单层工业厂房设计书doc.docx

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单层工业厂房设计书doc

单层工业厂房设计书

——排架柱及柱下基础设计——

指导老师：

任青

姓名：

曹刘坤

学号：

2013/7/22

上海理工大学，环境与建筑学院，土木工程系，2010级短学期混凝土课程设计任务书

单层工业厂房设计书

一、设计对象：

某工厂混凝土结构车间厂房，跨度等高厂房，跨度为24m，柱距6m。

设有一台30/5t中级工作制吊车，一台20/5t中级工作制吊车。

轨定标高为+9.00m，柱顶标高+11.1m，上柱高度为4.2m，下柱高度为8.5m。

基础为单柱杯口基础。

结构设计资料。

1、自然条件：

10m高度处基本风压为0.35KN/m2，B类地面粗糙度，基本雪压为0.3KN/M

2、地址条件：

地基标准承载力为300KN/m，历年最高水位为-2.4m

3、地震烈度：

该工程位于非地震区。

二、建筑资料

屋架在上柱顶端的偏心距为0.05m；

屋面：

采用卷材保温屋面做法，卷材保温0.35KN/m2；

20mm水泥砂浆找平层20*0.02=0.4KN/m2

支撑及连接构件自重0.05KN/m2；

屋面板（大型预应力）为1.3Kn/m2；

每榀钢屋架自重为109kN；

维护墙：

采用240mm后双面清水墙（R=19KN/m3）；

吊车梁每根自重39KN；吊车梁轨道和零件自重0.8KN/M，吊车跨度22.5m；

灌缝为0.1KN/m2，天沟板（无积水）为11KN/块，（有积水）17.4KN/块。

门窗：

钢门窗按0.45KN/m2计算；地面：

采用混凝土地面，室内外高差150mm

5、材料

排架柱：

混凝土C25；钢筋主筋HRB335级，其他钢筋HRB235

基础：

混凝土C15；钢筋HRB235

垫层：

混凝土C7.5，厚度100

三、设计内容内容

1、荷载计算

（1）屋盖恒荷载近似取屋架恒荷载标准值为1.3KN/m2，由屋盖传给排架柱的集中恒荷载设计值

偏心距e=500/2-200=50mm

（2）屋面活载荷载规范中规定屋面均布活载为0.5KN/m2，比屋面雪荷载标准值0.3KN/m2打，故由屋盖传递给排架柱的集中活荷载设计值为：

（3）柱和吊车梁等恒荷载

上柱自重标准值为25*0.2=5KN/m，故作用在牛腿顶截面处的上部柱恒荷载设计值:

偏心距e=（800-500）/2=150mm

下部柱自重为25*0.1775=4.4375KN/m

作用在基础顶恒荷载设计值F3=1.2*4.4375*8.5=45.26KN，偏心距e=0

轨道连接自重标准值0.8KN/m，吊车梁自重39KN/根

作用在牛腿顶部恒荷载:

F4=1.2*（39+6*0.8）=52.56KN，偏心距e=（24-22.5-0.8）/2=350mm

（3）吊车荷载查表可得

单位（KN）

Pmax

Pmin

G2,k

G3,k

30/5t

290

70

117

300

20/5t

215

45

75

200

两台吊车，A5中级工作制，β=0.9

则

KN

吊车水平横向荷载TMAX

G2,k+G3,k）=1/4*0.1*（75+200）=6.875KN

Tk2=1/4α（G2,k+G3,k）=1/4*0.1*（117+300）=10.425KN

Tmax=1.4*0.9*[6.875*（0.791+0.058）+10.425*1.2]=23.11KN

（4）风荷载

1）作用在柱顶出的集中风荷载设计值W

这是风荷载的高度变化系数μz檐口里室外地坪的高度13.46+0.15=13.61m，查表可得B类，离地面高度10m处的高度变化系数为1.00，离地面15m处高度处μz=1.14，用线性差值法可求得：

μz=1.00+（13.61-10）/（15-10）*（1.14-1.00）=1.10

由钢屋架图可知，h1=13.46-12.00=1.46m,h2=14.50-13.46=1.04m

Wk=[（0.8+0.5）h1+（0.5-0.6）h1]·；μzw0B=（1.3*1.46+0.1*1.04）*1.10*0.35*6=4.62KN/M

风压设计值W=γQWK=1.4*4.85=6.79KN/M

2）沿排架柱高度作用的均布风荷载设计值q1q2

这是风压高度变化系数μz按柱顶离室外地坪的高度12.00+0.15=12.15m计算

μz=1.00+（12.15-10）/（15-10）*（1.14-1.00）=1.06

q1=γQμSμZW0B=1.4*0.8*1.06*0.35*6=2.49KN/M

q2=γQμSμZW0B=1.4*0.5*1.06*0.35*6=1.56KN/m

2、内力分析

内力分析时所取的荷载都是设计值，所以得到的内力值都是内力的设计值

1、屋盖作用下内力分析

（1）屋盖集中恒荷载F1作用下的内力分析

柱顶不动支点反力R=M1C1/HM1=F1e0=268.68*0.05=13.43kNm

上柱：

Iu=400*5003/12=4.17*109mm4下柱：

ll=400*8003/12-2*150*5003/12+4*（150*253/6+150*25/2*233.32）=1.435*1010mm4

按n=Iu/Il=0.291，λ=HU/H=4.2/（4.2+8.5）=0.33

查表得C1=1.75，根据公式计算

=1.745相差不大，取1.75

则R=C1M1/H=1.75*13.43/12.7=1.85KN（右）

（2）屋盖集中活荷载F6作用下的内力分析

M6=F6e0=50.4*0.05=2.52KNm；R=C1M1/H=50.4*0.05*1.75/12.7=0.43KN（右）

在F1、F6分别作用下的排架柱弯矩图、轴向力图和驻地监理图，分别见下（a）（b），图中标注出的内力值是指控制截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ截面的内类设计值。

弯矩以使排架柱外侧受拉的为正，反之为负。

2、柱自重、吊车梁及轨道连接等自重作用下的内力分析。

M2=F2e-F3e=52.26*0.35-25.2*0.15=14.62kNm

下柱顶上的轴力N=25.2+52.56=77.76kN作用在基础顶上的轴力N=77.67+45.26=123.02kN

3、吊车荷载作用下的内力分析

（1）DMAX作用在A柱时，A柱的内力分析，

MMAX=DMAX*e=668.47*0.35=233.96kNmM1=D1*e=153.97*0.35=53.89kNm

这里偏心距e是指吊车轨道中心线至下部柱截面型心的水平距离。

A柱顶的不动指点反力，查表可得1.23，按计算

=1.5*（1-0.33^2）/（1+0.33^3*（0.29^（-1）-1））=1.23

A柱顶不动支点反力RA=MMAXC3/H=233.96*1.23/12.7=22.67kN（左）

B柱顶不动支点反力RB=M1C3/H=53.89*1.23/12.7=-5.22kN（右）

A柱顶水平剪力VA=RA+（-RA-RB）/2=22.67+（-22.67+5.22）/2=13.95kN（左）

B柱顶水平剪力VB=RB+（-RA-RB）/2=-13.95（右）

内力图如图所示

（2）DMIN作用在A柱时的内力分析

Mmin=DMIN*e=141.38*0.35=49.48kNmM2=D2*e=630.68*0.35=220.74kNm

A柱顶的不动交织点反力等于C3=1.23

A柱顶不动支点反力RA=MminC3/H=49.48*1.23/12.7=4.79kN（（左）

B柱顶不动支点反力RB=M2C3/H=220.74*1.23/12.7=-21.38kN（右）

A柱顶水平剪力VA=RA+（-RA-RB）/2=4.79+（-4.79+21.38）/2=13.08kN（左）

B柱顶水平剪力VB=RB+（-RA-RB）/2=-13.08kN（右）

内力图如下图所示

（3）在Tmax作用下的内力分析

牛腿顶面标高为9-1-0.2=7.8m；Tmax至牛腿顶面的距离为1+0.2=1.2m；

TMAX至驻地的距离为9+0.15+0.7=9.85m

因A柱与B柱相同，受力也相同，故柱顶水平位移相同，没有柱顶水平剪力，故A柱的内力如图所示

4.风荷载作用下，A柱的内力分析

左风时，在q1q2的作用下的柱顶不动铰支座反力，由附录可查表得C11=0.348

取C11=0.348不动铰支座反力：

RA=q1HC11=2.49*12.7*0.348=-11.00KN（左）RB=q2HC11=1.56*12.7*0.348=-6.89KN（左）

A柱顶的水平反力为：

VA=RA+（W-RA-RB）/2=-11.11+（6.79+11+6.89）/2=1.23KN（右）

VB=RB+（W-RA-RB）/2=-6.89+（6.79+11+6.89）/2=5.45KN（右）

故左右风是，A柱的内力图分别如下：

5、内力组合表及其说明

2、内力组合的说明

（1）控制截面1-1在+MMAX及相应N为目标进行恒荷载+0.9*（任意两种或两种以上活荷载）的内力组合时，由于“有T必有D”，有Tmax产生的是正弯矩27.73kNm，而在Dmax或DMN作用下产生的是负弯矩，如果把他们结合起来得到的是负弯矩，与要得到+MMAX的目标不符，故不予组合。

（2）控制截面1-1在以NMAX及相应的M为目标进行恒荷载+0.9*（任意两种或两种以上活荷载）的合力组合时，应在得到NMAX的同时，使得M尽可能的大，因此采用1+2+0.9*（3+4+6+8）

（3）DMAX、DMIN、TMAX和风荷载对截面1-1都不产生轴向力N，因此对1-1截面进行NMAX及相应M的恒荷载+任一活荷载的组合时取1+2+3

（4）在恒荷载+任一种活荷载的内力组合中，通常采用恒荷载+风荷载，但在以NMAX为内力组合目标时或在对2-2截面一+MMAX为内力组合目标时，则通常改为用恒荷载+DMAX

（5）评判2-2截面的内力组合时，对+MMAX=221.26KN及相应N=948.063KN，e0=0.233大于0.3h0=0.3*0.66=0.168m，估计是大偏压。

对3-3截面，-MMAX=-444.35KNm，NMIN=518.94KN，e0=0.856m偏心距很大，故作为最不利内力组合。

3、排架柱截面设计

采用就地预制柱，混凝土强队等级为C25，纵向受力钢筋为HRB335，采用对称配筋。

1、上部柱配筋计算

由内力组合表可知，控制截面1-1的内力设计值为

M=-111.88kNm，N=339.27KN

（1）考虑P-△二阶效应

e0=M/N=111.88/339.27=330.7mm,ea=20mmei==e0+ea=330.7+20=351mm

A=bh=400*500=2*105mm2

ζc=0.5fcA/N=0.5*11.9*2*105/（339.27*103）=3.51＞1.0，取ζc=1.0

查12-3表可得l0=2HU=2*4.2=8.4m

ηei=1.24*351=435＞0.3h0，（0.3*460=138mm）可先按照大偏压计算

e1=ηei-h/2+2as=1.20*351-500/2+2*40=265.24mm

选用3Φ18，AS=AS1=763mm2,最小配筋率为0.24%*500*400=480mm2＜763mm2;同时柱截面总配筋2*763=1526mm2＞0.55%*500*400=1100mm2

（3）垂直于排架方向的截面承载力验算

查表可得，计算长度l0=1.25HU=1.25*4.2=5.25m

l0/b=5.25/0.4=13.125查表可得φ=0.95+（13.125-12）/（14-12）*（0.92-0.95）=0.93

NU=0.9φ（fcA+fy1AS1）=0.9*0.93*（11.9*500*400+300*1526）=2375.38kN＞N=339.27KN满足

2.下部柱配筋计算

按控制截面3-3进行计算。

由内力组合表可知

（a）M=497.13KNmN=1038.71KN

（b）M=-444.35KNmN=518.94kN

（1）按第一种内力组合计算

e0=497.13/1038.71=479mm,ea=h/30=800/30=26.7mm

ei=e0+ea=479+26.7=505.7mm

A=bh+2*（bf-b）*hf=100*800+2*（400-100）*（150-12.5）=1.625*105mm2

ζc=0.5fcA/N=0.5*11.9*1.625*105/（1038.71*103）=0.93

假设为大偏压，切中和轴在翼缘内：

218.24＞2αs1=2*40=80mm＞162.5mm

说明没有在翼缘内，属于第二类截面

由力的平衡可得：

由力矩平衡条件可得：

解得x=1050舍470，AS=1899mm2

采用10φ22，AS=AS1=1900mm2

（2）按另外一组进行计算

e0=444.346/518.942=856mm,ea=h/30=26.7mmmei=856+26.7=882.7mm

ζc=0.5fcA/N=0.5*11.9*1.625*105/（518.94*103）=1.86＞1，取ζc=1.0

所以

配置6φ22，2281mm2

（3）垂直于排架方向的承载力验算

查表可知，有柱间支撑时，垂直排架方向的下柱计算长度为0.8HL=0.8*8.5=6.8m

l0/b=6.8/0.4=17得ψ=0.84

NU=0.9φ（fcA+fy1AS1）=0.9*0.84*（11.9*1.625*105+300*2*2281）=2496.59kN＞1038.71kN

3、排架柱的裂缝宽度验算

裂缝宽度应按内力的准永久组合值进行验算。

内力组合表中给出的是内力的设计值，因此要将其改为内力的准永久组合值，及把内力设计值乘以准永久组合值系数Ψq，在初一活荷载分项系数1.4。

风荷载的Ψq=0.故不考虑风荷载，不上人的屋面的屋面活荷载，其Ψq=0故把他改为雪荷载，及乘以系数3/5。

（1）上部柱裂缝宽度验算

按式的荷载准永久组合，可的控制截面1-1的准永久组合内力值：

M=-13.43+0+（0.5/1.4*30/50*（-0.566）-0.6*58.59/1.4-0.6*27.73/1.4）=-50.54kNm

Ng=268.68+25.2+（0.5*50.4/1.4*30/50）=304.68kN

最大裂缝宽度可由公式求得：

ρte=AS/ATE=941/（0.5*500*400）=0.0094＜0.01,ρte=0.01

e0=50.54*106/（304.68*103）=166mmys=h/2-a==250-40=210mm

e=η瑟e0+ys=1.032*166+210=381.31mm

γf=0

deq/ρte=18/0.0094=1914.89mm

z=[0.87-0.12*（460/381.31）^2]*460=320mm

σsk=Nk（e-z）/（ASz）=304.68*103*（381.31-320）/（1526*320）=38.25N/mm2

Ψ=1.1-0.65ftk/ρteσsk=1.1-0.65*1.78/（0.01*38.25）=-1.9取值为0.2

（2）下部柱裂缝宽度验算

对3-3截面内力组合+MMAX及相应的N进行裂缝宽度验算

M=10.06+14.62+[0.5*30/50/1.4*2.941+0.6/1.4*（56.78+228.79+216.43）=240.45KNm

N=268.68+14.62+（0.5*30/1.4/50*50.4+0.6*668.47/1.4）=580.58KN

ρte=AS/（0.5bh+（bf-b）hf=2085/（0.5*100*800+（400-100）*162.5）=0.0234

e0=240.45*103/（580.58*103）=414.15mmh0=800-40=760mm

l0/h=8.5/0.8=10.625＜14,η瑟=1

e=1*414.15+800/2-40=774.15mm

γ=（bf`-b）hf`/（bh）=（400-100）*162.5/（100*800）=0.609

z=[0.87-0.12*（760/774.15）^2]*760=573.3mm

σsk=Nk（e-z0）/（ASηh0）=580.58*10^3*（774.15-573.3）/（2085*573.3）=97.55N/mm2

Ψ=1.1-0.65ftk/ρteσsk=1.1-0.65*1.78/（0.0234*97.55）=0.59

Deq/ρte=22/0.0234=940.17

4、箍筋配置

非地震地区的单层厂房排架柱箍筋一般按构造要求设置。

采用Φ8@200，在牛腿处加密为Φ8@100。

5.牛腿设计

根据吊车梁支撑位置，吊车梁尺寸及构造要求，确定牛腿尺寸如图所示。

牛腿截面宽b=400mm，截面高度h=600mm，截面有效高度h0565mm

（1）按裂缝控制要求验算牛腿截面高度

作用在牛腿顶面的竖向荷载标准值FVK=DMAX+F4=477.48+53.16/1.2=521.78KN

牛腿顶面没有水平荷载，设裂缝控制系数为β=0.65，ftk=1.78N/mm2,a=-50+20=-30＜0a=0

由下面的公式可得

0.65*1.78*400*565/0.5=522.9kN＞521.78kN满足

（2）牛腿配筋

由于a=-10mm，故可按构造要求配筋，水平纵向受拉钢筋截面面积AS≥ρminbh=0.002*400*600=480mm2，采用5Φ14.A=769mm2，其中2Φ14是弯起钢筋。

如前所述，牛腿处的箍筋为Φ8@100

6.排架柱的吊装验算

（1）计算简图

由12-4可知，h=800插入基础深度应为0.9*800=720mm，取800mm,故柱总长度为4.2+8.5+0.8=13.5m

采用就地翻身起吊，吊点设在牛腿下部处，因此起吊是的支点有两个：

柱底和牛腿底，上柱和牛腿是悬臂的，计算简图如下。

（2）荷载计算

吊装时，应考虑动力系数μ=1.5，柱自重的重力荷载分项系数为1.35.

q1=μγgq1k=1.5*1.35*5=10.125kN/m

q2=μγgq2k=1.5*1.35*0.4*0.9*25=18.225kN/m

q3=μγgq3k=1.5*1.35*4.4375=8.99kN/m

（3）弯矩计算

M1=q1HU2/2=10.125*4.22/2=89.30KNm

M2=-q1HU2*（HU/2+0.6）-q20.62/2=（-10.125*4.2*2.7-18.225*0.36）/2=-60.689KN

由ΣMB=0可得RAL3-q3l32/2-M2=0

RA=8.99*8.7/2-60.689/8.7=32.13KNx=32.13/8.99=3.57

M3=RAX-1/2*q3x3=32.13*3.57-1/2*8.99*3.2^2=68.67kNm

（4）截面受弯承载力及裂缝宽度验算

上柱：

MU=fyAS（h0-as）=300*763*（460-40）=96.14kNm＞γ0M1=0.9*89.30=80.37kNm满足

裂缝宽度验算：

MK=89.30/1.35=66.15KNm

σsk=Mk/0.87h0As=66.15*10^6/（0.87*460*763）=216.63N/mm2

ρte=AS/0.5bh=763/（0.5*400*500）=0.00763,ρte=0.01

ψ=1.1-0.65*1.78/（0.01*216.63）=0.566

下柱：

MU=MU=fyAS（h0-as）=300*2085*（760-40）=450.36kNm＞γM=0.9*60.689=54.62kNm

裂缝宽度验算：

MK=60.689/1.35=44.95KNm

σsk=Mk/0.87h0As=44.95*10^6/（0.87*760*2085）=32.6/mm2

ρte=0.0234

ψ=1.1-0.65*1.78/（0.0234*32.6）=-0.416ψ=0.2

7.绘制排架柱的施工图

见下图

4、锥形杯口基础设计

1作用在基础底面的内力

（1）基础梁和维护墙的重力荷载

每个基础承受的围护墙的宽度为计算单元的宽度6m,墙高13.46+0.7-0.45=13.71m，墙上有上下钢框玻璃窗，窗宽3.6m，上下窗高分别为1.35m和4.8M，钢窗自重0.45KN/m2，每根基础梁自重标准值为12.2Kn/根，内外20mm厚水泥石灰砂浆粉刷2*0.36kN/m2，墙的重度19kN/m3故由墙体和基础梁传来的重力荷载标准值Nwk和设计值NW

基础梁12.2KN/根

围护墙自重（2*0.36+19*0.24）*[6*13.71-（1.35+4.8）*0.36]=317.4kN

钢窗自重0.45*3.6*（4.8+1.35）=9.963kN

NWK=12.2+317.4+9.963=339.6KN/m2

NW=339.6*1.2=407.5KN

如图所示，NW对基础的偏心距e=0.12+0.4=0.52kN

对基础底面的偏心弯矩

MWK=NWK*ew=339.6*0.52=176.6kNm

MW=neww=407.5*0.52=211.9kNm

（2）柱传来的第一组内力

MMAX=-444.346KNmN=518.942KNV=11.857KN左

对基础底面产生的内力设计值为

Mb=-444.346-11.857*1.1=-457.39kNm

NB=518.942KN下V=11.857KN左

按式10-33这组内力的标准值为

MK,MAX=1/1.2*（10.06+14.62）-1/1.4*（195.02）-0.7/1.4*（97.33+228.79）=-281.79KNm

NK=1/1.2*（268.68+123.02）+1/1.4*141.38=427.40KN

VK=1/1.2*1.85-1/1.4*25.26-0.7/1.4*（13.08+23.11）=34.59KN左

对基础底面产生的内力标准值为：

MBK1=-281.79-34.59*1.1=319.839kNm

Nk1=427.40kN

Vbk1=34.59kN

（3）柱传来的第2组内力

+Mmax=479.13kNmNb=1038.71kNV=40.046kN右

柱对基础底面产生的内力设计值

+Mb=479.13+40.046*1.1=523.18kNm

Nb=1038.71kN

Vb=40.046kN

第2组内力的标准值

Mk,max=1/1.2*（10.06+14.62）+1/1.4*（228.79）+0.7/1.4*（2.941+56.78+216.43）=322.06kNm

Nk,=1/1.2*（268.68+123.02）+1/1.4*668.47+0.7/1.4*50.43=829.11kN

Vk=1/1.2*1.85+1/1.4*32.85+0.7/1.4*（0.43-13.95+23.11）=29.8kN右

柱对基础底面产生的内力标准值

Mbk2=3