24m单层双跨工业厂房结构方案设计书计算书.docx
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24m单层双跨工业厂房结构方案设计书计算书
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
单层工业厂房结构设计
1单层工业厂房结构设计任务书
1.1设计题目
装配车间双跨等高厂房.
1.2设计任务
1.2.1单层厂房结构布置.
1.2.2选用标准构件.
1.2.3排架柱及柱下基础设计.
1.3设计内容
1.3.1确定上、下柱的高度及截面尺寸.
1.3.2选用屋面板，天窗架，屋架，基础梁，吊车梁及轨道车接件.
1.3.3计算排架所承受的各项荷载.
1.3.4计算各种荷载作用下排架的内力.
1.3.5柱及牛腿的设计，柱下单独基础设计.
1.3.6绘制施工图
⑴结构布置图（屋架，天窗架，屋面板，屋盖支撑布置，吊车梁，柱及柱间支撑，墙体布置）.
⑵基础施工图（基础平面图及配筋图）.
⑶柱施工图（柱模板图，柱配筋图）.
1.4设计资料
1.4.1某车间
该车间为双跨等高有天窗厂房，柱距为6m，车间总长为36m，中间不设伸缩缝，厂房跨为（见表1-1），剖面如图1-1所示。
表1-1
组别
跨度（m）
轨顶标高（m）
吊车起重量（KN）
28
24.0
9.60
150/30200/50
1.4.2吊车
每跨设二台中级工作制软钩桥式吊车，吊车起重量及轨顶标高见表1-1.
1.4.3建设地点
北部某城市（基本风压为0.50KN/㎡。
基本雪压0.30KN/㎡）.
1.4.4工程地质及水文地质条件
该厂址位于大黑河二级阶地，地形平坦，厂区地层自上而下为耕土层粘土，中砂，软石，基岩，其中耕土层厚约0.5m，粘土层厚约3m，地基承载力标准值=180KN/㎡，可作持力层，厂区地层地下水位较低，且无腐蚀性.
1.4.5建筑材料供应条件
建设厂房使用的钢材，水泥，砖，砂石，石灰等材料均可按设计要求供应.
主要材料有：
⑴钢材
钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构所有的钢筋种类，型钢及钢板可保证供应并具备有各种规格.
⑵水泥
普通硅酸盐水泥，可配制C10∽C40级混凝土.
⑶砖
普通粘土砖MU7.5.
⑷其他
如砂石，石灰等地方材料均能按设计要求供应，柱子，屋架可在现场预制，其他预制件均在预制厂制作，预制构件安装架设由该地机械化施工公司负责施工，该项目的施工单位有较高的施工水平，如设计采用国家标准图及普通做法，其施工质量均能达到设计及施工验收规范的要求.
1.4.6建筑构造
⑴屋面
卷材防水屋面，其做法如下：
SBSIV改性油毡
20mm厚水泥砂浆找平层
100mm厚水泥珍珠岩制品保温层
一毡二油隔气层
预应力混凝土大型屋面板
⑵墙体
240mm厚清水砖墙，钢门窗
⑶地面
室内混凝土地面，室内外高差300m
建筑构造见图1-2
1.4.7选用材料
混凝土强度等级为C20，柱中受力主级为Ⅱ级钢筋，箍筋及基础底板钢筋为Ⅰ级钢筋
（a）结构平面布置图
（b）剖面图
图1－1
2.单层厂房结构设计
2.1屋面结构
2.1.1屋面结构
⑴屋面板
采用全国通用工业厂房结构构件标准图集92G410
（一）1.5m×6m，预应力钢筋混凝土大型屋面板，卷材防水。
板重（包括灌缝在内），标准值为1.4KN/㎡.
屋面板的选用方法（包括檐口板，嵌板）是：
计算该板所受外加荷载的标准值，在图集中查出的允许外加荷载标准值应比它大但又最接近的板代号，其选用结果见表2-1.
⑵天沟板
采用92G410（三）1.5m×6m预应力钢筋混凝土屋面板（卷材防水天沟板）.又屋面排板计算，天沟板的宽度为680mm，该厂房一侧设有6根落水管，天沟板内坡度为5‰，垫层最薄处为20mm厚，则最厚处为80mm，按最厚处的一块天沟板计算其所受的外加荷载标准值，见图2-2.选用方法同屋面板，但需要注意天沟板的开洞位置.
图2-2
⑶天窗架²
采用94G316中的Ⅱ型钢筋混凝土天窗架GJ9-03，自重标准值2×36KN/榀，天窗端选用94G316中的DB9-3，自重标准值2×57KN/榀（包括自重，侧板，窗档，窗扇，支撑，保温材料，天窗，电动起动机，消防栓等），其选用见表2-1.
⑷屋架
采用95G415（三）预应力钢筋混凝土折线形屋架（跨度24m），选用时应根据屋面荷载大小，有无天窗及天窗类别，檐口类别等进行选用，其选用见表2-2
⑸屋盖支撑
①可不设屋架上弦横向水平支撑，但须保证屋面板与屋架的连接不少于三个焊接点并沿板缝灌注不低于C15的细石混凝土，否则，应在该厂房的两端第一柱间设置上弦横向水平支撑.
②屋架间的垂直支撑与水平系杆，可在该厂房两端的第一柱间的端中及两端设置垂直支撑，并在各跨跨中下弦处设置通长的纵向刚系杆，在各跨两端下弦处设置通长的钢筋混凝土系杆.
③屋架下弦的横向及纵向水平支撑均不可设.
⑹吊车架
采用G323
（二）标准图集中的钢筋混凝土吊车梁（中轻级工作制），吊车梁高1200mm，构件自重：
DL-92（中间跨）39.5KN/根，DL-913（边跨）40.8KN/根，轨道及零件重1KN/m，轨道及垫层构造高度200mm，见表2-1
2.1.2排架柱及基础材料选用情况
⑴柱
混凝土：
采用C20,=9.6N/㎜²,=1.54N/㎜²
钢筋：
纵向受力钢筋采用HRB400级钢筋（=360N/㎜²，=2×105N/㎜²），箍筋采用HPB235级钢筋.
⑵基础
混凝土：
采用C20,=9.6N/㎜²,=1.54N/㎜²
钢筋：
采用HRB400级钢筋（=360N/㎜²）
表2-1
构件名称
标准图集
选用型号
外加荷载
允许荷载
构建自重
屋面板
G410
（一）
1.5m×6m
预应力混凝土
屋面板
YWB—2Ⅱ
（中间跨）
YWB—2Ⅱs
（端跨）
SBSIV改性油毡防水层0.35
20mm水泥砂浆找平层20×0.02=0.40
100mm水泥珍珠岩保温层4.0×0.1=0.40
一毡二油防水层0.05
20mm水泥砂浆找平层0.40
恒载1.60KN/㎡
Σ2.38KN/㎡
2.46KN/㎡
板自重
1.30KN/㎡
灌缝重
0.1KN/㎡
G410
（一）
1.5m×6m
预应力混凝土屋面板（卷材防水嵌板，檐口板）
KWB—1
（中间跨）
KWB—21s
（端跨）
同上
2.50KN/㎡
板自重
1.65KN/㎡
灌缝重
0.1KN/㎡
天沟板
G410（三）
1.5m×6m
预应力混凝土屋面板（卷材防水天沟板）
TGB68—1
（中间跨）
TGB68—1a
（中间跨右端有开洞）
TGB68—1b
（中间跨左端有开洞）
TGB68—1sa
（端跨右端有开洞）
TGB68—1sb
（端跨左端有开洞）
积水深为230mm（与高肋齐）
SBSIV改性油毡0.35×0.9=0.32
10×0.23×0.46=1.06
20mm水泥砂浆找平层
20×0.02×0.09=0.36
100mm水泥珍珠岩保温层
4.8×0.10×0.5=0.24
一毡二油隔气层
0.05×1.18=0.06
20mm水泥砂浆找平层
20×0.02×1.18=0.47
Σ2.51KN/㎡
3.05KN/㎡
1.91KN/㎡
屋架
G415（三）
预应力钢筋混凝土折线形屋架（跨度24m）
YWJA
—24—1Aa
屋面板以上恒载1.68KN/㎡
活载0.70KN/㎡
屋架以上荷载2.38KN/㎡
3.50KN/㎡
106KN/榀
支撑重
0.25KN/㎡
天窗架
G316中Ⅱ型
钢筋混凝土
GJ9-03
天窗架
天窗端壁
2×36KN/榀
2×57KN/榀
吊车梁
G323
（二）
钢筋混凝土吊车梁（中轻级工作制）
DL—9Z
（中间跨）
DL—9Z
（边跨）
39.5KN/根
40.8KN/根
2.1.3梁柱的结构布置
⑴排架柱尺寸的选定
①计算上柱高及柱全高
由工艺要求，轨顶标高为+9.6m,吊车为20/5t,Lk=24-1.5=22.5m,中级工作制，查吊车有关资料，轨顶至吊车顶距H=2.136m.
柱顶标高=轨顶标高+吊车顶端与柱顶的净空尺寸=9.600+2.136+0.220=11.956m.
由牛腿顶面标高及模板要求，吊车梁高为1.2m，轨道及垫层构造高度取0.2m，故
牛腿顶面标高=轨顶标高-吊车梁高度-轨顶垫高=9.600-1.200-0.200=8.200m（取8.400m）
依次，柱顶标高=牛腿顶面高+吊车梁高+轨顶垫高+H+0.220
=8.400+1.200+0.200+2.136+0.220=12.156m（取12.300m）
综上，则柱顶标高为12.300m，
上柱高Hu=柱顶标高-轨顶标高+吊车梁高+轨道构造高=12.3-9.6+1.2+0.2=4.1m,
全柱高H=柱顶标高-基顶标高=12.3-（-0.5）-（-0.2）=13.0m,
下柱高Hl=H-Hu=13.0-4.1=8.9m,
实际轨顶标高=8.4+1.2+0.2=9.8m与9.6m要求相差在±0.2m范围内，故满足要求，1—1剖面图见图2-3.
图2-3
上柱与全柱高的比值λ==0.315
②初步确定柱截面尺寸.
根据教材表2.7（6m柱距单层厂房矩形，工字形截面柱截面尺寸限值）.
对于下柱截面宽度：
=356mm，可取b=400mm.
对于下柱截面高度，有吊车时
=742mm
无吊车时
=780mm.
根据表2.8[厂房柱截面形式和尺寸参考（中级工作制）]取：
边柱A.C轴：
上柱：
□b×h=400mm×400mm
下柱：
Ib×h×bi×hi=400mm×800mm×100mm×150mm
中柱B轴：
上柱：
□b×h=400mm×600mm
下柱：
Ib×h×bi×hi=400mm×800mm×100mm×150mm
验算初步确定的截面尺寸，满足要求.
I字形截面其余尺寸如图2-4.
图2-4
上下柱截面惯性矩及其比值.
排架平面内：
边柱上柱：
下柱：
中柱上柱：
下柱：
排架平面外：
上柱：
下柱：
③牛腿尺寸初选
由牛腿几何尺寸的构造规定α≤45°,hl≥h/3,且hl≥200mm,故取α=45°，hl=450mm，则
A.C轴柱：
c=750+b/2+c1-800=750+150+100-800=200mm；h=450+200=650mm.
B轴柱：
c=750+b/2+c1-400=750+150+100-400=600mm；h=450+600=1050mm.
牛腿尺寸见图2-5
⑵柱间支撑可在该厂房中部轴线间设置上柱支撑和下柱支撑.
⑶吊车梁、柱及柱间支撑、墙体布置可参考以上选型及布置画出.
结构布置图见附图-01
2.1.4基础平面布置
⑴基础编号
首先应区分排架类型，分标准排架、端部排架、伸缩缝处排架等，然后对各类排架的中柱和边柱的基础分别编号，还有抗风柱的基础也须编入.
⑵基础梁
单层厂房钢筋混凝土基础梁通常采用预制构件，可按图集G320钢筋混凝土基础梁选之，选时应符合图集的适用范围，本设计中跨选为JL-3,边跨为JL-18.
基础平面布置图可参考以上选型及布置画出.
2.2排架结构计算
2.2.1计算简图及柱的计算参数
⑴计算简图
见图2-6.
⑵柱的计算参数
根据柱子的截面尺寸，可列出计算参数如下表2-2..
表2-2柱的计算参数
柱号计算参数
截面尺寸（mm）
面积（mm2）
惯性矩（mm4）
自重（kN/m）
A、C
上柱
□400×400
1.6×105
2.13×109
4.0
下柱
I400×800×100×150
1.775×105
14.4×109
4.44
B
上柱
□400×600
2.4×105
7.2×109
6.0
下柱
I400×800×100×150
1.775×105
14.4×109
4.44
2.2.2荷载计算
⑴永久荷载
①屋盖自重
预应力混凝土大型屋面板1.2×1.4=1.68KN/m2
20mm水泥砂浆找平层1.2×20×0.02=0.48KN/m2
一毡二油隔气层1.2×0.05=0.06KN/m2
100mm水泥珍珠岩制品保温层1.2×4×0.1=0.48KN/m2
20mm水泥砂浆找平层1.2×20×0.02=0.48KN/m2
SBSIV改性油毡1.2×0.35=0.42KN/m2
Σg=3.60KN/m2
天沟板1.2×2.02×6=14.54KN
天窗端壁1.2×57=68.4KN
屋架自重1.2×106=127.20KN
则作用于柱顶的屋盖结构自重：
G1=3.60×6×24/2+14.54+68.4+127.20/2=405.74kN
e1=hu/2-150=400/2-150=50mm
②柱自重
A、C轴上柱：
G2A=G2C=γGgkHu=1.2×4.0×4.1=19.68kN.
e2A=e2C==200mm
下柱：
G3A=G3C=γGgkHu=1.2×4.44×9.05×1.1=53.04kN（考虑下柱仍有部分400mm×800mm的矩形截面而乘的增大的系数1.1）.
e3A=e3C=0
B轴上柱：
G2B=1.2×6.0×4.1=29.52kN.
e2B=0
下柱：
G3B=1.2×4.44×9.05×1.1=53.04kN
e3B=0
③吊车梁及轨道自重
G4=1.2×（40.8+1.0×6.0）=56.16kN.
各项永久荷载及其作用位置见图2-7.
⑵屋面活荷载
由«荷载规范»查得屋面活荷载标准值为0.7KN/m2（因屋面活活荷载大于雪荷载，故不考虑雪荷载）.
Q=1.4×（0.5+0.2）×6×12=70.56kN
活荷载作用位置于屋盖自重作用位置相同，如图2-7括号所示.
⑶吊车荷载
吊车计算参数见表2-3，并将吊车吨位换算为kN.
表2-3
跨度（m）
起重量Q（kN）
跨度Lk（m）
最大轮压Pmax（kN）
最小轮压Pmin（kN）
大车轮距K（m）
吊车最大宽度B（m）
吊车总重G（kN）
小车重g（kN）
轨顶至吊顶距离H（m）
24
200/50
22.5
202
60
4.4
5.6
324
77
2.136
150/30
22.5
176
55
4.4
5.66
312
73
2.047
根据B与K，算得吊车梁支座反力影响线中各轮压对应点的坐标值如图2-8所示，依据该图求得作用于柱上的吊车竖向荷载.
①吊车竖向荷载
Dmax=γQPk,maxΣyi=1.4×[202×（1+0.267）+176×（0.8+0.067）]=571.94kN
Dmin=γQPk,minΣyi=1.4×[60×（1+0.267）+55×（0.8+0.067）]=173.19kN
②吊车横向水平刹车力
1）当吊车起重量在Q=150∽500kN时，α=0.10
T200==9.7kN
T150==7.8kN
2）当一台20/5t,一台15/3t吊车同时作用时，
Tmax=TΣyi=9.7×（1+0.267）+7.8×（0.8+0.067）=19.05kN
当一台20/5t吊车作用时，
Tmax=TΣyi=9.7×（1+0.267）=12.29kN
⑷风荷载
由设计资料该地区基本风压为ω0=0.50KN/m2，按B类地面粗糙度，从«荷载规范»查得风压高度变化系数为：
柱顶标高H=12.3m,查得=1.064，
天窗檐口标高18.91m，查得=1.226，
风荷载标准值为：
ω1=ω0=0.8×1.064×0.50=0.43kPa.
ω2=ω0=0.4×1.064×0.50=0.26kPa.
则作用在排架计算简图的风荷载设计值为：
=3.61kN/m
=2.18kN/m
Fw=γQ（1.3h1+0.4h2+1.2h3）ω0B
=1.4×（1.3×2.3+0.4×1.19+1.2×2.67）×1.226×0.50×6.0=34.35kN
风荷载作用下的计算简图如图2-9所示.
2.2.3内力分析
⑴剪力分配系数μ的计算
A、C轴柱：
则
B轴柱：
，，
，
则
各柱的剪力分配系数：
⑵永久荷载
①屋盖自重作用
将图2-7屋盖自重荷载简化为图2-10（a）.
其中G1A=G1C=G1=405.74kN,G1B=2G1=811.48kN
M1A=M1C=G1e1=405.74×0.05=20.29kN﹒m,
M2A=M2C=G1e2=405.74×0.2=81.15kN﹒m
由于图2-10（a）所示排架的计算简图为对称结构，在对称荷载作用下排架无侧移，各柱可按上端为不动铰支座计算，故中柱无弯矩.
由A、C柱：
n=0.148，λ=0.315，
查表或计算得，
查表或计算得，，
则RA=R1+R2=3.17+7.19=10.36kN（→）,RC=-RA=-10.36kN（←）
在R与M、M共同作用下，可以作出排架的弯矩图、轴力图及柱底剪力图，如图2-10（b）、（c）所示.
B柱：
n=0.5,λ=0.315,查得C1=1.60,C3=1.31
②柱及吊车梁自重作用
由于在安装柱子时尚未吊装屋架，此时柱顶之间无联系，没有形成排架，故不产生柱顶反力，则按悬臂柱分析其内力.计算简图如图2-11（a）所示.
A柱：
M2A=G2Ae2=19.68×0.2=3.94kN﹒m,G3A=53.04kN,G4A=56.16kN,
M4A=G4Ae=56.16×0.3=16.85kN﹒m.
B柱：
G2B=29.52kN,G3B=53.04kN,G4B=56.16kN,
排架各柱的弯矩图、轴力图如图2-11（b）、（c）所示.
⑶屋面活荷载作用
①AB跨作用有屋面活荷载
由屋架传至柱顶的压力为Q=70.56kN，由它在A、B柱柱顶及变阶处引起的弯矩分别为：
M1A=Q1e=70.56×0.05=3.53kN﹒m,
M2A=Q1e=70.56×0.2=14.11kN﹒m,
M3A=Q1e=70.56×0.15=10.58kN﹒m,
计算简图如图2-12（a）所示.
计算不动铰支座反力
A柱：
由前知C1=2.03，C3=1.15，
则RA=R1A+R2A=0.55+1.25=1.8kN（→）
B柱：
由前知C1=1.60,
则排架柱顶不动铰支座总反力为：
R=RA+RB=1.8+1.3=3.1kN（→）
将R反作用于排架柱顶，按分配系数求得排架各柱顶剪力（μA=μB=0.32,μC=0.36）
VA=RA-μAR=1.8-0.32×3.1=0.81kN（→）
VB=RB-μBR=1.3-0.36×3.1=0.18kN（→）
VC=RC-μCR=0-0.32×3.1=-0.99kN（←）
排架各柱的弯矩图、轴力图如图2-12（b）、（c）所示.
②BC跨作用有屋面活荷载
由于结构对称，故只需将AB跨作用有屋面活荷载情况的A柱与C柱的内力对换并将内力变号即可，其排架各柱内力见图2-13.
⑷吊车荷载作用（不考虑厂房整体空间工作）
①Dmax作用于A柱
由前，Dmax=571.94kN（Dmin=173.19kN）,由吊车竖向荷载、在柱中引起的弯矩为：
MA=Dmax﹒e=571.94×0.3=171.58kN﹒m,
MB=Dmin﹒e=173.19×0.75=129.89kN﹒m,
计算简图如图2-14（a）所示.
计算不动铰支座反力
A柱：
n=0.148,λ=0.315,查表得C3=1.15，
B柱：
n=0.5,λ=0.315,查表得C3=1.31，
则不动铰支座总反力为：
R=RA+RB=-15.58+13.09=-2.09kN（→）
将R反作用于排架柱顶，按分配系数求得排架各柱顶剪力（μA=μB=0.32,μC=0.36）
VA=RA-μAR=-15.18+0.32×2.09=-14.51kN（←）
VB=RB-μBR=13.09+0.36×2.09=13.84kN（→）
VC=RC-μCR=0+0.32×2.09=0.67kN（→）
排架各柱的弯矩图、轴力图如图2-14（b）、（c）所示.
②Dmax作用于B柱左
由吊车竖向荷载，Dmax=571.94kN（Dmin=173.19kN）,在柱中引起的弯矩为：
MA=Dmax﹒e=571.94×0.75=428.96kN﹒m,
MB=Dmin﹒e=173.19×0.30=51.96kN﹒m,
计算简图如图2-14（a）所示.
计算不动铰支座反力
A柱：
n=0.148,λ=0.315,查表得C3=1.15，
B柱：
n=0.5,λ=0.315,查表得C3=1.31，
则不动铰支座总反力为：
R=RA+RB=-4.60+43.23=38.63kN（→）
将R反作用于排架柱顶，按分配系数求得排架各柱顶剪力（μA=μB=0.32,μC=0.36）
VA=RA-μAR=-4.60-0.32×38.63=-16.96kN（←）
VB=RB-μBR=42.23-0.36×38.63=28.32kN（→）
VC=RC-μCR=0-0.32×38.63=-12.36kN（←）
排架各柱的弯矩图、轴力图如图2-15（b）、（c）所示.
③Dmax作用于B柱右
根据结构的对称性，其内力计算同“Dmax作用于B柱左”情况，只需将A、C柱内力对换一下，并全部改变弯矩及剪力符号即可，其结果如图2-16所示.
④Dmax作用于C柱
同理，将“Dmax作用于A柱”情况的A、C柱内力对换，并注意改变符号，得出各柱的内力，如图2-17所示.
⑤：
AB跨的二台吊车刹车
计算简图如图2-18（a）所示.
A柱：
由及n=0.148,λ=0.315,查表y=0.7Hu得C5=0.563,查表y=0.8Hu得C5=0.550,内插后得C5=0.562
RA=-Tmax﹒C5=-19.05×0.562=-10.71kN（←）
B柱：
由及n=0.5,λ=0.315,查表y=0.7Hu得C5=0.658,查表y=0.8Hu得C5=0.613,内插后得C5=0.655
RB=-Tmax﹒C5=-19.05×0.655=-12.48kN（←）
则R=RA+RB=-10.71-12.48=-23.19kN（←）
排架各柱的内力如图2-18（b）所示.
⑥：
BC跨的二台吊车刹车
根据结构的对称性，内力计算同“AB跨的二台吊车刹车”情况，仅需将A柱和C柱的内力对换.
排架各柱的内力如图2-19（b）所示.
⑦：
AB跨与BC跨各有一台200/50kN吊车同时刹车时，计算简图如图2-20（a）所示.
A柱：
同前C5=0.562，
RA=-Tmax﹒C5=-12.29×0.562=-6.91kN（←）
B柱：
同前C5=0.655，
RB=-Tmax﹒C5=-12.29×0.655×2=-16.10kN（←）
C柱：
同A柱，RC=-6.91kN（←）
则R=RA+RB+RC=-6.91×2-16.10=-29.
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