单层单跨工业厂房设计.doc

_XX大学工程技术学院本 科 生 课 程 设 计 题 目：单层单跨工业厂房设计专 业： 学 生： 指导教师： 完成日期： 2014年 6月 16日精品资料_内容摘要单层厂房指层数仅为一层的工业厂房，适用于生产工艺流程以水平运输为主，有大型起重运输设备及较大动荷载的厂房，如机械制造工业、冶金工业和其他工业等。单层厂房的骨架结构，由支撑各种竖向的与水平的荷载作用的构件所组成。厂房依靠各种结构构件合理连接为一整体，组成一个完整的结构空间以保证厂房的坚固、耐久。我国广泛采用钢筋混凝土排架结构和钢架结构，通常由横向排架、纵向联系构件、支撑系统构件和围护结构等几部分组成。本文以18m跨度单层单跨的莫实验室进行结构设计，根据相关资料选择合适的构件和确定柱网、基础平面的平面布置和排架柱与牛腿的形状、尺寸。并进行各种荷载作用下的排架柱内力计算，计算出各控制截面的轴力、弯矩和剪力。依据内力组合原理得出三个控制截面的内力。然后对构件进行内力分析、内力组合进而截面设计、进行配筋，并对预制柱的吊装安全进行验算。最后求出计算书，并根据规范绘制施工图和注写图纸说明。关键词：单层工业厂房、荷载代表值、内力组合目 录内容摘要I引 言11 设计资料21.1 基本要求21.2 计算简图42 荷载计算62.1 屋盖荷载62.2 柱和吊车梁等恒荷载62.3 吊车荷载62.4 风荷载73 内力计算83.1 屋盖自重作用下内力计算（排架无侧移）83.2 上、下柱荷载、吊车、吊车梁及轨道自重作用下的内力计算93.3 吊车荷载作用下的内力分析93.4 风荷载作用下，A柱的内力分析114 内力组合表135 排架柱设计145.1 柱截面配筋计算145.2 柱牛腿设计166 柱吊装验算176.1 设计吊装方案176.2 荷载计算176.3 弯矩计算176.4 截面承载力计算187 施工图19参考文献20引 言单层厂房结构一般由屋盖结构、排架结构、支撑系统、吊车梁、围护结构和基础等组成。它比较容易组织生产工艺流程和车间内部运输，地面上能够放置较重的机器设备和产品，所以其在工业建筑设计中得到广泛的应用。 近年来，单层厂房的设计越来越重视设备节能,充分利用自然通风,利用自然采光,发展节能省地型工业厂房；运用生态学中的共生与再生原则，结合自然，保护环境，防止污染，发展具有良好生态循环系统的现代工业厂房；利用高科技材料，发展更具灵活性、通用性和多样化的工业厂房。本文以跨度为18米的实验室单层单跨厂房为例例的进行结构设计计算。首先依据设计任务书的提供的资料数据，建立排架计算模型。然后进行荷载计算，将荷载作用于排架计算单元上，计算每个荷载所产生的结构内力，进行内力组合，得到控制截面最不利的内力。最后，对排架柱进行截面配筋计算和牛腿设计计算，以及进行柱吊装验算。通过系统的设计，掌握了单层单跨工业厂房的设计流程，对钢筋混凝土、结构力学等专业理论有了更深的理解。1 设计资料1.1 基本要求 厂房柱网布置1.设计基本资料（1）工程名称：某实验室。（2）自然条件：基本风压；基本雪压。（3）剖面、建筑平面图如下所示：（本设计不做基础设计）图1.1 厂房剖面图 图1.2 建筑布置平面图2.厂房中标准构件的选用情况 （1）屋面荷载屋面恒荷载：屋面活荷载：（2）屋面板板自重：灌缝重：（3）檐口板板自重：灌缝重：（4）屋架屋架自重：榀（5）天沟板构件自重：3.吊车梁及吊车轨道吊车选用：中级工作制，两台起重量为15t的吊车，吊车自重，吊车轨道：中级吊车自重：4.排架柱材料选用（1）混凝土：采用C30（2）钢筋：纵向受力钢筋采用HRB335级，（3）箍筋：采用HPB235级（4）型钢及预埋件均采用级1.2 计算简图1柱高已知：轨道顶面至吊车顶面的距离，轨顶垫块高为。基础顶面标高为-0.5m，牛腿顶标高为8.1m，柱顶标高为12m上柱高HU=12-8.1=3.9m下柱高HL=8.1+0.5=8.6m全柱高H=12+0.5=12.5m2柱截面尺寸由于吊车选用两台起重量为15t，故下柱截面高度h应满足hHk/11=9800/11=891mm下柱截面宽度b应满足bHl20=860020=430综上所述：上部柱采用矩形截面bh=450mm450mm；下部柱采用I形截面bfhbhf=450mm900mm100mm150mm；3计算参数（1）上、下柱截面惯性矩I 上柱In=1120.450.453=0.0034m4 下柱Id=1120.450.93-1120.350.553-20.50.350.025(0.275+0.0253)2=0.022m4（2）上、下柱截面面积A 上柱Au=0.450.45=0.2m2下柱Ad=0.450.9-2(0.1750.025+0.550.175)=0.2m2（3）上柱高与全柱高比值 =3.9/12.5=0.31（4）上下柱截面的惯性矩比值n n=InId=0.1554计算简图 图1.3 截面尺寸计算简图图1.4 排架柱计算简图2 荷载计算2.1 屋盖荷载1.屋盖恒荷载屋面恒荷载标准值g1k=1.7kN/m2,屋面板自重标准值g2k=1.3kN/m2,灌缝自重标准值g3k=0.1kN/m2，故由屋盖传给排架柱的集中恒荷载设计值F1=1.2g1k+g2k+g3k柱距厂房跨度2+1.2g4k0.5=1.21.70+1.30+0.106182+1.260.50.5=237.18kN屋盖自重竖直向下，集中作用在柱顶中心线，偏心距为02.屋面活荷载屋面均布活荷载标准值q1k=0.5kN/m2，比屋面雪荷载标准值s0=0.25kN/m2大，故按屋面均布活荷载计算。F6=1.40.56182=37.8kN2.2 柱和吊车梁等恒荷载1.作用在牛腿截面处的上部柱恒荷载设计值F2=250.450.453.9=19.7kN作用于下柱中心线外侧e0=hl2-hu2=9002-4502=225mm2.作用在基础顶截面处的下柱恒荷载设计值F3=250.28.6=43kN3.吊车梁自重标准值为40kN/根，轨道连接自重标准值g6k=0.8kN/m，故作用在牛腿顶截面处的吊车梁和轨道连接的恒荷载设计值F4=1.240+0.86=53.76kN2.3 吊车荷载1.吊车竖向荷载设计值Dmax，Dmin由图所示的吊车梁支座反力影响线知Dmax,k=Pmax,kyi=0.91550.057+0.73+0.323+1=294.35kNDmax=QDmax,k=1.4294.35=412.09kNDmin=DmaxPmin,kPmax,k=412.0942155=111.66kN 图2.1 吊车梁支座反力影响线2.吊车横向水平荷载设计值TmaxTk=(Qk+gk)4=0.1(150+73)4=5.58kNTmax=DmaxTkPmax,k=412.095.58155=14.84kN2.4 风荷载1.作用在柱顶处的集中风荷载设计值W风压高度变化系数z按B类地区考虑，取檐口离室外地坪的高度14.42m来计算。查荷载规范，得离地面10m时，z=1.0；离地面15m时，z=1.14，用插入法，知z=1+14.42-101.14-1.015-10=1.12屋架高度h1=2.42m；屋架檐口至屋脊的高差h2=1.8mWk=0.8+0.5h1+0.5-0.6h2zW0B=0.8+0.52.42-0.11.81.120.456=8.97kNW=QWk=1.48.97=12.56kN2.沿排架柱高度作用的均布风荷载设计值q1、q2这时风压高度变化系数z按柱顶离室外地坪高度12m来计算z=1+12-101.14-1.015-10=1.06q1=QszW0B=1.40.81.060.456=3.21kN/mq2=QszW0B=1.40.51.060.456=2.00kN/m3 内力计算内力分析时所取的荷载值都是设计值，故得到的内力值都是设计值。3.1 屋盖自重作用下内力计算（排架无侧移）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=M1C1HM1=F1e0=237.180.225=53.37kNm按n=IuIl=0.155，=HuH=0.31，查图得柱顶弯矩作用下的系数C1=1.98。按公式计算C1=1.51-2(1-1/n)1+3(1n-1)=1.51-0.312(1-1/0.155)1+0.313(10.155-1)=1.97可见计算值与查图所得接近，取C1=1.97R=M1C1H=53.371.9712.5=8.41kN2.屋盖集中活荷载F6作用下的内力分析M6=F6e0=37.80.225=8.51kNmR=M6C1H=8.511.9712.5=1.34kN(a) (b)图2.2 屋盖荷载作用下的内力图（a）屋盖恒荷载作用下的内力图；（b）屋盖活荷载作用下的内力图在F1，F6分别作用下的排架柱弯矩图、轴力图和柱底剪力图。弯矩以使排架柱外侧受拉的为正，反之为负；柱底剪力以向左为正，向右为负。3.2 上、下柱荷载、吊车、吊车梁及轨道自重作用下的内力计算上柱自重和吊车梁自重在下柱产生的弯矩M2=-19.7+53.760.225=7.66kNm上柱自重在变截面处产生的轴力N1=19.7kNm上柱自重和吊车及吊车梁自重在柱底产生的轴力N2=F2+F3+F4=19.7+43+53.76=116.46kN图2.3 柱自重及吊车梁等作用下的内力图3.3 吊车荷载作用下的内力分析1.Dmax作用在A柱，Dmin作用在B柱时，A柱的内力分析Mmax=Dmaxe=412.090.225=92.72kNmMmin=Dmine=111.660.225=25.12kNm偏心距e是指吊车轨道中心线至下部柱截面形心的水平距离。A柱顶的不动支点反力，查图得C3=，按计算C3=1.51-21+3(1n-1)=1.51-0.3121+0.313(10.155-1)=1.17A柱顶不动支座反力RA=MmaxC3H=92.721.1712.5=8.68kNB柱顶不动支座反力RB=MminC3H=25.121.1712.5=2.35kNA柱顶水平剪力VA=RA+0.5-RA-RB=8.68+0.5-8.68-2.35=3.165kNB柱顶水平剪力VB=RB+0.5-RA-RB=2.35+0.5-8.68-2.35=-3.165kN2Dmin作用在A柱，Dmax作用在B柱时的内力分析此时，A柱顶剪力与Dmax作用在A柱时的相同，也是VA=3.165kN，故可得内力值，图2.4 吊车竖向荷载作用下的内力图3在Tmax作用下的内力分析Tmax至牛腿顶面的距离为9.2-7.8=1.4mTmax至柱底的距离为因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，图2.5 Tmax作用下的内力图3.4 风荷载作用下，A柱的内力分析左风时，在q1、q2作用下的柱顶不动铰支座反力，按计算C11=31+4(1n-1)81+3(1n-1)=31+0.314(10.155-1)81+0.313(10.155-1)=0.339取C11=0.339，不动铰支座反力：RA=q1HC11=3.2112.50.339=-13.60kNRB=q2HC11=2.0012.50.339=-8.48kNA柱顶水平剪力：VA=RA+0.5W-RA-RB=-13.60+0.512.56+13.60+8.48=3.72kNVB=RB+0.5W-RA-RB=-8.48+0.512.56+13.60+8.48=8.84kN故左风和右风时，A柱的内力图分别如图（a） （b）图2.6 风荷载作用下A柱内力图（a）左风时；（b）右风时精品资料4 内力组合表5 排架柱设计5.1 柱截面配筋计算采用就地预制柱，混凝土强度等级为C30，纵向受力钢筋为HRB335级钢筋，采用对称配筋。 1 上部柱配筋计算由内力组合表知，控制截面-的内力设计值为M=86.53kNm，N=290.9kN（1） 考虑P-二阶效应e0=MN=297mm，ea=20mmei=e0+ea=297+20=317mmA=bh=450450=202.5103mm2c=0.5fcAN=0.514.3202.5290.9=51.0，取c=1.0l0=2Hu=7.8mms=1+11500eih0l0hc=1+115003174057.8450=1（2） 截面设计假设为大偏心受压，则x=N1fcbf=290.910314.3450=45.2mmminbh=0.2%450450=405mm2；同时柱截面总配筋2763=1526mm20.55%450450=1114mm2（3） 垂直于排架方向的截面承载力验算垂直于排架方向的上柱计算长度l0=1.25Ha=4.88ml0b=10.83，查表得，=0.97Nu=0.9fcA+fyAs=0.90.9714.3450450+3001526=2850.65kNN=290.9kN，承载力满足要求。2 下部柱配筋计算按控制截面-进行计算。由内力组合表知，有二组不利内力aM=509.64kNmN=758.54kN (b)M=357.5kNmN=353.64kN（1） 按（a）组内力进行截面设计e0=MN=672mm，ea=30mmei=e0+ea=702mmA=bh+2(bf-b)hf=1.95105mm2c=0.5fcAN=1.841.0，取c=1.0s=1+11500eih0l0hc=1.01假设为大偏心受压，且中和轴在翼缘内：x=N1fcb=758.5410314.3450=118mm2as90mme=sei-0.5h+as=1.01702-0.5900+45=304.02mmAs=As=Ne-1fcbfxx2-sfy(h0-as)=758.54103304.02-14.34501181182-45300(855-45)=905mm2采用4B18，As=As=1018mm2（2） 按（b）组内力进行截面设计e0=MN=101mm，ea=30mmei=e0+ea=1041mmc=0.5fcAN=0.514.3195000353640=3.941，取c=1s=1+11500eih0l0hc=1+1150010418558600900=1.01x=N1fcbf=54.96mm2as=90mm取x=2as=90mm计算e=sei-0.5h+as=1.011041-0.5900+45=646.4mmAs=As=Nefy(h0-as)=3536401041300(855-451)=941mm2(a)组轴向力N=758.54kN，满足。3 箍筋配置箍筋按构造要求设置，上下柱均采用B8200，在牛腿处箍筋加密为B81005.2 柱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。牛腿截面宽度b=450mm，截面高度h=750mm，截面有效高度h0=705mm。（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力标准值Fvk=Dmax,k+F4,k=412.09+53.761.2=456.89kN牛腿顶面没有水平荷载，即Fhk=0(Tmax作用在上柱轨顶标高处)。设裂缝控制系数=0.65，ftk=2.01Nmm2，a=-150+20=-130mmFvk=456.89kN，满足。（2） 牛腿配筋由于a=-130mm，故可按构造要求配筋。水平纵向受拉钢筋截面面积Asminbh=0.002450705=634.5mm2，采用5B14，As=769mm2，其中2B14是弯起钢筋。 图5.1 牛腿尺寸及配筋6 柱吊装验算6.1 设计吊装方案排架柱插入基础杯口内的高度h1=0.9900=810mm，取h1=850mm，故柱总长度为3.9+8.6+0.85=13.35m。采用就地翻身起吊，吊点设在牛腿下部处，因此起吊时的支点有两个：柱底和牛腿底，上柱和牛腿是悬臂的，计算简图如图所示图6.1 预制柱的翻身起吊验算6.2 荷载计算吊装时，应考虑动力系数=1.5，柱的重力荷载分项系数取1.35.q1=1.51.352