置
(1)抗風(fēng)柱。當(dāng)廠房高度和跨度均不大(柱頂在8m以下，跨度為9-12m)時(shí)，可在山墻設(shè)置磚壁柱作為抗風(fēng)柱；當(dāng)高度和跨度較大時(shí)，一般都設(shè)置鋼筋混凝土抗風(fēng)柱，柱外側(cè)再貼砌山墻。在很高的廠房中，為不使抗風(fēng)柱的截面尺寸過大，可加沒水平抗風(fēng)梁或鋼抗風(fēng)桁架，作為抗風(fēng)柱的中間鉸支點(diǎn)。
抗風(fēng)柱與屋架連接必須滿足兩個(gè)要求：一是在水平方向必須與屋架有可靠的連接以保證有效地傳遞風(fēng)載；二是在豎向應(yīng)允許兩者之間有一定相對(duì)位移的可能性，以防廠房與抗風(fēng)柱沉降不均勻寸產(chǎn)生不利影響。
(2)圈梁、連系梁、過梁和基礎(chǔ)梁。當(dāng)用磚作為廠房圍護(hù)墻時(shí)，一般要設(shè)置圈梁、連系梁、過梁及基礎(chǔ)梁。
圈梁的作用是將墻體同廠房柱箍在一起，以加強(qiáng)廠房的整體剛度，防止由于地基的不均勻沉降或較大振動(dòng)荷載引起對(duì)廠房的不利影響。圈梁設(shè)置于墻體內(nèi)，和柱連接僅起拉結(jié)作用。圈梁不承受墻體重量，所以柱上不設(shè)置支承圈梁的牛腿。
圈梁的布置與墻體高度、對(duì)廠房剛度的要求以及地基情況有關(guān)。對(duì)于一般單層廠房，可參照下列原則布置：對(duì)無橋式吊車的廠房，當(dāng)墻厚≤240mm、檐高為5―8m時(shí)，應(yīng)在檐口附近布置一道，當(dāng)檐高大于8m時(shí)，宜增設(shè)一道，對(duì)有橋式吊車或有較大振動(dòng)設(shè)備的廠房，除在檐口或窗頂布置圈梁外，尚宜在吊車梁標(biāo)高處或墻中適當(dāng)位置增設(shè)一道，外墻高度大干15m時(shí)還應(yīng)適當(dāng)增設(shè)。
連系梁的作用是連系縱向柱列，以增強(qiáng)廠房的縱向剛度并傳遞風(fēng)載到縱向柱列；此外，連系梁還承受其上部墻體的重量。連系梁通常是預(yù)制的，兩端擱置在柱牛腿上，其連接可采用螺栓連接或焊接連接。
過梁的作用是承托窗洞口上部的墻體重量。
在進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)布置時(shí)，應(yīng)盡可能將圈梁、連系梁和過梁結(jié)合起來，使一個(gè)構(gòu)件起 到兩種或三種構(gòu)件的作用，以節(jié)約材料，簡化施工。在一般廠房中，通常用基礎(chǔ)梁來承托圍護(hù)墻體的重量，而不另做墻基礎(chǔ)。基礎(chǔ)梁底部距土壤表面應(yīng)預(yù)留100mm的空隙，使梁可隨柱基礎(chǔ)一起沉降。在基礎(chǔ)梁下有凍脹性土?xí)r，應(yīng)在梁下鋪設(shè)一層干砂、碎磚或礦渣等松散材料，并留50～150mm的空隙。這可防止土壤凍結(jié)膨脹時(shí)將梁頂裂�；A(chǔ)梁與柱一般不要求連接，將基礎(chǔ)梁直接放置在柱基礎(chǔ)杯口上或當(dāng)基礎(chǔ)埋置較深時(shí)，放置在基礎(chǔ)上面的混凝土墊塊上。當(dāng)廠房內(nèi)有較大振動(dòng)的設(shè)備或在地震區(qū)時(shí)，基礎(chǔ)梁與柱應(yīng)有可靠的連接。
(三)變形縫
在單層廠房中有時(shí)需設(shè)置變形縫，它包括伸縮縫、沉降縫和防震縫。
如果廠房長度和寬度過大，當(dāng)氣溫變化時(shí)，將使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫度內(nèi)力，嚴(yán)重的可使墻面、屋面等拉裂，影響使用。為減小廠房結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力，需要用伸縮縫將廠房結(jié)構(gòu)分成幾個(gè)溫度區(qū)段-伸縮縫的作法是從基礎(chǔ)頂面開始，將桕鄰溫度區(qū)段的上部結(jié)構(gòu)完全分開，并留出一定寬度的縫隙，使上部結(jié)構(gòu)在氣溫有變化寸，水平方向可以自山地發(fā)生變形。溫度區(qū)段的形狀應(yīng)力求簡單，并使伸縮縫的數(shù)量最少，溫度區(qū)段的長度(伸縮縫之間的距離)取決于結(jié)構(gòu)類型和溫度變化情況�！痘炷烈�(guī)范》規(guī)定，室內(nèi) 的裝配式鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)的伸縮縫最大間距為lOOm，露天的裝配式鋼筋混凝土排 架結(jié)構(gòu)為70m。
一般單層廠房排架結(jié)構(gòu)中不設(shè)置沉降縫．只有在特殊條件：下才考慮設(shè)置，如廠房相鄰兩部分高度相差很大，兩跨間吊車起重量相差懸殊，地基強(qiáng)度或―下臥層土質(zhì)有極大差別，廠房各部分的施工時(shí)間先后相差很長，土壤壓縮程度不同等。沉降縫應(yīng)將建筑物從屋頂?shù)交A(chǔ)全部分開，當(dāng)縫兩邊的廠房有過大的不均勻沉降時(shí)，不致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力和變形，沉降縫可兼作伸縮縫，而伸縮縫不能兼作沉降縫、
防震縫是為了減輕廠房地震災(zāi)害而采取的措施之一、關(guān)于防震縫詳見《抗震規(guī)范》。
二、柱的設(shè)計(jì)
2.1柱的形式和尺寸
單層廠房中的柱主要有排架柱和拉風(fēng)柱兩類。柱的截面尺寸除應(yīng)滿足承載力的要求外，還應(yīng)保持具有足夠的剛度，以免廠房變性過大，造成吊車輪與軌道過早磨損，影響吊車的正常運(yùn)行或?qū)е聣w和屋蓋產(chǎn)生裂縫，影響廠房的正常使用。柱的截面尺寸除了考慮吊車起重量和柱的類型兩個(gè)因數(shù)外，還應(yīng)該考慮廠房跨數(shù)和高度、柱的形式、維護(hù)結(jié)構(gòu)的材料和構(gòu)造、施工等。
2.2截面設(shè)計(jì)
柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C20，縱向受力鋼筋直徑d不宜小于12mm，全部縱向鋼筋的配筋率不宜超過5%。當(dāng)偏心受壓柱的截面高度h≥600mm時(shí)，在側(cè)面應(yīng)設(shè)置直徑為10～16mm的縱向構(gòu)造鋼筋，并相應(yīng)地設(shè)置符合箍筋和拉筋。柱內(nèi)縱向鋼筋的凈距不應(yīng)小于50mm；對(duì)水平澆筑的預(yù)制柱，其上部縱向鋼筋的最小凈間距不應(yīng)小于30mm和1.5d（d為鋼筋的最大直徑），下部縱向鋼筋的最小凈間距不應(yīng)小于25mm和d。偏心受壓柱中垂直于彎矩作用平面的縱向受力鋼筋以及軸心受壓柱中各邊的縱向受力鋼筋，其中距不宜大于300mm。
柱中的箍筋應(yīng)為封閉式。箍筋間距不應(yīng)大于400mm及構(gòu)件截面的短邊尺寸，且在綁扎骨架中不應(yīng)大于15d,在焊接骨架中不應(yīng)大于20d（d為縱向鋼筋的最小直徑）。箍筋直徑不應(yīng)小于d/4（d為縱向鋼筋的最大直徑），且不應(yīng)小于6mm。當(dāng)柱中全部縱向受力鋼筋的配筋率超過3%時(shí)，箍筋直徑不宜小于8mm，間距不應(yīng)大于10d（d為縱向鋼筋的最小直徑），且不應(yīng)大于200mm。當(dāng)柱截面短邊尺寸大于400mm且各邊縱向鋼筋對(duì)于3根時(shí)，或當(dāng)柱截面短邊尺寸不大于400mm但各邊縱向鋼筋多于4根時(shí)，應(yīng)設(shè)置復(fù)合箍筋。
2.3牛腿設(shè)計(jì)
牛腿設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括確定牛腿的截面尺寸、進(jìn)行配筋計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)。
①牛腿按照集中力作用線至下柱邊緣的距離分為兩種：一種為長牛腿，與懸臂梁相似，按懸臂梁進(jìn)行設(shè)計(jì)；另一種為短牛腿，是一個(gè)變截面短懸臂深梁。
②截面尺寸：牛腿的截面寬度與柱寬相同，因而，確定牛腿的截面尺寸主要是確定其截面寬度。在設(shè)計(jì)過程中，通常以不出現(xiàn)斜裂縫作為控制條件。
③水平箍筋：水平箍筋的直徑應(yīng)取6～12mm，間距100～150mm，且在上部2h0/3范圍內(nèi)的水平箍筋總截面面積不應(yīng)小于承受豎向力的受拉鋼筋截面積的1/2.
④彎起鋼筋：當(dāng)牛腿的剪跨比大于或等于0.3時(shí)，宜設(shè)置彎起鋼筋。彎起鋼筋宜采用HRB335級(jí)或HRB400級(jí)鋼筋。
2.4抗風(fēng)柱設(shè)計(jì)
抗風(fēng)柱承受山墻傳來的風(fēng)荷載，它的外邊緣位置與單層廠房橫向封閉軸線相重合，離屋架中心線500mm。為了避免抗風(fēng)柱與端屋架相碰，應(yīng)將抗風(fēng)柱的上部截面高度適當(dāng)減小，形成變截面單階柱。
2.5預(yù)埋件設(shè)計(jì)
預(yù)埋件由錨板、錨筋焊接而成。錨板宜采用可焊性及塑性良好的HPB235級(jí)鋼制作；錨筋應(yīng)盡量采用HRB335級(jí)鋼筋。若采用光圓鋼筋，受力預(yù)埋件的端頭必須加彎鉤。
三、柱下獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
①基礎(chǔ)形狀：獨(dú)立基礎(chǔ)的底面一般為矩形，長寬比宜小于2�；A(chǔ)的截面形狀一般可采用對(duì)稱的階梯形或錐形，當(dāng)荷載引起的偏心距較大時(shí)也可做成不對(duì)稱形式，但基礎(chǔ)中心對(duì)柱截面中心的偏移為50mm的倍數(shù)，且同一柱列宜取相同的偏移值。
②底板配筋：基礎(chǔ)底板受力鋼筋的最小直徑不宜小于10mm，間距不宜大于200mm，也不宜小于100mm。當(dāng)基礎(chǔ)底面邊長大于或等于2.5m時(shí)，底板受力鋼筋的長度可取邊長的0.9倍，并宜交錯(cuò)布置。
③混凝土等級(jí)強(qiáng)度：基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C20。墊層的混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)為C10，墊底厚度不宜小于70mm,周邊伸出基礎(chǔ)邊緣宜為100mm。
④杯口深度：杯口的深度等于柱的插入深度+50mm。為了保證預(yù)制柱能嵌固在基礎(chǔ)中，柱伸入杯口應(yīng)有足夠的深度，并且其深度還應(yīng)滿足柱內(nèi)受力鋼筋錨固長度的要求，并應(yīng)考慮吊裝時(shí)柱的穩(wěn)定性。
結(jié)束語
單層廠房結(jié)構(gòu)具有較大的凈空和跨度，因而構(gòu)件的內(nèi)力和基礎(chǔ)受力均較大。與此同時(shí)，它經(jīng)常承受機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)和吊車等荷載，因此在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)動(dòng)力荷載的影響等因素進(jìn)行綜合的考慮，做好單層廠房的建筑設(shè)計(jì)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)將帶來很多好處，創(chuàng)造更多的社會(huì)價(jià)值。
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