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1、3 单层厂房柱的设计n n（1 1）选择柱型；选择柱型；n n（2 2）确定柱的外形尺寸；确定柱的外形尺寸；n n（3 3）柱的截面设计；柱的截面设计；n n（4 4）牛腿设计；牛腿设计；n n（5 5）柱子在施工吊装时的强度和裂缝宽度验柱子在施工吊装时的强度和裂缝宽度验算；算；n n（6 6）预埋件及其它连接构造的设计；预埋件及其它连接构造的设计；n n（7 7）绘制施工图。绘制施工图。3.1.1 柱的计算内容柱的计算内容3.1.1.13.1.1.1 柱的计算长度柱的计算长度柱的计算长度柱的计算长度n n在材料力学分析中，柱的计算长度依柱的两端支撑情况为不动铰或固定端而异。实际厂房中的柱的支
2、撑条件比这个情况复杂。在一般情况下，可根据单层厂房柱的实际工作特点，推算出它的计算长度 的大致范围。单层工业厂房铰接排架柱的计算长度见表12-4.表中对有吊车厂房的计算长度，是假定柱顶为不动铰支座确定的。3.1.1.2 柱在内力计算时采用的偏心距柱在内力计算时采用的偏心距n n任何矩形和工形截面柱在内力M、N作用下进行截面设计时，都会产生由设计内力产生的偏心距e0=M/N。但是，由于荷载作用位置的不准确性、混凝土质量的非均匀性以及施工偏差等因素，都可能产生偶然的附加偏心距，使e0有可能增大或减少。因此，有必要考虑附加偏心距对柱承载力的影响。n n附加偏心距附加偏心距e ea a对小偏心受压构件
3、承载力的影响较对小偏心受压构件承载力的影响较大，随着大，随着e e0 0的增加，其影响逐渐减小，的增加，其影响逐渐减小，对大偏心对大偏心受压构件的影响可以忽略不计受压构件的影响可以忽略不计。e ea a的计算公式为的计算公式为n n当当e e0 00.3h0.3h0 0时，取时，取e ea a=0=0。在考虑附加偏心距后，。在考虑附加偏心距后，计算初始偏心距计算初始偏心距e ei i按下式计算：按下式计算：n n除附加偏心距以外，钢筋混凝土柱在偏心荷载作除附加偏心距以外，钢筋混凝土柱在偏心荷载作用下还将产生纵向弯曲变形，即侧向绕度用下还将产生纵向弯曲变形，即侧向绕度 f f，侧，侧向绕度向绕度
4、 引起附加弯矩引起附加弯矩N fN f，因此，在矩形和工形，因此，在矩形和工形截面柱计算中，对这种影响，采用偏心距增大系截面柱计算中，对这种影响，采用偏心距增大系数数 来反映，即采用来反映，即采用eei i代替代替e ei i进行柱的截面设计：进行柱的截面设计：n n经分析研究，钢筋混凝土结构设计规范规定经分析研究，钢筋混凝土结构设计规范规定偏心距增大系数偏心距增大系数 按下式进行计算：按下式进行计算：式中：h和h0柱截面高度和有效高度；H柱的计算长度；1考虑偏心距的变化对截面曲率的影响系数；n n在对称配筋截面设计时，亦可近似取在对称配筋截面设计时，亦可近似取这里，fc为混凝土抗压设计强度，
5、Ac为柱截面面积，N为设计轴向力；2考虑细长比对截面曲率的影响系数，3.1.1.33.1.1.3 大、小偏心受压的界限大、小偏心受压的界限大、小偏心受压的界限大、小偏心受压的界限n n按照钢筋混凝土偏心受压截面强度计算的基本假定，当截面按照钢筋混凝土偏心受压截面强度计算的基本假定，当截面上的受拉钢筋到达屈服强度，同时受压区混凝土边缘到达极上的受拉钢筋到达屈服强度，同时受压区混凝土边缘到达极限压应变值时，称为界限破坏状态。限压应变值时，称为界限破坏状态。n n当进行非对称配筋矩形截面计算时，两种偏心受压的判别条当进行非对称配筋矩形截面计算时，两种偏心受压的判别条件为：件为：e ei i0.3h0
6、.3h0 0,为大偏心受压情况；为大偏心受压情况；e ei i 0.3h0.3h0 0,为小偏心受压情况为小偏心受压情况 当进行对称配筋矩形截面计算时，两种偏心受压的判别条件当进行对称配筋矩形截面计算时，两种偏心受压的判别条件为：为：e ei i0.3h0.3h0 0,且且N N N Nb b时，为大偏心受压情况；时，为大偏心受压情况；e ei i 0.3h0.3h0 0,或或eei i 0.3h0.3h0 0 且且N N N Nb b时为小偏心受压情况。时为小偏心受压情况。上述式中上述式中N Nb b=f=fcmcmbhbh0 0 b b b_b_ 界限相对受压区高度界限相对受压区高度 3.
7、1.1.4 矩形或工形对称配筋截面的计算矩形或工形对称配筋截面的计算n n在钢筋混凝土单层工业厂房中，由于排架柱的截在钢筋混凝土单层工业厂房中，由于排架柱的截面弯矩主要是由风荷载和吊车荷载产生的，而风面弯矩主要是由风荷载和吊车荷载产生的，而风荷载和吊车水平荷载在向左和向右两个方向都可荷载和吊车水平荷载在向左和向右两个方向都可能产生，吊车竖向荷载的最大轮压既可能作用在能产生，吊车竖向荷载的最大轮压既可能作用在左列排架柱上也可能作用在右列排架柱上，因而，左列排架柱上也可能作用在右列排架柱上，因而，一般都采用对称配筋截面的柱子。同时，为了节一般都采用对称配筋截面的柱子。同时，为了节省混凝土和减轻构件
8、自重，对于截面高度省混凝土和减轻构件自重，对于截面高度h h大于大于600mm600mm的柱子，可采用工形截面。工形截面柱的的柱子，可采用工形截面。工形截面柱的翼缘厚度一般不小于翼缘厚度一般不小于100mm100mm，腹板厚度一般不小，腹板厚度一般不小于于80mm80mm。这种工形截面偏心受压构件的破坏特征、。这种工形截面偏心受压构件的破坏特征、计算假定和计算方法与矩形截面是相似的，区别计算假定和计算方法与矩形截面是相似的，区别只在于增加了受压区翼缘的参与受力。计算时同只在于增加了受压区翼缘的参与受力。计算时同样可分为样可分为 b b的大偏心受压和的大偏心受压和 b b的小偏心受压的小偏心受压
9、两种情况进行。两种情况进行。n n一、大偏心受压情况一、大偏心受压情况（一）矩形截面（一）矩形截面条件是条件是eei i0.3h0.3h0 0,且且N N N Nb b。这时，。这时，式中：N由荷载设计值算得的设计轴力；fcm混凝土的弯曲抗压设计强度；fy、fy受拉、受压钢筋的屈服强度，fy=fy；As、As受拉、受压钢筋的截面面积，As=As；b、h、h0截面宽度、高度、有效高度；x压区计算高度，x=N/fcmb；a、a受拉、受压钢筋重心分别至受拉、受压区边缘的距离。n n如果算得的如果算得的x2a,x2a,可近似取可近似取x=2ax=2a，即为：，即为：n n（二）工形截面（二）工形截面1
10、.1.当当NfNfcmcmbbf fhhf f时，受压区高度时，受压区高度x hx hf f，在一般截面，在一般截面尺寸情况下，能够满足尺寸情况下，能够满足 b b的条件，属于大偏心的条件，属于大偏心受压情况。当受压情况。当x=N/fx=N/fcmcmbbf f时时:式中：bfbf工形截面翼缘宽度，其余符号同前。工形截面翼缘宽度，其余符号同前。如果算得的如果算得的x2a,x 1 bb时，时，当当h/hh/h0 0 1 1时，时，当当 h/hh/h0 0时，时，n nAc混凝土受压区面积.当当1 1 bb时，时，当当h/hh/h0 0 1 1时，时，当当 h/hh/h0 0时，时，n n三、截面
11、受力钢筋的最小配筋率三、截面受力钢筋的最小配筋率1.1.当混凝土强度等级为当混凝土强度等级为C35C35及以下时：及以下时：受压钢筋受压钢筋A As s 0.2%0.2%（混凝土计算面积）；（混凝土计算面积）；受拉钢筋受拉钢筋A As s0.15%0.15%（混凝土计算面积）。（混凝土计算面积）。2.2.当混凝土强度等级为当混凝土强度等级为C40C60C40C60时：时：A As s 、A As s0.2%0.2%（混凝土计算面积）。（混凝土计算面积）。这里，最小配筋率的混凝土计算面积按实际截面计算。这里，最小配筋率的混凝土计算面积按实际截面计算。由于单层工业厂房钢筋混凝土柱截面多为对称配筋，
12、故由于单层工业厂房钢筋混凝土柱截面多为对称配筋，故n n例例 某单层工业厂房柱某单层工业厂房柱的下柱截面尺寸如图的下柱截面尺寸如图所示，计算高度所示，计算高度H H0 0=11.50m=11.50m，采用，采用C30C30混凝土混凝土（f fcmcm=16.6N/mm=16.6N/mm2 2,f,fc c=15N/mm=15N/mm2 2）、）、II II级钢级钢筋（筋（f fy y=310N/MM=310N/MM2 2)。若承受的内力按下列若承受的内力按下列两组设计值考虑，并两组设计值考虑，并按对称配筋，求此下按对称配筋，求此下柱截面所需要的钢筋柱截面所需要的钢筋截面面积截面面积A As s
13、(A(As s)。n n 解：解：1.1.判别属于哪一种偏心受压情况判别属于哪一种偏心受压情况n n2.2.求求ei ei及偏心距增大系数及偏心距增大系数（1 1）A A组内力情况组内力情况n n（2 2）B B组内力情况组内力情况n n3.3.计算计算A As s、A As s (1)A (1)A组内力情况组内力情况n n(2)B(2)B组内力情况组内力情况计算压区高度计算压区高度x x：(3)(3)取取A A s s=A=As s=1172.58mm=1172.58mm2 2,选用选用 1 120,2 20,2 2525，A s=As=1296.2mmA s=As=1296.2mm2 2，
14、按不小于，按不小于 minmin的要求验算式：的要求验算式：n n柱在吊装时的混凝土强度一般应达到设计柱在吊装时的混凝土强度一般应达到设计强度的强度的70%70%。吊装方式有翻身吊和平吊两种情。吊装方式有翻身吊和平吊两种情况，况，如图如图7 .63(a)7 .63(a)、(b)(b)所示所示。n n第二个问题是计算控制截面的纵向受拉钢第二个问题是计算控制截面的纵向受拉钢筋应力筋应力ss时时MM应用自重标准值乘以动力系数应用自重标准值乘以动力系数1.51.5计算。运输吊装阶段的最大裂缝宽度允许值计算。运输吊装阶段的最大裂缝宽度允许值w wmaxmax可取为可取为0.2mm0.2mm。n n当验算
15、不满足要求时，应优先采用调整或当验算不满足要求时，应优先采用调整或增设吊点以减少弯矩，或在吊装时采用临时加增设吊点以减少弯矩，或在吊装时采用临时加固措施来解决。固措施来解决。3.1.1.5 3.1.1.5 矩形或工形截面柱矩形或工形截面柱运输及吊装验算运输及吊装验算图7 .63 n n强度验算的公式为：强度验算的公式为：n n式中，式中，允许的钢筋拉应力，对于直径允许的钢筋拉应力，对于直径为为1616、1818、2222、2525、2828的螺纹钢筋分别取的螺纹钢筋分别取210210、200200、180180、170170、160/mm160/mm2 2,对于光圆钢筋取对于光圆钢筋取160/
16、mm160/mm2 2。n n牛腿设计内容主要有确定牛腿的截面尺寸、进行配筋计算和构造设计。n n牛腿按其所受竖向荷载作用点到牛腿下部与柱边缘交接点的水平距离a的大小，可把牛腿分为两大类。n n当ah0时为短牛腿，如图7 .64(a)所示；当ah0时为长牛腿，如图7 .64(b)所示。其中h0为牛腿根部垂直截面的有效高度。n n当为长牛腿时，与悬臂梁相似，按悬臂梁进行计算。3.1.2 牛腿设计牛腿设计图7 .64 牛腿荷载作用位置 n n从环氧树脂牛腿模型光弹性试验得到牛腿从环氧树脂牛腿模型光弹性试验得到牛腿的主应力迹线，的主应力迹线，如图所示如图所示。n n当外荷载当外荷载FvFv为极限荷载
17、的为极限荷载的20%40%20%40%时，时，在在牛腿主拉应力迹线的密集区首先出现垂直裂缝牛腿主拉应力迹线的密集区首先出现垂直裂缝，如图所示如图所示。n n当当FvFv继续增加到极限荷载的继续增加到极限荷载的40%60%40%60%时，时，在加载板内侧附近出现第一条斜裂缝在加载板内侧附近出现第一条斜裂缝，如继，如继续加载则裂缝续加载则裂缝不断发展；不断发展；n n当加载至极限荷载的当加载至极限荷载的80%80%左右时，左右时，突然在突然在加载板外侧出现斜裂缝加载板外侧出现斜裂缝，这预示牛腿即将破，这预示牛腿即将破坏。坏。3.1.2.1 牛腿的应力状态和破坏过程牛腿的应力状态和破坏过程n n（1
18、 1）剪切破坏剪切破坏n n当当a/ha/h0 00.10.1时，发生剪切破坏，其特征是牛时，发生剪切破坏，其特征是牛腿与下柱的交接面处出现一系列的短斜裂缝，腿与下柱的交接面处出现一系列的短斜裂缝，最终沿此裂缝把牛腿从柱上切下而破坏。最终沿此裂缝把牛腿从柱上切下而破坏。如图如图 (a)(a)所示所示。n n（2 2）斜压破坏斜压破坏n n当当a/ha/h0 0=0.10.75=0.10.75时，发生斜压破坏。其特征时，发生斜压破坏。其特征是在加载板内侧出现斜裂缝是在加载板内侧出现斜裂缝后，继续加载至后，继续加载至极限荷载的极限荷载的80%80%左右，在加载板内外侧之间，左右，在加载板内外侧之间
19、，在斜向范围内出现大量短小斜裂缝，最后在加在斜向范围内出现大量短小斜裂缝，最后在加载板外侧突然出现斜裂缝载板外侧突然出现斜裂缝，而后牛腿沿此斜，而后牛腿沿此斜压杆或斜裂缝压杆或斜裂缝而破坏。而破坏。如图如图(b)(b)所示所示。n n（3）弯压破坏n n当a/h00.75时，发生弯压破坏。其特征是当出现斜裂缝后，随荷载的增加，斜裂缝不断向受压区延伸，同时牛腿中纵向受拉钢筋的应力也不断增加并逐渐达到其屈服强度，最后斜裂缝以外的部分绕牛腿下部与柱的交接点转动，从而导致该处混凝土压碎而破坏。如图(c)所示。图 牛腿内弹性阶段主应力迹线 图 牛腿的裂缝 图 牛腿的破坏形式 n n1.截面尺寸的确定（图
20、7 .68）n n牛腿的截面宽度通常与柱相同，而截面高度一般按使用阶段不出现斜裂缝或仅出现微细裂缝作为控制条件。n n斜裂缝出现时的荷载Fv与a/h0的关系可列经验公式表示：3 .1.2.2 牛腿设计牛腿设计n n 作用于牛腿顶部的竖向力标准值；作用于牛腿顶部的竖向力标准值；系数，对承受重级工作制吊车的牛腿取系数，对承受重级工作制吊车的牛腿取0.650.65，中轻级取，中轻级取0.700.70，其他牛腿取，其他牛腿取0.800.80；作用于牛腿顶部的水平拉力标准值；作用于牛腿顶部的水平拉力标准值；根据上述公式可以确定牛腿的截面高度；牛根据上述公式可以确定牛腿的截面高度；牛腿的截面宽度等于柱的截
21、面宽度。在构造上，为腿的截面宽度等于柱的截面宽度。在构造上，为了防止沿加载板内侧发生非根部受拉破坏，要求了防止沿加载板内侧发生非根部受拉破坏，要求牛腿端部高度牛腿端部高度h h1 1h/3,h/3,且不小于且不小于200mm200mm，牛腿底面，牛腿底面倾斜角倾斜角45.45.此外，牛腿外边缘与吊车梁外边缘此外，牛腿外边缘与吊车梁外边缘的距离的距离a a1 1不宜小于不宜小于70mm70mm，否则会影响牛腿的局，否则会影响牛腿的局部承压能力，并可能造成牛腿外边缘混凝土保护部承压能力，并可能造成牛腿外边缘混凝土保护层剥落。层剥落。n n为防止牛腿顶面加载板下混凝土局部受压破坏，其局部受压应力不得
22、超过0.75fc，即：式中：A牛腿面上的局部承压面积，即加 载板面积；fc混凝土轴心抗压强度。n n2.承载力计算 n n（1 1）计算简图。计算简图。n n牛牛腿腿在在即即将将破破坏坏时时的的计计算算简简图图可可视视为为一一个个三角桁架，三角桁架，如图所示如图所示。n n（2 2）斜截面抗弯强度计算。斜截面抗弯强度计算。如图所示如图所示。n n（确定纵向钢筋）（确定纵向钢筋）Fv作用在牛腿顶部的竖向力设计值；Fh作用在牛腿顶部的水平拉力设计值；a同前，当a0.3h0时，取a=0.3h0；h、h0牛腿根部截面的高度、有效高度；fy纵向钢筋的设计强度。n n由于牛腿顶部边缘拉应力沿长度方向分布比
23、较均由于牛腿顶部边缘拉应力沿长度方向分布比较均匀，所以算得的纵向受拉钢筋不得下弯，兼做弯匀，所以算得的纵向受拉钢筋不得下弯，兼做弯起钢筋，而应全部直通到牛腿外边缘，在沿斜边起钢筋，而应全部直通到牛腿外边缘，在沿斜边下弯，并超过下柱边缘下弯，并超过下柱边缘150mm150mm。纵向受拉钢筋宜。纵向受拉钢筋宜采用变形钢筋，还要有符合表采用变形钢筋，还要有符合表4-34-3要求的锚固长度要求的锚固长度l la a，并通过牛腿根部柱中心线。当纵向受拉钢筋在，并通过牛腿根部柱中心线。当纵向受拉钢筋在柱内水平锚固长度不够时，应伸至对面柱边后再柱内水平锚固长度不够时，应伸至对面柱边后再向下弯折，弯折前水平锚
24、固长度不应小于向下弯折，弯折前水平锚固长度不应小于0.45l0.45la a，弯折后的垂直长度不应小于弯折后的垂直长度不应小于10d10d，但也不宜大于，但也不宜大于20d.20d.纵向受拉钢筋的配筋应不小于纵向受拉钢筋的配筋应不小于0.2%0.2%，也不宜，也不宜大于大于0.6%0.6%，且根数不应小于，且根数不应小于4 4根，直径不应小于根，直径不应小于12mm12mm。n n 当牛腿承受水平拉力时，在牛腿顶面预埋钢垫板下设置专门传递水平拉力的焊接水平锚固筋，可以改善牛腿承受水平拉力的传力路线。水平锚固筋截面面积一般可按1.2Fh/fy计算，在构造上不少于两根，直径不应小于12mm。因此由
25、上式算得的As，其中Ah=1.2Fh/fy部分可作为水平锚固筋焊接在钢垫板下。n n（3）斜截面抗剪强度计算。（确定箍筋)在实际工程中，一般认为按斜截面抗裂条件控制后，自然会满足斜截面抗剪强度要求。只需按照构造要求设置水平箍筋。箍筋直径箍筋直径6mm12mm6mm12mm；箍筋间距箍筋间距100mm150mm100mm150mm；箍箍筋筋面面积积在在上上部部2h0/32h0/3范范围围内内，水水平平箍箍筋筋的的总总截截面面积积不不应应小小于于纵纵向向受受拉拉钢钢筋筋AsAs（不不计计水水平平拉拉力力所需纵向受拉钢筋）的所需纵向受拉钢筋）的1/21/2。图7 .68 牛腿受力图 图7 .69 牛腿的计算简图（4）弯筋的设置n n在设计牛腿时，当牛腿的剪跨比a/h00.3时，应设置弯起钢筋，弯起钢筋宜采用变形钢筋，并宜设置在牛腿上部l/6至l/2之间的范围内，其截面面积Aw不应少于承受竖向力的受拉钢筋面积As的2/3(不不计计水水平平拉拉力力所所需需纵纵向向受受拉拉钢钢筋筋)，且不应小于0.0015bh0，其根数不应少于2根，直径不应小于12mm，如图所示。图11.70 牛腿的尺寸及配筋构造