合并后平面排架柱的惯性矩应按合并考虑。图中排架柱的高度由基础顶面算至柱顶，其中，Hu表示上柱高度，Hl表示下柱高度。排架柱的计算轴线均取上、下柱截面的形心线。当柱为变截面柱时，排架柱的计算轴线呈折线形，如图3-33b所示。......
2023-08-30
混凝土结构设计中的排架荷载计算
【摘要】：对两跨排架，考虑活荷载出现的可能性，屋面每跨在均布活荷载作用下的计算简图如图3-35所示。4）起重机荷载使吊车梁产生扭矩，因此，要计算扭矩并进行扭曲截面承载力验算。图3-36 起重机竖向荷载计算简图起重机竖向荷载
1.恒荷载
（1）屋盖自重G1 屋盖自重包括屋架或屋面梁、屋面板、天沟板、天窗架、屋面构造层（找平层、保温层、防水层等）以及屋盖支撑等重力荷载。计算单元范围内屋架的总自重通过屋架或屋面梁的端部以竖向集中力G1的形式传至柱顶，其作用点位置视实际连接情况而定。当采用屋架时，竖向集中力作用点通过屋架上、下弦几何中心线的交点而作用于柱顶（见图3-34a）；当采用屋面梁时，可以认为通过梁端垫板中心线作用于柱顶（见图3-34b）。根据屋架（或屋面梁）与柱顶连接中的定性设计构造规定，屋盖自重G1的作用点位于距厂房纵向定位轴线150mm处。由图3-34c可见，G1对上柱截面几何中心存在偏心距e1，对下柱截面几何中心又增加一偏心距e0。
（2）悬挂自重G2 当设有连系梁支撑围护墙体时，排架柱承受着计算单元范围内连系梁、墙体和窗等重力荷载，它以竖向集中力G2的形式作用在支撑连系梁的柱牛腿顶面，其作用点通过连系梁或墙体截面的形心轴，距下柱截面几何中心的距离为e2，如图3-34c所示。
（3）吊车梁和轨道及连接件自重G3 吊车梁和轨道及连接件自重G3可从有关标准图集中直接查得，其中轨道及连接构件重力荷载也可按0.8～1.0kN/m估算。它以竖向集中力的形式沿吊车梁截面中心线作用在柱牛腿顶面，起作用点一般距纵向定位轴线750mm，它对下柱截面几何中心的偏心距为e3，如图3-34c所示。
（4）柱自重G4（G5） 上、下柱自重重力荷载G4和G5分别作用于各自截面的几何中心线上，且上柱自重G4对下柱截面几何中心线有一偏心距e0，如图3-34c所示。
各种恒荷载作用下某单跨横向排架结构的计算简图如图3-34d示。
2.屋面活荷载
（1）屋面均布活荷载 《建筑结构荷载规范》规定，屋面水平投影上的屋面均布活载标准值，按下列情况取值：不上人屋面为0.5kN/mm2；上人屋面为2.0kN/mm2；对不上人屋面，当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用。
图3-34 恒荷载作用位置及相应的排架计算简图
（2）屋面雪荷载 《建筑结构荷载规范》规定，屋面水平投影上的雪荷载标准值sk按下式计算
sk=μrs0 （3-4）
式中 μr——屋面积雪分布系数，可根据不同的屋面形式，由《建筑结构荷载规范》查取。
s0——基本雪压（kN/m2），系以当地一般空旷平坦地面上概率统计所得50年一遇最大积雪的自重确定，可由《建筑结构荷载规范》中的“全国基本雪压分布图”确定；
（3）屋面积灰荷载 对设计生产中有大量排灰的厂房或厂房临近此类建筑时，应考虑屋面积灰荷载的影响。对具有一定除尘设备和保证清灰制度的机械、冶金、水泥等的厂房屋面，其水平投影面上的屋面积灰荷载应按《建筑结构荷载规范》中的有关规定采用。对屋面上易形成积灰处，在设计屋面板、檩条时，积灰荷载标准值应乘以下列增大系数；在高低跨处两倍于屋面高差但不大于6.0m的分布宽度内取2.0；在天沟处不大于3.0m的分布宽度内取1.4。
考虑到上述屋面荷载同时出现的可能性，《建筑结构荷载规范》规定：屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，取两者中的较大值；当有屋面积灰荷载时，积灰荷载应与雪荷载或不上人屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。
上述三种屋面活荷载均以竖向集中力的形式作用于柱顶。作用点与屋盖自重G1相同。当为多跨厂房时，应考虑屋面均布活荷载的不利布置。对两跨排架，考虑活荷载出现的可能性，屋面每跨在均布活荷载作用下的计算简图如图3-35所示。
3.起重机荷载
（1）起重机荷载的特点 根据起重机在使用期内要求的总工作循环次数和荷载状态，可将起重机分为8个工作级别，作为起重机设计的依据。起重机工作级别越高，表示其工作繁重程度越高，利用次数越多。起重机荷载的主要特点如下：
图3-35 屋面活荷载作用下排架计算简图
a）活荷载作用于左跨 b）活荷载作用于右跨
1）起重机荷载是两组移动的集中荷载，包括吊车的竖向轮压和横向水平制动力。因此，需要利用影响线原理求出任一指定截面的最大内力，并分别进行这两组移动荷载作用下的正截面受弯和斜截面受剪承载力计算。
2）起重机荷载具有冲击和振动作用，因此在设计吊车梁时，相应的荷载要乘以动力系数μ：A1～A5级起重机，取μ=1.05；A6～A8级起重机、硬钩式起重机、特种（如磁力）起重机，μ=1.1。
3）起重机荷载是重复荷载，因此，要对吊车梁的相应截面进行疲劳强度验算。
4）起重机荷载使吊车梁产生扭矩，因此，要计算扭矩并进行扭曲截面承载力验算。
（2）起重机竖向荷载 起重机竖向荷载是指起重机在运行时起重机轮压Pmax和Pmin在厂房横向排架柱上产生的竖向最大压力Dmax和最小压力Dmin，即排架柱每侧吊车梁的最大或最小支座反力之和。其中，Pmax表示小车吊有额定的最大起重量运行至大车一侧的极限位置时，小车所在一侧的每个大车轮压，即最大轮压；Pmin表示另一侧吊车的每个轮压，即最小轮压。Pmax和Pmin可从起重机制造厂家提供的起重机产品说明书中查得。常用规格起重机可参见附表G。
Pmax和Pmin与起重机桥架重量G、起重机的额定起重量Q以及小车重量Q1三者的重力荷载满足下列平衡关系
n（Pmax+Pmin）=G+Q+Q1 （3-5）
式中 n——起重机每一侧的轮子数。
Dmax和Dmin不仅与小车的位置有关，还与厂房内的起重机台数和大车沿厂房纵向运行的位置有关。因为起重机荷载是移动荷载，故需要用吊车梁的支座反力影响线计算起重机轮压在排架柱上产生的最大或最小支座反力Dmax、Dmin。
由影响线原理可知，对两台并行起重机，当其中一台的最大轮压P1max（P1max≥P2max）正好运行至计算排架柱轴线处，而另一台起重机与它紧靠并行时，即为两台起重机的最不利轮压位置，如图3-36所示。Dmax和Dmin的标准值可按下式计算
Dmax=∑Pimaxyi （3-6）
Dmin=∑Piminyi （3-7）
式中 Pimax、Pimin——第i台吊车的最大轮压和最小轮压；
yi——与吊车轮压相对应的支座反力影响线的竖向坐标值。
图3-36 起重机竖向荷载计算简图
起重机竖向荷载Dmax和Dmin不分别作用在同一跨两侧排架柱的牛腿顶面，作用点位置与吊车梁和轨道自重G3相同，距下柱截面形心的偏心距为e3或e3′。对有起重机的两跨等高排架结构，起重机竖向荷载作用下的计算简图如图3-37a所示。
《建筑结构荷载规范》规定：当考虑多台起重机竖向荷载时，对单跨厂房的每个排架，参与组合的起重机台数不宜多于2台；对多跨厂房的每个排架，不宜多于4台。此外，《建筑结构荷载规范》还规定：当计算吊车梁及其连接的强度时，起重机竖向荷载应乘以动力系数。对悬挂式起重机（包括电动葫芦）及工作级别为A1～A5的软钩式起重机，动力系数可取为1.05；对工作级别为A6～A8的软钩起重机、硬钩起重机和其他特种起重机，动力系数可取为1.1。
（3）起重机横向水平荷载 起重机横向水平荷载是指吊有重物的小车，在起动或制动时，小车和重物自重的水平惯性力，其值为运行重量与运行加速度的乘积。起重机总的横向水平荷载可按下式取值
T=α（Q+Q1）g （3-8）
式中 Q——起重机的额定起重量；
Q1——小车重量；
g——横向水平荷载系数（或称小车制动力系数），可按下列规定取值：软钩吊车，当额定起重量不大于10t时，应取0.12，当额定起重量为10～15t时，应取0.10，当额定起重量不小于75t时，应取0.08。硬钩吊车，取0.20。
图3-37 起重机竖向荷载作用下排架计算简图
a）起重机竖向荷载作用 b）起重机横向水平荷载作用
考虑到起重机轮作用在轨道上的竖向压力很大，所产生的摩擦力足以传递小车制动时产生的制动力，故起重机横向水平荷载应该按两侧柱的侧移刚度大小分配。为简化计算，《建筑结构荷载规范》规定：起重机横向水平荷载应等分于桥架的两端，分别由轨道上的车轮平均传至轨道，其方向与轨道垂直。对于一般四轮桥式起重机，大车每一轮子传递给吊车梁的横向水平制动力T为
作用在排架柱上的Tmax是每个大车轮子的横向水平荷载T通过吊车梁传给柱的可能的最大横向反力。与Dmax（或Dmin）类似，Tmax值的大小也与起重机台数和起重机运行的位置有关。按照计算起重机竖向荷载相同的方法，可求得作用在排架柱上的最大横向反力Tmax。对两台并行起重机，最大横向反力Tmax标准值按下式计算
Tmax=∑Tiyi （3-10）
式中 Ti——第i个大车轮子的横向水平制动力；
其余符号意义同前。
《建筑结构荷载规范》规定：考虑多台起重机水平荷载时，对单跨或多跨厂房的每个排架，参与组合的起重机台数不应多于2台。
起重机横向水平荷载以集中力的形式作用在吊车梁顶面标高处。考虑到正反两个方向的刹车情况，其作用方向向左、向右均可。对于两跨排架结构，其计算简图如图3-37b所示。
（4）起重机纵向水平荷载 起重机纵向水平荷载是指当起重机沿厂房纵向起动或制动时，由起重机自重和吊重的惯性力在纵向排架上所产生的水平制动力。它通过起重机两端的制动轮与起重机轨道的摩擦经吊车梁传给纵向柱列或柱间支撑。
起重机纵向水平荷载标准值T0，按作用在一边轨道上所有刹车轮的最大轮压之和的10%采用，即
式中 n——施加在一边轨道上所有刹车轮数之和，对于一般的四轮起重机，n取1。
起重机纵向水平荷载的作用点位于刹车轮与轨道的接触点，其方向与轨道一致。当厂房纵向有柱间支撑时，全部起重机纵向水平荷载由柱间支撑承受；当厂房无柱间支撑时，全部起重机纵向水平荷载由同一伸缩缝区段内的全部柱承担，并按各柱沿厂房纵向的抗侧刚度比例分配给各柱。
《建筑结构荷载规范》规定：无论单跨或多跨厂房，在计算起重机纵向水平荷载时，一侧的整个纵向排架上最多只能考虑两台起重机。
4.风荷载
作用在排架上的风荷载，其作用方向垂直于建筑物表面，有压力和吸力两种情况，其大小与建筑体型、尺寸及地面情况等因素有关。由于风的方向是变化的，故进行排架结构内力分析时，应考虑左吹风和右吹风两种情况。
《建筑结构荷载规范》规定，当计算主要承重结构时，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值ωk按下式计算
ωk=βzμzμsω0 （3-12）
式中 ω0——基本风压值（kN/m2），是以当地比较空旷平坦地面上离地10m高处统计所得的50年一遇10min平均最大风速为标准确定的风压值，可由《建筑结构荷载规范》查得；
βz——高度z处的风振系数，对于高度小于30m的单层厂房取βz=10；
μz——风压高度变化系数，根据所在地区的地面粗糙程度类别和离地面的高度由附表H-1查得；
μs——风荷载体型系数，与厂房的外表体型和尺寸有关，可根据建筑体型由附表H-2查得，其中正号表示压力，负号表示吸力。
为简化计算，通常将作用在厂房上的风荷载作如下简化：
1）排架柱顶以下墙面上的水平风荷载近似按均布荷载计算，其风压高度变化系数可根据柱顶标高确定。对于图3-38a所示排架结构，排架柱顶以下墙面上的均布风荷载可按下列公式计算
q1=ωk1B=μs1μzω0B
q2=ωk2B=μs2μzω0B
式中 B——计算单元宽度。
2）排架柱顶以上屋盖部分的风荷载仍取为垂直于屋面均布荷载（见图3-38b），但仅考虑其水平分力对排架的作用（见图3-38d），且以水平集中荷载的形式作用在排架柱顶（见图3-38c）。当计算屋架（或天窗架）端部的风荷载时，风压高度变化系数可根据厂房（或天窗架）檐口标高确定；当计算屋架（或天窗架）斜面上的风荷载时，风压高度系数可根据屋顶（或天窗顶）标高确定。对于图3-38a所示排架结构，作用在柱顶的水平集中荷载Fw计算如下
式中 l——屋面斜长，其余符号意义如图3-38所示。
图3-38 风荷载计算示意图
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