单层工业厂房排架结构设计论文.doc

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1、装订线 课程设计报告纸TONGJI UNIVERSITY建筑混凝土结构课程设计课程作业课题名称单层工业厂房排架结构设计院 (系)土木工程学院 建筑工程系专 业土木工程姓 名学 号指导教师日 期目录第一章 绪论31.1设计题目31.2设计任务31.3设计资料3第二章 结构选型和结构布置5第三章 排架荷载计算83.1荷载的基本数据83.2恒荷载83.3活荷载83.4风荷载11第四章 内力分析134.1恒载作用下排架的内力134.2屋面活载作用下排架的内力134.3吊车竖向荷载作用下排架的内力144.4吊车水平制动力作用下排架的内力154.5风荷载作用下排架内力16第五章 内力组合19第六章 排架柱

2、设计216.1排架柱主体部分设计216.2牛腿设计216.3吊装验算216.4其他构造21第七章 抗风柱设计227.1使用阶段设计227.2吊装验算227.3其他构造22第八章 基础设计238.1杯口基础设计238.2基础梁设计23第一章 绪论1.1设计题目单层混凝土结构厂房。某锻工车间为一单层单跨钢筋混凝土装配式结构，跨度18m，长度66m。选用两台A4级桥式吊车，轨顶标高9.8m，考虑散热通风要求，需设置天窗和挡风板。1.2设计任务1结构布置与结构选型完成屋面板、屋架、天窗架、天沟、吊车梁、基础梁等构件的选型，并初步确定排架柱的截面尺寸。（1）进行结构布置（包括支撑布置）。（2）排架荷载计

3、算。（3）排架内力计算。（4）排架内力组合。（5）柱子配筋设计（包括牛腿）。（6）柱下独立基础设计。（7）绘制施工图（1号图纸及2号图纸各一张，其中一张要求为纯手工绘制），内容包括： 基础平面布置图及基础配筋图； 屋盖结构布置及结构平面布置图； 柱子配筋图。1.3设计资料1结构设计原始资料 （1）荷载 钢筋混凝土容重 25kN/m3 一砖墙（单面粉刷） 4.92kN/m2 20mm水泥砂浆找平层 0.4kN/m2 钢门窗自重 0.4kN/m2 钢轨及垫层 0.6kN/m 二毡三油防水层 0.35kN/m2（沿斜面） 屋面活荷载 0.5kN/m2（沿水平面） 屋面积灰荷载 0.5kN/m2（沿水

4、平面） 施工活荷载 0.5kN/m2（沿水平面） 风荷载 0.6kN/m2 雪荷载 0.6kN/m2 吊车等级 15/3t 20/3t (2)地质情况 根据地质报告，天然地面以下1.2m处为老土层，修正后的地基承载力为120kN/m2 ，地下水位在地面以下1.3m处（标高-1.45m）。 (3)材料 混凝土：柱C30，基础C20. 钢筋：受力钢筋为HRB400级钢筋，钢箍、预埋件及吊钩为HPB300级钢筋。 砌体：M5砖，M2.5砂浆。第二章 结构选型和结构布置1、结构选型 （I）屋面板：自重1.3kN/m2（沿屋架斜面），嵌缝0.1kN/m2（沿屋架斜面）。 （II）天沟板：天沟板如图2-1

5、，重17.4kN/块（包括积水重量）。图2-1 天沟板 （III）天窗架：门型钢筋混凝土天窗架如图2-2.图2-2 天窗架及挡风板集中荷载 （IV）屋架：预应力钢筋混凝土折线型屋架 YMJA-18-xBb（如图2-3,2-4） 上弦杆 bh=240mm220mm 下弦杆 bh=240mm220mm 腹板bh=120mm240mm （F1） bh=200mm240mm （F2） bh=120mm120mm（F3F6） 屋架自重：60.5kN/榀图2-3 屋架轴线图几何尺寸图2-4 屋架端头 （V）屋盖支撑： 0.05kN/m2（沿水平面）（VI）吊车梁重： 44.2kN/根（高1200mm）（V

6、II）基础梁重： 15.7kN/根（高450mm）（VIII）连系梁、过梁均为矩形截面 （IX）排架柱尺寸（如图2-5）：上柱为矩形 400mm400mm 下柱为工字型 400mm800mm（X）基础采用单独杯形基础，基础顶面标高-0.6m。 图2-5 排架柱截面尺寸及标高2、结构平面布置 详见CAD图纸。第三章 排架荷载计算3.1荷载的基本数据钢筋混凝土容重 25kN/m3一砖墙（单面粉刷） 4.92kN/m220mm水泥砂浆找平层 0.4kN/m2钢门窗自重 0.4kN/m2钢轨及垫层 0.6kN/m二毡三油防水层 0.35kN/m2（沿斜面）屋面活荷载 0.5kN/m2（沿水平面）屋面积

7、灰荷载 0.5kN/m2（沿水平面）施工活荷载 0.5kN/m2（沿水平面）风荷载 0.6kN/m2雪荷载 0.6kN/m2吊车等级 15/3t 20/3t3.2恒荷载屋盖部分传来的恒荷载P1p天窗重 26.22+11.52=75.4 kN屋面板重 1.3618=140.4 kN嵌缝重 0.1618=10.8 kN二毡三油防水层重 0.35618=37.8 kN屋盖支撑重 0.05618=5.4 kN找平层重 0.4618=43.2 kN屋架自重 60.5 kN- 373.5 kN每块天沟板及积水重 17.4 kN合计： P1p=373.52+17.4=204.15 kN上柱自重P2p，下柱自

8、重P3p 排架柱截面尺寸及标高如图2-5工字型截面特性： 面积A=1.87105mm2； 强轴惯性矩Ix=1.4561010mm4；弱轴惯性矩Iy=1.759109mm4正方形截面特性：面积A=1.6105mm2；惯性矩Ix= Iy=2.13109mm4上柱重：P2p=250.40.412-8.4=14.4 kN下柱重： 柱身：250.1878.4-0.4-0.4-0.4+0.80.40.2+0.4+0.6=43.26 kN 牛腿：250.50.20.4+0.6+0.80.60.4=5.8 kN- P3p=43.26+5.8=49.06 kN混凝土吊车梁及轨道重P4p P4p=44.2+0.6

9、6=47.8 kN3.3活荷载屋面活荷载P1Q P1Q=0.6+0.56180.5=59.4 kN P1Q的作用位置同P1p。竖向吊车荷载采用两台A4级工作制的吊车，起重量分别为Q=15/3t，20/3t，吊车参数见下表3-1表3-1吊车跨度LK=16.5m额定起重量Q(t)吊车宽度B(m)轮距K（m）吊车总重G（kN）小车重g（kN）最大轮压Pmax（kN）最小轮压Pmin（kN）15/3t5.164.121566.114834.520/35.164.122570.118329.5注：Pmin=（G+Q）/2-Pmax竖向吊车作用情况有以下两种，如图3-1,3-2。图3-1 吊车荷载情况1图

10、3-2 吊车荷载情况2对情况1： Dmax=DP1max1.96+P1max1+P2max4.946+P2max0.846 =0.91481.96+1481+1834.946+1830.846 =334.041 kN Dmin=DP1min1.96+P1min1+P2min4.946+P2min0.846 =0.934.51.96+34.51+29.54.946+29.50.846 =66.459 kN对情况2： Dmax=DP1max0.846+P1max4.946+P2max1+P2max1.96 =0.91480.846+1484.946+1831+1831.96 =345.171 kN

11、 Dmin=DP1min0.846+P1min4.946+P2min1+P2min1.96 =0.934.50.846+34.54.946+29.51+29.51.96 =64.869 kN经比较，设计时应采用情况2，作用位置同P4p。水平吊车荷载每个轮子水平刹车力：15/3t：T1=140.1Q+g=140.1150+66.1=5.4025 kN20/3t：T2=140.1Q+g=140.1200+70.1=6.7525 kN产生Tmax时吊车作用位置与图2-7中位置相同。 Tmax=D5.40250.846+5.40254.946+6.75251+6.75251.96 =12.69 kN

12、Tmax作用点标高+9.700m，通过连接件传递给上柱3.4风荷载均布风荷载风载体型系数及计算简图如图3-3,图3-3 框架风载体型系数及计算简图地面粗糙度为B类，则风压高度系数变化系数如下表3-2表3-2风压高度系数z标高/m10152030z1.001.141.251.42注：以下所用z均从表中线性插值得到。柱顶离室外地坪高度为：12.0+0.15=12.15 m，查表2-2得：z=1.0602故q1=0.81.06020.66=3.05 kN/m （） q2=0.51.06020.66=1.91 kN/m （）集中风荷载W （计算简图如图3-4）屋架檐口离室外地坪高度为： 14.5-0.

13、4+0.15=14.25 m 故 z=1.1190立板、屋架交界处离室外地坪高度为： 14.55-0.4+0.15=14.30 m 故 z=1.1190立板顶点处离室外地坪高度为： 17.22+0.15=17.37 m 故 z=1.1921天窗、屋架交界处离室外地坪高度为： 15.55+0.15=15.30 m 故 z=1.1466天窗檐口处离室外地坪高度为： 17.22+0.15=17.37 m 故 z=1.1921天窗顶点处离室外地坪高度为： 17.52+0.15=17.67 m 故 z=1.1987图3-4 集中风载计算简图q3=0.81.11900.66=3.22 kN/m （）q4=

14、0.31.12040.66=1.21 kN/m （）q5=1.41.19210.66=6.01 kN/m （）q6=0.81.14660.66=3.30 kN/m （）q7=0.81.19210.66=3.43 kN/m （）q8=0.71.19870.66=3.02 kN/m （）q9=0.71.19870.66=3.02 kN/m （）q10=0.61.19210.66=2.57 kN/m （）q11=0.61.14660.66=2.48 kN/m （）q12=0 kN/m q13=0.61.12040.66=2.42 kN/m （）q14=0.51.11900.66=2.01 kN/m

15、（）取向右为正：则W=q3+q1414.25-12.15+q4+q1314.30-14.25+q5+q1217.37-14.30+-q6+q1115.30-14.30+-q7+q1017.37-15.30+-q8+q917.67-17.37=27.02 kN集中风荷载作用点标高为+12.000m。第四章 内力分析4.1恒载作用下排架的内力 （仅验算使用阶段）排架荷载作用简图如图4-1，荷载作用位置如图4-2. 图4-1 排架荷载作用简图 图4-2 荷载作用位置由p1p产生的弯矩和轴力由图4-2易知：e1=50mm，e2=200mm，e4=350mm。又p1p=204.15 kN，故M11=p1

16、pe1=204.150.05=10.21 kNm （逆时针） M12=p1pe2=204.150.2=40.83 kNm （逆时针）而nI=IuIl=2.131091.4561010=0.1463，H=HuH=3.612.6=0.286 查表得：C1=321-H2(1-1nI)1+H3(1nI-1)=1.9498，R11=M11HC1=10.2112.61.9498=1.58 kN （）C3=321-H21+H3(1nI-1)=1.2119，R12=M12HC3=40.8312.61.2119=3.93 kN （）N1=204.15 kN，R1=R11+R12=1.58+3.93=5.51 k

17、N （）由柱自重产生的弯矩和轴力上柱：p2p=14.4 kN，故M22=p2pe2=14.40.2=2.88 kNm （逆时针） R2=M22HC3=2.8812.61.2119=0.28 kN （） N2=14.4 kN 下柱：p3p=49.06 kN，N3=49.06 kN，只产生轴力而不产生弯矩。由p4p产生的弯矩和轴力p4p=47.8 kN，M44=p4pe4=47.80.35=16.73 kNm （顺时针）R4=M44HC3=16.7312.61.2119=1.61 kN （）N4=47.8 kN 图4-3 恒载计算简图 图4-4 恒载作用下内力图4.2屋面活载作用下排架的内力由于P

18、1Q的作用位置同P1p，故反力成比例。P1Q=59.4 kN 则R=5.5159.4204.15=1.60 kN （） M11=10.2159.4204.15=2.97 kNm (逆时针) M12=40.8359.4204.15=11.88 kNm (逆时针) N=59.4 kN 计算简图及内力图如图4-5,4-6 图4-5 屋面活载计算简图 图4-6 屋面活载作用下内力图4.3吊车竖向荷载作用下排架的内力最大轮压作用于左柱（A柱）左柱（A柱）：MA=Dmaxe4=345.1710.35=120.81 kNm （顺时针）右柱（B柱）：MB=Dmine4=64.8690.35=22.70 kNm

19、 （逆时针）计算简图如图4-7= + =图4-7 吊车荷载（作用于左柱，即A柱）计算简图同理可得：C3=1.2119RA=MAHC3=120.8112.61.2119=-11.62 kN （）RB=MBHC3=22.7012.61.2119=2.18 kN （）因为A柱与B柱相同，所以剪力分配系数A=B=0.5，则A柱与B柱柱顶的剪力为左柱（A柱）：VA=RA-ARA+RB=-11.62-0.5-11.62+2.18=-6.9 kN （）右柱（B柱）：VB=RB-BRA+RB=2.18-0.5-11.62+2.18=6.9 kN （）内力图如图4-8。最大轮压作用于右柱（B柱）根据结构对称性，

20、最大轮压作用于右柱（B柱）时，A柱内力与中B柱相同，B柱内力与中A柱相同。 图4-8 竖向吊车荷载（作用于左柱，即A柱）作用下内力图4.4吊车水平制动力作用下排架的内力Tmax向左作用时，柱中轴力为0同理可得：nI=IuIl=2.131091.4561010=0.1463，H=HuH=3.612.6=0.286A柱：TA=Tmax=12,69 kNB柱：TB=Tmax=12,69 kN计算简图如图4-9= + =图4-9 水平吊车荷载（向左）作用计算简图又yHu=2.33.6=0.639，查表得：C5=2-1.8+3(0.416nI-0.2)21+3(1n-1）=0.6806 故RA=RB=C

21、5Tmax=8.64 kN （）考虑空间分配系数m，查表m=0.80 剪力分配系数A=B=0.5则A柱和B柱的柱顶剪力为左柱（A柱）：VA=RA+mA-RA-RB=8.64+0.80.5-8.64-8.64=1.73 kN （）右柱（B柱）：VB=RB+mB-RA-RB=8.64+0.80.5-8.64-8.64=1.73 kN （）内力如图4-10中实线部分。Tmax向右作用时，柱中轴力为0根据结构对称性，Tmax向右作用时，内力如图4-10中虚线部分。图4-10 水平吊车荷载（向左）作用下内力图4.5风荷载作用下排架内力左风情况q1=3.05kN/m （） q2=1.91kN/m （） W

22、=27.02kN （）计算简图如图4-11图4-11 风荷载（左风）作用计算简图C11=31+4(1n-1)81+3(1n-1)=0.3428 故R1=-C11q1H=-13.17 kN （） R2=-C11q2H=-8.25 kN （）排架单元为对称结构，柱中轴力为0。 剪力分配系数A=B=0.5则A柱和B柱的柱顶剪力为左柱（A柱）：VA=R1+AW-RA-RB=-13.17+0.527.02+13.17+8.25=11.05 kN （）右柱（B柱）：VB=R2+BW-RA-RB=-8.25+0.527.02+13.17+8.25=15.97 kN （）故内力图如图4-12中实线部分。右风情

23、况根据结构对称性，右风时，内力图如图4-12中虚线部分。图4-11 风荷载（左风）作用计算简图第五章 内力组合因为排架单元为对称结构，可仅考虑左柱（A柱）的截面，具体组合见下表。左柱的控制截面及组合表中的正方向如图5-1所示。图5-1 左柱（A柱）控制截面及正方向41表5-1 A柱内力组合表 * 表中-，-，-截面及荷载的正方向由图5-1决定。截面内力恒载活载竖向吊车荷载水平吊车荷载风荷载永久荷载效应控制可变荷载效应控制最大轮压作用于水平力作用方向左风右风+Mmax相应N、V-Mmax相应N、VNmax相应N、VNmin相应N、V+Mmax相应N、V-Mmax相应N、VNmax相应N、VNmi

24、n相应N、VAB向左向右12345678组合项内力组合项内力组合项内力组合项内力组合项内力组合项内力组合项内力组合项内力I-IM4.842.79-24.84-24.84-10.2710.2759.54-69.871,2759.281,35,8-86.561235,8-83.831,35,8-86.561,2784.341,35,8-126.471235,8-122.951,35,8-126.47N218.5559.4000000353.25295.04353.25295.04337.10262.26337.10262.26II-IIM-22.149.0995.97-2.14-10.2710.2

25、759.54-69.871,36,7124.241245,8-91.811235,84.3118-88.581,36,7182.311245,8-118.791236,7193.7718-124.39N266.3559.4345.17164.8690000697.84481.36756.05359.57754.54476.2829.38319.62III-IIIM15.485.3133.87-64.24-108.91108.91381.34-352.841,23,67486.351,45,8-445.171,23,67486.3517341.21,23,67685.661,45,8-644.1

26、71236,7685.6617552.45N314.4159.4345.17164.8690000820.93488.03820.93424.45887.05459.03887.05377.29V4.181.60-6.9-6.9-10.9610.9649.48-40.0452.75-45.4952.7547.2174.49-67.9474.4974.29第六章 排架柱设计6.1排架柱主体部分设计设计资料截面尺寸：上柱 400mm400mm 的正方形截面 下柱 I形截面 b=120mm h=800mm bf=bf=400mm hf=hf=800mm材料等级：混凝土C30 fc=14.3MPa 受

27、力筋为HRB400级钢筋 fy=fy=360MPa 箍筋、预埋件和吊钩为HPB300级钢筋 fy=270MPa计算长度：排架平面内： 上柱：23.6=7.2m 下柱：19=9m 排架平面外： 上柱：1.253.6=4.5m 下柱：0.89=7.2m内力上柱：Nb=fcbh0b=14.34003650.52=1085.66kN；其中：b=0.81+fycuEs=0.81+3600.00332.06105=0.52； 内力组合表（表5-1）中I-I截面的控制内力均小于Nb，故都属于大偏心受压，所以应选取弯矩较大而轴力较小的情况，经比较选出下面的内力组合：M=-126.47kNmN=262.26kN

28、下柱： 由于下柱在长度范围内配筋相同，比较II-II截面及III-III截面的控制内力，可以看出III-III截面起控制作用。可以令Nb=fcbf-bhf+fcbh0b=14.3400-120150+14.31207650.52=1283.22kN； 从内力组合表（表5-1）中可知，III-III截面的控制内力均小于Nb，则都属于大偏心受压，所以选取弯矩较大而轴力较小的情况，经比较得出下面几种内力组合：组合a：M=685.66kNmN=887.05kNV=74.49kN；组合b：M=-644.17kNmN=459.03kNV=-67.94kN；组合c：M=552.45kNmN=377.29kN

29、V=74.29kN配筋计算（按对称配筋） 上柱：Ms=-126.47kNm；N=262.26kN；x=Nfcb=45.85mm2as=70mm 所以属于大偏心受压，且取x=70mm。e0=MsN=126.47262.26=482.23mm；ea=h30=13.33mm1；取c=1s=1+11500eih0（l0h）2c=1+11500502.23365（7200400）21=1.16；M=sMs=1.16126.47=146.71kNm；e0=MN=146.71262.26=559.41mm；ei=e0+ea=559.41+20=579.41mm；e=ei+h2-as=579.41+0.540

30、0-35=744.41mm；e=e-h0+as=744.41-365+35=414.41mm；As=As=Nefy(h0-as)=262260414.41360(365-35)=914.84mm2minbh=320mm2； 选用2C25（As=981.75mm2）。 箍筋直径不应小于d/4=6.25mm，且不应小于6mm，d为纵向钢筋的最大直径；箍筋间距不应大于400mm及构件截面的短边尺寸（400mm），且不应大于15d=375mm，d为纵筋的最小直径。故箍筋选用A8200。 垂直弯矩平面的承载力验算：l0b=4500400=11.25，根据规范查表得：=0.961Nc=fcA+fyAs=0

31、.96114.3400400+360981.75=2538.41kN；NcN=262.26kN（Nmax=353.25kN），满足要求。 下柱：Nf=fcbfhf=14.3400150=858kN; 内力组合a：M=685.66kNmN=887.05kNNfV=74.49kN；故中和轴位于受压翼缘部分以外。 按对称配筋计算；e0=MsN=685.66887.05=772.97mm；ea=h30=26.67mm20mm；取ea=26.67mmei=e0+ea=772.97+26.67=799.64mm；c=0.5fcAN=0.514.3187000887.051000=1.511；取c=1s=1

32、+11500eih0（l0h）2c=1+11500799.64765（9000800）21=1.08；e=sei+h2-as=1.08799.64+0.5800-35=1228.61mm；则：Ncu=1fcbx+1fcbf-bhfNcue=1fcbxh0-x2+1fcbf-bhfh0-hf2+fyAs(h0-as)；即，887050=14.3120x+14.3（400-120）1508870501228.61=14.3120x765-0.5x+14.3280150765-75+360As（765-35）联立解得：As=As=1827.24mm2。 内力组合b：M=-644.17kNmN=459

33、.03kN2as=70mm；故取x=80.25mm。e0=MsN=644.17459.03=1403.33mm；ea=h30=26.67mm20mm；取ea=26.67mmei=e0+ea=1403.33+26.67=1430mm；c=0.5fcAN=0.514.3187000459.031000=2.911；取c=1s=1+11500eih0（l0h）2c=1+115001430765（9000800）21=1.05；M=sMs=1.05644.17=676.38kNm；e0=MN=676.38459.03=1473.50mm；ei=e0+ea=1473.50+26.67=1500.17mm；e=ei+h2-as=1500.17+0.5800-35=1865.17mm；As=As=Ne-fcbxh0-x2fy(h0-as)=4590301865.17-14.340080.25（765-0.580.25）360(765-35)=1960.19mm2； 内力组合c：M=552.45kNmN=377.29kNNfV=74.29kN；故中和轴位于受压翼缘部分。x=Nfcb=65.96mm2as=70mm；故取x=70mm。e0=MsN=552.45377.29=1464.26