混凝土结构课程设计——单层厂房设计.doc

.混凝土结构课程设计任务书IV单层工业厂房设计任务书一、设计题目：金属结构车间双跨等高厂房。二、设计内容：1计算排架所受的各项荷载；2计算各种荷载作用下的排架内力(对于吊车荷载不考虑厂房的空间作用)；3柱及牛腿设计，柱下独立基础设计；4绘施工图：柱模板图和配筋图；基础模板和配筋图。三、设计资料1金属结构车间为两跨厂房，安全等级为一级，厂房总长54m，柱距为6m，厂房剖面如图1、2、3所示；2厂房每跨内设两台吊车；3建设地点为浙江衢州（地面粗糙程度B类)；4地基为均匀粘性土，地基承载力特征值190kpa；5厂房标准构件选用及载荷标准值：(1)屋架采用梯形钢屋架，屋架自重标准值：18m跨81.50kN每榀，21m跨95kN每榀，24m跨109kN每榀，27m跨122kN每榀，30m跨136kN每榀(均包括支撑自重)(2)吊车梁选用预应力混凝土吊车梁，参数见表3。轨道及零件自重0.8kNm，轨道及垫层构造高度200mm；(3)天窗采用矩形纵向天窗，每榀天窗架重：18m跨25.5kN每榀，21m跨30kN每榀，24m跨34kN每榀，27m跨38.3kN每榀，30m跨42.5kN每榀(包括自重，侧板、窗扇支撑等自重)；(4)天沟板自重标准值为2.02kNm；(5)围护墙采用240mm双面粉刷墙，自重5.24kN/m2。塑钢窗：自重0.45kNm2，窗宽4.2m，窗高见图1。(6)基础梁截面为250 mm600mm；基础梁自重4.2kNm；6材料：混凝土强度等级为C30，柱的受力钢筋采用HRB335级或HRB400级，箍筋采用HPB235级；7屋面卷材防水做法（自上而下）及荷载标准值如下：改性沥青油毡防水层：0.4kNm2；20mm厚水泥砂浆找平层：0.4kNm2；30mm细石混凝土面层：0.75kNm2；100mm厚珍珠岩制品保温层：0.4kNm2；一毡二油隔汽层：0.05kNm2；预应力大型屋板：1.4kNm2。8屋面均布活荷载为0.6kNm2。图2图310土木同学按学号顺序选用下表。表1 各学号所对应桥式吊车和牛腿标高跨度左跨吊车序号右跨吊车序号C1C2C3C4C1C2C3C4C1C2C3C418123456789101112C121131415161718192021222324C224252627282930313233343536C327373839404142434445464748C4274950515253C124C2牛腿顶标高(m)6.97.27.57.88.18.48.79.09.39.69.910.2 表2 吊车梁数据（工作级别A5）梁型号起重量(kn)跨 度(m)梁 高(mm)梁 重(kn)梁型号起重量(kn)跨 度(m)梁 高(mm)梁 重(kn)YDL1160 20016.5 22.5120041.3YDL432028.5120046.3YDL2160 20025.5 28.5120041.5YDL550016.5 28.5150060.3YDL332016.5 25.5120046.0 表3 吊车数据（工作级别A5）吊车序号起重量(kN)桥跨LQ(m)小车重g(kN)最大轮压Pmax(kN)大车轮距BQ(m)轨道中心至端部距离Bl(mm)轨顶以上高度H(mm)大车宽B(m)吊车总重(kN)C1160/3216.563.261634.0023020975.95523019.563.261854.1026020976.05527022.563.261934.1026021876.05530025.563.262055.0026021856.39034028.563.262145.0026021856.390380C2200/5016.569.771854.0023020995.95524019.569.772074.1026020996.05529022.569.772164.1026021896.05532025.569.772305.0026021896.39037028.569.772395.0026021896.390400C3320/5016.51092784.6526023416.64033019.51093014.7030024716.69038022.51093134.7030024716.69041025.51093315.0030024716.99046028.51093445.0030024716.990500C4500/10016.51554204.8030027346.77544019.51554304.8030027346.77549022.51554564.8030027346.77553025.51554745.0030027346.97558028.51554875.0030027346.975620最后须提交的内容：1、设计计算书。包括封页、任务书、目录、正文。2、结构施工图。目 录1 结构构件选型及柱截面尺寸确定- 1 -2.1 计算简图的确定- 1 -2.1.1 上柱及全柱标高- 1 -2.1.2 确定柱截面尺寸- 2 -2.1.3 验算柱的截面尺寸- 2 -2.1.4 柱网布置- 2 -2.1.5 计算上、下柱截面惯性矩及比值- 3 -2.2 荷载计算- 4 -2.2.1 恒荷载- 5 -2.2.2 屋面活荷载- 6 -2.2.3 风荷载- 6 -2.3 排架内力分析- 8 -2.3.1 恒载作用下排架内力分析- 9 -2.3.2 屋面活荷载作用下排架内力分析- 10 -2.3.3 风荷载作用下排架内力分析- 12 -2.3.4 吊车荷载作用下排架内力分析- 14 -2.4 内力组合- 20 -3 柱的截面设计- 26 -3.1 上柱配筋计算- 26 -3.2 下柱配筋计算- 27 -5.3 柱的裂缝宽度验算- 29 -5.4 箍筋配置- 30 -5.5 牛腿设计- 30 -5.5.1 牛腿截面高度验算- 30 -5.5.2 牛腿配筋计算- 31 -6 柱的吊装验算- 31 -7 基础设计- 33 -7.1 作用于基础顶面上的荷载计算- 33 -7.2 基础尺寸及埋置深度- 35 -7.2.1按构造要求拟定高度- 35 -7.2.2 拟定基础底面尺寸- 35 -7.3 基础高度验算- 36 -7.4 基础底板配筋计算- 38 -7.4.1 柱边及变阶处基底反力计算- 38 -图23 基础底板配筋计算截面- 39 -7.4.2 柱边及变阶处弯矩计算- 39 -7.4.3 配筋计算- 40 -混凝土及砌体结构课程设计1 结构构件选型及柱截面尺寸确定某金属结构车间双跨等高厂房，安全等级为一级，厂房总厂54m，柱距为6m，厂房每跨内设两台吊车，吊车均为软钩吊车，吊车工作级别为A5，轨顶标高为9.3，跨度为21m。吊车起重量为200/50，选择吊车桥跨均为19.5m，吊车梁均选用YDLZ型号，梁高为1200。厂房剖面图见图1。图12 结构计算2.1 计算简图的确定2.1.1 上柱及全柱标高 估计基础埋深m，基础高，室外地坪标高，所以初选基顶标高-0.5m。边柱（A、C）：柱顶标高9.3+1.2.+0.2+2.097+0.22= 13.017 m ，取13.2m上柱高() =13.7-9.8=3.9m下柱高() = 9.3+0.5=9.8m总高度（H）13.2+0.5=13.7m中柱B顶面标高及上下柱高与边柱A、C相同。因此边柱A、C及中柱B顶面标高为m，上柱高m，下柱高m，全柱高m。2.1.2 确定柱截面尺寸根据柱的高度、吊车起重及工作级别，可由书上表2.4.4确定柱截面尺寸。柱截面尺寸见图2。表1 柱截面计算参数 计算参数柱号截面尺寸/面积/惯性矩/自重/（）A，C上柱矩5下柱7.04B上柱矩7.5下柱7.64 图2 柱截面尺寸图4 计算单元简图2.2 荷载计算2.2.1 恒荷载屋盖荷载：改性沥青油毡防水层 0.4 KN/m20mm厚水泥沙浆找平层 0.4KN/m30mm细石混凝土面层 0.75 KN/m厚珍珠岩制品保温层 一毡二油隔汽层 预应力大型屋面板 3.4 KN/m天沟板自重 2.02 KN/m屋架自重 95KN/榀天窗自重 30KN/榀所以作用于柱顶的屋盖结构重力荷载设计值为： 吊车梁及轨道重力荷载设计值 41.3+0.86=55.32KN柱自重重力荷载设计值 A、C柱： 上柱 1.253.9=23.4KN下柱 =1.27.049.8=82.8KN B柱： 上柱 1.27.53.9=35.1KN下柱 1.27.649.8=89.85KN 各项恒载作用位置如图5所示图5 荷载作用位置图（单位：KN）2.2.2 屋面活荷载 由荷载规范可知，对于不上人的钢筋混凝土屋面，其均布活荷载标准值为0.6KN/M2，大于该厂房所在地区基本雪压。故作用于柱顶面活荷载设计值为：的作用位置与作用位置相同，如图5所示。2.2.3 风荷载 该地区的基本风压，由于厂房高度小于30m，所以,风压高度变化系数可根据厂房各部分标高及B类底面粗糙度，由荷载规范确定如下： 柱顶（标高=13.2m） 1.0896 屋架，檐口（标高=14.9m） 1.1372 天窗，屋架交接处（标高=15.9m） 1.1598 天窗檐口（标高=18.5m） 1.217屋顶（标高=18.95m） 1.2269如图6所示，由公式可得排架迎风面及背风面的风荷载标准值分别为：图6 风荷载体型系数及排架计算简图1.00.81.08960.4=0.3487 KN/M21.00.41.08960.4=0.1743 KN/M2作用于排架计算简图上的风荷载设计值为： 0.34876=2.929KN/M0.17436=1.464KN/M=1.4(0.8+0.4)1.13721.7+（-0.2+0.5-0.5+0.4）1.15981.0（0.6+0.6+0.6+0.5）1.2172.6+（-0.7+0.7-0.6+0.6）1.22690.45 1.00.46=33.03KN2.2.4 吊车荷载由设计资料表2得160/32吊车的参数为：大车宽B=5.955m，大车轮距K=4.00m，小车重g=63.26KN，吊车总重G=230KN，最大轮压，最小轮压。吊车起重量Q=160KN，吊车每一侧轮子数。根据与，可算得吊车梁支梁反力影响线中各轮压对应点的竖向坐标值如图7。图7 吊车荷载作用下支座反力影响线吊车竖向荷载吊车竖向荷载设计值为：最小轮压为：左跨：163（1+0.67+0.333+0.0075）=459.7KN 32（1+0.67+0.333+0.0075）=90.25KN右跨：163（1+0.67+0.333+0.0075）=459.7KN32（1+0.67+0.333+0.0075）=90.25KN吊车横向水平荷载 作用于每一个轮子上的吊车横向水平制动力标准值：左：0.250.1（160+63.26）=5.58KN右：0.250.1（160+63.26）=5.58KN 作用于排架柱上的吊车横向水平荷载设计值为：左：5.58（1+0.674+0.333+0.0075）=15.74KN右：5.58（1+0.674+0.333+0.0075）=15.74KN2.3 排架内力分析该厂房为两跨等高排架，可用剪力分配法进行排架内力分析。其中剪力分配系数按荷载规范计算，结果如表2。表2 柱剪力分配系数柱 别柱0.0753.086柱3.0940.2372.3.1 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所示，图中重力荷载及力矩是根据图4确定的，即：kN ； kN；kN； kN； kN kNkNmkNm由于图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计算如下：对于柱，0.075，则： 2.3621.04 （） 图8 恒荷载作用下排架内力图2.3.2 屋面活荷载作用下排架内力分析跨作用屋面活荷载（排架内力计算简图如图所示） 其中，它在柱顶及变阶处引起的力矩为52.920.05=2.646 kNm，52.920.25=13.23kNm52.920.15=7.938 kNm对于柱： （2.6462.362+13.251.04）/13.7=1.51KN（）对于柱：， 则则：7.9381.934/13.7=1.163KN 则排架柱顶不动铰支座总反力为： =1.51+1.163=2.673KN 将反向作用于排架柱顶，计算相应的柱顶剪力，并与柱顶不动铰支座反力叠加，可得屋面活荷载作用于跨时的柱顶剪力，即： 1.51-0.38152.673=0.49KN() 1.163-0.2372.673=0.53KN -0.38152.673=-1.02KN 排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力图如图、所示。图 图 图图9 跨作用屋面活荷载时排架内力图跨作用屋面活荷载由于结构对称，且跨与跨作用荷载相同，故只需将图8中各内力图的位置及方向调整一下即可，如图10所示。图10 跨作用屋面活荷载时排架内力图2.3.3 风荷载作用下排架内力分析左吹风时计算简图如图所示。对于柱：0.075 0.2950.311 -2.92913.70.311=-12.02KN -1.46413.70.311=-6.01 KN -12.02-6.01-33.03=51.06 KN各柱顶剪力为：-12.02+0.381551.06=7.46 KN -0.237-51.06=12.10 KN -6.01+0.381551.06=13.47 KN排架内力图如图所示。图 图图11 左吹风时排架内力图右吹风时计算简图如图所示。将图所示柱内力图对换且改变内力符号后可得，如图所示。图 图图11 右吹风时排架内力图2.3.4 吊车荷载作用下排架内力分析作用于柱 计算简图如图所示。其中吊车竖向荷载、在牛腿顶面处引起的力矩为： 对于柱：，则 对于柱：,=1.204 =67.691.204/13.7=6.17 KN -9.05+6.17=-2.88 KN排架各柱顶剪力分别为： -9.05+0.38152.88=-7.98 KN 6.17+0.2372.88=6.85 KN 0.38154.77=1.82排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力图如图、所示。 图13 作用于柱时排架内力图 作用于柱左计算简图如图所示。、计算如下： 柱顶不动铰支座反力、及总反力分别为： 各柱顶剪力分别为：31.45-0.23729.67=24.42KN-0.381529.67=-11.32KN 排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力值如图、所示。图14 作用于柱左时排架内力图作用于柱右 柱顶不动铰支座反力、及总反力分别为： 各柱顶剪力分别为： 31.45-0.23729.67=24.42KN-0.381529.67=-11.32KN图15 作用于柱右时排架内力图 作用于柱作用于C柱 计算简图如图16-C所示。其中吊车竖向荷载、在牛腿顶面处引起的力矩为： 对于C柱：，则 对于柱：0.157,0.2951.204 =67.691.204/13.7=6.17 KN -9.05+6.17=-2.88 KN排架各柱顶剪力分别为： -9.05+0.38152.88=-7.98 KN 6.17+0.2372.88=6.85 KN 0.38154.77=1.82KN 图16 作用于柱时排架内力图作用于跨柱 当AB柱作用吊车横向水平荷载时，排架计算简图如17a。对于A柱0.075，0.295，0.6757=0.5687()-15.740.5687=-8.95KN对于B柱：，则 -15.740.6366=-10.02KN R=-8.95-10.02=-18.97KN各柱顶的剪力分别为： -8.95+0.381518097=-1.71KN-10.02+0.23718.97=-5.52KN 0.381518.97=7.24KN图17 作用于跨时排架内力图作用于跨柱()-15.740.5687=-8.95KN-15.740.6366=-10.02KN R=-8.95-10.02=-18.97KN各柱顶的剪力分别为： -8.95+0.381518097=-1.71KN-10.02+0.23718.97=-5.52KN 0.381518.97=7.24KN图18 作用于跨时排架内力图2.4 内力组合以柱内力组合为例。表为各种荷载作用下柱内力设计值汇总表，表为柱内力组合表，这两表中的控制截面及正号内力方向如表中例图所示。对柱进行裂缝宽度验算时，内力采用标准值，同时只需对的柱进行验算。为此，表中亦给出了和的组合值，它们均满足的条件，这些值取自及相应的和一项。- 20 - 表3 A柱内力标准值汇总表 柱号及正向内力荷载类别恒载屋面活荷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跨作用在A柱作用在B柱左作用在B柱右作用在C柱作用在AB跨作用在BC跨左风右风 - 21 -序号-M18.640.5952.70-21.09-34.6229.92-4.8134.04-42.76N307.3237.8000000000-M-62.02-10.0452.7061.00-18.5129.92-4.8134.04-42.76N353.4237.80328.3664.46000000-M25.6-6.6159.845.14-110.21109.16-17.55252.61-134.16N422.4237.80328.3664.46000000V8.940.351.02-7.98-13.1011.32-1.8232.95-23.42表4 A柱内力组合表 内力组合截面及相应的,及相应的,及相应的,及相应的,-1.2+1.40.9+0.9(+)+108.771.2+1.40.90.8(+)+0.9+-76.71.2+1.40.9+0.9(+)+98.851.2+1.40.9+0.9(+)+104.46405.83307.32421.7307.32- 22 -1.2+1.40.9+0.8(+)+0.9+77.871.2+1.40.9+0.8(+)+0.9+-162.561.2+1.40.9+0.9(+)+31.741.2+1.40.90.9(+)+ -126.29721.18511.68874.88353.42-1.2+1.40.9+0.8(+)+0.9+578.491.2+1.40.9+0.8(+)+0.9+-372.051.2+1.40.9+0.9(+)+252.551.2+1.40.9+0.9(+)+546.42764.34516.32957.68422.4269.31-45.5038.5372.44+0.9+0.8(+)+0.9+416.86+0.9+0.8(+)+0.9+-258.44+0.9+0.9(+)+120.01+0.9+0.9(+)+397.85606.30489.49744.40422.4245.19-29.9528.846.4- 25 -混凝土及砌体结构课程设计3 柱的截面设计 混凝土等级强度C30，柱的受力钢筋采用HRB400级钢筋，,，上下柱均采用对称配筋。3.1 上柱配筋计算由表7可知，上柱截面共有4组内力。取h0=400-40=360mm。， 由附表查得有吊车厂房排架方向上柱得计算长度,安全等级为1级，偏心距为： 由，故应考虑偏心距增大系数。，取取，进行计算选320(AS=941mm2)垂直于排架方向柱的计算长：所以满足弯矩作用平面外的承载力要求。3.2 下柱配筋计算 取h0=1000-40=960mm。与上柱分析方法类似，在表7的8组内力中选取下列两组不利内力： 按 计算 下柱计算长度取， 附加偏心距： ， ， 由且取。 ,取 故为大偏心受压。先假定中和轴位于翼缘内，则：按 计算 下柱计算长度取， 附加偏心距： ， ， 由且取。 故为大偏心受压。先假定中和轴位于翼缘内，则：， 综上述计算结果，下柱截面选用420，按此配筋经验算柱弯矩作用平面外的承载力亦满足要求。5.3 柱的裂缝宽度验算 规范规定，对的柱应进行裂缝宽度验算。本设计中只有下柱出现的内力，故应进行裂缝宽度验算。验算过程见表8，其中下柱，构件受力特征系数。混凝土保护层冲C=30mm表8 柱的裂缝宽度验算柱 截 面下 柱内力标准 值397.85422.42941.840.011.024()1424.440.158791.14续表8269.220.20.123故牛腿截面高度满足要求。5.5.2 牛腿配筋计算 由于因而该牛腿可按构造配筋。根据构造要求，实际选用414。水平箍筋选用8100。6 柱的吊装验算采用翻身超吊，吊点设在牛腿下部，混凝土达到设计强度后起吊，由书上表可得柱插入杯口深度为，则柱吊装时的总长度为：。计算简图如图20。图20 柱吊装验算简图柱吊装阶段的荷载为柱自重重力荷载（应考虑动力系数），即： 1.51.355=10.125 KN/M 1.51.35（0.51.125）=27.84 KN/M 1.51.357.04=14.256 KN/M在上述荷载作用下，柱各控制截面弯矩为： 0.510.1253.93.9=77 =0.510.125（3.9+0.6）+0.5（27.84-10.125）0.6=105.7由得：0.514.26510.1-105.7/10.1=61.57KN61.574.32-0.514.2654.32=132.87令，得：则下柱段最大弯矩： 61.574.32-0.514.2654.32=132.87柱截面受弯承载力及裂缝宽度验算过程见表9表9 柱吊装阶段承载力及裂缝宽度验算表柱截面下 柱132.87（77）41673.40.20.030.2(满足要求)7 基础设计GB 50007-2002建筑地基基础设计规范规定，对于6m柱距的单层多跨厂房，其地基承载力特征值为190KN/m，吊车起重量200KN,厂房跨度l=21m，设计等级为丙级，可不做地基变形验算。基础混凝土强度等级采用C20，下设100mm厚C10的素混凝土垫层。7.1 作用于基础顶面上的荷载计算 作用于基础顶面上的荷载计算包括柱底传给基础的M,N,V以及外墙自重重力荷载。前者由表7中的3-3截面选取，见表10，其中内力标准组合值用于地基承载力验算，基本组合值用于受冲切承载力验算和底板配筋计算，内力的正号规定见图21（b）。表10 基础设计的不利内力组别荷载效应基本组合荷载效应标准组合第组578.49764.3469.31416.86606.3045.19第组-372.05516.32-45.5-258.44489.49-29.95第组252.55957.6838.53120.01744.4028.8 (a) (b)图21 基础荷载示意图由图a可见，每个基础承受的外墙总宽度为6m，总高度为14.9m，墙体为240mm，实心砖墙（5.24KN/m2），塑钢窗（0.45KN/m2)。每个基础承受的由墙体传来的重力荷载为：厚砖墙 塑钢窗 基础梁 距基础形心的偏心距为：7.2 基础尺寸及埋置深度7.2.1按构造要求拟定高度 =900+250+50=1200mm基础顶面标高为-0.500m，故基础埋置深度d：d