排架结构的设计原理

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排架结构是相对简单的大跨度结构，一般为单层建筑物。应用排架结构最为常见的建筑物是单层工业厂房，但是在许多民用建筑中，如影剧院、菜市场、仓库等也可以采用排架结构。排架结构属于平面超静定结构，但与框架相比，超静定次数较少，手工计算较为容易。排架计算一般采用剪力分配法，是力学中位移法的一种。

结构组成排架结构有三个主要部分组成：形成跨度的屋面结构、竖向支撑结构、基础结构。

屋面结构由于排架结构跨度较大，屋面结构多采用桁架体系，钢结构或钢筋混凝土结构，以减轻屋面结构的重量。较小跨度的排架结构则多采用钢筋混凝土屋面梁。由于连接平面排架之间纵向构件的标准长度为6米，因此排架的柱距也多为6米。

屋架之间搭设屋面板。为了保证屋面结构的整体刚度，屋面板多数采用重型结构——大型预应力混凝土屋面板——无檩体系。有时也采用轻型屋面结构，以檩条连接屋架，在檩条之上放置小型屋面板或轻型板——有檩体系。同时为了保证屋面体系的刚度，屋架之间还要设置各种支撑，通常包括上、下弦水平支撑、垂直支撑及纵向水平系杆。屋盖上、下弦水平支撑是指布置在屋架（屋面梁）上、下弦平面内以及天窗架上弦平面内的水平支撑。支撑节间的划分应与屋架节间相适应。水平支撑一般采用十字交叉的形式。交叉杆件的交角一般为30°～60°。

屋盖垂直支撑是指布置在屋架（屋面梁）间或天窗架（包括挡风板立柱）间的支撑。系杆分刚性（压杆）和柔性（拉杆）两种。系杆设置在屋架上、下弦及天窗上弦平面内。

屋架上弦支撑是指排架每个伸缩缝区段端部的横向水平支撑，它的作用是：在屋架上弦平面内构成刚性框，增强屋盖的整体刚度，保证屋架上弦或屋面梁上翼缘平面外的稳定，同时将抗风柱传来的风荷载传递到（纵向）排架柱顶。当采用钢筋混凝土屋面梁的有檩屋盖体系时，应在梁的上翼缘平面内设置横向水平支撑，并应布置在端部第一柱距内以及伸缩缝区段两端的第一或第二个柱距内。当采用大型屋面板且连接可靠、能保证屋盖平面的稳定并能传递山墙风荷载时，则认为大型屋面板能起上弦横向支撑的作用，可不再设置上弦横向水平支撑。对于采用钢筋混凝土拱形及梯形屋架的屋盖系统，应在每一个伸缩缝区段端部的第一或第二个柱距内布置上弦横向水平支撑。当排架设置天窗时可根据屋架上弦杆件的稳定条件，在天窗范围内沿排架纵向设置连系杆。屋架（屋面梁）下弦支撑包括下弦横向水平支撑和纵向水平支撑两种。下弦横向水平支撑的作用是承受垂直支撑传来的荷载，并将山墙风荷载传递至两旁柱上。当排架跨度l≥18m时，下弦横向水平支撑应布置在每一伸缩缝区段端部的第一个柱距内。当l<18m且山墙上的风荷载由屋架上弦水平支撑传递时，可不设屋盖下弦横向水平支撑。当设有屋盖下弦纵向水平支撑时，为保证排架空间刚度，必须同时设置相应的下弦横向水平支撑。下弦纵向水平支撑能提高排架的空间刚度，增强排架间的空间作用，保证横向水平力的纵向分布。当排架柱距为6m，且排架内设有普通桥式吊车，吊车吨位≥10t（重级）或吊车吨位≥30t等情况时，应设置下弦纵向水平支撑。屋架垂直支撑除能保证屋盖系统的空间刚度和屋架安装时结构的安全外，还能将屋架上弦平面内的水平荷载传递到屋架下弦平面内。所以垂直支撑应与屋架下弦横向水平支撑布置在同一柱间内。在有檩屋盖体系中，上弦纵向系杆是用来保证屋架上弦或屋面梁受压翼缘的侧向稳定的（即防止局部失稳），并可减小屋架上弦杆的计算长度。当排架跨度为（18～30）m，屋架间距为6m，采用大型屋面板时，应在屋架跨度中点布置一道垂直支撑。对于拱形屋架及屋面梁，因其支座处高度不大，故该处可不设置垂直支撑，但需对梁支座进行抗倾覆验算，如稳定性不能满足要求时，应采取措施。梯形屋架支座处必须设置垂直支撑。当屋架跨度超过30m，间距为6m，采用大型屋面板时，应在屋架跨度l/3左右附近的节点处设置两道垂直支撑及系杆。在一般情况下，当屋面采用大型屋面板时，应在未设置支撑的屋架间相应于垂直支撑平面的屋架上弦和下弦节点处，设置通长的水平系杆。对于有檩体系，屋架上弦的水平系杆可以用檩条代替（但应对檩条进行稳定和承载力验算），仅在下弦设置通长的水平系杆。垂直支撑一般在伸缩缝区段的两端各设置一道。当屋架跨度不大于18m，屋面为大型屋面板的一般排架中，无天窗时可不设置垂直支撑和水平系杆；有天窗时，可在屋脊节点处设置一道水平系杆。当厂房需要天窗时，屋面设置天窗架；当特殊的原因使柱距加大时，由于纵向屋面板不能加长，因此屋架也不能移位，就必须设置托架保证屋架的支撑。

排架结构的柱排架结构的柱截面可以采用多种形式，但不论哪种形式，在建筑跨度方向上的尺度均应大于长度方面的尺度；目前常用的有实腹矩形柱、工字形柱、双肢柱等。

实腹矩形柱的外形简单，施工方便，但混凝土用量多，经济指标较差。工字形柱的材料利用比较合理，目前在单层厂房中应用广泛，但其混凝土用量比双肢柱多，特别是当截面尺寸较大（如截面高度h≥1600mm）时更甚，同时自重大，施工吊装也较困难，因此使用范围也受到一定限制。双肢柱有平腹杆和斜腹杆两种，前者构造较简单，制作也较方便，在一般情况下受力合理，而且腹部整齐的矩形孔洞便于布置工艺管道。当承受较大水平荷载时宜采用具有桁架受力特点的斜腹杆双肢柱。但其施工制作较复杂，若采用预制腹杆则制作条件将得到改善。双肢柱与工形柱相比较，混凝土用量少，自重较轻，柱高大时尤为显著，但其整体刚度差些，钢筋构造也较复杂，用钢量稍多。

根据工程经验，目前对预制柱可按截面高度h确定截面型式：当h≤600mm时，宜采用矩形截面；当h＝（600～800）mm时，采用工字形或矩形；当h＝（900～1400）mm时，宜采用工字形；当h>1400mm时，宜采用双肢柱。对设有悬臂吊车的柱宜采用矩形柱；对易受撞击及设有壁行吊车的柱宜采用矩形柱或腹板厚度≥120mm、翼缘高度≥150mm的工字形柱，当采用双肢柱时，则在安装吊车的局部区段宜做成实腹柱。实践表明，矩形、工字形和斜腹杆双肢柱的侧移刚度和受剪承载力都较大，因此《建筑抗震设计规范》规定，当抗震设防烈度为8度和9度时，厂房宜采用矩形，工字形截面和斜腹杆双肢柱，不宜采用薄壁工字形柱、腹板开孔柱、预制腹板的工字形柱和管柱；柱底至室内地坪以上500mm范围内和阶形柱的上柱宜采用矩形截面。

柱上有牛腿，可以承担吊车梁、联系梁，这些梁均与柱成铰接状态；一般排架柱以吊车梁牛腿为界，分上下两段，分别称为上柱与下柱；在排架结构的纵向上，采用柱间支撑来保证结构纵向的稳定性与刚度，同时传递纵向荷载。为了避免温度应力的作用，有利于在温度变化或混凝土收缩，结构可以较自由变形而不致产生较大的温度或收缩应力，柱间支撑一般设置在结构纵向的中间区域，并在柱顶设置通长刚性连系杆来传递荷载。

柱间支撑一般包括上部柱间支撑、中部及下部柱间支撑。柱间支撑通常宜采用十字交叉形支撑；它具有构造简单、传力直接和刚度较大等特点。交叉杆件的倾角一般在35°～50°之间。在特殊情况下，因生产工艺的要求及结构空间的限制，可以采用其他型式的支撑如采用人字形支撑、八字形支撑等。柱间支撑的作用是保证厂房结构的纵向刚度和稳定，并将水平荷载（包括天窗端壁部和厂房山墙上的风荷载、吊车纵向水平制动力以及作用于厂房纵向的其他荷载）传至基础。

凡属下列情况之一者，应设置柱间支撑：1）厂房内设有悬臂吊车或3t及以上悬挂吊车；2）厂房内设有重级工作制吊车，或设有中级、轻级工作制吊车，起重量在10t及以上；3）厂房跨度在18m以上或柱高在8m以上；4）纵向柱列的总数在七根以下；5）露天吊车栈桥的柱列。

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