机械厂的金工车间结构设计计算书.doc

一 设计资料 1设计课题 某机械厂的金工车间结构设计 2工程概况 1、根据工艺设计要求，金工车间为两跨单层工业厂房跨度（3024）m，总长72 m，车间建筑面积3888平方米（生产辅助用房，另行设计）柱距6 m，厂房平面与横剖面图分别见任务书中图1与图2。 2、厂房每跨各设有两台20050 kN工作级别为A 5的吊车 3、建筑地点经地基勘探，持力层为粉质粘土，假设修正以后的地基土承载力特征值=240 。 4、该地区基本风压=0.4 kN/m，A类地面。5、基本雪压=0.4 kN/m。6、该地区不属于地震设防区。 7、本车间附近，无大量排灰来源 8、查全国建筑通用建筑标准设计图集结构构件设计选用手册得厂房中选用标准构件如下： 1）屋面板： 三毡四油防水层 0.4 20 mm厚水泥砂浆找平层 0.4 100 mm厚珍珠岩砼保温层 1.1 20 mm厚水泥砂浆找平层 0.4 外恒载标准值： 2.3 雪荷载=0.4 活荷载=0.7 活荷载标准值取值：0.7 屋面板选用：1.5 m 6 m预应力钢筋砼屋面板（卷材防水）G410（一），型号：YWB-3，构件自重（包括灌缝）：1.4 。 2）屋架： 屋面板以上恒载标准值 = 2.3 屋面板自重（包括灌缝）= 1.4 外恒载标准值：3.7 活荷载标准值取值：0.7 屋架选用：30米跨预应力钢筋砼折线型屋架G415（一），型号：YWJA182D，自重：168 kN/榀；24米跨预应力钢筋砼折线型屋架G415（三），型号：YWJA242C，自重：109 kN/榀。注：屋架自重包括屋盖支撑系统自重 3）吊车梁：先张法预应力钢筋砼吊车梁，G425，YXDL66，2台20050 kN吊车（A5级）；自重：44.2 kN根，梁高1200 mm，=340 mm 4）吊车轨道连接：G325，DGL14，自重：0.808 kNm，高度：170 mm 5）钢筋砼基础梁：G320，JL22，自重：23.4 kN根，梯形截面：上、下底宽分别为400 mm与300 mm，高为450 mm 6）钢筋砼连系梁：G321，LL7，自重：19.3 kN根，截面：370490 mm 7）钢筋砼圈梁：截面：宽370 mm，高180 mm。 9、吊车的选用见本课程设计任务书。10、有关荷载参数 轨道中心到柱定位轴线的距离为750 mm，屋架荷载到柱定位轴线的距离为150 mm。由建筑结构荷载规范（GB500092001）查得：墙重19，窗重0.45，风荷载组合值系数为0.6，其他荷载组合值系数为0.7。 11、材料 砼：柱C25；基础，C15 钢筋：柱纵向受力筋及牛腿受力筋采用HRB335级钢筋，柱箍筋与基础钢筋采用HPB235级钢筋 12、相关规范 1）建筑结构荷载规范（GB500092001） 2）混凝土结构设计规范（GB500102002） 3）建筑地基基础设计规范（GB500072002） 4）建筑结构制图标准（GB/T501052001） 二计算简图（1） 本车间为某机械厂的金工车间，工艺无特殊要求，结构布置均匀，荷载分布均匀，故可从整个厂房中选择有代表性的排架作为计算单元，如图1所示，计算单元宽度为B=6.0 m。根据建筑剖面及其构造，确定厂房计算简图如图2所示，其中上柱高=3.6 m，下柱高=9.5 m，柱总高=13.10 m。（2） 柱截面几何参数见表1。表1 柱截面几何参数柱列上柱下柱A4004001.6102.13104008001001501.875101.93410B4006002.4107.21040010001001501.975102.47610C4004001.6102.13104008001001501.875101.93410 图1 计算单元 图2 厂房计算简图 三荷载计算1. 恒载（1） 屋盖结构自重20mm厚砂浆找平层 1.2200.02kPa=0.48 kPa100mm厚珍珠岩混凝土隔热层 1.2 11 0.1 kPa=1.32 kPa20mm厚水泥砂浆找平层 1.2 0.02 20 kPa=0.48 kPa三毡四油防水层1.2 0.4 kPa=0.48kPa1.5m6.0m屋面板 1.2 （1.3+0.1）kPa=1.68 kPa 屋面恒载 4.44kPa屋架自重YWJA-18-2D AB跨 1.2 168kN=201.6 kN/榀BC跨选用YWJA-24-2C BC跨 1.2 109kN=130.8 kN/榀 故 作用于AB跨两端柱顶的屋盖结构自重为 =（0.5 201.6+0.5 6 30 4.44）kN=500.4kN 作用于BC跨两端柱顶的屋盖结构自重为 =（0.5 130.8+0.5 6 24 4.44）kN=385.08kN（2） 悬墙自重=1.219.3+4.21.80.45+(6-4.2) 1.80.3719+(3.6-1.8-0.49) 60.3719 =120.88 kN（3） 柱自重边柱A： 上柱=0.16m =1.20.163.625kN=17.28kN 下柱=0. 1875 m， =1.2 0.1875 9.525 kN=53.44kN中柱B： 上柱=0.24 m， =1.2 0.24 3.6 25 kN=25.92kN 下柱=0.1975 m， =1.2 0.1975 9.525 kN=56.29 kN边柱C： 同边柱A一样。（4） 吊车梁及轨道自重AB跨： =1.2 （44.2+6 0.808）kN=58.86 kNBC跨： =1.2 （44.2+6 0.808）kN=58.86 kN各恒载作用位置如图3所示。 图3 荷载作用位置2屋面活荷载由荷载规范查得，屋面活荷载的标准值为0.5kPa（可作0.2kPa的增减），本课程设计中取活荷载的标准值0.7kPa，雪荷载的标准值为0.4kPa，故仅按屋面活荷载计算。 AB跨：=（1.40.76300.5）kN=88.2kN BC跨：=（1.40.76240.5）kN=70.56kN屋面活荷载在每侧柱上的作用点的位置与屋盖结构自重相同。3. 吊车荷载本车间选用的吊车主要参数如下：AB跨和BC跨均采用先张法预应力钢筋混凝土吊车梁，型号为YXDL6-6,2台200/50kN吊车，工作级别为A5级，吊车梁高1.2m，B=5.16m，K=4.1m，AB跨：=202 kN，=72.05kN，G=278 kN，g=70.1 kN；BC跨：=183 kN，=64.55kN，G=225 kN，g=70.1 kN；吊车梁的支座反力影响线如图4所示。图4 吊车梁支座反力影响线AB跨： =1.4202（1+0.823+0.317+0.14）kN =644.78kN 1.472.05（1+0.823+0.317+0.14）kN=229.98kNBC跨： =1.4183（1+0.823+0.317+0.14）kN=584.14kN 1.464.55（1+0.823+0.317+0.14）kN=206.04kN作用在每一个轮上的吊车横向水平荷载标准值为 AB跨：对于20/5t的软钩吊车=0.10，1/40.1（200+70.1）kN=6.75kN于是作用在排架柱上的吊车水平荷载分别为AB跨：=1.4 6.75 （1+0.823+0.317+0.14）kN=21.55 kNBC跨：=1.4 6.75 （1+0.823+0.317+0.14）kN=21.55 kN4风荷载由有课程设计任务书得，该地区基本风压=0.4kPa，又由于厂房高度小于30m,故风震系数 =1.0，风压高度系数按A类地面取值：柱顶： H = 12.6m， =1.45檐口： H = 14.9 m， =1.52屋顶： H = 16.4m， =1.55风荷载体型系数及风荷载作用示意图如图5所示。图5 风荷载体型系数及风荷载作用示意图故风荷载标准值为 =0.81.450.4kPa=0.464kPa =0.41.450.4kPa=0.232kPa作用于排架上的风荷载的设计值为 =1.40.4646kN/m=3.90 kN/m =1.40.2326 kN/m=1.95 kN/m左吹风时： =1.4 （0.8+0.4）1.52 2.3+（-0.6+0.5）1.55 1.51.00.46 kN=13.31 kN右来风时与此情况类似。 所以风荷载作用如图5所示。四排架内力分析本厂房为两跨等高排架，可用剪力分配法进行内力分析。1 剪力分配系数的计算（1） A列柱柱顶位移的计算 上柱： =2.1310mm，=1.93410 mm /=（2.1310）/（1.93410）=0.110 /=3.6/13.1=0.275 =3/1+0.275(1/0.110-1)=2.57=1.0/(1.934102.57) ()=2.01210()(2) B列柱柱顶位移的计算上柱： =7.210mm，=2.47610 mm /=（7.210）/（2.47610）=0.291 /=3.6/13.1=0.275 =3/1+0.275(1/0.291-1)=2.86=1.0/(2.476102.86) ()=1.41210()（3）C列柱柱顶位移同A列柱（4）各柱剪力分配系数 = = =20.292+0.416=1.02 恒载作用下的内力分析A柱列：=500.4 kN=1.219.3+4.21.80.45+(6-4.2) 1.80.3719+(3.6-1.8-0.49) 60.3719 =120.88 kN=500.4 0.05kN.m=25.02 kN.m =（58.86+17.28）kN=76.14kN=（500.4+17.28）0.20-58.860.35 kN.m=82.94kN.m=53.44kNB柱列： =（500.4+385.08）kN=885.48kN = （500.40.15-385.080.15）kN.m=17.30kN.m =（58.862+25.92）kN=143.64kN = 0 =56.29kNC柱列: =385.08kN=1.219.3+4.21.80.45+(6-4.2) 1.80.3719+(3.6-1.8-0.49) 60.3719 =120.88 kN=385.08 0.05kN.m=19.25 kN.m=（58.86+17.28）kN=76.14kN=（385.08+17.280.2-58.860.35） kN.m=59.87kN.m=53.44kN各柱列所受弯矩示意图如图6所示.图6 柱列所受弯矩剪力示意图（单位kN.m ,kN）各柱不动铰支承反力分别为：A柱列： ，则 =2.070 =1.187 =2.07025.02/13.1kN=3.954 kN（） =1.18782.94 /13.1 kN=7.575 kN（） =（3.954+7.575）kN=11.529kN（）B柱列： ，则 =1.676 =1.320 = 1.67617.30/13.1=2.213 kN（） = 1.3200/13.1=0 = (2.213+0 )kN=2.213 kN（）C柱列： ，则 =2.070 =1.187 =2.07019.25/13.1kN=3.042kN（） =1.187 59.87 /13.1kN=5.425 kN（） =（3.042+5.425）kN=8.467kN（）故假设在排架柱顶不动铰支座的总反力为 =（11.469+2.213-8.467）kN= 5.215kN各柱柱顶最后剪力分别为 =9.95kN（） =0.044kN （） = -9.990kN （） =9.95+0.044-9.990 = 0故恒载作用下排架柱的弯矩图和轴力图如图7所示。 （a）弯矩图（单位kN.m）（b）轴力图（单位kN）图7弯矩图和轴力图3 屋面和荷载作用下的内力分析（1） AB跨作用有屋面活荷载时（图8）图8活荷载计算简图由屋面活荷载在每侧柱顶产生的压力为=88.2kN，其中在A列柱、B列柱柱顶及变阶处引起的弯矩分别为 =88.20.05kN.m=4.41 kN.m =88.20.20kN.m=17.64kN.m =88.20.15kN.m=13.23kN.m = 0各柱不动铰支座反力分别为 A柱列： ，2.070，1.187 =2.0704.41/13.1kN=0.670kN（） =1.18717.64/13.1kN=1.598KN（） =（0.670+1.598）kN=2.268kN（）B柱列： ，1.676 =1.67613.23/13.10kN=1.693kN（）假想排架柱顶下动铰支座的总反力为 =（2.268+1.693）kN=3.961kN（）各柱柱顶最后剪力分别为 =（2.268-0.2923.961）kN=1.111kN（） =（1.693-0.4163.961）kN=0.045kN（） =（0-0.2923.961）kN =-1.157kN（） =1.111+0.045-1.157 = 0AB跨作用有屋面活荷载时排架柱的弯矩图和轴力图如图9所示。（a）弯矩图（单位kN.m）（b）轴力图（单位kN）图9AB跨作用有屋面活荷载时排架柱的弯矩图和轴力图（2） BC跨作用有屋面活荷载时与AB跨类似 由屋面活荷载在每侧柱顶产生的压力为=70.56kN，其中在A列柱、B列柱柱顶及变阶处引起的弯矩分别为 =70.560.05kN.m=3.53 kN.m =70.560.20kN.m=14.11kN.m =70.560.15kN.m=10.58kN.m = 0各柱不动铰支座反力分别为 C柱列： ，7.070，1.187 =2.0704.41/13.1kN=0.54kN（） =1.18717.64/13.1kN=1.28KN（） =（0.670+1.598）kN=1.81kN（）B柱列： ，1.676 =1.67613.23/13.10kN=1.35kN（）假想排架柱顶下动铰支座的总反力为 =（1.81+1.35）kN=3.16kN（）各柱柱顶最后剪力分别为 =（1.81-0.2923.16）kN=0.887kN（） =（1.35-0.4163.16）kN=0.035kN（） =（0-0.2923.16）kN =-0.923kN（） =0.887+0.035-0.923 = 0BC跨作用有屋面活荷载时排架柱的弯矩图和轴力图如图10所示。（a）弯矩图（单位kN.m）（b）轴力图（单位kN）图10BC跨作用有屋面活荷载时排架柱的弯矩图和轴力图4 吊车竖向荷载作用下的内力分析（不考虑厂房整体空间工作）（1） AB跨作用于A列柱，由AB跨和的偏心作用而在柱中引起的弯矩为 =644.780.35 kN.m=225.67 kN.m =229.980.75kN.m=172.49kN.m其计算简图如图11所示。图11AB跨作用于A列柱计算简图各柱不动铰支座反力分别为：A柱列： ，2.070，1.187 =1.187225.67/13.1kN=-20.45kN（） B柱列： ，1.676 =1.676172.49/13.1 kN=22.07kN（）假想排架柱顶下动铰支座的总反力为 +=（-20.45+22.07+0）kN=1.62kN（）各柱柱顶最后剪力分别为 =（20.45-0.2921.62）kN=19.98kN（） =（22.07-0.4161.62）kN=21.40kN（） =（0-0.2921.62）kN = -0.47kN（） =（19.98-21.40+0.47）kN= -0.95kNAB跨作用在A柱时排架柱的弯矩图和轴力图如图12所示。（a）弯矩图（单位kN.m） （b）轴力图（单位kN） 图12AB跨作用在A柱时排架柱的弯矩图和轴力图（2） AB跨作用在B列柱左侧由AB跨和的偏心作用而在柱中引起的弯矩为 =206.040.35kN.m=72.11 kN.m=584.140.75kN.m=438.11kN.m其计算简图如图13所示。图13AB跨作用在B列柱左侧计算简图各柱不动铰支座反力分别为：A柱列： ， 1.187 =1.18772.11 /13.1kN=6.53kN（） B柱列： ，1.320 =1.320 138.11/13 .1kN=44.15kN（）假想排架柱顶下动铰支座的总反力为 +=（-6.53+44.15+0）kN=37.62kN（）各柱柱顶最后剪力分别为 =（-6.53-0.29237.62）kN= -17.52kN（） =（44.15-0.41637.62）kN=28.50kN（） =（0-0.29237.62）kN = -10.99kN（）AB跨作用在B柱时排架柱的弯矩图和轴力图如图14所示。 （a）弯矩图（单位kN.m）（b）轴力图（单位kN）图14AB跨作用在B柱时排架柱的弯矩图和轴力图（3）BC跨作用于B列柱右侧，由BC跨和的偏心作用而在柱中引起的弯矩为 =584.14 0.75 kN.m=438.11 kN.m =206.040.35kN.m=72.11kN.m其计算简图如图15所示。图15 BC跨作用于B列柱右侧计算简图各柱不动铰支座反力分别为：C柱列： ， 1.187 =1.18772.11/13.1kN=6.53kN（） B柱列： 0.291，0.275，1.320 =1.320 438.11/13.1 kN=-44.15kN（）假想排架柱顶下动铰支座的总反力为 +=（0+6.53-44.15）kN=-37.62kN（）各柱柱顶最后剪力分别为 =（6.53+0.292 37.62）kN= 17.52kN（） =（-44.15+0.41637.62）kN=-28.50kN（） =（0+0.29237.62）kN = 10.99kN（）BC跨作用在B柱右侧时排架柱的弯矩图和轴力图如图16所示。（a）弯矩图（单位kN.m）（b）轴力图（单位kN）图16BC跨作用在B柱右侧时排架柱的弯矩图和轴力图(4) BC跨作用于C列柱，由BC跨和的偏心作用而在柱中引起的弯矩为 =206.04 0.75 kN.m=154.53kN.m =584.140.35kN.m=204.45kN.m其计算简图如图17所示。图17 BC跨作用于C列柱计算简图各柱不动铰支座反力分别为：C柱列： ， 1.187 =1.187204.45/13.1kN=18.53kN（） B柱列： 0.291，0.275，1.320 =1.320154.53/13.1 kN= -15.57kN（）假想排架柱顶下动铰支座的总反力为 +=（18.53-15.57+0）kN=2.96kN（）各柱柱顶最后剪力分别为 =（0-0.2922.96）kN= -0.86kN（） =（-15.57-0.4162.96）kN= -16.80kN（） =（18.53-0.2922.96）kN = 17.67kN（） =（17.67-0.86-16.80）kN= 0kNBC跨作用有在C柱时排架柱的弯矩图和轴力图如图18所示。 （a）弯矩图（单位kN.m）（b）轴力图（单位kN）图18BC跨作用有在C柱时排架柱的弯矩图和轴力图5. 吊车水平荷载作用下的内力分析（不考虑厂房整体空间工作）（1）当AB跨作用有吊车横向水平荷载时计算简图如图19所示，=21.55kN图19 AB跨作用有吊车横向水平荷载计算简图各柱不动铰支座反力分别为：A柱列： 0.110，0.275，a=2.4/3.6=0.67 =0.687 0.68721.55 kN=14.80 kN（）B柱列： 0.291，0.275，a=2.4/3.6=0.67 =0.748 0.748 21.55 kN=16.12kN（）假想排架柱顶不动铰支座的总反力为 =（14.80+16.12+0）kN=30.92kN（）各柱柱顶最后剪力分别为 =（14.80-0.292 30.92）kN=5.77kN（） =（16.12-0.41630.92）kN=3.26kN（） =（0-0.29230.92）kN = -9.03kN（）排架柱的弯矩图如图20所示。（单位kN.m）图20 AB跨作用有吊车横向水平荷载的弯矩图（2）当BC跨作用有吊车横向水平荷载时，计算简图如图21所示，=21.55kN图21 BC跨作用有吊车横向水平荷载的计算简图各柱不动铰支座反力分别为：C柱列： 0.110，0.275，a=2.4/3.6=0.67 =0.687 0.68721.55 kN=14.80 kN（）B柱列： 0.291，0.275，a=2.4/3.6=0.67 =0.748 0.748 21.55 kN=16.12kN（）假想排架柱顶不动铰支座的总反力为 =（14.80+16.12+0）kN=30.92kN（）各柱柱顶最后剪力分别为 =（0-0.29230.92）kN = -9.03kN（） =（16.12-0.41630.92）kN=3.26kN（） =（14.80-0.292 30.92）kN=5.77kN（）排架柱的弯矩图如图22所示。图22 BC跨作用有吊车横向水平荷载的弯矩图6风荷载作用下的内力分析左来风时，计算简图如图23所示。图23右来风时排架柱计算简图各柱不动铰支座反力分别为：A柱列： 0.110，0.275， =0.375 =0.3753.90 13.1 kN=19.16kN（）C柱列： 0.110，0.275， =0.375 =0.3751.9513.1 kN=9.58kN（）假想排架柱顶不动铰支座的总反力为 =（13.31+19.16+0+9.58）kN=42.05kN（）各柱柱顶最后剪力分别为 =（19.16-0.292 42.05）kN= 6.88kN（） =（0-0.41642.05）kN= -17.49kN（） =（9.58-0.29242.05）kN = -2.70kN（）左来风时排架柱的弯矩图如图24（a）所示，右来风时排架柱的弯矩图如图24（b）所示（a）左来风 （b）右来风图24 左来风时排架柱的弯矩图五、内力组合 不考虑厂房整体空间工作，对B柱进行最不利内力组合，组合结果如表2所示，A柱和C柱内力组合及截面设计，可按同理进行。表两跨排架柱的内力组合表柱号截面荷载内力恒载屋面活载吊车在AB跨吊车在BC跨风载AB跨BC跨Dmax在A柱Dmin在A柱Tmax向左或向右Dmax在B柱Dmin在B柱Tmax向左或向右左来风右来风1234567891011B柱1_1M4.09 2.23 -1.78-71.52-119.0-45.80119.07 73.31 45.91-49.7549.96N885.48 88.20 70.560.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 MK3.411.59 -1.27-51.09 85-32.7185.05 52.3632.79 -35.5435.69 NK737.9 63 50.40.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2_2M4.092.23 -1.78 100.97319.11-45.80-319.041.20 45.91 -49.7549.96N1029.12 88.20 70.56 229.98584.140.00 584.14 206.040.00 0.00 0.00 MK3.41 1.59 -1.27 72.12227.94-32.71 227.89 0.8632.79 -35.5435.69NK857.6 63 50.40 164.27417.240.00 417.24147.170.00 0.00 0.00 3_3M10.92 8.03 -6.47 -87.765.0838.08-4.83194.65-37.65 -181.05181.81 N1029.12 88.20 70.56 229.98584.140.00 584.14206.04 0.00 0.00 0.00 V0.044 -0.045 -1.35 21.4028.50 3.26-28.50-16.803.2617.49-17.49MK9.1 5.74 -4.62 62.693.6327.2-3.45 139.04-26.89-129.32129.86NK857.6 63 50.40 164.27417.240.00 417.24 147.170.00 0.00 0.00 VK0.037 -0.032 -1.07 15.29 20.362.33-20.36 -12 2.3312.49-12.49内力组合Mmax及相应N,V_Mmax及相应N,VNmax相应的MmaxNmin及相应Mmax组合项目组合值组合项目组合值组合项目组合值组合项目组合值1+0.9*(3+5+6+10*0.6)-172.6971+0.9*(2+0.9*7- 0.9*9+11*0.6)92.3351+0.9*(2+3+0.9*(7-9)+11*0.6)92.4071+0.9*(0.9*(7-9)+11*0.6)90.328948.984964.861745.916885.4830.136466.444266.939265.0132783.26794.61447.37737.91+0.9*(3+0.9*7+0.9*9+10*0.6)-196.44891+0.9*(2+5-6+11*0.6)361.49441+0.9*(2+3+0.80*(7+5)+0.9*9+10*0.6)14.86751+0.9*10*0.6-22.7751460.63221634.2262013.16561029.12147.3038258.6986339.2639-15.78161165.82121289.8161560.4856857.61+0.9*(3+0.80*(4+7)+0.9*9+10*0.6)-189.83131+0.9*(2+0.80*(5+8)-0.9*9+11*0.6)290.62651+0.9*(2+3+0.80*(5+7)+0.9*9+10*0.6)-115.75951+0.9*10*0.6-86.8471678.79041677.42962013.16561029.125.8022-3.657710.87379.4886-44.01892