《单层工业厂房》课程设计.docx
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《单层工业厂房》课程设计
《单层工业厂房》课程设计
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一．结构选型
该厂房就是广州市的一个高双跨（18m+18m）的机械加工车间。
车间长90m,柱矩6米,在车间中部,有温度伸缩逢一道,厂房两头设有山墙。
柱高大于8米,故采用钢筋混凝土排架结构。
为了使屋架有较大的刚度,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。
厂房的各构选型见表1、1
表1、1主要构件选型
由图1可知柱顶标高就是10、20米,牛腿的顶面标高就是6、60米,室内地面至基础顶面的距离0、5米,则计算简图中柱的总高度H,下柱高度Hl与上柱的高度Hu分别为:
H=10、2m+0、6m=10、8mHl=6、60m+0、6m=7、2mHu=10、8m-7、2m=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,见表1、2。
见表1、2柱截面尺寸及相应的参数
截面尺寸/mm
面积/mm2
惯性矩/mm4
自重/（KN/m）
A,C
上柱
矩400×400
160000
2130000000
4、0
下柱
I400×800×100×150
177500
4、43
B
上柱
矩400×400
160000
2130000000
4
下柱
I400×800×100×150
177500
4、43
二．荷载计算
1.恒载
图1
求反力:
F1=116、92
F2=111、90
屋架重力荷载为59、84,则作用于柱顶的屋盖结构的重力荷载设计值:
GA1=1、2×（116、92+59、84/2）=176、81KN
GB1=1、2×（111、90×6+59、84/2）=170、18KN
（2）吊车梁及轨道重力荷载设计值
GA3=1、2×（27、5+0、8×6）=38、76KN
GB3=1、2×（27、5+0、8×6）=38、76KN
（3）柱重力荷载的设计值
A,C柱
B柱
2.屋面活荷载
屋面活荷载的标准值就是0、5KN/m2,作用于柱顶的屋面活荷载设计值:
Q1=1、4×0、5×6×18/2=37、8KN
3,风荷载
风荷载标准值按ωk=βzμsμzω0计算其中ω0=0、5KN/m2,βz=1,μz根据厂房各部分
及B类地面粗糙度表2、5、1确定。
柱顶（标高10、20m）μz=1、01
橼口（标高12、20m）μz=1、06
屋顶（标高13、、20m）μz=1、09
μs如图3所示,由式ωk=βzμsμzω0可得排架的风荷载的标准值:
ωk1=βzμs1μzω0=1、0×0、8×1、01×0、5=0、404KN/m2
ωk2=βzμs2μzω0=1、0×0、4×1、01×0、5=0、202KN/m2
图2荷载作用位置图
图3风荷载体型系数与排架计算简
q1=1、4×0、404×6=3、39KN/m
q1=1、4×0、202×6=1、70KN/m
Fw=γQ[（μs1+μs2）×μzh1+（μs3+μs4）×μzh2]βzω0B
=1、4[（0、8+0、4）×1、01×（12、2-10、2）+（-0、6+0、5）×1、01×（13、2-12、2）]×1×0、5×6
=10、23KN
4.吊车荷载
吊车的参数:
B=5、55米,轮矩K=4、4,pmax=215KN,pmin=25KN,g=38KN。
根据B与K,
可算出出吊车梁支座反力影响线中个轮压对应点的竖向坐标值,如图４所示:
图４ 吊车荷载作用下支座反力的影响线
（1）吊车的竖向荷载
Dmax=γQFpmax∑yi=1、4×115×（1+0、075+0、808+0、267）=346、15KN
Dmin=γQFpmin∑yi=1、4×25×（1+0、075+0、808+0、267）=75、25KN
（2）吊车的横向荷载
T=1/4α（Q+g）=1/4×0、12×（100+38）=4、14KN
吊车横向荷载设计值:
Tmax＝γQT∑yi=1、4×4、14×2、15=12、46KN
三．排架内力分析
1．恒荷载作用下排架内力分析
图5 恒荷载作用的计算简图
G1=GA1=176、81KN;G2=G3+G4A=38、76+17、28=56、04KN;G3=G5A=38、28KN;
G4=2GB1=340、361KN;G5=G3+2G4B=2×38、76+17、28=94、8KN;
G6=G5B=38、28KN;
M1=G1×e1=171、81×0、05=8、60KN、m;
M2=（G1+G4A）e0-G3e3=（176、81+17、28）×0、2-38、28×0、35=25、42
C1=
×
=2、03;C1=
×
=1、099;
RA=
C1+
C3=（8、60×2、03+25、42×1、099）/10、8=4、20KN（→）
RC=-4、20KN（←）;RB=0KN;
内力图:
图6恒荷载内力图
2．活荷载作用下排架内力分析
（1）AB跨作用屋面活荷载
图7AB跨作用活荷载作用简图
Q=37、8KN,则在柱顶与变阶处的力矩为:
M1A=37、8×0、05=1、89KN、m,M2A=37、8×0、25=7、56KN、m,M1B=37、8×0、15=5、67KN、m
RA=
C1+
C3=（1、89×2、03+7、56×1、099）/10、8=1、124KN（→）
RB=
C1=5、67×2、03/10、8=1、07KN（→）
则排架柱顶不动铰支座总的反力为:
R=RA+RB=1、124+1、07=2、19KN（→）
VA=RA－RηA=1、32-0、33×2、19=0、40KN（→）
VB=RB－RηB=1、07-0、33×2、19=0、35KN（→）
VC=－RηC=-0、33×2、19=－0、72KN（←）
排架各柱的弯矩图,轴力图,柱底剪力如图8所示:
图8AB跨作用屋面活荷载内力图
（2）BC跨作用屋面活荷载
由于结构对称,且BC跨的作用荷载与AB跨的荷载相同,故只需叫图8的各内力图位置及方向调一即可,如图10所示:
图9AB跨作用活荷载作用简图
图10BC跨作用屋面活荷载内力图
3．风荷载作用下排架内力分析
（1）左吹风时
C=
=0、33
RA=-q1HC11=-3、39×10、8×0、33=-12、08KN（←）
RC=-q1HC11=-1、70×10、8×0、33=-6、06KN（←）
R=RA+RC+Fw=12、08+6、06+10、23=28、37KN（←）
各柱的剪力分别为:
VA=RA-RηA=-12、08+0、33×28、37=-2、、72KN（←）
VB=RB-RηB=-6、06+0、33×28、37=3、30KN（→）
VC=-RηC=-0、33×-28、37=9、36N（→）
图11左风内力图
（2）右风吹时
因为结构对称,只就是内力方向相反,,所以右风吹时,内力图改变一下符号就行,如图12所示;
图11左风内力图
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１２所示,其中吊车竖向荷载Dmax,Dmin在牛腿顶面引起的力矩为:
MA=Dmax×e3=346、15×0、35=121、15KN、m
MB=Dmin×e3=75、25×0、75=56、44KN、m
RA=
-
C3=-121、15×1、099/10、8=-12、33KN（←）
RB=
C3=-56、44×1、099/10、8=5、74KN（→）
R=RA+RB=-12、33+5、74=-6、59N（←）
各柱的剪力分别为:
VA=RA-RηA=-12、33+0、33×6、59=-10、16（←）
VB=RB-RηB=5、74+0、33×6、59=7、91KN（→）
VC=-RηC=0、33×6、59=2、17N（→）
图１２ Dmax作用在A柱时排架的内力
（2）Dmax作用于B柱左
计算简图如图１２所示,其中吊车竖向荷载Dmax,Dmin在牛腿顶面引起的力矩为:
MA=Dmax×e3=７５、２５×0、35=２６、３３KN、m
MB=Dmin×e3=346、15×0、75=２５９、６１KN、m
RA=－
C3=-２６、３３×1、099/10、8=-－２、６８KN（←）
RB=－
C3=２５９、６１×1、099/10、8=２６、４２KN（→）
R=RA+RB=－２、６８+２６、４２=２３、７４N（→）
各柱的剪力分别为:
VA=RA-RηA=－２、６８－0、33×２３、７４=－１０、５１KN（←）
VB=RB-RηB=２６、４２－0、33×２３、７４=１８、５９KN（→）
VC=-RηC=－0、33×２３、７４=－７、８３N（←）
图１３ Dmax作用在B柱左时排架的内力
（3）Dmax作用于B柱左
根据结构对称与吊车吨位相等的条件,内力计算与Dma作用于B柱左情况相同,只需将A,C柱内力对换与改变全部弯矩及剪力符号:
如图１４
（4）Dmax作用于C柱
同理,将Dmax作用于A柱的情况的A,C柱的内力对换,且注意改变符号,可求得各柱的内力,如图１5
（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16-a所示。
对于A柱,n=0、15,λ=0、33,得a=（3、6-0、9）/3、6=0、75、,Tmax=12、46KN
C5=
=0、54
RA=－TmaxC5=－１２、４６×０、５４=－6、73KN（←）
RB=－TmaxC5=－１２、４６×０、５４=－6、73KN（←）
图１４ Dmax作用在B柱右时排架的内力
图１5 Dmax作用在C柱时排架的内力
排架柱顶总反力R:
R=RA+RB= －６、７３－６、７３＝－１３、４６KN
各柱的简力:
VA=RA-RηA=－６、７３＋0、33×１３、４６=－２、２９KN（←）
VB=RB-RηB=－６、７３＋0、33×１３、４６=－２、２９KN（←）
VC=－RηC=0、33×13、46=4、44N（→）
图16 Tmax作用在AB跨时排架的内力
（6）Tmax作用于BC跨柱
由于结构对称及吊车的吨位相等,故排架内力计算与“Tmax作用于AB跨柱”的情况相同,只需将A柱与C柱的对换,如图17
图17 Tmax作用BC跨时排架的内
五.柱截面设计（中柱）
混凝土强度等级C20,fc=9、6N/mm2,ftk=1、54N/mm2.采用HRB335级钢筋,fy=fy`300N/mm2,ζb=0、55,上下柱采用对称配筋.
1．上柱的配筋计算
由内力组合表可见,上柱截面有四组内力,取h0＝４００－４０＝３６０mm,附加弯矩ea=20mm（大于４００／３０）,判断大小偏心:
从中瞧出３组内力为大偏心,只有一组为小偏心,而且:
N=429、KN<ζbαfcbh0=０、５５０×１×９、６×４００×３６０＝760、32KN
所以按这个内力来计算时为构造配筋.对三组大偏心的,取偏心矩较大的的一组.即:
M=87、119KN、m N=357、64KN
上柱的计算长度:
L0=2HU=2×3、6=7、2m
e0=M/N=243、40mmei=e0+ea=263、40mm
l0/h=7200/400=18>5.应考虑偏心矩增大系数η
ζ1=
=0、5×9、6×160000/357640=2、15>1,取ζ１＝１
ζ2=1、15-0、01l0/h=1、15-0、01×7200/400=0、97,l0/h>15,取ζ2=0、97
图 １８
η=1+
ζ1ζ2=1+
×1×0、97=1、31
ζ=
=357640/1×9、6×400×360=0、26
>2αs/h0=2×40/360=0、22
所以x=ζ×h0=0、26×360=93、6
e`=ηei-h/2+αs=1、31×263、40-４００／２＋４０＝185、05mm
N、e`=fyAs（h0-as）-α1fcbx（x/2-as）
As=As`=
=
=715mm
选用３φ１８（As=763mm2）.验算最小配筋率:
ρ＝As/bh=763/400×400=0、47%>0、2%
平面外承载力验算:
l0=1、5Hu=1、5×3、6=5、4m
l0/b=5400/400=13、5,查表得ψ＝０９３,Ac=A-Aa=4002-763×2=158474mm
Nu=0、9ψ（fy`As`+fcAs）=0、9×0、93×（300×763×2+9、6×158474）=1656、55KN
2．下柱配筋计算
取h0=800-40=760mm,与上柱分析办法相识,选择两组最不利内力:
M=217、96KN、mM=152、69KN、m
N=810、94KNN=473、44KN
（1）按M=217、96KN、m,N=810、94KN计算
L0=１HU=１×7、2=7、2m,附加偏心矩ea=800/30=2、7mm（大于２０mm）,b=100mm,bf`=400mm,hf=150mm
e0=M/N=217960/810、94=268、77mmei=e0+ea=295、77mm
l0/h=7200/800=9>5而且＜１５.应考虑偏心矩增大系数η,取ζ2=1
ζ1=
=0、5×9、6×160000/810940=1、05>1,取ζ１＝１
图 １９
η=1+
ζ1ζ2=1+
×1×1=1、15
ηei=1、15×295、77=340、14>0、3×760=228,所以为大偏心
受压,应重新假定中与轴位于翼缘内,则
x=
=810940/1×9、6×400=211、18>hf=150mm
说明中与轴位于板内,应重新计算受压区的高度:
x=
=
=394、72mm
e=ηei+h/2+αs=1、15×295、77-800／2-40＝7005mm
As=As`=
=
=272、87mm2
（2）按M=152、69KN、m,N=473、44KN计算
L0=１HU=１×7、2=7、2m,附加偏心矩ea=800/30=2、7mm（大于２０mm）,b=100mm,bf`=400mm,hf=150mm
e0=M/N=152690/473、44=322、51mmei=e0+ea=349、51mm
l0/h=7200/800=9>5而且＜１５.应考虑偏心矩增大系数η,取ζ2=1
ζ1=
=0、5×9、6×160000/810940=1、05>1,取ζ１＝１
图 ２０
η=1+
ζ1ζ2=1+
×1×1=1、15
ηei=1、15×295、77=340、14>0、3×760=228,所以为大偏心
受压,应重新假定中与轴位于翼缘内,则
x=
=473440/1×9、6×400=123、29>hf=150mm
说明中与轴位于翼缘内:
e=ηei+h/2-αs=1、15×349、51-800／2-40＝761、93mm
As=As`=
=
=139、38mm2
最小配筋βminA=0、2%×177500=355mm2
所以选３φ１４（As=461mm2）满足要求
查附表１１、１的无柱间支撑垂直排架方向柱的计算长度,l0=1Hl=7、2m
l0/b=7200/400=18,查表得ψ＝0、81,Ac=A-Aa=177500-461×2=176578mm
Nu=0、9ψ（fy`As`+fcAs）=0、9×0、81×（300×461×2+9、6×176578）=1437、40KN>Nmax
所以满足弯矩作用平面外的承载力要求
3．柱裂缝宽度验算
《规范》中规定,对e0/h0>0、55的柱要进行裂缝宽度验算,本例的上柱出现e0/h0=>0、55,所以应该进行裂缝验算。
验算过程见下表２１。
其中上柱的As=763mm2;Es=200000N/mm2;构件的受力特征系数acr=2、1,混凝土的保护层厚度c=25mm,ftk=1、54N/mm2。
4．柱裂缝宽度验算
非地震区的单层厂房柱,其箍筋数量一般由构造要求控制。
根据构造要求,上下柱均选用φ８@200箍筋。
5．牛腿设计
根据吊车支承的位置,截面的尺寸及构造要求,确定牛腿的尺寸如图２２所示,其中牛腿的截面宽度b=400mm,牛腿截面高度h=1050mm,h0=1015mm、
（1）牛腿腿截面高度验算
表 ２１柱的宽度验算表
图２２
１７<0、2,所以满足要求
Fv≤β（１－０、５Fhk/Fvk）
验算
β＝０、６５,ftk=1、54N/mm2,
Fhk=0,a=650-175-250/2=350mm
Fvk=Dmax/γQ+G3/γG=346、15/1、4+38、76/1、2
=279、55KN
β（１－０、５Fhk/Fvk）
=
0、65×
=470、08KN>Fvk
所以所选的尺寸满足要求
（2）牛腿配筋计算
纵向受拉钢筋总截面面积As:
As≥
=
=550、２mm2
根据规定,纵向受拉钢筋As的最小配筋率为0、002bh=0、002×400×1050=840mm2
>550、2mm2。
所以要按８４０mm2配筋。
现在选用５φ１６（As=1005mm2）
水平箍筋选用φ８@100的双肢筋。
牛腿的剪跨比a/h0=370/1050=0、35>0、3,所以应该设置弯起钢筋
A≥０、５As=0、5C1005=502、5mm2 ,且A≥0、0015bh=0、0015×400×1015=609mm2
故选用４φ１４（As=６１５mm2）
6．牛腿设计
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。
插入杯口深度为800mm,则柱吊装时的总长度为3、6+7、2+0、8=11、6m、。
柱吊装阶段的荷载为柱自重重力荷载（应考虑动力系数）即
q1=μυGq1k=1、5×1、2×4、0=7、2KN/m
q2=μυGq1k=1、5×1、2×（0、4×2、1×25）=37、8KN/m
q3=μυGq1k=1、5×1、2×4、44=7、99KN/m
图２３
在上述荷载的作用下,柱的控制截面的弯矩为:
M1=0、5q1Hu2=0、5×7、2×3、62=46、66KN、m
M2=0、5q1Hu2=0、5×7、2×（3、6+1、05）2+0、5×（37、8-7、2）×1、052=94、71KN、m
由∑MB=RAl3-0、5q3l32+M2=0
解得:
RA=14、17KN
M3=RAx-q3x2令
=RA-q3x=0得x=1、77m则下柱段最大弯矩M3为:
M3=14、17×1、77-0、5×7、99×1、772=12、55KN、m
表 ２４吊装时柱的宽度验算表
六.基础设计（B柱下基础）
１.初步确定杯口尺寸及基础埋深
（１）杯口尺寸
图２5基础截面尺寸
杯口的深度:
柱子的插入深度H1=800mm,所以杯口深度为800+50=850mm
杯口顶部尺寸:
宽为400+2×75=550mm,长为800+2×75=950mm
杯口底部尺寸:
宽为400+2×50=500mm,长为800+2×50=900mm
杯口厚度:
因为800杯壁高度:
h1≤t/0、75=350/0、75=466mm,取h1=350mm
杯底厚度;a1=250mm,根据a2≥a1原则,取a2为250mm
根据以上尺寸,确定基础总高度 H1+a1+50=800+250+50=1100mm
基础的埋置深度:
1100+600=1700mm
地基承载里设计值:
fa=200KN/m2
（2）基础面积计算
表２６ B柱在基础地面的荷栽
估算基础底面积:
A≥
=1006、06/（200-20×1、7）=6、06m2
考虑偏心受压,将基础的面积增大２０％
1、2A=1、2×6、06=7、27m2
G=γGγyDA=1、2×20×1、7×8=326、、4KN
表２７基础底面压应力计算
取基础地面长边与短边的比为２,则
l=3、8m,b=1、9m,取l=４m,b=２m
校核基础底面积就是否满足要求:
（１）校核0、5（Pmax+Pmin）≤f
0、5（Pmax+Pmin）=0、5×（198、90+134、22）=166、56KN（２）校核Pmax≤1、2f
Pmax=198、90KN<1、2f=1、2×200=240KN
（３）校核Pmin≥０
Pmin=67、91KN>0
由以上得知,基础的地面尺寸４×２＝８m2,满足要求
图２８基础截面尺寸
２.地基净反力计算:
表２９地基净反力
由表可以瞧出Nmax最不利。
（Pjmax=158、10,Pjmin=93、42）
３.冲剪强度验算
从杯口顶面柱边开始的４５0斜拉裂面与基础底面交界处（截面１－１）的净反力Pj1。
基础的有效高度h0=1100-40=1060mm
Pj1=93、42+（4-0、64）/4×（158、10-93、42）=147、75KN
同理按比例算得:
PjⅠ=93、42+（2+0、4）/4×（158、10-93、42）=132、23KN
PjⅠ`=93、42+（2+0、4+0、425）/4×（158、10-93、42）=139、10KN
因为b=2、0m A1=（l/2+hv/2-h0）b=（4/2-0、8/2-1、06）×2=1、08m2
A2=（bc+h0）h0-（h0+bc/2-b/2）2=（0、4+1、06）×1、06-（1、06+0、4/2-2/2）2=1、48m2
（１）柱边截面
PjmaxA1=158、10×1、08=17、75KN,查表的βnp=0、98C15 ft=0、91N/mm2
0、7βnpA2=0、7×0、98×0、91×1480000=923、90KN>PjmaxA1=158、10×1、08=17、75KN
满足要求
（２）变阶截面;算法同上面的一样,同样满足要求。
４、配筋验算
Ⅰ－Ⅰ截面:
MI=1/48[（Pjmax+Pj）（2b+bc）+（Pjmax-Pj）b]（l-hc）2
=1/48[（158、1+125、76）（2×2+0、4）+（158、1-125、76）×2]（4-0、8）2
=280、25KN、m
AsI=MI/0、9fyh0=280、25/（0、9×210000×1、06）=13
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