单层厂房整体空间优化设计

1.厂房整体空间作用的基本概念

单层厂房结构是由排架、屋盖系统、支撑系统和山墙等组成的一个空间结构，如果简化成按平面排架计算，虽然简化了计算，但却与实际情况有出入。

在恒载、屋面荷载、风载等沿厂房纵向均布的荷载作用下，除了靠近山墙处的排架的水平位移稍小以外，其余排架的水平位移基本上是差别不大。因而各排架之间相互牵制作用不显著，按简化成平面排架来计算对排架内力影响很小，故在均布荷载作用下不考虑整体空间作用，如图4.37（a）、（b）所示。

图4.37　厂房整体空间作用示意图

但是，吊车荷载（竖向和水平）是局部荷载，当吊车荷载局部作用于某几个排架时，其余排架以及两山墙都对承载的排架有牵制作用，如图4.37（c）、（d）所示。如厂房跨数较多、屋盖刚度较大，则牵制作用也较大。这种排架与排架、排架与山墙之间相互关联和牵制的整体作用，即称为厂房的整体空间作用。

根据实测及理论分析，厂房的整体空间作用的大小主要与下列因素有关：①屋盖刚度：屋盖刚度越大，空间作用越显著，故无檩屋盖的整体空间作用大于有檩屋盖。②厂房两端有无山墙：山墙的横向刚度很大，能承担很大部分横向荷载。根据实测资料表明，两端有山墙与两端无山墙的厂房，其整体空间作用将相差几倍甚至十几倍。③厂房长度：厂房的长度长，空间作用就大。④排架本身刚度：排架本身的刚度越大，直接受力排架承担的荷载就越多，传给其他排架的荷载就越少，空间作用就相对减少。此外，还与屋架变形等因素有关。

对于一般单层厂房，在恒载、屋面活荷载、雪荷载以及风荷载作用下，按平面排架结构分析内力时，可不考虑厂房的整体空间作用。而吊车荷载仅作用在几榀排架上，属于局部荷载，因此，《混凝土结构设计规范》规定，在吊车荷载作用下才考虑厂房的整体空间作用。

2.吊车荷载作用下考虑厂房整体空间作用的排架内力分析

图4.38所示的单层厂房，当某一榀排架柱顶作用水平集中力R时，若不考虑厂房的整体空间作用，则此集中力R完全由直接受荷排架承受，其柱顶水平位移为 Δ，如图4.38（c）所示；当考虑厂房的整体空间作用时，由于相邻排架的协同工作，柱顶水平集中力R不仅由直接受荷载排架承受，而且将通过屋盖等纵向联系构件传给相邻的其他排架，使整个厂房共同承担。

图4.38　厂房整体空间作用分析

如果把屋盖看作一根在水平面内受力的梁，而各榀横向排架作为梁的弹性支座，如图4.38（b）所示，则各支座反力Ri即为相应排架所分担的水平力。如设直接受荷排架对应的支座反力为R0，则R0＜R，R0与R之比称为单个荷载作用下的空间作用分配系数，以μ表示。由于在弹性阶段，排架柱顶的水平位移与其所受荷载成正比，故空间作用分配系数μ可表示为柱顶水平位移之比（Δ0/Δ），即(www.xing528.com)

式中：Δ0为考虑空间作用时直接受荷排架的柱顶位移。

可见，μ表示当水平荷载作用于排架柱顶时，由于厂房结构的空间作用，该排架所分配到的水平荷载与不考虑空间作用按平面排架计算所分配的水平荷载的比值。μ值越小，说明厂房的空间作用越大，反之则越小。根据试验及理论分析，表4.8给出了吊车荷载作用下单层、单跨厂房的μ值，可供设计时参考。

表4.8　单跨厂房空间作用分配系数μ

3.考虑厂房整体空间作用时排架内力计算步骤

对于图4.39（a）所示排架，当考虑厂房整体空间作用时，可按下述步骤计算排架内力：

（1）先假定排架柱顶无侧移，求出在吊车水平荷载Tmax作用下的柱顶反力R以及相应的柱顶剪力，如图4.39（b）所示。

（2）将柱顶反力R乘以空间作用分配系数μ，并将它反方向施加于该排架的柱顶，按剪力分配法求出各柱顶剪力，如图4.39（c）所示。

（3）将上述两项计算求得的柱顶剪力叠加，即为考虑空间作用的柱顶剪力。根据柱顶剪力及柱上实际承受的荷载，按静定悬臂柱可求出各柱的内力，如图4.39（d）所示。

图4.39　考虑空间作用时排架内力分析