21m钢筋混凝土单层厂房结构设计计算书

'钢筋混凝土结构-2课程设计任务书一、题目：钢筋混凝土单层厂房结构设计二、目的与要求：了解单层厂房结构设计的全过程，培养单层厂房结构设计的工作能力。要求：（1）、掌握单层厂房结构布置和结构选型的一般原则和方法；（2）、综合运用以往所学的力学及钢筋混凝土结构的知识，掌握排架内力分析方法以及构件截面设计方法；（3）、掌握单层厂房结构施工图的表达方法。三、设计内容：1、完成计算书一份，内容包括：（1）设计资料；（2）结构布置与选型；（3）排架内力分析及柱、基础的配筋计算。2、绘制施工图：（1）柱子模板图及配筋图；（2）基础平面布置图及配筋图。四、设计资料：1、厂房跨度21米，总长108米，中间设伸缩缝一道，柱距9米。2、车间内设有两台软钩200／50kN中级工作制吊车，轨顶设计标高12米。3、建筑场地地质情况：地面下0.8米范围内为杂填土，杂填土下面3.5米内为均匀粉土，其承载力标准值fk＝200kPa,地下水位为地面下4.50米，无腐蚀性。4、基本风压W0=0.4kN/m2;基本雪压S0=0.35kN/m2。5、屋面是不上人的钢筋混凝土屋面，屋面均布可变荷载标准值为0.7/m2。6、建议采用材料：（1）、柱：混凝土C25，纵向受力钢筋II级，箍筋I级。（2）、基础：混凝土C30，II级钢筋。7、选用的标准图集：（1）、屋面板：G410（一）标准图集，预应力混凝土大型屋面板，板重标准值（包括灌缝在内）1.4KN/m2。（2）、天沟板：G410（三）标准图集，JGB77-1天沟板，板重标准值2.02kN／m。（3）、屋架：G415（三）标准图集中预应力混凝土折线形屋架，屋架自重标准值106kN。（4）、吊车梁：G323-1~2标准图集DLZ-4，梁高1200毫米，翼缘宽600毫米，腹板宽300毫米，梁自重标准值44.2kN/根，轨道及零件重1kN/米，轨道及垫板高度200毫米。8、建议采用的柱截面尺寸：上柱为矩形bxh=400x400mm,下柱为I形bf=400mm，h=800mm，b=100mm，hf=150~170mm。9、屋面做法：-29- 21000-29- -29- 结构计算书一、结构的计算1、计算简图的确定（1）计算上柱高及柱全高根据图2.107及有关设计资料：上柱高Hu=柱顶标高-轨顶标高+吊车梁高+轨道构造高=12.4-10.0+1.2+0.20=3.8m全柱高H=柱顶标高-基顶标高=12.4-（-0.5）=12.9m故下柱高Hl=H-Hu=12.9-3.8=9.1m上柱与全柱高的比值（2）初步确定柱截面尺寸根据表2.9（A）的参考数据，上柱采用矩形截面，b×h=400mm×400mm，下柱选用I形,b×h×hf=400mm×800mm×150mm（其余尺寸见图2.108），根据表2.8关于下柱截面宽度和高度的限值，验算初步确定的截面尺寸，对于下柱截面宽度对于下柱截面高度，有吊车无吊车时（3）上、下柱截面惯性与其比值排架平面内：-29- 上柱下柱比值排架平面外：上柱下柱排架计算简图（几何尺寸及截面惯性矩）如图2.109所示2、荷载计算（1）恒荷载-29- （а）房屋结构自重预应力混凝土大型屋面板20mm水泥沙浆找平层一毡二油隔气层100mm水泥珍珠岩制品保温层20mm水泥沙浆找平层天沟板天窗端壁屋架自重天窗架1.2×40=48KN则作用于横向水平面排架一端柱顶的屋盖结构自重(b)柱自重上柱下柱-29- （c）吊车梁与轨道自重（2）屋面活荷载由《荷载规范》可知,屋面均匀活荷载标准值为0.7KN/m2,大于该厂房所在地区的基本雪压S0=0.30KN/m2，,故屋面活荷载在每侧柱顶产生的压力为，Q1=1.4×0.7×6×12=70.56KNe1=50mm（3）吊车荷载由电动双钩桥式吊车数据查得Pmax..K=200KN.Pmin.k=50KN,B=5000mm.k=4000mmQ2.K=75KN根据B与K及反力影响线，可算得与各轮对应的反力影响线竖标（图2.110），于是可求的作用与上柱的吊车垂直荷载作用于每个轮子上的吊车水平制动设计值-29- 则作用于排架上的吊车水平荷载，按比例关系由求得Dmax其作用点到柱顶的垂直距离（4）风荷载**地区的基本风压对于大城市市郊，风压高度变化系数按B类地区考虑，高度的取值，对按柱顶标高12.4m考虑，查《荷载规范》得按天窗檐口标高19.86m考虑，查《荷载规范》得风荷载体型系数的分布图2.111所示。故集中风荷载Fw为-29- 排架受荷总图如图2.112所示。3、内力计算（1）恒荷载作用下如前所述，根据恒荷载的对称性和考虑施工过程中的实际受力情况，可将图2.112中的恒载的作用简化为图2.113a、b、c所示的计算简图。（a）在G1作用下已知n=0.151，λ=0.295，由附图2.2中的公式-29- 故在M11作用下不动铰支承的柱顶反力由附图2.3中的公式故在M12作用下不动铰支承的柱顶反力因此，在M11和M12共同作用下（即在G1作用下）不动铰支承的柱顶反力相应的弯矩图如图2.113a所示(b)在G2的作用下相应的弯矩图如图2.113b所示。(c)在G4的作用下-29- 相应的弯矩图如图2.113c所示。将图2.113a、b、c的弯矩图叠加，得在G1、G2、G3和G共同作用下的恒荷载弯矩图（2.113d）,相应的轴力N图如图2.113e所示。（2）屋面活荷载作用下对于单跨排架，Q与G一样为对称荷载，且作用位置相同，仅数值大小不同。故由G的内力图按比例可求得Q的内力图。如：柱顶不动铰支承反力相应的M图如图2.114a,b所示。（3）吊车荷载（考虑厂房整体空间工作）厂房总长102m，中间设一道伸缩缝，跨度为24m，吊车起重量为20t，由表2.13可查得无檩屋盖的单跨厂房空间作用分配系数=0.9（a）吊车垂直荷载作用下作用在A柱的情况图2.122中吊车垂直荷载作用下的内力，可按如图2.115所示的简图进行计算。因此，A、B柱顶剪力按图2.115a所示简图推导的下列公式进行计算：-29- =-12.68KN（绕杆端反时针转）==11.25KN(绕杆端顺时针转为正)相应的弯矩如图2.115b所示。在A柱的情况：由于结构对称，故只需将A柱与B柱的内力对换，并注意内力变号即可。（b）吊车水平荷载作用下从左向右作用在A、B柱的情况（图2.112中吊车水平荷载作用下）的内力，可按如图2.116a所示简图推导的下列公式计算：==由式中可按附录Ⅰ的附图1.4~1.6的公式计算：当y=0.6时，由附图1.4中的公式0.67当y=0.7时，由附图1.5中的公式-29- 当y=0.684Hl时，用内插法求得相应的弯矩图如图2.116a所示。Tmax从右向左作用在A，B柱的情况：在这种情况下，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（图2.116b）。（4）风荷载（a）风从左向右吹（图2.117a）先求柱顶反力系数C11，当风荷载沿柱高均匀分布时，由附图1.8中的公式对于单跨排架，A，B柱顶剪力-29- （b）风从右向左吹（2.117b）在这种情况下，荷载方向相反，弯矩图的方向与风从左向右吹的方向相反（图2.117b）4、最不利内力组合由于结构对称，只需对A（或B）柱进行最不利内力组合，其步骤如下：①确定需要单独考虑的荷载项目。本设计为不考虑地震作用的单跨排架，共有八种需单独考虑的荷载项目，由于小轮无论向右或向左运行中刹车时，A，B柱在Tmax的作用下，其内力大小相等而符号相反，在组合时可列为一项。因此，单独考虑的荷载项目共七项。②将各种荷载作用下设计控制截面（1-1，2-2，3-3）的内力M，N（3-3截面还有剪力V）填入组合表（表2.30）。填表时要注意有关内力符号的规定。③根据最不利又最可能的原则，确定每一内力组的组合项目，并算出相应的组合值。计算中，当风荷载与活荷载（包括吊车荷载）同时考虑时，除恒荷载外，其余荷载作用下的内力均乘以0.85的组合系数。排架柱全部内力组合计算结果列入表2.30。-29- 表1。排架柱内力组合表柱号截面荷载项目内力恒荷载屋面活荷载吊车荷载风荷载内力组合G1G2G3G4Q1Dmax在A柱Dmin在A柱Tmax左风右风Nmax及M,VNmin及M,VMmax及N,V①②③④⑤⑥⑦项目组合值项目组合值项目组合值A柱1-1M(KN·m)30.93.5-48-43±19.464.3-74.2①+②+③+⑤-33①+0.9×（③+⑤+⑦）-89.5①+0.9×（③+⑤+⑦）-89.5-29- N(KN)451.770.600000522.3451.7451.72-2M-66.8-10.61588±19.564.3-74.2①+②+③+⑤100①+⑦-141①+0.9×（③+⑤+⑥）138.7N480.570.65881470001139480.5980.33-3M62.96.142-93±191.7370-345.1①+②+③+⑤302.7①+⑥4331+0.9×（②+③+⑤+⑥）581.3N593.270.65881470001251.8593.21153V14.31.8-12.7-11.3±19.045.1-3122.159.459.45、排架柱设计（1）柱截面配筋计算（a）最不利内力组合的选用由于截面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的最不利内力组合确定，而上柱配筋由截面1-1的最不利内力组合确定。经比较，用于上，下柱截面配筋计算的最不利内力组合列入表2.31。(b)确定柱在排架方向的初始偏心距、计算厂及偏心距增大系数（表2.31）表2.31柱在排架方向、、-29- 截面内力组(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)1-1M(Kn·m)-3363365830.8176004000.9601.882N(Kn)522.28M-89.5198365218176004000.9601.414N451.683-3M4337307657561193508000.9081.384N593.18M581.25504765530191008001.0001.133N1153表中：①=M/N②；③取20mm和h/30的较大值；④；⑤，考虑吊车荷载=2.0（上柱），=1.0（下柱），不考虑吊车荷载=1.5；⑥（C）柱在排架平面内的配筋计算（表2.32）表2.32柱在排架平面内的截面配筋计算截面内力组ei(mm)ηe(mm)x(mm)ζbh0(mm)偏心情况As=As′(mm)计算值实配值-29- 1-1M（kN·M）-33831.882321910.55×365=201　　　大偏心13.6N(kN)522.28M89.52181.41447379201大偏心672.3763（3@18）N451.683-3M4337561.38414111040.55×765=421大偏心18851964(4@25)N593.18M581.255301.13396533421大偏心1240N1153表中：①见表2.31；②；③x,上柱下柱当时，；当时，；④上柱,;下柱当时（取35mm）,当时；上柱或下柱当时，，（d）柱在排架平面外承载力计算上柱Nmax=494.5kN，当不考虑吊车荷载时，按表2.22。l0=1.2H=1.2×12900=154800mm,l0/b=15480/400=38.7,查《混凝土规范》知-29- φ=0.35，As=As′=763mm下柱，当考虑吊车荷载时，查表２.2２，查表《混凝土规范》表７.３.１，故（2）裂缝宽度验算截面３－３，当Ｍ＝３２１.３ＫＮ·ｍ，Ｎ＝５３７.５ＫＮ，相应的，故应作裂缝宽度验算。1-1截面因因而不作此项验算。由内力组合表可知，验算裂缝宽度的荷载标准组合值KN·m则纵向受拉钢筋合力点至受压区合力作用点间的距离为-29- 纵向受拉钢筋的应力裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数故最大裂缝开展宽度为(3)柱牛腿设计（a）牛腿几何尺寸的确定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吊车梁端部为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+相应牛腿水平截面高为600+400=1000mm，牛腿外边缘高度，倾角α=，于是牛腿的几何尺寸如图2.118所示。(b)牛腿配筋由于吊车垂直荷载于下柱截面内，即a=750—800=—50〈0，故该牛腿可按构造要求来配筋纵向钢筋取，箍筋取(图2.118)-29- (c)牛腿局部挤压验算设垫板的长和宽为400mm×400mm，局部压力标准组合植故局部压应力为（4）柱的吊装演算(a)吊装方案：一点翻身起吊，吊点设在牛腿与下柱交接处（图2.119）(b)荷载计算上柱自重牛腿自重下柱自重计算简图如图2.119b所示。(c)内力计算-29- 弯矩图如2.119所示。(d)截面承载力计算截面1-1：故截面承载力截面2-2：故截面承载力(e)裂缝宽度演算故承载力计算可知，裂缝宽度演算截面1-1即可。钢筋应力如下：-29- 按有效受拉混凝土面积计算的纵向钢筋配筋率故实际上吊装阶段荷载为短期作用，最大裂缝宽度应为0.252/1.5=1.168mm，满足要求，对柱若采用平卧起吊，承载力和裂缝宽度将均不满足要求。6、基础设计（1）荷载计算(a)由柱传至基顶的荷载由表2.30可得荷载设计植如下：第一组第二组-29- 第三组(b)由基础梁传至基顶的荷载墙重（含两面刷灰）窗重（钢框玻璃窗）基础梁由基础梁传至基础顶面荷载设计值为：对基础地面中心的偏心距(C)作用于基底的弯矩和相应基顶的轴向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：第一组第二组第三组基础的受力情况如图2.120所示。-29- ①基底尺寸的确定由第二组荷载确定和演算的条件-29- 验算其他两组荷载设计值作用下的基底应力第一组（可以）第三组因为该车间属于可不作地基变形计算的二级建筑物，所以最后确定基底尺寸为2.3m×3.7m（图2.120）。（2）确定基底的高度前面已初步确定基础的高度为1.1m，如采用锥形杯口基础，根据构造要求，初步确定的基础剖面尺寸如图2.121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的抗冲击切力验算。（a）在个组荷载设计值作用下的地基最大净反力第一组第二组第三组抗冲切计算按第二组荷载设计值作用下的地基净反力进行计算。-29- （a）在第一组荷载作用下的冲切力冲切力近似按最大地基净反力计算，既取由于基础宽度b=2.5m，小于冲切锥体底边宽故(c)变阶处的抗冲切力由于基础宽度小于冲切锥体底边宽，故（满足要求）因此，基础的高度及分阶可按图2.121所示的尺寸采用。（3）基底配筋计算-29- 包括沿长边和短边两个方向的配筋计算，由前述三组荷载设计植作用下最大地基净反力的分析可知，应按第一组荷载设计值作用下的地基净反力进行计算。而沿短边方向，由于为轴心受压，其钢筋用量按第三组荷栽设计值作用下的平均地基净反力进行计算。（a）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，相应于柱边及变阶处的反力（图2.122a）：则选用15φ14（φ14@220）（可以）（b）沿短边方向的计算在第三组荷载设计值作用下，均匀分布的地基土净反力（图2.122b）-29- 选用19φ10（φ10@220），（可以）基础底面沿两个方向的配筋如图2.122c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（Z-1）和基础（J-1）的模板及配筋施工详图见图2.123。-29-'