單層單跨工業(yè)廠房設(shè)計(jì)

1、XX大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院本 科 生 課 程 設(shè) 計(jì) 題 目：單層單跨工業(yè)廠房設(shè)計(jì)專 業(yè)： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2014年 6月 16日內(nèi)容摘要單層廠房指層數(shù)僅為一層的工業(yè)廠房，適用于生產(chǎn)工藝流程以水平運(yùn)輸為主，有大型起重運(yùn)輸設(shè)備及較大動(dòng)荷載的廠房，如機(jī)械制造工業(yè)、冶金工業(yè)和其他工業(yè)等。單層廠房的骨架結(jié)構(gòu)，由支撐各種豎向的與水平的荷載作用的構(gòu)件所組成。廠房依靠各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件合理連接為一整體，組成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)空間以保證廠房的堅(jiān)固、耐久。我國廣泛采用鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)和鋼架結(jié)構(gòu)，通常由橫向排架、縱向聯(lián)系構(gòu)件、支撐系統(tǒng)構(gòu)件和圍護(hù)結(jié)構(gòu)等幾部分組成。本文以18m跨度單層單跨的莫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2、，根據(jù)相關(guān)資料選擇合適的構(gòu)件和確定柱網(wǎng)、基礎(chǔ)平面的平面布置和排架柱與牛腿的形狀、尺寸。并進(jìn)行各種荷載作用下的排架柱內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算出各控制截面的軸力、彎矩和剪力。依據(jù)內(nèi)力組合原理得出三個(gè)控制截面的內(nèi)力。然后對構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力分析、內(nèi)力組合進(jìn)而截面設(shè)計(jì)、進(jìn)行配筋，并對預(yù)制柱的吊裝安全進(jìn)行驗(yàn)算。最后求出計(jì)算書，并根據(jù)規(guī)范繪制施工圖和注寫圖紙說明。關(guān)鍵詞：單層工業(yè)廠房、荷載代表值、內(nèi)力組合目 錄內(nèi)容摘要I引 言11 設(shè)計(jì)資料21.1 基本要求21.2 計(jì)算簡圖42 荷載計(jì)算62.1 屋蓋荷載62.2 柱和吊車梁等恒荷載62.3 吊車荷載62.4 風(fēng)荷載73 內(nèi)力計(jì)算83.1 屋蓋自重作用下內(nèi)力計(jì)算（排架無

3、側(cè)移）83.2 上、下柱荷載、吊車、吊車梁及軌道自重作用下的內(nèi)力計(jì)算93.3 吊車荷載作用下的內(nèi)力分析93.4 風(fēng)荷載作用下，A柱的內(nèi)力分析114 內(nèi)力組合表135 排架柱設(shè)計(jì)145.1 柱截面配筋計(jì)算145.2 柱牛腿設(shè)計(jì)166 柱吊裝驗(yàn)算176.1 設(shè)計(jì)吊裝方案176.2 荷載計(jì)算176.3 彎矩計(jì)算176.4 截面承載力計(jì)算187 施工圖19參考文獻(xiàn)20引 言單層廠房結(jié)構(gòu)一般由屋蓋結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、支撐系統(tǒng)、吊車梁、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)等組成。它比較容易組織生產(chǎn)工藝流程和車間內(nèi)部運(yùn)輸，地面上能夠放置較重的機(jī)器設(shè)備和產(chǎn)品，所以其在工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。 近年來，單層廠房的設(shè)計(jì)越來越重視設(shè)備

4、節(jié)能,充分利用自然通風(fēng),利用自然采光,發(fā)展節(jié)能省地型工業(yè)廠房；運(yùn)用生態(tài)學(xué)中的共生與再生原則，結(jié)合自然，保護(hù)環(huán)境，防止污染，發(fā)展具有良好生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的現(xiàn)代工業(yè)廠房；利用高科技材料，發(fā)展更具靈活性、通用性和多樣化的工業(yè)廠房。本文以跨度為18米的實(shí)驗(yàn)室單層單跨廠房為例例的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。首先依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的提供的資料數(shù)據(jù)，建立排架計(jì)算模型。然后進(jìn)行荷載計(jì)算，將荷載作用于排架計(jì)算單元上，計(jì)算每個(gè)荷載所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，進(jìn)行內(nèi)力組合，得到控制截面最不利的內(nèi)力。最后，對排架柱進(jìn)行截面配筋計(jì)算和牛腿設(shè)計(jì)計(jì)算，以及進(jìn)行柱吊裝驗(yàn)算。通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握了單層單跨工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)流程，對鋼筋混凝土、結(jié)構(gòu)力學(xué)等專業(yè)理

5、論有了更深的理解。1 設(shè)計(jì)資料1.1 基本要求 廠房柱網(wǎng)布置1.設(shè)計(jì)基本資料（1）工程名稱：某實(shí)驗(yàn)室。（2）自然條件：基本風(fēng)壓；基本雪壓。（3）剖面、建筑平面圖如下所示：（本設(shè)計(jì)不做基礎(chǔ)設(shè)計(jì)）圖1.1 廠房剖面圖 圖1.2 建筑布置平面圖2.廠房中標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的選用情況 （1）屋面荷載屋面恒荷載：屋面活荷載：（2）屋面板板自重：灌縫重：（3）檐口板板自重：灌縫重：（4）屋架屋架自重：榀（5）天溝板構(gòu)件自重：3.吊車梁及吊車軌道吊車選用：中級工作制，兩臺(tái)起重量為15t的吊車，吊車自重，吊車軌道：中級吊車自重：4.排架柱材料選用（1）混凝土：采用C30（2）鋼筋：縱向受力鋼筋采用HRB335級，（3）

6、箍筋：采用HPB235級（4）型鋼及預(yù)埋件均采用級1.2 計(jì)算簡圖1柱高已知：軌道頂面至吊車頂面的距離，軌頂墊塊高為?；A(chǔ)頂面標(biāo)高為-0.5m，牛腿頂標(biāo)高為8.1m，柱頂標(biāo)高為12m上柱高HU=12-8.1=3.9m下柱高HL=8.1+0.5=8.6m全柱高H=12+0.5=12.5m2柱截面尺寸由于吊車選用兩臺(tái)起重量為15t，故下柱截面高度h應(yīng)滿足hHk/11=9800/11=891mm下柱截面寬度b應(yīng)滿足bHl20=860020=430綜上所述：上部柱采用矩形截面b×h=450mm×450mm；下部柱采用I形截面bf×h×b×hf=450m

7、m×900mm×100mm×150mm；3計(jì)算參數(shù)（1）上、下柱截面慣性矩I 上柱In=112×0.45×0.453=0.0034m4 下柱Id=112×0.45×0.93-112×0.35×0.553-2×0.5×0.35×0.025×(0.275+0.0253)2=0.022m4（2）上、下柱截面面積A 上柱Au=0.45×0.45=0.2m2下柱Ad=0.45×0.9-2×(0.175×0.025+0.55×0

8、.175)=0.2m2（3）上柱高與全柱高比值 =3.9/12.5=0.31（4）上下柱截面的慣性矩比值n n=InId=0.1554計(jì)算簡圖 圖1.3 截面尺寸計(jì)算簡圖圖1.4 排架柱計(jì)算簡圖2 荷載計(jì)算2.1 屋蓋荷載1.屋蓋恒荷載屋面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值g1k=1.7kN/m2,屋面板自重標(biāo)準(zhǔn)值g2k=1.3kN/m2,灌縫自重標(biāo)準(zhǔn)值g3k=0.1kN/m2，故由屋蓋傳給排架柱的集中恒荷載設(shè)計(jì)值F1=1.2×g1k+g2k+g3k×柱距×廠房跨度2+1.2×g4k×0.5=1.2×1.70+1.30+0.10×6×1

9、82+1.2×60.5×0.5=237.18kN屋蓋自重豎直向下，集中作用在柱頂中心線，偏心距為02.屋面活荷載屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值q1k=0.5kN/m2，比屋面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值s0=0.25kN/m2大，故按屋面均布活荷載計(jì)算。F6=1.4×0.5×6×182=37.8kN2.2 柱和吊車梁等恒荷載1.作用在牛腿截面處的上部柱恒荷載設(shè)計(jì)值F2=25×0.45×0.45×3.9=19.7kN作用于下柱中心線外側(cè)e0=hl2-hu2=9002-4502=225mm2.作用在基礎(chǔ)頂截面處的下柱恒荷載設(shè)計(jì)值F3=25

10、15;0.2×8.6=43kN3.吊車梁自重標(biāo)準(zhǔn)值為40kN/根，軌道連接自重標(biāo)準(zhǔn)值g6k=0.8kN/m，故作用在牛腿頂截面處的吊車梁和軌道連接的恒荷載設(shè)計(jì)值F4=1.2×40+0.8×6=53.76kN2.3 吊車荷載1.吊車豎向荷載設(shè)計(jì)值Dmax，Dmin由圖所示的吊車梁支座反力影響線知Dmax,k=Pmax,kyi=0.9×155×0.057+0.73+0.323+1=294.35kNDmax=QDmax,k=1.4×294.35=412.09kNDmin=DmaxPmin,kPmax,k=412.09×42155=

11、111.66kN 圖2.1 吊車梁支座反力影響線2.吊車橫向水平荷載設(shè)計(jì)值TmaxTk=(Qk+gk)4=0.1×(150+73)4=5.58kNTmax=DmaxTkPmax,k=412.09×5.58÷155=14.84kN2.4 風(fēng)荷載1.作用在柱頂處的集中風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值W風(fēng)壓高度變化系數(shù)z按B類地區(qū)考慮，取檐口離室外地坪的高度14.42m來計(jì)算。查荷載規(guī)范，得離地面10m時(shí)，z=1.0；離地面15m時(shí)，z=1.14，用插入法，知z=1+14.42-10×1.14-1.015-10=1.12屋架高度h1=2.42m；屋架檐口至屋脊的高差h2=1.8m

12、Wk=0.8+0.5h1+0.5-0.6h2zW0B=0.8+0.5×2.42-0.1×1.8×1.12×0.45×6=8.97kNW=QWk=1.4×8.97=12.56kN2.沿排架柱高度作用的均布風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值q1、q2這時(shí)風(fēng)壓高度變化系數(shù)z按柱頂離室外地坪高度12m來計(jì)算z=1+12-10×1.14-1.015-10=1.06q1=QszW0B=1.4×0.8×1.06×0.45×6=3.21kN/mq2=QszW0B=1.4×0.5×1.06×0.

13、45×6=2.00kN/m3 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力分析時(shí)所取的荷載值都是設(shè)計(jì)值，故得到的內(nèi)力值都是設(shè)計(jì)值。3.1 屋蓋自重作用下內(nèi)力計(jì)算（排架無側(cè)移）1.屋蓋集中恒荷載F1作用下的內(nèi)力分析柱頂不動(dòng)支點(diǎn)反力R=M1C1HM1=F1×e0=237.18×0.225=53.37kNm按n=IuIl=0.155，=HuH=0.31，查圖得柱頂彎矩作用下的系數(shù)C1=1.98。按公式計(jì)算C1=1.5×1-2(1-1/n)1+3(1n-1)=1.5×1-0.312(1-1/0.155)1+0.313(10.155-1)=1.97可見計(jì)算值與查圖所得接近，取C1=1.

14、97R=M1C1H=53.37×1.9712.5=8.41kN2.屋蓋集中活荷載F6作用下的內(nèi)力分析M6=F6×e0=37.8×0.225=8.51kNmR=M6C1H=8.51×1.9712.5=1.34kN(a) (b)圖2.2 屋蓋荷載作用下的內(nèi)力圖（a）屋蓋恒荷載作用下的內(nèi)力圖；（b）屋蓋活荷載作用下的內(nèi)力圖在F1，F(xiàn)6分別作用下的排架柱彎矩圖、軸力圖和柱底剪力圖。彎矩以使排架柱外側(cè)受拉的為正，反之為負(fù)；柱底剪力以向左為正，向右為負(fù)。3.2 上、下柱荷載、吊車、吊車梁及軌道自重作用下的內(nèi)力計(jì)算上柱自重和吊車梁自重在下柱產(chǎn)生的彎矩M2=-19.7+

15、53.76×0.225=7.66kNm上柱自重在變截面處產(chǎn)生的軸力N1=19.7kNm上柱自重和吊車及吊車梁自重在柱底產(chǎn)生的軸力N2=F2+F3+F4=19.7+43+53.76=116.46kN圖2.3 柱自重及吊車梁等作用下的內(nèi)力圖3.3 吊車荷載作用下的內(nèi)力分析1.Dmax作用在A柱，Dmin作用在B柱時(shí)，A柱的內(nèi)力分析Mmax=Dmaxe=412.09×0.225=92.72kNmMmin=Dmine=111.66×0.225=25.12kNm偏心距e是指吊車軌道中心線至下部柱截面形心的水平距離。A柱頂?shù)牟粍?dòng)支點(diǎn)反力，查圖得C3=，按計(jì)算C3=1.5

16、15;1-21+3(1n-1)=1.5×1-0.3121+0.313(10.155-1)=1.17A柱頂不動(dòng)支座反力RA=MmaxC3H=92.72×1.1712.5=8.68kNB柱頂不動(dòng)支座反力RB=MminC3H=25.12×1.1712.5=2.35kNA柱頂水平剪力VA=RA+0.5-RA-RB=8.68+0.5-8.68-2.35=3.165kNB柱頂水平剪力VB=RB+0.5-RA-RB=2.35+0.5-8.68-2.35=-3.165kN2Dmin作用在A柱，Dmax作用在B柱時(shí)的內(nèi)力分析此時(shí)，A柱頂剪力與Dmax作用在A柱時(shí)的相同，也是VA=3

17、.165kN，故可得內(nèi)力值，圖2.4 吊車豎向荷載作用下的內(nèi)力圖3在Tmax作用下的內(nèi)力分析Tmax至牛腿頂面的距離為9.2-7.8=1.4mTmax至柱底的距離為因A柱與B柱相同，受力也相同，故柱頂水平位移相同，沒有柱頂水平剪力，圖2.5 Tmax作用下的內(nèi)力圖3.4 風(fēng)荷載作用下，A柱的內(nèi)力分析左風(fēng)時(shí)，在q1、q2作用下的柱頂不動(dòng)鉸支座反力，按計(jì)算C11=31+4(1n-1)81+3(1n-1)=31+0.314(10.155-1)81+0.313(10.155-1)=0.339取C11=0.339，不動(dòng)鉸支座反力：RA=q1HC11=3.21×12.5×0.339=-

18、13.60kNRB=q2HC11=2.00×12.5×0.339=-8.48kNA柱頂水平剪力：VA=RA+0.5W-RA-RB=-13.60+0.512.56+13.60+8.48=3.72kNVB=RB+0.5W-RA-RB=-8.48+0.512.56+13.60+8.48=8.84kN故左風(fēng)和右風(fēng)時(shí)，A柱的內(nèi)力圖分別如圖（a） （b）圖2.6 風(fēng)荷載作用下A柱內(nèi)力圖（a）左風(fēng)時(shí)；（b）右風(fēng)時(shí)4 內(nèi)力組合表5 排架柱設(shè)計(jì)5.1 柱截面配筋計(jì)算采用就地預(yù)制柱，混凝土強(qiáng)度等級為C30，縱向受力鋼筋為HRB335級鋼筋，采用對稱配筋。 1 上部柱配筋計(jì)算由內(nèi)力組合表知，控制

19、截面-的內(nèi)力設(shè)計(jì)值為M=86.53kNm，N=290.9kN（1） 考慮P-二階效應(yīng)e0=MN=297mm，ea=20mmei=e0+ea=297+20=317mmA=bh=450×450=202.5×103mm2c=0.5fcAN=0.5×14.3×202.5290.9=5>1.0，取c=1.0l0=2Hu=7.8mm（2） 截面設(shè)計(jì)假設(shè)為大偏心受壓，則x=N1fcbf'=290.9×10314.3×450=45.2mm<2as'=90mm取x=2as'=90mm計(jì)算e'=sei-0.5h

20、+as'=143.34mmAs=As'=Ne'fy(h0-as')=143.34×290.9×103300(450-45)=384.89mm2選用3B18，As=As'=763mm2，故截面一側(cè)鋼筋截面面積763mm2>minbh=0.2%×450×450=405mm2；同時(shí)柱截面總配筋2×763=1526mm2>0.55%×450×450=1114mm2（3） 垂直于排架方向的截面承載力驗(yàn)算垂直于排架方向的上柱計(jì)算長度l0=1.25Ha=4.88ml0b=10.83，查表

21、得，=0.97Nu=0.9fcA+fy'As'=0.9×0.9714.3×450×450+300×1526=2850.65kN>N=290.9kN，承載力滿足要求。2 下部柱配筋計(jì)算按控制截面-進(jìn)行計(jì)算。由內(nèi)力組合表知，有二組不利內(nèi)力aM=509.64kNmN=758.54kN (b)M=357.5kNmN=353.64kN（1） 按（a）組內(nèi)力進(jìn)行截面設(shè)計(jì)e0=MN=672mm，ea=30mmei=e0+ea=702mmA=bh+2(bf-b)hf=1.95×105mm2c=0.5fcAN=1.84>1.0，取c=

22、1.0s=1+11500eih0l0hc=1.01假設(shè)為大偏心受壓，且中和軸在翼緣內(nèi)：x=N1fcb=758.54×10314.3×450=118mm>2as'>90mme'=sei-0.5h+as'=1.01×702-0.5×900+45=304.02mmAs=As'=Ne'-1fcbf'xx2-s'fy(h0-as')=758.54×103×304.02-14.3×450×1181182-45300(855-45)=905mm2采用4B

23、18，As=As'=1018mm2（2） 按（b）組內(nèi)力進(jìn)行截面設(shè)計(jì)e0=MN=101mm，ea=30mmei=e0+ea=1041mmx=N1fcbf'=54.96mm<2as'=90mm取x=2as'=90mm計(jì)算e'=sei-0.5h+as'=1.01×1041-0.5×900+45=646.4mmAs=As'=Ne'fy(h0-as')=353640×1041300×(855-451)=941mm2<4B18，As=As'=1018mm2（3） 垂直于排架

24、方向的承載力驗(yàn)算l0b=19.1，查表得，=0.777Nu=0.9fcA+fy'As'=0.9×0.77714.3×1.95×105+300×1018=2213.7kN>(a)組軸向力N=758.54kN，滿足。3 箍筋配置箍筋按構(gòu)造要求設(shè)置，上下柱均采用B8200，在牛腿處箍筋加密為B81005.2 柱牛腿設(shè)計(jì)根據(jù)吊車梁支撐位置，吊車梁尺寸及構(gòu)造要求，確定牛腿尺寸如圖所示。牛腿截面寬度b=450mm，截面高度h=750mm，截面有效高度h0=705mm。（1） 按裂縫控制要求驗(yàn)算牛腿截面高度作用在牛腿頂面的豎向力標(biāo)準(zhǔn)值Fvk=Dm

25、ax,k+F4,k=412.09+53.761.2=456.89kN牛腿頂面沒有水平荷載，即Fhk=0(Tmax作用在上柱軌頂標(biāo)高處)。設(shè)裂縫控制系數(shù)=0.65，ftk=2.01Nmm2，a=-150+20=-130mm<0，故取a=01-0.5FhkFvkftkbh00.5+ah0=0.65×2.01×450×7050.5=828.97kN>Fvk=456.89kN，滿足。（2） 牛腿配筋由于a=-130mm，故可按構(gòu)造要求配筋。水平縱向受拉鋼筋截面面積Asminbh=0.002×450×705=634.5mm2，采用5B14，As=769mm2，其中2B14是彎起鋼筋。 圖5.1 牛腿尺寸及配筋6 柱吊裝驗(yàn)算6.1 設(shè)計(jì)吊裝方案排架柱插入基礎(chǔ)杯口內(nèi)的高度h1=0.9×900=810mm，取h1=850mm，故柱總長度為3.9+8.6+0.85=13.35m。采用就地翻身起吊，吊點(diǎn)設(shè)在牛腿下部處，因此起吊時(shí)的支點(diǎn)有兩個(gè)：柱底和牛腿底，上柱和牛腿是懸臂的，計(jì)算簡圖如圖所示圖6.1 預(yù)制柱的翻身起吊驗(yàn)算6.2 荷載計(jì)算吊裝時(shí)，應(yīng)考慮動(dòng)力系數(shù)=1.5，柱的重力荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.35.q1=1.5×1.35×25×0.45×0.4