混凝土课程设计单厂房设计

1某单层工业厂房设计一、设计资料某机械加工车间为单层单跨等高厂房，跨度为30m，柱距6m，车间总长60m，无天窗。设有两台10t相同的软钩吊车，吊车工作级别为A5级，轨顶标高+11.4m。采用钢屋盖、预制钢筋混凝土柱、预制钢筋混凝土吊车梁和柱下独立基础。屋面不上人。室内外高差为0.15m，基础顶面离室外地平为1.0m。纵向围护墙为支承在基础梁上的自承重空心砖砌体墙，厚240mm，双面采用20mm厚水泥砂浆粉刷，墙上有上、下钢框玻璃窗，窗宽为3.6m，上、下窗高为1.8m和4.8m，钢窗自重0.45kN/m2，排架柱外侧伸出拉结筋与其相连。基本风压值W0=0.3kN/m2，地面粗糙类别为B类；基本雪压为0.2kN/m2，雪荷载的准永久值系数ψq=0.5；地基承载力特征值为200kN/m2。不考虑抗震设防。二、构件选型（一）钢屋盖采用如图1所示的30m钢桁架，桁架端部高为1.5m，中央高度为3.0m，屋面坡度为1/10。刚檩条长6m，屋面板采用彩色钢板，厚4mm。图130m钢桁架（二）预制钢筋混凝土吊车梁和轨道连接采用标准图G323（二），中间跨DL—9Z，边跨DL—9B，梁高hb=1.2m。轨道连接采用标准图集G325（二）。查标准图集《04G323-2钢筋混凝土吊车梁（工作级别A4、A5）》，预制钢筋混凝土吊车梁截面及尺寸如图2所示。2图2预制钢筋混凝土吊车梁截面查标准图集《04G325吊车轨道联结及车档》，轨道连接剖面图如图3所示。图3轨道连接剖面图3（三）预制钢筋混凝土柱预制钢筋混凝土柱示意图如图4所示。图4预制钢筋混凝土柱取轨道顶面至吊车梁顶面距离ha=0.2m，故牛腿顶面标高=轨顶标高-吊车梁高度-轨顶至吊车梁顶高度。由附录12查得，吊车轨顶至吊车顶部的高度为2.19m，考虑到屋架下弦及支撑可能产生的下垂挠度，以及厂房地基可能产生不均匀沉降时对吊车正常运行的影响，屋架下弦至吊车顶部所需空隙高度最小尺寸为220mm，故柱顶标高轨顶标高吊车轨至吊车顶部高屋架下弦至吊车顶高。基础顶面至室外地坪的距离为1.0m，则基础顶面至室内地坪的高度=基础顶面至室外地坪距离+室内外高差，故从基础顶面算起的柱高基础顶面至室内地坪高度柱顶标高4。上部柱高柱顶标高轨顶标高轨道构造高度吊车梁支撑处的吊车梁高。下部柱高从基础顶面算起的柱高上部柱高。参考《混凝土结构与砌体结构设计（中册）》表，选择柱截面形式：上部柱采用矩形截面b×h=400mm×400mm；下部柱采用I形截面bf×h×b×hf=400mm×900mm×100mm×150mm。（四）柱下独立基础采用锥形杯口基础三、计算单元及计算简图（一）定位轴线厂房跨度与吊车跨度的关系：，B1+B2+B3。B1：由《混凝土结构与砌体结构设计（中册）》附表可查得轨道中心线至吊车端部的距离B1B2：吊车桥架至上柱内边缘的距离，因吊车起重重量小于50t，取B2≥80mm，故取B2=80mm；B3：封闭的纵向定位轴线至上柱内边缘的距离，B3=400mm。B1+B2+B3＜，可以。取。故取封闭的定位轴线、都分别与左、右外纵墙内皮重合。（二）计算单元由于该机械加工车间厂房在工艺上没有特殊要求，结构布置均匀除吊车荷载5外，荷载在纵向的分布是均匀的，故可取一榀横向排架为计算单元，计算单元的宽度为纵向相邻柱间距中心线之间的距离，即B=6.0m,如图5所示。图5计算单元（三）计算简图排架的计算简图如图6所示。排架柱截面尺寸如图7所示。图6计算简图图7排架柱的截面尺寸6排架柱截面特性：4833103.211240040012mmbhIu；482331038.19532522550253002121255030012900400mmIl109.038.1953.21luIIn，552.04.96181.3HHu。四、荷载计算（一）屋盖荷载1.屋盖恒荷载近似取屋盖恒荷载标准值为2m/25.146.012.0311.012.0kN，故由屋盖传给排架柱的集重荷荷载设计值F1=γG×g恒荷载标准值×柱距×（厂房跨度/2）=1.2×1.2×6×15=129.6kN，作用于上部柱中心线外侧e0=h上/2-150=50mm处。2.屋面活荷载《荷载规范》规定，屋面均布活荷载标准值为0.5kN/m2，比屋面雪荷载标准值0.2kN/m2大，故仅按屋面均布活荷载计算。故由屋盖传给排架柱的集中活荷载设计值F6=γG×g活荷载标准值×柱距×（厂房跨度/2）=1.4×0.5×6×15=63kN，作用于上部柱中心线外侧e0=h上/2-150=50mm处。（二）柱和吊车梁等恒荷载上部柱自重标准值为2m/42514.04.0kN，故作用在牛腿顶截面处的上部柱恒荷载设计值F2=γG×g上部柱自重标准值×上部柱高=1.2×4×3.81=18.29kN。作用于牛腿顶截面上部柱中心线处。下部柱自重标准值为4.69kN/m2，故作用在基础顶截面处的下部柱恒荷载设计值F3=γG×g下部柱自重标准值×下部柱高=1.2×4.69×11.15=62.75kN。作用于基础顶截面下部柱中心线处。吊车梁自重标准值为39.5kN/根，轨道连接自重标准值为0.80kN/m2，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=γG×（g吊车梁自重标准值+6×g轨道连接自重标准值）=1.2×(39.5+6×0.8)=53.16kN。作用于牛腿顶截面下部柱中心线外侧e4=e-h下/2=750-900/2=300mm处。7上、下柱中心线距离为e=400-150=250mm。F1、F2、F3、F4和F6的作用位置如图8所示。图8恒荷载的作用位置（三）吊车荷载吊车跨度Lk=厂房跨度L-2e=30-2×0.75=28.5m。查《混凝土结构与砌体结构设计（中册）》附录，得吊车轮压和基本尺寸：起重量，Lk=28.5m时的吊车最大轮压标准值Pmax,k=140kN、最小轮压标准值Pmin,k=66kN、小车自重标准值G2,k=38kN、与吊车额定其中量相对应的重力标准值G3,k=100kN，吊车宽度B和轮距K：B=6.4m，K=5.25m。1.吊车竖向荷载设计值Dmax、Dmin相邻吊车轮距=B-K=6.4-5.25=1.15m。吊车梁支座反力影响线如图9所示。8图9吊车梁支座反力影响线查《混凝土结构与砌体结构设计（中册）》表12-1多台吊车的荷载折减系数β=0.9，由吊车梁支座反力影响线可知：Dmax,k=βPmax,k∑yi=0.9×140×(0.904+0.904+0.03+0.03)=235.37kNDmax=γQDmax,k=1.4×235.37=329.52kNDmin=Dmax×(Pmin,k/Pmax,k)=329.52×66/140)=155.35kN2.吊车横向水平荷载设计值Tmax因吊车额定起重量Q10t，故取吊车横向水平荷载系数α=0.12。Tk=α(G2,k+G3,k)/4=0.12×(38+100)/4=4.14kNTmax=Dmax×(Tk/Pmax,k)=329.52×(4.14/140)=9.74kN（四）风荷载1.作用在柱顶处的集中风荷载设计值W——这时风荷载的高度变化系数μZ按檐口离室外地坪的高度0.15+柱顶标高13.81+屋架端部高度1.5=15.46m来计算。查《混凝土结构与砌体结构设计（中册）》表10-4风压高度变化系数：离地面15m时，μZ=1.14；离地面20m时，μZ=1.25，用插入法，知μZ=1.14+(1.25-1.14)/(20-15)×(15.46-15)=1.15。由图1知，h1=h2=1.5m，查《混凝土结构与砌体结构设计（中册）》表10-5风荷载体形系数，该厂房的风荷载体形系数如图10所示。W——kh1h2μZB=91.15kNW——γQW——kkN图10风荷载体形系数2.沿排架柱高度作用的均布风荷载设、计值q1、q2这时风荷载的高度变化系数μZ按柱顶离室外地坪的高度0.15+柱顶标高13.81=13.96m来计算。μZ=1+(1.14-1.0)/(15-10)×(13.96-10)=1.11。q1=γQμsμZW0B=1.4×0.8×1.11×0.3×6=2.24kN/m（压力）q2=γQμsμZW0B=1.4×0.5×1.11×0.3×6=1.40kN/m（吸力）五、内力分析内力分析时所取得荷载值都是设计值，故得到的内力值都是内力设计值。（一）屋盖荷载作用下的内力分析1.屋盖集中恒荷载F1作用下的内力分析M1=F1×e0=129.6×0.05=6.48kN•m。由图7排架柱的截面尺寸知n=Iu/Il=21.3/195.38=0.109，λ=Hu/H=3.81/14.96=0.255，查《混凝土结构与砌体结构设计（中册）》附图9-2柱顶力矩作用下系数C1的数值，得C1=2.13。按公式计算：C1=1.5×)11(1)11(132nn=1.5×)1109.01(552.01)109.011(552.0132=2.02可见与查附图9-2所得接近，取C1=2.02。10R=(M1/H)×C1=(6.48/14.96)×2.02=0.88kN2.屋盖集中活荷载F6作用下的内力分析M6=F6×e0=63×0.05=3.15kN•mR=(M6/H)×C1=(3.15/14.96)×2.02=0.43kN在F1、F6分别作用下的排架柱弯矩图、轴向力图和柱底剪力图，分别如图11（a）和（b）所示。图中标出的内力值是指控制截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ截面的内力设计值。弯矩以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。（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图11屋盖荷载作用下的内力图11（二）柱自重、吊车梁及轨道连接等自重作用下的内力分析按悬臂柱来分析。其对排架柱底部产生的弯矩和轴向力为：M=F4×e4-F2×0.25=53.16×0.3-18.29×0.25=+11.38kN•mN=F2+F3+F4=18.29+53.16+62.75=134.2kN。其对排架柱产生的弯矩和轴力图如图12所示。图12柱自重及吊车梁等作用下的的内力图（三）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=Dmax×e4=329.52×0.3=98.86kN•mMmin=Dmin×e4=155.35×0.3=46.61kN•m这里的偏心距e4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《混凝土结构与砌体结构设计（中册）》附图9-3力矩作用在牛腿顶面时系数C3的数值，得C1=1.24。按公式计算：C3=1.5×)11(1132n=1.5×)1109.01(552.01552.0132=1.24，取C3=1.24。A柱顶的不动支点反力RA=(Mmax/H)×C3=(98.86/14.96)×1.24=8.19kN（←）B柱顶的不动支点反力RB=(Mmin/H)×C3=(46.61/14.96)×1.24=-3.86kN（→）A柱顶水平剪力VA=RA+(-RA-RB)/2=8.19+(-8.19+3.86)/2=6.03kN（←）B柱顶水平剪力VB=RB+(-RA-RB)/2=-3.86+(-8.19+3.86)/2=-6.03kN（←）内力图如图13（a）所示。2.Dmin作用在A柱，Dmax作用在B柱时B柱的内力分析12此时，A柱顶的剪力与Dmax作用在A柱时的相同，也是VA=6.03kN（←），故可得内力值，内力图如图13（b）所示。3.在Tmax作用下的内力分析Tmax至牛腿顶面的距离为11.4-10-0.2=1.2；Tmax至柱底的距离为轨顶标高+基础顶面至室外地坪距离+室内外高差。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，故A柱的内力图如图14所示。（a）Dmax作用在A柱时（b）Dmin作用在A