混凝土单层工业厂房专业课程设计计算报告书完整版.doc

《单层工业厂房混凝土排架课程设计》

任

务

书

专 业 土木工程
班 级 土木三班
学 号
姓 名 王书英
指引教师 肖四喜

目录

一、设计资料 2
二、计算内容 3
1.1 柱截面尺寸拟定 3
1.2 荷载计算 4
1.2.1 恒载 4
1.2.2 屋面活荷载 5
1.2.3 风荷载 5
1.2.4 吊车荷载 6
1.3 排架内力分析 6
1.3.1 恒载作用下排架内力分析 7
1.3.2 屋面活荷载作用下排架内力分析 8
1.3.3 风荷载作用下排架内力分析 9
1.3.4 吊车荷载作用下排架内力分析 10
1.4 内力组合 12
1.5 柱截面设计 13
1.5.1 上柱配筋计算 13
1.5.2 下柱配筋计算 14
1.5.3 柱裂缝宽度验算 15
1.5.4 柱箍筋配备 16
1.5.5 牛腿设计 16
1.5.6 柱吊装验算 17
1.6 基本设计 18
1.6.1 作用于基本顶面上荷载计算 18
1.6.2 基本尺寸及埋置深度 19
1.6.3 基本高度验算 20
1.6.4 基本底板配筋计算 21

1.1 柱截面尺寸拟定
由图2可知柱顶标高为12.4 m，牛腿顶面标高为8.6m ，设室内地面至基本顶面距离为0.5m ，则计算简图中柱总高度H、下柱高度 、上柱高度分别为：
H=12.4m+0.5m=12.9m ， =8.6m+0.5m=9.1m
=12.9m－9.1m=3.8m
依照柱高度、吊车起重量及工作级别等条件，可由表2.4.2并参照表2.4.4拟定柱截面尺寸，见表1。

表1 柱截面尺寸及相应计算参数
计算参数
柱号
截面尺寸
/mm
面积
/mm
惯性矩
/mm
自重
/(KN/m)
A ，B
上柱
矩400×400
1.6×10
21.3×10
4.0
下柱
I400×900×100×150
1.875×10
195.38×10
4.69

本例仅取一榀排架进行计算，计算单元和计算简图如图1所示。

1.2 荷载计算
1.2.1 恒载
(1).屋盖恒载：
两毡三油防水层 0.35KN/m2
20mm厚水泥砂浆找平层 20×0.02=0.4 KN/m2
100mm厚水泥膨胀珍珠岩保温层 4×0.1=0.4 KN/m2
一毡二油隔气层 0.05 KN/m2
15mm厚水泥砂浆找平层； 20×0.015=0.3 KN/m2
预应力混凝土屋面板（涉及灌缝） 1.4 KN/m2
2.900 KN/m2

天窗架重力荷载为2×36 KN /榀，天沟板2.02 KN/m，天沟防水层、找平层、找坡层1.5 KN/m，屋架重力荷载为106 KN /榀，则作用于柱顶屋盖构造重力荷载设计值为：
G1=1.2×(2.90 KN/m2×6m×24m/2＋2×36 KN/2＋2.02 KN/m×6m
＋1.5 KN/m×6m＋106 KN/2) =382.70 KN

(2) 吊车梁及轨道重力荷载设计值：
G3=1.2×（44.2kN＋1.0KN/m×6m）=50.20 KN

(3）柱自重重力荷载设计值：
上柱 G4A= G4B =1.2×4kN/m×3.8m =18.24 KN
下柱 G5A= G5B=1.2×4.69kN/m×9.1m =51.21KN
各项恒载作用位置如图2所示。

1.2.2 屋面活荷载
屋面活荷载原则值为0.5 KN/m2，雪荷载原则值为0.35 KN/m2，后者不大于前者，故仅按前者计算。作用于柱顶屋面活荷载设计值为：
Q1=1.4×0.5 KN/m2×6m×24m/2=50.40KN
Q1 作用位置与G1 作用位置相似，如图2所示。

1.2.3 风荷载
风荷载原则值按式（2.5.2）计算，其中=0.35 KN/m2 ，=1.0，依照厂房各某些标高及B类地面粗糙度由附表5.1拟定如下：
柱顶（标高12.40m） =1.067
檐口（标高14.30m） =1.120
天窗架壁底（标高16.99m） =1.184
天窗架壁顶（标高19.86m） =1.247
屋顶（标高20.31m） =1.256
如图3a所示，由式（2.5.2）可得排架迎风面及背风面风荷载原则值分别为：
==1.0×0.8×1.067×0.35 KN/m2 =0.299 KN/m2
==1.0×0.8×1.067×0.35 KN/m2 =0.299 KN/m2
则作用于排架计算简图（图3.b）上风荷载设计值为：
q=1.4×0.299 KN/m2×6.0m =2.51KN/m
q=1.4×0.187 KN/m2×6.0m =1.57KN/m
Fw=(+)h+(+)h+(+)hB
= 1.4×(0.8＋0.5)×1.120×1.9m＋(-0.2＋0.6)×1.184×2.69＋(0.6＋0.6)×1.247×2.87 ×1.0×0.35 KN/m2×6.0m
=24.51 KN

1.2.4 吊车荷载
由表2.5.1可得200/50KN吊车参数为：B=5.55m，K=4.40m，g=75KN，Q=200KN，F=215KN，F=45KN。依照B及K，可算得吊车梁支座反力影响线中歌轮压相应点竖向坐标值，如图4所示。
(1）吊车竖向荷载
由式（2.5.4）和式（2.5.5）可得吊车竖向荷载设计值为：
D= Fy=1.4×215 KN×(1＋0.080＋0.267＋0.075)=647.15 KN
D= Fy=1.4×45 KN×2.15=135.45 KN

(2）吊车横向水平荷载
作用于每一种轮子上吊车横向水平制动力按式（2.5.6）计算，即
T=（Q+g）=×0.1×（200KN＋75KN）=6.875 KN
作用于排架柱上吊车横向水平荷载设计值按式（2.5.7）计算，即
T=Ty=1.4×6.875 KN×2.15=20.69 KN

1.3 排架内力分析
该厂房为单跨等高排架，可用剪力分派法进行排架内力分析。其中柱剪力分派系数按式（2.5.16）计算，成果见表2 。

表2 柱剪力分派系数

柱别
n=I/ I
H/H
C=3/1+(1/n-1)
=H/ CE I
=

A ，B柱
n=0.109
0.295
C=2.480
==0.20610

==0.5

1.3.1 恒载作用下排架内力分析
恒载作用下排架计算简图如图5所示。图中重力荷载G及力矩M是依照图2拟定，即
G= G =382.70KN；G=G+G4A =50.20KN+18.24KN=68.44KN
G= G5A =51.21KN；
M= Ge=382.70KN×0.05m=19.14 KN
M=( G+ G4A) e－G e
=(382.70 KN+18.24 KN)×0.25m－50.20 KN×0.3m=85.18 KN

由于图5a所示排架为对称构造且作用对称荷载，排架构造无侧移，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R可依照表2.5.2所列相应公式计算，则
C==2.122 ， C==1.132
R===10.62 KN
R=-10.62 KN
求得R后，可用平衡条件求出柱各截面弯矩和剪力。柱各截面轴力为该截面以上重力荷载之和，恒载作用下排架构造弯矩图和轴力图分别见图5.b,c。
图5.d为排架柱弯矩、剪力和轴力正负号规定。

1.3.2 屋面活荷载作用下排架内力分析
排架计算简图如图6a所示。其中Q=50.4 KN，它在柱顶及变阶处引起力矩为M=50.4KN×0.05m=2.52 ；M=50.4KN×0.25m=12.60。
对于A柱，C=2.122，C=1.132，则
R===1.53 KN()
R=-1.53 KN()
排架各柱弯矩图、轴力图及柱底剪力图如图6b.c所示。

1.3.3 风荷载作用下排架内力分析
(1)左吹风时
计算简图如图7a所示。对于A,B柱，n=0.109,=0.295,则
C= =0.329
R=- qH C=-2.51KN/m×12.9m×0.329=-10.65KN()
R=- qH C=-1.57KN/m×12.9m×0.329=-6.66 KN()
R= R+ R+ Fw=-10.65KN－6.66KN－24.51KN=-41.82 KN()
各柱顶剪力分别为：
V= R- R=-10.65KN+0.5×41.82KN=10.26 KN()
V= R- R=-6.66KN+0.5×41.82KN=14.25 KN()
排架内力图如图7b所示。

(2)右吹风时
计算简图如图8a所示。将图7b所示A,B柱内力图对换且变化内力符号后可得，如图8b所示。

1.3.4 吊车荷载作用下排架内力分析
(1）D作用于A柱
计算简图如图9a所示。其中吊车竖向荷载D，D在牛腿顶面处引起力矩为：
M= De=647.15KN×0.3m=194.15 KN
M= De=135.45KN×0.3m=40.64 KN
对于A柱，C=1.132，则
R===-17.04 KN()
R===3.57 KN()
R=R+R=-17.04KN+3.57KN=-13.47KN()
排架各柱顶剪力分别为：
V= R- R=-17.04KN+0.5×13.47KN=-10.31 KN()
V= R- R=3.57KN+0.5×13.47KN=10.31KN()
排架各柱弯矩图、轴力图及柱底剪力值如图9b,c所示。

(2）D作用于B柱
同理，将“D作用于A柱”状况A,B柱对换，并注意变化符号，可求得各柱内力，如图10所示。

(3）T作用下
排架计算简图如图11a所示。对于A，B柱，n=0.109,=0.295,由表2.5.3得
a=(3.8m-1.4m)/3.8m=0.632,则
==0.629
R=- T=-20.69KN×0.629=-13.01 KN()
R=- T=-13.01 KN()，R=R+R=-13.01KN×2=-26.02KN()
各柱顶剪力为：V= R-μ R=-13.01KN+0.85×0.5×26.02KN=-1.95 KN()
V= R-μ R=-13.01KN+0.85×0.5×26.02KN=-1.95 KN()
排架各柱弯矩图及柱底剪力值如图11b所示。当T方向相反时，弯矩图和剪力只变化符号，大小不变。

1.4 内力组合
以A柱内力组合为例。表3为各种荷载作用下A柱内力设计值汇总表，表4为A柱内力组合表，这两表中控制截面及正负号内力方向如表3中欧那个例图所示。
内力组合按式（2.5.19）～式（2.5.21）进行。除N及相应M和V一项外，其她三项均按式（2.5.19）和式（2.5.20）求得最不利内力值；对于N及相应M和N一项，Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ截面均按（1.2S+1.4S）求得最不利内力值，而Ⅰ-Ⅰ截面则是按式（2.5.21）即（1.35S+S）求得最不利内力。
对柱进行裂缝宽度验算时，内力Ⅲ-Ⅲ采用原则值，同步只需对e/h>0.55柱进行验算。为此，表4中亦给出了M和N组合值，它们均满足e/h>0.55条件，对本例来说，这些值均取自N及相应M和V一项。

表3 A柱内力设计值汇总表

柱号及正向内力

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
D作用于A柱
D作用于B柱

左风

右风
序号
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦

Ⅰ-Ⅰ
M
21.22
3.29
-39.18
-39.18
21.52
57.11
-67.51
N
400.94
50.40
0
0
0
0
0
Ⅱ-Ⅱ
M
-63.96
-9.31
154.97
1.46
21.52
57.11
-67.51
N
451.14
50.40
647.15
135.45
0
0
0

Ⅲ-Ⅲ
M
32.68
4.62
61.15
-92.36
192.06
341.21
-314.42
N
502.35
50.40
647.15
135.45
0
0
0
V
10.62
1.53
-10.31
-10.31
18.74
42.64
-34.50

表4 A柱内力组合表
截面
+M及相应N，V
－M及相应N，V
N及相应M，V
N及相应M，V
M、N
备注
Ⅰ-Ⅰ
M
①+0.9（②+0.9⑤+⑥〕

93.01

①+0.9〔0.9（③+⑤）+⑦〕

-88.71
①+0.9②

26.18
①+0.9〔②+0.9⑤+⑥〕

93.01

68.96
N一项，取1.35S+
0.71.4S
N

446.3

400.94

486.34

446.3

366.52
Ⅱ-Ⅱ
M
①+0.9〔0.9（③+⑤）+⑥〕

130.40
①+0.9〔②+0.9⑤+⑦〕

-150.3
①+0.9③

75.51
①+0.9〔0.9⑤+⑦〕

-142.15

N

975.33

496.50

1033.58

451.14
Ⅲ-Ⅲ
M
①+0.9〔②+0.9（③+⑤）+⑥〕
549.03
①+0.9〔0.9（④+⑤）+⑦
-480.68
①+0.9③
87.72
①+0.9〔②+0.9（③+⑤）+⑥〕
549.03
N
1071.90
612.06
1084.79
1071.9
V
57.20
-43.96
1.34
57.20
M
396.05
-339.45
66.54
396.05
N
825.45
496.99
834.65
825.45
V
42.12
-30.14
0.96
42.12

1.5 柱截面设计
仍以A柱为例。混凝土：，，；钢筋：受力筋为，。上下柱均采用对称配筋。
1.5.1 上柱配筋计算
由表4可见，上柱截面共有4组内力。取h=400mm-40mm=360mm 。经鉴别，其中三组内力为大偏心受压；只有（M=26.18 KN，N=486.34KN）一组为小偏心受压，且N<=0.550×1.0×14.3×400mm×360mm=1132.56 KN,故按此组内力计算时为构造配筋。对3组大偏心受压内力，在弯矩较大且比较接近两组内力中，取较小一组，即取
M=93.01 KN，N=446.30 KN
由附表11.1查得有吊车厂房排架方向上柱计算长度=2×3.8m=7.6m 。附加偏心距取20mm（不不大于400mm/3）。

=M/N==208mm，=+=208mm +20mm=228mm
由/h=7600mm/400mm=19>5，故应考虑偏心距增大系数。
===2.563>1.0，取=1.0

=
取x=2进行计算。
=

选3 18（=763），则763/(400mm×400mm)=0.48%>0.2%,满足规定。
由附表11.1，得垂直于排架方向柱计算长度=1.25×3.8m=4.75m，则
/ b =4750mm/400mm=11.88，=0.95。
满足弯矩作用平面外承载力规定。

1.5.2 下柱配筋计算
取h=900mm-40mm=860mm 。与上柱分析办法类似，在表48组内力中，选用下面一组不利内力：
M=549.03 KN，N=1071.90 KN
下柱计算长度=1.0=9.1m，附加偏心距=900mm/30=30mm(不不大于20mm)。
b =100mm，=400mm，=150mm。
=M/N==512mm，=+=512mm +30mm=542mm
由/h=9100mm/900mm=10.1，故应考虑偏心距增大系数，且取。
===1.20>1.0，取=1.0。
=

故为大偏心受压。先假定中和轴位于翼缘内，则
x=
阐明中和轴位于腹板内，应重新计算受压区高度x:

=
选用4 20（=1272）。按此配筋，经验算柱弯矩作用平面外承载力亦满足规定。
1.5.3 柱裂缝宽度验算
《规范》规定，对>0.55柱应进行裂缝宽度验算。本题下柱浮现>0.55内力，故应对下柱进行裂缝宽度验算。验算过程见表5，其中，下柱=1272，=；构件受力特性系数=2.1；混凝土保护层厚度c取25mm 。
表5 柱裂缝宽度验算表
柱截面
下柱
内力原则值
M/( KN)
396.05
N/KN
825.45
=M/N /mm
480>0.55 h=473

0.0140

1.0(/h<14)

890

0.523

702.2

173.6

0.57

0.16<3
(满足规定)
1.5.4 柱箍筋配备
非地震区单层厂房柱，其箍筋数量普通由构造规定控制。依照构造规定，上下柱均选用8@200箍筋。
1.5.5 牛腿设计
依照吊车梁支承位置、截面尺寸及构造规定，初步拟定牛腿尺寸，如图12所示。其中牛腿截面宽度b=400慢慢，牛腿截面高度h=600mm，h=565mm 。
(1)牛腿截面高度验算
按式（2.6.1）验算，其中=0.65，=2.01N/，=0（牛腿顶面无水平荷载），a=-150mm+20mm=-130mm<0,取a=0，按下式拟定：
=
由式（2.6.1）得：
故牛腿截面高度满足规定。
(2)牛腿配筋计算
由于a=-150mm+20mm=-130mm<0,因而该牛腿可按构造规定配筋。依照构造规定，。纵向钢筋取4 14（=616），水平箍筋选用8@100。
1.5.6 柱吊装验算
采用翻身起吊，吊点设在牛腿与下柱交接处，混凝土达到设计强度后起吊。由表2.4.6可得柱插入杯口深度为=0.9×900mm=810mm,取=850mm,则柱吊装时总长度为3.8m+9.1m+0.85m=13.75m,计算简图如图13所示。
柱吊装阶段荷载为柱自重重力荷载（应考虑动力系数），即
=

在上诉荷载作用下，柱各控制截面弯矩为：
由得：

，令，得x=3.73m,则下柱段最大弯矩为：

柱截面受弯承载力及裂缝宽度验算过程见表6。

表6 柱吊装阶段承载力及裂缝宽度验算表
柱截面
上柱
下柱
M(M)/( KN)
58.48(43.32)
84.20(62.37)
/( KN)
73.25>0.958.48=52.63
312.91>0.984.20=75.78
/(N/mm)
181.28
65.53

0.38

-0.31<0.2,取0.2

0.14<0.2（满足规定）

0.02<0.2(满足规定)

1.6 基本设计
1.6.1 作用于基本顶面上荷载计算
作用于基本顶面上荷载涉及柱底（Ⅲ-Ⅲ截面）传给基本M,N,V以及外墙自重重力荷载。前者可由表4中Ⅲ-Ⅲ截面选用，见表7，其中内力原则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底板配筋计算，内力正号规定见图14b。
表7 基本设计不利内力
组别
荷载效应基本组合
荷载效应原则组合
M/( KN)
N/KN
V/KN
M/( KN)
N/KN
/KN
第1组
549.03
1017.90
57.20
396.05
825.45
42.12
第2组
－480.68
612.06
－43.96
－339.45
496.99
－30.14
第3组
87.72
1084.79
1.34
66.54
834.65
0.96

由图14a可见，每个基本承受外墙总宽度为6.0m,总高度为14.35m，墙体为240mm砖墙（4.7KN/ m），钢框玻璃窗（0.45 KN/ m），基本梁重量为16.7KN/根。每个基本承受由墙体传来重力荷载为：
240mm砖墙 4.7 KN/ m〔6m×14.35m-(5.1m+1.8m)×4.2m〕=268.46KN
钢框玻璃窗 0.45 KN/ m×(5.1m+1.8m)×4.2m=13.04KN
基本梁 16.7KN
=298.20 KN
距基本形心偏心距为：
=（240mm+900mm）/2=570mm
=1.2=1.2×298.20KN=357.84KN
1.6.2 基本尺寸及埋深
(1)按构造规定拟定高度h:h=
由表2.4.6得柱插入深度，取=850mm。由表2.4.7得杯底厚度应不不大于200mm，取=250mm,则h=850mm+250mm+50mm=1150mm。基本顶面标高为-0.500m,故基本埋深d为：
d =h+0.5m=1.650m
由表2.4.7得杯壁厚度t≥300mm,取325mm；基本边沿高度取350mm，台阶高度取400mm,见图14b。
(2)拟定基本底面尺寸
由式（2.7.2）得：A≥
恰当放大，取A=bl=3.6m×2.4m=8.64m
(3)计算基底压力及验算地基承载力

基底压力按式（2.7.3）计算，成果见表8；按式（2.7.8）验算地基承载力，其中1.2，验算成果见表8。可见，基本底面尺寸满足规定。
表8 基本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
M/( KN)
N/KN
/KN
396.05
825.45
42.12
－339.45
496.99
－30.14
66.54
834.65
0.96

1408.77
1080.31
1417.97

274.51
－544.09
－102.33

216.01
110.10
229.99
20.08
183.86
144.38

163.06<240
216.01<288
125.04<240
229.99<288
164.12<240
183.86<288

1.6.3 基本高度验算
这时应采用基底净反力设计值，和可按式（2.7.3）计算，成果见表9。对于第2组内力，按式（2.7.3）计算时，<0，故对该组内力应按式（2.7.7）计算基底净反力，即：

由式（2.7.7）得：

因台阶高度与台阶宽度相等（均为400mm），因此只需验算变阶处受冲切承载力。变阶处受冲切承载力计算截面如图15所示。变阶处截面有效高度=750mm－(40mm+5mm)=705mm。
由于，因此应按式（2.7.13）计算，即：

由式（2.7.10）得：

；因，故==2.4m，由式（2.7.11）得：

h=750mm<800mm，取=1.0；，则由式（2.7.9）得：

故基本高度满足规定。

表9 基本底面净反力设计值计算表
类别
第1组
第2组
第3组
M/( KN)
N/KN
/KN
549.03
1071.90
57.20
－480.68
612.06
－43.96
87.72
1084.79
1.34

1429.74
969.90
1442.63

410.84
－735.20
－114.71

244.73
86.23
258.56
0
189.10
144.84

1.6.4 基本底板配筋计算
(1）柱边及变阶处基底反力计算
基本底板配筋计算时长边和短边方向计算截面如图16所示。三组不利内力设计值在柱边及变阶处基底净反力计算见表10。其中第1,3组内力产生基底反力示意图见图16，第2组内力产生基底反力示意图见图15；用表列公式计算第2组内力产生和时，相应2.25/3.6和2.65/3.6分别用2.202/3.552和2.602/3.552代替，且=0。
(2）柱边及变阶处弯矩计算

表10 柱边及变阶处基底净反力计算
公式
第1组
第2组
第3组

185.29

160.29

172.50

202.90

189.41

177.42

215.01

221.93

180.80

223.82

223.99

183.26

165.48

129.28

166.97

(3)配筋计算
基本底板受力钢筋采用HPB235级（）。长边方向钢筋面积为：

选用14@100（=1539）。
基本底板短边方向钢筋面积为：

选用14@120（=1283）。
基本底板配筋图见图17。由于=325mm/400mm=0.81>0.75，因此杯壁不需要配筋。