单层工业厂房课程设计计算书.docx
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单层工业厂房课程设计计算书
单层工业厂房结构课程设计计算书
学号:
学院:
水利与建筑
专业:
土木工程
班级:
1103
姓名:
一.设计资料
1.某金工车间,单跨无天窗厂房,厂房跨度L=24m,柱距为6m,车间总长度为120m,中间设一道温度缝,厂房剖面图如图所示:
2.车间内设有两台双钩桥式起重机,吊车起重量为200/50kN。
3.吊车轨顶标高为9、6m。
4.建筑地点:
哈尔滨。
5.地基:
地基持力层为亚粘性层,地基承载力特征值为fak=180kN/m2。
最高地下水位在地表15m。
6.材料:
混凝土强度等级为C30,纵向钢筋采用HRB400级,(360N/mm2)箍筋采用HPB235级。
(300N/mm2)
二、选用结构形式
1.钢屋盖,采用24米钢桁架,桁架端部高度为1、2m,中央高度为2、4m,屋面坡度为
,屋面板采用彩色钢板,厚4mm。
2.预制钢筋混凝土吊车梁与轨道链接
采用标准图G325,中间跨DL-9Z,边跨DL-9B,梁高
。
轨道连接采用标准图集G325
3.预制钢筋混凝土
取轨道顶面至吊车梁顶面的距离
故
牛腿顶面标高=轨顶标高-
-
=9、6-1、2-0、2=8、2
查附录12得,吊车轨顶至吊车顶部的高度为2、7m,考虑屋架下弦至吊车顶部所需空间高度为220mm,故
柱顶标高=9、6+2、7+0、22=13、52m,
三.柱的各部分尺寸及几何参数
上柱b×h=400mm×400mm(g1=4、0kN/m)
Ai=b×h=1、6×105m2
I1=bh3/12=2、13×109mm4
图1厂房计算简图及柱截面尺寸
下柱bf×h×b×hf=400mm×800mm×100mm×100mm(g2=3、69kN/m)
A2=100×400×2+(800-2×100)×100+2×25×150=1、475×105mm2
I2=5003×100/12+2×(400×1003/12+400×100×3002)+4×(253×150/36+343、752×1/2×100×25)=8、78×1010mm4
n=I1/I2=2、13×109/(8、78×109)=0、248
H1=3、6m;H2=3、6+8、6=12、2m。
λ=H1/H2=3、6/12、2=0、295
四.荷载计算
1、恒荷载
(1)屋盖自重
SBS防水层1、2×0、1=0、12kN/m2
20mm厚水泥砂浆找平层1、2×0、02×20=0、48kN/m2
大型预应力屋面板(包括灌缝重)1、2×1、4=1、68kN/m2
总1g1=3、3kN/m2
屋架1、2×60、5=72、6kN
则作用屋架一段作用于柱顶的自重为:
G1=6×9×3、3+0、5×72、6=214、5kN
(2)柱自重
上柱:
G2=1、2×3、6×4、0=17、28kN
下柱:
G3=1、2×8、6×3、69=38、08kN
(3)吊车梁及轨道自重:
G4=1、2×(30、4+0、8×6)=42、2kN
2、屋面活荷载
由《荷载规范》查得屋面活荷载标准值为0、5kN/m2,因屋面活荷载大于雪荷载0、4kN(50年一遇),故不考虑雪荷载。
Q1=1、4×0、5×6×12=50、4kN
3、风荷载
由《荷载规范》查得齐齐哈尔地区基本风压为ω0=0、45kN
风压高度变化系数(按B类地面粗糙度取)为
柱顶:
(按H2=11、5m)μz=1、04
檐口处:
(按H2=13、8m)μz=1、11
屋顶:
(按H2=15、4m)μz=1、15
风荷载标准值:
ω1k=βzμs1μzω0=1、0×0、8×1、04×0、45=0、37kN/m2
ω2k=βzμs2μzω0=1、0×0、5×1、04×0、45=0、23kN/m2
则作用于排架上的风荷载设计值为:
q1=1、4×0、37×6=3、15kN/m
q2=1、4×0、23×6=1、97kN/m
Fw=γQ[(μs1+μs2)μzω0h1+(μs3+μs4)μzω0h2]×B
=1、4×[(0、8+0、5)×1、11×0、45×2、3+(-0、6+0、5)×1、15×0、45×1、6]×6=11、85kN(屋面坡度为1/8)
风荷载作用下的计算简图如下图:
图2风荷载作用下计算简图
4、吊车荷载
由附表16-2查得Pk,max=180kN;
Pk,min=1/2(G+g+Q)-Pk,max=1/2(228+200)-180=46、5kN
B=5600mm,K=4400mm
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:
Dmax=φc*γQ*Pk,max*Σyi=0、9×1、4×180×(1+0、267+0、8+0、067)
=483、99kN
Dmin=φc*γQ*Pk,min*Σyi=0、9×1、4×46、5×(1+0、267+0、8+0、067)
=125、03kN
作用于每一轮子上的吊车横向水平刹车力
Fh1=γQ*ɑ/4(Q+g)=1、4×0、1/4×(200+77、2)=9、702kN
则两台吊车作用于排架柱顶上的吊车横向水平荷载为
Fh=φc*Fh1*Σyi=0、9×9、702×(1+0、267+0、8+0、067)
=18、63kN
五.内力计算
1.恒荷载
(1)屋盖自重作用
因为屋盖自重就是对称荷载,排架无侧移,故按柱顶为不动铰支座计算。
由厂房计算简图及柱截面尺寸图取用计算截面图
图3取用计算截面
e1=0、05m,e0=0、15m,G1=214、5kN,根据n=0、248,λ=0、295查表得C1=1、760,C3=1、268,则可得
R=-G1/H2(e1*C1+e0*C3)=-214、5/12、2×(0、05×1、760+0、15×1、268)=-4、97kN(→)
计算时对弯矩与剪力的符号规定为:
弯矩图绘在受拉一边;剪力对杆端而言,顺时针方向为正(
),剪力图可绘在杆件的任意一侧,但必须注明正负号,亦即取结构力学的符号。
这样,由屋盖自重对柱产生的内力如下图:
图4恒荷载内力图
MⅠ=-214、5×0、05+4、97×3、6=7、17kN·m
MⅡ=-214、5×0、15+4、97×3、6=-14、28kN·m
MⅢ=-214、5×0、15+4、97×12、2=28、46kN·m
NⅠ=NⅡ=NⅢ=214、5kN,VⅢ=4、97kN
(2)柱及吊车梁自重作用
由于在安装柱子时尚未吊装屋架,此时柱顶之间无连系,没有形成排架,故不产生柱顶反力;因吊车梁自重作用点距离柱外边缘不少于750mm,则内力如下图4所示:
MⅠ=0,MⅡ=MⅢ=+42、2×0、50-17、28×0、15=18、51kN·m
NⅠ=17、28kN
NⅡ=17、28+42、2=59、48kN
NⅢ=59、48+35、50=94、98kN
2、屋面活荷载作用
因屋面活荷载与屋盖自重对柱的作用点相同,故可将屋盖自重的内力乘以下列系数,即得屋面活荷载内力分布图如图4所示,其轴向压力及剪力为:
Q1/G1=50、4/214、5=0、235
NⅠ=NⅡ=NⅡ=50、4kN,VⅡ=0、235×4、97=1、168kN
3、风荷载作用
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,则可按上端为不动铰支座进行计算;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。
图5柱作用正风压图
当柱顶作用集中风荷载Fw时,
当墙面作用均布风荷载时,查表得C11=0、355,则得
R3=C11·H2·1/2(q1-q2)=0、355×12、2×1/2×(3、15-1、97)=2、56kN
当正风压力作用在A柱时横梁内反力R:
R=R1+R3=8、49kN
A柱内力图如图6所示,其内力为
M=(Fw-R)x+1/2q1x2
MⅠ=MⅡ=(11、85-8、49)×3、6+1/2×3、15×3、62=36、07kN·m
MⅢ=(11、85-8、49)×12、2+1/2×3、15×12、22=275、42kN·m
NⅠ=NⅡ=NⅢ=0
VⅢ=(Fw-R)+q1x=(11、85-8、49)+3、15×12、2=42、14kN
图6 A柱作用正风压 图7 A柱作用负风压
当负风压力作用在A柱时(如图7所示),其内力为
M=-Rx-1/2q2x2
MⅠ=MⅡ=-8、49×3、6-1/2×1、97×3、62=-43、33kN·m
MⅢ=-8、49×12、2-1/2×1、97×12、22=-250、19kN·m
NⅠ=NⅡ=NⅢ=0
VⅢ=-R-q2x=-8、49-3、15×12、2=-32、52kN
4.吊车荷载
(1)当Dmax值作用于A柱(如图8-a所示)
根据n=0、248,λ=0、295查表得C3=1、268。
吊车轮压与下柱中心线距离按构造要求取e4=0、35m,则得排架柱上端为不动铰支座时的反力值为:
R1=-Dmax·e4·C3/H2=-483、99×0、35×1、268/12、2=-25、15kN(←)
R2=-Dmin·e4·C3/H2=-125、03×0、35×1、268/12、2=6、50kN(→)
故R=R1+R2=-25、15+6、50=-18、65kN(←)
再将R值反向作用于排架柱顶,按剪力分配进行计算。
由于结构对称,故各柱剪力分配系数相等,即μA=μB=0、5。
(如图8-b所示)各柱的分配剪力为:
V‘A=-V‘B=μAR=0、5×18、65=9、33kN(→)
最后各柱顶总剪力为:
VA=V‘A-R1=9、33-25、15=-15、82kN(←)
VB=V‘B-R2=9、33+6、50=-15、83kN(→)
图8吊车竖向荷载作用时柱顶剪力(a)上端为不动铰支座时(b)柱顶作用R时
则A柱的内力为:
(如图9-a所示)
MⅠ=-VA·x=-15、82×3、6=-56、95kN·m
MⅡ=-VA·x+Dmax·e4=-56、95+483、99×0、35=185、05kN·m
MⅢ=-15、82×12、2+483、99×0、5=48、99kN·m
NⅠ=0kN
NⅡ=NⅢ=483、99kN
VⅢ=VA=-15、82kN(←)
图9吊车竖向荷载对A柱内力图(a)当Dmax作用于A柱时(b)当Dmin作用于A柱时
(2)当Dmin值作用于A柱时(如图9-b所示)
MⅠ=-VA·x=-15、82×3、6=-56、95kN·m
MⅡ=-VA·x+Dmin·e4=-56、95+125、03×0、35=5、57kN·m
MⅢ=-15、82×12、2+125、03×0、35=-130、49kN·m
NⅠ=0kN
NⅡ=NⅢ=125、03kN
VⅢ=VA=-15、82kN(←)
(3)当Fh值自左向右作用时(→)
由于Fh值同向作用在A、B柱上,因此排架的横梁内力为零,则得A柱的内力:
(如图10所示)
图10吊车横向水平作用(a)吊车横向水平作用于排架(b)横向水平作用时
MⅠ=MⅡ=Fhx=18、63×1、0=18、63kN
MⅢ=18、63×(9+0、6)=178、8kN·m
NⅠ=NⅡ=NⅢ=0
VⅢ=Fh=18、63kN(←)
(4)当Fh值自右向左作用时(←)
其内力值与当Fh值自左向右作用时相同,但方向相反。
六.内力组合
单跨排架的A柱与B柱承受荷载的情况相同,故仅对A柱在各种荷载作
用下的内力进行组合。
表1为A柱在各种荷载作用下内力汇总表,表2为A柱承载力极限状态荷载效应的基本组合,表3为A柱正常使用极限状态荷载效应的标准组合及准永久组合。
表1为A柱在各种荷载作用下内力汇总表
荷载种类
恒荷载
屋面活荷载
风荷载
吊车荷载
左风
右风
荷载编号
1
2
3
4
5
6
7
8
Ⅰ-Ⅰ
7、17
1、68
36、07
-43、33
-56、95
-56、95
18、63
-18、63
231、78
50、4
5、98
1、4
25、76
-30、95
-40、68
-40、68
13、31
-13、31
193、15
36、0
Ⅱ-Ⅱ
4、23
-3、54
36、07
-43、33
185、05
5、57
18、63
-18、63
274、9
50、4
483、99
125、03
3、53
-2、53
25、76
-30、95
132、18
3、99
13、31
-13、31
229、08
36、0
345、71
89、31
Ⅲ-Ⅲ
46、97
6、69
275、42
-250、19
48、99
-130、49
178、85
-178、85
273、98
50、4
483、99
125、03
4、97
1、168
42、14
-32、52
-15、82
-15、82
18、63
-18、63
39、14
4、78
194、19
-175、96
34、99
-93、21
127、75
-127、75
228、32
36.0
345、71
89、31
4、14
0、83
29、66
-23、06
-11、3
-11、3
13、31
-13、31
注:
(1)内力的单位就是kN·m,轴力的单位就是kN,剪力的单位就是kN;
(2)表中弯矩与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作用时候必须有Dmax或Dmin同时作用。
表2为A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-Ⅰ
Ⅱ-Ⅱ
Ⅲ-Ⅲ
由可变荷载效应控制的组合
(简化规则)
1+0、9(2+3)
1+0、9(3+5+7)
1+0、9(2+3+5+7)
32、62
277、14
220、00
710、49
505、93
754、93
46、48
1+0、9(4+6+8)
1+0、9(2+4+6+8)
1+0、9(4+6+8)
-99、85
231、78
-49、71
432、79
-456、61
386、51
-55、30
1+0、9(2+4+6+8)
1+0、9(2+3+5+7)
1+0、9(2+3+5+7)
-98、34
277、14
216、82
755、85
505、93
754、93
46、48
1+0、9(4+6+8)
1+0、9(4+6+8)
1+0、9(4+6+8)
-99、85
231、78
-46、52
387、43
-456、61
386、51
-55、30
注:
由永久荷载效应控制的组合:
其组合值不就是最不利,计算从略。
表3A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-Ⅰ
Ⅱ-Ⅱ
Ⅲ-Ⅲ
由可变荷载效应控制的组合
(简化规则)
值:
活:
0、7;风:
0、6;吊车:
0、7
1+3+0、7×2
1+5+0、6×3+0、7×7
1+3+0、7(2+5+7)
32、72
218、35
160、48
574、79
350、59
495、52
35、79
1+4+0、7(6+8)
1+4+0、7(2+6+8)
1+4+0、7(6+8)
-76、89
193、15
-35、72
316、80
-291、49
290、84
-36、15
1+3+0、7×2
1+5+0、6×3+0、7(2+7)
1+5+0、6×3+0、7(2+7)
32、72
218、35
158、71
599、99
283、42
599、23
20、35
1+4+0、7(6+8)
1+4+0、7(6+8)
1+4+0、7(6+8)
-76、89
193、15
-33、94
291、60
-291、49
290、84
-36、15
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。
七.柱子设计
1、上柱配筋计算
从表2中选取两组最不利的内力
M1=-99、85kN·m;N1=231、78kN。
M2=-98、34kN·m;N2=277、14kN。
(1)先按M1,N1计算
l0/h=2×3600/400=18>5,故需要考虑纵向弯曲影响,其截面按对称配筋计算,偏心距为:
e0=M1/N1=99、85/231、78=0、431m
ea=h/30=400/30=13、33mm≤20mm,取20mm
ei=e0+ea=431+20=451mm
ζ1=0、5fcA/N=0、5×14、3×1、6×105/(231、78×103)=4、9>1、0
取ζ1=1、0
又l0/h=18>15,故取ζ2=1、15-0、01·l0/h=1、15-0、01×18=0、97
η=1+
ζ1ζ2=1+
×1、0×0、97=1、199
ηei=1、199×451=532、75mm>0、3h0=109、5mm
故按大偏心受压计算
则e=ηei+h/2-as=532、75+400/2-35=697、75mm
ζb=0、482
N≤ɑ1fcbh0ζ
ζ=N/(ɑ1fcbh0)=231、78×103/(1、0×14、3×400×365)=0、111<ζb
ζh0=0、111×365=40、5mm<2as’=70mm
不满足
取x=2as’=70mm,则ζ=2as’/h0=70/365=0、192
As=As’=[Ne-ɑ1fcbh02ζ(1-0、5ζ)]/[fy(h0-as)
e=ηei+h/2-as’=532、75+400/2-35=697、75mm
As=[231、78×103×697、75-1、0×14、3×400×3652×0、192×(1-0、5×0、192)]/[360×(365-35)]=247、96mm2
因As=247、96mm2<ρminbh=0、002×400×400=320mm2
取As=320mm2
配置2φ20(As=628mm2)
(2)再按M2,N2计算(M2=-98、34kN·m;N2=277、14kN)
e0=M2/N2=99、34/277、14=0、358m
ea=h/30=400/30=13、33mm≤20mm,取20mm
ei=e0+ea=358+20=378mm
ζ1=0、5fcA/N=0、5×14、3×1、6×105/(277、14×103)=4、1>1、0
取ζ1=1、0
又l0/h=18>15,故取ζ2=1、15-0、01·l0/h=1、15-0、01×18=0、97
η=1+
ζ1ζ2=1+
×1、0×0、97=1、233
ηei=1、233×378=466、07mm>0、3h0=109、5mm
故按大偏心受压计算
则e=ηei+h/2-as=466、07+400/2-35=631、07mm
ζb=0、482
N≤ɑ1fcbh0ζ
ζ=N/(ɑ1fcbh0)=277、14×103/(1、0×14、3×400×365)=0、133<ζb
ζh0=0、133×365=48、5mm<2as’=70mm
不满足
取x=2as’=70mm,则ζ=2as’/h0=70/365=0、192
As=As’=[Ne-ɑ1fcbh02ζ(1-0、5ζ)]/[fy(h0-as)
e=ηei+h/2-as’=466、07+400/2-35=631、07mm
As=[277、14×103×631、07-1、0×14、3×400×3652×0、192×(1-0、5×0、192)]/[360×(365-35)]=358、82mm2
因As=358、82mm2>ρminbh=0、002×400×400=320mm2
取As=358、82mm2
配置2φ20(As=628mm2)
综合两组计算结果,最后上柱钢筋截面面积每侧选用(2φ20(As=628mm2))
2、下柱配筋计算
从表2中选取两组最不利的内力
M1=-456、61kN·m;N1=386、51kN。
M2=505、93kN·m;N2=754、93kN。
(1)先按M1,N1计算
l0/h=8600/800=10、75>5,故需要考虑纵向弯曲影响,其截面按对称配筋计算,其偏心距为:
e0=M1/N1=456、61/386、51=1、181m
ea=h/30=800/30=26、67mm>20mm
ei=e0+ea=1181+26、67=1207、67mm
ζ1=0、5fcA/N=0、5×14、3×1、475×105/(386、51×103)=2、73>1、0
取ζ1=1、0
又l0/h=10、75<15,故取ζ2=1、0
η=1+
ζ1ζ2=1+
×1、0×1、0=1、059
则e=ηei+h/2-as=1278、92+800/2-35=1643、92mm
先按大偏心受压计算相对受压区高度x,并假定中与轴通过翼缘,则有,x14、3×400)=67、57mm<ζbh0=0、55×765=420、75mm
As=As’=[Ne-ɑ1fcbf’x(h0-0、5x)]/[fy(h0-as)]=[386、51×103×1643、92-1、0×14、3×400×67、57×(765-0、5×67、57)]/[360×(765-35)]=1342mm2>ρminA=0、002×1、475×105mm2=295mm2
(2)再按M2,N2计算(M2=505、93kN·m;N2=754、93kN)
e0=M2/N2=505、93/754、93=0、670m
ea=h/30=800/30=26、67mm>20mm
ei=e0+ea=670+26、67=696、67mm
ζ1=0、5fcA/N=0、5×14、3×1、475×105/(754、93×103)=1、397>1、0
取ζ1=1、0
ζ2=1、0
η=1+
ζ1ζ2=1+
×1、0×1、0=1、102
则e=ηei+h/2-as=1、102×696、67+800/2-35=1133mm
先按大偏心受压计算相对受压区高度x,并假定中与轴通过翼缘,则有,x