单层工业厂房排架柱内力计算

单层工业厂房排架柱内力计算摘要：主要讲述排架结构的计算原理、过程以及结合实例计算排架柱内力, 了解厂房使用功能对厂房立面的影响以及单层厂房立面处理常采用的手法。

关键词：厂房排架柱内力计算在石油化工生产中，经常会有大跨度的单层工业厂房。

由于工艺要求不同，厂房的高度、跨度、跨数和吊车起重量等因素，使厂房柱定型化和标准化的工作很难进行。

目前虽然有一些单层厂房柱的标准图，但大多数单层工业厂房柱仍然需要设计者自行设计。

单层工业厂房的横向结构体系可分为：排架结构和刚架结构。

按材料性质可分为：单层钢筋混凝土柱厂房、单层钢结构厂房以及单层砖柱厂房。

本文主要讲述单层钢筋混凝土柱厂房排架柱的计算方法。

一.排架柱计算步骤及假定1.1 计算步骤主要如下：1.1.1根据厂房平、剖面布置图确定排架计算简图。

1.1.2计算作用在排架柱上的各项荷载。

1.1.3分别对各项荷载作用下排架柱进行内力计算，求出各控制截面的内力值。

1.1.4对各控制截面进行最不利荷载作用下内力组合，求出最不利内力。

1.1.5验算刚度（水平位移值）。

排架结构上作用的荷载除吊车等移动荷载之外，一般沿厂房的纵向是均匀布置的，各横向排架的刚度基本相同。

为简化计算，将厂房按横向平面排架进行内力分析计算。

1.2平面排架内力计算时需做以下基本假定：1.2.1柱子顶端与屋架（或屋面梁）为铰接（一般屋架或屋面梁端部和上柱用预埋钢板焊接，抵抗弯矩的能力很小，只能有效地传递竖向力和水平力，所以假定为铰接）。

1.2.2柱子下端与基础顶面为刚接。

1.2.3屋架或屋面梁为没有轴向变形的刚性杆（对屋面梁或刚度较大的屋架，受力后轴向变形很小，可视为无轴向变形的刚性杆即EA=＋∞）。

二.排架柱内力计算过程排架可分为等高排架和不等高排架。

等高排架指排架柱各柱柱顶标高相同或柱顶标高虽不相同但有倾斜横梁相连。

不等高排架是指相邻的高跨与低跨在一列柱处搭接，两跨横梁不在同一标高上。

2.1等高排架柱内力计算方法一般用剪力分配法。

通过上述推导出了排架柱柱顶剪力Vi的计算公式，要求得Vi只需求出i及i即可,而i及i计算公式可直接查《建筑结构静力计算手册》，根据求得的柱顶剪力可将排架柱按独立悬臂构件计算柱的各截面内力。

2.1.2其它荷载作用下排架柱内力计算在实际工程中我们所涉及到的排架厂房柱不可能只承受柱顶水平集中力，排架柱主要承受屋面荷载、风荷载、吊车荷载以及地震作用等荷载作用。

排架柱作用其它荷载时可将计算过程分为以下三个步骤：首先在直接承受荷载的柱顶端附加一个横向不动铰接支座以保证其水平不能侧移，求出反力R，求解反力R时可直接按《建筑结构静力计算手册》中公式求得。

其次撤销水平支座同时将反力R 反方向作用于排架柱顶，使结构恢复到原来的受力状态，利用剪力分配系数可求得在该状态下排架柱柱顶剪力，最后将上述两种情况下所求得的内力相叠加，即可求出排架柱在风荷载作用下的实际内力。

2.2 不等高排架柱内力计算在荷载作用下不等高排架高低跨柱顶位移不相等，在对不等高排架内力分析时通常采用力法。

在风荷载作用下，由于横梁两端铰接，取横梁的轴力X1和X2为多余未知力，截断两个横梁的轴向约束，在切口处加上轴力X1和X2。

这里使每个柱子都成为一个下端固定上端自由的基本结构，只需求出横梁轴向力X1，X2即为柱顶剪力。

可列力法基本方程：----由荷载产生的沿Xi方向的位移。

----由单位力（Xj=1）产生的沿Xi方向的位移。

同理，若排架为n跨在任意荷载作用下，可将每一横梁作为赘余联系，去掉之后以相应的赘余力（X1、X2……Xn），使原超静定排架变为几个静定的基本结构（下端固定上端自由），只需求出X1、X2……Xn即为柱顶剪力。

则为n次超静定结构可列力法方程：根据位移互等定理：=计算公式可查《建筑结构静力计算手册》，将求得的各位移值代入力法方程即可求出Xi，将基本结构在任意荷载下和Xi作用下产生的内力相叠加为排架柱的实际内力。

计算实例排架柱为单阶柱，A柱与B柱形状和尺寸均相同，上柱大小为600mm×1000mm，下柱大小为600mm×1400mm，在吊车竖向荷载Mmax=364.5kN.m，Mmin=78.9kN.m作用下，求排架柱内力。

在其它荷载作用下，其内力计算方法同上。

求得排架柱其它荷载作用下的内力后，应对控制截面进行最不利荷载作用下内力组合。

排架柱为偏心受压构件，通常考虑以下四种内力组合：+Mmax及相应的N、V；-Mmax及相应的N、V；Nmin及相应的N、V；Nmax及相应的N、V。

上述四种较不利内力组合中，前三种组合是以柱可能出现大偏心受压破坏的组合，最后一种组合是以柱可能出现小偏心受压破坏的组合。

三.本文主要讲述了排架结构的计算原理以及如何利用现有资料较快的进行手算，但在实际工程中计算主要还是通过软件来实现的。

目前使用较为广泛的是由中国建筑科学研究院编制的PKPM软件，在结构计算中还需注意以下问题：4.1 由于PKPM软件还没有直接定义屋架构件的功能，在模型输入时应按照屋架的结构力学特征用一个相近的构件来代替它。

在程序中可直接输入刚性杆或者输入一个虚梁，虚梁截面可定义为-B（梁宽）×H（梁高），虚梁输入时可将B 值定义的足够大，或者直接输入一个刚性杆，这样可以模拟出较大刚度的屋面，较符合力学模型。

模拟屋架或屋面梁的构件应两端与柱顶铰接。

4.2 在有吊车的厂房内，吊车数据可根据厂家的吊车资料输入，标准吊车也可以在PKPM程序吊车数据中直接导入，但在吊车梁顶标高处的上柱截面，由吊车桥架引起的地震剪力和弯矩应乘以增大系数，该系数程序不会自动考虑，应查GB50011-2010附录J.2.5由用户自行输入。

4.3 设有吊车的的厂房柱，为保证吊车能够正常运行防止吊车卡轨，应控制在吊车梁顶面标高处由一台最大吊车水平荷载（刹车力）标准值所产生的侧向变形。

厂房柱由一台最大吊车水平荷载（刹车力）标准值产生的横向水平位移：当吊车为轻、中级工作制时不应超过Hc/1100，当吊车为重级工作制时不应超过Hc/1250，Hc为基础顶面至吊车梁顶面的高度，若吊车为A8级，厂房柱的水平位移允许值宜减小10%。

建模时可在排架柱上输入一个节点（节点标高为吊车梁顶标高），控制该节点位移即可。

4.5 确定厂房周期时，一般不考虑吊车自重及其吊重，因为吊车并不是同时作用在每一片排架上，对厂房的周期影响很小。

4.6铰接排架厂房混凝土结构的抗震等级与厂房高度无关，只和厂房抗震设防烈度有关。

四、单层厂房自然通风：1、自然通风的基本原理：(1)、热压作用(2)、风压作用2、厂房的自然通风：1)、冷加工车间的自然通风：冷加工车间无大的热源，室内余热量较小，利用门窗就可以满足室内通风换气的要求。

由于室内外温差小，组织自然通风时可结合工艺与总平面设计进行，尽量使厂房纵向垂直于夏季主导风向或不小于45°倾角，厂房宽度限制在60m以内。

在外墙上设窗，在纵横贯通的通道端部设门，以便组织穿堂风。

为避免气流分散，影响穿堂风的流速，冷加工车间不宜设置通风天窗，但为了排除积聚在屋盖下部的热空气，可以设置通风屋脊。

(2)、热加工车间的自然通风：1)、进、排风口的布置：根据热压通风原理，进风口的位置应尽可能低。

南方炎热地区低侧窗窗台可低至0.4～0.6m，或不设窗扇而采用下部敞口进气；寒冷地区低侧窗可分为上下两排，夏季将下排窗开启，上排窗关闭；冬季将上排窗开启，下排窗关闭，避免冷风直接吹向人体。

侧窗开启方式有：上悬、中悬、平开和立转四种，其中立转窗通风效果最好。

排风口的位置尽可能高，一般设在柱顶处或靠近檐口一带。

当设有天窗时，天窗一般设在屋脊处，另外，为了尽快排除热空气，需要缩短通风距离，天窗宜设在散发热量较大的设备上方。

外墙中间部分的侧窗，应按采光窗设计，常采用固定窗或中悬窗，一般不采用上悬窗，以免影响下部进风口的进气量和气流速度。

2）、通风天窗的类型：①、矩形通风天窗。

②、下沉式通风天窗。

③、开敞式厂房。

3）、合理布置热源：热源布置的恰当，对于热加工厂房的通风降温起重要作用。

在布置热源时，要注意以下几点：①利用穿堂风的风向，热源应布置在复杂主导风向的下风向；②有天窗时，利用热压为主的自然通风，热源应布置在天窗口的下方；下沉式天窗，热源应与下沉底板错开布置。

③多跨厂房中，利用冷热跨间隔布置，且用轻质吊墙（距地3m左右）分隔二者，以便组织通风。

④连续多跨均为热跨时，可将跨间分离布置，以便缩短进排气口的路径。

四.单层厂房立面设计及内部空间处理立面设计：1、影响立面设计的因素主要有以下几个方面：(1)、使用功能的影响(2)、结构形式的影响(3)、气候、环境的影响2、立面的处理方法：(1)、墙面划分：1）垂直划分。

2）水平划分。

3）混合划分。

(2)、墙面的虚实处理：厂房立面中，窗洞面积的大小是根据采光和通风要求来确定的。

窗与墙的比例关系不同，会产生不同的艺术效果。

当窗面积大于墙面积时，立面以虚为主，显得明快、轻巧；当窗面积小于墙面积时，立面以实为主，显得稳重、敦实；当窗面积接近墙面积时，虚实平衡，显得安静、平淡，运用较少。

(3)、墙面的节奏感：在建筑立面上，相同构件或门窗有规律的变化，给人以节奏感。

厂房在这方面有充分的表达能力。

如成排的窗子、遮阳板等，辅以水平或竖向划分，使立面具有强烈的节奏感和方向感。

厂房内部空间的处理：1、厂房使用功能的影响：厂房的内部空间应满足生产功能的要求，同时也应考虑空间的艺术处理。

2、设备管道的影响：首先，管道的布置及排列应组织得有条不紊；另外，建筑师可以通过与设备供应商及厂方协商，选择体形优美、色彩悦目的机床；用颜色区分主要及辅助设备，同时结合室内建筑构件，整体构图，从而获得既具有明显的组织性、规律性，又具有协调统一的视觉效果。

3、室内空间利用的影响：车间内部可利用柱间、墙边、门边及平台下等不影响工艺生产的空间设置生活间，这样，可以充分利用空间。

另外，考虑生活间造型、色彩及材质的搭配，可以活跃车间的气氛，创造一个良好的工作环境。

4、室内小品及绿化的影响：室内布置建筑小品和绿化，可以使人产生亲切感，减少工人的疲劳，使工人在轻松、自然地环境中工作，提高劳动生产效率。

室内小品及绿化应布置在食堂、休息等人流密集的地方，绿化也可采用水平或垂直布置。

参考文献1. 《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）3. 《建筑结构静力计算手册》（第二版）中国建筑工业出版社4. 《混凝土结构构造手册》（第四版）中国建筑工业出版社6. 《结构力学教程》高等教育出版社7. 《混凝土结构设计》华南理工大学出版社。