单层单跨工业厂房设计

1、大连理工大学网络教育学院毕业论文（设计）模板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III单层工业厂房设计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

2、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

3、.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

4、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

5、，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

6、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b×h=450mm×450mm；下部柱采用

7、I形截面bf×h×b×hf=450mm×900mm×100mm×150mm；3计算参数（1）上、下柱截面惯性矩I 上柱In=112×0.45×0.453=0.0034m4 下柱Id=112×0.45×0.93-112×0.35×0.553-2×0.5×0.35×0.025×(0.275+0.0253)2=0.022m4（2）上、下柱截面面积A 上柱Au=0.45×0.45=0.2m2下柱Ad=0.45×0.9-2&#

8、215;(0.175×0.025+0.55×0.175)=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=1.2×g1k+g2k+g3k×柱距×厂房跨度2+1.2×g4k×0.5=1.2&

9、#215;1.70+1.30+0.10×6×182+1.2×60.5×0.5=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=1.4×0.5×6×182=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=25×0.45×0.45×3.9=19.7kN作用于下柱中心线外侧e0=hl2-hu2=9002-4502=

10、225mm2.作用在基础顶截面处的下柱恒荷载设计值F3=25×0.2×8.6=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=1.2×40+0.8×6=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=0.9×155×0.057+0.73+0.323+1=294.35kNDmax=QDmax,k=1.4×294.35=412.09kNDmin=Dm

11、axPmin,kPmax,k=412.09×42155=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=412.09×5.58÷155=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+14.42-10×1.14-1.015-10=1

12、.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+0.5×2.42-0.1×1.8×1.12×0.45×6=8.97kNW=QWk=1.4×8.97=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+12-10×1.14-1.015-10=1.06q1=QszW0B=1.4×0.8×1.06×0.45×6=3.21kN/mq2=QszW

13、0B=1.4×0.5×1.06×0.45×6=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=F1×e0=237.18×0.225=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=1.5×1-2(1-1/n)1+3(1n-1)=1.5×1-0.312(1-1/0.155)1+0.313(

14、10.155-1)=1.97可见计算值与查图所得接近，取C1=1.97R=M1C1H=53.37×1.9712.5=8.41kN2.屋盖集中活荷载F6作用下的内力分析M6=F6×e0=37.8×0.225=8.51kNmR=M6C1H=8.51×1.9712.5=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

15、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+53.76×0.225=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=412.09×0.225=92.72kNmMmin=Dmine=111.66×0.225=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

16、距离。A柱顶的不动支点反力，查图得C3=，按计算C3=1.5×1-21+3(1n-1)=1.5×1-0.3121+0.313(10.155-1)=1.17A柱顶不动支座反力RA=MmaxC3H=92.72×1.1712.5=8.68kNB柱顶不动支座反力RB=MminC3H=25.12×1.1712.5=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

17、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=q

18、1HC11=3.21×12.5×0.339=-13.60kNRB=q2HC11=2.00×12.5×0.339=-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214 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HR

19、B335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=450×450=202.5×103mm2c=0.5fcAN=0.5×14.3×202.5290.9=5>1.0，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'=290.9×

20、;10314.3×450=45.2mm<2as'=90mm取x=2as'=90mm计算e'=sei-0.5h+as'=143.34mmAs=As'=Ne'fy(h0-as')=143.34×290.9×103300(450-45)=384.89mm2选用3B18，As=As'=763mm2，故截面一侧钢筋截面面积763mm2>minbh=0.2%×450×450=405mm2；同时柱截面总配筋2×763=1526mm2>0.55%×450

21、15;450=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+fy'As'=0.9×0.9714.3×450×450+300×1526=2850.65kN>N=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=

22、30mmei=e0+ea=702mmA=bh+2(bf-b)hf=1.95×105mm2c=0.5fcAN=1.84>1.0，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=758.54×10314.3×450=118mm>2as'>90mme'=sei-0.5h+as'=1.01×702-0.5×900+45=304.02mmAs=As'=Ne'-1fcbf'xx2-s'fy(h0-as')=758.5

23、4×103×304.02-14.3×450×1181182-45300(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=0.5×14.3×195000353640=3.94>1，取c=1s=1+11500eih0l0hc=1+1150010418558600900=1.01x=N1fcbf'=54.96mm<2as'=90mm取x=2as'=90mm

24、计算e'=sei-0.5h+as'=1.01×1041-0.5×900+45=646.4mmAs=As'=Ne'fy(h0-as')=353640×1041300×(855-451)=941mm2<4B18，As=As'=1018mm2（3） 垂直于排架方向的承载力验算l0b=19.1，查表得，=0.777Nu=0.9fcA+fy'As'=0.9×0.77714.3×1.95×105+300×1018=2213.7kN>(a)组轴向力N=7

25、58.54kN，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=-130mm<0，故取a=01-0.5

26、FhkFvkftkbh00.5+ah0=0.65×2.01×450×7050.5=828.97kN>Fvk=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=0.002×450×705=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=0.9×900=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=1.5×1.35×25&