单层厂房承重结构与构造分析

任务情景

某厂房跨度24m，总长102m，柱顶标高9.6m。因该厂房跨度在15～36m之间，且柱顶标高大于8m，故采用钢筋混凝土排架结构。

任务分析

排架结构其跨度可超过30m，高度可达20～30m或者更高，传力明确，构造简单，施工亦较方便。排架由屋架（或屋面梁）、柱和基础组成，柱与屋架铰接，与基础刚接。是单层厂房结构的基本结构形式。

知识精讲

单层厂房主要适用于一些工厂设备或振动比较大，原材料或产品比较重的机械、冶金等重工业厂房。单层厂房的组成如图5-87所示。

图5-87 单层厂房的组成

单层工业厂房结构有哪些特点？

1.单层工业厂房是单层的。只有屋盖，没有楼盖（贴厂房的生活间等除外）。

2.单层工业厂房是服务于工业生产的建筑物。工业生产的特点如下，这些特点也决定了单厂的特点。

（1）在工业生产过程中需要考虑对重量较重、体积较大的零部件、半成品的运输起吊问题。这些问题会影响厂房的跨度、剖面、柱的形式、墙的设置等。

（2）工业厂房中往往有大型设备。它们的设置和使用，会影响厂房的高度、跨度和基础埋置深度，有时还会引起厂房的振动。

（3）工业生产有采光、通风、保温等功能需要。它使得厂房屋盖上往往要架设天窗，屋面要有保温措施，厂房四周要有足够采光面积的围护墙等。

（4）工业生产有时会产生高温，放出侵蚀性气液体等特殊问题。它们会影响结构材料的选择。

（5）工业生产工艺和技术发展快、变化大。它要求厂房能形成大空间，室内布置灵活，为厂房的扩建留有余地。

（6）工业生产往往要求迅速投产。这就要求厂房用顶制构件做成装配式或装配整体式结构，以缩短建造工期。

3.单层工业厂房是空旷型结构，室内几乎无隔墙，仅在四周设置柱和墙。柱是承受屋盖荷载、墙面风载、吊车荷载以及地震作用的主要构件。

一、单层厂房承重结构的类型

1.结构组成

结构支承方式基本上可分为承重墙结构与骨架结构两类。仅当厂房跨度、高度、吊车荷载较小及地震烈度较低时才用承重墙结构；当厂房的跨度、高度、吊车荷载较大及地震烈度较高时，广泛采用骨架承重结构。骨架结构由柱基础、柱子、梁、屋架等组成，以承受各种荷载，这时，墙体在厂房中只起围护或分隔作用。骨架结构按材料可分为砖石混合结构、钢筋混凝土结构、钢结构。选择时应根据厂房的用途、规模、生产工艺、起重运输设备、施工条件和材料供应情况等因素综合分析确定。

（1）砖石混合结构。它由砖柱和钢筋混凝土屋架或屋面大梁组成，也有砖柱和木屋架，或轻钢组合屋架组成的。

混合结构构造简单，但承载能力及抗地震和振动性能较差，故仅用于吊车起吊不超过5t、跨度不大于15m的小型厂房。

（2）装配式钢筋混凝土结构。这种结构坚固耐久，可预制装配。与钢结构相比，这种结构可节约钢材，造价较低，故在国内外的单层厂房中广泛应用。但其自重大，抗地震性能不如钢结构。

（3）钢结构。它的主要承重构件全部用钢材做成。这种结构抗地震和振动性能好，构件较轻（与钢筋混凝土比），施工速度快。除用于吊车荷载重、高温或振动大的车间以外，对于要求建设速度快、早投产早受益的工业厂房，也可采用钢结构。目前，随着我国钢产量的稳步增长，采用钢结构的厂房越来越多，尤其是国家重点建设项目和合资项目等。但钢结构易锈蚀，耐火性能差，使用时应采取相应的防护措施。

单层厂房承重结构除上述结构类型外，屋顶结构尚可用折板、天体及网架等空间结构。它们的共同优点是传力受力合理，能较充分地发挥材料的力学性能，空间刚度好，抗震性能较强。其缺点是施工复杂，现场作业量大，工期长。

此外还有门架、T形板等结构。门架相当于柱子与梁结合的构件。T形板用作垂直承重时相当于墙柱结合构件，用作屋顶时相当于梁板结合构件。它们的共同特点是构件类型少，省材料。目前在我国采用者均为较小型的厂房，有的正积极试点、总结、推广。

2.结构体系

单层厂房的结构形式，主要有排架结构和刚架结构两种。

（1）排架结构

这是广泛采用的一种形式。排架结构是由柱子、基础、屋架（屋面梁）构成的一种骨架体系。它的基本特点是柱子、基础、屋架（房面梁）均是独立构件。在连接方式上，屋架（屋面梁）与柱子的连接一般为铰接，柱子与基础的连接一般为刚接，如图5-88所示。

排架和排架之间，通过吊车梁、连系梁（墙梁或圈梁）、屋面板等构成支承系统，其作用是保证排架的横向稳定性。

（2）刚架结构

这种做法是将屋架（屋面梁）与柱子合并成为一个构件。柱子与屋架（屋面梁）连接处一般为一整体刚性节点，柱子与基础的连接节点一般为铰接节点，如图5-89所示。

图5-88 排架结构

图5- 89 刚架结构

3.荷载传递

单层工业厂房中的荷载，可以分为动荷载和静荷载两大类。动荷载主要由吊车运行时的启动和制动力构成，此外还有地震荷载、风荷载等。静荷载一般包括建筑物的自重、吊车的自重、雪荷载、积灰荷载等。上述荷载的传递路线可以分为：竖向荷载、横向水平荷载、纵向水平荷载三部分。

二、单层厂房的承重构件

1.基础与基础梁

（1）基础

基础承担作用在柱子上的全部荷载及基础梁上部分墙体荷载，并传给地基，具有承上传下的作用，是工业厂房中重要构件之一。单层厂房通常采用独立基础，根据施工工艺可分为现浇柱下独立基础和预制柱下杯形基础。

1）现浇柱下独立基础

基础与柱均为现场捣制，施工时应在基础顶面伸出柱子预留筋，以与柱子连接插筋的数量和柱中纵向受力筋相同，预留筋伸出长度根据柱的受力情况、钢筋规格及接头方式等来确定。其构造尺寸如图5-90所示。

2）预制柱下杯形基础

预制柱下杯形基础是在基础顶部做成杯口，钢筋混凝土预制柱插入并嵌固在杯口中。为便于安装，杯口尺寸应大于柱子截面尺寸，杯壁与柱壁之间应留有空隙，基础底面尺寸及配筋经计算确定；柱吊装插入后，用C20细石混凝土灌缝。其构造尺寸如图5-91所示。

图5-90 现浇柱下独立基础

图5-91 预制柱下杯形基础

（2）基础梁

基础梁简单说就是在地基土层上的梁。基础梁一般用于框架结构、框架剪力墙结构，框架柱落于基础梁上或基础梁交叉点上，其主要作用是作为上部建筑的基础，将上部荷载传递到地基上。基础梁是指直接以垫层顶为底模板的梁。

在工业厂房中，一般都以柱作为主要的承重构件，基础梁（在建筑图纸中符号为JL）作为基础的一部分，主要起到柱子间连接的作用，使基础形成较稳定的结构，也部分起抗弯和抗剪的作用，当独立柱之间不均匀沉降时会起到抗剪的作用。一般基础梁的截面较大，截面高度一般建议取1/4～1/6跨距，这样基础梁的刚度很大，可以起到基础梁的效果，其配筋由计算确定。

基础梁顶高比室内地面低50～100mm，以便门洞口处的地面做面层保护基础梁；同时也应比室外地面高100～150mm，以利于墙身防潮并做散水。基础梁下面的回填土一般不需夯实，应留有不小于100mm的空隙，以利于基础梁随柱基础一起沉降，并避免在寒冷地区土壤冻胀引起基础梁反拱开裂。寒冷地区基础梁处的热桥效应会散失室内热量并影响使用，为此应在基础梁下面及两侧铺设松散材料。

2.柱

柱是厂房结构中主要的承重构件，承受屋盖和吊车传来的竖向荷载、风荷载及吊车启动、制动产生的水平荷载等。柱子按材料可分为钢筋混凝土柱和钢柱两种类型，一般单层工业厂房多采用钢筋混凝土柱。

图5-92 基础梁与基础的连接

（1）柱的截面形式

钢筋混凝土柱分为单肢柱和双肢柱两大类，单肢柱的截面形状有矩形、工字形和圆柱等，双肢柱的截面形状有平腹杆、斜腹秆和双肢管柱等，如图5-93所示。

图5-93 柱的截面形式

1）矩形柱：构造简单、施工方便，常用于无吊车或吊车荷载较小的厂房中。

2）工字形柱：同矩形柱相比，节约材料30％～40％，施工简单，是目前运用较广的形式，适应于吊车起重不大于300k N的厂房。

3）双肢柱：由两根承受轴向力的肢杆和联系两肢杆的腹杆组成。腹杆分为水平和倾斜的两种，适用于高度高、吊车吨位大的厂房。

（2）抗风柱

单层厂房的山墙，由于面积大，所受到的风荷载也很大，因此要在山墙处设置抗风柱来承受风荷载。抗风柱把一部分风荷载传给柱基础，另一部分传给屋架，通过屋盖系统传到厂房纵向柱列上去。抗风柱与屋架的连接一般采用弹簧板做成柔性连接，以确保既能有效地传递水平方向的风荷载，又允许屋架和抗风柱因下沉不均匀而在竖向有相对位移。

3.屋盖

屋盖的主要作用是围护和承重，它包括两部分：一是覆盖构件，如屋面板或檩条、瓦等；二是承重构件，如屋架和屋面梁。根据其构件布置方式的不同，屋顶结构可分为无檩结构和有檩结构两种，如图5-94所示。无檩结构的屋顶是将屋面板直接搁置在屋架或屋面梁上，这种结构屋面较重，刚度大，多用于大中型厂房。有檩结构的屋顶中，屋面一般采用瓦材（如槽瓦和石棉瓦等），屋架上先设置檩条，再在檩条上搁置瓦材。这种结构的屋顶，屋面重量小，省材料，但屋面刚度差，一般只用于中小型的厂房中。

图5-94 屋盖结构形式

4. 吊车梁、连系梁、圈梁和支撑

1）吊车梁

吊车梁应满足强度、抗裂度、刚度、疲劳强度的要求。吊车梁按截面形式分，有等截面T形、工字形吊车梁及变截面的鱼腹式吊车梁等，如图5-95所示。

图5-95 吊车梁形式

吊车梁上翼缘与柱间用钢板或角钢焊接；吊车梁底部安装前应焊接上一块垫板与柱牛腿顶面预埋钢板焊接牢；吊车梁的对接头以及吊车梁与柱之间的缝隙用C20混凝土填实。

吊车梁与吊车轨道的连接如图5-96所示，为防止吊车在行驶中与山墙冲撞，在吊车梁的尽端应设车挡，如图5-97所示。

图5-96 吊车梁与轨道的连接

图5-97 车挡构造(www.xing528.com)

2）连系梁

连系梁分为承重和非承重两种，其位置有设在墙内和不在墙内的两种，前者也称墙梁。连系梁与柱的连接如图5-98所示。

图5-98 连系梁与柱的连接

3）圈梁

圈梁有预制和现浇两种，圈梁与柱的连接构造如图5-99所示。

图5-99 圈梁与柱子的连接

4）支撑

在装配式单层厂房结构中，支撑的主要作用是保证厂房结构和构件的承载力、稳定性和刚度，并传递部分水平荷载。厂房的支撑必须按结构要求合理布置。支撑有屋盖支撑和柱间支撑两种。

三、单层厂房的围护构件

1.外墙

单层厂房的外墙依据结构形式可分为承重和非承重两种。当单层厂房为墙承重结构时，外墙为承重墙，直接承担屋盖和起重运输设备等荷载；当单层厂房为骨架承重结构时，外墙为非承重墙，不承受荷载只起维护作用。单层厂房外墙的高度与跨度都比较大，又要承受较大的风荷载，还要受到生产及运输设备振动的影响，因此要求外墙具有足够的刚度和稳定性。厂房外墙常采用砖砌或预制的大型墙板，也可只设置开敞式的挡雨板，做成不封闭外墙。外墙与柱子的连接如图5-100所示。

图5-100 外墙与柱子连接

1）墙板布置

墙板在墙面上的布置，广泛采用的是横向布置方式，其次是混合布置方式，竖向布置采用较少。

2）墙板连接

板柱连接应安全可靠，便于制作、安装和抢修，一般分柔性连接和刚性连接两类。

2.侧窗与大门

（1）单层工业厂房侧窗

工业厂房的通风、采光应以侧窗为主，以天窗为辅。因为侧窗可获得较大面积，构造简单，施工方便，造价较低。工业厂房侧窗与民用建筑侧窗的开启方式及构造形式基本相同，主要区别是工业厂房侧窗面积大，因而对其整体刚度应有可靠的构造保证。侧窗在外墙上的位置应有利于采光和兼顾墙梁的最佳标高。侧窗根据生产性质的特点应分别满足防水、防爆、恒温、防风沙和防阳光直射等要求。

（2）大门

工业厂房大门主要是供日常车辆和人通行，并供紧急情况疏散之用。因此，门的尺寸应根据所需运输工具类型、规格、运输货物的外形并考虑通行方便等因素来确定。一般门的宽度应比满装货物时的车辆宽600～1000mm，高度应高出400～600mm。车间大门的类型较多，这是由车间性质、运输、材料及构造等因素所决定的。按开启方式，可分为平开门、推拉门、折叠门、升降门、上翻门和卷帘门等。

3.屋面

单层厂房的屋面与民用建筑屋面的作用、要求和构造基本相同，但也存在许多差异，如：单层厂房的屋面面积大，且其屋面构造较复杂；屋面板通常采用装配式，接缝多，且厂房屋面要受到温差、吊车的冲击荷载和机械振动的影响，易产生变形，致使屋面接缝处极易开裂引起渗水。因此，单层厂房的屋面主要的问题仍然是排水和防水，另外还应具有一定的保温、隔热性能，对于一些有特殊需要的厂房屋面，有时还要考虑防爆、泄压和防腐蚀等方面的问题。

屋面排水方式分为无组织排水和有组织排水两类。无组织排水适用于年降雨量小于900mm、檐口高度小于10m的单跨厂房、多跨厂房的边跨、工艺上有特殊要求的厂房（如冶炼车间）、积灰较多的车间和具有腐蚀性介质作用的铜冶炼车间；有组织排水除与民用建筑相似的内排水、檐沟（天沟）外排水外，还有内落外排水和长天沟外排水等形式。

屋面防水按其材料和构造做法可分为柔性防水屋面、刚性防水屋面和构件自防水屋面。

4.天窗

（1）矩形天窗

矩形天窗沿厂房纵向布置，为简化构造并留出屋面检修和消防通道，在厂房两端和横向变形缝的第一柱间通常不设天窗。在每段天窗的端壁应设置天窗屋面的消防检修梯。

矩形天窗主要由天窗架、天窗屋顶、天窗端壁、天窗侧板及天窗扇等组成，如图5-101所示。

1）天窗架

天窗架直接承受天窗屋面上的全部荷载。天窗架有钢筋混凝土天窗架和钢天窗架两种。天窗架的跨度为厂房跨度的1/3～1/2，高度为天窗架跨度的0.3～0.5倍。常用天窗架的形式如图5-102所示。

图5-101 矩形天窗构造组成

图5-102 天窗架形式

2）天窗扇

钢天窗扇在厂房天窗中应用最广，也有用木材、塑料等材料。天窗的开启方式有上悬式和中悬式两种。为便于开启，宜使用上悬窗。上悬钢天窗扇由开启扇和固定扇等若干单元组成。可以布置成通长窗扇和分段窗扇。

3）天窗侧板

为防止雨水溅入车间和防止积雪遮挡天窗扇，在天窗扇下部设置天窗侧板。天窗侧板多采用钢筋混凝土槽形板或石棉水泥波瓦等轻质小板。

4）天窗屋顶及檐口

天窗屋顶的构造与厂房屋顶构造相同。由于天窗宽度及高度较小，天窗檐口多采用带挑横的屋面板，挑出长度为300～500mm。

5）天窗端壁

天窗两端的山墙称为天窗端壁。天窗端壁常用预制钢筋混凝土端壁和石棉瓦端壁。预制钢筋混凝土端壁可根据其跨度用2～3块板拼接而成。

（2）下沉式天窗

下沉式天窗是在一个柱距内，将一定跨度内的屋面板下沉，铺在屋架的下弦上，利用上下屋面板之间的高差作为采光和通风口。井式天窗的布置形式有单侧布置、两侧布置和跨中布置等，如图5-103所示。

图5-103 井式天窗布置形式

井式天窗一般由井底板、井底檩条、井口空格板、挡雨设施、挡风墙及排水设施等组成，如图5-104所示。

图5-104 边井式天窗构造组成

（3）平天窗

平天窗有采光板、采光罩、采光带三种。

采光板是在屋面板的孔洞上安装平板透光材料，有小孔采光板和大孔采光板。采光罩同样在屋盖上开孔，装设弧形透光材料而成，采光带是将一部分屋面板空出来，铺上采光材料做成条形的纵向或横向采光带。

平天窗的一般构造是在采光口周围做150～250mm高的井壁，并做泛水，井壁上安放采光材料。

四、地面及其他构造

1.地面

（1）地面的特点及要求

厂房地面较民用建筑地面具有面积大、承受的荷载大且复杂、耗材多、造价所占比例大等特点。此外，为满足生产上的需要，还要采取一定的构造措施。如生产中有爆炸危险的车间，地面应满足防爆要求；精密仪器仪表车间，地面应满足防尘要求；有化学腐蚀的车间，应满足防腐蚀的要求；常有水的地面，则应设置排水坡度等。因此，厂房地面应依据生产上的具体情况，正确、合理地选择地面材料和构造措施，在满足生产使用的同时，力求做到坚固、耐用、经济。

（2）地面的组成

工业厂房地面构造与民用建筑的地面构造基本相似，一般由面层、垫层和基层（或地基）组成。当有特殊使用要求时，可相应增设找平层、结合层、防水层、保温层和隔声层等。

（3）地面的类型

在实践中，地面类型多按构造特点和面层材料来分，可分为单层整体地面（如矿渣和素土地面等）、多层整体地面（如水磨石和混凝土地面等）及块料地面（如陶板和石板地面）等。

2.设施

（1）金属梯

在厂房中，出于生产操作和检修要求，需设置各种金属梯，主要包括作业平台钢梯、吊车钢梯、屋面检修梯及消防梯等金属梯。

（2）吊车走道板

吊车走道板又称安全走道板，是为维修吊车而沿吊车梁顶设置的安全通道。

（3）隔断

在厂房中，出于生产、管理、安全、卫生等要求，需将厂房内部分隔成不同的生产工段或办公室、工具管理室和临时仓库等辅助用房，这种起分隔作用的构件即为隔断。

课堂提问

1.排架结构单层工业厂房主要由哪些结构构件组成？

2.单层工业厂房基础有哪些类型？

3.柱子在构造上有哪些要求？为什么单层厂房在山墙处要设抗风柱？

4.屋盖结构是由哪两大部分组成的？

5.单层厂房为什么要设天窗，天窗包括哪些形式？