单层厂房牛腿柱结构设计计算书.docx

某单跨厂房钢筋混凝土排架设计（一）设计资料1. 基本参数：某生产车间为单层单跨无天窗厂房，跨度24m，柱间距6m，车间总长66m，厂房平面图及横剖面图如下：车间建筑平面图gCQ车间横剖面示意图2. 车间内设置两台起重量10t的工作制桥式吊车，吊车的轨顶标 高为+7.5m。3. 建设地点：山东省济南市4. 工程地质资料：场地地坪以下1.15m厚填土层，3.5m厚均匀 亚粘土层，地基承载力特征值f=240kN/m2，地下水位为-4.05m，无 腐蚀性。5. 环境条件:基本风压W0=0.40kN/m2基本雪压S0=0.25kN/m2。6. 材料：纵向受力钢筋采用HRB400，箍筋采用HPB300 ；混凝 土采用C30，砌体采用240厚空心砖墙，M5.0砂浆。（二）结构设计一、构件选型1. 屋面板：选用04G410-1图集中1.5m*6m预应力混凝土大型 屋面板，代号YWB3，板重（包含灌封在内）标准值1.4kN/m2。2. 天沟：选用04G410-2图集中天沟板，板重12kN/块。3. 屋架：选用04G415-1图集中YWJ24-1，屋架自重标准值 106kN/棉。4. 吊车梁选用钢筋混凝土吊车梁，10t吊车的吊车梁高600mm , 自重标准值为44kN/根。5. 屋面做法：大型屋面板；20厚1 ： 3水泥砂浆找平；冷底子 油、热沥青各一遍；60厚采用水泥膨胀珍珠岩保温层；20厚1 ： 3 水泥砂浆找平；三毡四油防水。6. 基础:基础梁采用G320中钢筋混凝土基础梁J-1梁宽240mm , 梁高450mm，梁顶标高为-0.05m。二、排架柱截面特性及几何尺寸确定上柱 b1*h1=400mm*400mm :9.300截面积 A=1.6*105mm2 ；惯性矩 Ix=Iy=2.13*109mm4;首下柱 b*h=400mm*800mm7.500截面积 A=3.2*106mm2 ； 惯性矩 Ix=4.26*109mm4；Iy=1.71*1010mm4;卜林疆而下杵翻面三、荷载计算1. 恒荷载a. 屋盖部分传来的G1 :屋面板重（包含灌封重）20厚水泥砂浆找平层冷底子油、热沥青各一遍1.2*1.4=1.68 kN/m21.2*0.4=0.48 kN/m21.2*0.05=0.06 kN/m21.2*0.6=0.72 kN/m260厚水泥膨胀珍珠岩保温层20厚水泥砂浆找平层1.2*0.4=0.48 kN/m2三毡四油防水1.2*0.4=0.48 kN/m2合计屋架天沟板g=3.9kN/m21.2*106=127.2kN1.2*12=14.4kN则屋架作用于柱顶的自重 G=6*12*3.9+0.5*127.2+14.4=358.8kN。e1=h 上-150=50mmb-柱自重上柱 G 上=1.2*1.8*0.4*0.4*2.5*10=8.64kN下柱 G 下=1.2*( 7.5*0.8*0.4+( 0.2*0.6-0.2*0.2/2)*0.4) *2.5*10=61kNc.吊车梁及轨道自重 G2=1.2*(44+0.8*6)=58.56 kN2. 屋面活荷载由荷载规范查得屋面活荷载标准值为0.5kN/m2。大于该厂房 所在地区的基本雪压S0=0.25 KN/m2，,故屋面活荷载在每侧柱顶产 生的压力为Q1=1.4*0.5*6*12=50.4kN3. 风荷载基本风压W0=0.40kN/m2，风压高度变化系数巴(按B类地面粗 糙度取)为柱顶处：按 H=9.45m，四z=0.945檐口处：按 H=11.45m，巴=1.038屋顶处：按 H=12.9m ,四z =1.075风载标准值为：%邛 zPs"0T.°*0.8*0.945*°.4=0.302%k邛 z/zT.0*0.5*0.945*0.4*89则作用于排架上的风荷载设计值为：q1=1.4*0.302*6=2.54 kN/mq2T.4*0.189*6=L59 kN/m=1.4*(0.8+0.5)*1.038*0.4*2+(-0.6+0.5)*1.075*0.4*1.45*6=8.54kN风荷载作用下的计算简图如图：4.吊车荷载查荷载规范可知，2台吊车荷载折减系数为0.9Fp max=0.7*(50%Q+10%Q+Q)/2=56kN轮距 W=3000mmFp min=0.3*(50%Q+10%Q+Q)/2=24kN 车宽 B=3500mmppioO1则根据支座反力影响线求出作用于柱上的吊车竖向荷载为：情形一情形二情形一：=0.9*1.4*56*(0.417+0.917+1+0.5)=199.97 kN=0.9*1.4*24*(0.417+0.917+1+0.5)=85.70 kN情形二：=0.9*1.4*56*(0.458+0.958+0.958+0.458)=199.83 kN=0.9*1.4*24*(0.458+0.958+0.958+0.458) =85.64 kN经过比较，设计时采用情况二中的荷载，Dmax=199.97 kNDmin=85.70 kN，作用位置如上图情况一所示。作用于每一轮子上的吊车横向水平刹车力=1.4*0.1/4*(100+100*10%)=3.85 kN=0.9*3.85*(0.417+0.917+1+0.5)=9.82 kN排架计算简图及荷载作用如图:四、内力计算1. 恒荷载作用下的排架内力a. 由q产生的弯矩和轴力G1=358.8kNM11=G1*e1=358.8*0.05=17.94 kN-mM12= G1*e2=358.8*0.2=71.76 kNmI 上=2.13*109mm4I 下=Iy=1.71*10i0mm4n= I 上/I 下=0.125入 堕 1.8/9.3=0.194入入- =1.804- =1.481R11=C1M11/H=1.804*17.94/9.3=3.48kN ()R12=C3M12/H=1.481*71.76/9.3=11.43 kN ()N1=358.8 kNR1=R11+R12=14.91 kN()b. 由柱自重产生的弯矩和轴力上柱：G 上=8.64kNM22= G 上*e2=8.64*0.2=1.73 kNmR2=C3M22/H=1.481*1.73/9.3=0.28 kN()N2=8.64 kN下柱：G下=61 kNN3=61 kN只产生轴力不产生弯矩c. 由G2产生的弯矩和轴力G2=58.56kNM33= G2*e3=58.56*0.22=12.88 kNmR3=C3* M33/H=1.481*12.88/9.3=2.05 kN()N4=58.56 kN恒荷载作用下的计算简图及内力图如下：2. 屋面活荷载作用下的排架内力Q1=50.4 kN与G1作用位置相同，反力成比例Rq=14.91*50.4/358.8=2.09 kN()Miiq=17.94*50.4/358.8=2.52 kN-mMi2q=71.76*50.4/358.8=10.08 kN-mNq=50.4 kN屋面活载下的计算简图及内力图：3.吊车竖向荷载作用下排架内力考虑结构对称性，只考虑Dmax作用于A柱，B柱配筋同A柱。A 柱：MA=Dmax*e3=199.97*0.22=43.99 kN-mB 柱: MB=Dmin*e3=85.70*0.22=18.85 kN-mRa=C3*Ma/H=1.481*43.99/9.3=-7.01 kN()Rb=C3*Mb/H=1.481*18.85/9.3=3.00 kN()剪力分配系数nA=nB=0.5,则A柱与B柱柱顶的剪力为：A 柱：VA= RA-nA(RA+ Rb ) =-7.01-0.5*(-7.01+3.00)=-5.01kN()B 柱：VB= RB-nB(RA+ Rb ) =3.00-0.5*(-7.01+3.00)=5.01kN() 内力图如下：199.97N(KN)4. 吊车水平制动力作用下的排架内力： 考虑对称性，按Fh向左作用计算 柱中1轴力为0。n=0.125入 h=0.194FhA=FhB=Fh=7.39kN吊车梁高600mmy/H 上=(1.8-0.6 )/1.8=0.67 0.778RA=RB=C5Fh=0.778*9.82=7.64 kN考虑空间分配系数m,查表得m=0.80,剪力分配系数nA=nB=Q5计算简图如下:则A柱和B柱的柱顶剪力为：VA=RA-nAm(RA+ Rb)=1.53 kN()VB= Va=1.53 kN()水平荷载作用下内力图(实线为Fh向左，虚线为Fh向右)5. 风荷载作用下排架内力为计算方便，可将风荷载分解为对称及反对称两组荷载。在对称 荷载作用下，排架无侧移，则可按上端为不动较支座进行计算；在反 对称荷载作用下，横梁内力等于零，则可按单根悬臂柱进行计算。柱 作用正风压。如日g二LJ当柱顶作用集中风荷载Fw时：q2.54 kN/m()q2=1.59 kN/m()Fw=8.54 kN()R=1/2Fw=4.27 kN当墙面作用均不风荷载时，二-0.372R3=CiiH*1/2(qi-q2)=1.64当正风压力作用在A柱时横梁内反力R :R= R1+ R3=5.91 kN则A柱的内力M=(Fw-R)l+1/2q1l2M广Mii=(8.54-5.91)*1.8+0.5*2.54*1.82=8.84 kNm Miii=(8.54-5.91)*9.3+0.5*2.54*9.32=134.30 kNm Viii=(Fw-R)+q1l=(8.54-5.91)+2.54*9.3=26.25 kN 当负风压力作用在A柱时，则A柱的内力：M= -Rl-1/2q2l2M广Mii=-5.91*1.8-0.5*1.59*1.82=-13.21 kNmM =-5.91*9.3-0.5*1.59*9.32=-123.72 kNmA柱作用负风压123.72N*m五、内力组合表1 A柱在各种荷载作用下内力汇总表荷载种类恒荷载活荷载风荷载吊车荷载左风右风DmaxD .min35荷载编号12345678I-IM5.711.248.84-13.21-9.02-9.02-3.143.14N367.4450.40000004.760.896.32-9.45-6.45-6.45-2.252.25A306.0836.040.000.000.000.000.000.00II-IIM-54.98.848.84-13.2124.119.83-3.143.14N42650.400199.9785.7000-45.736.326.32-9.4517.247.03-2.252.25354.8636.040.000.00142.9861.280.000.00III-IIIM43.656.83134.30-123.72-13.46-27.74-65.3165.31N48750.400199.9785.7000V12.592.0926.25-20.70-5.01-5.01-6.116.1136.364.8896.02-88.46-9.62-19.83-46.7046.70405.6736.040.000.00142.9861.280.000.0010.491.4918.77-14.80-3.58-3.58-4.374.37注：1.内力的单位是kN-m，轴力的单位是kN，剪力的单位是kN ;2. 表中弯矩和剪力符号对杆端以顺时针为正，轴向力以压为正；3. 表中第1项恒荷载包括屋盖自重、柱自重、吊车梁及轨道自重；4. 组合时第3项与第4项、第5项与第6项、第7项与第八项二者不能同时组合；5. 有Fh作用时必须有Dmax或Dm.n同时作用。表2A柱承载力极限状态荷载效应的基本组合组合荷载组合内力名称I-III-IIIII-IIIMNMNMNV由可变荷载效应控制的组合（简化规则）+Mmax1+0.9(2+3)1+0.9(3+5+7)1+0.9(2+3+5+7)14.782412.8-28.071605.97399.774712.33328.088-Mmax1+0.9(4+6+8)1+0.9(2+4+6+8)1+0.9(4+6+8)-11.471367.44-47.16548.49-33.885564.13-5.05Nmax1+0.9(2+4+6+8)1+0.9(2+3+5+7)1+0.9(2+3+5+7)-10.355412.8-20.115651.33399.774712.33328.088N .min1+0.9(4+6+8)1+0.9(4+6+8)1+4-11.471367.44-56.04503.13-80.07487-8.11注：由永久荷载效应控制的组合：其组合值不是最不利，计算从略。表3 A柱正常使用极限状态荷载效应的标准组合组合荷载组合内力名称I-III-IIIII-IIIMkNkMkNkMkNkVk由可变荷载效应控制的+M, max,k1+3+0.7*21+5+0.6*3+0.7 *71+3+0.7*(2+5+7)11.703331.308-26.27497.8496.372530.98424.73组合（简化规则）中值:活:0.7;风:0.6 ;吊车:0.738-M, max,k1+4+0.7*(6+8)1+4+0.7*(2+6+8)1+4+0.7*(6+8)-7.63306.08-44.26422.98-33.291448.566-3.757N kmax,k1+2+0.6*4+0.7*(6+8)1+5+0.6*3+0.7*(2+7)1+5+0.6*3+0.7*(2+7)-2.96342.12-21.849523.0655.078573.87816.156N k min,k1+4+0.7*(6+8)1+41+3-7.63306.08-55.18354.86132.38405.6729.26注：对准永久组合计算，其值要小于标准组合时的相应对应计算值，故在表中从略。五、排架柱设计以A轴柱计算，B柱参照A配筋根据设计资料：截面尺寸：上柱：400mm*400mm，正方形截面下柱：400mm*800mm 矩形截面材料等级：混凝土 C30f=14.3N/mm2c钢筋 受力筋 HRB400 fy=fy=36N/mm2其余钢筋 HPB300 fy=270 N/mm2计算长度H0 :柱高大于8m，设柱间支撑排架平面内：上柱：2.0*H上=3.6m下柱L0*H下=7.5m排架平面外：上柱：1.25*H上=2.25m 下柱0.8*H下二6m1. 内力组合选择a. 上柱：=0.518N =fbh g =14.3*400*365*0.518=1081.48 kNb c 0、b从内力表I-I截面的控制内力小于Nb。所以属于大偏心受压，故选取弯矩大而轴力较小的情况，筋比较选取该组合M=14.78 kN-mN=412.8 kN。b. 下柱：由于下柱在长度范围内配筋相同，比较II截面及III截面的控制内力，可看出III截面起控制作用。Nb=fcbh0gb = 14.3*400*765*0.518=2266.66 kNIII-III截面控制内力N均小于Nb，属于大偏心受压，选取弯矩较 大而轴力较小的情况，选取内力组合。III-IIIMNV+MmaxN max99.774712.33328.088-Mmax-33.291448.566-3.757N .min-80.07487-8.112.配筋计算(采用对称配筋)a. 上柱：M=14.78 kN-m N=412.8 kNx=N/fcb=412.8*103/(14.3*400)=72.17mme0=Ms/N=14.78*103/412.8*103=35.8mmea=h/30=13.3<20,取 ea =20mme1= e0+ e =55.8mmZ =2.77>1.0,取=10 Z =1.36M=n M =1.36*14.78=20.10 kN.m s se0=M/N=0.51820.10*103/412.8*103=48.69 mme.= e0+ e =68.69 mme=ei+h/2-a=68.69+400/2-35=233.69 mme =nse,-0.5h+0.5x=1.36*68.69-400/2+0.5*72.17=69.97mm=252.17mm2()<pminbh=0.002*400*400=320mm2选用 216 ( A =402mm26200。s),箍筋选用排架主平面外承载力验算l0/b=2250/400=5.63查混凝土规范表6.2.15得卬=1.0Nc=( fcA+fy As) =1.0*(1.43*4002+360*402*2)=2577.44 kN >428.15 kN满足要求。b.下柱：计算方法同上，各系数在不同条件下结果列于下表：内力组合e 0(mm)h0(mm)ei(mm)匚1l 0(mm)h(mm) 2 SM99.774140.07765166.740.78875008001.0N712.333V28.088M-33.29174.22765100.890.55675008001.0N448.566V-3.757M-80.07164.41765191.080.87475008001.0N487V-8.11内力组合ne(mm)x(mm)Zbh0(mm)偏心情况As=As (mm2)计算值实配值M99.7741.227569.5925.47396.27大偏心890.5911N712.333V28.088M-33.2911.264492.5216.04396.27大偏心695.0710二N448.566V-3.757M-80.071.22598.1217.41396.27大偏心732.41804416N487V-8.11排架主平面外承载力验算lo=0.8H=6000,Iy=4.26*109mm4,A 下二400*800=3.2*105mm2i= =115.38mm lo/i=6000/115.38=52查混凝土规范表6.2.15得件0.89Nc=W（ fcA 下+fy，As ） =0.89*（1.43*3.2*105+360*911*2）=9910.33 kN >712.33 kN满足要求3. 裂缝宽度验算截面 I-I，当 Ms=14.78 kNm N=412.8 kN，相应的 e0=40.89mm , =0.112<0.55 ,故不作此项验算截面 III-III 当 M=99.77 kNm N=712.33 kN 相应的 e0=179.5mm， =0.234<0.55，故不作此项验算4. 柱牛腿设计a. 荷载计算Dmax=150.58kNG2=58.56kN 共计 209.14 kNb. 截面尺寸验算Fhk=0 kN，B =0.8，b=400mm，h=600mm，c=380mm，h0=565mm，a=0，ftk=2N/mm2，（ 一）=614.44 kN > 209.14 kNa <45满足要求c. 牛腿配筋由于吊车垂直荷载于下柱截面内，即a=750-800= -50<0，故该牛腿可按构造要求来配筋纵向钢筋取，箍筋取 8100，见下图(c)牛腿局部挤压验算设垫板的长和宽为400mmx400mm，局部压力标准组合值，Fvk=Dmaxk+G2k=199.97/1.4+58.56/1.2=191.64 kN故局部压应力为一二1.20N/mm2<0.75f =0.75*14.3=10.73 N/mm2c5. 柱的吊装验算排架柱吊装简图：a.荷载：考录荷载系数1.2，动力系数1.5 ,重要度0.9qik=1.5*0.9*2.5*10*0.4*0.8=10.8 kN/mq2k=1.5*0.9*2.5*10*0.4*1=13.5 kN/mq3k=1.5*0.9*2.5*10*0.4*0.4=5.4 kN/m下柱自重：=1.2 q1k=12.96 kN/m牛腿自重 q2=1.2 q2k=16.2 kN/m上柱自重：q3=1.2 q3k=6.48 kN/mb. 内力：Mb=1/2*6.48*1.82=10.50 kNmMc=1/2*6.48*2.42+1/2*(16.2-6.48)*0.62=20.41 kNmMf=1/8*10.8*6.92-20.41/2=54.07 kNmc. 截面承载力计算截面1-1b*h=400*400mm2,ho=365mm,As=As=402mm2,fy=360N/mm2故截面承载力：M =A f (h -a )=402*360*(365-35)=47.76 kNm u s / 0 s 7v7>M1=10.50 kNm截面2-2 3-3b*h=400*800mm2,h0=765mm,As=As=1964mm2,fy=360N/mm2故截面承载力：M =A f (h -a )=911*360*(765-35)=239.41 kNm u s y 0 s 7>Mf=54.07 kNmd. 裂缝宽度验算1- 1截面：钢筋应力 =82.25 N/mm2按有效受拉混凝土面积计算的纵向钢筋配筋率=0.005 < 0.01 取 Q=0.01=0.05故一 =0.01mm < 0.3mm (可以)2- 2、3-3 截面：钢筋应力 =89.18 N/mm2按有效受拉混凝土面积计算的纵向钢筋配筋率=0.06故一 =0.01mm < 0.3mm (可以)六、基础设计1.荷载计算a. 由柱传至基顶的荷载第一组：Mmax=99.77kNm , N=712.33kN , V=28.09kN第二组：Mmax=-33.29kNm，N=448.57kN，V=-3.76kN第三组：Mmax=-80.07kN-m , N=487kN , V=-8.11kNb. 由基础梁传至基顶的荷载墙重含两面抹灰1.2*(9.3-1.8*2)*6*(0.24+0.03*2)*1.9*10=233.93 kN窗重 1.2*1.8*2*6*0.5=12.96 kN基础梁重1.2*0.24*0.45*6*25=19.44 kN合计Gwq=266.33 kNGwq对基础地面中心的偏心距ewq= ( 0.24+0.8 ) /2=0.52mMwq=Gwq * ewq=138.49 kN-mc. 作用于基底的弯矩和相应基顶的轴向力设计值分别为假定基础高度为800+50+250=1100mm，则作用于基底的弯矩和相应基顶的轴向力设计值：第一组：Mbot=99.77+1.1*28.09-138.49=-7.82 kN-mN=712.33+266.33=978.66 kN第二组：Mbot=-33.29-1.1*3.76-138.49=-175.92 kNmN=448.57+266.33=714.9 kN第三组：Mbot=-8°.°7-1.1*8.11-138.49=-227.48 kNnN=487+266.33=755.33 kN基础受力情况如下图所示2. 基础尺寸确定由第三组荷载确定l和b=(4.315.48)m2取 l/b=1.5，A=l*b=5.4 m2 解得 b=1.9m取 b=2m，l=1.5*2=3m验算e°<l/6 =°.24<l/6=°.5 (可以)验算其他来年关注荷载设计值作用下的基底压应力 第一组978.66/6+20*1.7-7.82/(1/6*2*32)=194.50kN/m2 <1.2f=1.2*240=288 kN/m2一一二188.12 kN/m2 >0Pm=194.88 kN/m2 < f=240 kN/m2第二组714.9/6+20*1.7+175/(1/6*2*32)=228.15 kN/m2<1.2f=1.2*240=288 kN/m2=107.82 kN/m2 >0Pm=169.69 kN/m2 < f=240 kN/m2因为该车间属于可不作地基变形计算的二级建筑物，所以最后确定基底尺寸为2.0mx3.0m3. 确定基底高度前面已初步切丁基础的高度为1.1m，如采用锥形杯口基础，根 据构造要求，初步确定的基础剖面尺寸由于上阶底面落在柱边破坏锥面内，故该基础进行变阶处的抗冲 击剪切力验算。a.在各个荷载组合设计值作用下的地基最大净反力：第一组： =167.63 kN/m2第二组：=197.55 kN/m2第三组： =164.22 kN/m2抗冲切计算按第二组荷载设计值作用下的地基净反力进行计算。b.在第二组荷载作用下的冲切力冲切力近视按最大地基净反力Psmax计算，即取Psi=Psmax=197.55 kN/m2由于基础宽度b=2m，小于冲切椎体底边宽叩2蠕=1+0.71*2=2.42_ _=(3/2-1.2/2-0.71)*2=0.38mm2F广PsmaxA=197.55*0.38=75.07 kNc. 变阶处的抗冲切力由于基础宽度小于冲切椎体底边宽，故=1.5Fi=0.7 8 hftbmh0=0.7*0.975*1.57*1500*710=1141.17 kN> F=75.07 kN (满足要求)因此，基础的高度及分阶可按上图所示的尺寸采用。4. 基底配筋计算包括沿长边和短边两个方向的配筋计算，由前述三组荷载设计值 作用下最大地基净反力的分析可知，应按第二组荷载设计值作用下的 地基净反力进行计算。而沿短边方向，由于为轴心受压，其钢筋用量 按第一组荷载设计值作用下的平均地基净反力进行计算。a.沿长边方向的配筋计算在第二组荷载设计值作用下，前面已求得Psmax=197.55 kN/m2,相 应于柱边及变阶处的反力=118.53 kN/m2=155.65 kN/m2=6.40mm2选用 1310(10250) , As=1021mm2> 417.96mm2 (可以)b.沿短边方向的计算在第一组荷载设计值作用下，均匀分布的地基土净反力=97.87 kN/mm2 =70.99 kN-m=276.9 mm2 =73.08kN-m=466.26 mm2选用 910(10250) , As=707mm2 >466.26 mm2 (可以)基础底面沿两个方向的配筋如下图所示，由于长边l大于3m , 其钢筋长度可切断10%，如交错布置，钢筋可用同一编号。+G3