单层混凝土结构工业厂房设计

1、3.9单层厂房排架结构设计实例ADesig nofExa mp leforMillBe ntsofO ne-storyl ndustrialWorksh ops3.9.1设计资料及要求3-76和图3-77所示。1工程概况某机修车间为单跨厂房，跨度为 24m，柱距均为 吊车各2台，吊车工作级别为 A5级，轨顶标高不小于 墙为240mm厚双面清水砖墙，采用钢门窗，钢窗宽度为 建筑平面及剖面分别如图6m,车间总长度为66m。每跨设有起重量为 20/5t 9.60m。厂房无天窗，采用卷材防水屋面，围护 3.6m，室内外高差为l50mm，素混凝土地面。图 3-76图 3-772.结构设计原始资料厂房所在

2、地点的基本风压为 0.35kN/m2，地面粗糙度为 B类；基本雪压为。 0.30kN/m2。风荷载的组合值系数为 0.6,其余可变荷载的组合值系数均为07。土壤冻结深度为0.3m，建筑场地为I级非自重湿陷性黄土，地基承载力特征值为l65kN/m :,地下水位于地面以下 7m，不考虑抗震设防。3.材料基础混凝土强度等级为 C20;柱混凝土强度等级为 C30。纵向受力钢筋采用 HRB335级、HRB400级；箍 筋和分布钢筋采用 HPB235级。4.设计要求分析厂房排架内力，并进行排架柱和基础的设计;3.9.2构件选型及柱截面尺寸确定因该厂房跨度在l5-36m之间，且柱顶标高大于8m，故采用钢筋混

3、凝土排架结构。为了保证屋盖的 整体性和刚度，屋盖采用无檩体系。由于厂房屋面采用卷材防水做法，故选用屋面坡度较小而经济指标当吊车起重3-16。较好的预应力混凝土折线形屋架及预应力混凝土屋面板。普通钢筋混凝土吊车粱制作方便，量不大时，有较好的经济指标，故选用普通钢筋混凝土吊车粱。厂房各主要构件造型见表由设计资料可知，吊车轨顶标高为9.80m。对起重量为20/5t、工作级别为 A5的吊车，当厂房跨度为24m时，可求得吊车的跨度Lk =24-0.75 2=22.5m，由附表4可查得吊车轨顶以上高度为2.3m;选定吊车梁的高度hb=1.20m，暂取轨道顶面至吊车梁顶面的距离ha =0.2m，则牛腿顶面标

4、高可按下式计算:牛腿顶面标高=轨顶标高-hb-ha=9.60-1.20-0.20=8.20m由建筑模数的要求，故牛腿顶面标高取为8.40m。实际轨顶标高=8.40+1.20+0.20=9.80m9.60m。考虑吊车行驶所需空隙尺寸hy =220mm ,柱顶标高可按下式计算:柱顶标高=牛腿顶面标高+ hb +吊车高度+ ha，=8.40+1.20+0.20+2.30+0.22=12.32m12.30m。故柱顶（或屋架下弦底面）标高取为取室内地面至基础顶面的距离为0.5m，则计算简图中柱的总高度H、下柱高度Hl和上柱高度Hu分别为H =12.3+0.5=12.8mH I =8.4+0.5=8.9m

5、Hu=12.8 8.9=3.9m根据柱的高度吊车起重量及工作级别等条件，可由表上柱口 b h 400mm 400mm3-5并参考表3-7确定柱截面尺寸为A、B轴下柱 bf h b hf 400mm 900mm 100mm 150mm3.9.3定位轴线横向定位轴线除端柱外，均通过柱截面几何中心。对起重量为20/5t、工作级别为 A5的吊车，由附表 4可查得轨道中心至吊车端部距离Br 260mm；吊车桥架外边缘至上柱内边缘的净空宽度，一般取B2 80mm。对边柱，取封闭式定位轴线，即纵向定位轴线与纵墙内皮重合，则B3400mm，故B2 e Bi B3750 260 400 90mm 80mm 亦符

6、合要求。3.9.4计算简图确定由于该机修车间厂房，工艺无特殊要求，且结构布置及荷载分布（除吊车荷载外）均匀，故可取一榀横 向排架作为基本的计算单元，单元的宽度为两相邻柱间中心线之间的距离，即 所示；计算简图如图 3-78（a）所示。B 6.0m，如图 3-78(b)3.9.5荷载计算1.永久荷载（l）屋盖恒载为了简化计算，天沟板及相应构造层的恒载,两毡三油防水层 0.35kN / m220mm厚水泥砂浆找平层20 0.02（a）（b）图 3-78取与一般屋面恒载相同。0.40kN /m2uQI100mm厚水泥蛭石保温层 5 0.10.50kN/m2一毡两油隔气层 0.05kN /m2220mm

7、厚水泥砂浆找平层 20 0.020.40kN /m预应力混凝土屋面板（包括灌缝）1.40kN /m2屋盖钢支撑0.05kN/m223.15 kN / m图3-79A、B柱永久荷载作用位置相同屋架自重重力荷载为l06kN/榀，则作用于柱顶的屋盖结构自重标准值为（2）吊车梁及轨道自重标准值（3）柱自重标准值A、B轴上柱G4AG4B4 3.915.60kN下柱 G5A G5B 4.69 8.941.74kN各项永久荷载作用位置如图3-79所示。2 屋面可变荷载由于后者小由荷载规范查得，屋面活荷载标准值为0.5kN/ rf，屋面雪荷载标准值为0.25kN/ rf,于前者，故仅按屋面均布活荷载计算。作用

8、于柱顶的屋面活荷载标准值为Qi的作用位置与 G作用位置相同，如图 3-79所示。3. 吊车荷载可得： 据此可求得对起重量为20/5t的吊车，查附表4并将吊车的起重量、最大轮压和最小轮压进行单位换算, 根据B及K，可算得吊车梁支座反力影响线各轮压对应点的竖向坐标值，如图3-80所示,吊车作用于柱上的吊车荷载。图 3-80（1）吊车竖向荷裁吊车竖向荷载标准值为（2）吊车横向水下荷藏作用于每一个轮子上的吊车横向水平制动力为同时作用于吊车两端每排架柱上的吊车横向水平荷载标准值为4 .风荷载风荷载标准值按式（312）计算，其中基本风压0 0.35kN/mm2按B类地面粗糙度，根据厂房各部分标高（图377

9、）,由附表3-1可查得风压高度变化系数柱顶（标高12.30m）z 1.064檐口（标高14.60m）z 1.129屋顶（标高16.00）1.170风荷载体型系数s如图3-81(a)所示，则由式(3-12)可求得排架迎风面及背风面的风荷载标准值分别为则作用于排架计算简图(图3-81b)上的风荷载标准值为图 3-813.9.6排架内力分析有关系数A柱和B柱的柱高、截面尺寸厂房为等高排架可用剪力分配法进行排架内力分析。由于该厂房的 等均相同，故这两柱的有关参数相同。1 .柱顶剪力分配系数柱顶位移系数和柱的剪力分配系数分别计算，结果见下表柱号A、B柱由上表可知，A B 1.0。2.单阶变截面柱柱顶反力

10、系数由表3-9中给出的公式可分别计算不同荷载作用下单阶变截面柱的柱顶反力系数,计算结果见表3-19。表 3-19简图柱顶反力系数A柱和B柱2.1431.1040.5590.3263 .内力正负号规定本例题中，排架柱的弯矩、剪力和轴力的正负号规定如图3-82所示，后面的各弯矩图和柱底剪力均未标出正负号，弯矩图画在受拉一侧，柱底剪力按实际方向标出。r+A/图 3-823.9.7排架内力分析1.永久荷载作用下排架内力分析永久荷载作用下排架的计算简图如图3-83 ( a)所示。图中的重力荷载及力矩根据图3-79确定，即由于图3-83(a)所示排架为对称结构且作用对称荷载，排架结构无侧移，故各柱可按顶为

11、不动铰支座计算内力。按照表 3-19计算的柱顶反力系数，柱顶不动铰支座反力R可根据表3-9所列的相应公式计算求得，即求得柱顶反力Ri后，可根据平衡条件求得柱各截面的弯矩和剪力。柱各截面的轴力为该截面以上3-83(b) 、 (c) 。重力荷载之和。恒载作用下排架结构的弯矩图、轴力图和柱底剪力分别见图图 3-832屋面可变荷载作用下排架内力分析排架计算简图如图 3-84（a） 所示。 屋架传至柱顶的集中荷载 Q 36kN , 它在柱顶及变阶处引起的力 矩分别为按照表 3-19 计算的柱顶反力系数和表 3-9 所列的相应公式可求得柱顶不动铰支座反力Ri 即则排架柱顶不动铰支座总反力为：排架各柱的弯矩

12、图、轴力图及柱底剪力如图3-84 （b） 、（ c） 所示。图 3-843屋面可变荷载作用下排架内力分析（1） Dmax作用于A柱计算简图如图 3-86（a） 所示。其中吊车竖向荷载 Dmax 、Dmin 在牛腿顶面处引起的力矩分别为：按照表 3-19 计算的柱顶反力系数和表 3-9 所列的相应公式可求得柱顶不动铰支座反力Ri 分别为排架各柱顶剪力分别为排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力如图 3-86（b）、（c） 所示。图 3-86（2 ） Dmax作用于B柱同理，将作用于 A柱情况的A B柱内力对换，并改变内力符号可求得各柱的内力。（3）Tmax作用于AB跨柱当AB跨作用吊车横向水平荷载时

13、，排架计算简图如图3-90(a) 所示。A、由表3-9得，a （3.9 1.2）/3.9 0.692则柱顶不动铰支座反力RA Rb分别为排架柱顶总反力 R 为各柱顶剪力分别为排架各柱的弯矩图及柱底剪力值如图3-90（ b）所示。当Tmax方向相反时，弯矩图和剪力图只改变符号，数值不变。图 3-904. 风荷载作用下排架内力分析(1)左吹风时计算简图如图3-92 (a)所示。柱顶不动铰支座反力 Ra、Rb及总反力R分别为各柱顶剪力分别为 排架内力图如图3-92 (b)所示。(2)右吹风时将图3-92(b)所示A B柱内力图对换，并改变内力符号后即可。图 3-923.9.8内力组合以A柱内力组合为

14、例。控制截面分别取上柱底部截面I-I、牛腿顶截面nn和下柱底截面川如图3-53所示。表3-20为各种荷戴作用下 A柱各控制截面的内力标准值汇总表。(3-24)表中控制截面及正号内力方向如表3-20中的例图所示。荷载效应的奉基本组合设计值按式进行计算。在每种荷载效应组合中，对矩形和I形截面柱均应考虑以下四种组合，即(1)Mmax及相应的N、VMmax及相应的N、V ;Nmax及相应的M、V ；Nmin及相应的M、V 。3-20控制截面荷载及正类别向内力永久荷载效应Sgk屋面可变荷载效应Sgk吊车竖向荷载效应SgkDmax作用在Dmax作用在吊车水 平荷载 效应SqkTmax作用在AB跨风荷载效应

15、Sqk左风右风由于本例不考虑抗震设防，对柱截面一般不需进行受剪承载力计算。故除下柱底截面川 他截面的不利内力组合未给出所对应的剪力值。弯矩 图及 柱底 截面 剪力序号1-1MK15.532.41-27.22-27.77019.46-27.28N295.4036.000000011-11MK-45.03-6.59111.461.26019.46-27.28N0.9 越+1.40.7 0.9 +0.6 -66.381.2 +1.4 0.9 +1.4 0.7 45.24 +1.4 0.9 +1.4 0.7 42.14N389.76295.40389.76295.4011-11M+1.4 0.9 +1

16、.4 X0.6114.481.2 +1.4 0.9 +1.4 0.7 -94.871.2 +1.4 0.9 + 1.4 :0.7 +0.6 （+）75.84 +1.4 0.9 +1.4 0.6 愈-80.26N922.14442.921025.36339.70III-IIIM1.2 + 1.4 +1.4 ）（0.7 滙 +0.7 0.9 +0.7 0.9滤）361.04+1.4 +0.7 0.9 （+）-293.851.2 +1.4 0.9 + 1.4 0.7 （ +0.9 ）196.42+ 1.4 愈 + 1.4 0.7 （ +0.8 湛 +0.9 ）335.84N946.01466.771

17、075.44779.12V34.34-24.469.9333.34Mk+0.7 （+）庖+0.7 0.9275.57+0.7 0.8 +0.7 0.9滤-203.41+0.9庖+0.7 唸+0.7 0.9 +0.6 219.29+（0.7 +0.7 0.9 ）273.46Nk730.20435.62822.67705.02Vk34.34-24.4621.1433.26表 3-22截面内力组合mn基本组合（永久荷载控制）SdGjSGjkQ L1 CiSQikj 1i 1+ Mmax及相应的N,V-Mmax及相应的N,VNmax及相应的M,VNmin及相应的 N,V1-1M1.35 +0.8 X+

18、0.7 0.9 +0.6 X）-53.181.35 +1.4 X（0.6 X +0.7 X）39.66 + 1.4 X（0.6 X +0.7 X）34.23N434.07295.40434.07330.6811-11M +1.4 X（0.7 +0.6X）80.551.35 +1.4 X （0.6 庖 +0.7 X）-80.401.35 +1.4 e.7 X0.9 +0.7 X+0.6 X（+）24.46+1.4 X0.6 X（+）-51.62N792.71493.88901.58339.70Ill-IllM1.35 +1.4 (GB50007-2011)的规定，基础的地基承载力验算取用荷载效应

19、标准组合，基础的受冲切承载力验算和底板配筋计算取用荷载效应基本组台。由于围护墙自重重力荷 载大小、方向和作用位置均不变，故基础最不利内力主要取决于柱底(川一川截面)的不利内力，应选 取轴力为最大的不利内力组合以及正负弯矩为最大的不利内力组合。经对表3-20-表3-22中的柱底截3-23。2.面不利内力进行分析可知，基础设计时的不利内力如表表 3-23组别荷载标准组合的效应设计值荷载基本组合的效应设计值第一组275.75730.2234.34361.04946.0134.34第二组-203.44435.62-24.46-263.85466.77-24.46第三组219.29822.6721.14

20、196.421075.449.93围护墙自重重力荷载计算如图3-97所示,每个基础承受的围护墙总宽度为6m，总高度为14.65m,墙体为32240mn厚烧结普通黏土砖砌筑，重度为19kN/m ;钢框玻璃窗自重，按0.45kN /m计算,每根基础梁自重为16kN ,则每个基础承受的由墙体传来的重力荷载标准值为基础梁自重16.70kN墙体自重 19 0.24 6 14.65(4.8 1.8) 3.6292.48kN钢窗自重 0.45 3.6 (4.81.8)10.69kN图3-9围护墙对基础产生的偏心距为3.基础地面尺寸及地基承载力验算(I)基础高度和埋置深度确定由构造要求可知，基础高度为 hh1

21、 a1 50mm，其中h1为柱插入杯口深度，由表3-13可知,0.9h 0.9 900 810 800mm，取 h1 850mm ； a1 为杯底厚度，由表 3-14 可知 a1 200mm取 a1250mm ；故基础高度为因基础顶面标高为0.50m，室内外高差为150mm，则基础埋置深度为(2) 基础底面尺寸拟定基础底面面积按地基承载力计算确定，并取用荷载效应标准组合。由建筑地基基础设计规范 (GB50007-2011) 可查得 d 1.0， b 0 (黏性土)，取基础底面以上土及3基础的平均重度为m 20kN /m，则深度修正后的地基承载力特征值fa按下式计算:afakd m(d 0.5)

22、 165 1.0 20 (1.5 0.5) 185kN / m2由式 (3-31) 按轴心受压估算基础底面尺寸，取考虑到偏心的影响，将基础的底面尺寸再增加30%，取基础底面的弹性抵抗矩为(3) 地基承载力验算基础自重和土重为(基础及其上填土的平均自重取m 20kN/ m3)由表 3-23 可知，选取以下三组不利内力进行基础底面积计算： 先按第一组不利内力计算，基础底面相应于荷载效应标准组合时的竖向压力值和力矩 值分别为(图 3-98a )Nbk Nk Gk Nwk 730.22 291.60 319.87 1341.68kN m由式 (3-32) 可得基础底面边缘的压力为 由式(3-35a)和

23、式(3-35b)进行地基承载力验算 满足要求。取第二组不利内力计算，基础底面相应于荷载效应标准组合时的竖向压力值和力矩值 分别为 ( 图 3-98b)Nbk Nk Gk Nwk 435.62 291.60 319.87 1047.09 kN m由式(3-32) 可得基础底面边缘的压力为 由式(3-35a)和式(3-35b)进行地基承载力验算 满足要求。取第三组不利内力计算，基础底面相应于荷载效应标准组合时的竖向压力值和力矩值分别为（图 3-98c）由式 （3-32） 可得基础底面边缘的压力为由式（3-35a）和式（3-35b）进行地基承载力验算满足要求。图 3-98 4基础受冲切承载力验算3-

24、23 可知，选取下基础受冲切承载力计算时采用荷载效应的基本组合，并采用基底净反力。由表 列三组不利内力；先按第一组不利内力计算 , 该组内力组合时，取G 1.2，不考虑基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基净反力计算如下 （图 3-99b） :按第二组不利内力计算 , 该组内力组合时，取G1.0 ，不考虑基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基净反力计算如下 （图 3-99c） :因最小净反力为负值，故基础底面净反力应按式（3-34 ）计算（图 3-99c）最后按第三组不利内力计算 , 该组内力组合时，取G 1.2 ，不考虑基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基净反力计算如下 （图 3-99d）基础各细部尺寸如图 3-99（a） 、 （e） 所示。其中基础顶面突出柱边的宽度主要取决于杯壁厚度t，由表3-14查得t 300mm，取t 325mm，则基础顶面突出柱边的宽度为 t 75mm 325 75 400