单层工业厂房课程设计计算书.docx
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单层工业厂房课程设计计算书
单层工业厂房结构课程设计计算书
学号:
学院:
水利与建筑
专业:
土木工程
班级:
1103
:
一.设计资料
1.某金工车间,单跨无天窗厂房,厂房跨度L=24m,柱距为6m,车间总长度为120m,中间设一道温度缝,厂房剖面图如图所示:
2.车间设有两台双钩桥式起重机,吊车起重量为200/50kN。
3.吊车轨顶标高为9.6m。
4.建筑地点:
。
5.地基:
地基持力层为亚粘性层,地基承载力特征值为fak=180kN/m2。
最高地下水位在地表15m。
6.材料:
混凝土强度等级为C30,纵向钢筋采用HRB400级,(360N/mm2)箍筋采用HPB235级。
(300N/mm2)
二.选用结构形式
1.钢屋盖,采用24米钢桁架,桁架端部高度为1.2m,中央高度为2.4m,屋面坡度为
,,屋面板采用彩色钢板,厚4mm。
2.预制钢筋混凝土吊车梁和轨道
采用标准图G325,中间跨DL-9Z,边跨DL-9B,梁高
。
轨道连接采用标准图集G325
3.预制钢筋混凝土
取轨道顶面至吊车梁顶面的距离
,故
牛腿顶面标高=轨顶标高-
-
=9.6-1.2-0.2=8.2
查附录12得,吊车轨顶至吊车顶部的高度为2.7m,考虑屋架下弦至吊车顶部所需空间高度为220mm,故
柱顶标高=9.6+2.7+0.22=13.52m,
三.柱的各部分尺寸及几何参数
上柱b×h=400mm×400mm(g1=4.0kN/m)
Ai=b×h=1.6×105m2
I1=bh3/12=2.13×109mm4
图1厂房计算简图及柱截面尺寸
下柱bf×h×b×hf=400mm×800mm×100mm×100mm(g2=3.69kN/m)
A2=100×400×2+(800-2×100)×100+2×25×150=1.475×105mm2
I2=5003×100/12+2×(400×1003/12+400×100×3002)+4×(253×150/36+343.752×1/2×100×25)=8.78×1010mm4
n=I1/I2=2.13×109/(8.78×109)=0.248
H1=3.6m;H2=3.6+8.6=12.2m。
λ=H1/H2=3.6/12.2=0.295
四.荷载计算
1.恒荷载
(1)屋盖自重
SBS防水层1.2×0.1=0.12kN/m2
20mm厚水泥砂浆找平层1.2×0.02×20=0.48kN/m2
大型预应力屋面板(包括灌缝重)1.2×1.4=1.68kN/m2
总1g1=3.3kN/m2
屋架1.2×60.5=72.6kN
则作用屋架一段作用于柱顶的自重为:
G1=6×9×3.3+0.5×72.6=214.5kN
(2)柱自重
上柱:
G2=1.2×3.6×4.0=17.28kN
下柱:
G3=1.2×8.6×3.69=38.08kN
(3)吊车梁及轨道自重:
G4=1.2×(30.4+0.8×6)=42.2kN
2.屋面活荷载
由《荷载规》查得屋面活荷载标准值为0.5kN/m2,因屋面活荷载大于雪荷载0.4kN(50年一遇),故不考虑雪荷载。
Q1=1.4×0.5×6×12=50.4kN
3.风荷载
由《荷载规》查得地区基本风压为ω0=0.45kN
风压高度变化系数(按B类地面粗糙度取)为
柱顶:
(按H2=11.5m)μz=1.04
檐口处:
(按H2=13.8m)μz=1.11
屋顶:
(按H2=15.4m)μz=1.15
风荷载标准值:
ω1k=βzμs1μzω0=1.0×0.8×1.04×0.45=0.37kN/m2
ω2k=βzμs2μzω0=1.0×0.5×1.04×0.45=0.23kN/m2
则作用于排架上的风荷载设计值为:
q1=1.4×0.37×6=3.15kN/m
q2=1.4×0.23×6=1.97kN/m
Fw=γQ[(μs1+μs2)μzω0h1+(μs3+μs4)μzω0h2]×B
=1.4×[(0.8+0.5)×1.11×0.45×2.3+(-0.6+0.5)×1.15×0.45×1.6]×6=11.85kN(屋面坡度为1/8)
风荷载作用下的计算简图如下图:
图2风荷载作用下计算简图
4.吊车荷载
由附表16-2查得Pk,max=180kN;
Pk,min=1/2(G+g+Q)-Pk,max=1/2(228+200)-180=46.5kN
B=5600mm,K=4400mm
则根据支座反力影响线求出作用于柱上的吊车竖向荷载为:
Dmax=φc*γQ*Pk,max*Σyi=0.9×1.4×180×(1+0.267+0.8+0.067)
=483.99kN
Dmin=φc*γQ*Pk,min*Σyi=0.9×1.4×46.5×(1+0.267+0.8+0.067)
=125.03kN
作用于每一轮子上的吊车横向水平刹车力
Fh1=γQ*ɑ/4(Q+g)=1.4×0.1/4×(200+77.2)=9.702kN
则两台吊车作用于排架柱顶上的吊车横向水平荷载为
Fh=φc*Fh1*Σyi=0.9×9.702×(1+0.267+0.8+0.067)
=18.63kN
五.力计算
1.恒荷载
(1)屋盖自重作用
因为屋盖自重是对称荷载,排架无侧移,故按柱顶为不动铰支座计算。
由厂房计算简图及柱截面尺寸图取用计算截面图
图3取用计算截面
e1=0.05m,e0=0.15m,G1=214.5kN,根据n=0.248,λ=0.295查表得C1=1.760,C3=1.268,则可得
R=-G1/H2(e1*C1+e0*C3)=-214.5/12.2×(0.05×1.760+0.15×1.268)=-4.97kN(→)
计算时对弯矩和剪力的符号规定为:
弯矩图绘在受拉一边;剪力对杆端而言,顺时针方向为正(
),剪力图可绘在杆件的任意一侧,但必须注明正负号,亦即取结构力学的符号。
这样,由屋盖自重对柱产生的力如下图:
图4恒荷载力图
MⅠ=-214.5×0.05+4.97×3.6=7.17kN·m
MⅡ=-214.5×0.15+4.97×3.6=-14.28kN·m
MⅢ=-214.5×0.15+4.97×12.2=28.46kN·m
NⅠ=NⅡ=NⅢ=214.5kN,VⅢ=4.97kN
(2)柱及吊车梁自重作用
由于在安装柱子时尚未吊装屋架,此时柱顶之间无连系,没有形成排架,故不产生柱顶反力;因吊车梁自重作用点距离柱外边缘不少于750mm,则力如下图4所示:
MⅠ=0,MⅡ=MⅢ=+42.2×0.50-17.28×0.15=18.51kN·m
NⅠ=17.28kN
NⅡ=17.28+42.2=59.48kN
NⅢ=59.48+35.50=94.98kN
2.屋面活荷载作用
因屋面活荷载与屋盖自重对柱的作用点相同,故可将屋盖自重的力乘以下列系数,即得屋面活荷载力分布图如图4所示,其轴向压力及剪力为:
Q1/G1=50.4/214.5=0.235
NⅠ=NⅡ=NⅡ=50.4kN,VⅡ=0.235×4.97=1.168kN
3.风荷载作用
为计算方便,可将风荷载分解为对称及反对称两组荷载。
在对称荷载作用下,排架无侧移,则可按上端为不动铰支座进行计算;在反对称荷载作用下,横梁力等于零,则可按单根悬臂柱进行计算。
图5柱作用正风压图
当柱顶作用集中风荷载Fw时,
当墙面作用均布风荷载时,查表得C11=0.355,则得
R3=C11·H2·1/2(q1-q2)=0.355×12.2×1/2×(3.15-1.97)=2.56kN
当正风压力作用在A柱时横梁反力R:
R=R1+R3=8.49kN
A柱力图如图6所示,其力为
M=(Fw-R)x+1/2q1x2
MⅠ=MⅡ=(11.85-8.49)×3.6+1/2×3.15×3.62=36.07kN·m
MⅢ=(11.85-8.49)×12.2+1/2×3.15×12.22=275.42kN·m
NⅠ=NⅡ=NⅢ=0
VⅢ=(Fw-R)+q1x=(11.85-8.49)+3.15×12.2=42.14kN
图6 A柱作用正风压 图7 A柱作用负风压
当负风压力作用在A柱时(如图7所示),其力为
M=-Rx-1/2q2x2
MⅠ=MⅡ=-8.49×3.6-1/2×1.97×3.62=-43.33kN·m
MⅢ=-8.49×12.2-1/2×1.97×12.22=-250.19kN·m
NⅠ=NⅡ=NⅢ=0
VⅢ=-R-q2x=-8.49-3.15×12.2=-32.52kN
4.吊车荷载
(1)当Dmax值作用于A柱(如图8-a所示)
根据n=0.248,λ=0.295查表得C3=1.268。
吊车轮压与下柱中心线距离按构造要求取e4=0.35m,则得排架柱上端为不动铰支座时的反力值为:
R1=-Dmax·e4·C3/H2=-483.99×0.35×1.268/12.2=-25.15kN(←)
R2=-Dmin·e4·C3/H2=-125.03×0.35×1.268/12.2=6.50kN(→)
故R=R1+R2=-25.15+6.50=-18.65kN(←)
再将R值反向作用于排架柱顶,按剪力分配进行计算。
由于结构对称,故各柱剪力分配系数相等,即μA=μB=0.5。
(如图8-b所示)各柱的分配剪力为:
V‘A=-V‘B=μAR=0.5×18.65=9.33kN(→)
最后各柱顶总剪力为:
VA=V‘A-R1=9.33-25.15=-15.82kN(←)
VB=V‘B-R2=9.33+6.50=-15.83kN(→)
图8吊车竖向荷载作用时柱顶剪力(a)上端为不动铰支座时(b)柱顶作用R时
则A柱的力为:
(如图9-a所示)
MⅠ=-VA·x=-15.82×3.6=-56.95kN·m
MⅡ=-VA·x+Dmax·e4=-56.95+483.99×0.35=185.05kN·m
MⅢ=-15.82×12.2+483.99×0.5=48.99kN·m
NⅠ=0kN
NⅡ=NⅢ=483.99kN
VⅢ=VA=-15.82kN(←)
图9吊车竖向荷载对A柱力图(a)当Dmax作用于A柱时(b)当Dmin作用于A柱时
(2)当Dmin值作用于A柱时(如图9-b所示)
MⅠ=-VA·x=-15.82×3.6=-56.95kN·m
MⅡ=-VA·x+Dmin·e4=-56.95+125.03×0.35=5.57kN·m
MⅢ=-15.82×12.2+125.03×0.35=-130.49kN·m
NⅠ=0kN
NⅡ=NⅢ=125.03kN
VⅢ=VA=-15.82kN(←)
(3)当Fh值自左向右作用时(→)
由于Fh值同向作用在A、B柱上,因此排架的横梁力为零,则得A柱的力:
(如图10所示)
图10吊车横向水平作用(a)吊车横向水平作用于排架(b)横向水平作用时
MⅠ=MⅡ=Fhx=18.63×1.0=18.63kN
MⅢ=18.63×(9+0.6)=178.8kN·m
NⅠ=NⅡ=NⅢ=0
VⅢ=Fh=18.63kN(←)
(4)当Fh值自右向左作用时(←)
其力值与当Fh值自左向右作用时相同,但方向相反。
六.力组合
单跨排架的A柱与B柱承受荷载的情况相同,故仅对A柱在各种荷载作
用下的力进行组合。
表1为A柱在各种荷载作用下力汇总表,表2为A柱承载力极限状态荷载效应的基本组合,表3为A柱正常使用极限状态荷载效应的标准组合及准永久组合。
表1为A柱在各种荷载作用下力汇总表
荷载种类
恒荷载
屋面活荷载
风荷载
吊车荷载
左风
右风
荷载编号
1
2
3
4
5
6
7
8
Ⅰ-Ⅰ
7.17
1.68
36.07
-43.33
-56.95
-56.95
18.63
-18.63
231.78
50.4
5.98
1.4
25.76
-30.95
-40.68
-40.68
13.31
-13.31
193.15
36.0
Ⅱ-Ⅱ
4.23
-3.54
36.07
-43.33
185.05
5.57
18.63
-18.63
274.9
50.4
483.99
125.03
3.53
-2.53
25.76
-30.95
132.18
3.99
13.31
-13.31
229.08
36.0
345.71
89.31
Ⅲ-Ⅲ
46.97
6.69
275.42
-250.19
48.99
-130.49
178.85
-178.85
273.98
50.4
483.99
125.03
4.97
1.168
42.14
-32.52
-15.82
-15.82
18.63
-18.63
39.14
4.78
194.19
-175.96
34.99
-93.21
127.75
-127.75
228.32
36.0
345.71
89.31
4.14
0.83
29.66
-23.06
-11.3
-11.3
13.31
-13.31
注:
(1)力的单位是kN·m,轴力的单位是kN,剪力的单位是kN;
(2)表中弯矩和剪力符号对杆端以顺时针为正,轴向力以压为正;
(3)表中第1项恒荷载包括屋盖自重、柱自重、吊车梁及轨道自重;
(4)组合时第3项与第4项、第5项与第6项、第7项与第八项二者不能同时组合;
(5)有Fh作用时候必须有Dmax或Dmin同时作用。
表2为A柱承载力极限状态荷载效应的基本组合
组合
荷载
组合
力名称
Ⅰ-Ⅰ
Ⅱ-Ⅱ
Ⅲ-Ⅲ
由可变荷载效应控制的组合
(简化规则)
1+0.9(2+3)
1+0.9(3+5+7)
1+0.9(2+3+5+7)
32.62
277.14
220.00
710.49
505.93
754.93
46.48
1+0.9(4+6+8)
1+0.9(2+4+6+8)
1+0.9(4+6+8)
-99.85
231.78
-49.71
432.79
-456.61
386.51
-55.30
1+0.9(2+4+6+8)
1+0.9(2+3+5+7)
1+0.9(2+3+5+7)
-98.34
277.14
216.82
755.85
505.93
754.93
46.48
1+0.9(4+6+8)
1+0.9(4+6+8)
1+0.9(4+6+8)
-99.85
231.78
-46.52
387.43
-456.61
386.51
-55.30
注:
由永久荷载效应控制的组合:
其组合值不是最不利,计算从略。
表3A柱正常使用极限状态荷载效应的标准组合
组合
荷载
组合
力名称
Ⅰ-Ⅰ
Ⅱ-Ⅱ
Ⅲ-Ⅲ
由可变荷载效应控制的组合
(简化规则)
值:
活:
0.7;风:
0.6;吊车:
0.7
1+3+0.7×2
1+5+0.6×3+0.7×7
1+3+0.7(2+5+7)
32.72
218.35
160.48
574.79
350.59
495.52
35.79
1+4+0.7(6+8)
1+4+0.7(2+6+8)
1+4+0.7(6+8)
-76.89
193.15
-35.72
316.80
-291.49
290.84
-36.15
1+3+0.7×2
1+5+0.6×3+0.7(2+7)
1+5+0.6×3+0.7(2+7)
32.72
218.35
158.71
599.99
283.42
599.23
20.35
1+4+0.7(6+8)
1+4+0.7(6+8)
1+4+0.7(6+8)
-76.89
193.15
-33.94
291.60
-291.49
290.84
-36.15
注:
对准永久组合计算,其值要小于标准组合时的相应对应计算值,故在表中从略。
七.柱子设计
1.上柱配筋计算
从表2中选取两组最不利的力
M1=-99.85kN·m;N1=231.78kN。
M2=-98.34kN·m;N2=277.14kN。
(1)先按M1,N1计算
l0/h=2×3600/400=18>5,故需要考虑纵向弯曲影响,其截面按对称配筋计算,偏心距为:
e0=M1/N1=99.85/231.78=0.431m
ea=h/30=400/30=13.33mm≤20mm,取20mm
ei=e0+ea=431+20=451mm
ζ1=0.5fcA/N=0.5×14.3×1.6×105/(231.78×103)=4.9>1.0
取ζ1=1.0
又l0/h=18>15,故取ζ2=1.15-0.01·l0/h=1.15-0.01×18=0.97
η=1+
ζ1ζ2=1+×1.0×0.97=1.199
ηei=1.199×451=532.75mm>0.3h0=109.5mm
故按大偏心受压计算
则e=ηei+h/2-as=532.75+400/2-35=697.75mm
ζb=0.482
N≤ɑ1fcbh0ζ
ζ=N/(ɑ1fcbh0)=231.78×103/(1.0×14.3×400×365)=0.111<ζb
ζh0=0.111×365=40.5mm<2as’=70mm
不满足
取x=2as’=70mm,则ζ=2as’/h0=70/365=0.192
As=As’=[Ne-ɑ1fcbh02ζ(1-0.5ζ)]/[fy(h0-as)
e=ηei+h/2-as’=532.75+400/2-35=697.75mm
As=[231.78×103×697.75-1.0×14.3×400×3652×0.192×(1-0.5×0.192)]/[360×(365-35)]=247.96mm2
因As=247.96mm2<ρminbh=0.002×400×400=320mm2
取As=320mm2
配置2φ20(As=628mm2)
(2)再按M2,N2计算(M2=-98.34kN·m;N2=277.14kN)
e0=M2/N2=99.34/277.14=0.358m
ea=h/30=400/30=13.33mm≤20mm,取20mm
ei=e0+ea=358+20=378mm
ζ1=0.5fcA/N=0.5×14.3×1.6×105/(277.14×103)=4.1>1.0
取ζ1=1.0
又l0/h=18>15,故取ζ2=1.15-0.01·l0/h=1.15-0.01×18=0.97
η=1+
ζ1ζ2=1+×1.0×0.97=1.233
ηei=1.233×378=466.07mm>0.3h0=109.5mm
故按大偏心受压计算
则e=ηei+h/2-as=466.07+400/2-35=631.07mm
ζb=0.482
N≤ɑ1fcbh0ζ
ζ=N/(ɑ1fcbh0)=277.14×103/(1.0×14.3×400×365)=0.133<ζb
ζh0=0.133×365=48.5mm<2as’=70mm
不满足
取x=2as’=70mm,则ζ=2as’/h0=70/365=0.192
As=As’=[Ne-ɑ1fcbh02ζ(1-0.5ζ)]/[fy(h0-as)
e=ηei+h/2-as’=466.07+400/2-35=631.07mm
As=[277.14×103×631.07-1.0×14.3×400×3652×0.192×(1-0.5×0.192)]/[360×(365-35)]=358.82mm2
因As=358.82mm2>ρminbh=0.002×400×400=320mm2
取As=358.82mm2
配置2φ20(As=628mm2)
综合两组计算结果,最后上柱钢筋截面面积每侧选用(2φ20(As=628mm2))
2.下柱配筋计算
从表2中选取两组最不利的力
M1=-456.61kN·m;N1=386.51kN。
M2=505.93kN·m;N2=754.93kN。
(1)先按M1,N1计算
l0/h=8600/800=10.75>5,故需要考虑纵向弯曲影响,其截面按对称配筋计算,其偏心距为:
e0=M1/N1=456.61/386.51=1.181m
ea=h/30=800/30=26.67mm>20mm
ei=e0+ea=1181+26.67=1207.67mm
ζ1=0.5fcA/N=0.5×14.3×1.475×105/(386.51×103)=2.73>1.0
取ζ1=1.0
又l0/h=10.75<15,故取ζ2=1.0
η=1+
ζ1ζ2=1+×1.0×1.0=1.059
则e=ηei+h/2-as=1278.92+800/2-35=1643.92mm
先按大偏心受压计算相对受压区高度x,并假定中和轴通过翼缘,则有,x 14.3×400)=67.57mm<ζbh0=0.55×765=420.75mm As=As’=[Ne-ɑ1fcbf’x(h0-0.5x)]/[fy(h0-as)]=[386.51×103×1643.92-1.0×14.3×400×67.57×(765-0.5×67.57)]/[360×(765-35)]=1342mm2>ρminA=0.002×1.475×105mm2=295mm2 (2)再按M2,N2计算(M2=505.93kN·m;N2=754.93kN) e0=M2/N2=505.93/754.93=0.670m ea=h/30=800/30=26.67mm>20mm ei=e0+ea=670+26.67=696.67mm ζ1=0.5fcA/N=0.5×14.3×1.475×105/(754.93×103)=1.397>1.0 取ζ1=1.0 ζ2=1.0 η=1+ ζ1ζ2=1+×1.0×1.0=1.102 则e=ηei+h/2-as=1.102×696.67+800/2-35=1133mm 先按大偏心受压计算相对受压区高度x,并假定中和轴通过翼缘,则有,x
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