单层厂房设计.docx
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单层厂房设计
混凝土单层工业厂房设计
一、设计目的
1.进一步熟悉单层工业厂房的构件组成与结构布置。
2.熟悉有关标准图集的选用。
3.熟悉有关计算图表的应用。
4.掌握荷载和内力的最不利组成方法。
5.掌握独立基础的设计方法。
6.提高绘制施工图的能力。
二、设计题目
某金工车间,厂房长度66m,柱距为6m,不设天窗。
窗台标高为1.2m,上部窗洞4.8m×1.2m,下部窗洞4.4×3.6m,采用钢窗。
室内外高差为359mm。
屋面采用大型屋面板,卷材防水(两毡三油防水屋面),为非上人屋面。
排架柱采用C30砼,基础采用C20砼;柱中受力钢筋采用HRP335钢,箍筋、构造筋、基础配筋采用HPB235钢。
厂房所在地的地面粗糙度为B类,基本风压Wo=0.7kN/m
,组合值系数Ψc=0.6;基本雪压So=0.5kN/m
,组合值系数Ψc=0.6。
基础持力层为粉土,粘粒含量Ρc=0.8,地基承载力特征值fak=180kN/m
,埋深-2.0m。
基础以上土的加权平均重度γm=17kN/m
、基底以下土的重度γ=18kN/m
。
单跨厂房跨度为18m,每跨1台16t、1台20t重级吊车,轨顶标高为8.4m。
三、设计任务
1.选择厂房结构方案,进行厂房平、剖面设计和结构构件选型;
2.设计排架边柱、柱下单独基础;
3.绘制2#施工图2张。
内容包括:
屋盖片面设计图,构件平面设计图及基础、基础梁布置图,排架柱模板、配筋图;柱下单独基础的模板、配筋图。
四、设计步骤
(一)厂房平、剖面布置及结构构件选型
1.厂房平面布置(柱网布置、轴线与各构件的关系)
2.构件选型及布置(屋架、屋面板、天沟板、吊车梁、连系梁、基础梁、支撑、抗风柱)
3.厂房剖面设计(确定标高)
(二)排架柱设计
1.计算简图;2.荷载计算;3.内力分析;4.内力组合;5.截面设计(上柱截面、下柱截面、牛腿)
(三)基础设计
1.构造尺寸;2.地基计算(确定底板面积);3.抗冲切和抗剪计算(确定基础高度);4.底板配筋
五、附录荷载值
1.钢窗自重
;
2.
墙加双面粉刷
;
3.两毡三油做法
。
六、参考资料
1.《混凝土结构》(中册),中国建筑工业出版社,2005.7
2.《建筑结构设计》,东南大学出版社,2002.3
3.《混凝土结构设计规范》
4.《建筑荷载设计规范》
5.单层工业厂房标准图集
一、结构设计方案
1、厂房平面设计
柱距6m,横向定位轴线用①②③④……表示,间距取为6m,纵向定位轴线用ABCD……表示,间距取等于跨度18m。
为了布置抗风柱,端柱离开(向内)横向定位轴线
,其余排架柱的形心与横向定位轴线重合。
A-B跨的吊车起重量为20t和16t,AB列初步采用封闭组合,纵向定位轴线与边柱外缘重合。
厂房长度为66m,小于100m,可不设置伸缩缝。
2、构件选型及布置
1.屋面构件
两毡三油防水层上铺小石子:
0.35kN/m
20mm水泥砂浆找平层:
0.4kN/m
100mm珍珠岩保温层:
0.5kN/m
一毡二油隔气层:
0.05kN/m
20mm水泥砂浆找平层:
0.4kN/m
合计g1k=∑g=1.7kN/m
屋面活荷载(不上人)0.5kN/m
与雪荷载0.5kN/m
取较大值,
显然取q1k=0.5kN/m
则屋面外荷载:
g1k+q1k=1.7+0.5=2.2kN/m
屋面板采用G410
(一)标准图集:
1.5m×6m预应力混凝土屋面板(卷材防水)
中间跨:
YWB-2Ⅱ
边跨:
YWB-2ⅡS
允许外荷载:
2.46kN/m
板自重:
g2k=1.30kN/m
灌缝重:
g3k=0.10kN/m
2.檐口板、嵌板
檐口板、嵌板采用G410
(二)标准图集。
中间跨:
YWB-1
边跨:
YWB-1S
允许外荷载:
2.50kN/m
板自重:
1.65kN/m
灌缝重:
0.10kN/m
3.屋架
屋架采用G415(三)标准图集的预应力混凝土折线型屋架(YWJA-18-1Ba)
允许外荷载:
4.00kN/m
屋架自重:
g4k=60.5kN/m
4.天沟板
天沟板采用G410(三)标准图集。
中间跨:
TGB68-1-3.05
中间跨左开洞:
TGB68-1b
中间跨右开洞:
TGB68-1a
端跨左开洞:
TGB68-1sb
端跨右开洞:
TGB68-1sb
允许荷载:
3.05kN/m
构件自重:
1.90kN/m
5.吊车梁
吊车梁选用G323
(二)标准图集,重级工作制,两台起重量为16t、20t的吊车,Lk=16.5m,选用吊车梁:
中间跨:
DL-8Z,边跨:
DL-8B,构件自重:
g5k=(39.5kN/根)/(40.8kN/根)
6.吊车轨道
吊车轨道连接选用G325标准图集,重级吊车自重:
g6k=0.8kN/m
7.基础梁
墙厚240mm,纵墙中间选用JL-3,纵墙边跨选用JL-15;山墙6m柱距选用JL-14。
二、厂房剖面设计
1、柱高
取柱牛腿顶面高度为7.2m,吊车梁告诉1.2m,吊车轨道及垫层高度0.2m,则轨顶构造高度Ha=7.2+1.2+0.2=8.6m
构造高度-标志高度=8.6-8.4=0.2m,满足±200mm差值的要求。
吊车轨顶至桥架顶面的高度Hb=2.42m,则H=Ha+Hb+Hc=8.6+2.42+0.22=11.22m,为满足模数要求,取H=11.5m。
基底标高为-2.0m,初步假定基础高度为1.4m,则柱总高H=11.5+2-1.4=12.1m
上柱高度Hu=11.5-7.2=4.3m
下柱高度Hl=12.1-4.3=7.8m
厂房剖面图
2、柱截面尺寸
Q=20t时,h≥Hk/11=9000/11=818mm,取900mm,
b≥Hl/20=7800/20=390mm且≤400mm,取400mm
A、B柱下段柱截面采用I形,b=400mm,h=900mm。
则柱的截面尺寸如表1所示。
表1柱截面尺寸及物理参数
柱截面尺寸(mm)
自重(kN)
惯性矩I(m
)
上柱:
□(b×h)=400×400
G2=15.6
I1=0.0021
下柱:
I(bf×h×b×hf)=400×900×100×150
G4=40.31
I2=0.0195
3、排架上的荷载(A柱或B柱)
1、屋盖自重
G1=1.2×(g1k+g2k+g3k)×柱距×厂房跨度/2+1.2×g4k×0.5=1.2×(1.7+1.3+0.1)×6×18/2+1.2×67.6×0.5=241.44kN(作用在柱顶)
e1=h上/2-150=400/2-150=50mm(与上柱中心线的偏心距)
2、柱自重
上柱:
G2=4×4.3=17.2kN(作用在上柱中心线)
下柱:
G4=3.94×(7.8-1.4-1.1)+0.9×0.4×25×(1.4+1.1)=43.4kN
e2=900/2-400/2=250mm
3、吊车吊车梁及轨道自重
G3=1.2×(40+0.8×6)=54.72kN(作用于牛腿顶)
e3=750-h下/2=750-900/2=300mm(与下柱中心线的偏心距)
4、屋面活荷载
Q1=1.4×0.5×18/2×6=37.8kN(作用于柱顶)
5、吊车荷载
从产品目录上查得吊车基本尺寸和轮压,见表2
表2吊车基本尺寸和轮压
起重量Q
(t)
吊车跨度Lk
(m)
吊车桥距B
(mm)
轮距K
(mm)
吊车重量(G+g)
(t)
小车重g
(t)
最大轮压Pmax
(kN)
最小轮压Pmin
(kN)
16
16.5
6055
4100
27
6.326
185
42
20
16.5
6055
4100
29
6.97
207
45
两台吊车的最小轮距x=(B1-K1)/2+(B2-K1)=1955mm
影响线图
y1=1,y2=(6-4.1)/6=0.317,y3=(6-1.955)/6=0.674,y4=0
Dmax,k=P2max×(y1+y2)+P1max×(y3+y4)=207×(1+0.317)+185×0.674=397.31kN
吊车横向水平荷载Tmax,k
18m跨,吊车额定起重量16t≤Q<50t,吊车横向水平荷载系数α=0.1
车轮产生的横向水平制动力为
T1=α(Q+g)/4=0.1×(16+6.326)×9.8/4=5.5kN
T2=α(Q+g)/4=0.1×(20+6.977)×9.8/4=6.6kN
T1<T2,T的最不利位置同Pmax
所以Tmax,k=6.6×(1+0.317+0.674+0)=13.14kN
6、风荷载
柱顶标高为11.5m,室外地面标高-0.35m,则柱顶离室外地面高度为11.5+0.35=11.85m,风压高度系数μ2=1.052,则
q1=1.4×0.8×1.052×0.7×6=4.95kN/m(压力)
q2=1.4×(-0.5)×1.052×0.7×6=-3.1kN/m(吸力)
柱顶风荷载集中力设计值Fw=1.4×[(0.8+0.5)×1.052×0.7×6×2.42-(0.6-0.5)×1.052×0.7×6×1.8]=19.58kN
三、内力计算
1、G1作用(排架无位移)
M11=G1e1=241.55×0.05=12.072kN·m
M12=G1e2=241.44×0.25=60.36kN·m
由n=Iu/Il=0.1077,λ=Hu/H=4.3/12.1=0.355,则C1=3/2×[1-λ
(1-1/n)]/[1+λ
(1/n-1)]=2.38
故在M11作用下不动铰支撑的柱顶反力为R11=-C1×M11/H=-0.957×60.36/12.1=-4.77kN(→)
因此在M1、M2共同作用下(即在G1作用下)不动铰支承的柱顶反力为R1=R11+R12=-7.14kN(→)
相应的计算简图及内力图如下:
恒荷载作用下的内力
(a)G1的作用(b)M图(kN·m)(c)N图(kN)
2、G2、G3、G4作用计算简图及内力图
G2=17.2kN,G3=54.72kN,G4=43.4kN,e3=300mm
相应的计算简图及内力图如下:
G2、G3、G4作用计算简图及内力图
(a)G2、G3、G4的作用(b)M图(kN·m)(c)N图(kN)
3、Q1作用计算简图及内力图
Q1与G1作用位置相同
M11=Q1×e1=37.8×0.05=1.89kN·m
M12=Q1×e2=37.8×0.25=9.45kN·m
R11=-C1×M11/H=-0.37kN故R1=R11+R12=-1.12kN
R12=-C2×M12/H=-0.75kN
相应的计算简图及内力图如下:
Q1作用计算简图及内力图
(a)Q1的作用(b)M图(kN·m)(c)N图(kN)
4、吊车竖向荷载作用
Dmax作用于A柱,Dmin作用于B柱
其内力为
MD,max=Dmax×e3=397.31×0.3=119.19kN·m
MD,min=Dmin×e3=85.644×0.3=25.69kN·m
厂房总长66m,跨度18m,吊车重量20t,16t,查的檩条层盖的单跨厂房空间作用分配系数μ=0.85
VA,max=-0.5×[(2-μ)MD,max+μMD,min]C2/H=-6.3kN(←)
VB,max=0.5×[(2-μ)MD,min+μMD,max]C2/H=5.2kN(→)
相应的计算简图及内力图如下:
Dmax作用计算简图及内力图
(a)Dmax(b)M图(kN·m)(c)N图(kN)
Dmin作用于A柱时,由于结构对称,故只需A柱与B柱的内力交换,并注意内力变号即可。
5、吊车水平荷载作用
当Tmax向左时,A、B柱的柱顶剪力按推导公式计算。
Y=0.64/Hl。
利用内插法得C5=0.598
另有Tmax=13.14kN,μ=0.85,则VTA=VTB=-(1-μ)C5Tmax=-1.18kN(←)
相应的计算简图及内力图如下:
当Tmax向右时,仅荷载方向相反,故玩具值仍可利用上述计算结果,但弯矩图的方向与之相反。
相应的计算简图及内力图如下:
Tmax作用计算简图及内力图
(a)Tmax的作用(b)M图(kN·m)(c)V图(kN)
6、风荷载的作用
风从左向右时,柱顶反力系数为C11=3/8×{[1+λ
(1/n-1)]}/{[1+λ
(1/n-1)]}=0.31
A、B柱顶剪力分别为
VA=0.5×[Fw-C11H(q1-q2)]=0.5×[19.58-0.31×12.1×(4.95-3.1)]=6.32kN(→)
VB=0.5×[Fw+C11H(q1-q2)]=0.5×[19.58+0.31×12.1×(4.95-3.1)]=13.26kN(→)
相应的计算简图及内力图如下:
风荷载作用计算简图及内力图
(a)风荷载作用(b)M图(kN·m)
风从右向左吹时,仅荷载方向相反,故弯矩值仍可利用上述计算结果,但弯矩图的方向与之相反
7、最不利荷载组合
见表3
表3排架柱内力组合表
截
面
荷载
项
内力
恒荷载
屋面活荷载
吊车荷载
风荷载
内力组合
G1G2G3G4
Q1
Dmax在A柱
Dmin在A柱
Tmax
左风
右风
Nmax及M、V
Nmin及M、V
1M1max及N、V
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
项目
组合值
项目
组合值
项目
组合值
1-1
M
(kN·m)
18.63
2.9
-27.09
-22.36
±2.6
73
-85.7
①+0.95(③+⑤+⑦)
-88.24
①+0.95(③+⑤+⑦)
-90.99
①+0.95(③+⑤+⑦)
-90.99
N(kN)
275.84
37.8
0
0
0
0
0
311.75
275.84
275.84
2-2
M
(kN·m)
-41.73
6.55
92.1
3.33
-2.6
73
-85.7
①+0.95(②+③+⑤+⑥)
-116.23
①+⑦
-127.43
①+0.95(③+⑤+⑥)
112.65
N(kN)
330.6
37.8
397.31
85.644
0
0
0
743.95
330.6
708.04
3-3
M
(kN·m)
26.08
2.19
42.96
-37.23
-104.4
539.1
-387.3
①+0.95(②+③+⑤+⑥)
481094
①+⑦
565.18
①+0.95(③+⑤+⑥)
481.94
N(kN)
417.36
37.8
397.31
85.644
0
0
0
830.71
417.36
830.71
V(kN)
4.35
1.12
-6.3
-5.2
11.96
66.22
-50.77
73.7
70.57
73.7
四、排架柱设计
1、柱截面配筋计算
最不利内力组的选用,由于截面3-3的弯矩和轴向力设计值均比截面2-2的大。
故下柱配筋由截面3-3的最不利内力组确定,而上柱配筋由截面1-1的最不利内力组确定。
经过比较,用于上、下柱截面配筋计算的最不利内力组列于表4。
同时,柱的截面配筋计算也列于表4中。
表4A柱截面配筋计算表
截面
1-1
3-3
最不利内力M(kN·m)N(kN)
1M1max
Nmax
Nmin
1M1max
Nmax
Nmin
M
N
M
N
M
N
M
N
M
N
M
N
-90.99
275.84
-88.24
311.75
-90.99
275.84
481.94
830.71
565.18
417.36
565.18
417.36
E0(mm)
330
280
330
580
580
1350
截面尺寸(mm)
b×h=400×400
Bf×h×b×hf=400×900×100×150
H0(mm)
430
780
ea(mm)
20
20
20
30
30
30
ei(mm)
350
300
350
610
610
1380
L0(mm)
780
8600
8750
ξ1
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
ξ2
0.955
0.955
0.955
1.0
1.0
1.0
η
1.267
1.312
1.267
1.101
1.101
1.06
X(mm)
48
55
48
145
145
73
As(mm2)
532
328
532
909.9
769
1072
Bh0
198>x(大偏心)
473>x(大偏心)
实配值(mm2)
2Φ20(628mm
)
4Φ18(1017mm
)
2、牛腿设计
(1)牛腿几何尺寸的确定:
牛腿截面尺寸与柱宽相等,为400mm,牛腿顶面的长度为800mm,相应牛腿水平截面长度为1200mm。
取牛腿外边缘高度为h1=300mm,倾角α=45°
(2)牛腿的几何尺寸验算:
由于吊车垂直荷载作用下柱截面内,a=750-900=150mm,即取a=0
则Fvk=Dmax+G3k=397.31+54.72=452.03kN
Fhk=Tmax=13.14/1.4=9.39kN
β(1-0.5×Fhk/Fvk)×(Ftkbh0)/(0.5+a/h0)=0.8×(1-0.5×9.39/452.03)×[(2.01×400×560)/0.5]=712.9kN>Fvk=452.03kN
所以截面尺寸满足要求
(3)牛腿配筋:
由于吊车垂直荷载作用下柱截面内,故该牛腿可按构造要求配筋:
纵向钢筋取4Φ12,有AS=452mm
>Ρminbh=400mm
箍筋取Φ8@100。
有2/3h0×AS×2/100=375.6mm
>AS/2=226mm
同时因为a/h0=150/560=0.27<0.3,故牛腿内可不设弯起钢筋。
牛腿配筋如图:
牛腿几何尺寸几配筋图
(4)局部承受强度验算
0.75fcA=0.75×14.3×400×400=1716kN>467.45kN,所以满足要求
(5)柱的吊装验算
(1)吊装方案:
采用一点翻身起吊,吊点设在牛腿与下柱交接处,动力系数取1.5
(2)荷载计算
上柱自重:
g1=1.2×1.5×25×0.4×0.4=7.2kN/m
牛腿自重:
g2=1.2×1.5×25×0.4×(1.0×0.6-0.2×0.3
)/0.6=10.87kN/m
下柱自重:
g3=1.2×1.5×25×0.1876=8.44kN/m
(3)内力计算:
M1=0.5×7.2×4.3
=66.56kN·m
M2=7.2×4.3×2.75+10.87/2×0.6
=87.1kN·m
M3=1/8×8.44×7.1
-87.1/2=9.68kN·m
柱的吊装验算简图如下:
柱吊装验算简图
(4)截面承载力计算
截面1-1:
b×h=400mm×400mm,h0=365m,AS=AS’=628mm
,fy=300N/mm
故截面承载力为Mu=ASfy(h0-aS’)=628×300×(365-35)=62.2kN≈M1
截面2-2:
b×h=400mm×900mm,h0=865mm,AS=AS’=1017mm
故截面承载力为Mu=ASfy(h0-aS’)=1017×300×(865-35)=253.2kN·m>M2
故满足要求。
五、基础设计
1、荷载计算
(1)由柱传至基顶的荷载
由表4可得荷载设计值如下:
第一组Mmax=481.94kN·m,N=830.7kN,V=73.7kN
第二组Mmin=-389.17kN·m,N=488.78kN,V=-19.17kN
第三组Nmax=830.7kN,M=481.94kN·m,V=73.7kN
(2)由基础梁传至基顶的荷载:
墙重(含两面刷灰):
1.2×[(12.1+2.42-0.45)×6-4.8×(3.6+1.2)]×5.24=386kN
窗重:
1.2×(4.8×3.6+4.8×1.2)×0.45=12.44kN
基础梁:
1.2×0.2×0.45×6×25/2=8.1kN
由基础梁传至基础顶面荷载设计值G5=407kN
G5对基础底面中心的偏心矩:
e5=0.2/2+0.9/2=0.55m
相应的偏心弯矩设计值:
G5e5=-407×0.55=-223.85kN·m
基础高度为1.4m
则作用于基底的弯矩和相应基顶的轴向设计值为
第一组:
Mbot=481.94+1.4×73.7-228.86=356.27kN·m
N=830.17+407=1237.71kN
第二组:
Mbot=-389.17-1.4×19.17-223.85=-639.9kN·m
N=488.78+407=895.78kN
第三组:
Mbot=481.94+1.4×73.7-228.86=356.27kN·m
N=830.17+407=1237.71kN
基础受力情况如下图:
基础底面尺寸图
3、基底尺寸的确定
fa=fak+ηdν(b-3)+ηdνm(d-0.5)=180+2×17(1.9-0.5)=227.6kPa
A=(1.1~1.4)×895.78/(240-22×1.9)=(4.97~6.33)m2
则取h=2.5m,l=4m
验算e0≤l/6的条件:
e0=Mbot/Nbot=639.9/(895.78+22×2.54×1.9=0.49<l/6==4/6=0.667
满足要求
验算其他两组荷载设计值作用下的基底压力:
第一组:
Pmax=Nbot/A+Mbot/W=N/A+νGd+Mbot/W=1237.71/(2.5×4)+22×1.9+356.27/(1/6×2.5×42)=220kN/m2<1.2fa=273kN/m2
Pmin=123.7+41.8-54.79=110.71kN/m2>0(满足要求)
第三组:
Pmax=Nbot/A+Mbot/W=N/A+νGd+Mbot/W=1237.71/(2.5×4)+22×1.9+356.27/(1/6×2.5×42)=220kN/m2<1.2fa=273kN/m2
Pmin=123.7+41.8-54.79=110.71kN/m2>0(满足要求)
所以最后确定基底尺寸为2.5m×4m
4、确定基础的高度
(1)在各组荷载设计值作用下的低级最大净反力:
第一组:
Ps,max=1237.71/(2.5×4)+356.27/(0.5×2.5×42)=123.771+17.8=141.6kN/m2
第二组:
Ps,max=895.78/(2.5×4)+639.9/(
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