单层工业厂房设计-课程设计.doc

河南工程学院《钢筋混凝土设计(Ⅱ)》
课程设计

某单层工业厂房设计

学生姓名： 柯屿
学 院： 土木工程学院
专业班级： 土木工程1241
专业课程： 钢筋混凝土结构原理
指导教师： 孙彦飞 谷定宇

2016 年 1 月 3 日

某单层工业厂房设计
一、设计题目
某单层工业厂房设计。
二、设计资料
（一）车间条件
某机械加工车间为单层单跨等高厂房，车间总长为60m，跨度尺寸见表1，柱距6米；车间内设有两台相同的软钩吊车，吊车起重量见表1，吊车工作级别为A5级，轨顶标高见表1。采用钢屋盖、预制钢筋混凝土柱、预制钢筋混凝土吊车梁和柱下独立基础。屋面不上人,室内外高差为0.15m。纵向围护墙为支承在基础梁上的自承重空心砖砌体墙，厚240mm，双面采用20mm厚水泥砂浆粉刷，墙上有上、下钢框玻璃窗，窗宽为3.6m，上、下窗高为1.8m和4.8m，钢窗自重0.45KN/m2，排架柱外侧伸出拉结筋与其相连。
（二）自然条件
基本风压、基本雪压见表1；地面粗糙类别为B类；地基承载力特征值见表1。不考虑抗震设防。
（三）材料
箍筋采用HRB335，纵向钢筋采用HRB400，混凝土采用C30。
表1
组号
吊车起重量Q（t）
轨顶标高（m）
跨度
（m）
基本风压
（KN/m2）
基本雪压
（KN/m2）
地基承载力特
征值（KN/m2）
8
10
10.2
18
0.35
0.2
165

三、 设计内容和要求
（一）结构选型
1. 钢屋盖
采用图1所示的18m钢桁架，桁架端部高度为1.2m，中央高度为2.1m，屋面坡度为1/10。钢檩条长6m，屋面板采用彩色钢板，厚4mm。
图 1 18m钢桁架
2. 预制钢筋混凝土吊车梁和轨道连接
采用标准图（二），中间跨DL-9Z,边跨DL-9B，梁高。轨道连接采用图集G325（二）。
3. 预制钢筋混凝土柱子
取轨道顶面至吊车梁顶面的距离，故
。
由附录12查得，吊车轨顶至吊车顶部的高度为2.14m，考虑屋架下弦至吊车梁顶部所需空隙高度为220mm，故：
设基础顶面至室外地坪的距离为1.0m，则基础顶面至室内地坪的高度为，故从基础顶面算起的柱高
上部柱高，
下部柱高。
参考表12-2，选择柱截面形式和尺寸：
下柱截面宽度：，取。
下柱截面高度：，取。
综合考虑，上部柱采用矩形截面；
下部柱采用I型截面。
4. 柱下独立基础
采用锥型杯口基础
（二）计算单元及计算简图
1. 定位轴线
：由附表12可查得轨道中心线至吊车端部的距离；
：吊车桥架至上柱内边缘的距离，一般取；
：封闭的纵向定位轴线至上柱内边缘的距离，。
，可以。
故取封闭的定位轴线A、B都分别与左、右外纵墙的内皮重合。
2. 计算单元
由于该机械加工车间厂房在工艺上没有特殊要求，结构布置均匀，除吊车荷载外，荷载在纵向的分布是均匀的，故可取一榀框架为计算单元，计算单元的宽度为纵向相邻柱间距中心线之间的距离，即，如图2（a）所示。
3. 计算简图
排架的计算简图如图2（b）所示。

（a） （b）
图2 计算单元与计算简图
（a）计算单元；（b）计算简图

（三）荷载计算
1.屋盖荷载
（1）屋盖恒荷载
近似取屋盖恒荷载标准值为，故由屋盖传给排架柱的集中荷载设计值

作用于上部柱中心线外侧处。
（2） 屋面活荷载《荷载规范》规定，屋面均布活荷载标准值为，比屋面雪荷载标准值大，故仅按屋面均不活荷载计算。于是由屋盖传给排架柱的集中活荷载设计值

作用于柱上部中心线外侧处。
2.柱和吊车梁等恒荷载
上部柱自重标准值为，故作用在牛腿顶截面处的上部柱恒荷载设计值

下部柱自重标准值为，故作用在基础顶截面处的下部柱恒荷载设计值

吊车梁自重标准值，轨道连接自重标准值为，故作用在牛腿顶截面处的吊车梁和轨道连接恒荷载设计值

3. 吊车荷载
吊车跨度
查附录12，得，时的吊车最大的轮压标准值、最小轮压标准值、小车自重标准值以及与吊车额定起重量相对应的重力标准值：
,，，
并查得吊车宽度B和轮距K：
，
吊车竖向荷载设计值，
吊车梁支座反力影响线如图3所示

图3 吊车梁支座反力影响线

（2） 吊车横向水平荷载设计值

4. 风荷载
（1） 作用在柱顶处的集中风荷载设计值
檐口离室外地坪的高度来计算。查表10-4，得离地面10m时，风荷载高度变化系数；离地面15m时，，用插入法，知
风荷载的标准值为：

（2） 沿排架柱高度作用的均布风荷载设计值、
风压高度变化系数按柱顶离室外地坪的高度计算。

（四）内力分析
内力分析时所取的荷载值都是设计值，故得到的内力值都是内力的设计值。
1. 屋盖荷载作用下的内力分析
（1） 屋盖集中恒荷载作用下的内力分析

按公式计算，：

柱顶不动支点反力
（2)屋盖集中活荷载作用下的内力分析
，
；
在、分别作用下的排架柱弯矩图、轴力图和柱底剪力图，分别如图4（a）、(b)所示，图中标注出的内力值是指控制截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ截面的内力设计值。弯矩以排架柱外侧受拉上的为正，反之为负；柱底剪力以向左为正，向右为负。
（a） （b）
图4 屋盖荷载作用下的内力图
（a）屋盖恒荷载作用下的内力图 （b）屋盖活荷载下的内力作用用图
2.柱自重、吊车梁及轨道连接等的自重作用下的内力分析。
不作排架分析，其对排架柱产生的弯矩和轴力如图5所示。

图5 柱自重及吊车梁等作用下的内力图
3.吊车荷载作用下的内力分析
（1）作用在A柱，作用在B柱时，A柱的内力分析

这里的偏心距e是指吊车轨道中心线至下部柱截面形心上网水平距离。
A柱顶的不动支点反力，
，
A柱顶不动支点反力（←）
B柱顶不动支点反力（→）
A柱顶水平剪力
（←）
B柱顶水平剪
（→）
内力如图6（a）所示。
（2）作用在A柱、作用在B柱时的内力分析
此时，A柱顶剪力与作用在A柱时的相同，也是=6.91KN(←),故可得内力值，如图6（b）所示。
（a） （b）
图6 吊车竖向荷载作用下的内力图
（a）作用在A柱时； （b）作用在B柱时

（3) 在作用下的内力分析
至牛腿顶面的距离为；
至柱底的距离为；
因A柱与B柱相同，受力也相同，故柱顶水平位移相同，没有柱顶水平剪力，故A柱的内力如图7所示。

图7 作用下的内力图
4.风荷载作用下，A柱的内力分析
左风时，在、作用下的柱顶不动铰支座反力，按计算：
；
取=0.336，不动铰支座反力：
（←）
（←）
A柱顶水平剪力：
（→）
（→）
故左风和右风时，A柱的内力分别如图8（a）、（b）所示。
（a） （b）
图8 风荷载作用下A柱的内力图
（a）左风时； （b）右风时
（五）内力组合表及其说明
1.内力组合表
A柱控制截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ的内力组合表，见表2。
（六）排架柱截面设计
采用就地预制柱，混凝土强度等级为C30，纵向受力钢筋为HRB400级钢筋，采用对称配筋。
1.上部柱配筋计算
由内力组合表2可知，控制截面Ⅰ-Ⅰ的内力设计值为：
=55.28 =95.81kN
（1）考虑P-△二阶效应
，
；
；
，取=1.0；
查表12-3可知，，

（2)截面设计
假设为大偏压，则：
<=80mm，取=80mm；
；
；
选用316，，故截面一侧钢筋截面面积603mm2﹥ ，同时柱截面纵配筋2×603=1206﹥。
（3）垂直于排架方向的截面承载力验算
由表12-3知，垂直于排架方向的上柱计算长度
=1.25×3.76=4.7m，；查上册表5-1得=0.96，
,承载力满足。
2.下部柱配筋计算
按控制截面Ⅲ-Ⅲ进行计算。由内力组合表知，有二组不利内力：
(a) =351.10 (b) =256.57
=515.07kN =204.97kN
（1）按(a)组内力进行截面设计
=681mm ，
=900/30=30mm，

=3.00﹥1.0，取；

偏设为大偏心受压，且中和轴在翼缘内：
=90.04mm﹥
﹤；
说明中和轴确实在翼缘内则：
，
；
采用416，。
（2)按（b）组内力组合进行截面设计
，，
,取；

﹤；
按计算：
；
416,
。
（3)垂直于排架方向的承载力验算
由表12-3知，有柱间支撑时，垂直排架方向的下柱计算长度为：
；
可得，
（a）组轴向力=515.07kN满足。
3.排架柱的裂缝宽度验算
裂缝宽度应按内力的准永久组合值进行验算。内力组合表中给出的是内力的设计值，因此要将其改为内力的准永久组合值，即把内力设计值乘以准永久组合值系数，再除以活荷载分项系数。风荷载的=0，故不考考虑风荷载；不上人屋面的屋面活荷载，其=0，故把它改为雪荷载，即乘以系数30/50。
（1）上部柱裂缝宽度验算
按式（10-35）的荷载准永久组合，可得控制截面Ⅰ-Ⅰ的准永久组合内力值：

；
,
，不必验算。
（2) 下部柱裂缝宽度验算

=450-40=410mm；
，故取
；
；
；
；
负值，取；
<0.3mm，满足。
. 4.箍筋配置
非地震区的单层厂房排架柱箍筋一般按构造要求配置。上、下柱均采用，在牛腿处箍筋加密为。

5.牛腿设计
根据吊车梁支承位置，吊车梁尺寸及构造要求，确定牛腿尺寸如图9所示。牛腿截面宽度b=400mm，截面高度h=600mm，截面有效高度=560mm。
（1)按裂缝控制要求验算牛腿截面高度作用早牛腿顶面的竖向力标准值：
；
牛腿顶面没有水平荷载，即（作用在吊车梁顶面）。
图9 牛腿尺寸及配筋
设裂缝控制系数，故取a=0，由式（12-18）得：
，满足。
（2)牛腿配筋
由于a=-130mm，故可按构造要求配筋。水平纵向受拉钢筋截面面积，采用4，，牛腿处水平箍筋为。
6.排架柱的吊装验算
（1)计算简图
由表12-3知，排架柱插入基础杯口内的高度=810mm，取，故柱总长为3.76+9.95+0.85=14.56m。
采用就地翻身起吊，吊点设在牛腿下部处，因此起吊时的支点有两个，柱底和牛腿底，上柱和牛腿是悬臂的。计算简图如图10所示。
图10预制柱的翻身起吊验算
（2）荷载计算
吊装时，应考虑动力系数=1.5，柱自重的重力荷载分项系数取1.35。
；
；
。
（3）弯矩计算
;
由知，=0，
；
，令=0，得，故
。
（4）截面受弯承载力及裂缝宽度验算
上柱:

裂缝宽度验算:
下柱：

裂缝宽度验算:
7.绘制排架柱的施工图
包括模版图与配筋图，见施工图。
（七）锥形杯口基础设计
1.作用在基础底面的内力
（1)基础梁和围护墙的重力荷载
每个基础承受的围护墙宽度为计算单元的宽度B=6.0m，墙高12.56+0.9(柱顶至檐口)+1.15-0.45（基础梁高）=14.16m，墙上有上、下钢框玻璃窗，窗宽3.6m,上下窗高分别为1.8m和4.8m，钢窗自重0.45。每根基础梁自重标准为16.7。内外20mm厚水泥石灰砂浆粉刷2×0.36。空心砖重度16，故由墙体和基础梁传来的重力荷载标准值和设计值：
基础梁自重 16.7kN
围护墙自重 （2×0.36+16×0.24）×「6×14.16-(1.8+4.8)×3.6」=279.07kN
钢窗自重 0.45×3.6×（4.8+1.8）=10.69kN

=306.46kN
=1.2=1.2×306.46=367.75kN
如图11所示，或对基础的偏心距：=120+450=570mm；
对基础底面的偏心弯矩：
=306.463×0.57=174.68kN·m(↙)；
=367.75×0.57=209.62kN·m(↙)；

图11基础梁和围护墙基础重力荷载
（2）柱传来的第①组内力
由排架柱内力组合表2可知，控制截面的内力组合-及相应V、N为：
-=-307.39kN·m(↙)；N=264.98kN(↓)；V=35.77kN(←)。
注：内力组合表1中给出的柱底水平剪力设计值-35.77kN是基础对柱的，其方向是→，现在要的是柱对基础的水平剪力设计值，故其方向应相反←。
对基础底面产生的内力设计值为：
①=-307.39-35.77×1.1=-346.74kN·m（↙）；
①=264.98kN(↓)；
①=35.77kN(←)；
按式（10-33）这组内力的标准值为：

=-213.81kN·m(↙)
(↓)
(←)
对基础底面产生的内力标准值为：
①=-213.81-25.00×1.1=-241.31kN·m(↙)；
①=218.44N(↓)；
①=-25.00kN(←)；
（3）柱传来的第②组内力
=351.10kN·m(↘)；
N=515.07kN(↓)；
V=+36.17kN(→)；
柱对基础底面产生的内力设计值：
②=351.10+36.17×1.1=390.89kN·m(↘)；
②=515.07kN(↓)；
②=+36.17kN(→)；
第②组内力的标准值为：

=251.03KN·m(↘)；
(↓)；
(→)；
柱对基础底面产生的内力标准值：
②=251.03+27.75×1.1=281.56kN·m(↘)；
②=408.82kN(↓)；
②=27.75kN(→)。
2.初步确定尺寸
（1)基础高度和杯口尺寸
已知柱插入杯口深度为850mm，故杯口深度为850+50=900mm，杯口顶部尺寸：宽为400+2×75=550mm，长为900+2×75=1050mm。杯口底部尺寸：宽为400+2×50=500mm,长为900+2×50=1000mm。
按表12-5取杯壁厚度t=300mm，杯底厚度=200mm。
据此，初步确定基础高度为850+50+200=1100mm。
（2）确定基础底面尺寸
基础埋深为d=0.15+1.0+1.10=2.25mm,取基础底面以上土的平均重度为,则深度修正后的地基承载力特征值为：
=165+1.0×20×（2.25-0.5）=200；
由内力组合表2可知，按式（10-30）控制截面Ⅲ-Ⅲ的最大轴向力标准值：
(↓)；
按轴向力受压估算基础底面尺寸：
；
考虑到偏心等影响，将基础再放大30%左右，取=2.6m，=3.4m。
基础底面面积：=2.6×3.4=8.84；
基础底面弹性抵抗矩：=1/6×2.6×3.4×3.4=5.01。
2.地基承载力验算
基础及基础上方土的重力标准值：=3.4×2.6×（1.15+1）/2×20=190.06kN。
（1）按第①组内力标准值的验算
轴向力：=306.46+218.44+190.06=714.96kN；
弯矩：=174.68+241.31=415.99kN·m；
偏心距 e=415.99/714.96=0.58>=0.567，基础底面有一部分出现拉应力。
；

，满足。
（2）按第②组内力标准值验算
轴向力：=306.46+408.82+190.06=905.3kN；
弯矩 ：=281.56-306.46×0.57=106.88kN·m；
=，满足。
，满足。
4.基础受冲切承载力验算
只考虑杯口顶面由排架柱传到基础底面的内力设计值，显然这时第②组内力最不利：，，故：
。
柱边冲切承载力验算：
有效高度h0=1100-50=950mm,冲切破坏锥体最不利一侧上边长at和下边长ab分别为

考虑冲切荷载时取用的基础底面多边形面积，即图13中打斜线的部分的面积

故此柱边满足受冲切承载力的要求。

对台阶以下进行受冲切承载力验算，这是冲切锥体的有效高度h0=700-50=650mm,冲切破坏锥体最不利一侧上边长at和下边长ab分别为
=400+2×375=1150mm；
=2(200+375)+2×700=25500mm；
=0.5×(1150+2550)=1850mm。
考虑冲切荷载时取用的基础底面多边形面积，即图13中打斜线的部分的面积： ；
；
=0.7×0.82×1.10×1850×650=817.66kN﹥=190.79kN。

图12 基础受冲切承载力验算

5.基础底板配筋计算
按地基净反力设计值进行配筋计算
（1）沿排架方向，即沿基础长边b方向的底板配筋计算
由前面的计算可知，第①组内力最不利，再考虑由基础梁和围护墙传来的内力设计值，故作用在基础底面的弯矩设计值和轴向力设计值为：
①=209.62+346.74=556.36kN·m(↙)；
①=367.75+264.98=632.73kN；
偏心距 ，基础底面有一部分出现拉应力。
=1.7-0.879=0.821m；
。
设应力为零的截面至截面的距离为x，
；
此截面在柱中心线右侧处，柱边截面离柱中心线左侧为0.45m，变阶截面离柱中心线为0.725m。故，
柱边截面处的地基净反力：；
变阶截面处的地基净反力：
图13所示为地基净反力设计值的图形。

图13 地基静反力设计图

沿基础长度方向，对柱边截面Ⅰ-Ⅰ处的弯矩按式（12-38）计算：

变阶处截面Ⅰ′-Ⅰ′的弯矩：

=﹤，故按配筋。
采用HRB335级钢筋，，保护层厚度为40mm，故=1060mm,故：
；
采用16B12， ，见基础施工图。

（2） 垂直排架方向，即沿基础短边方向的底板配筋计算按轴心受压考虑。轴向力设计值Nb=701.95kN,计算柱边截面Ⅱ-Ⅱ的弯矩

按构造配筋B12@200，As=505.0mm2/m。。

参考文献
[1]GB/T 50104-2010，建筑制图标准[S].
[2]GB 50068-2001，建筑结构可靠度设计统一标准[S].
[3]GB 50009-2012，建筑结构荷载规范[S].
[4]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].
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[6]国家建筑标准设计图集.
[7]程文瀼、李爱群.混凝土结构（上册）—混凝土结构设计原理（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社,2012.
[8]程文瀼、李爱群.混凝土结构（中册）—混凝土结构与砌体结构设计（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社,2012.

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