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内容摘要在给定的工业厂房设计的空间尺寸、基本风压值、吊车选用及其它相关构件的荷载值画出计算简图,确定上、下柱的高度及截面尺寸通过对排架上的荷载、吊车荷载计算确定,计算包括屋盖自重作用下内力,柱荷载、吊车、吊车梁及轨道自重作用下的内力,屋面活荷载作用下的内力,吊车竖向荷载作用下的内力,吊车水平荷载作用下的内力,风荷载作用下的内力考虑排架的各种荷载,对不同荷载下的内力计算进行组合,通过对内力的组合,确定最不利的排架柱受力位置,对柱截面配筋计算及柱牛腿设计为了满足吊装过程中的安全,对柱吊装验算,确定柱的吊装位置经过以上内容计算,绘制出结构施工图通过计算与绘图,掌握简单的单层单跨工业厂房设计关键词单层单跨工业厂房;吊车梁;牛腿柱;排架结构引言单层厂房是指工业厂房中,层数为一层的厂房使用于大型机器设备或有重型起重运输设备的工厂一般来说,单层厂房属于特殊厂房,只有一些特殊的行业才需要实用单层厂房,比如说,五金塑胶,机械设备,印刷纸品,模具等行业它们要求的共同特点是
1.从建筑上讲,要求构成较大的空间单层厂房是冶金、机械等车间的主要型式之一为了满足在车间中放置尺寸大、较重型的设备生产重型产品,要求单层厂房适应不同类型生产的需要,构成较大的空间
2.从结构上讲,要求单层厂房的结构构件要有足够的承载能力由于产品较重且外形尺寸较大因此作用在单层厂房结构上的荷载、厂房的跨度和高度都往往比较大,并且常受到来自吊车、动力机械设备的荷载的作用,要求单层厂房的结构构件要有足够的承载能力
3.为了便于定型设计,单层厂房常采用构配件标准化、系列化、通用化、生产工厂化和便于机械化施工的建造方式此外,单层厂房具有以下结构特点跨度大,高度大,承受的荷载大,因而构件的内力大,截面尺寸大,用料多;荷载形式多样,并且常承受动力荷载和移动荷载(如吊车荷载、动力设备荷载等)单层厂房的分类
1.从高度上单层厂房高度很重要,有的厂房高4-5米,有的6-7米,有个可高达11-12米或更高一般越高的厂房建筑起来会越困难,所需材料成本等也会越贵
2.从外部建筑结构上
①简易铁皮就是最简单的,用铁皮比较随意搭建的厂房
②钢结构厂房钢结构厂房又分为彩钢结构或普通钢结构
3.从内部结构上分为有牛腿和没有牛腿的,有牛腿的车间才可以装天车(也称行车),这在工业生产中是很重要的一环,如果有机器设备要装天车的,就一定要有牛腿才能使用单层厂房的结构型式单层厂房的结构型式主要有排架结构和刚架结构两种排架结构有屋面(或屋面梁),柱和基础组成,柱与屋架铰接,与基础刚接根据生产工艺和使用要求的不同,排架结构可做成等高,不等高和锯齿形等多种形式排架结构其跨度可超过30m,高度可达20~30m或者更高,吊车吨位可达150t甚至更大排架结构传力明确,构造简单,施工亦较方便刚架结构是柱与横梁刚体接成一个构件,柱与基础通常为铰接刚架的优点是梁柱合一,构件种类少,制作较简单,且结构轻巧当跨度和高度较小时,其经济指标稍优于排架结构刚架的缺点是刚架较差,承载后会产生跨变,梁柱转角处易产生早期裂缝,所以对于有较大吨位吊车的厂房,刚架的应用受到一定的限制本次任务是设计结合《混凝土结构设计》下册例题,有15t的吊车,为了长远考虑,按照现场的条件,选用结构传力明确,构造简单的排架结构,满足厂房的结构要求1设计资料
1.1基本要求厂房柱网布置
1.设计基本资料
(1)工程名称某厂房结构设计
(2)自然条件基本风压;基本雪压
(3)剖面、建筑平面图如下所示厂房剖面图厂房中标准构建的选用情况1屋面板采用04G410-1~2标准图集中的预应力混凝土大型屋面板,板重(包括灌缝值在内)标准值为
1.42屋架采用04G415-1预应力混凝土折线型屋架(预应力筋为钢绞线跨度18~32m),屋架自重标准值913吊车梁采用04G323-1~2标准图集中的先张法预应力混凝土吊车梁Y-WB1-4,吊车梁高1200mm,自重标准值45,轨道及零件重1,轨道及垫层构造高度170mm吊车轨道和中级吊车自重
4.排架柱材料选用
(1)混凝土采用C30
(2)钢筋纵向受力钢筋采用HRB335级,
(3)箍筋采用HPB235级
(4)型钢及预埋件均采用Ⅰ级
1.2计算简图
1.柱高已知柱顶至檐口的竖向高度为
2.1m,檐口至屋脊的竖向高度为
1.2m轨顶标高设为
7.5m可知柱顶标高为
10.97m柱子尺寸上柱高Hu=
10.97-
7.5+
1.2+
0.17=
4.84m全柱高H=H-Hu=
10.97--
0.15=
11.12m下柱高Hl=H-Hu=
6.28m上柱与全柱高的比值λ==
4.84/
11.12=
0.4352.柱截面尺寸柱截面尺寸建议上柱为方形截面,b×h1=400×400mm,下柱截面,b×h×hf=400mm×800mm×150mm,柱截面几何特征值为排架平面内上柱Iu=1/12×400×4003=
2.133×109mm4下柱Il=1/12×400××300×25×225+25/32=
1.44×109mm4排架平面外上柱Iu=
2.133×109mm4下柱Il=1/12×150×4003×2+1/12×450×1003+2×1/2×300×25×(50+150/3)2=
1.713×109mm4n=IU/IL=
1.252荷载计算
2.1排架上的荷载
1.屋盖自重屋面恒荷载
1.2×
2.4=
2.88KN/m2预预应力混凝土大型屋面板
1.2×
1.4=
1.68KN/m2天沟板、
1.2×
2.02×6=
14.54kN屋架重力荷载为,则作用于柱顶的屋盖结构重力荷载设计值G1=
4.56×6kN=
27.36KN/m
22.柱自重上柱G2=
1.2×25×
0.4×
0.4×
4.84=
23.23kNe2==200mm下柱G3=
1.2×25×
6.28×(
0.15×
0.4×2+
0.45×
0.1+2×
0.5/2×
0.025)×
1.1=
36.79kNe3=
03.吊车、吊车梁及轨道自重G4=
1.2×(45+1×6)=
61.2kN
4.屋面活荷载Q1=
1.4×
0.7×6×12=
70.56kNE1=50mm
2.2吊车荷载计算由软钩桥式吊车数据查得Pmax.k=205kNPmin.k=
72.5kNB=5550mmK=4400mmG小.K=50kN根据B及K,可算得吊车梁支座反力影响线中各轮对应点的竖向坐标,如图图
2.2吊车轮压计算图
1.吊车竖向荷载吊车竖向荷载设计值为Dmax=
1.4×205×1+
0.808+
0.267+
0.075×
0.9=
555.35kNDmin=Dmax.Pmin.k/Pmax.k=
555.35×
72.5÷205=
196.4kNE3=750-hl/2=750-800/2=350mm
2.吊车横向水平荷载作用于的吊车横向水平荷载计算T=1/4αβm2+Qg=1/4×
0.1×
0.9×
7.5+50×10=
12.94kNTmax=T/γQPmax.k.Dmax=
12.94÷
1.4÷205×
555.35=
25.04kN
2.3风荷载该地区的基本风压,风压高度系数按B类地区考虑,高度的取值查表得柱顶(标高
11.55m)=
1.12檐口(标高
13.65m)=
1.13屋顶(标高
14.75m)=
1.14排架迎风面及背风面的风荷载标准值分别为则作用于排架上的风荷载的标准值为Fw=
1.4×【(
0.8+
0.5)×
1.13×
2.1+(-
0.6+
0.5)×
1.14×
1.2】×1×
0.45×6=
11.13q1=
1.4×
0.8×
1.07×
0.25×6=
1.08kN/mq2=
1.4×
0.5×
1.07×
0.25×6=
1.12kN/m3内力计算
3.1屋盖自重作用下内力计算(排架无侧移)恒载作用下的排架内力分析,计算简图如图M11=G1e1=
27.36×
0.05=
1.37kN·m)M12=G1e2=
359.92×
0.2=
71.98·m
3.2上、下柱荷载、吊车、吊车梁及轨道自重作用下的内力计算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对于A、B柱n=
1.25,λ=
0.44C2=
1.5×{【1-λ2(1-1/n)】/【1+λ3(1/n-1)】}=
1.47在M11作用下柱顶不懂铰支的柱顶反力R11=-C2×M11/Hl=-
2.01×
1.37÷
11.12=-
0.25kN(→)C3=
1.5×{(1-λ2/【1+λ3(1/n-1)】}=
1.23R12=-C3×M12/H=-
1.23×
71.98÷
11.12=-
7.96kN(→)因此,在M11,M12共同作用下柱顶不动铰支撑的反力R1=R11+R12=-(
0.25+
7.96)=-
8.21kN(→)
1.
5.2在G2作用下M22=-G2e2=-
23.23×
0.2=-
4.646kN·m
1.
5.3在G3作用下M33=-G3e3=0求得后,由于平衡条件可得各柱截面的弯矩和剪力柱各截面的轴力为该界面以上重力荷载之和,恒载作用下的轴力弯矩见
3.2节叠加后所得的恒荷载作用下的弯矩图、轴力图
3.3屋面活荷载作用下的内力计算对于单跨排架,Q1与G1一样为对称荷载,且作用位置相同,仅数值大小不同,故由G1的内力图按比例可求得Q1的内力图,如柱顶不动铰支撑反力RQ1=Q1/G
1.R1=-
21.17kN(→)屋面活荷载作用下的弯矩和轴力图如下图所示
3.4吊车竖向荷载作用下的内力计算
1.作用于A柱排架各柱顶剪力分别为VAmax=-
0.5×【(2-
0.9)×
555.35×
0.35+
0.9×
196.4×
0.35】×
1.23/
11.12=-
15.25(绕杆端逆时针转为负)VBmax=
0.5×[
0.9×
555.35×
0.35+2-
0.9×
196.4×
0.35]×
1.23/
11.12=
20.57绕杆端顺时针转为正排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力如图
3.5吊车水平荷载作用下的内力计算不考虑厂房整体空间工作,当作用吊车横向水平荷载Tmax时各柱顶剪力为柱顶的剪力按下列公式计算VAT=VBT=-1-μC5Tmax当y=
0.6Hl时,可按下面公式计算C5=〖2-
1.8λ+λ3(
0.416/n-
0.2)〗/2×〖1+λ3(1/n-1)〗=
0.62当y=
0.7Hl时,可按下列公式计算C5=〖2-
2.1λ+λ3(
0.243/n+
0.1)〗/2〖1+λ3(1/n-1)〗=
0.56当y=
0.62Hl时,用内插法求得C5=
0.62-(
0.62-
0.56)×
0.019÷
0.1=
0.61VAT=VBT—1-μC5Tmax=-(1-
0.9)×
0.56×
25.04=-
1.4kN(←)排架各柱的弯矩图及柱底剪力如图
3.6风荷载作用下的内力计算
1.左风吹时AB柱有表得C11=3〖1+λ4(1/n-1)〗/8〖1+λ3(1/n-1)〗=
0.38各柱顶剪力分别为VA=
0.5[Fw-C11Hq1—q2]=
0.5[
11.13-
0.38×
11.12×
1.08-
1.12]=
5.65kN(→)Vb=.5[Fw+C11Hq1—q2]=
0.5[
11.13+
0.38×
11.12×
1.08-
1.12]=
5.48kN(→)4内力组合表柱号截面永久荷载屋面活荷载吊车荷载风荷载内力组合A柱G1G2G3G4Q1DmaxDminTmax左风右风Nmax及MVNmin及MVMmax及NV
①②③④⑤⑥⑦项目组合值项目组合值项目组合值1-1M
17.
993.
4748.18-
75.4±
20.
6935.66-
45.42
①+
0.9×(
②+
③+
⑤)-
39.608
①+
0.9×(
③+
⑤+
⑦)
83.61
①+
0.9×
③+
⑤+
⑦-
83.61N
37861.
7400000433.573783782-2M-
51.75-
11.
97155.
6732.74±
20.
6935.66-
45.42
①+
0.9×(
②+
③+
⑤)
96.20
①+
⑦-
97.17
①+
0.9×
③+
⑤+
⑥
160.27N
423.
5761.
74582.
44121.
90001003.
33423.
57947.773-3M
27.
141.
5856.24-
122.
86171.
44261.
58234.39
①+
0.9×(
②+
③+
⑤)
233.47
①+
⑥
288.72
①+
0.9×
②+
③+
⑤+
⑥
468.89N
484.
7761.
74582.
14121.
90001064.
53484.
771064.53V
10.
41.79-
13.12-
20.57±
19.5+
42.22-
32.536-
17.
7652.
6255.765排架柱设计
5.1柱截面配筋计算截面内力组e0H0eiΞ1L0hΞ2η1-1M-
39.
608903651101.
076004000.
961.92N
433.57M-
83.
612203652502501.
076004000.
961.39N3783-3M
288.
725957656151.
078008000.
9551.08N
484.477M
468.
894407654601.
078008000.
9551.1N
1.
64.53A柱截面配筋计算表表中1;e0=M/N2;ei=eo+ea3取20mm和h/30的较大值;4ζ1=
0.5fcA/N.ζ
11.0时,取ζ1=
1.0;5ζ1=
1.15-
0.01lo/hlo/h15时,取ζ2=
1.0考虑吊车荷载lo=
2.0Hu(上柱),lo=
1.0hl(下柱)不考虑吊车荷载lo=
1.5H;6Η=1+1/1400ei/holo/h2ξ1ξ2柱在排架平面内的截面配筋计算截面内力组合eiηixΞbh0偏心情况AS=AS’计算值实配值1-1N-
9.
6081101.9237675201大偏心230M
433.57N
83.
612501.3951366201大偏心676763(3根18)M3783-3M
288.
726151.0883085421大偏心
1366.5388(2根20和2根22)N
484.77M
468.
894601.1670271421大偏心
1217.2N
1064.531ei.η参见表2e=ηei+h/2-as3x,上柱x=N/ba1fc=N/400×1×
14.3=N/5720;下柱当N≦bfhfa1fcx=N/a1fcbf=N/5720当Na1fcbfff时x=【N-(bf-b)hfa1fc】=N/1430-434
④ASAs’,上柱xεbhoAS=As’=【Ne-bx(ho-x/2)a1fc】/fy(h0-as)=【Ne-5720x(ho-x/2)】/99000;下柱,当2as≤x≤hf时取as=as=35mmAS=As’=【Ne-5720x(h0-x/2)】/219000当εbhoxhf时AS=As’={Ne-【bf-bhf(ho-hf/2)+bx(ho-x/2)】a1fc}/fy(ho-as)上柱或者下柱,当X2as时AS=As’=Ne/fy(ho-as)e=ηe-h/2+as
1.上柱配筋计算上柱Nmax=
433.57,当考虑吊车荷载时,查表得lo=
1.5Hu=5700mmlo/b=5700/400=
14.25查《混凝土结构设计规范》表知φ=
0.91,AS=As’=763mm
2.Nu=φ(fcAc+2fyAs)=
0.91×
14.3×400×400+2×300×
7632498.68Nmax=
487.44下柱Nmax=
1064.3,当考虑吊车荷载时,查表知lo=
1.0Hl=9450mmI=It=
1.729×109mm4A=400×800-2×450+500×150/2=177500mm2lo/i=
95.5,查混凝土规范得φ=
0.569As=As=1388mm4所以Nu=
0.569×(
14.3×177500+2×300×1388)=
1919.13Nmax=
1089.74kN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,如下图其中牛腿截面宽度,牛腿截面高度
1.牛腿截面高度验算牛腿截面宽度与柱宽相等,为400mm,若取吊车梁外侧至牛腿外边缘的距离c1=80mm,吊车梁端部宽为340mm,吊车梁轴线到柱外侧的距离为750mm,则牛腿顶面的长度为750-400+340/2+80=600mm,相应牛腿水平截面高度为600=400=1000mm,牛腿外缘高度倾角a=45°,于是牛腿的故牛腿截面高度满足要求
2.牛腿配筋计算由于吊车垂直荷载作用于下柱截面内,即a=750-800=-50mm0,故该牛腿可按构造要求配筋,bh=
0.002×400×600=480mm2,纵向钢筋取4根直径18的钢筋(AS=As’=1017mm2)水平箍筋采用直径为8间距100mm6柱吊装验算
6.1设计吊装方案由于柱自重大,采用翻身吊,吊点设在牛腿下部,起吊时混凝土达到设计强度的100%,计算简图如下图
6.2荷载计算吊装方案一点翻身起吊,掉电设在牛腿与下柱交接处(如图)荷载计算上柱自重g1=
1.2×
1.5×25×
0.4×
0.4=
7.20kN/m牛腿自重g2=
1.2×
1.5×25×
0.4(
1.0×
0.7-1/2×
0.22)/
0.7=
17.49下柱自重g3=
1.2×
1.5×25×
0.1775=
7.99kN/m计算简图内力计算M1=1/2×
7.2×
3.82=52·mM2=1/2×
7.2×
4.52+1/2×
17.49-
7.2×
0.72=
75.42·mM3=1/8×
8.0×
6.112=
37.32kN·m弯矩图如图截面承载力计算截面1-1b×h=400mm×400mmHO=365mmAs=As=603mm2fy=300N/mm2故截面承载力Mu=Asfy(ho-as)=
59.7kNm=M52·m可以截面2-2b×h=400mm×800mmho=765mmAsAs=1256mm2故截面承载力Mu=1256×300×765-35=
275.06·m
75.4·m可以基础设计荷载计算由柱传至基顶的荷载由表可得荷载设计值如下第一组Mmax=
468.89·mN=
1064.53V=
56.9第二组-Mmax=-
435.85·mN=
682.40V=-
45.59第三组Nmax=
1064.53·mM=
233.47V=-
18.01由基础梁传至基顶的荷载墙重(含两面墙刷灰)
1.2[
13.35+
0.15×6-4×
5.1+
1.8]×
5.24=
335.8窗重(刚框玻璃窗)
1.2×4×
5.1+
1.8×
0.45=
14.90基础梁自重
1.2×
0.2×
0.3×6×25=
15.75G5=366由基础梁传至基础顶面荷载设计值为G5对于基础底面中心的偏心距e5=
0.24/2+
0.8/2=
0.52m,相应的偏心力矩设计值为G5e5=-366×
0.52=191·m作用于基地的弯矩和相应基顶的轴力设计值分别为假定基础高度为800+50+250=1100mm,则作用于基底的弯矩和相应基顶的轴向力设计值为第一组Mbot=
468.89+
1.1×
56.9-191=340kN·mN=
1064.53+366=
1430.53kN第二组Mbot=-
435.85-
1.1×
45.59-191=688k·mN=
682.4+366=
1048.4kN第三组Mbot=
233.47-
1.1×
18.01-191=
22.7kN·mN=
1064.53+366=
1430.53kN基础的受力情况基底尺寸的确定确定l和bA=
1.4×
1097.88/
1.25×(240-22×
1.6)=6m2取l/b=
1.5A=l/b=
6.0m2解得b=
2.0m取b=
2.3m;l=
1.5×
2.3=
3.5m取l=
3.7m验算eo≦l/6的条件eo=
702.05/
1097.88+22×
2.3×
3.7×
1.6=
0.502l/b=
3.7/6=
0.617验算其他两组荷载效应标准组合时的基底应力第一组Pmax=Nbot/A+Mbot=N/A+γG+Mbot/W=134+
35.2+
71.8=241kN/m
21.2fa=
1.2×240=228kN/m2(可以)Pmin=134+
35.2-
71.8=
97.40Pm=134+
35.2=
176.7kN/m2fa=240kN/m2可以第三组Pmax=134+
35.2+
3.46=
172.66可以Pmin=134+
35.2-
3.46=166可以Pm=134+
35.2=
169.2fa=240kN/m2因为该车间属于可不做地基变形计算的二级建筑所以最后确定基地尺寸为
2.3m×
3.7m.确定基础的高度采用锥形杯口基础,根据构造要求,初步确定的基础剖面尺寸所示由于上阶底面落在柱边破坏锥面之内,故该基础只须进行变阶处得抗切承载力计算在各组荷载设计值作用下的地基最大净反力第一组Psmax=
1430.53/
8.51+340/
5.248=
232.89kN/m2第二组Psmax=
1048.4/
8.51+688/
5.248=
254.30kN/m2第三组Psmax=
1430.53/
8.51+
22.7/
5.248=
172.43kN/m2按第二组荷载设计值作用下的地震净反力进行抗冲切承载力计算在第二组荷载作用下的冲切力冲切力近似按最大地基净反力的冲切力psmax计算,即取Ps1≈psmax=
254.30kN/m2由于基础宽度b=
2.3m,小于冲切椎体底边宽b1/2+ho1×2=
0.575+
0.655×2=
2.46m,故A=l/2-l1/2-h01×b=
3.7/2-
1.55/2-
0.655×
2.3=
0.966m2Fl=psmaxA=
254.30×
0.966=
245.65kN变阶处得抗冲切力由于基础宽度小于冲切椎体底边宽度,故bm=(bt+bb)/2≈
1.725m[Fl]=
0.7βhftbmho=
0.7×
1.0×
0.91×1725×655=
719.73kNFt=
253.86kN因此,如图所示的基础坡面是可以的基底配筋计算包括沿长边和短边两个方向的配筋计算沿、长边方向的配筋计算,应按第二组荷载设计值作用下的地基净反力进行而沿短边方向,由于为轴心受压,其钢筋用量应按第三组荷载设计值作用下的平均地基净反力进行计算沿长边方向的配筋计算在第二组荷载设计值作用下,前面已算得psmax=
254.30kN/m2,相应于柱边及变阶处得净反力为图Ps1=
1048.4/
8.51+688/
5.248×
0.4/
1.85=
152.04Ps11=
1048.4/
8.51+688/
5.248×
0.775/
1.85=
178.12则MI=1/48(Psmax+PsI)(l-hc)2(2b+bc)-G5e5=166kN.mAs1=MI/
0.9fyho=
582.76mm2MⅢ=
239.21kN·mAⅢ==
839.8mm2选用13根直径12的钢筋,钢筋间距160mmAs=1470mm
2839.8mm2可以沿短边方向的配筋计算在第三组荷载设计值作用下,均匀分布的土壤净反力(见图)PsⅢ=N/A=
168.1kN/m2MⅠ=
207.21kN·mAsⅠ=
770.7mm2MⅣ=
35.24kN·mAsⅣ=
202.4mm2选用19根直径10的钢筋,钢筋间距200mm,AS=
1491.
52770.72基础底面沿两个方向的配筋如图所示由于长边l大于3m,其钢筋长度可切断10%,如交错布置,钢筋可用同一编号单层厂房排架柱和基础的模板及配筋施工详图见图\+
0.8-
0.5-
0.6-
0.5Fwq1q2图
2.3风荷载体系系数及计算简图。