单层工业厂房结构课程设计.doc

一、设计条件 1.1 工程概况某厂装配车间为一双跨钢筋混凝土厂房，跨度为24米，长度为90.48米，柱顶标高为13.5米，轨顶标高为9.8米，厂房设有天窗，采用两台20t和一台30/5t的A4工作制吊车。屋面防水层采用二毡三油，维护墙采用240mm厚的转砌体，钢门窗，混凝土地面，室内外高差为150mm，建筑剖面图详见图1. 1.2 结构设计资料 自然条件：基本风压值为0.35KN/m2，基本雪压值为0.45 KN/m2 地质条件：厂区自然地坪以下为0.8m厚填土，填土一下为3.5m厚中层中密粗砂土（地基承载力特性值为250 KN/m2），再下层为粗砂土（地基承载力特性值为350 KN/m2），地下水位在地面下2.5米，无腐蚀性。 1.3 吊车使用情况车间设有两台20t和一台30/5t的A4工作制吊车，轨顶标高为9.8米，吊车的重要参数如下表：起重吊车宽度轮距吊车总重小车重（KN）最大轮压最小轮压300/50 6.15 4.8 365117 280 65 1.4 厂房标准构件选用情况 1.4.1 屋面板 采用1.5X6m预应力钢筋混凝土屋面板，板自重标准值为1.4kN/m2。 1.4.2 天沟板 天沟板自重标准值为12.1KN/块，积水荷载以0.6KN/m计 天窗架 门窗钢筋混凝土天窗架，每根天窗架支柱传到屋架的自重荷载标准 值为27.2 1.4.3 屋架 采用预应力钢筋混凝土折线型屋架，自重标准值为106KN/榀。 1.4.4 屋架支撑 屋架支撑的自重标准值为0.05kN/m2 1.4.5 吊车梁 吊车梁为先张法预应力钢筋混凝土吊车梁，吊车梁的高度为 1200mm，自重标准值为44.2kN/根。轨道及零件重标准值为1kN/m， 轨道及垫层高度为200mm。 1.4.6 基础梁 基础梁尺寸；基础梁为梯形截面，上顶面宽300mm，下底面宽 200mm，高度450.每根重16.7KN。 1.5 材料选用 1.5.1柱 混凝土：采用40 钢筋：纵向受力钢筋采用HRB400，箍筋采用HRB335. 1.5.2 基础 混凝土：采用C40 钢筋：采用HRB335级钢。 1.5.3 屋面做法 20厚1：3水泥砂浆找平层（重力密度为20 KN/m3） 冷底子油两道隔气层0.05 KN/m2 100厚泡沫混凝土隔热层（抗压强度4MPa，重力密度5 KN/m3） 15厚1:3水泥砂浆找平层（重力密度20 KN/m3） 1.6 屋面或则在标准值的取值 1.7 相关建筑材料的基本数据 钢筋混凝土容重 水泥砂浆容重 石灰水泥混合砂浆容重 240厚双面粉刷机制砖墙重 钢门窗自重 防水层自重 0.35 KN/m2 找平层自重 图1.1 建筑剖面图二、计算简图的拟定 2.1 计算上柱高及柱全高 根据任务书的建筑剖面图： 上柱高=柱顶标高-轨顶标高+轨道构造高度+吊车梁高 =13.5-9.8+1.2+.02=5.1m 标高=吊车梁顶标高-吊车梁高=13.5-0.2-1.2=12.1m 全柱高H=柱顶标高基顶标高=13.5-（-0.5）=14.0m 下柱高=H-=14.0-5.1=8.9m = /H=5.1/14=0.364 2.2 初步拟定柱截面尺寸 根据柱的高度、吊车起重量及工作级别等条件，可拟定柱的截面尺寸，见表2.1。表2.1 柱截面尺寸及相应的计算参数排架计算单元和计算简图如下图所示。计算参数柱号截面尺寸/面积/惯性矩/自重/ A，C 上柱矩4005002.010541.71085.0 下柱 I4001000*100*150 1.980105 256.341084.95B 上柱矩5006003.0105901087.5 下柱 I5001200*100*150 2.500105 496.511086.25图2.1 计算单元和计算简图三、荷载计算 3.1 恒载 3.1.1 屋盖结构自重二毡三油防水层 0.35 KN/m2100厚泡沫混凝土隔热层 0.5 KN/m220m厚1：3水泥砂浆找平层 冷底子油两道隔气层 0.05 KN/m2预应力混凝土屋面板（涉及灌缝） 15厚1:3水泥砂浆找平层 0.3 KN/m2屋盖支撑 3.05 KN/m2G1=1.2*（3.05*6*24/2+106/2）=327.12Kn 3.1.2 柱自重A、C柱上柱 G4A= G4C =1.255.1=30.60kN 下柱 G5A= G5C =1.24.958.9=52.87kN B柱 上柱 G4B=1.27.5*5.1=27.36KN 下柱 G5B=1.26.258.9=52.87kN 3.1.3 吊车梁及轨道自重 G3=1.2*(45.5+1*6)=61.8KN 各项恒荷载作用位置如图3.1所示。图3.1 荷载作用位置图(单位:kN） 3.2 屋面活荷载标准值 屋面活荷载标准值为0.5 KN/m2，雪荷载标准值为0.45 KN/m2，后者小于前者，故仅按前者计算。作用于柱顶的屋面活荷载设计值为Q1=1.4*0.5*6*24/2=50.40KN的作用位置与作用位置相同，如图3.1所示。 3.3 风荷载 某地区的基本风压，对按柱顶标高13.5m考虑，查规范得，对按天窗檐口标高14.8m考虑，查规范得。屋顶标高15.80m考虑，查规范得。天窗标高20.12m考虑，查规范得。风载体型系数的分布如图下 图3.2 风荷载体型系数及排架计算简图则作用于排架计算简图(图3.2）上的风荷载设计值为： 3.4 吊车荷载根据B与K及支座反力影响线，可求得图3.3 吊车荷载作用下支座反力影响线3.4.1 吊车竖向荷载由公式求得吊车竖向荷载设计值为： =1.4280（1+0.267+0.8+0.067）=836.5KN3.4.2 吊车横向水平荷载作用于每一个轮子上的吊车横向水平制动力为：作用于排架柱上的吊车横向水平荷载设计值为： 其作用点到柱顶的距离 y=四、内力计算 4.1 恒载作用下排架内力分析 该厂房为两跨等高排架，可用剪力分派法进行排架内力分析。其中柱的剪力分派系数计算，见表4.1。表4.1 柱剪力分派系数柱别A、C 柱B 柱在G1作用下： 对A、C柱，已知由规范公式：2.321因此，在共同作用（即在G1作用下）柱顶不动铰支承的反力图4.1 恒载作用下排架内力图 4.2 在屋面活荷载作用下排架内力分析4.2.1 AB跨作用屋面活荷载 排架计算简图如图2.1所示，其中Q1=40.32KN，它在柱顶及变阶处引引起的力矩为： 对A柱，=2.321，=0.934 对B柱，=1.721则排架柱顶不动铰支座总反力为： 将R反向作用于排架柱顶，计算相应的柱顶剪力，并与柱顶不动铰支座反力叠加，可得屋面活荷载作用于AB跨时的柱顶剪力，即 图4.2 AB跨作用屋面活荷载时排架内力图4.2.2 BC跨作用屋面活荷载由于结构对称，且BC跨与AB跨作用的荷载相同，故只需将图4.2中个内力图的位置及方向调整一下即可，如图4.3所示。 图4.3 BC跨作用屋面活荷载时排架内力图 4.3 吊车荷载作用下排架内力分析 4.3.1 Dmax作用在A柱 A柱： B柱： 对A柱 对B柱 ( )( ) 排架各柱顶剪力分别为：( )( )( ) 排架各柱的弯矩图，轴力图和柱底剪力值如图4.4所示。 图4.4 作用A柱时排架内力图4.3.2 作用在B柱左 柱顶不动铰支座反力，及总反力分别为：( )( )( ) 各柱顶剪力分别为：( )( )( )排架各柱的弯矩图，轴力图及柱底剪力值如图4.5所示 图4.5 作用B柱左时排架内力图 4.3.3 Dmax作用在B柱右根据结构对称性及吊车吨位相等的条件，内力计算与作用于B柱左的情况相同，只需将A，C柱内力对换并改变所有弯矩及剪力符号，如图4.6所示。 图4.6 作用B柱右时排架内力图 4.3.4 作用于C柱 同理，将作用于A柱情况的A，C柱内力对换，并注意改变符号，可求得各柱的内力，如图4.7所示。 图4.7 作用C柱时排架内力图 4.3.5 Tmax作用在AB跨柱 对A柱 a=（3.8-1.2）/3.8=0.632 对A柱，则 对B柱，则 排架柱顶总反力R为： 各柱顶剪力为：Tmax作用在AB跨的M图、N图如图4.8所示。 图4.8 Tmax作用于AB跨时排架内力图4.3.6 Tmax作用在BC跨 由于结构对称及吊车吨位相等，故排架内力计算与作用AB跨情况相同，仅需将A柱与C柱的内力对换，如图4.9所示。图4.9 Tmax作用于BC跨时排架内力图 4.4 风荷载作用下排架内力分析 4.4.1 左吹风时 对A、C柱 各柱顶剪力分别为: 风从左向右吹风荷载作用下的M、N图如图 图4.10 左吹风时排架内力图 4.4.2 右吹风时 计算简图如4.11a所示。将图4.10b所示A,C柱内力图对换且改变内力符号后可得，如图4.11b所示。 图4.11 右吹风时排架内力图五、最不利荷载组合 内力组合按式（2.5.19）式（2.5.21）进行。除及相应的M和N一项外，其他三项均按式（2.5.19）和式（2.5.20）求得最不利内力值；对于及相应的M和N一项，和截面均按（）求得最不利内力值，而截面则是按式（2.5.21）即（）求得最不利内力。 对柱进行裂缝宽度验算时，内力采用标准值。表5.1 柱内力设计值汇总表柱号及正向内力荷载类别 恒载屋面活载吊车竖向荷载吊车水平荷载风荷载 AB跨 BC跨Dmax在柱Dmax在B柱左Dmax在B柱右Dmax在柱Tmax在AB跨Tmax在BC跨左风右风序号M 15.86 0.526 2.242 -57.49 -61.6 43.74 -2.66 9.11 29.6 52.99 -70.26N 331.68 40.32 0 0 0 0 0 0 0 0 0M -49.17 -12.1 2.74 123.56 -7.82 43.74 -2.66 9.11 29.6 52.99 -70.26N 391.92 50.4 0 603.5 179.26 0 0 0 0 0 0M 25.91 -4.8 9.29 -14.13 -153.33 148.5 -9.03 149.88 100.49 246.45 -354.39N 443.13 50.4 0 603.5 179.26 0 0 0 0 0 0 8.27 0.8 0.72 -15.18 -16.27 11.55 -0.71 15.47 7.79 44.57 40.2注：单位()，单位，单位。表5.2 柱内力组合表截面+Mmax及相应的N,V-Mmax及相应的N,VNmax及相应的M,VNmin及相应的M,VMK, NK备注M+0.9+0.9(+)+125.7+0.90.8(+)+0.9+-117.8+0.9+0.954.04+0.9+0.9(+)+125.2491.33N377.04331.68377.04331.68276.4M+0.9+0.8(+)+0.9+145.42+0.9+0.8(+)+0.9+-154.8+0.962.03+0.90.9(+)+-138.53N826.44566.35935.07391.92M+0.9+0.8（+）+0.9+474.21+0.9+0.8(+)+0.9+-537.1+0.913.19+0.9+0.9(+)+457.74N877.65617.56986.28443.13V58.95-53.39-5.3964.7MK341.81-380.5612.51330.04NK679.6493.87757.24369.28VK43.09-36.12-2.8747.2表5.3 B柱内力设计值汇总表柱号及正向内力荷载类别恒载屋面活载吊车竖向荷载吊车水平荷载风荷载作用在跨作用在跨作用在柱作用在B柱左作用在B柱右作用在柱作用在跨作用在BC跨左风右风 序号M 0 -7.86 7.86 54.87 105.34 -105.34 -54.87 19.29 19.29 132.54 -132.54N 654.24 50.4 50.4 0 0 0 0 0 0 0 0M 0 -7.86 7.86 -79.58 -347.29 347.2 79.58 19.29 19.29 132.54 -132.54N 774.72 50.4 50.4 179.26 603.5 603.5 179.26 0 0 0 0M 0 -8.46 8.46 51.83 -95.04 95.04 -51 .83 449.95 -449.95N 828.66 50.4 50.4 179.26 603.5 603.5 179.26 0 0 0 0 0 -0.073 0.073 14.44 27.72 -27.72 -14.44 34.88 -34.88注：单位()，单位，单位。表5.4 B柱内力组合表截面+Mmax及相应的N,V-Mmax及相应的N,VNmax及相应的M,VNmin及相应的M,VMK, NK备注M+0.9+0.9(+)+ 227.31+0.9+0.9(+)+-227.31+0.7+0.9(+) +171.29+0.90.9(+)+ 210.04N699.6699.6724.8654.24M+0.9+0.9(+) + 423.29+0.9+0.9(+)+-423.29+0.8 (+)0+0.90.9+134.91N 1308.921308.921740.32774.724M+0.9+0.8（+）+0.9+667.73+0.9+0.8(+)+0.9+-667.73+0.8 (+)0+0.9(0.9+)554.37N1437.611437.611794.26828.66V36.6-36.6046.09MK476.95-476.950395.97NK1125.511125.511380.26690.55VK26.14-26.14032.92注：单位()，单位，单位六、柱截面设计 6.1 A柱的截面设计6.1.1 柱在排架平面内的配筋计算表6.1 柱在排架平面内的计算参数截面内力组 1-1M125.24 377.59 360 397.59 1 7.6 400 0.96 1.22N331.68 3-3M474.21 540.32 860 570.32 1 9.1 900 1.05 1.12N877.65M-537.1 869.7 860 899.7 1 9.1 900 1.05 1.07N617.56注 1. 2. 截面 内力组 eO 九o e 邑 o 丘 (2 叮 M(hNm) 一1463 33 365 53 059 7800 400 0955 1896 11 N(kN) 4428 M 一7677 216 365 236 1 7800 400 0955 1341 N 35558 M 31854 679 765 706 1 19助0 800 0903 1364 33 N 4691 M 4412 468 765 461 1 9300 800 1000 1127 N 9426 3. 表6.2 柱在排架平面内的配筋计算 截面 内力组 x 偏心情况计算实配 1-1M125.24 397.59 1.22 645.1 58 198 大偏压 1070.1322（1140）N331.68 3-3M474.21 570.32 1.12 1048.8 139.7 473 大偏压 1320422（1520）N877.65M-537.1 899.7 1.07 1372.7 108 473 大偏压 1597.3522（1900）N617.56综上所述:下柱截面选用522（1900） 6.1.2 柱在排架平面外的承载力验算 上柱，Nmax =331.68kN,考虑吊车荷载时，按规范有 由规范知 下柱Nmax=877.65,当考虑吊车荷载时，按规范有 故承载力满足规定。6.1.3 裂缝宽度验算；构件受力特性系数；混凝土保护层厚度取25mm。验算过程见表6.3。相应于控制上、下柱配筋的最不利内力组合的荷载效应标准组合为：表6.3 柱的裂缝宽度验算表柱截面上柱下柱内力标准值91.33341.81276.4679.6330.45030.0140.0211.11523.4491300.523292.75704.7191.1105.73=0.610.5110.210.3 满足规定0.070.3满足规定 6.1.4 柱箍筋配置 非地震区的单层厂房柱,其箍筋数量一般由构造规定控制.根据构造规定,上、下柱均选用8200箍筋。 6.2 B柱截面设计 6.2.1上柱配筋计算由内力组合表可见，上柱截面有四组内力，取h060040560mm，附加弯矩ea=20mm（等于600300），四组内力都为大偏心，取偏心矩较大的的一组即：M=227.31 N=699.6吊车厂房排架方向上柱的计算长度 =2X3.8m=7.6m。eo=M/N=227.31/699.6=325mm,ei=e0+ea=325+20=345mm 由=7600mm/600mm=12.675，故应考虑偏心距增大系数=2.4531.0 取=1.0.=1.023,取= =1.186= ，取x=2as进行计算 选3 20 As=942mm2 则，满足规定垂直于排架方向柱的计算长度=1.25X3.8m=4.75m，则 =满足弯矩作用平面外的承载力规定。 6.2.2 下柱的配筋计算 取，与上柱分析方法类似，选择下列两组不利内力： M=667.73kN*m M=554.37kN*m N=1437.61kN N=828.66kN（1） 按M=667.73kN*m，N=1437.6kN计算下柱计算长度lo=1.0 Hc=9.1m,附加偏心距ea=1000/30=33mm(20mm)B=100mm, bf=400mm, hf=150mm Eo=M/N= 故应考虑偏心距增大系数，取2=1.0=故为大偏心受压。 x= =1238mm2（2）按M=554.37kN*m,N=828.66kN 计算方法与上述相同，计算过程从路，As=As=930mm2 综合上述计算结果，下柱截面选用4 20(As=1256mm2)6.2.3 柱裂缝宽度验算 方法同A柱，经验算表白裂缝宽度合格。6.2.4 柱箍筋配置非地震区的单层厂房柱，其箍筋数量一般由构造规定控制。根据构造规定，上下柱均选用 200箍筋。七、牛腿设计 7.1 A柱牛腿设计根据吊车梁支承位置、截面尺寸及构造规定，初步拟定牛腿尺寸，如图7.1所示。其中牛腿截面宽度=400mm，牛腿截面高度=600mm, =565mm。 图7.1 牛腿尺寸简图 7.1.1 牛腿截面高度验算 =0.65, ，(牛腿顶面无水平荷载), ，取，按下式拟定： 则： 故牛腿截面高度满足规定。 7.1.2 牛腿配筋计算由于, 因而该牛腿可按构造规定配筋。根据构造规定，实际纵向钢筋取416由于，则可以不设立弯起钢筋，箍筋按构造配置，牛腿上部 范围内水平箍筋的总截面面积不应小于承受的受拉纵筋总面积的。箍筋为8100。 7.1.3 牛腿局部承压验算设垫板尺寸为400400mm,局部压力标准值：故局部压应力满足规定。 7.2 B柱牛腿设计对于B柱牛腿根据吊车梁支承位置，截面尺寸及构造规定，初步拟定牛腿尺寸，如图7.2所示。其中牛腿截面宽度b=400mm，牛腿截面高度h=1050mm， 图7.2 牛腿尺寸简图 7.2.1 牛腿截面高度验算 其中 a=250mm+20mm=270，Ftk按下式拟定： 故牛腿截面高度满足规定 7.2.2 牛腿配筋计算As=minbh=0.0024001050=840mm2按840mm2配筋，选用4 18（As=1017mm2），水平箍筋选用8100.八、柱的吊装验算8.1 A柱的吊装验算 8.1.1 柱的吊装参数采用翻身起吊。吊点设在牛腿下部，混凝土达成设计强度后起吊。柱插入杯口深度为,取,则柱吊装时总长度为5.1+8.9+0.85=14.85m，计算简图如图8.1所示。图8.1 柱吊装计算简图 8.1.2 内力计算 柱吊装阶段的荷载为柱自重重力荷载（应考虑动力系数），即 在上述荷载作用下，柱各控制截面的弯矩为： 由得:RA=M3= RAx-令 得,则下柱段最大弯矩为： 柱截面受弯承载力及裂缝宽度验算过程见表8.1表8.1 柱吊装阶段承载力及裂缝宽度验算表 柱截面 上柱 下柱 52.49（39.25） 73.63（54.54）90.430.9X52.49=47.245560.9X73.63=66.27 133.04 48.89 0.26-0.480.2，取0.2 0.160.2 (满足规定)0.030.988.1=79.29346.70.9153.5=138.2 142.3 108.4 -0.0480.2，取0.20.1730.2取0.20.070.2(满足规定)0.0370.2（满足规定）九、基础设计 GB 500072023建筑地基基础设计规范规定，对于6m柱距的单层多跨厂房，其地基承载力特性值，吊车起重量，厂房跨度，设计等级为丙级时，可不做地基变形验算。本设计满则上述规定，故不需做地基变形计算。 基础混凝土强度等级采用C40。 9.1 A柱基础设计 9.1.1 作用与基础顶面上的荷载计算 作用于基础顶面上的荷载涉及柱底（截面）传给基础的M，N，V，以及外墙自重重力荷载。前者可由表5.2中的截面选取，见表9.1，其中内力标准组合值用于地基承载力验算，基本组合值用于受冲切承载力验算和底板配筋计算，内力的正号规定见图9.1。表9.1 基础设计的不利内力组别 荷载效应基本组合 荷载效应标准组合 第一组474.21877.6558.95314.81679.643.09 第二组 -537.1 617.56-53.39-380.36493.87-36.12 第三组 13.19 986.28-5.3912.51757.24-2.87图9.1 基础荷载示意图由图9.1可见，每个基础承受的外墙总宽度为6.0m，总高度为15.00m，墙体为240mm实心砖墙（），钢门窗（），基础梁重量为（300mm+200mm）X500mm/2=18.75KN/根。每个基础承受的由墙体传来的重力荷载为:240mm厚砖墙钢门窗 基础梁 距基础形心的偏心距为： 9.1.2基础尺寸及埋置深度 9.1.2.1 按构造规定拟定高度h柱的插入深度，取， 由杯底厚度应大于200mm，取，则 h=850mm+250mm+50mm=1150mm。基础顶面标高为-0.500m，故基础埋置深度d为： d=h+0.5m=1.15m+0.7m=1.850m杯壁厚度，取325mm，基础边沿高度取350mm，台阶高度取400mm。 9.1.2.2 拟定基础底面尺寸 取 9.1.2.3 计算基底压力及验算地基承载力 基底压力按式（2.7.3）计算，结果见表9.2；按式（2.7.8）验算地基承载力，其中1.2fa=1.2180kN/m2=216kN/m2,验算结果见表9.2。可见,基础底面尺寸满足规定。表9.2 基础底面压力计算及地基承载力验算表 类别 第一组 第二组 第三组 341.81 679.6 43.09 -380.56 493.87 -36.12 12.51 757.24 -2.891538.221352.491615.86 205.64-607.80-176.53 128.2485.39 157.2330.61130.6093.82106.8180128.221693.7180157.2216112.2180130.62169.1.3 基础高度验算这时应采用基底净反力设计值和可按式（2.7.3）计算，结果见表9.3。对于第二组内力，按式（2.7.3）计算时，故对该组内力应按式（2.7.7）计算基底净反力，即： 表9.3 基础底面净反力设计值计算表 类别 第一组 第二组 第三组 474.21 877.65 5