單層工業(yè)廠房的結構形式、結構組成和結構布置

單層廠房的結構型式

單層廠房按結構材料大致可分為：混合結構、混凝土結構和鋼結構。一般說來，無吊車或吊車噸位不超過5t，且跨度在15m以內(nèi)，柱頂標高在8m以下，無特殊工藝要求的小型廠房，可采用由磚柱、鋼筋混凝土屋架或木屋架或輕鋼屋架組成的混合結構。當?shù)踯噰嵨辉?50t（中級載荷狀態(tài)）以上，或跨度大于36m的大型廠房，或有特殊工藝要求的廠房（如設有10t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構。其他大部分廠房均可采用混凝土結構。

目前，我國混凝土單層廠房的結構型式主要有排架結構和剛架結構兩種。

排架結構由屋架（或屋面梁）、柱和基礎組成，柱與屋架鉸接，與基礎剛接。根據(jù)生產(chǎn)工藝和使用要求的不同，排架結構可做成等高、不等高和鋸齒形等多種形式，見2-1和2-2，后者通常用于單向采光的紡織廠。排架結構是目前單層廠房結構的基本結構形式，其跨度可超過30m，高度可達（20～30）m或更高，吊車噸位可達150t甚至更大。排架結構傳力明確，構造簡單，施工亦較方便。

目前常用的剛架結構是裝配式鋼筋混凝土門式剛架。它的特點是柱和橫梁剛接成一個構件，柱與基礎通常為鉸接。剛架頂節(jié)點做成鉸接的，稱為三鉸剛架，見2-3（a），做成剛接的稱為兩鉸剛架，見2-3（b），前者是靜定結構，后者是超靜定結構。為便于施工吊裝，兩鉸剛架通常做成三段，在橫梁中彎矩為零（或很小）的截面處設置接頭，用焊接或螺栓連接成整體。剛架頂部一般為人字形見2-3（a）、（b），也有做成弧形的，見2-3（c）、（d）。剛架立柱和橫梁的截面高度都是隨內(nèi)力（主要是彎矩）的增減沿軸線方向做成變高的，以節(jié)約材料。構件截面一般為矩形，但當跨度和高度都較大時，為減輕自重（即自身重力的簡稱，下同），也有做成工字形或空腹的，見2-3（d）。剛架的優(yōu)點是梁柱合一，構件種類少，制作較簡單，且結構輕巧，當跨度和高度較小時，其經(jīng)濟指標稍優(yōu)于排架結構。剛架的缺點是剛度較差，承載后會產(chǎn)生跨變，梁柱轉角處易產(chǎn)生早期裂縫，所以對于吊車噸位較大的廠房，剛架的應用受到一定的限制。此外，由于剛架構件呈形或“Y”形，使構件的翻身、起吊和對中、就位等都比較麻煩，跨度大時尤其是這樣。　

我國從20世紀60年代初期以來，剛架已較廣泛地用于屋蓋較輕、無吊車或吊車噸位不大（一般不超過lOt、個別用至20t）、跨度一般不超過16～24m（國內(nèi)已建成的兩鉸剛架最大跨度達38m）、立柱高度6～lOm（最高已達14m）的金工、機修、裝配等車間或倉庫。目前已發(fā)展成為單層廠房中的一種結構體系。

單層廠房的結構組成與傳力路線

一、結構組成

單層廠房排架結構通常由下列結構構件組成并相互連接成整體。

1、屋蓋結構

屋蓋結構由屋面板（包括天溝板）、屋架或屋面梁（包括屋蓋支撐）組成，有時還設有天窗架和托架等。屋蓋結構分無檁和有檁兩種屋蓋體系，將大型屋面板直接支承在屋架或屋面梁上的稱為無檁屋蓋體系；將小型屋面板或瓦材支承在檁條上，再將檁條支承在屋架上的稱為有檁屋蓋體系。在屋蓋結構中，屋面板起圍護作用并承受作用在板上的荷載，再將這些荷載傳至屋架或屋面梁；屋架或屋面梁是屋面承重構件，承受屋蓋結構自重和屋面板傳來的活荷載，并將這些荷載傳至排架柱。天窗架支承在屋架或屋面梁上，也是一種屋面承重構件。

2、橫向平面排架

橫向平面排架由橫梁（屋架或屋面梁）、橫向柱列和基礎組成，是廠房的基本承重結構。廠房結構承受的豎向荷載、橫向水平荷載以及橫向水平地震作用都是由橫向平面排架承擔并傳至地基的。

3、縱向平面排架

縱向平面排架由縱向柱列、連系梁、吊車梁、柱間支撐和基礎等組成，其作用是保證廠房的縱向穩(wěn)定性和剛性，并承受作用在山墻、天窗端壁以及通過屋蓋結構傳來的縱向風荷載、吊車縱向水平荷載等，再將其傳至地基，見2-4，另外它還承受縱向水平地震作用、溫度應力等。

4、吊車梁

吊車梁一般為裝配式的，簡支在柱的牛腿上，主要承受吊車豎向荷載、橫向或縱向水平荷載，并將它們分別傳至橫向或縱向平面排架。吊車梁是直接承受吊車動力荷載的構件。

5、支撐

單層廠房的支撐包括屋蓋支撐和柱間支撐兩種，其作用是加強廠房結構的空間剛度，保證結構構件在安裝和使用階段的穩(wěn)定和安全，同時起著把風荷載、吊車水平荷載或水平地震作用等傳遞到相應承重構件的作用。

6、基礎

基礎承受柱和基礎梁傳來的荷載并將它們傳至地基。

7、圍護結構

圍護結構包括縱墻、橫墻（山墻）及由連系梁、抗風柱（有時還有抗風梁或抗風桁架）和基礎梁等組成的墻架。這些構件所承受的荷載，主要是墻體和構件的自重以及作用在墻面上的風荷載等。

二、傳力路線

2-5顯示出了單層廠房結構的傳力路線。由該圖可知，單層廠房結構所承受的各種荷載，基本上都是傳遞給排架柱，再由柱傳至基礎及地基的，因此屋架（或屋面梁）柱、基礎是單層廠房的主要承重構件。在有吊車的廠房中，吊車梁也是主要承重構件，設計時應予以重視。

單層廠房的結構布置

一、柱網(wǎng)布置

廠房承重柱或承重墻的定位軸線，在平面上構成的網(wǎng)絡，稱為柱網(wǎng)。柱網(wǎng)布置就是確定縱向定位軸線之間的尺寸（跨度）和橫向定位軸線之間的尺寸（柱距）。柱網(wǎng)布置既是確定柱的位置，也是確定屋面板、屋架和吊車梁等構件尺寸（跨度）的依據(jù)，并涉及結構構件的布置。柱網(wǎng)布置恰當與否，將直接影響廠房結構的經(jīng)濟合理性和先進性，對生產(chǎn)使用也有密切關系。

柱網(wǎng)布置的原則一般為：符合生產(chǎn)和使用要求；建筑平面和結構方案經(jīng)濟合理；在廠房結構型式和施工方法上具有先進性和合理性；符合《廠房建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標準》（GBJ6—86）的有關規(guī)定；適應生產(chǎn)發(fā)展和技術革新的要求。

廠房跨度在18m及以下時，應采用擴大模數(shù)30M數(shù)列；在18m以上時，應采用擴大模數(shù)60M數(shù)列，見2-6。當跨度在18m以上，工藝布置有明顯優(yōu)越性時，也可采用擴大模數(shù)30M數(shù)列。

廠房的柱距應采用擴大模數(shù)60M數(shù)列，見2-6。

目前，從經(jīng)濟指標、材料用量和施工條件等方面衡量，特別是高度較低的廠房，采用6m柱距比12m柱距優(yōu)越。但從現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展趨勢來看，擴大柱距對增加廠房有效面積，提高設備布置和工藝布置的靈活性，機械化施工中減少結構構件的數(shù)量和加快施工進度等，都是有利的。當然，由于構件尺寸增大，也給制作、運輸和吊裝帶來不便。

二、變形縫

變形縫包括伸縮縫、沉降縫和防震縫。

如果廠房長度和跨度過大，當氣溫變化時，由于溫度變形將使結構內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫度應力，嚴重的可使墻面、屋面和構件等拉裂，影響使用如2-7（a）所示。為減少廠房結構中的溫度應力，可設置伸縮縫將廠房結構分成若干溫度區(qū)段。伸縮縫應從基礎頂面開始，將兩個溫度區(qū)段的上部結構構件完全分開，并留出一定寬度的縫隙，使上部結構在氣溫有變化時，水平方向可以較自由地發(fā)生變形，不致引起房屋開裂，如2-7（b）所示。溫度區(qū)段的形狀，應力求簡單，并應使伸縮縫的數(shù)量最少。溫度區(qū)段的長度（伸縮縫之間的距離），取決于結構類型和溫度變化情況?！痘炷两Y構設計規(guī)范》對鋼筋混凝土結構伸縮縫的最大距離作了規(guī)定，見附錄3。當廠房的伸縮縫間距超過規(guī)定值時，應驗算溫度應力。

附錄3 鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距（m)

注：①如有充分依據(jù)或可靠措施，表中數(shù)值可予以增減；

　　② 裝配整體式結構房屋的伸縮縫間距宜按表中現(xiàn)澆式一欄的數(shù)值取用；

　　③框架——剪力墻結構或框架——簡體結構房屋的伸縮縫間距應根據(jù)結構的具體布置情況按表中介于框架結構與剪力墻結構間的數(shù)值取用；

　　④當屋面板上部無保溫或隔熱措施時：對框架、剪力墻結構的伸縮縫間距，可按表中露天欄的數(shù)值取用；對排架結構的伸縮縫間距，可按表中室內(nèi)欄的數(shù)值適當減少；

　?、菖偶芙Y構的柱高（從基礎頂面算起）低于8m時，宜適當減少伸縮縫間距；

　?、尥鈮ρb配內(nèi)墻現(xiàn)澆的剪力墻結構，起伸縮縫最大間距宜按現(xiàn)澆式一欄的數(shù)值取用。滑模施工的剪力墻結構，宜適當減小伸縮縫間距?，F(xiàn)澆墻體在施工中應采取措施減小混凝土收縮應力；

　?、呶挥跉夂蚋稍锏貐^(qū)、夏季炎熱且暴雨頻繁地區(qū)的結構或經(jīng)常處于高溫作用下的結構，可按照使用經(jīng)驗適當減少伸縮縫間距；

　?、嗌炜s縫間距尚應考慮施工條件的影響，必要時（如材料收縮較大或室內(nèi)結構因施工外露時間較長）宜適當減少伸縮縫間距；

　　⑨現(xiàn)澆挑梁、雨罩等外露結構宜沿縱向設置溫度伸縮縫，間距不宜大于15m。

在有些情況下，為避免廠房因基礎不均勻沉降而引起開裂和損壞，需在適當部位用沉降縫將廠房劃分成若干剛度較一致的單元。在一般單層廠房中可不做沉降縫，只有在特殊情況下才考慮設置，如廠房相鄰兩部分高度相差很大（如lOm以上），兩跨間吊車噸位相差懸殊，地基承載力或下臥層土質(zhì)有巨大差別，或廠房各部分的施工時間先后相差很長，地基土的壓縮程度不同等情況。沉降縫應將建筑物從屋頂?shù)交A全部分開，以使在縫兩邊發(fā)生不同沉降時不致?lián)p壞整個建筑物。沉降縫可兼作伸縮縫。

防震縫是為了減輕廠房震害而采取的措施之一。當廠房平、立面布置復雜，結構高度或剛度相差很大，以及在廠房側邊貼建生活間、變電所、爐子間等披屋時，應設置防震縫將相鄰兩部分分開。地震區(qū)的伸縮縫和沉降縫均應符合防震縫要求。

三、單層廠房的支撐

就整體而言，支撐的主要作用是：保證結構構件的穩(wěn)定與正常工作；增強廠房的整體穩(wěn)定性和空間剛度；把縱向風荷載、吊車縱向水平荷載及水平地震作用等傳遞到主要承重構件；保證在施工安裝階段結構構件的穩(wěn)定。在裝配式混凝土單層廠房結構中，支撐雖然不是主要的承重構件，但卻是聯(lián)系各種主要結構構件并把它們構成整體的重要組成部分。工程實踐表明，如果支撐布置不當，不僅會影響廠房的正常使用，甚至可能引起工程事故，應給予足夠的重視。

廠房支撐分屋蓋支撐和柱間支撐兩類。

下面扼要講述屋蓋支撐和柱間支撐的作用和布置原則，至于具體布置方法及構造細節(jié)可參閱有關標準圖集或參考文獻。

1、屋蓋支撐

屋蓋支撐通常包括上、下弦水平支撐、垂直支撐及縱向水平系桿。

屋蓋上、下弦水平支撐是指布置在屋架（屋面梁）上、下弦平面內(nèi)以及天窗架上弦平面內(nèi)的水平支撐。支撐節(jié)間的劃分應與屋架節(jié)間相適應。水平支撐一般采用十字交叉的形式。交叉桿件的交角一般為30º～60º，其平面圖如2-8所示。

屋蓋垂直支撐是指布置在屋架（屋面梁）間或天窗架（包括擋風板立柱）間的支撐。垂直支撐的型式見2-9。

系桿分剛性（壓桿）和柔性（拉桿）兩種。系桿設置在屋架上、下弦及天窗上弦平面內(nèi)。

（1）屋架（屋面梁）上弦支撐

屋架上弦支撐是指廠房每個伸縮縫區(qū)段端部的橫向水平支撐，它的作用是：在屋架上弦平面內(nèi)構成剛性框，增強屋蓋的整體剛度，保證屋架上弦或屋面梁上翼緣平面外的穩(wěn)定，同時將抗風柱傳來的風荷載傳遞到（縱向）排架柱頂。

當采用鋼筋混凝土屋面梁的有檁屋蓋體系時，應在梁的上翼緣平面內(nèi)設置橫向水平支撐，并應布置在端部第一柱距內(nèi)以及伸縮縫區(qū)段兩端的第一或第二個柱距內(nèi)，見2-10。當采用大型屋面板且連接可靠、能保證屋蓋平面的穩(wěn)定并能傳遞山墻風荷載時，則認為大型屋面板能起上弦橫向支撐的作用，可不再設置上弦橫向水平支撐。

對于采用鋼筋混凝土拱形及梯形屋架的屋蓋系統(tǒng)，應在每一個伸縮縫區(qū)段端部的第一或第二個柱距內(nèi)布置上弦橫向水平支撐。當廠房設置天窗時可根據(jù)屋架上弦桿件的穩(wěn)定條件，在天窗范圍內(nèi)沿廠房縱向設置連系桿。

（2）屋架（屋面梁）下弦支撐

包括下弦橫向水平支撐和縱向水平支撐兩種。

下弦橫向水平支撐的作用是承受垂直支撐傳來的荷載，并將山墻風荷載傳遞至兩旁柱上?！　　　　　　　?/p>

當廠房跨度L≥18m時，下弦橫向水平支撐應布置在每一伸縮縫區(qū)段端部的第一個柱距內(nèi)，見2-11。當L<18m且山墻上的風荷載由屋架上弦水平支撐傳遞時，可不設屋蓋下弦橫向水平支撐。當設有屋蓋下弦縱向水平支撐時，為保證廠房空間剛度，必須同時設置相應的下弦橫向水平支撐。

下弦縱向水平支撐能提高廠房的空間剛度，增強排架間的空間作用，保證橫向水平力的縱向分布。當廠房柱距為6m，且廠房內(nèi)設有普通橋式吊車，吊車噸位≥10t（重級）或吊車噸位≥30t等情況時，應設置下弦縱向水平支撐。

（3）屋架（屋面梁）垂直支撐和水平系桿

垂直支撐除能保證屋蓋系統(tǒng)的空間剛度和屋架安裝時結構的安全外，還能將屋架上弦平面內(nèi)的水平荷載傳遞到屋架下弦平面內(nèi)。所以垂直支撐應與屋架下弦橫向水平支撐布置在同一柱間內(nèi)。在有檁屋蓋體系中，上弦縱向系桿是用來保證屋架上弦或屋面梁受壓翼緣的側向穩(wěn)定的（即防止局部失穩(wěn)），并可減小屋架上弦桿的計算長度。

當廠房跨度為（18～30）m，屋架間距為6m，采用大型屋面板時，應在屋架跨度中點布置一道垂直支撐，見2-12和2-13。對于拱形屋架及屋面梁，因其支座處高度不大，故該處可不設置垂直支撐，但需對梁支座進行抗傾覆驗算，如穩(wěn)定性不能滿足要求時，應采取措施。梯形屋架支座處必須設置垂直支撐。

當屋架跨度超過30m，間距為6m，采用大型屋面板時，應在屋架跨度1／3左右附近的節(jié)點處設置兩道垂直支撐及系桿。

在一般情況下，當屋面采用大型屋面板時，應在未設置支撐的屋架間相應于垂直支撐平面的屋架上弦和下弦節(jié)點處，設置通長的水平系桿。對于有檁體系，屋架上弦的水平系桿可以用檁條代替（但應對檁條進行穩(wěn)定和承載力驗算），僅在下弦設置通長的水平系桿。

垂直支撐一般在伸縮縫區(qū)段的兩端各設置一道。當屋架跨度不大于18m，屋面為大型屋面板的一般廠房中，無天窗時可不設置垂直支撐和水平系桿；有天窗時，可在屋脊節(jié)點處設置一道水平系桿。

（4）天窗架間的支撐

天窗架間的支撐有天窗上弦水平支撐和天窗架間的垂直支撐兩種。

天窗上弦水平支撐用來保證天窗架上弦平面外的穩(wěn)定。當屋蓋為有檁體系或雖為無檁體系但大型屋面板與屋架的連接不能起整體作用時，應將上弦水平支撐布置在天窗端部的第一柱距內(nèi)，見2-14。

天窗垂直支撐除保證天窗架安裝時的穩(wěn)定外，還將天窗端壁上的風荷載傳至屋架上弦水平支撐，因此天窗的垂直支撐應與屋架上弦水平支撐布置在同一柱距內(nèi)（在天窗端部的第一柱距內(nèi)），且一般沿天窗的兩側設置，見2-15（a）。為了不妨礙天窗的開啟，也可設置在天窗斜桿平面內(nèi)，如2-15（b）所示。

由上可知，在每一個溫度區(qū)段內(nèi)，屋蓋支撐的構成思路是這樣的：由上、下弦水平支撐分別在溫度區(qū)段的兩端構成橫向的上、下水平剛性框，再用垂直支撐和水平系桿把兩端的水平剛性框連接起來。天窗架間的支撐構成思路也與此相同。

2、柱間支撐

柱間支撐一般包括上部柱間支撐、中部及下部柱間支撐，見2-16。柱間支撐通常宜采用十字交叉形支撐；它具有構造簡單、傳力直接和剛度較大等特點。交叉桿件的傾角一般在35º～50º之間。在特殊情況下，因生產(chǎn)工藝的要求及結構空間的限制，可以采用其他型式的支撐。當l/h≥2時可采用人字形支撐；l/h≥2.5時可采用八字形支撐；當柱距為15m且h₂較小時，采用斜柱式支撐比較合理。

柱間支撐的作用是保證廠房結構的縱向剛度和穩(wěn)定，并將水平荷載（包括尺窗端壁部和廠房山墻上的風荷載、吊車縱向水平制動力以及作用于廠房縱向的其他荷載）傳至基礎。

凡屬下列情況之一者，應設置柱間支撐：

（1）廠房內(nèi)設有懸臂吊車或3t及以上懸掛吊車；

（2）廠房內(nèi)設有重級工作制吊車，或設有中級、輕級工作制吊車，起重量在lOt及以上；

（3）廠房跨度在18m以上或柱高在8m以上；

（4）縱向柱列的總數(shù)在七根以下；

（5）露天吊車棧橋的柱列。

柱間支撐應布置在伸縮縫區(qū)段的中央或臨近中央（上部柱間支撐在廠房兩端第一個柱距內(nèi)也應同時設置），這樣有利于在溫度變化或混凝土收縮時，廠房可較自由變形而不致產(chǎn)生較大的溫度或收縮應力。并在柱頂設置通長剛性連系桿來傳遞荷載，見2-17。當屋架端部設有下弦連系桿時，也可不設柱頂連系桿。

當鋼筋混凝土矩形或工字形柱的截面高度h≥600mm時，下部柱間支撐應設計成雙片，且其間距應等于柱高減去200mm，見2-18（a）。雙肢柱的下部柱間支撐應設在吊車梁的垂直平面內(nèi)，見2-18（b）。當一段柱截面高度大于1000mm或設有人孔及剛度要求較高時，柱間支撐一般宜設計成雙片的，見2-18（c）。

柱間支撐一般采用鋼結構，桿件承載力和穩(wěn)定性驗算均應符合《鋼結構設計規(guī)范》的有關規(guī)定。當廠房設有中級或輕級工作制吊車時，柱間支撐亦可采用鋼筋混凝土結構。

四、抗風柱、圈梁、連系梁、過梁和基礎梁的功能和布置原則

1、抗風柱（山墻壁柱）

2、圈梁、連系梁、過梁和基礎梁

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