房屋结构设计---单层工业厂房 单层工业厂房设计实例

单层工业厂房的结构形式、结构组成和结构布置

单层厂房的结构型式

单层厂房按结构材料大致可分为：混合结构、混凝土结构和钢结构。一般说来，无吊车或吊车吨位不超过5t，且跨度在15m以内，柱顶标高在8m以下，无特殊工艺要求的小型厂房，可采用由砖柱、钢筋混凝土屋架或木屋架或轻钢屋架组成的混合结构。当吊车吨位在250t（中级载荷状态）以上，或跨度大于36m的大型厂房，或有特殊工艺要求的厂房（如设有10t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混凝土结构。

目前，我国混凝土单层厂房的结构型式主要有排架结构和刚架结构两种。

排架结构由屋架（或屋面梁）、柱和基础组成，柱与屋架铰接，与基础刚接。根据生产工艺和使用要求的不同，排架结构可做成等高、不等高和锯齿形等多种形式，见2-1和2-2，后者通常用于单向采光的纺织厂。排架结构是目前单层厂房结构的基本结构形式，其跨度可超过30m，高度可达（20～30）m或更高，吊车吨位可达150t甚至更大。排架结构传力明确，构造简单，施工亦较方便。

目前常用的刚架结构是装配式钢筋混凝土门式刚架。它的特点是柱和横梁刚接成一个构件，柱与基础通常为铰接。刚架顶节点做成铰接的，称为三铰刚架，见2-3（a），做成刚接的称为两铰刚架，见2-3（b），前者是静定结构，后者是超静定结构。为便于施工吊装，两铰刚架通常做成三段，在横梁中弯矩为零（或很小）的截面处设置接头，用焊接或螺栓连接成整体。刚架顶部一般为人字形见2-3（a）、（b），也有做成弧形的，见2-3（c）、（d）。刚架立柱和横梁的截面高度都是随内力（主要是弯矩）的增减沿轴线方向做成变高的，以节约材料。构件截面一般为矩形，但当跨度和高度都较大时，为减轻自重（即自身重力的简称，下同），也有做成工字形或空腹的，见2-3（d）。刚架的优点是梁柱合一，构件种类少，制作较简单，且结构轻巧，当跨度和高度较小时，其经济指标稍优于排架结构。刚架的缺点是刚度较差，承载后会产生跨变，梁柱转角处易产生早期裂缝，所以对于吊车吨位较大的厂房，刚架的应用受到一定的限制。此外，由于刚架构件呈形或“Y”形，使构件的翻身、起吊和对中、就位等都比较麻烦，跨度大时尤其是这样。　

我国从20世纪60年代初期以来，刚架已较广泛地用于屋盖较轻、无吊车或吊车吨位不大（一般不超过lOt、个别用至20t）、跨度一般不超过16～24m（国内已建成的两铰刚架最大跨度达38m）、立柱高度6～lOm（最高已达14m）的金工、机修、装配等车间或仓库。目前已发展成为单层厂房中的一种结构体系。

单层厂房的结构组成与传力路线

一、结构组成

单层厂房排架结构通常由下列结构构件组成并相互连接成整体。

1、屋盖结构

屋盖结构由屋面板（包括天沟板）、屋架或屋面梁（包括屋盖支撑）组成，有时还设有天窗架和托架等。屋盖结构分无檩和有檩两种屋盖体系，将大型屋面板直接支承在屋架或屋面梁上的称为无檩屋盖体系；将小型屋面板或瓦材支承在檩条上，再将檩条支承在屋架上的称为有檩屋盖体系。在屋盖结构中，屋面板起围护作用并承受作用在板上的荷载，再将这些荷载传至屋架或屋面梁；屋架或屋面梁是屋面承重构件，承受屋盖结构自重和屋面板传来的活荷载，并将这些荷载传至排架柱。天窗架支承在屋架或屋面梁上，也是一种屋面承重构件。

2、横向平面排架

横向平面排架由横梁（屋架或屋面梁）、横向柱列和基础组成，是厂房的基本承重结构。厂房结构承受的竖向荷载、横向水平荷载以及横向水平地震作用都是由横向平面排架承担并传至地基的。

3、纵向平面排架

纵向平面排架由纵向柱列、连系梁、吊车梁、柱间支撑和基础等组成，其作用是保证厂房的纵向稳定性和刚性，并承受作用在山墙、天窗端壁以及通过屋盖结构传来的纵向风荷载、吊车纵向水平荷载等，再将其传至地基，见2-4，另外它还承受纵向水平地震作用、温度应力等。

4、吊车梁

吊车梁一般为装配式的，简支在柱的牛腿上，主要承受吊车竖向荷载、横向或纵向水平荷载，并将它们分别传至横向或纵向平面排架。吊车梁是直接承受吊车动力荷载的构件。

5、支撑

单层厂房的支撑包括屋盖支撑和柱间支撑两种，其作用是加强厂房结构的空间刚度，保证结构构件在安装和使用阶段的稳定和安全，同时起着把风荷载、吊车水平荷载或水平地震作用等传递到相应承重构件的作用。

6、基础

基础承受柱和基础梁传来的荷载并将它们传至地基。

7、围护结构

围护结构包括纵墙、横墙（山墙）及由连系梁、抗风柱（有时还有抗风梁或抗风桁架）和基础梁等组成的墙架。这些构件所承受的荷载，主要是墙体和构件的自重以及作用在墙面上的风荷载等。

二、传力路线

2-5显示出了单层厂房结构的传力路线。由该图可知，单层厂房结构所承受的各种荷载，基本上都是传递给排架柱，再由柱传至基础及地基的，因此屋架（或屋面梁）柱、基础是单层厂房的主要承重构件。在有吊车的厂房中，吊车梁也是主要承重构件，设计时应予以重视。

单层厂房的结构布置

一、柱网布置

厂房承重柱或承重墙的定位轴线，在平面上构成的网络，称为柱网。柱网布置就是确定纵向定位轴线之间的尺寸（跨度）和横向定位轴线之间的尺寸（柱距）。柱网布置既是确定柱的位置，也是确定屋面板、屋架和吊车梁等构件尺寸（跨度）的依据，并涉及结构构件的布置。柱网布置恰当与否，将直接影响厂房结构的经济合理性和先进性，对生产使用也有密切关系。

柱网布置的原则一般为：符合生产和使用要求；建筑平面和结构方案经济合理；在厂房结构型式和施工方法上具有先进性和合理性；符合《厂房建筑模数协调标准》（GBJ6—86）的有关规定；适应生产发展和技术革新的要求。

厂房跨度在18m及以下时，应采用扩大模数30M数列；在18m以上时，应采用扩大模数60M数列，见2-6。当跨度在18m以上，工艺布置有明显优越性时，也可采用扩大模数30M数列。

厂房的柱距应采用扩大模数60M数列，见2-6。

目前，从经济指标、材料用量和施工条件等方面衡量，特别是高度较低的厂房，采用6m柱距比12m柱距优越。但从现代工业发展趋势来看，扩大柱距对增加厂房有效面积，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。当然，由于构件尺寸增大，也给制作、运输和吊装带来不便。

二、变形缝

变形缝包括伸缩缝、沉降缝和防震缝。

如果厂房长度和跨度过大，当气温变化时，由于温度变形将使结构内部产生很大的温度应力，严重的可使墙面、屋面和构件等拉裂，影响使用如2-7（a）所示。为减少厂房结构中的温度应力，可设置伸缩缝将厂房结构分成若干温度区段。伸缩缝应从基础顶面开始，将两个温度区段的上部结构构件完全分开，并留出一定宽度的缝隙，使上部结构在气温有变化时，水平方向可以较自由地发生变形，不致引起房屋开裂，如2-7（b）所示。温度区段的形状，应力求简单，并应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。《混凝土结构设计规范》对钢筋混凝土结构伸缩缝的最大距离作了规定，见附录3。当厂房的伸缩缝间距超过规定值时，应验算温度应力。

附录3 钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距（m)

注：①如有充分依据或可靠措施，表中数值可予以增减；

　　② 装配整体式结构房屋的伸缩缝间距宜按表中现浇式一栏的数值取用；

　　③框架——剪力墙结构或框架——简体结构房屋的伸缩缝间距应根据结构的具体布置情况按表中介于框架结构与剪力墙结构间的数值取用；

　　④当屋面板上部无保温或隔热措施时：对框架、剪力墙结构的伸缩缝间距，可按表中露天栏的数值取用；对排架结构的伸缩缝间距，可按表中室内栏的数值适当减少；

　　⑤排架结构的柱高（从基础顶面算起）低于8m时，宜适当减少伸缩缝间距；

　　⑥外墙装配内墙现浇的剪力墙结构，起伸缩缝最大间距宜按现浇式一栏的数值取用。滑模施工的剪力墙结构，宜适当减小伸缩缝间距。现浇墙体在施工中应采取措施减小混凝土收缩应力；

　　⑦位于气候干燥地区、夏季炎热且暴雨频繁地区的结构或经常处于高温作用下的结构，可按照使用经验适当减少伸缩缝间距；

　　⑧伸缩缝间距尚应考虑施工条件的影响，必要时（如材料收缩较大或室内结构因施工外露时间较长）宜适当减少伸缩缝间距；

　　⑨现浇挑梁、雨罩等外露结构宜沿纵向设置温度伸缩缝，间距不宜大于15m。

在有些情况下，为避免厂房因基础不均匀沉降而引起开裂和损坏，需在适当部位用沉降缝将厂房划分成若干刚度较一致的单元。在一般单层厂房中可不做沉降缝，只有在特殊情况下才考虑设置，如厂房相邻两部分高度相差很大（如lOm以上），两跨间吊车吨位相差悬殊，地基承载力或下卧层土质有巨大差别，或厂房各部分的施工时间先后相差很长，地基土的压缩程度不同等情况。沉降缝应将建筑物从屋顶到基础全部分开，以使在缝两边发生不同沉降时不致损坏整个建筑物。沉降缝可兼作伸缩缝。

防震缝是为了减轻厂房震害而采取的措施之一。当厂房平、立面布置复杂，结构高度或刚度相差很大，以及在厂房侧边贴建生活间、变电所、炉子间等披屋时，应设置防震缝将相邻两部分分开。地震区的伸缩缝和沉降缝均应符合防震缝要求。

三、单层厂房的支撑

就整体而言，支撑的主要作用是：保证结构构件的稳定与正常工作；增强厂房的整体稳定性和空间刚度；把纵向风荷载、吊车纵向水平荷载及水平地震作用等传递到主要承重构件；保证在施工安装阶段结构构件的稳定。在装配式混凝土单层厂房结构中，支撑虽然不是主要的承重构件，但却是联系各种主要结构构件并把它们构成整体的重要组成部分。工程实践表明，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，应给予足够的重视。

厂房支撑分屋盖支撑和柱间支撑两类。

下面扼要讲述屋盖支撑和柱间支撑的作用和布置原则，至于具体布置方法及构造细节可参阅有关标准图集或参考文献。

1、屋盖支撑

屋盖支撑通常包括上、下弦水平支撑、垂直支撑及纵向水平系杆。

屋盖上、下弦水平支撑是指布置在屋架（屋面梁）上、下弦平面内以及天窗架上弦平面内的水平支撑。支撑节间的划分应与屋架节间相适应。水平支撑一般采用十字交叉的形式。交叉杆件的交角一般为30º～60º，其平面图如2-8所示。

屋盖垂直支撑是指布置在屋架（屋面梁）间或天窗架（包括挡风板立柱）间的支撑。垂直支撑的型式见2-9。

系杆分刚性（压杆）和柔性（拉杆）两种。系杆设置在屋架上、下弦及天窗上弦平面内。

（1）屋架（屋面梁）上弦支撑

屋架上弦支撑是指厂房每个伸缩缝区段端部的横向水平支撑，它的作用是：在屋架上弦平面内构成刚性框，增强屋盖的整体刚度，保证屋架上弦或屋面梁上翼缘平面外的稳定，同时将抗风柱传来的风荷载传递到（纵向）排架柱顶。

当采用钢筋混凝土屋面梁的有檩屋盖体系时，应在梁的上翼缘平面内设置横向水平支撑，并应布置在端部第一柱距内以及伸缩缝区段两端的第一或第二个柱距内，见2-10。当采用大型屋面板且连接可靠、能保证屋盖平面的稳定并能传递山墙风荷载时，则认为大型屋面板能起上弦横向支撑的作用，可不再设置上弦横向水平支撑。

对于采用钢筋混凝土拱形及梯形屋架的屋盖系统，应在每一个伸缩缝区段端部的第一或第二个柱距内布置上弦横向水平支撑。当厂房设置天窗时可根据屋架上弦杆件的稳定条件，在天窗范围内沿厂房纵向设置连系杆。

（2）屋架（屋面梁）下弦支撑

包括下弦横向水平支撑和纵向水平支撑两种。

下弦横向水平支撑的作用是承受垂直支撑传来的荷载，并将山墙风荷载传递至两旁柱上。　　　　　　　　

当厂房跨度L≥18m时，下弦横向水平支撑应布置在每一伸缩缝区段端部的第一个柱距内，见2-11。当L<18m且山墙上的风荷载由屋架上弦水平支撑传递时，可不设屋盖下弦横向水平支撑。当设有屋盖下弦纵向水平支撑时，为保证厂房空间刚度，必须同时设置相应的下弦横向水平支撑。

下弦纵向水平支撑能提高厂房的空间刚度，增强排架间的空间作用，保证横向水平力的纵向分布。当厂房柱距为6m，且厂房内设有普通桥式吊车，吊车吨位≥10t（重级）或吊车吨位≥30t等情况时，应设置下弦纵向水平支撑。

（3）屋架（屋面梁）垂直支撑和水平系杆

垂直支撑除能保证屋盖系统的空间刚度和屋架安装时结构的安全外，还能将屋架上弦平面内的水平荷载传递到屋架下弦平面内。所以垂直支撑应与屋架下弦横向水平支撑布置在同一柱间内。在有檩屋盖体系中，上弦纵向系杆是用来保证屋架上弦或屋面梁受压翼缘的侧向稳定的（即防止局部失稳），并可减小屋架上弦杆的计算长度。

当厂房跨度为（18～30）m，屋架间距为6m，采用大型屋面板时，应在屋架跨度中点布置一道垂直支撑，见2-12和2-13。对于拱形屋架及屋面梁，因其支座处高度不大，故该处可不设置垂直支撑，但需对梁支座进行抗倾覆验算，如稳定性不能满足要求时，应采取措施。梯形屋架支座处必须设置垂直支撑。

当屋架跨度超过30m，间距为6m，采用大型屋面板时，应在屋架跨度1／3左右附近的节点处设置两道垂直支撑及系杆。

在一般情况下，当屋面采用大型屋面板时，应在未设置支撑的屋架间相应于垂直支撑平面的屋架上弦和下弦节点处，设置通长的水平系杆。对于有檩体系，屋架上弦的水平系杆可以用檩条代替（但应对檩条进行稳定和承载力验算），仅在下弦设置通长的水平系杆。

垂直支撑一般在伸缩缝区段的两端各设置一道。当屋架跨度不大于18m，屋面为大型屋面板的一般厂房中，无天窗时可不设置垂直支撑和水平系杆；有天窗时，可在屋脊节点处设置一道水平系杆。

（4）天窗架间的支撑

天窗架间的支撑有天窗上弦水平支撑和天窗架间的垂直支撑两种。

天窗上弦水平支撑用来保证天窗架上弦平面外的稳定。当屋盖为有檩体系或虽为无檩体系但大型屋面板与屋架的连接不能起整体作用时，应将上弦水平支撑布置在天窗端部的第一柱距内，见2-14。

天窗垂直支撑除保证天窗架安装时的稳定外，还将天窗端壁上的风荷载传至屋架上弦水平支撑，因此天窗的垂直支撑应与屋架上弦水平支撑布置在同一柱距内（在天窗端部的第一柱距内），且一般沿天窗的两侧设置，见2-15（a）。为了不妨碍天窗的开启，也可设置在天窗斜杆平面内，如2-15（b）所示。

由上可知，在每一个温度区段内，屋盖支撑的构成思路是这样的：由上、下弦水平支撑分别在温度区段的两端构成横向的上、下水平刚性框，再用垂直支撑和水平系杆把两端的水平刚性框连接起来。天窗架间的支撑构成思路也与此相同。

2、柱间支撑

柱间支撑一般包括上部柱间支撑、中部及下部柱间支撑，见2-16。柱间支撑通常宜采用十字交叉形支撑；它具有构造简单、传力直接和刚度较大等特点。交叉杆件的倾角一般在35º～50º之间。在特殊情况下，因生产工艺的要求及结构空间的限制，可以采用其他型式的支撑。当l/h≥2时可采用人字形支撑；l/h≥2.5时可采用八字形支撑；当柱距为15m且h₂较小时，采用斜柱式支撑比较合理。

柱间支撑的作用是保证厂房结构的纵向刚度和稳定，并将水平荷载（包括尺窗端壁部和厂房山墙上的风荷载、吊车纵向水平制动力以及作用于厂房纵向的其他荷载）传至基础。

凡属下列情况之一者，应设置柱间支撑：

（1）厂房内设有悬臂吊车或3t及以上悬挂吊车；

（2）厂房内设有重级工作制吊车，或设有中级、轻级工作制吊车，起重量在lOt及以上；

（3）厂房跨度在18m以上或柱高在8m以上；

（4）纵向柱列的总数在七根以下；

（5）露天吊车栈桥的柱列。

柱间支撑应布置在伸缩缝区段的中央或临近中央（上部柱间支撑在厂房两端第一个柱距内也应同时设置），这样有利于在温度变化或混凝土收缩时，厂房可较自由变形而不致产生较大的温度或收缩应力。并在柱顶设置通长刚性连系杆来传递荷载，见2-17。当屋架端部设有下弦连系杆时，也可不设柱顶连系杆。

当钢筋混凝土矩形或工字形柱的截面高度h≥600mm时，下部柱间支撑应设计成双片，且其间距应等于柱高减去200mm，见2-18（a）。双肢柱的下部柱间支撑应设在吊车梁的垂直平面内，见2-18（b）。当一段柱截面高度大于1000mm或设有人孔及刚度要求较高时，柱间支撑一般宜设计成双片的，见2-18（c）。

柱间支撑一般采用钢结构，杆件承载力和稳定性验算均应符合《钢结构设计规范》的有关规定。当厂房设有中级或轻级工作制吊车时，柱间支撑亦可采用钢筋混凝土结构。

四、抗风柱、圈梁、连系梁、过梁和基础梁的功能和布置原则

1、抗风柱（山墙壁柱）

2、圈梁、连系梁、过梁和基础梁

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