排架結構是相對簡單的大跨度結構,一般為單層建筑物。應用排架結構最為常見的建筑物是單層工業(yè)廠房,但是在許多民用建筑中,如影劇院、菜市場、倉庫等也可以采用排架結構。排架結構屬于平面超靜定結構,但與框架相比,超靜定次數(shù)較少,手工計算較為容易。排架計算一般采用剪力分配法,是力學中位移法的一種。
結構組成
排架結構有三個主要部分組成:形成跨度的屋面結構、豎向支撐結構、基礎結構。
屋面結構
由于排架結構跨度較大,屋面結構多采用桁架體系,鋼結構或鋼筋混凝土結構,以減輕屋面結構的重量。較小跨度的排架結構則多采用鋼筋混凝土屋面梁。由于連接平面排架 之間縱向構件的標準長度為6米,因此排架的柱距也多為6米。
屋架之間搭設屋面板。為了保證屋面結構的整體剛度,屋面板多數(shù)采用重型結構——大型預應力混凝土屋面板——無檁體系。有時也采用輕型屋面結構,以檁條連接屋架,在檁條之上放置小型屋面板或輕型板——有檁體系。
同時為了保證屋面體系的剛度,屋架之間還要設置各種支撐,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、下弦平面內以及天窗架上弦平面內的水平支撐。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30°~60°。
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。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。
屋架上弦支撐是指排架每個伸縮縫區(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設置橫向水平支撐,并應布置在端部第一柱距內以及伸縮縫區(qū)段兩端的第一或第二個柱距內。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布置上弦橫向水平支撐。當排架設置天窗時可根據(jù)屋架上弦桿件的穩(wěn)定條件,在天窗范圍內沿排架縱向設置連系桿。
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。
當排架跨度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。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,為保證排架空間剛度,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排架的空間剛度,增強排架間的空間作用,保證橫向水平力的縱向分布。當排架柱距為6m,且排架內設有普通橋式吊車,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。
屋架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的水平荷載傳遞到屋架下弦平面內。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。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。
當排架跨度為(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。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l/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排架中,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。
當廠房需要天窗時,屋面設置天窗架;當特殊的原因使柱距加大時,由于縱向屋面板不能加長,因此屋架也不能移位,就必須設置托架保證屋架的支撐。
排架結構的柱
排架結構的柱截面可以采用多種形式,但不論哪種形式,在建筑跨度方向上的尺度均應大于長度方面的尺度;目前常用的有實腹矩形柱、工字形柱、雙肢柱等。
實腹矩形柱的外形簡單,施工方便,但混凝土用量多,經(jīng)濟指標較差。
工字形柱的材料利用比較合理,目前在單層廠房中應用廣泛,但其混凝土用量比雙肢柱多,特別是當截面尺寸較大(如截面高度h≥1600mm)時更甚,同時自重大,施工吊裝也較困難,因此使用范圍也受到一定限制。
雙肢柱有平腹桿和斜腹桿兩種,前者構造較簡單,制作也較方便,在一般情況下受力合理,而且腹部整齊的矩形孔洞便于布置工藝管道。當承受較大水平荷載時宜采用具有桁架受力特點的斜腹桿雙肢柱。但其施工制作較復雜,若采用預制腹桿則制作條件將得到改善。雙肢柱與工形柱相比較,混凝土用量少,自重較輕,柱高大時尤為顯著,但其整體剛度差些,鋼筋構造也較復雜,用鋼量稍多。
根據(jù)工程經(jīng)驗,目前對預制柱可按截面高度h確定截面型式:
當h≤600mm時,宜采用矩形截面;
當h=(600~800)mm時,采用工字形或矩形;
當h=(900~1400)mm時,宜采用工字形;
當h>1400mm時,宜采用雙肢柱。
對設有懸臂吊車的柱宜采用矩形柱;對易受撞擊及設有壁行吊車的柱宜采用矩形柱或腹板厚度≥120mm、翼緣高度≥150mm的工字形柱,當采用雙肢柱時,則在安裝吊車的局部區(qū)段宜做成實腹柱。
實踐表明,矩形、工字形和斜腹桿雙肢柱的側移剛度和受剪承載力都較大,因此《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定,當抗震設防烈度為8度和9度時,廠房宜采用矩形,工字形截面和斜腹桿雙肢柱,不宜采用薄壁工字形柱、腹板開孔柱、預制腹板的工字形柱和管柱;柱底至室內地坪以上500mm范圍內和階形柱的上柱宜采用矩形截面。
柱上有牛腿,可以承擔吊車梁、聯(lián)系梁,這些梁均與柱成鉸接狀態(tài);一般排架柱以吊車梁牛腿為界,分上下兩段,分別稱為上柱與下柱;在排架結構的縱向上,采用柱間支撐來保證結構縱向的穩(wěn)定性與剛度,同時傳遞縱向荷載。為了避免溫度應力的作用,有利于在溫度變化或混凝土收縮,結構可以較自由變形而不致產生較大的溫度或收縮應力,柱間支撐一般設置在結構縱向的中間區(qū)域,并在柱頂設置通長剛性連系桿來傳遞荷載。
柱間支撐一般包括上部柱間支撐、中部及下部柱間支撐。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35°~50°之間。在特殊情況下,因生產工藝的要求及結構空間的限制,可以采用其他型式的支撐如采用人字形支撐、八字形支撐等。
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(包括天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)廠房內設有懸臂吊車或3t及以上懸掛吊車;
2)廠房內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10t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。