单层厂房排架结构设计.docx
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单层厂房排架结构设计
学号2012021129
混凝土结构课程设计
单层厂房排架结构设计
航天与建筑工程学院土木工程杨浩郭庆勇
2014年6月
1.设计资料及要求3
2.结构构件选型、结构布置方案确定说明5
3.定位轴线6
4.计算简图确定6
5.荷载计算7
5.1恒载7
5.2屋面活荷载8
5.3风荷载9
5.4吊车荷载10
6.排架内力分析10
6.1恒载作用下排架内力分析11
6.2屋面活荷载作用下排架内力分析12
6.3风荷载作用下排架内力分析14
6.4吊车荷载作用下排架内力分析16
7.内力组合21
8.柱截面设计24
8.1选取控制截面最不利内力24
8.2上柱配筋计算24
8.3下柱配筋计算25
8.4柱的裂缝宽度验算27
8.5柱的箍筋配置28
8.6牛腿设计28
8.7柱的吊装验算29
9.基础设计30
9.1作用于基础顶面上的荷载计算31
9.2基础尺寸及埋置深度32
9.3基础高度验算33
9.4基础底板配筋计算33
10.参考资料37
单层厂房排架结构设计
1.设计资料及要求
（1）工程概况
某金工装配车间为两跨等高厂房，跨度均为18m，柱距均为6m，车间总长度为66m。
每跨设有起重量为150/30t吊车各2台，吊车工作级别为A5级，轨顶标高9.30m。
厂房无天窗，采用卷材防水屋面，围护墙为240mm厚双面清水砖墙，采用钢门窗，钢窗宽度为4.8m，室内外高差为350mm，素混凝土地面。
建筑平面及剖面分别如图1和图2所示。
（2）结构设计原始资料
厂房所在地点的基本风压为0.4kN/m2，地面粗糙度为B类；基本雪压为0.5kN/m2。
风荷载的组合值系数为0.6，雪荷载的组合值系数为0.6其余可变荷载的组合值
系数均为0.7。
基础持力层为粉土，粘粒含量ρc=0.8,地基承载力特征值fak=180kN/m2，
埋深-2.0m，基底以上土的加权平均重度γm=17kN/m3,基底以下图的重度γ=18kN/m3。
（3）材料
基础混凝土强度等级为C20；柱混凝土强度等级为C30。
柱中纵向受力钢筋采用HRB335级；箍筋和分布钢筋采用HPB300级。
（4）设计要求分析厂房排架内力，并进行排架柱和基础的设计；绘制排架柱和基础的施工图。
（5）
6000600060∞
ILUJLJILjLJL->1I
II
II
IbOoO.60WI600060∞L60003U0bOOO
'PooQII
（bd）d）（bd）d）d）d）（b（⅛）（⅛<⅛
©
图1厂房平面图I
图4厂房剖面图I
2.结构构件选型、结构布置方案确定说明
因该厂房跨度在15?
36m之间，且柱顶标高大于8m，故采用钢筋混凝土排架结构。
为了保证屋盖的整体性和刚度，屋盖采用无檩体系。
由于厂房屋面采用卷材防水做法，故选用屋面坡度较小而经济指标较好的预应力混凝土折线形屋架及预应力混凝土屋面板。
普通钢筋混凝土吊车梁制作方便，当吊车起重量不大时，有较好的经济指标，故选用普通钢筋混凝土吊车梁。
厂房各主要构件选型见表1。
表1主要承重构件选型表
构件名称
标准图集
选用型号
重力荷载标准值
屋
面板
04G410-1
1.5m×6m预应力混凝土屋面板
YWB-2Ⅱ（中间跨）
YWB-2s（端跨）
（包括灌缝重）
天沟板
04G410-1
1.5m×6m预应力混凝土屋面板（卷材防水天沟）
TGB68-1
屋
架
04G415-1预应力混凝土折线型屋架（跨度18m）
YWJA-18-1Aa
70.86N/榀
吊
车梁
04G323-2
钢筋混凝土吊车梁（吊车工作级别为A1-A5）
DL-8Z（中间跨）
DL-8B（边跨）
轨道连接
04G325吊车轨道联结详图
基
础梁
04G320钢筋混凝土基础梁
JL-3
由上图可知，吊车轨顶标高为9.30m。
对起重量为150/30t、工作级别为A5的吊车，当厂房跨度为18m时，可求得吊车的跨度Lk=18—0.75X2=16.5m，由附表4可查得吊车轨顶以上高度为2..05m；选定吊车梁的高度h1.20m，暂取轨道顶面至吊车梁顶面的距离h0.20m，则牛腿顶面标高可按下式计算：
a
牛腿顶面标高=轨顶标高-h-h=9.30—1.20—0.20=7.90m由建筑模数的要求，故牛腿顶面标高取为8.10m。
考虑吊车行驶所需空隙尺寸h=220mm，柱顶标高可按下式计算：
柱顶标高=牛腿顶面标高+h+h+吊车高度+h=8.10+1.20+0.20+2.30+0.22=11.57m
故柱顶（或屋架下弦底面）标高取为11.70m。
取室内地面至基础顶面的距离为0.5m，则计算简图中柱的总高度H、下柱高度H和上柱高度H分别为
H=11.7+0.5=12.2m
H=8.1+0.5=8.6m
H=12.2-8.6=3.6m
根据柱的高度、吊车起重量及工作级别等条件，确定柱截面尺寸，以及由柱的截面
尺寸，可求得柱的截面几何特征及自重标准值，见表2表2柱截面尺寸及相应的计算系数
柱号计算参数
截面尺寸/mm
/mm2
面积
惯性矩
/mm4
自重/
（kN/m）
A，C
上
柱
矩400×400
105
1.6×
4.0
下
柱
I400×900×150
4.69
B
上
柱
矩400×600
6.0
下
柱
1400×1000×15
0
4.94
3.定位轴线
横向定位轴线除端柱外，均通过柱截面几何中心。
对起重量为150/30t工作级别为A5的吊车，可查得轨道中心至吊车端部距离B1=230mm；吊车桥架外边缘至上柱内边缘的净空宽度B2，一般取值不小于80mm。
对中柱，取纵向定位轴线为柱的几何中心，则B3=300mm，故
B2=e-B1-B3=750-230–300=220mm>80mm
符合要求。
对边柱，取封闭式定位轴线，即纵向定位轴线与纵墙内皮重合，则B3=400mm，故
B2=e-B1-B3=750-230–400=120mm>80mm
符合要求。
4.计算简图确定
由于该金工车间厂房，工艺无特殊要求，且结构布置及荷载分布（除吊车荷载外）
均匀，故可取一榀横向排架作为基本的计算单元，单元的宽度为两相邻柱间中心线之间
的距离，即B=6.0m，如图5（a）所示；计算简图如图5（b）所示
图5计算单元和计算简图
屋架重力荷载为106kN/榀，则作用于柱顶的屋盖结构重力荷载设计值为
G=1.2×（3.05kN/m2×6m×18m/2+70.86kN/2）=240.16kN
图6荷载作用位置图（单位：
kN）
5.2屋面活荷载
屋面活荷载标准值为0.5kN/m2，雪荷载标准值为0.5kN/
按前者计算。
作用于柱顶的屋面活荷载设计值为
Q1=1.4×0.5×6m×18m/2=37.80kN
Q1的作用位置与G1作用的位置相同，如图6所示
5.3风荷载
风荷载标准值按下式计算，其中ω0=0.4kN/m2，z=1.0，z根据厂房各部分标高（图4）及B类地面粗糙度确定如下：
柱顶（标高11.70m）z=1.048
檐口（标高13.00m）z=1.084
屋顶（标高10.00m）z=1.112
s如图7所示，可得排架迎风面及背风面的风荷载标准值分别为
22
ω1k=βzμzμs1ω0=1.0×0.8×1.048×0.4kN/m2=0.335kN/m2
22
ω1k=βzμzμs1ω0=1.0×0.8×1.048×0.4kN/m2=0.335kN/m2
图7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7）上的风荷载设计值为：
22
q1=1.4×0.335kN/m2×6m=2.81kN/m2
22
q2=1.4×0.168kN/m2×6m=1.41kN/m2
Fw=γQ[（μs1+μs1）μzh1+（μs3+μs4）μzh2]βzω0B
2
=1.4×[（0.8+0.4）×1.129×2.3+（-0.6+0.5）×1.17×1.0]×1.00.4kN/m2×6.0m=
图8吊车荷载作用下支座反力影响线
5.4吊车荷载
由给定吊车150/30t，可知吊车参数为：
对于AB跨：
B=5.65m,K=4.40m,g=53.0kN,Q=150kN,Fp,max=165kN,Fp,min=34kN
根据及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8所示。
①吊车竖向荷载吊车竖向荷载设计值：
Dmax=γQFp,maxΣyi=1.4×165kN×（1+0.792+0.267+0.058）=489.03kN
Dmin=γQFp,minΣyi=1.4×34kN×（1+0.792+0.267+0.058）=100.77kN
②吊车横向水平荷载：
作用于每个轮子上的吊车横向水平制动力为：
T=1/4α（Q+g）=1/4×0.1×（150kN+53kN）=5.075kN作用于排架柱上吊车横向水平荷载设计值为：
Tmax=γQTΣyi=1.4×5.075kN×2.117=15.04kN
6.排架内力分析
该厂房为单跨等高排架，可用剪力分配法进行排架内力分析。
其中柱的剪力分配系
n
i11i
i1
式中：
1i——第i根排架的抗侧移刚度。
其结果见表3表3柱剪力分配系数
柱别
nIuIlHuH
C03131n1
H3C0EIl
i1i
i1i
A，C柱
n=0.109
λ=0.295
C0=2.480
δA=δC=0.206×10-10H3/E
ηA=
ηC=0.287
B柱
n=0.281
λ=0.295
C0=2.815
δA=0.139×10-10H3/E
ηB=0.426
6.1恒载作用下排架内力分析恒载作用下排架的计算简图如图9（a）所示。
G1G1240.16kN
；G2G3G453.16kN17.82kN70.98kN;
G3G5A40.84kN;G42G1480.32kN
G52G3G4B253.1625.92128.52kN
G6G5B50.98kN;
M1G1e1240.160.0512.01kN;；
M2（G1G4）e0G3e3
（240.1617.82）0.2553.160.3
48.58kNm
如图9所示，排架为对称结构且作用对称荷载，排架结构无侧移，故各柱可按柱顶为不动铰支座计算内力。
柱顶不动铰支座反力Ri计算如下：
对于A，C柱，n0.109，0.295则：
31
（1）312
C13n2.122;C3311.132
12313231
213
（1）213
（1）
nn
M1M2
RA1C12C36.32kN;RC6.32kN
HH
求得Ri后，可用平衡条件求出柱各截面的弯矩和剪力。
柱各截面的轴力为该截面以重力荷载之和，恒载作用下排架结构的弯矩图和轴力图分别见图9（b）、（c）。
图9（d）为排架柱的弯矩、剪力和轴力的正负号规定
图9恒载作用下排架的内力计算简图及内力图
6.2屋面活荷载作用下排架内力分析
（1）AB跨作用屋面活荷载
排架计算简图如图10（a）所示
其中Q137.8kN，它在柱顶及变阶处引起的力矩为：
M1AQ1e37.80.051.89kNm;M2A37.80.259.45kNm
M1BQ1H37.80.155.67kNm
对于A柱，C12.122,C31.132,则
RAM1AC1M2AC36.32kN（）对于B柱，n0.281，0.295，
21
312（11）
C1n1.721
213（11）
n
M1B5.671.721
RB1BC10.80kN（）
BH112.2则排架柱顶不动铰支座总反力为：
RRARB1.210.802.01kN（）
将R反向作用于排架柱顶，用下式计算相应的柱顶剪力，并于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：
VARAAR1.210.2872.010.63kN（）
VBRBBR0.800.4262.010.06kN（）
VCCR0.2872.010.58kN（）
图10AB跨作用屋面活荷载时排架的计算简图及内力图
（2）BC跨作用屋面活荷载
由于结构对称，且BC跨与AB跨作用荷载相同，故只需将图10中各内力图的位置
及方向调整一下即可，如图11所示
图11BC跨作用屋面活荷载时排架的计算简图及内力图
6.3风荷载作用下排架内力分析
（1）左吹风时
排架计算简图如图12（a）所示
对于A，C柱，已知n0.109，0.295则：
314（11）
C11n0.329
813（11）
n
RAq1HC112.8112.20.32911.28kN（）
RCq2HC111.4112.20.3295.66kN（）
RR1RCFw11.285.669.6826.62kN（）各柱顶剪力分别为：
VARAAR11.280.28726.623.64kN（）
VBBR0.42626.6211.34kN（）
VCRCCR5.660.28726.621.98kN（）排架弯矩图如图12（b）所示：
图12左吹风时排架的计算简图及内力图（kNm）
（2）右吹风时
计算简图如图13（a）所示。
将图12所示A，C柱内力图对换且改变内力符号后可得，如图13（b）所示。
（1）D作用于A柱
Dmax
计算简图如图14（a）所示
其中，吊车竖向荷载Dmax，Dmin在牛腿顶面处引起的力矩为：
MADmaxe3489.03kN0.3m146.71kNm
MBDmine3100.77kN0.75m75.58kNm
对于A柱，C31.132，则：
RAMAC3146.71kNm1.13213.61kN（）
对于B柱，n0.281，0.305则：
2
C3311.285
213（11）n
MB75.58kNm
RBBC31.2857.96kN（）
BH312.2m
RRARB13.617.965.65kN（）
排架各柱剪力为：
VARAAR13.610.287（5.65）11.99kN（）
VBRBBR7.960.426（5.65）10.37kN（）
VCCR0.287（5.65）1.62kN（）
排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力值如图14（b）、（c）所示：
图14Dmax作用在A柱时排架计算简图及内力图
（2）Dmax作用于B柱左
计算简图如图15所示
其中，吊车竖向荷载Dmin，Dmax在牛腿顶面处引起MA，MB为：
MADmine3100.77kN0.3m30.23kNm
MBDmaxe3489.03kN0.75m366.77kNm
柱顶不动铰支反力RA，RB及总反力R分别为：
RA
MA
30.23kNm
12.2
1.1322.80kN（）
RBMBC3366.77kNm1.28538.63kN（）
BH312.2m
RRARB2.8038.6335.83kN（）
排架各柱顶剪力为：
VARAAR2.800.28735.8313.08kN（）
VBRBBR38.630.42635.8323.29kN（）
VCCR0.28735.8310.28kN（）
排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力值如图15（b）、（c）所示。
图15Dmax作用在B柱左时排架计算简图及内力图
（3）Dmax作用于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“Dmax作用于B柱左”的情况相同，只需将A，C柱内力对换并改变全部弯矩及剪力符号，如图16所示
同理，将“Dmax作用于A柱”的情况的A，C柱内力对换，并注意改变符号，可求得
各柱的内力，如图17所示
图17Dmax作用在C柱时排架计算简图及内力图
（5）Tmax作用于AB跨柱
计算简图如图18（a）所示
对于A柱，n0.109，0.305，查表得a（3.61.2）/3.60.667，则
RATmaxC515.040.72610.91kN
同理，对于B柱，n0.281，0.295，查表得a（3.61.2）/3.60.667，则
RATmaxC515.040.72510.90kN
排架柱顶总反力为：
RRARB10.9110.9021.81kN（）
各柱顶剪力为：
VARARA10.910.28721.81kN4.65
VBRBBR10.900.42621.81kN0.82（）
VCCR0.28721.81kN6.26（）
排架各柱的弯矩图及柱底剪力值如图18（b）所示。
图18Tmax作用在AB跨时排架计算简图及内力图
6）Tmax作用于BC跨柱
由于结构对称性及吊车吨位相等，故排架内力计算与“Tmax作用于AB跨柱”的情况相同，只需将A，C柱内力对换，如图19（b）所示。
图19Tmax作用在BC跨时排架计算简图及内力图
7.内力组合
由于排架单元为对称结构，可仅考虑A柱截面，荷载内力汇总表见表4，内力组合见表5，这些表中的控制截面及正号内力方向如表4中的例图所示。
对主进行裂缝宽度验算时，内力采用准永久值，同时只需要对eoho0.55的柱进行验算。
表4A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
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
⑩
?
Ⅰ－Ⅰ
M
10.74
0.38
2.09
－43.16
－47.09
37.08
－5.83
±1.30
±22.61
5.10
-16.26
N
257.98
37.8
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Ⅱ－Ⅱ
M
-37.84
-9.07
2.34
103.55
－16.36
37.08
－5.83
±1.30
±22.61
5.10
-16.26
N
311.14
37.8
0
489.03
100.77
0
0
0
0
0
0
Ⅲ－Ⅲ
M
16.51
-3.65
7.08
-0.43
－129.35
125.42
－19.76
±90.76
±76.62
164.71
-129.0
9
N
359.98
37.8
0
489.03
100.77
0
0
0
0
0
0
V
6.82
0.63
0.58
－11.99
－13.08
10.28
－1.62
±10.39
±6.26
30.64
-19.18
注：
M（单位为kN·m），N（单位为kN），V（单位为kN）
表5A柱内力组合表
截面
＋Mmax及相应N，V
－Mmax及相应N，V
Nmax及相应M，V
Nmin及相应M，V
Mq，Nq
Ⅰ－Ⅰ
M
①＋0.9×⑥+（②+③）×0.7+0.9×0.
7×⑨＋⑩×0.6
63.16
①/1.2＋0.8×⑤
+0.8×0.7×⑦
+0.7×0.9×○9
+?
×0.6
-55.99
1.35①/1.2＋（②+
③）×0.7+0.9×0.7×⑥+0.6×○10
54.47
①/1.2+0.9×⑥+③×0.7+0.9×0.7×⑨+⑩×0.6
61.10
Mq=31.
97Nq=214
.98
N
284.44
214.98
316.69
214.98
Ⅱ－Ⅱ
M
○1/1.2+0.8×○4+0.7×○3+0.7×0.8×
○6
+0.7×0.9×○9+0.6×○10
90.84
1.35○1
/1.2+0.9×○9+0.7×○2
+0.7×0.8×
（○5+○7）+0.6×○10
-91.73
○1+0.9×○4+0.7×（○2
+○3）+0.7×0.9×○8+0.6×○10
54.35
○1/1.2+0.9×○9+0.7×0.9×○7
+0.6×○10
-65.31
N
259.28
432.92
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