在厂房建筑中,支承各种荷载作用的构件所组成的骨架通常称为结构。厂房依靠各种结构构件合理地连接为一体,组成一个完整的结构空间以保证厂房的坚固、耐久。我国单层工业厂房广泛采用钢筋混凝土排架结构,即柱与基础刚接,柱与屋架或屋面梁铰接的平面骨架结构。
钢筋混凝土排架结构主要由承重结构和围护结构两部分组成。承重结构主要由基础、柱、屋架、吊车梁、圈梁、连系梁、基础梁、抗风柱及支撑系统等构件组成。围护结构包括外墙、屋面、地面、门窗、天窗等。其构件组成如图16.17所示。
图16.17 装配式钢筋混凝土排架结构厂房的组成
1—边列柱;2—中列柱;3—屋面大梁;4—天窗架;5—吊车梁;6—连系梁;7—基础梁;8—基础;9—外墙;10—圈梁;11—屋面板;12—地面;13—天窗扇;14—散水;15—风荷载
16.3.1 承重结构
16.3.1.1 基础
基础是厂房的重要构件之一。支撑厂房结构的全部荷载并传于地基。
(1)基础类型的选择。主要取决于上部荷载的大小、性质及工程地质条件等。单层厂房的基础按构造型式分,一般有独立基础(锥台形基础、薄壳基础、板肋基础)、条形基础、桩基础等。
(2)独立基础构造。单层厂房一般采用预制装配式钢筋混凝土排架结构,厂房的柱距与跨度较大,故厂房的基础多采用独立钢筋混凝土基础,其按施工方式的不同分有现浇柱下基础和预制柱下杯形基础两种形式,构造与民用建筑相同。
16.3.1.2 基础梁
基础梁是架设在相邻独立基础之间,用以支承砌体墙身的承重构件。单层厂房墙下不宜设基础,宜设基础梁,这是因为单层厂房外墙和内墙仅起围护和分隔作用,如果墙下设基础,则会由于墙下基础所承受的荷载比柱基础小得多,而产生不均匀沉降,导致墙面开裂。因此将厂房外墙或内墙砌筑在基础梁上,这样可使内外墙和柱一起沉降,墙面不易开裂,如图16.18所示。
图16.18 基础梁与基础的连接
基础梁长度的标志尺寸一般为6m,在抗风柱间的基础梁长度尚有4.5m的。基础梁多采用上宽下窄的梯形截面,如图16.19所示,顶面宽度是按砌体墙身的厚度而定的,梁高则根据柱距选取。
图16.19 基础梁的截面形式
基础梁的顶面标高通常低于室内地坪50mm,以利于厂房大门前能设置坡道;同时也应高于室外地坪100mm以上,以利于墙身防潮并做散水。基础梁一般直接搁置在基础的杯口上,当基础较深时,可采取在基础顶面加设混凝土垫块,或设置高杯基础,或在柱下部分加设牛腿等措施,如图16.20所示,而不采用深置基础梁,增加墙体的工程量的做法。
图16.20 基础梁的位置与搁置方式
(a)搁置在柱基础顶面;(b)搁置在混凝土垫块上;(c)搁置在高杯口基础上;(d)搁置在柱牛腿上
由于基础梁的埋置较浅,如梁底为密实的土层,则可能因基础下沉而产生反拱现象。寒冷地区还会因土壤冻胀产生反拱作用而破坏基础梁,故在基础梁底部应留有50～100mm的空隙。同时,寒冷地区为有效地防止因热桥效应使室内热量散失和影响使用,应在基础梁底部铺设厚度不小于300mm的松散材料,如矿渣、干砂等,如图16.21所示。
图16.21 基础梁防冻措施
16.3.1.3 排架柱
柱是厂房中的主要承重构件,不仅承担屋盖、吊车梁及部分外墙的垂直荷载,同时还承受风荷载和吊车刹车时的纵向和横向的水平荷载,而且由地震产生的作用在结构上的地震力,也基本上靠柱承担。柱是既受轴向压力(作用于轴向的垂直荷载),又受水平力的作用,有时还要受扭。因此要根据受力情况选择合理的柱形式。
目前柱的类型很多,按材料分有砖柱、钢筋混凝土柱、预应力混凝土柱、型钢柱等。按截面形式分有矩形柱、工字形柱、双肢柱、管柱等,如图16.22所示。
图16.22 柱子的类型
(a)矩形柱;(b)工字形柱;(c)预制空腹板工字形柱;(d)单肢空心管柱;(e)双肢柱;(f)平腹杆双肢柱;(g)斜腹杆双肢柱;(h)双肢空心管柱
(1)矩形柱外形简单,施工方便,容易保证质量要求,两个方向受弯性能好。适用于中小型厂房,以及弯矩不大的以中心受压为主的柱。矩形柱的截面尺寸一般为400mm×600mm。
(2)工字形柱。柱截面呈“工”字形,与同尺寸截面的矩形柱相比,承载力几乎相同,但节约混凝土约30%～50%,故工字形柱造型比矩形柱合理;其缺点是,制作构件的模板较复杂。在中、大型厂房应用较广泛,一般适用于吊车吨位在30t以下的厂房。工字形柱的截面尺寸一般为400mm×600mm、400mm×800mm、500mm×1500mm等。工字形截面仅用于柱身,而不得用于柱顶、柱底及牛腿处,如图16.23所示。
图16.23 工字形柱
(3)双肢柱由两根承受轴向力的肢杆和联系两肢的腹杆组成。其腹杆有两种布置形式,一种是平腹杆,一种是斜腹杆。平腹杆比斜腹杆外形简单,施工方便,腹杆上的长方孔便于布置管道,但受力性能和刚度不如斜腹杆柱;斜腹杆柱是桁架形式,各杆件基本承受轴向力,弯矩很小,所以材料较省。当柱的长度和荷载都较大,吊车起重量大于30t,柱的截面高度大于1.5m时,宜考虑选用双肢柱,如图16.24所示。
图16.24 双肢柱
(4)管柱有单肢管柱和双肢管柱两种。单肢管柱的外形和等截面矩形柱相似,可伸出支撑吊车梁的肩梁(牛腿)。双肢管柱的外形类似双肢柱,可分为平腹杆和斜腹杆双肢管柱。钢筋混凝土管柱在工厂预制,可采用机械化方式生产,可在现场拼装,受气候的影响少,但因管的外形是圆的,设置预埋件较困难,与墙的连接也不如其他形式的柱方便。
16.3.1.4 吊车梁
吊车梁是有吊车厂房的重要构件之一。当厂房设有桥式吊车或支承式梁式吊车时,需要在柱牛腿上设置吊车梁,吊车横梁在吊车梁上铺设的轨道上运行。吊车梁承受吊车起吊重物时的物件荷载和自重、运行时的动荷载和制动时产生的水平和纵向刹车力,同时还有传递厂房纵向荷载(如山墙上的风荷载),保证厂房纵向刚度和稳定性的作用。
(1)吊车梁的类型,很多,按截面形式分,有等高截面和变高截面两种。
1)等高截面吊车梁的截面形状常有T形和工字形。T形吊车梁的横断面为T形,如图16.25(a)所示,上部翼缘较宽,以增加梁的受压面积,也便于固定吊车轨道。这种梁施工简单,制作方便,但自重大,费材料,不甚经济。非预应力钢筋混凝土T形吊车梁适用于厂房柱距为6m、厂房跨度不大于30m、吊车吨位在10t以下的厂房;预应力钢筋混凝土T形吊车梁适用于柱距为6m、吊车吨位在10～30t的厂房。工字形吊车梁腹壁薄,节约材料,自重较轻,如图16.25(b)所示。适用于柱距为6m、跨度为12～33m、吊车起重量为5～25t的厂房。
图16.25 等截面T形、工字形吊车梁
(a)等截面T形吊车梁;(b)等截面工字形吊车梁
2)变高截面吊车梁有鱼腹式、折线形等形式。鱼腹式较常见。鱼腹式吊车梁腹板薄,外形像鱼腹。由于其外形与弯矩包络图形相近,故能较好地发挥材料的受力性能,且能节约混凝土,减轻自重,但制作相对较复杂。一般适用于柱距不大于12m、跨度为12～33m、吊车起重量为15～150t的厂房,如图16.26所示。
图16.26 鱼腹式吊车梁
(2)吊车轨道分为轻轨、重轨和方钢三种形式,可根据各种吊车的技术规格荐用型号选定。吊车轨道与吊车梁一般采用垫板和螺栓连接的方法,即安装轨道前,先在吊车梁上铺设30～50mm厚的C20细石混凝土垫层并精确找平,然后在垫层上铺设钢垫板(或塑料、橡胶等弹性垫板),垫板上放钢轨,钢轨两侧放固定板(用弹性垫板时不设),钢轨用压板压住,压板与吊车梁用螺栓连接牢固,如图16.27所示。
图16.27 吊车轨道的固定
(3)车挡一般设在吊车梁尽端,作用是防止吊车撞到山墙上,同时也能限制吊车的运行范围。车挡用钢材制作,上面固定橡胶板,用螺栓固定在吊车梁的翼缘上,如图16.28所示。
图16.28 车挡
16.3.1.5 连系梁
连系梁是厂房纵向柱列的水平连系构件,以增强厂房的纵向刚度,并传递风荷载到纵向柱列。当墙体高度超过一定限度时,砖砌体的强度不足以承受自身的重量,则应设置连系梁以承受其上部的墙体重量,即将该部分墙重,通过连系梁传给柱子,所以连系梁也称墙梁。
连系梁的截面形式有矩形(用于一砖墙厚)和L形(用于一砖半墙厚),如图16.29所示。
图16.29 连系梁的截面形式
连系梁与柱应有可靠的连接,以保证可靠的传力性能。一般在柱的外侧设置钢牛腿或钢筋混凝土牛腿,连系梁搁置在牛腿上;预制连系梁与柱的牛腿可通过螺栓进行连接,也可以通过梁、柱设预埋铁件进行焊接固定;现浇连系梁通过与柱中预留的锚拉钢筋浇灌在一起进行连接,如图16.30所示。
图16.30 连系梁的连接固定
16.3.1.6 圈梁
圈梁的作用是将墙体同厂房排架柱、抗风柱等箍在一起,加强厂房结构的整体性和墙身的刚度与稳定性,减少因地基不均匀沉降引起的墙体开裂,提高厂房的抗震能力。圈梁埋置在墙体内,同柱子连接仅起拉结作用,不承受墙体的重量。(www.xing528.com)
圈梁的位置一般应在柱顶设一道,对有桥式吊车的厂房,还应在吊车梁附近增设一道。当厂房很高时,根据厂房刚度的需要,考虑墙体高度及地基情况,还需设多道圈梁。如振动较大的厂房,沿墙每隔4m左右增设一道圈梁。
圈梁一般做成现浇的,通过柱上的预留钢筋与柱浇筑在一起。预制的圈梁可用二次浇筑混凝土使之连成整体,如图16.31所示。
图16.31 圈梁与柱的连接
16.3.1.7 屋架和屋面梁
屋面梁或屋架是屋盖结构的主要承重构件,直接承受屋面荷载,有的还要承受悬挂式梁式吊车、天窗架、管道或生产设备等荷载,对厂房的安全、刚度、耐久性、经济性等起着至关重要的作用。其制作材料有钢筋混凝土、型钢、木材等。
(1)屋面梁有单坡和双坡两种形式,可用于单坡或双坡屋面。用于单坡屋面的跨度有6m、9m和12m三种,用于双坡屋面的跨度有9m、12m、15m和18m四种。如图16.32(a)、图16.32(b)所示。屋面坡度较平缓,一般为1/10,适用于卷材防水屋面和非卷材防水屋面。屋面大梁可悬挂50kN以下的吊车。
图16.32 常用屋面梁和屋架形式
(a)单坡屋面梁;(b)双坡屋面梁;(c)两铰拱组合屋架;(d)梯形屋架;(e)拱形屋架;(f)折线形屋架
屋面梁的截面有T形和工字形,形状简单,制作方便,梁高小而稳定性好,施工方便,但自重较大。预应力屋面梁能节约材料,减轻自重,用途较广。
(2)屋架。
1)桁架式屋架。桁架式屋架外形通常有三角形、梯形、拱形、折线形等几种形式,如图16.32(d)、图16.32(e)、图16.32(f)所示。
2)两铰拱屋架,如图16.32(c)所示。两铰拱屋架支座节点为铰接,顶节点为刚接。这类屋架杆件减少,构造简单,上弦可采用钢筋混凝土或预应力混凝土杆件,下弦则多采用角钢或钢筋。这种屋架刚度较差,不宜用于振动较大和重型的厂房。也有用三铰拱屋架的,三铰拱屋架的支座节点和顶点均为铰接。
钢筋混凝土两铰拱或三角拱屋架屋架适用于屋架间距为6m,跨度为12m、15m,屋面坡度为1/4的非卷材防水屋面的工业厂房。屋架上可铺设预应力大型屋面板或预应力F形屋面板。这种屋架一般用于不大于100kN的中轻级桥式吊车的车间。
16.3.1.8 屋面板、檩条
(1)屋面板。
1)预应力钢筋混凝土屋面板。外形尺寸常用1.5m×6.0m规格。当柱距为9m、12m时也可采用1.5m×9.0m、3.0m×12.0m规格的屋面板。适用于中、大型和振动较大,对屋面刚度要求较高的厂房,如图16.33所示。为配合屋架外形尺寸和檐口做法,还有0.9m×6.0m规格的嵌板、檐口板(挑檐长200mm或400mm)、槽形天沟板,如图16.34所示。
图16.33 大型屋面板
图16.34 嵌板、檐口板和天沟板
(a)檐口板;(b)天沟板
2)F形屋面板。是一种结构自防水覆盖构件,屋面板三个周边设有挡水反口(挡水条),纵向板缝间采用挑檐搭接方法,横向板缝用盖瓦盖缝,屋脊处用脊瓦盖缝,如图16.35所示。这种屋面板一般用于无保温要求而对屋面刚度及防水要求较高的厂房和辅助建筑,北方地区较少采用。
图16.35 F形屋面板
3)钢筋混凝土槽瓦,如图16.36所示,属于自防水构件,需与盖瓦、脊瓦和檩条一起使用。适用于吊车吨位在10t以下的中小型厂房,不适用于有腐蚀气体、有较大振动、对屋面刚度及隔热要求较高的厂房。
图16.36 钢筋混凝土槽形板
(2)檩条。檩条用于有檩体系的屋盖结构中。它起支撑槽瓦或小型屋面板的作用,并将屋面荷载传给屋架。常用檩条有倒L形和倒T形两种形式,如图16.37所示。檩条应与屋架上弦连接牢固,以保证厂房纵向刚度,如图16.38所示。
图16.37 檩条的形式
(a)倒L形;(b)倒T形
图16.38 檩条与屋架的连接
(a)焊接连接;(b)螺栓连接
16.3.1.9 抗风柱
单层厂房的山墙面积较大,所受到的风荷载也就较大,为了保证山墙的稳定性和刚度,应设钢筋混凝土抗风柱。抗风柱一般设在山墙内侧,将风荷载传至基础或屋盖系统再传至纵向列柱。抗风柱的间距以6m为宜,个别可采用4.5m或7.5m。抗风柱的下端插入基础杯口内,柱上端遇屋架时,将截面高度缩小,柱顶不得接触屋面板。抗风柱通过一个特制的“弹簧”钢板与屋架的上弦铰接连接,如图16.39所示。当屋架设有下弦横向水平支撑时,可将抗风柱与屋架下弦连接,作为抗风柱的另一支点。“弹簧”钢板连接即能保证抗风柱与屋架在水平方向有可靠的连接,并有效的传递水平风荷载,同时在垂直方向也能保证屋架和抗风柱因不均匀沉降而有相对的竖向位移。
图16.39 抗风柱与屋架的连接
16.3.1.10 支撑系统
单层厂房结构中,支撑有柱间支撑和屋盖支撑两大部分,其作用是保证厂房结构和构件的承载力、稳定性和刚度,并有效的传递水平荷载。
(1)柱间支撑的作用是加强厂房的纵向刚度和稳定性,承受厂房的纵向力,将吊车的纵向制动力、山墙风荷载、纵向温度力、地震力等传至基础。
柱间支撑在吊车梁以上部分称上柱支撑,以下部分称下柱支撑。柱间支撑一般用钢材制作,其交叉倾角通常为35°～55°,以45°为宜,其形式有交叉式和门架式等,如图16.40(a)所示。支撑斜杆与柱侧的预埋件焊接连接,其构造如图16.40(b)所示。
图16.40 柱间支撑
(a)柱间支撑形式;(b)柱间支撑与柱的连接
(2)屋盖支撑的作用是保证屋盖的空间刚度、整体性和稳定性,承受和传递水平荷载(风荷载、吊车制动荷载、地震荷载等),保证屋盖结构在安装过程中的稳定性。
屋盖支撑按其布置位置可分为上、下弦横向水平支撑,上、下弦纵向水平支撑,垂直支撑和系杆等几种。设计时应结合屋盖结构的形式、房屋的跨度、高度和长度、荷载情况及柱网的布置等条件有选择地设置。
1)上弦横向水平支撑应在屋架上弦平面沿跨度方向布置,一般宜设在房屋或横向温度区段的两端第一个柱距内,两道横向水平支撑间的净距不宜大于60m。其作用是保证屋架上弦的侧向稳定,传递抗风柱作用在屋架上弦的风荷载。
2)下弦横向水平支撑应在屋架下弦平面沿跨度方向布置,并应位于上弦横向水平支撑同一开间内,以形成空间稳定体系。
3)上下弦纵向水平支撑应设在屋架上下弦端节间并沿柱距方向布置。可与上下弦横向水平支撑组成封闭体系,提高房屋的刚度,并可承受、分布和传递吊车横向水平制动力。
4)垂直支撑应设在两榀屋架和天窗架对应的竖直腹杆(或斜腹杆)间,并应与上、下弦横向水平支撑位于同一开间。其沿跨度方向设置的位置和数量须结合屋架的形式和跨度确定,一般在屋架跨中或支座的垂直平面内设置。它是上弦横向水平支撑的支撑结构,将承受上弦横向水平支撑桁架传来的水平力并将其传递给柱顶或柱间支撑。垂直支撑的主要作用是使相邻两屋架形成几何不变的空间体系,以保证屋架在使用和安装时的侧向稳定。
5)系杆一般应设在屋架支座节点处,上下弦中间节点处,以及垂直支撑平面内的屋架上、下弦节点处,并应沿厂房的纵向通长设置,以保证未设支撑屋架的侧向稳定。
16.3.2 维护结构
16.3.2.1 屋面
单层厂房的屋顶面积较大,构造处理较复杂,屋面设计时,必须处理好屋面的排水、防水、保温、隔热等方面的问题。
16.3.2.2 外墙
排架结构厂房的外墙是自承重构件,除承受墙自重及风荷载外,主要起着防风、防雨、保温、隔热、遮阳、防火等作用。
16.3.2.3 门窗
供交通运输及采光、通风用。
16.3.2.4 地面
满足生产及运输要求,并为厂房提供良好的劳动环境。
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