中南大学自考本科-混凝土厂房结构设计计算书讲课讲稿.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。中南大学自考本科-混凝土厂房结构设计计算书-中南大学高等教育自学考试混凝土厂房结构设计计算书姓名：专业:注：中南大学自考招生网：WWW.CSUZS.NET地址:湖南长沙市岳麓区麓山南路中南大学本部自考交流群：108574258256287419计算书一、设计资料（一）、设计题目某金属装配车间双跨等高厂房。（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（吊车荷载不考虑厂房的空间整体作用）。3、边柱（A、C轴线）及中柱（B轴线）的柱及牛腿设计，柱下独立基础设计。4、绘制施工图：

2、柱模板图和配筋图，基础模板图和配筋图。（三）、设计资料1、金属结构车间为两跨厂房，跨度均为21m。厂房总长54m，柱距6m。厂房标高：室内地面0.000，室外地面-1.500，吊车轨顶标高10.00，屋架下弦标高12.400。2、厂房每跨内设两台吊车，A4级工作制，起重量20/5t。吊车其它参数由表-1给出。吊车位置起重量（KN）桥跨LK（m）小车重g（KN）最大轮压Pmax,k(KN)大车轮距K（m）大车宽B（m）车高H（m）吊车总重（KN）左跨（AB）吊车200/5019.570.11874.45.62.184264右跨（BC）吊车200/5019.570.11874.45.62.8142

3、64表-1吊车的有关参数参数表3、建设地点为某城市，基本雪压0.30kN/m2，基本风压0.50kN/m2，冻结深度1.6m。厂房自然地坪下0.6m为回填土，回填土的下层8m为均匀粘土，地基承载力特征值=240kPa，土的天然重度为17.5kN/m3，土质分布均匀。4、厂房标准构件选用及荷载标准值如下：（1）、屋架采用21m梯形钢屋架，按建筑结构荷载规范附录A“常用构件和材料的自重”，按0.12+0.011L（含支撑，按屋面水平投影面积计算，单位kN/m2；L为跨度，以m计）计算屋架自重标准值（包括支撑）。屋架侧端高度1.4m，屋架在天窗架侧板处的高度为1.7m。（2）、吊车梁选用钢筋混凝土等

4、截面吊车梁，梁高900mm，自重标准值29kN/根，轨道及零件自重0.8kN/m，轨道及垫层构造高度200mm。（3）、天窗采用矩形纵向天窗，每榀天窗架每侧传给屋架的竖向荷载为34kN（包括自重、侧板、窗扇、支撑等的自重）。天窗侧板高度2.6m，天窗架坡屋顶高度0.3m。（4）、天沟板自重标准值为2.02kN/m。3 围护墙采用240mm厚粉刷墙，自重5.2kN/m2。钢窗：自重0.45kN/m2，窗宽4.0m，窗高4.8m。围护墙直接支撑于基础梁上，基础梁截面为240mm450mm。基础梁自重2.7kN/m。4 材料：混凝土强度等级C20C30；柱的纵向钢筋采用HRB335或HRB400，其

5、余钢筋I级。5 屋面卷材防水法及荷载标准值如下：三毡四油防水层上铺小石子：0.4kN/m2；25mm厚水泥砂浆找平层：0.5kN/m2；100mm厚珍珠岩制品保温层：0.4kN/m2；一毡二油隔汽层：0.05kN/m2；25mm厚水泥砂浆找平层：0.5kN/m2；6m预应力大型屋面板：1.4kN/m2。二、材料的选用混凝土强度等级，排架柱用C30，柱下扩展基础C20.柱的纵向钢筋采用HRB335级，其余钢筋采用I级。三、计算简图及柱截面几何参数的确定1、计算简图本装配车间工艺无特殊要求，荷载分布均匀。故选具有代表性的排架进行结构设计。排架的负荷范围如图-1所示。结构计算简图如图-2所示。下面来

6、确定结构计算简图中的几何尺寸。图-1排架的负荷范围图-2结构计算简图2、柱截面几何参数的确定(1)、基础的埋置深度及基础高度：考虑冻结深度及回填土层，选取基础至室外地面为1.8m。初步估计基础的高度为1.0m，则基础顶面标高为-0.95m。(2)、牛腿顶面标高确定：轨顶标高为10m，吊车梁高0.9m，轨道及垫层高度为0.2m。可得牛腿顶标高为10-1.1=8.9m。(3)、上柱标高的确定：屋架下弦标高为12.4m，既上柱顶的标高为12.4m。(4)、计算简图中上柱和下柱的高度尺寸确定：上柱高：HU=12.4-8.9=3.5m下柱高：HL=8.9+0.95=9.85m柱的总高度：.H=13.35

7、m(5)、柱截面确定：上柱选矩形截面，下柱选工字形截面对于下柱截面高度h：由于下柱HL=8.9+0.95=9.85m，吊车梁及轨道构造高度为1.1m，因此，基础顶至吊车梁顶的高度Hk=9.85+1.1=10.95m4h,所以s=+0.6。作用在柱顶以下墙面上的风荷载按均布考虑，其风压高度变化系数可按注顶标高取值。柱顶至屋脊间屋盖部分的风荷载，仍取为均布的，其对排架的作用则按作用在柱顶的水平集中风荷载标准值Fw考虑。这时的风压高度变化系数可按天窗檐口取值；柱顶至室外地面的高度为：Z=7.6+0.15+2.4=10.35m天窗檐口至室外地面的高度为：Z=7.6+0.15+2.4+1.3+2.6=1

8、5.65m.按线性内插法确定z:柱顶:天窗檐口处:左风情况下风荷载的标准值:q1k=s1zWoB=0.8*1.01*0.55*6=2.667KN/Mq2k=s2zWoB=0.4*1.01*0.55*6=1.333KN/M柱顶以上的风荷载可转化为一个水平集中力计算,其风压高度变化系数统一按天窗檐口处z=1.1582取值.其标准值为:Fwk=szWohB=(0.8+0.4)*1.1582*0.55*6*1.4+(0.4-0.2+0.5-0.5)*1.1582*0.55*6*1.3+(0.6+0.6+0.6+0.5)*1.1582*0.55*6*2.6+(0.7-0.7+0.6+0.6)*1.158

9、2*0.55*6*0.3=30.27KN右风和左风情况对称,方向相反。图-9风荷载作用下双跨排架的计算简图五、内力分析本单层厂房是两胯的对称结构，C主和A柱受力完全一样，因此只要计算AB就可以了。本厂房为两跨等高排架，可用剪力分配法进行排架结构的内力计算。在各种荷载作用柱顶按可动铰支座计算，不考虑厂房的空间工作。这里规定柱顶不动铰支座反力R，柱顶剪力V和水平荷载自左向右为正，截面弯矩以柱左侧受拉为正，柱的轴力以受压为正。1、计算剪力分配系数单位力作用下悬臂柱的柱顶位移：u=H3/(C0ECIL)C0=3/1+3(1-n)/n计算有关参数：AC柱：=Hu/H=3.5/12.05=0.290；n=

10、Iu/IL=5208*106/(51942.92*106)=0.104C0=3/1+3(1-n)/n=3/1+0.2903(1-0.104)/0.104=2.479B柱：=Hu/H=3.5/12.05=0.290；n=Iu/IL=14291.67.5*106/（74060.88*106）=0.1998C0=3/1+3(1-n)/n=3/1+0.0.2903(1-0.1998)/0.0.1998=2.733单位力作用下悬臂柱的柱顶位移：A， C柱：uA=uC=H3/(C0ECIL)=120503/（2.479*EC*50109.375*106）=14.085/ECB， B柱：uB=H3/(C0E

11、CIL)=120503/（2.733*EC*71509.375*106）=18.953/EC令Ki=1/uiK=Ka+kb+kc=1/uA+1uB/+1/uc=0.2537EC所以，三根柱的剪力分配系数为：A=KA/K=0.2798;B=KB/K=0.440;c=Kc/K=0.2798验算：A+B+c1.0当柱顶有水平荷载F时，求出剪力分配系数后，即可求出柱顶剪力：VA=AF；VB=BF；Vc=cF求出柱顶剪力后，即可按悬臂柱绘出结构的内力图。下面进行各种荷载走作用下排架的内力。2、恒载下排架内力：图-10永久荷载作用下双跨排架的计算简图对M作用进行排架分析，对图-10中的竖向荷载所产生的轴力

12、直接累加。各柱顶不动铰支座的支座反力：C1=1.5*1-2(n-1)/n/1-3(1-n)/n=1.5*1-0.2902(0.104-1)/0.104/1+0.2903(1-0.104)/0.104=2.1376C3=1.5*(1-2)/1-3(1-n)/n=1.5*(1-0.2902)/1+0A柱：=0.290；n=0.104.2903(1-0.104)/0.104=1.1353R1=MC1/H=29.837*2.1376/12.05=5.2929KN()R2=MC3/H=125.908*1.1353/12.05=11.8625KN()所以RA=R1+R2=17.1154KN（）B柱：RB=

13、0C柱：RC=-RA=-17.1154KN（）所以：假设的排架柱顶不动铰支座的支座反力之和R=RA+RB+RC=0所以：各柱顶的实际剪力为：VA=RA=17.1154KN（）VB=RB=0VC=-17.1154KN（）图-11各柱顶的实际剪力求出后，即可按悬臂柱进行内力计算。现把各柱的轴力算过程叙述如下，弯矩和剪力的计算从略。排架的弯矩图，柱底剪力（向左为正）和轴力图如图-12所示。柱轴力标准值计算：AC柱：柱顶：N=298.37KN上柱底：N=298.37+21.875=320.245KN下柱顶：N=320.245+43.8=364.045KN下柱底：N=364.045+51.78=415.

14、825KNB柱：柱顶：N=596.74KN上柱底：N=596.74+30.625=627.365KN下柱顶：N=627.365+43.8*2=714.965KN下柱底：N=714.965+56.43=771.395KN（a） 永久荷载作用下的弯矩（KNM）图和柱底剪力（KN）（b）永久荷载作用下的轴力（KN）图-12永久荷载作用下排架的内力图3、屋面活荷载下的内力A柱：=Hu/H=0.290；n=Iu/IL=0.104；C1=2.1376；C3=1.1353R1=M1AKC1/H=3.15*2.1376/12.05=0.559KN（）R2=M2AKC3/H=12.6*1.1353/12.05=

15、1.187KN（）所以RA=R1+R2=1.746KN（）B柱：=Hu/H=0.290；n=Iu/IL=0.199C1=1.5*1-2(n-1)/n/1-3(1-n)/n=1.5*1-0.2902(0.1998-1)/0.197/1+0.2903(1-0.1998)/0.1998=1.827RB=R1=M1bkC1/H=4.725*1.827/12.05=0.716KN()C柱：Rc=0-9.1474V=-0.689-3.0135V=-0.367V=1.057-8.30245-6.00950.5495-4.74-12.3-2.4115所以：假设的排架柱顶不动铰支座的支座反力之和R=RA+RB+

16、RC=2.462KN（）所以：各柱顶的实际剪力为：VA=RA-AR=1.057KN（）VB=RB-BR=-0.367KN（）VC=Rc-cR=-0.689KN（）Vi0各柱顶的实际剪力求出后，即可按悬臂柱进行内力计算。4、吊车荷载作用下的排架内力（不考虑厂房整体空间工作）（1）、AB跨有吊车荷载，Dmax,k作用在A柱，Dmin,k作用在B柱时排架内力分析，其计算简图如图-14所示。A柱：=0.290；n=0.104；C3=1.1353RA=R2=C3=35.904*1.1353/12.05=-3.3827（图-14B柱：=0.290；n=0.1998；C3=1.5*（1-2）/1+3（-1）

17、=1.5*（1-0.2902）/1+0.2903（-1）=1.25175所以：假设的排架柱顶不动铰支座的支座反力之和R=RA+RB+RC=3.3487（）所以：各柱顶的实际剪力为：0各柱顶的实际剪力求出后，即可按悬臂柱进行内力计算，排架的弯距图，柱底剪力（向左为正）和轴力图如图-15所示。(a)Dmax,k在A柱时的轴力(KN)(b)Dmax,k作用在A柱时的弯距和柱底剪力图-15（2）、AB跨有吊车荷载，Dmax,k作用在B柱，Dmin,k作用在A柱时排架内力分析，其计算简图如图-16所示。A柱：=00290；n=0.104；C3=1.1353RA=R2=C3=-3.3827（）B柱：=0.

18、290；n=0.1998；C3=1.5*（1-2）/1+3（-1）=1.5*（1-0.2902）/1+0.2903（-1）=1.25175RB=R2=C3=64.8*1.25175/12.05=6.7314KN(）图-16C柱：RC=0所以：假设的排架柱顶不动铰支座的支座反力之和R=RA+RB+RC=+3.3487（）所以：各柱顶的实际剪力为：VA=RA-AR=-3.3827-0.2798*3.3487=-4.3197（）VB=RB-BR=6.7314-0.440*3.3487=5.2580（）VC=RC-CR=-0.2798*3.3487=-0.93697（）0各柱顶的实际剪力求出后，即可按

19、悬臂柱进行内力计算，排架的弯距图，柱底剪力（向左为正）和轴力图如图-17所示。图-17（3）、BC跨有吊车荷载，Dmax,k作用在B柱，Dmin,k作用在C柱时排架内力分析，其计算简图如图-18所示。B柱：=0.300；n=0.200；C3=1.31RB=R2=C3=353.87*1.31/13.45=-34.47）C柱：=0.260；n=0.104；RC=R2=C3=11.66*1.215/13.45=1.05KN（）A柱：RA=0所以：假设的排架柱顶不动铰支座的支座反力之和R=RA+RB+RC=-33.42（）所以：各柱顶的实际剪力为：VA=RA-AR=0.282*33.42=9.42KN

20、（）VB=RB-BR=-34.47+0.434*33.42=-19.97KN（）VC=RC-CR=1.01+0.282*33.42=10.47KN（）0各柱顶的实际剪力求出后，即可按悬臂柱进行内力计算，排架的弯距图，柱底剪力（向左为正）和轴力图如图-19所示。图-18(a)Dmax,k在B柱时的轴力(KN)(b)Dmax,k作用在B柱时的弯距和柱底剪力图-19（4）、BC跨有吊车荷载，Dmax,k作用在C柱，Dmin,k作用在BB柱：=0.260；n=0.200；C3=1.31RA=R2=C3=-87.47*1.31/13.45=-8.52（）C柱：=0.260；n=0.104；C3=1.21

21、5RC=R2=C3=47.18*1.215/13.45=4.26KN（）A柱：RA=0所以：假设的排架柱顶不动铰支座的支座反力之和R=RA+RB+RC=-4.26（）所以：各柱顶的实际剪力为：VA=RA-AR=0.282*4.26=1.20KN（）图-20Dmax,k作用在C柱，Dmin,k作用在D柱时排架计算简图.VB=RB-BR=-8.52+0.434*4.26=-6.67KN（）VC=RC-CR=4.26+0.282*4.26=6.11KN（）0各柱顶的实际剪力求出后，即可按悬臂柱进行内力计算，排架的弯距图，柱底剪力（向左为正）和轴力图如图-21所示。(a)Dmax,k在B柱时的轴力(K

22、N)(b)Dmax,k作用在B柱时的弯距和柱底剪力图-21BC跨有吊车Dmax,k作用在C柱时排架内力图（5）、作用于AB跨，即AB跨有吊车吊车水平荷载Tmax,k的作用点距柱顶的距离y=3.5-0.9=2.6m；y/Hu=0.743。因此排架柱顶不动铰支座的支座反力系数C4需用线形内插法确定。A、 C柱：=0290；n=0.104；当y=0.7Hu时：C4=2-2.1+3（0.243/n+0.1）/21+3（1/n-1）=0.698当y=0.8Hu时：C4=2-2.4+3（0.112/n+0.1）/21+3（1/n-1）=0.654所以当y=0.743Hu时：C4=0.582+（0.743-

23、0.7）（0.532-0.582）（0.8-0.7）=0.607B柱：=0.290；n=0.1998C4=2-2.1+3（0.234/n+0.1）/21+3（1/n-1）=0.679当y=0.8Hu时：C4=2-2.4+3（0.112/n+0.1）/21+3（1/n-1）=0.689所以当y=0.743Hu时：C4=0.689+（0.743-0.7）（0.646-0.689）（0.8-0.7）=0.670柱顶不动铰支座反力的计算：A柱：RA=R2=C4Tmax,k=0.679*12.97=8.81KN（）B柱：RB=R2=C4Tmax,k=0.670*12.97=8.69KN（）C柱：RC=0

24、所以：假设的柱顶不动铰支座的支座反力之和：R=RA+RB+RC=17.5KN（）所以：各柱顶的实际剪力为：VA=RA-AR=8.86-0.2798*17.5=3.194KN（）VB=RB-BR=8.69-0.440*17.5=0.99KN（）VC=RC-CR=-0.440*17.5=-4.897KN（）0各柱顶的实际剪力求出后，即可按悬臂柱进行内力计算。排架的弯矩图，柱底剪力和轴如图所示，柱的轴力为零5、风载下的排架内力（1）、左风情况：在均布风荷载作用下，各柱顶不动铰支座反力的计算：图-16A柱：=0.290；n=0.104；C5=31+4（1/n-1）/81+3（1/n-1）=0.3745

25、RA=-C5qH=-0.3745*2.667*12.05=-12.0369（）C柱：=Hu/H=0.290；n=Iu/Il=0.104；C5=0.3745RC=-C5qH=-0.3745*1.333*12.05=-6.0155KN（）所以：假设的柱顶不动铰支座的支座反力之和：R=RA+RB+RC=-18.0254KN（）所以：各柱顶的实际剪力为：VA=RA-AR+AFw=1.4837KN（）VB=RB-BR+BFw=-21.26KN（）VC=RC-CR+CFw=7.5051KN（）Fw各柱顶的实际剪力求出后，即可按悬臂柱进行内力计算。排架的弯矩图，柱底剪力和轴力图如图-23所示，柱的轴力为零。

26、图-23左右风情况排架的弯矩图2右风情况：其计算简图如图-所示。由于对称性，右风作用时的内力图如图所示。六、最不利内力组合1、荷载组合系数关于荷载组和系数，风荷载：0.6，其他0.7。准永久值系数风0，屋面活荷载：不上人0，上人：0.4，吊车：0.6。四台吊车的转换系数为0.8/0.9。2、控制截面上柱底I-I、下柱顶II-II、下柱底III-III。每一个控制截面均进行基本组合，用于柱配筋计算和基础设计；标准组合：用于柱裂缝宽度验算和地基承载力设计。由于地质条件较好，本题不进行地基变形验算，否则还应增加III-III截面的准永久组合。基本组合采用的荷载组合方式用规范给出的简化组合方式，即：（

27、1） 恒荷载+0.9（任意两个或者两个以上活荷载之和）（2） 恒载+任意活载标准组合，也可采用上述的基本组合规则，但荷载的分项系数均为1.0。最不利内力：3、内力组合表分别对A、B柱，绘制内力组合表。由附表给出。七、柱的设计（一）A、C柱截面设计砼：强度等级C25（f=11.9N/MM,f=1.27N/MM）,=0.55上柱：=1521.71KN下柱：在腹板范围内上柱高3.5m,下柱高8.55m，总高12.05m,柱截面尺寸见表，确定柱的计算长度。排架方向：当考虑吊车荷载时上柱：下柱：当不考虑吊车荷载时上柱下柱：垂直于排架方向：（按无柱间支撑）当考虑吊车荷载时上柱：下柱当不考虑吊车荷载时上柱：

28、下柱下柱：该厂房工作环境属一类环境，预制构件砼保护层。按规范要求，取25mm，则=35mm.本设计采用对称配筋，选取内力时，只考虑弯矩绝对值。经分析，对基本组合所选择的不利内力见表。截面MN是否为吊车荷载初步判别大小偏心I-I122.9423.99是大偏压-615384.30是大偏压122.39424.99是大偏压66.49384.31否大偏压-4.75384.31是大偏压17.51476.44是大偏压II-II-9.08838.97是小偏压-217.46573.31是大偏压-27.35878.66是大偏压-131.57452.19是大偏压-84.87939.57是大偏压III-III517.

29、66901.11否大偏压-389.5647.54是大偏压521.25-975.99是大偏压527.98498.99是大偏压25.981001.64是小偏压取舍原则对大偏压：M相等或接近时，取N小者；N相等或接近时，取M大者；对小偏压：M相等或接近时，取N大者；N相等或接近时，取M大者；上柱配筋计算：假设为大偏压上柱截面选定分别为，按最小配筋率：另外垂直于排架方向承载力验算（按轴心受压验算），查表得，所以垂直于排架方向承载力满足要求。下柱截面的配筋计算选III-III截面：先按大偏压计算：则可按大偏压计算垂直于排架方向承载力，按轴心受压构件计算查表可得，下柱再计算一个小偏心受压的情况先按大偏压计

30、算：应按大偏压计算，属于大偏心受压情况，其他各不利内力的配筋计算从略。最终确定上柱的受力钢筋为：，下柱两边的受力钢筋为。下柱截面的配筋计算选III-III截面：，N=1010.55KN，=1.0=7.85m，=1.0=7.85m=M/N=510.34/1010.55=0.505m取/30和20mm中的大值，故取/30=33.3mm=+=505+33.3=583.3mm考虑挠度的二阶效应对偏心矩的影响1=0.5A/N=0.5*11.9*167500/1015.55*103=0.986/h=7.85/1=7.8515，=1=1+（/h）1=1.08（二）、柱裂缝宽度验算在柱的标注组合中，-（上柱下

31、柱）需要进行跨度裂缝验算的不利内力，见表5裂缝宽度验算的不利内力表表5MN偏心距M/N1-191.74348.604263.1890.2320.25284.932-23-3384.47415.82924.6现在以的情况来验算最大裂缝宽度。构件力特征系数最外层受拉钢筋外边缘至受拉底边的距离。（三）、牛腿设计1、几何尺寸，如图所示2、牛腿配筋计算由于，故牛腿纵向配筋按构造计算，取43、吊车梁下局部受压验算4、柱的外观尺寸插入杯口的深度，按表取，按钢筋锚固长度假定柱长故柱插入杯口的长度取满足要求。（四）、柱吊装的验算柱的自重：上柱：牛腿部分：下部工字形部分：下部矩形部分：采用吊点起吊没，绑扎点在牛腿

32、根部，采用翻身起吊，计算见图如图所示何在计算所需乘以动力系数1.5，则下柱截面配筋为，界面高度为，所以下柱吊装验算也满足要求。裂缝宽度验算：变截面处其他截面验算从略（五）、柱下基础设计以A柱基础为例基础形式采用柱下独立基础形式，基础下采用垫层C10混凝土。预制柱和基础之间采用C30细石混凝土填充。基础设计的内容包括：按地基承载力确定基础地面尺寸，按基础抗冲切和抗剪承载力要求确定基础高度，由于该单层厂房地基条件和荷载条件，满足地基基础设计规范关于不尽心地基变形验算的条件，因此，本设计部进行地基变形验算。1、 按构造要求确定基础高度尺寸。（见图）前面确定了预制柱插入基础的深度为，柱底留50的间隙用

33、C30细石混凝土填充，。根据表基础杯底厚度，杯壁厚度（满足基础梁支撑宽度要求）。则基础的高度为：。与前面假定的基础高度1000略有误差，可以满足设计的要求。杯壁高度按台阶下面的基础抗冲切条件确定，应尽量使得大一些以减少混凝土的用量。基础地面尺寸按地基基础承载力条件确定。不要选择过大，基础的构造如图所示。2、柱底截面不利内力选择a、进行基础设计时候选用以下三组按荷载标准组合确定的最不利贝利。（1）（2）（3）b、进行机车设计时候选用以下三组按荷载基本组合确定的最不利不内力。（1）（2）（3）3、基础底面尺寸确定（）、地基承载力特征值确定根据设计任务书地基持力层承载力特征值，按地基基础设计规范的要求，需要进行跨度和深度的修正。由于基础宽度较小(一般小于3)。故仅仅考虑基础埋深的修正，经修正后的地基承载力特征值为：（2）、换算到基础底面的弯矩和轴向力标准值由维护墙和基础梁传得基础顶面的永久荷载值：，对基础中心线的偏心弯矩为：（见图）传到基础底面的弯矩和轴力标准值为：（）、按地基承载力确定基础底面尺寸先按第二组内利标准值计算基础底面尺寸。基础的平均埋深：按中