单层工业厂房排架结构设计.doc

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1、目 录1 设计任务21.1 设计题目21.2 设计内容21.3 设计要求21.4 设计资料22 结构选型43 荷载计算53.1 恒载53.2 屋面活荷载63.3 风荷载63.4 吊车荷载74 排架内力分析84.1 恒荷载作用下排架内力分析84.2 屋面活荷载作用下排架内力分析104.3 风荷载作用下排架内力分析144.4 吊车荷载作用下排架内力分析175 内力组合236 柱截面设计（A柱）266.1 上柱配筋计算266.2 下柱配筋计算276.3 柱裂缝宽度验算296.4 牛腿设计306.5 牛腿吊装验算317 基础设计337.1 作用于基础顶面上的荷载计算337.2 基础尺寸及埋置深度347

2、.3 基础高度验算367.4 基础底板配筋验算371 设计任务1.1 设计题目单层工业厂房排架结构设计1.2 设计内容1、确定剖面尺寸和结构布置，包括支撑、圈梁、连系梁、基础梁等。2、构件选型。3、排架内力计算：确定计算简图，荷载计算；各种荷载下的内力计算；绘制内力图。4、内力组合。5、设计某柱及柱下单独基础。6、绘制结构施工图一张A1，内容包括： 厂房平面结构布置图：要求从牛腿顶面处剖开。 排架柱的配筋图和模板图。 柱下独立基础的配筋图和模板图。 结构说明。1.3 设计要求1、计算书书写工整，插图应按一定比例绘制，图文并茂，纸张规格为A4；2、图纸应符合房屋建筑制图统一标准（GB/T 500

3、012001）和建筑结构制图标准（GB/T 501052001）的要求。1.4 设计资料设地点为长沙市郊某地，厂区地形平坦，工程地质条件均匀，地基为亚粘性土，其承载力标准值为，最高地下水位在地表以下15m。主要设计参数如下：1、 跨度见表1.1，柱距为6m，厂房纵向长度为66.48m。2、 每跨内设有二台双钩桥式起重机（），额定起重量、轨顶标高见表1.1。表1.1 分组情况表梁 号跨度（m）吊车起重量（kN）轨顶标高（m）L130300/5011.4L230200/503、 屋面构造为：防水层（六层作法，二毡三油铺绿豆砂）找平层（20mm厚水泥砂浆）预应力混凝土大型屋面板4、 围护结构采用24

4、0mm厚粘土墙（双面粉刷）。在牛腿顶面标高处设一道连系梁，支承在边柱外侧的牛腿上，用以承受上部墙重，吊车梁以上设高侧窗，洞口尺寸为3.62.1m（4.8），吊车梁以下设低侧窗，洞口尺寸为宽3.6m，高4.8m，圈梁设在柱顶处。5、 材料排架柱：混凝土：C30钢筋：纵向受力钢筋HRB400级，箍筋HPB235级柱下单独基础：混凝土C15或C20钢筋：HPB235级相关资料见表1.2：表1.2 主要构件选型起重量Q/kN跨度Lk/m尺寸吊车工作级别A4宽度B/mm轮距K/mm轨顶以上高度H/mm轨道中心至端部距离Bl/mm最大轮压Fp,max/kN最小轮压Fp,min/kN起重机起重量G/kN小车

5、总质量g/kN300/5028.566505250260030032088515117200/5028.564005250230026024065410756、 设计剖面尺寸2 结构选型该厂房跨度在1536之间，且柱顶标高大于8m，故采用钢筋混凝土排架结构。为了使屋盖具有较大的刚度，选用预应力混凝土折线形屋架及预应力混凝土屋面板。选用钢筋混凝土吊车梁及基础梁。厂房的各主要构件选型见表2.1表2.1 主要承重构件选型表构件名称标 准 图 集重力荷载标准值屋面板G410（一）1.5m6m预应力混凝土屋面板1.40kN/m2（包括灌缝重）天沟板G410（三）1.5m6m预应力混凝土屋面板（卷材防水天

6、沟板）1.91kN/m2屋 架G415（三）预应力混凝土折线形屋架（跨度30m）139.5 kN/榀0.05 kN/m2（屋盖钢支撑）吊车梁G323（二）钢筋混凝土吊车梁（吊车工作级别为A4）39.5kN/根轨道连接G325（二）吊车轨道联结详图0.80kN/m基础梁G320钢筋混凝土基础梁16.7kN/根由表1.1知轨顶标高为11.4米，由设计剖面尺寸可知轨顶至柱顶的高度为3.3米，牛腿顶面标高为10.2m，设室内地面至基础顶面的距离为0.5米，则计算简图中柱的总高度H、下柱高度Hl和上柱的高度Hu分别为：H=11.4m+3.0m+0.5m=15.2mHl=10.2m+0.5m=10.7mH

7、u =15.2m-10.7m=4.5m表2.2柱截面尺寸及相应的参数计算参数柱号截面尺寸/mm面积/mm2惯性矩/mm4自重/（kN/m）A上柱矩5005002.510552.081086.25下柱I 50010001002002.7105348.921086.75B上柱矩5006003105901087.5下柱I 50012001002002.91055571087.25C上柱矩500400210526.671085下柱I 50010001002002.7105348.921086.753 荷载计算 3.1 恒载(1) 屋盖自重二毡三油防水层铺绿豆砂 0.35kN/m220mm水泥砂浆找平层

8、 20 kN/m20.02m=0.4kN/m2预应力混凝土大型屋面板 1.40kN/m2屋架钢支撑 0.05kN/m22.2kN/m2屋架重力荷载为139.5kN/榀，则作用于柱顶的屋盖结构的重力荷载设计值为：G1=1.2（3.15 kN/m26m30m/2+139.5kN/2）=423.9kN(2) 吊车梁及轨道重力荷载设计值G3=1.2（39.5kN+0.8 kN/m6m）=53.16kN(3) 柱自重重力荷载设计值A柱上柱G4A=1.26.25kN/m4.5m=33.75kN下柱G5A=1.26.75kN/m10.7m=86.67kNB柱上柱G4B=1.27.5kN/m4.5m=40.5

9、kN下柱G5B=1.27.25kN/m10.7m=93.09kNC柱上柱G4C=1.25kN/m4.5m=27kN下柱G5C=1.26.75kN/m10.7m=86.67kN3.2 屋面活荷载屋面活荷载的标准值是0.5KN/m2，作用于柱顶的屋面活荷载设计值： Q1=1.40.5 kN/m26m30/2=63kNQ1的作用位置与G1作用位置相同。3.3 风荷载风荷载标准值按k=zsz0计算，其中0=0.4kN/m2, z=1.0，z根据厂房各部分标高及B类地面粗糙度由附表5.1确定如下：柱顶（标高14.70m） z=1.132檐口（标高16.50m） z=1.173屋顶（标高18.00m） z

10、=1.206 s如图3.2所示，由式k=zsz0可得排架的风荷载的标准值：k1=zs1z0=1.00.81.1320.4=0.362kN/m2k2=zs2z0=1.00.41.1320.4=0.181kN/m2图3.2 风荷载体型系数和排架计算简图则作用于排架计算简图上的风荷载设计值为： q1=1.40.3626=3.04kN/m q2=1.40.1816=1.52kN/m FW=Q(s1+s2)zh1+(s3+s4)zh2 z0B =1.4(0.8+0.4)1.1731.8m+(-0.6+0.5)1.2061.5m1.00.4 kN/m26.0m=7.91KN3.4 吊车荷载由表1.2可查得

11、300/50吊车的参数为：B=6.65m，K=5.25m，g=117kN，Q=300kN，Fp,max=320kN，Fp,min=88kN；200/50吊车的参数为：B=6.4m，K=5.25m，g=75kN，Q=200kN，Fp,max=240kN，Fp,min=65kN。根据B及K，可算得吊车梁支座反力影响线中各轮压对应点的竖向坐标值，如图3.3所示。(1) 吊车的竖向荷载AB跨Dmax=QFp,maxyi=1.4320kN(0.767+1+0.125)=847.62kNDmin=QFp,minyi=1.488kN1.892=233.1kNBC跨Dmax=QFp,maxyi=1.4240k

12、N(0.808+1+0.125)=649.49kNDmin=QFp,minyi=1.465kN1.933=175.9kN(2) 吊车的横向荷载AB跨作用于每一个轮子上的吊车横向水平制动力计算（由于软钩吊车起重量在160500kN时，=0.10）：T=1/4（Q+g）=1/40.1(300kN+117kN)=10.425kN作用于排架柱上的吊车横向水平荷载设计值为TmaxQTyi=1.410.425kN1.892=27.61kNBC跨作用于每一个轮子上的吊车横向水平制动力计算（由于软钩吊车起重量在160500kN时，=0.10）：T=1/4（Q+g）=1/40.1(200kN+75kN)=6.8

13、75kN作用于排架柱上的吊车横向水平荷载设计值为TmaxQTyi=1.46.875kN1.933=18.61kN4 排架内力分析表4.1 柱剪力分配系数柱别A柱B柱C柱4.1 恒荷载作用下排架内力分析恒载作用下排架的计算简图如图4.1所示，途中的重力荷载及力矩M是根据图3.1确定的，即 ； ； 该厂房为双跨等高排架，偏心力矩作用下，各柱的弯距和剪力可用剪力分配法计算。对于A柱，则 对于C柱，则本例中。求得恒载作用下排架结构的弯矩图和轴力图见图4.1图4.1 恒载作用下排架内力图4.2 屋面活荷载作用下排架内力分析(1)AB跨作用屋面活荷载排架计算简体如图4.2所示。其中Q1=63kN，则在柱顶

14、及变阶处引起的力矩为：对于A柱，对于B柱，则排架柱顶不动铰支座总反力为：将R反作用于排架柱顶，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与AB跨时的柱顶剪力，即 排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力如图4.2所示。图4.2 AB跨作用屋面活荷载时排架内力图(2)BC跨作用屋面活荷载排架计算简体如图4.3所示。其中Q1=63kN，则在柱顶及变阶处引起的力矩为：对于C柱， 对于B柱，则排架柱顶不动铰支座总反力为：将R反作用于排架柱顶，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与AB跨时的柱顶剪力，即 排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力如图4.3所示:图

15、4.3 BC跨作用屋面活荷载时排架内力图4.3 风荷载作用下排架内力分析（1）左吹风时对于A柱，得 对于C柱，得 各柱顶剪力分别为：取上柱柱底控制截面及下柱柱底截面为弯矩控制截面，有A柱：B柱：C柱：柱底剪力为排架内力图如图4.4所示。图4.4 左吹风时排架内力图（2）右吹风时对于A柱， 对于C柱， 各柱顶剪力分别为：取上柱柱底控制截面及下柱柱底截面为弯矩控制截面，有A柱：B柱：C柱：柱底剪力为排架内力图如图4.5所示。图4.5 右吹风时排架内力图4.4 吊车荷载作用下排架内力分析（1）Dmax作用于A柱计算简图如图4.6所示。其中吊车竖向荷载Dmax，Dmin在牛腿顶面处引起的力矩为：对于A

16、柱，则对于B柱，由表2.5.2得：排架各柱顶剪力分别为： 排架各柱的弯矩图、轴力图及底面剪力图如图4.6所示。 图4.6 Dmax作用在A柱时排架内力图（2）Dmax作用于B柱左计算简图如图4.7所示。MA，MB计算如下： 柱顶不动铰支座反力RA、RB及总反力R分别为 排架各柱顶剪力分别为： 排架各柱的弯矩图、轴力图及底面剪力图如图4.7 图4.7 Dmax作用在B柱左时排架内力图（3）Dmax作用于B柱右计算简图如图4.8所示。MB，MC计算如下：柱顶不动铰支座反力RB、RC及总反力R分别为 排架各柱顶剪力分别为： 排架各柱的弯矩图、轴力图及底面剪力图如图4.8所示。 图4.8 Dmax作用

17、在B柱右时排架的内力（4）Dmax作用于C柱计算简图如图4.9所示。MB，MC计算如下：柱顶不动铰支座反力RB、RC及总反力R分别为 排架各柱顶剪力分别为： 排架各柱的弯矩图、轴力图及底面剪力图如图4.9所示。图4.9 Dmax作用在C柱时排架的内力（5）Tmax作用于AB跨柱当AB跨作用吊车横向水平荷载时，排架计算简图4.10所示。对于A柱，由表2.5.3得a=(4.5-1.2)/4.5=0.733，则C5=0.570RA=TmaxC5=27.61kN0.57=15.74kN()同理，对于B柱，a=0.733，C5=0.611，则RB=TmaxC5=27.61kN0.611=16.87kN(

18、)排架柱顶总反力R为：R= RA+ RB=15.74kN16.87kN32.61kN各柱顶剪力为：VA= RAAR=15.74kN0.24332.61kN=7.82kN()VB= RBBR=16.87kN0.43832.61kN =2.59kN()VC=C R =0.31932.61=10.40kN() 排架各柱的弯矩图及柱底剪力图如图4.10所示。当Tmax方向相反时，弯矩图和剪力图只改变符号，方向不变。 图4.10 Tmax作用在AB跨时排架内力图（6）Tmax作用于BC跨柱当BC跨作用吊车横向水平荷载时，排架计算简图4.11所示。对于B柱，a=0.733，C5=0.611，则RB=Tma

19、xC5=18.61kN0.611=11.37kN()同理，对于C柱，a=0.733，C5=0.540，则RC=TmaxC5=18.61kN0.54=10.05kN()排架柱顶总反力R为：R= RB+ RC=11.37kN10.05kN21.42kN()各柱顶剪力为：VA= AR=0.24321.42kN=5.20kN ()VB= RBBR=11.37kN0.43821.42kN =1.99kN()VC= RCCR =10.05kN0.31921.42kN=3.22kN()排架各柱的弯矩图及柱底剪力图如图4.11所示。 图4.11 Tmax作用BC跨时排架内力图5 内力组合以A柱内力组合为例，内

20、力组合按计算。除及相应的M和N一项外，其他三项均按式计算求得最不利内力值；对于及相应的M和N一项外，-和-截面均按（）求得最不利内力值，二I-I截面按求得最不利内力。对柱进行裂缝验算时，内力采用保准值，且只对的柱进行验算，结果如表5.1、表5.2所示。表5.1 A柱内力设计值汇总表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AB跨作用在BC跨Dmax作用在A柱Dmax作用在B柱左Dmax作用在B柱右Dmax作用在C柱Tmax作用在AB跨Tmax作用在BC跨左风右风序号M15.980.634.6471.7877.0939.020.682.6623.46.03-13.64N457.65

21、63.00000000000M-85.14-15.124.64140.1212.5139.020.682.6623.46.03-13.64N510.8163.000847.62233.10000000M53.64-1.6415.6630.55188.82131.782.28206.6979.4226.84-169.66N597.4863.000847.62233.10000000V12.971.260.7215.9515.738.670.1519.795.2038.03-22.71注：M（单位为kNm），N（单位为kN），V（单位为kN）表5.2 A柱内力组合表截面Mmax及相应N，VMmax

22、及相应N，VNmax及相应M，VNmin及相应M，VMK，NK备注M0.9+0.9（）76.710.90.8（）0.9-71.240.9+0.9）48.980.9+0.9()76.1456.29Nmax一项，取1.35SGK0.71.4SQKN514.35457.65558.96457.65381.38M0.90.8()0.972.400.90.8()0.9-139.480.940.970.90.9（）-116.9N1121.10735.341273.67510.81M0.90.8()0.9556.190.9+0.8（）0.9-450.540.981.140.90.9（）442.95N1207

23、.77822.011360.34597.48V58.63-33.80-1.3959.08MK403.66-315.4364.34322.78NK933.82658.281042.80497.90VK43.42-22.600.5543.74注：M（单位为kNm），N（单位为kN），V（单位为kN）6 柱截面设计（A柱）混凝土强度等级为C30，fc=14.3N/mm2，ftk=2.01N/mm2。采用HRB400级钢筋，fy= fy=360 N/mm2，b=0.518。上、下柱均采用对称配筋。6.1 上柱配筋计算查表5.2可见，上截面柱共有4组内力。取=500mm-40mm=460mm。经判别3组

24、大偏心受压，只有（）一组为小偏心受压，且，故按此组内力计算时为构造配筋。对三组大偏心受压内力，选取弯矩较大且轴力较小一组，即取查表得有吊车厂房排架方向上柱的计算长度=24.5m=9.0m。附加偏心距取20mm。由，故应考虑偏心距增大系数，取。 取进行计算。选420（），则=615/（500mm500mm）=0.250.2%，满足要求。查表得垂直于排架方向柱的计算长度=1.254.5m=5.625m,则=5625mm/500mm=11.25, =0.98。满足弯矩作用平面外的承载力要求。6.2 下柱配筋计算取h0=1000-40=960mm，与上柱分析办法相似，在表5.2的8组内力中选择两组最不

25、利内力： （1）按计算下柱计算长度去=1.0=1.010.7=10.7m,附加偏心距=1000mm/30=33.3mm(大于20mm)。b=100mm, =400mm,=150mm。由，故应考虑偏心距增大系数。且取。取。故为大偏心受压。先假定中和轴位于翼缘内，则 ，且中和轴位于翼缘内。（2）按计算由，故应考虑偏心距增大系数。且取。取。故为大偏心受压。先假定中和轴位于翼缘内，则 ，且中和轴位于翼缘内。综合上述计算结果，下柱选用420,则=1256/500mm1000mm）=0.250.2%，满足要求。查表得垂直于排架方向柱的计算长度=0.810.7m=8.56m,则=8560/500mm=17,

26、 =0.84。满足弯矩作用平面外的承载力要求。6.3 柱裂缝宽度验算规范规定，对e0/h00.55的柱应进行裂缝宽度验算。在A柱只有下柱出现e0/h00.55的内力，故应进行裂缝宽度验算。验算过程见表6.1，其中上柱As615mm2，下柱As1256mm2；Es2.0105kN/mm2；构件受力特征系数cr2.1；混凝土保护层厚度c取25mm。表6.1柱的裂缝宽度验算表柱截面下柱内力标准值322.78497.9/mm6480.55ho0.0096 Fvk所以所选的尺寸满足要求。(3)牛腿配筋计算纵向受拉钢筋总截面面积As：由于a =0；因而该牛腿可按构造要求配筋，根据构造要求，Asminbh=

27、0.002500mm600mm=600 mm2;根据规定，纵向受拉钢筋As的最小配筋率为0.002bh；实际选用414（As=616mm2）水平箍筋选用100的双肢筋。根据构造要求，牛腿水平箍筋100：2h0 /3=2565/3=377mm2h0 范围内有4根箍筋，其水平截面面积为1根钢筋的计算截面面积50.3 mm24250.3=402.4 mm2 As/2=616/2=308 mm2 ，满足构造要求。6.5 牛腿吊装验算采用翻身起吊，吊点设在牛腿下部，混凝土达到设计强度后起吊。规范可知当hc(柱截面场边尺寸，800mm2hc1000 mm2)插入杯口深度为h1=0.9hc且800mm,h1

28、=0.91000mm=900mm,取h1 =900mm则柱吊装时的总长度为4.5+10.7+0.9=16.1m.。柱吊装阶段的荷载为柱自重重力荷载（应考虑动力系数）即柱吊装阶段的荷载为柱的自重重力荷载（考虑动力系数），即 q1Gq1k1.51.356.25kN/m12.67kN/mq2Gq2k1.51.35(0.5m1.1m25kN/m3)27.84kN/mq3Gq3k1.51.356.75kN/m13.67kN/m在上面荷载作用下，柱各控制截面的弯矩为：由：令，得=59.96kN/13.67kN/m=4.39m，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6.2。表6.2 柱吊

29、装阶段承载力及裂缝宽度验算表柱 截 面上 柱下 柱128.28（95.02）167.50（124.07）229.820.9128.28=115.45505.740.9167.50=150。75156.2101.510.26-0.00990.2取0.20.060.2（满足要求）0.050.2（满足要求）7 基础设计建筑基地基础设计规范规定，对于6 m柱距地单层多跨厂房，基地承载力特征值160KN/m2fk(180 KN/m2) 200 KN/m2,吊车起重量200300KN，厂房跨度l30m,设计等级为丙级时，可不做地基变形验算基础混凝土强度等级采用C20，下设100 m m厚C10的素混凝土垫

30、层。7.1 作用于基础顶面上的荷载计算 图7.1 基础截面尺寸(1)作用于基础顶面上的荷载计算作用于基础顶面上的荷载包括柱底传给基础的M，N，V以及外墙自重重力荷载，前者可由内力组合表的截面选取，见表7.1，其中内力标准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见图(2)基础面积计算作用于基础顶面上的荷载包括柱底（-截面）传给基础的M，N，V以及外墙自重重力荷载（其中B柱无墙自重重力荷载）。基础设计的不利内力见表8，其中内力组合标准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。 表7.1柱下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1

31、组556.191207.7758.63403.66933.8243.42第2组-450.54822.01-33.80-315.43658.28-22.60第3组81.141360.34-1.3964.341042.800.55由上图可见，A列柱每个基础承受的外墙总宽度为6.0m，总高度为h=16.5m+0.05m=16.55m，墙体为240mm实心砖墙（19KN/m），钢框玻璃窗（0.45KN/m），基础梁重量为16.7kN/根。每个基础承受的由墙体传来的重力荷载为：240mm厚砖墙 钢框玻璃窗 基础梁 16.70kN 距基础形心的偏心距为：=（240mm+1000mm）/2=620mm7.2

32、 基础尺寸及埋置深度（1） 按构造要求拟定高度h查表得柱的插入深度，。查表得杯底厚度应不小于250mm，取=300mm,则h=950mm+300mm+50mm=1300mm。基础顶面标高为0.500m,故基础埋置深度为：d=h+0.5m=1.300m+0.5m=1.800m杯壁厚度t350mm,取375mm；基础边缘高度取400mm,台阶高度取450mm。（2） 拟定基础底面尺寸适当放大，取。（3） 计算基底压力及验算地基承载力基底压力按计算，计算结果见表7.2验算地基承载力，其中 表7.2 柱基础底面压力计算及地基承载力验算表类 别第1组第2组第3组403.6664.34322.78933.

33、821042.80497.9043.42-24.2943.741690.041414.51799.02232.31-572.61-162.75192.33120.64214.3442.61191.69141.46156.48180192.33216130.97180214.34216166.581801916912167.3 基础高度验算基础高度验算采用基底净反力设计值按计算，第二组内力800mm，由线性内插法得1.0；则由式得：故基础高度满足要求。7.4 基础底板配筋验算（1） （1）柱边及变阶处基底反力计算基础底板配筋计算时长边和短边方向的计算截面如下图所示。三组不利内力设计值在柱边及变阶

34、处的基底净反力计算见表7.4。其中1、3组内力产生的基底反力示意图见图20，第2组内力产生的基底反力示意图见图19；用表中公式计算第2组内力产生的时，相应的2.3/3.6和2.7/3.6分别用2.252/3.552和2.652/3.552代替，且。表7.4 柱边及变阶处基底净反力计算公 式第1组第2组第3组168.05148.69175.10180.36175.38181.76188.05192.06185.92194.21205.41189.24152.66116.94166.79（2）柱边及变阶处弯矩计算（3）配筋计算基础底板受力钢筋采用HPB235（）。长边方向钢筋面积为：选用14100（）基础底板短边方向钢筋面积为：选用14100（）由于，所以不需要配筋。