建筑结构设计电子课件3.2厂房主体结构分析.pdf

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1、.2.1 排架结构一、分析模型一、分析模型单层厂房的结构布置具有明显的横向和纵向，两个方向可以分别单层厂房的结构布置具有明显的横向和纵向，两个方向可以分别分析，即竖向荷载和横向水平荷载下的分析、竖向荷载和纵向水平分析，即竖向荷载和横向水平荷载下的分析、竖向荷载和纵向水平荷载下的分析。荷载下的分析。.2.2 厂房主体结构分析厂房主体结构分析由于纵向水平荷载比横向水平荷载小得多，除非要考虑地震作用由于纵向水平荷载比横向水平荷载小得多，除非要考虑地震作用和温度应力，厂房的纵向一般可以不分析。和温度应力，厂房的纵向一般可以不分析。 、计算单元、计算单元计算单元要求能代表整体结构的受力性能。计算单元要求

2、能代表整体结构的受力性能。 建筑结构设计建筑结构设计课件课件20102010版版东南大学邱洪兴东南大学邱洪兴1B=s(A)(B)ssss(a)各列柱距相等B=2s(C)(A)(B)ssssss(b)中列柱有抽柱单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析B=sB=s2柱子下端固接于基础顶面，横梁与柱铰接；柱子下端固接于基础顶面，横梁与柱铰接；横梁为没有轴向变形的刚杆。横梁为没有轴向变形的刚杆。、计算简图、计算简图假定：假定：(A)(B)(A)(B)(C)HuHEIuEIuEIlEIl2EIuAEIuB2EIlAEIlB2EIuC2EIlC(a)各列柱距相等(

3、b)中列柱有抽柱柱总高柱总高H=柱顶标高柱顶标高-基础底面标高基础底面标高(埋深埋深)-基础高度；基础高度； 上段柱高上段柱高Hu=柱顶标高柱顶标高-轨顶标高轨顶标高+轨道构造高度轨道构造高度+吊车梁在支承处高度吊车梁在支承处高度 单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析3、荷载计算单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析排架柱柱间支撑吊车竖载屋面载屋面板屋架墙体重力竖向荷载吊车横向水平载纵墙风载吊车梁牛牛腿腿吊车梁连接钢板连接钢板吊车纵向水平载吊车梁山墙风载横向水平荷载纵向水平荷载基础抗风柱屋盖弹弹簧簧板板基础梁

4、地基单层排架厂房的荷载传递路线横向排架承担的荷载横向排架承担的荷载荷载传荷载传递路线递路线4Dmin,k永久永久荷载荷载屋盖自重屋盖自重F1(由屋架传来由屋架传来)上柱自重上柱自重F2下柱自重下柱自重F3吊车梁及轨道自重吊车梁及轨道自重F4形式、大小、作用位置、方向。形式、大小、作用位置、方向。可变可变荷载荷载屋面可变荷载屋面可变荷载F5吊车荷载吊车荷载Dmax,k、Tmax,k风荷载风荷载(A)F1F1Dmax,kF2F2F3F3F4F4F5F5Wkq1kq2kTmax,k(B)单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析荷载种类荷载种类5永久荷载永久荷载

5、(a)荷载作用位置F2F3F1150e1e0F4750e4M1M1M2M2(b)偏心力矩F1F1+F2F1+F2+F4F1+F2+F3+F4F1+F2+F3+F4F1F1+F2F1+F2+F4(c)轴力图F1包括屋架自重、屋盖支撑包括屋架自重、屋盖支撑自重、屋面板以及屋面建筑层自重、屋面板以及屋面建筑层自重；以集中荷载的形式作用自重；以集中荷载的形式作用在柱顶屋架竖杆中心线与下弦在柱顶屋架竖杆中心线与下弦杆中心线的交点处，距离纵向杆中心线的交点处，距离纵向定位轴线定位轴线150mm。 F2和和F3为沿柱高的分布荷载；为沿柱高的分布荷载；作用在各自的截面形心轴。作用在各自的截面形心轴。 F4以集

6、中荷载的形式作用以集中荷载的形式作用在柱牛腿上，距离纵向定位在柱牛腿上，距离纵向定位轴线轴线750mm(或或1000mm) M1=F1e1M2=(F1+F2)e0-F4e46单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析屋面可变荷载屋面可变荷载包括屋面均布可变荷载、雪荷载和屋面积灰荷载三项，其中屋面包括屋面均布可变荷载、雪荷载和屋面积灰荷载三项，其中屋面均布可变荷载与雪荷载不同时考虑，取其中的大值；均布可变荷载与雪荷载不同时考虑，取其中的大值； 屋面可变分布荷载的计算方法见屋面可变分布荷载的计算方法见1.2.3节，将其乘以屋面的水平投节，将其乘以屋面的水平投影

7、面积（计算单元宽度影面积（计算单元宽度B厂房跨度的一半）即可得到通过屋架作厂房跨度的一半）即可得到通过屋架作用在柱顶的集中荷载用在柱顶的集中荷载F5 其作用位置同屋盖自重其作用位置同屋盖自重F1，需要将其等效成柱截面形心的轴心，需要将其等效成柱截面形心的轴心荷载和偏心力矩。荷载和偏心力矩。 7吊车荷载吊车荷载横向排架上的吊车荷载包括吊车竖向荷载和吊车横向水平荷载。横向排架上的吊车荷载包括吊车竖向荷载和吊车横向水平荷载。 吊车竖向荷载作用位置与吊车竖向荷载作用位置与F4相同。相同。P1max,kK1K2P1max,kP2max,kP2max,kB1B2lly1y2y3y4Pjmax,k吊车的最大

8、轮压，吊车的最大轮压，j=1、2；Pjmin,k吊车的最小轮压，吊车的最小轮压，j=1、2；yi影响线坐标值，影响线坐标值，i=1、2、3、4； 多台吊车的荷载折减系数，按表多台吊车的荷载折减系数，按表3-1取用。取用。 8单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析连接钢板吊车横向水平荷载传递路线：吊车横向水平荷载传递路线： 小车惯性力小车惯性力大车大车吊车梁吊车梁排架柱排架柱作用位置：吊车梁顶面；作用方向：垂直轨道作用位置：吊车梁顶面；作用方向：垂直轨道Tj,k大车轮子传递的吊车横向水平荷载大车轮子传递的吊车横向水平荷载标准值，标准值，j=1、2。 因小

9、车沿厂房跨度方向左、右行驶，有正反两个方向的刹车情况，因小车沿厂房跨度方向左、右行驶，有正反两个方向的刹车情况，因此对因此对Tmax,k既要考虑它向左作用又要考虑它向右作用。既要考虑它向左作用又要考虑它向右作用。 9风荷载风荷载将面分布风荷载标准值将面分布风荷载标准值wk乘以计算单元宽度乘以计算单元宽度B即得到柱顶以下的即得到柱顶以下的线分布风荷载标准值；因迎风面和背风面墙的线分布风荷载标准值；因迎风面和背风面墙的S不同，两侧排架柱不同，两侧排架柱上的线分布荷载标准值不同，分别用上的线分布荷载标准值不同，分别用q1k、q2k表示表示 ；h1h2isisiWi,kWih,k风向屋盖部分受到的风荷

10、载通过屋架屋盖部分受到的风荷载通过屋架传递到柱顶；分成两部分：柱顶到传递到柱顶；分成两部分：柱顶到檐口部分和檐口到屋脊部分檐口部分和檐口到屋脊部分 ；计算单元范围内，某个屋面斜坡计算单元范围内，某个屋面斜坡的风荷载为的风荷载为Wi,k=Bsiwi,k，其水平方，其水平方向的分力为：向的分力为：Wih,k=Bsiwi,ksini= Bsiwi,kh2i/si= B h2i wi,k柱顶集中风荷载标准值柱顶集中风荷载标准值 ：10排架可变荷载计算简图排架可变荷载计算简图单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析11二、等高排架内力计算的二、等高排架内力计算的剪

11、力分配法剪力分配法、柱的抗侧、柱的抗侧(推推)刚度刚度在柱顶单位水平力作用下，当仅考虑柱的弯在柱顶单位水平力作用下，当仅考虑柱的弯曲变形时，柱顶的水平位移由曲变形时，柱顶的水平位移由结构力学结构力学的的图乘法可求得图乘法可求得与与、有关。有关。1/u反映了柱抵抗水平侧移的能力，一般称它为柱的反映了柱抵抗水平侧移的能力，一般称它为柱的“抗侧刚度抗侧刚度”或或“抗推刚度抗推刚度”，用，用D表示，即表示，即lu抗侧刚度：柱顶发生单抗侧刚度：柱顶发生单位侧移，顶部所需施加位侧移，顶部所需施加的力（等于柱内剪力）的力（等于柱内剪力）122 2、柱顶作用集中荷载时的柱顶作用集中荷载时的剪力分配法剪力分配法

12、由平衡条件：由平衡条件：由物理条件：由物理条件：由几何条件：由几何条件：可求得：可求得：称为柱称为柱i的剪力分配系数。的剪力分配系数。单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析D1DiDn13、任意荷载作用时的剪力分配、任意荷载作用时的剪力分配在柱顶加上不动铰支座，利用图表求出内力和支座反力；在柱顶加上不动铰支座，利用图表求出内力和支座反力；将支座反力反向作用于柱顶，求出内力；将支座反力反向作用于柱顶，求出内力；将上述两种情况的内力叠加。将上述两种情况的内力叠加。单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析14三、水平位

13、移计算为了保证吊车的正常运行，需要控制厂房的水平位移。为了保证吊车的正常运行，需要控制厂房的水平位移。正常使用极限状态，考虑一台最大吊车的横向水平荷载作用，正常使用极限状态，考虑一台最大吊车的横向水平荷载作用，吊车梁顶处的水平位移吊车梁顶处的水平位移u uk k应满足：应满足：且且（轻、中级工作制）轻、中级工作制）（重、特重级工作制）重、特重级工作制）ABHK当当时可不验算相对位移。时可不验算相对位移。单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析15四、排架分析模型讨论1 1、排架结构的空间作用、排架结构的空间作用结构均匀、荷载均匀结构均匀、荷载均匀结构不均

14、匀、荷载均匀结构不均匀、荷载均匀结构均匀、荷载不均匀结构均匀、荷载不均匀在在b b、c c两种情况下，其最大侧向位移量两种情况下，其最大侧向位移量即在即在b b、c c两种情况的侧移小于按平面排架计算的侧移。两种情况的侧移小于按平面排架计算的侧移。、 16可见，在后两种情况中，计算单元可见，在后两种情况中，计算单元(局部局部)内的水平荷载传递不再局内的水平荷载传递不再局限于该单元梁、柱组成的平面结构，厂房沿纵向限于该单元梁、柱组成的平面结构，厂房沿纵向(整体整体)存在明显的存在明显的协同工作性能，这种协同工作性能称为协同工作性能，这种协同工作性能称为整体空间作用整体空间作用。吊车横向水平荷载：

15、吊车横向水平荷载： 纵向列柱纵向列柱基础基础直接受荷柱直接受荷柱屋盖屋盖横向列柱横向列柱基础基础 基础基础 空间作用的条件：空间作用的条件：或者结构不均匀、或者荷载不均匀；或者结构不均匀、或者荷载不均匀；各排架之间有联系（即屋盖有一定的整体刚度）。各排架之间有联系（即屋盖有一定的整体刚度）。17平面排架平面排架平面排架平面排架平面排架平面排架空间排架空间排架称为空间作称为空间作用分配系数用分配系数 当某榀排架柱顶作用水平力当某榀排架柱顶作用水平力F Fk k时，如果考虑排架整体空间作用，时，如果考虑排架整体空间作用，该排架仅承担该排架仅承担k kF Fk k，其余部分由其它排架承担。，其余部分

16、由其它排架承担。182 2、屋架刚度对内力的影响、屋架刚度对内力的影响平衡条件：平衡条件：物理条件：物理条件：几何条件：几何条件：A AB BL L单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析19ABLABL左右两种情况A柱的剪力是否相同？3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析单层厂房20、地基变形对排架内力的影响、地基变形对排架内力的影响AB地基不均匀沉降对排架内力有无影响？地基不均匀沉降对排架内力有无影响？单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构排架结构3.2主体结构分析主体结构分析基础转动ABFABF基础转动对排架内

17、力有无影响？基础转动对排架内力有无影响？21、“合并排架合并排架”模型模型合并排架的永久荷载、风荷载等的计算方法与一般排架相同；合并排架的永久荷载、风荷载等的计算方法与一般排架相同； 吊车荷载吊车荷载：轴柱按轴柱按m跨吊车梁计算；跨吊车梁计算；A、C轴轴则应按计算单则应按计算单元的中间排架柱产生元的中间排架柱产生D2max,k、D2min,k和和T2max,k时的吊车位置来计算，时的吊车位置来计算， P1max,kP1max,kP2max,kP2max,k合并排架的吊车荷载计算简图D2max,kD1,kD3,k按合并排架计算简图和荷载求按合并排架计算简图和荷载求得内力后，必须进行还原，以得内力

18、后，必须进行还原，以求得单根柱的实际内力求得单根柱的实际内力 ；将；将M、V除以除以2等于原结构中等于原结构中A、C轴线轴线各根柱的各根柱的M、V； 由吊车竖向荷载由吊车竖向荷载Dmax、Dmin产生的轴向力产生的轴向力N，应该按这根柱实际，应该按这根柱实际所承受的吊车竖向荷载来计算。所承受的吊车竖向荷载来计算。 22单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构3.2主体结构分析主体结构分析3.2.2刚架结构刚架结构.2.2 刚架结构一、计算模型一、计算模型单层刚架厂房的计算单元同排架结构；单层刚架厂房的计算单元同排架结构； 图图a刚架横梁计算跨度取上段柱截面形刚架横梁计算跨度取上段柱截面形心线

19、之间的距离，刚架柱总高取基础顶心线之间的距离，刚架柱总高取基础顶面（柱脚底面）到屋架底面的距离；面（柱脚底面）到屋架底面的距离； 对于图对于图b，横梁计算跨度取立柱截面形心，横梁计算跨度取立柱截面形心线之间的距离，柱高取基础顶面到横梁截线之间的距离，柱高取基础顶面到横梁截面形心线的距离。面形心线的距离。 钢屋架L0HHlHu格构柱IlIuIt0(a)f等截面实腹柱等截面实腹梁L0sHIcIb(b)23单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构3.2主体结构分析主体结构分析3.2.2刚架结构刚架结构对于图对于图c，横梁轴线取从横梁顶端截面，横梁轴线取从横梁顶端截面形心引出的平行于上皮的直线，立柱

20、轴形心引出的平行于上皮的直线，立柱轴线取从柱底截面形心引出的竖直线。两线取从柱底截面形心引出的竖直线。两轴线交点之间的距离即为横梁计算跨度，轴线交点之间的距离即为横梁计算跨度，交点至柱脚底面的距离即为柱高。交点至柱脚底面的距离即为柱高。fL0HsIc0Ic1Ib1Ib0Ib2s(1-)s变截面实腹柱变截面实腹梁(c)门式刚架结构的荷载种类与排架结构相同，但荷载作用方式有所门式刚架结构的荷载种类与排架结构相同，但荷载作用方式有所区别。区别。通过大型屋面板或檩条传给横梁的屋面荷载简化为均布线荷载。通过大型屋面板或檩条传给横梁的屋面荷载简化为均布线荷载。对于轻钢结构，墙面自重是通过墙架梁传给立柱的，

21、而不象混凝对于轻钢结构，墙面自重是通过墙架梁传给立柱的，而不象混凝土排架结构那样通过基础梁直接传给基础。土排架结构那样通过基础梁直接传给基础。24单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构3.2主体结构分析主体结构分析3.2.2刚架结构刚架结构二、内力计算二、内力计算等截面刚架的内力计算可采用等截面刚架的内力计算可采用结构力学结构力学方法。方法。 ABDECABC整体结构正对称计算简图ABC反对称计算简图25单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构3.2主体结构分析主体结构分析3.2.2刚架结构刚架结构三、水平位移计算三、水平位移计算LEIcEIcEIb1HuH/2H/21M图令令t为柱线刚

22、度与梁线刚度的比值为柱线刚度与梁线刚度的比值： u=H3(1+t/2)/(6EIc) (3.2.17)如果横梁刚度无限大，则柱如果横梁刚度无限大，则柱抗侧刚度系数为多少？抗侧刚度系数为多少？26单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构3.2主体结构分析主体结构分析3.2.2刚架结构刚架结构任意水平荷载作用时，可等效为柱顶水平集中荷载。任意水平荷载作用时，可等效为柱顶水平集中荷载。对于均布风荷载，对于均布风荷载，柱脚铰接：柱脚铰接：F=0.67W；柱脚刚接：；柱脚刚接：F=0.45W W为总的均布风荷载值。为总的均布风荷载值。 对于吊车横向水平荷载，对于吊车横向水平荷载，柱脚铰接：柱脚铰接：F

23、=1.15Tmax；柱脚刚接：；柱脚刚接：F=Tmax 为吊车横向水平荷载作用高度与柱高度的比值。为吊车横向水平荷载作用高度与柱高度的比值。 27四、刚架分析模型讨论四、刚架分析模型讨论、横梁坡角对内力的影响、横梁坡角对内力的影响lHCgABDEH/l=0.25 28单层厂房3.1种类与布置3.2.1排架结构3.2主体结构分析主体结构分析3.2.2刚架结构刚架结构、地基不均匀沉降对内力的影响、地基不均匀沉降对内力的影响18000600018000(a) 中柱下沉(b) 单位力作用下弯矩分布14.054.954.05去掉中柱，在横梁中柱处作用单位力去掉中柱，在横梁中柱处作用单位力 f=315.9/EI当中柱沉降量为当中柱沉降量为时，相当于在中柱处作用集中力时，相当于在中柱处作用集中力EI/315.9 。29