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(2012-09-21 14:16:16)
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杂谈 |
柱的型式
单层厂房柱的型式很多，目前常用的有实腹矩形柱、工字形柱、双肢柱等，如http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-39所示。
http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0301/tu0239/images.jpg
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，则在安装壁行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。
矩形、工字形柱的设计
柱的设计内容一般包括确定外形构造尺寸和截面尺寸，根据各控制截面最不利的内力组合进行截面设计，施工吊装运输阶段的承载力和裂缝宽度验算，与屋架、吊车梁等构件的连接构造和绘制施工图等，当有吊车时还需进行牛腿设计。
一、截面尺寸和外形构造尺寸
柱截面尺寸除应保证柱具有足够的承载力外，还必须使柱具有足够的刚度，以免造成厂房横向和纵向变形过大，发生吊车轮和轨道的过早磨损，影响吊车正常运行或导致墙和屋盖产生裂缝，影响厂房的正常使用。根据刚度要求，对于6m柱距的厂房柱和露天栈桥柱的最小截面尺寸，可按http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/04.jpg2-5确定。
表2-5 6m柱距实腹柱截面尺寸参考表
| 项 目 | 简图 | 分项 | 截面高度h | 截面宽度b | |||
| 无吊车厂房 | |
单跨 | ≥H/18 |
≥H/30，并≥300mm；管柱r≥H/105D≥300mm |
|||
| 多跨 | ≥H/20 | ||||||
| 有吊车厂房 | Q≤lOt |
|
≥Hk/14 |
≥http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0302/biao2-8/table2-8.files/image008.gif/85D≥400mm |
|||
| Q＝(15～20)t | Hk≤10m | ≥Hk/11 | |||||
| 10mk≤12m | Hk/12 | ||||||
| Q＝30t | Hk≤10m | ≥Hk/9 | |||||
| Hk＞12m | Hk/10 | ||||||
| Q＝50t | Hk≤llm | ≥Hk/9 | |||||
| Hk≥13m | Hk/ll | ||||||
| Q＝(75～100)t | Hk≤12m | ≥Hk/9 | |||||
| Hk≥14m | Hk/8 | ||||||
| 项 目 | 简 图 | 分 项 | 截面高度h | 截面宽度b | |||
| 露天栈桥 |
http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0302/biao2-8/table2-8.files/image007.gif |
Q≤10t |
|
Hk/10 | ≥http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0302/biao2-8/table2-8.files/image008.gif/25，并≥500mm 管柱r≥http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0302/biao2-8/table2-8.files/image008.gif/70D≥400mm | ||
| Q=(15～30)t | Hk≤12m | Hk/9 | |||||
| Q=50t | Hk≤12m | Hk/8 | |||||
注：① 表中Q为吊车起吊质量，H为基础顶至柱顶的总高度，Hk为基础顶至吊车梁顶的商度，Hl为基础顶至吊车梁底的高度，r为管柱的单管回转半径，D为管柱的单管外径。
② 当采用平腹杆双肢柱时，h应乘以1.1，采用斜腹杆双肢柱时，h应乘以1.05。
③ 表中有吊车厂房的柱截面高度系按重级和特重级载荷状态考虑的，如为中、轻级载荷状态，应乘以系数O.95。
④ 当厂房柱距为12m时，柱的截面尺寸宜乘以系数1.1。
工字形柱的翼缘厚度不宜小于100mm，腹板厚度不宜小于80mm。当有高温或侵蚀性介质时，则翼缘和腹板尺寸均应适当增大。工字形的腹板可以开孔洞（在孔洞周边宜设置加强钢筋）。当孔的横向尺寸小于柱截面高度的一半、孔的竖向尺寸小于相邻两孔之间的净距时，柱的刚度可按实腹工字形柱计算，但在计算承载力时应扣除孔洞的削弱部分。当开孔尺寸超过上述规定时，柱的刚度和承载力应按双肢柱计算。
工字形柱的外形构造尺寸见http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-40。
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二、截面设计
根据排架计算求得的控制截面最不利的内力组合M和N，按偏心受压构件进行截面计算。对于刚性屋盖的单层厂房排架、露天吊车柱和栈桥柱，其计算长度可按http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/04.jpg2-6取用。
表2-6 采用刚性屋盖的单层工业厂房排架柱、露天吊车柱和栈桥柱的计算长度l0
| 柱的类型 | 排架方向 | 垂直排架方向 | ||
| 有柱间支撑 | 无柱间支撑 | |||
| 无吊车厂房柱 | 单跨 | 1.5H | 1.OH | 1.2H |
| 两跨及多跨 | 1.25H | 1.OH | 1.2H | |
| 有吊车厂房柱 | 上柱 | 2.OHu | 1.25Hu | 1.5Hu |
| 下柱 | 1.OHl | O.8Hl | 1.0Hl | |
| 露天吊车柱和栈桥柱 | 2.OHl | 1.OHl | - | |
注：① 表中H为从基础顶面算起的柱子全高；Hl为从基础顶面至装配式吊车梁底面或现浇式吊车梁顶面的柱子下部高度；Hu为从装配式吊车梁底面或从现浇式吊车梁顶面算起的柱子上部高度。
② 表中有吊车厂房排架柱的计算长度，当计算中不考虑吊车荷载时，可按无吊车厂房采用，但上柱的计算长度仍按有吊车厂房采用。
③ 表中有吊车厂房排架柱的上柱在排架方向的计算长度，仅适用于Hu／Hl≥0.3的情况：当Hu／Hl<0.3时，宜采用2.5Hu。
三、吊装、运输阶段的承载力和裂缝宽度验算
预制柱一般考虑翻身起吊，按http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-41中的Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ截面根据运输、吊装时混凝土的实际强度，分别进行承载力和裂缝宽度验算。验算时应注意下列问题：
http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0302/tu0241/images.jpg
1、柱身自重应乘以动力系数1.5（根据吊装时的受力情况可适当增减）。
2、因吊装验算系临时性的，故构件安全等级可较其使用阶段的安全等级降低一级。
3、柱的混凝土强度一般按设计强度的70％考虑。当吊装验算要求高于设计强度的70％方可吊装时，应在施工图上注明。
4、一般宜采用单点绑扎起吊，吊点设在变阶处。当需用多点起吊时，吊装方法应与施工单位共同商定并进行相应的验算。
5、当柱变阶处截面吊装验算配筋不足时，可在该局部区段加配短钢筋。
四、构造要求
矩形和工字形柱的混凝土强度等级常用C20～C30，当轴向力大时宜用较高等级。纵向受力钢筋一般采用HRB400和HRB335级钢筋，构造钢筋可用HPB235或HRB335级钢筋，直径d≥6mm的箍筋用HPB235级钢筋。
纵向受力钢筋直径不宜小于12mm，全部纵向受力钢筋的配筋率不宜超过5％；当混凝土强度等级小于或等于C50时，全部纵向受力钢筋的配筋率不应小于0.5％，当混凝土强度等级大于C50时，不应小于O.6％；柱截面每边纵向钢筋的配筋率不应小于0.2％。当柱的截面高度h≥600mm时，在侧面应设置直径为（10～16）mm的纵向构造钢筋，并相应地设置复合箍筋或拉结筋。
柱内纵向钢筋的净距不应小于50mm；对水平浇筑的预制柱，其最小净距不应小于25mm和纵向钢筋的直径。垂直于弯矩作用平面的纵向受力钢筋的中距不应大于350mm。
柱中箍筋的构造应满足对偏心受压构件的要求。柱与屋架（屋面梁）、吊车梁等构件的连接构造可参阅有关标准图集或设计手册。
牛腿
单层厂房中，常采用柱侧伸出的牛腿来支承屋架（屋面梁）、托架和吊车梁等构件。由于这些构件大多是负荷较大或是有动力作用的，所以牛腿虽小，却是一个重要部件。
根据牛腿竖向力的作用点至下柱边缘的水平距离a的大小，一般把牛腿分成两类：当时为短牛腿，见http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-42（a），时为长牛腿，见http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-42（b）此处为牛腿与下柱交接处的牛腿竖直截面的有效高度。
http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/tu0242/images.JPG
长牛腿的受力特点与悬臂梁相似，可按悬臂梁设计。一般支承吊车梁等构件的牛腿均为短牛腿（以下简称牛腿），它实质上是一变截面深梁，其受力性能与普通悬臂梁不同。本节将在介绍牛腿试验研究结果的基础上，阐明牛腿的设计方法。
一、试验研究结果
1、弹性阶段的应力分布http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/hand.gif
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http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-43为对 http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/tu0243/images.JPG |
2、裂缝的出现与展开http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/hand.gif
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钢筋混凝土牛腿在竖向力作用下的试验表明：当荷载加到破坏荷载的20%～40%时出现竖向裂缝，但其展开很小，对牛腿的受力性能影响不大；当荷载继续加大至破坏荷载的40%～60%时，在加载板内侧附近出现第一条斜裂缝①；此后，随着荷载的增加，除这条斜裂缝不断发展外，几乎不再出现第二条斜裂缝；最后，当荷载加大至接近破坏时（约为破坏荷载的80%），突然出现第二条斜裂缝②，预示牛腿即将破坏。在牛腿使用过程中，所谓不允许出现斜裂缝均指裂缝①而言的。它是确定牛腿截面尺寸的主要依据。 试验表明http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image017.gif减小，因此主拉应力增大，斜裂缝提早出现。 |
3、破坏形态http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/hand.gif
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牛腿的破坏形态主要取决于http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image013.gif值，有以下三种主要破坏形态： （1）弯曲破坏 当 http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/tu0244/images.JPG （2）剪切破坏 又分纯剪破坏、斜压破坏和斜拉破坏三种，其中纯剪破坏是当http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image013.gif值很小（≤O.1）或http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image013.gif值虽较大但边缘高度h1较小时，可能发生沿加载板内侧接近竖直截面的剪切破坏。其特征是在牛腿与下柱交接面上出现一系列短斜裂缝，最后牛腿沿此裂缝从柱上切下而遭破坏，见http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-44（b）。这时牛腿内纵向钢筋应力较低。 （3）局部受压破坏 当加载板过小或混凝土强度过低，由于很大的局部压应力而导致加载板下混凝土局部压碎破坏，见http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-44（d）。 |
4、牛腿在竖向力和水平拉力同时作用下的受力情况http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/hand.gif
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对同时作用有竖向力http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image027.gif时，开裂荷载下降36%～47%，可见影响较大，同时牛腿的承载力亦降低。试验还表明，有水平拉力作用的牛腿与没有水平拉力作用的牛腿，两者的破坏规律相似。 |
二、牛腿的设计
牛腿设计的主要内容是：确定牛腿的截面尺寸、承载力计算和配筋构造。
1、截面尺寸的确定http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/hand.gif
2、承载力计算和配筋构造http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/hand.gif
http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/tu0247/images.JPG
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（1）计算简图 试验结果指出，在荷载作用下，牛腿中纵向钢筋受拉，在斜裂缝①外侧有一个不很宽的压力带。在整个压力带内，斜压力分布比较均匀，如同行桁架中的压杆。破坏时混凝土应力可达其抗压强度。由于上述受力特点，计算时可将牛腿简化为一个以纵向钢筋为拉杆和混凝土斜撑为压杆的三角形桁架，其计算简图如http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-46（c）所示。当竖向力和作用在牛腿顶面的水平拉力共同作用时，其计算简图见http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-46（d）。 http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/tu0246/images.JPG （2）纵向受拉钢筋的计算和构造 由http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-46（d），取力矩平衡条件，可得： http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image071.gif 若近似取http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image073.gif，则得： http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image075.gif （2-19） 式（2-19）中的http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image077.gif可近似取0.2，则得： http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image079.gif （2-20） 该式即为“混凝土结构设计规范”规定的确定承受竖向力所需要的受拉钢筋和承受水平拉力所需要的锚筋组成的纵向钢筋截面面积的计算公式，当a<<IMG vspace=5 src="http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image081.gif">时，取a=http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image082.gif。 式中： http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image084.gif——作用在牛腿顶部的竖向力设计值； http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image086.gif——作用在牛腿顶部的水平拉力设计值。 牛腿承受竖向荷载产生的弯矩和水平荷载产生的拉力的纵向受拉钢筋宜采用HRB335级或HRB400（RRB400）级钢筋，钢筋直径不应小于12mm。由于水平纵向受拉钢筋的应力沿牛腿上部受拉边全长基本相同，因此不得将其下弯兼作弯起钢筋，而应全部直通至牛腿外边缘再沿斜边下弯。并伸入下柱内15d，另一端在柱内应有足够的锚固长度（按梁的上部钢筋的有关规定），以免钢筋未达到强度设计值前就被拔出而降低牛腿的承载能力。 承受竖向力所需的水平纵向受拉钢筋的配筋率（按全截面计算）不应小于0.2%，也不宜大于0.6%，且根数不宜少于4根。承受水平拉力的锚筋应焊在预埋件上，且不应少于2根。 （3）水平箍筋和弯起钢筋的构造要求 由于式（2-17）的斜裂缝控制条件比斜截面受剪承载力条件严格，所以满足了式（2-17）后，不再要求进行牛腿的斜截面受剪承载力计算，但应按构造要求设置水平箍筋和弯起钢筋。在总结我国的工程设计经验和参考国外有关设计规范的基础上，“混凝土结构设计规范”规定，水平箍筋的直径应取用（6～12）mm，间距为（100～150）mm，且在上部http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/fwjgsj-kcjj-020303/image088.gif范围内的水平箍筋总截面面积不应小于承受竖向力的水平纵向受拉钢筋截面面积的1/2。 试验表明，弯起钢筋虽然对牛腿抗裂的影响不大，但对限制斜裂缝展开的效果较显著。试验还表明，当剪跨比 当满足以上构造要求时，就能满足牛腿受剪承载力的要求。 当牛腿设于上柱柱顶时，宜将柱对边纵向受力钢筋沿柱顶水平弯入牛腿，作为牛腿纵向受力钢筋使用。若牛腿纵向受拉钢筋与柱对边纵向受力钢筋分开配置时，则牛腿受拉钢筋与柱对边纵向钢筋钢筋应有可靠搭接。柱顶牛腿配筋构造，见http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/images/03.jpg2-47。 http://kjwy.5any.com/fwjgsjyjgkz/content/02/0303/tu0247/images.JPG |
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