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1、混凝土结构课程设计计算书学 号 2012021129 混凝土结构课程设计单层厂房排架结构设计院 （系）名 称： 航天与建筑工程学院专 业 名 称： 土木工程学 生 姓 名： 杨 浩指 导 教 师： 郭 庆 勇 2014年6月目 录1. 设计资料及要求32. 结构构件选型、结构布置方案确定说明53. 定位轴线64. 计算简图确定75. 荷载计算75.1 恒载75.2 屋面活荷载95.3 风荷载95.4 吊车荷载106.排架内力分析106.1 恒载作用下排架内力分析116.2 屋面活荷载作用下排架内力分析126.3 风荷载作用下排架内力分析146.4 吊车荷载作用下排架内力分析167. 内力组合2
2、18. 柱截面设计248.1选取控制截面最不利内力248.2上柱配筋计算248.3下柱配筋计算258.4柱的裂缝宽度验算288.5柱的箍筋配置298.6牛腿设计298.7柱的吊装验算309. 基础设计319.1作用于基础顶面上的荷载计算329.2基础尺寸及埋置深度339.3基础高度验算349.4基础底板配筋计算3510. 参考资料38单层厂房排架结构设计1. 设计资料及要求(1)工程概况某金工装配车间为两跨等高厂房，跨度均为18m，柱距均为6m，车间总长度为66m。每跨设有起重量为150/30t吊车各2台，吊车工作级别为A5级，轨顶标高9.30m。厂房无天窗，采用卷材防水屋面，围护墙为240m
3、m厚双面清水砖墙，采用钢门窗，钢窗宽度为4.8m，室内外高差为350mm，素混凝土地面。建筑平面及剖面分别如图1和图2所示。(2)结构设计原始资料厂房所在地点的基本风压为0.4kN/m2，地面粗糙度为B类；基本雪压为0.5kN/m2。风荷载的组合值系数为，雪荷载的组合值系数为其余可变荷载的组合值系数均为。基础持力层为粉土，粘粒含量c=0.8,地基承载力特征值fak=180kN/m2，埋深-2.0m，基底以上土的加权平均重度m=17kN/m3,基底以下图的重度=18kN/m3。(3)材料基础混凝土强度等级为C20；柱混凝土强度等级为C30。柱中纵向受力钢筋采用HRB335级；箍筋和分布钢筋采用H
4、PB300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；绘制排架柱和基础的施工图。图1 厂房平面图图4 厂房剖面图2. 结构构件选型、结构布置方案确定说明因该厂房跨度在1536m之间，且柱顶标高大于8m，故采用钢筋混凝土排架结构。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梁制作方便，当吊车起重量不大时，有较好的经济指标，故选用普通钢筋混凝土吊车梁。厂房各主要构件选型见表1。表1主要承重构件选型表构件名称标准图集选用型号重力荷载标准值屋面板04G410
5、-11.5m6m预应力混凝土屋面板YWB-2(中间跨）YWB-2s（端跨）1.4kN/m2(包括灌缝重)天沟板04G410-11.5m6m预应力混凝土屋面板(卷材防水天沟）TGB68-11.91kN/m2屋架04G415-1预应力混凝土折线型屋架（跨度18m）YWJA-18-1Aa70.86N/榀0.05kN/m2吊车梁04G323-2钢筋混凝土吊车梁（吊车工作级别为A1-A5)DL-8Z（中间跨）DL-8B(边跨）39.5kN/根40.8kN/根轨道连接04G325吊车轨道联结详图0.80kN/m2基础梁04G320钢筋混凝土基础梁JL-316.7kN/根由上图可知，吊车轨顶标高为9.30m
6、。对起重量为150/30t、工作级别为A5的吊车，当厂房跨度为18m时，可求得吊车的跨度Lk=180.75X2=16.5m，由附表4可查得吊车轨顶以上高度为2.05m；选定吊车梁的高度，暂取轨道顶面至吊车梁顶面的距离，则牛腿顶面标高可按下式计算：牛腿顶面标高=轨顶标高-=9.301.200.20=7.90m由建筑模数的要求，故牛腿顶面标高取为8.10m。考虑吊车行驶所需空隙尺寸=220mm，柱顶标高可按下式计算：柱顶标高=牛腿顶面标高+吊车高度+=8.10+1.20+0.20+2.30+0.22=11.57m故柱顶（或屋架下弦底面）标高取为11.70m。取室内地面至基础顶面的距离为0.5m，则
7、计算简图中柱的总高度、下柱高度和上柱高度分别为=11.7+0.5=12.2m=8.1+0.5=8.6m=12.2-8.6=3.6m根据柱的高度、吊车起重量及工作级别等条件，确定柱截面尺寸，以及由柱的截面尺寸，可求得柱的截面几何特征及自重标准值，见表2。表2柱截面尺寸及相应的计算系数柱号计算参数截面尺寸/mm面积/惯性矩/自重/（kN/m）A，C上柱矩4004001.621.31084.0下柱4009001501.875105195.381084.69B上柱矩4006002.4105721086.0下柱140010001501.975105256.341084.943. 定位轴线横向定位轴线除端
8、柱外，均通过柱截面几何中心。对起重量为150/30t工作级别为A5的吊车，可查得轨道中心至吊车端部距离B1=230mm；吊车桥架外边缘至上柱内边缘的净空宽度，一般取值不小于80mm。对中柱，取纵向定位轴线为柱的几何中心，则=300mm，故B2= e - B1 - B3= 750 - 230 300 = 220mm80mm符合要求。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=400mm，故B2= e - B1 - B3= 750 - 230 400 = 120mm80mm符合要求。4. 计算简图确定由于该金工车间厂房，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
9、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B=6.0m，如图5(a)所示；计算简图如图5(b)所示。图5计算单元和计算简图5. 荷载计算5.1 恒载屋盖恒载两毡三油防水层0.35kN/20mm厚水泥砂浆找平层 20kN/0.02m=0.40kN/100mm厚水泥蛭石保温层 4kN/0.1m=0.40kN/一毡两油隔气层 0.05kN/20mm厚水泥砂浆找平层 20kN/0.02m=0.40kN/预应力混凝土屋面板（包括灌缝） 1.40kN/屋架钢支撑 合计 3.05kN/屋架重力荷载为106kN/榀，则作用于柱顶的屋盖结构重力荷载设计值为（3.05kN/6m1
10、8m/2+70.86kN/2)=240.16kN吊车梁及轨道重力荷载设计值（39.5kN+0.8kN/m6m)=53.16kN柱自重重力荷载设计值A，C柱4kN/m3.6m=17.82 kN（上柱）4.69kN/m8.6m=48.40 kN（下柱）B柱6kN/m3.6m=25.92kN（上柱）4.94kN/m8.6m=50.98kN（下柱）各项恒载作用位置如图6所示。图6 荷载作用位置图（单位：kN）5.2 屋面活荷载屋面活荷载标准值为0.5kN/，雪荷载标准值为0.5kN/，后者等于前者，故仅按前者计算。作用于柱顶的屋面活荷载设计值为0.56m18m/2=37.80kNQ1的作用位置与作用的
11、位置相同，如图6所示。5.3 风荷载风荷载标准值按下式计算，其中0=0.4kN/m2，根据厂房各部分标高（图4）及B类地面粗糙度确定如下：柱顶（标高11.70m）=1.048檐口（标高13.00m）=1.084屋顶（标高10.00m）=1.112如图7所示，可得排架迎风面及背风面的风荷载标准值分别为1k=z z s1 0=1.00.81.0480.4 kN/m2=0.335kN/m21k=z z s1 0=1.00.81.0480.4 kN/m2=0.335kN/m2图7 风荷载体型系数及排架计算简图则作用于排架计算简图（图7）上的风荷载设计值为：q1=1.40.335 kN/m26m=2.8
12、1 kN/m2q2=1.40.168 kN/m26m=1.41 kN/m2Fw=Q(s1+s1) zh1+(s3+s4) zh2 z0B =1.4(0.8+0.4)1.1292.3+(-0.6+0.5) 1.171.0 1.00.4kN/m26.0m = 9.68kN图8 吊车荷载作用下支座反力影响线5.4 吊车荷载由给定吊车150/30t，可知吊车参数为：对于AB跨：B=5.65m , K=4.40m , g=53.0kN , Q=150kN , Fp,max=165kN , Fp,min=34kN根据及，可算得吊车梁支座反力影响线中各轮压对应点的竖向坐标值，如图8所示。吊车竖向荷载吊车竖向
13、荷载设计值：Dmax =Q Fp,max yi =1.4165 kN(1+0.792+0.267+0.058) = 489.03kNDmin =Q Fp,min yi =1.434 kN(1+0.792+0.267+0.058) = 100.77kN吊车横向水平荷载：作用于每个轮子上的吊车横向水平制动力为：T = 1/4(Q+g) = 1/40.1(150kN + 53kN) = 5.075kN作用于排架柱上吊车横向水平荷载设计值为：Tmax =Q Tyi =1.45.075kN2.117 = 15.04kN6.排架内力分析该厂房为单跨等高排架，可用剪力分配法进行排架内力分析。其中柱的剪力分配
14、系数按下式计算：式中：第i根排架的抗侧移刚度。其结果见表3。表3 柱剪力分配系数柱别A，C柱n = 0.109 = 0.295C0 = 2.480A = C = 0.20610-10 H3/EA = C=0.287B柱n = 0.281 = 0.295C0 = 2.815A = 0.13910-10 H3/EB=0.4266.1 恒载作用下排架内力分析恒载作用下排架的计算简图如图9(a)所示。 ； ; ；如图9所示，排架为对称结构且作用对称荷载，排架结构无侧移，故各柱可按柱顶为不动铰支座计算内力。柱顶不动铰支座反力计算如下：对于A，C柱， 则： ，求得后，可用平衡条件求出柱各截面的弯矩和剪力。
15、柱各截面的轴力为该截面以上重力荷载之和，恒载作用下排架结构的弯矩图和轴力图分别见图9（b）、（c）。图9（d）为排架柱的弯矩、剪力和轴力的正负号规定。图9恒载作用下排架的内力计算简图及内力图6.2 屋面活荷载作用下排架内力分析（1）AB跨作用屋面活荷载排架计算简图如图10（a）所示其中 ，它在柱顶及变阶处引起的力矩为：对于A柱， 则 对于B柱， 则排架柱顶不动铰支座总反力为： 将R反向作用于排架柱顶，用下式计算相应的柱顶剪力，并于柱顶不动铰支座反力叠加，可得屋面活荷载作用于AB跨时的柱顶剪力，即： 排架结构的弯矩图和轴力图分别见图10（b）、（c）。图10 AB跨作用屋面活荷载时排架的计算简图
16、及内力图（2）BC跨作用屋面活荷载由于结构对称，且BC跨与AB跨作用荷载相同，故只需将图10中各内力图的位置及方向调整一下即可，如图11所示。图11 BC跨作用屋面活荷载时排架的计算简图及内力图6.3 风荷载作用下排架内力分析（1）左吹风时排架计算简图如图12（a）所示对于A，C柱，已知， 则： 各柱顶剪力分别为：排架弯矩图如图12（b）所示：图12左吹风时排架的计算简图及内力图（） (2)右吹风时计算简图如图13（a）所示。将图12所示A，C柱内力图对换且改变内力符号后可得，如图13（b）所示。图13 右吹风时排架的计算简图及内力图（）6.4 吊车荷载作用下排架内力分析（1）作用于A柱计算简
17、图如图14（a）所示其中，吊车竖向荷载，在牛腿顶面处引起的力矩为： 对于A柱， ，则：对于B柱，则： 排架各柱剪力为：排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力值如图14（b）、（c）所示：图14 作用在A 柱时排架计算简图及内力图（2）作用于B柱左计算简图如图15所示其中，吊车竖向荷载，在牛腿顶面处引起，为：柱顶不动铰支反力，及总反力分别为：排架各柱顶剪力为：排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力值如图15（b）、（c）所示。图15 作用在B柱左时排架计算简图及内力图（3）作用于B柱右根据结构对称性及吊车吨位相等的条件，内力计算与“作用于B柱左”的情况相同，只需将A，C柱内力对换并改变全部弯矩及剪力符号
18、，如图16所示图16 作用在B柱右时排架计算简图及内力图（4）作用于C柱同理，将“作用于A柱”的情况的A，C柱内力对换，并注意改变符号，可求得各柱的内力，如图17所示图17 作用在C 柱时排架计算简图及内力图（5）作用于AB跨柱计算简图如图18（a）所示对于A柱，查表得，则 同理，对于B柱， ，查表得 ，则 排架柱顶总反力为： 各柱顶剪力为： 排架各柱的弯矩图及柱底剪力值如图18（b）所示。图18 作用在AB跨时排架计算简图及内力图（6）作用于BC跨柱由于结构对称性及吊车吨位相等，故排架内力计算与“作用于AB跨柱”的情况相同，只需将A，C柱内力对换，如图19（b）所示。图19 作用在BC跨时排
19、架计算简图及内力图7. 内力组合由于排架单元为对称结构，可仅考虑A柱截面，荷载内力汇总表见表4，内力组合见表5，这些表中的控制截面及正号内力方向如表4中的例图所示。对主进行裂缝宽度验算时，内力采用准永久值，同时只需要对的柱进行验算。38表4 A柱内力设计值汇总表荷载类别恒载屋面活载吊车竖向荷载吊车水平荷载风荷载作用在AB跨作用在BC跨Dmax作用在A柱Dmax作用在B柱左Dmax作用在B柱右Dmax作用在C柱Tmax作用在AB跨Tmax作用在BC跨左风右风序号M10.740.382.0943.1647.0937.085.831.3022.615.10-16.26N257.9837.800000
20、0000M-37.84-9.072.34103.5516.3637.085.831.3022.615.10-16.26N311.1437.80489.03100.77000000M16.51-3.657.08-0.43129.35125.4219.7690.7676.62164.71-129.09N359.9837.80489.03100.77000000V6.820.630.5811.9913.0810.281.6210.396.2630.64-19.18注：M（单位为kNm），N（单位为kN），V（单位为kN）表5 A柱内力组合表截面Mmax及相应N，VMmax及相应N，VNmax及相应M
21、，VNmin及相应M，VMq，NqM0.9+(+)0.7+0.90.70.663.16 /1.20.8+0.80.7+0.70.9+0.6-55.991.35/1.2 (+)0.7+0.90.7+0.654.47 /1.2+0.9+0.7+0.90.7+0.661.10Mq=31.97Nq=214.98N284.44214.98316.69214.98M/1.2+0.8+0.7+0.70.8+0.70.9+0.690.841.35/1.2+0.9+0.7+0.70.8（+）+0.6-91.73+0.9+0.7(+)+0.70.9+0.654.35/1.2+0.9+0.70.9+0.6-65.3
22、1N259.28432.92773.53259.28M+0.7+0.70.8（+）+0.70.9313.83/1.2+0.7+0.70.9+0.70.9-256.56 +0.9+0.7+0.70.9+0.6170.35/1.2+0.7+0.70.9+0.90.7310.71Mq=91.69Nq=299.98N633.84389.93826.57299.98V43.41-27.8418.7947.15MK226.13-179.32123.64225.87NK495.60364.23633.26299.98VK30.81-18.2614.2435.30注：M（单位为kNm），N（单位为kN），V（
23、单位为kN）8.柱截面设计A柱，混凝土强度等级为C30，14.3N/，N/；纵向钢筋采用HRB335级钢筋， ， 。上、下柱均采用对称配筋。8.1选取控制截面最不利内力A柱：取 。则大偏心；两组大偏心受压和小偏心受压界限破坏时对应的轴向力为： 由表5可见，上柱I-I柱底截面共有4组不利内力，4组内力均满足，故均为大偏心受压。对这4组内力，按照“弯矩相差不多时，轴力越小越不利；轴力相差不多时，弯矩越大越不利”的原则，可确定上柱的最不利内力为 对下柱，截面的有效高度取，则大偏心受压与小偏心受压界限破坏是对应的轴向压力为： 对下柱，截面-和-截面有8组不利内力，均满足，对这8组内力采用和上柱I-I截
24、面相同的分析方法，可得下柱的最不利内力为：-截面：-截面：8.2上柱配筋计算上柱最不利内力为：由附表查得有吊车厂房排架方向上柱的计算长度 。附加偏心距取20mm（大于400mm/30=13.3mm）。 由，故应考虑偏心距增大系数。 ，取。 M= 故取进行计算： 选318（），则，满足要求。由得垂直于排架方向的计算长度 ，则 满足弯矩作用平面外的承载力要求。8.3下柱配筋计算由分析结果可知，与上柱分析方法类似，选取下列两组不利内力： （1）按计算查表得 ，截面尺寸： 附加偏心距 ，取。 先假定中和轴位于翼缘内，则 且，为大偏心受压构件受压区在受压翼缘内，则：（2）按计算 ，取。 先假定中和轴位于
25、翼缘内，则 且 ，为大偏心受压构件受压区在受压翼缘内，则：选418（）（3）验算垂直于弯矩作用平面的受压承载力（满足要求）8.4柱的裂缝宽度验算规范规定，对的柱应进行裂缝宽度验算。本例对各控制截面荷载按准永久组合计算时，上柱及下柱的偏心距都有，故不需要进行裂缝宽度验算。8.5柱的箍筋配置非地震区的单层厂房柱，其箍筋数量一般由构造要求控制。根据构造要求，上、下柱均选用箍筋。8.6牛腿设计根据吊车梁支承位置、截面尺寸及构造要求，初步拟定牛腿尺寸，如图20所示。其中牛腿截面宽度，牛腿截面高度，。图20牛腿尺寸简图（1）牛腿截面高度验算已知，（牛腿顶面无水平荷载），取， 故牛腿截面高度满足要求。（2）
26、牛腿配筋计算由于，因而牛腿可按构造要求配筋。根据构造要求，。实际选用414（）。水平箍筋选用。8.7柱的吊装验算（1）内力计算采用翻身起吊，吊点设在牛腿下部，混凝土达到设计强度后起吊。由附表查得柱插入杯口深度为，取，则柱吊装时的总长度为 ，计算简图如图21所示。图21柱吊装计算简图柱吊装阶段的荷载为柱自重重力荷载（吊装时，应考虑动力系数=1.5，柱自重的重力荷载分项系数取1.2），即：在上述荷载作用下，各柱控制截面的弯矩为： 由得： 令，得 ，则下柱段最大弯矩为： （2）承载力和裂缝宽度验算柱截面受弯承载力及裂缝宽度验算过程见表7表7柱吊装阶段承载力及裂缝宽度验算表柱截面上柱下柱46.66（3
27、8.88）65.45（54.54）50.680.946.66=41.992470.965.45=58.91208.7772.030.007540.1取0.10.01130.46-0.370.2取0.230301.91.90.140.2（满足要求）0.070.2（满足要求）9. 基础设计因为修正后的地基承载力特征值为，在单层排架结构，柱距为6m，吊车起重量为500-1000KN，厂房跨度为，设计等级为丙级时，要进行地基变形验算，但该单层排架的吊车起重量为150kN，不在500-1000kN之间，故不作变形验算。则基础混凝土强度等级采用C20，下设100mm厚C10混凝土垫层。9.1作用于基础顶面
28、上的荷载计算作用于基础顶面上的荷载包括柱底（截面）传给基础的M，N，V以及外墙自重重力荷载。前者由表5中的截面选取，见表8，其中内力标准组合值用于地基承载力验算，基本组合值用于受冲切承载力验算和地板配筋计算，内力的正号规定见图22（b）。表8 基础设计的不利内力组别荷载效应基本组合荷载效应标准组合第1组313.83633.8443.41226.13495.6030.81第2组-256.56389.93-27.84-179.32364.23-18.26第3组170.35826.5718.79123.64633.26-14.24由图22(a)可见，每个基础承受的外墙总宽度为，总高度为，墙体为厚双面
29、清水砖墙厚（）。钢框玻璃窗（）基础梁重量为16.7KN/根。每个基础承受的由墙体传来的重力荷载为：厚砖墙 钢框玻璃窗 基础梁 距基础形心的偏心距为： 图22基础荷载示意图9.2基础尺寸及埋置深度（1）基础埋置深度d为-2.00m 杯底厚度应大于，取，基础顶面标高为-0.500m，故： 杯壁厚度，取；基础边缘高度取，台阶高度取，见图22（b）。（2）拟定基础地面尺寸 适当放大，取 （3）计算基底压力及验算地基承载力 验算地基承载力，其中验算结果见下表9。可见，基础底面尺寸满足要求。表9 基础底面压力计算及地基承载力验算表类别第1组第2组第3组226.13-179.32-123.64495.603
30、64.23633.2630.81-18.26-14.241115.66984.291253.32108.61-296.84-86.31158.56185.16170.08109.7351.45131.20134.15180118.31180150.64180158.56216185.16216170.082169.3基础高度验算这时采用基地净反力设计值和计算，结果见表10。对于第2组内力，计算时，故对该组内力计算基底净反力。表10 基础底面净反力设计值计算表类别第1组第2组第3组313.83633.8443.41-256.56389.93-27.84170.35826.5714.24921.1
31、0577.191113.83215.21-462.0627.97159.18-33.94140.8462.24172.20127.57因台阶高度为400mm,基础底面落在从变阶处向外扩散45度线以内，因此不必验算高度9.4基础底板配筋计算(1)柱边及变阶处基底反力计算基础底板配筋计算时长边和短边方向的计算截面简图如图24所示。三组不利内力设计值在柱边及变阶处的基底净反力计算见表11。其中第1、3组内力产生的基底反力见图23所示。图23 变阶处的冲切破坏截面用表列公式计算第2组内力产生的和时，相应的2.05/3.2和2.45/3.2分别用1.2073/2.223和1.473/2.223代替，且。
32、表11 柱边及变阶处基底净反力计算公式第1组第2组第3组159.18-33.94140.1762.64172.20127.57124.3483.12135.64136.45114.10137.22141.76127.66137.89147.82143.15138.68110.7169.13133.87图24基础底板配筋计算截面（2）柱边及变阶弯距计算选取三组内力值中的大值进行计算截面的弯矩= （3）配筋计算基础底板受力钢筋采用HPB300级（）基础底板长边方向钢筋面积为：选用10100（ ）.基础底板短边方向钢筋面积为： 选用12150（）.基础底板配筋见图25。由于，所以杯壁不需要配筋。图25 基础底板配筋10. 参考资料沈蒲生. 混凝土结构设计（第四版）M. 北京：高等教育出版社,2012.白国良,王毅红.混凝土结构设计M.武汉:武汉理工大学出版社,2011.朱彦鹏.混凝土结构课程设计指南M.北京:中国建筑工业出版社,2011.唐兴荣.混凝土结构课程设计解析与实例M.北京:机械工业出版社,2012.GB50009-2012.建筑结构荷载规范S.北京:中国建筑工业出版社,2012.GB50010-2010.混凝土结构设计规范S.北京:中国建筑工业出版社,2011.
