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1、单层厂房结构课程设计实例1、结构构件选型及柱截面尺寸确定该厂房是某市郊区内的一个高双跨（18m+18m）生产车间。车间长总36m，纵向柱矩6m，在车间中部，有温度伸缩逢一道，厂房两头设有山墙。柱顶标高大于8m，故采用钢筋混凝土排架结构。为了使屋架具有较大刚度，选用预应力混凝土折线形屋架及预应力混凝土屋面板，选用钢筋混凝土吊车梁及基础梁。厂房的各构选型见表1-1表1-1主要构件选型 由图1-1可知柱顶标高是8.4米，牛腿顶面标高为9.0m；室内地面至基础顶面的距离为0.5米，则计算简图中柱顶标高H，下柱高度Hl和上柱的高度Hu分别为：H=12.9m+0.5m=13.4mH1=8.4m+0.5m=
2、6.5mHu=10.7m-6.5=4.2m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，见表1-2。见表1-2 柱截面尺寸及相应的参数2.荷载计算2.1恒载2.1.1屋盖恒载屋架重力荷载为106.0kN/榀，则作用于柱顶的屋盖结构的重力荷载设计值为：2.1.2吊车梁及轨道重力荷载设计值:2.1.3柱自重重力荷载设计值: A、C柱: 上柱：G4A=G4C=1.24.0kN/m3.35m=16.08kN 下柱: G5A=G5C=1.24.69kN/m9.5m=53.47kNB柱: 上柱: G4B=1.26.0kN/m3.35m=24.12kN 下柱: G5B=1.26.94kN/m9.
3、5m=79.12kN 各项恒载作用位置如图2-1所示。图2-1 荷载作用位置图 （单位：kN）2.2活荷载2.2.1屋面活荷载由荷载规范查得，屋面活荷载的标准值为0.5kN/m（可作0.2kN/m的增减），本处取0.5kN/m，雪荷载的标准值为0.35kN/m，故仅按屋面活荷载计算,作用于柱顶的屋面活荷载设计值为: Q1=1.40.5kN/m26m24/2m=50.4kNQ1的作用位置与G1作用位置相同，如图2-1所示。2.2.2风荷载由荷载规范查得，某地区基本风压W0=0.5 kN/m2，z=10；风荷载的标准值按计算，根据厂房各部分标高(图2-54)及B类地面粗糙度确定如下： 柱顶(标高1
4、2.35m) =1.028 檐口(标高13.35m) =1.093 屋顶(标高14.40m) =1.123如图2-57所示，则由上式可得排架迎风面及背风面的风荷载标准值分别为：1.00.81.0280.5 kN/m20.411 kN/m21.00.41.0280.5 kN/m20.206 kN/m2 图2-57 风荷载体型系数及计算简图则作用于排架计算简图(图2-57)上的风荷载设计值为:q1=1.40.411 kN/m26.0 m3.45kN/mq2=1.40.206 kN/m26.0m1.73kN/m =1.4 （0.8+0.4）1.093 （13.35-12.35）+ (-0.6+0.5
5、)1.123(14.40-13.35) 1.00.56 =5.01kN 所以风荷载作用如图6所示。图6 风荷载作用示意图2.3吊车荷载 由表6可得15/3t吊车的参数为：B=5.55m，K=4.4m，G=69kN，Q=320，Pmax=185kN，Pmin=37.5kN根据B=5.55m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2-58所示。(1)吊车竖向荷载吊车竖向荷载设计值为： (2)吊车横向水平荷载对于15/3t的软钩吊车=10%，作用于每一个轮子上的吊车横向水平制动力为：作用于排架柱上的吊车横向水平荷载设计值为： 图2-58 吊车荷载作用下支座反力影响线排架内力分析A、
6、C列柱柱顶位移、的计算 =2.1310mm，=1.953810mm /=（2.1310）/（1.953810）=0.110 /=3.35/12.85=0.26 =3/1+0.26 (1/0.110-1)=2.63=1.0/(1.9538102.63) ()=1.94610()(2) B列柱柱顶位移的计算上柱： =7.210mm，=2.56310 mm /=（7.210）/（2.56310）=0.281 /=3.35/12.85=0.26 =3/1+0.26 (1/0.281-1)=2.87=1.0/(2.563102.87) ()=1.35910()各柱剪力分配系数 = = =0.2912+0
7、.417=1.0恒荷载作用下排架内力分析图5恒荷载作用的计算简图G1=GA1=410.4kN； G2=G3+G4A=50.72kN+16.08kN =66.80kN； G3=G5A=53.47kN； G4=2GB1=410.4kN2=654.24kN； G5=2G3+G4B=250.72kN +24.12kN =125.56kN； G6=G5B=79.12kN；M1= G1e1=410.4kN0.05 m =20.52 kN.m；M2=(G1+ G4A)e0-G3e3=(410.4kN +16.08kN)0.2 m -53.47kN0.35 m = 66.58 kN.m2.0311.2241.
8、6841.338RA=C1+C3=(20.52kN.m2.031+66.58kN.m1.224)/12.85m = 9.59kN ()RC= 9.59kN ()；本例中RB=0 kN求得后，可用平衡条件求出柱各截面的弯矩和剪力。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2-59、。 图2-59d为排架柱的弯矩、剪力和轴力的正负号规定，下同。内力图：图6 恒荷载内力图恒荷载作用下排架内力分析AB跨作用屋面活荷载 图7 AB跨作用活荷载作用简图Q1 =50.4kN，则在柱顶和变阶处的力矩为：M1A= 50.4kN0.05 m = 2.52kN.m；M2A=
9、50.4kN0.25 m = 12.6kN.m；M1B= 50.4kN0.15 m = 7.56 kN.m对于A柱，C1=2.031，C3=1.224,则RA=C1+C3=(2.52kN.m2.031+12.6kN.m1.224)/12.85m=2.07kN ()对于B柱C1B=1.68，则RB=C1B =7.56 kN.m1.684/12.85m=0.99kN ()则排架柱顶不动铰支座总的反力为：R= RA+ RB= 2.07kN+0.99kN =3.06kN ()VA= RARA=2.07kN -0.2913.06kN =1.18 kN ()VB= RBRB=0.99-0.4173.06k
10、N =0.29kN ()VC= RC=0.2913.06kN =0.89kN ()排架各柱的弯矩图,轴力图,柱底剪力如图8所示:图8 AB跨作用屋面活荷载内力图(2)BC跨作用屋面活荷载由于结构对称，且BC跨的作用荷载与AB跨的荷载相同，故只需在图8的各内力图位置及方向调一即可，如图10所示：图9 AB跨作用活荷载作用简图图10 BC跨作用屋面活荷载内力图风荷载作用下排架内力分析左吹风时计算简图如图2-62a所示。对于A，C柱, 得C=RA= q1HC11= 3.45 kN/m12.85m0.340= 15.07kN ()RC= q1HC11= 1.73kN/m12.85m0.340= 7.5
11、6kN ()R= RA+ RC+Fw= 15.07kN+7.56kN+5.01kN =27.64 kN ()各柱的剪力分别为:VA= RARA=15.07kN -0.29127.64kN = 7.03kN ()VB= RBRB=0 -0.41727.64kN =-11.53kN ()VC= RCRC= 7.56kN-0.29127.64 kN =-0.48kN ()图11 左风内力图右风吹时因为结构对称，只是内力方向相反,，所以右风吹时，内力图改变一下符号就行，如图12所示；图11 右风内力图吊车荷载作用下排架内力分析（不考虑厂房整体空间工作）Dmax作用于A柱计算简图如图所示，其中吊车竖向荷
12、载Dmax，Dmin在牛腿顶面引起的力矩为：MA= Dmaxe3=556.85kN0.30m=167.06kN.mMB= Dmine3=112.875kN0.75m=84.66kN.m对于A柱，C3=1.224，则()对于柱C3B=1.338，则()R= RA+ RB=-15.91kN+8.82kN=-7.09kN ()各柱的剪力分别为：VA= RA-RA=-15.91kN +0.2917.09kN =-13.85kN ()VB= RB-RB=8.82kN +0.4177.09kN =11.78kN ()VC= -RC=0.2917.09kN =2.06kN ()图12Dmax作用在A柱时排架
13、的内力Dmax作用于B柱左计算简图如图13所示，其中吊车竖向荷载Dmax，Dmin在牛腿顶面引起的力矩为：MA= Dmine3=112.875kN0.30m=33.86 kN.mMB= Dmaxe3=556.85kN0.75m=417.64 kN.m RA=C3=-33.86 kN.m1.224/12.85m=3.23kN ()RB=C3B=417.64 kN.m1.338/12.85m=43.49kN ()R= RA+ RB=3.23kN +43.49kN =40.26kN ()各柱的剪力分别为:VA= RA-RA=3.23kN0.29140.26kN =14.95kN ()VB= RB-R
14、B=43.49kN0.41740.26kN =26.70kN ()VC= -RC=0.29140.26kN =11.72kN ()图13Dmax作用在B柱左时排架的内力Dmax作用于B柱右根据结构对称和吊车吨位相等的条件，内力计算与Dmax作用于B柱左情况相同，只需将A，C柱内力对换和改变全部弯矩及剪力符号：如图14图14Dmax作用在B柱右时排架的内力Dmax作用于C柱同理，将Dmax作用于A柱的情况的A，C柱的内力对换，且注意改变符号，可求得各柱的内力，如图15图15Dmax作用在C柱时排架的内力Tmax作用于AB跨柱当AB跨作用吊车横向水平荷载时，排架计算简图16-a所示。对于A柱，n=
15、0.11，=0.26，得a=(3.35-1.2)/3.35=0.64，Tmax=29.27kNC5=0.68于B柱，n=0.28，=0.26，得a=(3.35-1.2)/3.35=0.64，Tmax=29.27kNC5B=0.73RA=TmaxC5=29.27kN0.68=19.90kN ()RB=TmaxC5=29.27kN0.73=21.36kN ()排架柱顶总反力R：R= RA+ RB=19.90kN21.36kN41.26kN各柱的简力：VA= RA-RA=19.90kN0.29141.26kN =7.89kN ()VB= RB-RB=21.36kN0.41741.26kN =4.15
16、kN ()VC=RC=0.29141.26kN =12.01kN ()图16Tmax作用在AB跨时排架的内力Tmax作用于BC跨柱由于结构对称及吊车的吨位相等，故排架内力计算与“Tmax作用于AB跨柱”的情况相同，只需将A柱与C柱的对换，如图17图17Tmax作用BC跨时排架的内内力组合以柱内力组合为例。表2-24为各种荷载作用下柱内力标准值汇总表，表2-25表2-32，表2-33为柱内力组合表，这两表中的控制截面及正号内力方向如表2-24中的例图所示。 对柱进行裂缝宽度验算时，内力采用标准值，同时只需对的柱进行验算。为此，表2-33中亦给出了和的组合值，它们均满足的条件，对设计来说，这些值均
17、取自及相应的和一项。表2-24 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作用在跨作用在跨作用在柱作用在B柱左作用在B柱右作用在柱作用在跨作用在BC跨左风右风 序号123456789101120.52?-?-?-?10.5018.55426.4850.4000000000-19.37-?-?-?10.50-18.55481.2050.40556.85112.875000000?-?-?-?139.76-107.20534.6750.40556.85112.8750000009.591.18-0.89-13.85-11.78-11.722.067.8912
18、.0130.8119.10弯矩图注：单位()，单位，单位。表2-25 1.2恒载+1.4屋面活荷载截面组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、12314.8111.9812314.81314.8275.41237.61275.41237.6113-27.4812-38.7112-38.711-29.78296.41334.21334.21296.411318.22127.1812313.641318.22332.99370.79370.79332.99123 相应的相应的7.713.64370.79注：单位()，单位，单位。表2-26 1.2恒载+1.4吊车荷载截面组合
19、项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、16973.4051579-58.9516973.40516973.405237.61237.61237.61237.611469118.7131579-72.1611469118.713179-55.826738.01391.586738.01296.411468237.069158-207.0841468237.069169184.11774.59440.063774.59332.99169相应的相应的23.454184.11332.99注：单位()，单位，单位。表2-27 1.2恒载+1.4风荷载截面组合项及相应的、组合项及相应
20、的、组合项及相应的、组合项及相应的、11022.48111-6.5711022.4811022.48237.61237.61237.61237.61110-19.28111-48.33111-48.33111-48.33296.41296.41296.41296.41110151.52111-95.44110151.52110151.52332.99332.99332.99332.99110相应的相应的37.2151.52332.99注：单位()，单位，单位。表2-28 1.2恒载0.91.4（屋面活荷载吊车荷载风载）截面组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、1,23
21、,69,1079.2511,57,99-68.5551,23,691079.2511,36,91078.783271.63237.61271.63237.611,34,69,10115.3841，25，79，11-92.6551,23,46,910107.3471,7911-69.916693.85416.08727.87296.411,34,68,10346.1361，25，811-285.8021,23,46,810342.1041,36,910298.473730.43463.376764.45332.991,23,69,10相应的相应的50.656294.351367.01注：单位()
22、，单位，单位表2-29 1.2恒载0.91.4（屋面活荷载吊车荷载）截面组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、1,23,6969.8011579-51.8601,23,6969.801136969.333271.63237.61271.63237.611,34,69105.9341，25，7975.9601,23,46,997.897179-53.221693.85426.088727.87296.411,34,68220.3521，25，8-189.3221，23，46，8216.231369172.689730.43463.376764.45332.991，23，
23、6相应的相应的22.927168.567367.01注：单位()，单位，单位。表2-30 1.2恒载0.91.4（屋面活荷载风载）截面组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、1231023.968111-4.7151231023.968131023.5271.63237.61271.63237.611310-18.261211-54.5121211-54.512111-46.475296.41330.43330.43296.411310143.3581211-88.84212310139.2361310143.358332.99367.01367.01332.991,2
24、3,10相应的相应的35.298139.236367.01注：单位()，单位，单位。表2-31 1.2恒载0.91.4（吊车荷载风载）截面组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、1，69，1076.7131,57,911-68.5551691076.7131691076.713237.61237.61237.61237.611，46，910113.3141,57,911-84.6181,46,910113.31417911-69.916693.85382.068693.85296.411,46,810340.3221，58，11-281.6801,46,810340.3
25、221，69，10292.659730.43429.356730.43332.991，69，10相应的相应的49.477292.659332.99注：单位()，单位，单位。表2-32 1.35恒载+0.71.4屋面活荷载+0.71.4吊车竖向荷载截面组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、1，23，643.55015-22.2881，23，643.55013643.186293.771267.311293.771267.3111，34，657.1531，25，754.5211，23，433.93517-36.835642.581426.544707.681333.461
26、1，34，6100.139125-67.8381，23，4696.93313696.590683.733476.025710.194374.6141，23，6相应的相应的15.91193.384401.073注：单位()，单位，单位。表33 柱内力组合表截面组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、组合项及相应的、,备注1,2,36,910表1479.2511,5,79,11表14-68.5551,23,6表1843.5501,3,69,10表1478.78357.699标准值取自及相应的,项271.63237.61293.771237.61198.0081,4,69表12118.713
27、1,2,57,911表14-92.6551,46,9表12118.7131,79,11表14-69.916标准值取自及相应的,项738.01416.088738.01296.411,3,46,810表14346.1361,2,58,11表14-285.8021,46,8表12237.0691,3,69,10表14298.473214.595标准值取自及相应的,项730.43463.376774.59332.99277.491,2,36,910相应的相应的50.656294.351367.01注：单位()，单位，单位6. 柱截面设计以柱为例。混凝土强度等级为,fc=14.3N/mm2, ftk=
28、2.01N/mm2；采用HRB400级钢筋，fy=fy，=360 N/mm2，。上、下柱均采用对称配筋。上柱配筋计算上柱截面共有4组内力。取；而截面的内力均小于，则都属于大偏心受压，所以选取偏心距较大的一组内力作为最不利内力。即取 =78.783kN.m,= 426.48kN；吊车厂房排架方向上柱的计算长度。附加偏心矩取（大于）332mm，332mm+20mm=352mm 应考虑偏心距增大系数。，取1.20174.52mm且262.75mm972mm2 选318(As=763mm2)，验算最小配筋率：， 满足要求。 垂直于弯矩作用下平面承载力计算，由附表知在垂直排架方向设有柱间支撑设时，垂直于
29、排架方向柱的计算长度，则，轴心受压稳定系数=0.97，则：= =2461.64kNNmax=476.88kN，满足弯矩作用平面外的承载力要求。下柱配筋计算取与上柱分析方法类似。 = =1280.536kN 而，截面的内力均小于，则都属于大偏心受压。所以选取偏心距最大的一组内力作为最不利内力。按=278.783kN.m,= 476.88kN，计算下柱计算长度取，附加偏心距（大于20）。，896.34mm 896.34mm+30mm=926.34mm,应考虑偏心距增大系数且取 , 取 1.001mm，先假定中和轴位于翼缘内，则83.37mm，即中和轴过翼缘 （且） 选用418，垂直于弯矩作用下平面
30、承载力计算：， ， Nmax=476.88kN所以满足弯矩作用平面外的承载力要求。柱箍筋配置由内力组合表Vmax=10.77kN，相应的N=476.88kN，M=294.35kN.m验算截面尺寸是否满足要求。截面满足要求。 计算是否需要配箍筋：,取 =79.5kNVmax=10.77kN可按构造配箍筋，上下柱均选用箍筋。 =3072.789kNNmax=774.59kN满足弯矩作用面的承载力要求。柱的裂缝宽度验算相应于控制上、下柱配筋的最不利内力组合的荷载效应标准组合为： 表2-34 柱的裂缝宽度验算表柱截面上柱下柱内力标准值57.699214.595198.008277.49291.390.
31、55h0=198773.340.00950.01取0.01131.11.0480.5291183.3400.523288.95722.2172.06174.0450.3410.4360.1240.3 满足要求0.1470.3满足要求上柱=763，下柱=1018；构件受力特征系数；混凝土保护层厚度取30mm。验算过程见表2-34。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2-70所示。其中牛腿截面宽度=400mm，牛腿截面高度=600mm, =565mm。 图2-70 牛腿尺寸简图牛腿截面高度验算 裂缝控制系数=0.65, (牛腿顶面无水平荷载), 作用点位于下柱截
32、面内，则取 ,按下式确定:故截面高度满足要求。牛腿配筋计算由于, 因而该牛腿可按构造要求配筋。根据构造要求， ,且,纵筋不宜少于4根，直径不宜小于12，所以选用416(AS=804mm2)。由于牛腿的剪跨比，则可以不设置弯起钢筋，箍筋按构造配置，牛腿上部范围内水平箍筋的总截面面积不应小于承受的受拉纵筋总面积的，箍筋选用。局部承压面积近似按柱宽乘以吊车梁承压板宽度取用：A=400mm500mm=2.0105mm2。满足要求。柱的吊装验算 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。柱插入杯口深度为=0.9900mm=810mm,取=850mm,则柱吊装时总长度为3.35m+9.5m
33、+0.85m=13.7m,计算简图如图2-71所示。 图2-71 柱吊装计算简图柱吊装阶段的荷载为柱自重重力荷载(应考虑动力系数)，即：在上述荷载作用下，柱各控制截面的弯矩: 由得： 令，得，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2-35。表2-35 柱吊装阶段承载力及裂缝宽度验算表 柱截面上柱下柱40.401 （38.88）58.113 (54.540)87.8970.940.401=36.361300.510.958.113=52.302162.69771.6060.297-0.5150.2, 取0.20.1020.2 (满足要求)0.0280.2 (满足要求)基础设
34、计（A柱下基础）初步确定杯口尺寸及基础埋深杯口尺寸 图25 基础截面尺寸杯口的深度：杯口深度为850mm+50mm=900mm;杯口顶部尺寸：宽为400mm+275mm=550mm，长900mm+275mm=1050mm;杯口底部尺寸：宽为400mm+250mm=500mm，长900mm+250mm=1000mm;杯口厚度：因为800hc1000，所以杯壁的厚度取t=350mm;杯壁高度：h1t/0.75=350mm/0.75mm=466mm，取h1=400mm;杯底厚度；a1=250mm，根据a2a1原则，取a2为250mm;根据以上尺寸，确定基础总高度H1+a1+50=850mm+250m
35、m+50mm=1150mm基础的埋置深度：1150+500=1650mm，地基承载里设计值：fa=200kN/m2 基础面积计算表26A(B)柱在基础地面的荷栽按轴心受压对应的轴向力标准值 估算基础底面尺寸A：=1006.06 kN /(200kN/m2 -20kN/m31.65m)=6.06m2考虑偏心受压，将基础的面积增大20,1.2A=1.26.06m2=7.27m2。选长边尺寸=2.4m，短边尺寸=3.4m，则， 满足要求基础自重和基础上的土重标准值为：G=GyDA=1.220 kN/m31.65m8.16m2=323.14kN 表27 基础底面压应力计算校核基础底面积是否满足要求：
36、校核0.5(Pmax+Pmin)f 0.5(Pmax+Pmin)=0.5(198.90kN/m2+134.22 kN/m2)=166.56 kN/m2f=200 kN/m2 校核Pmax1.2f Pmax=198.90 kN/m20由以上得知，基础的地面尺寸3.42.48.16m2，满足要求图28基础截面尺寸基底净反力设计值地基净反力计算：表29地基净反力由表可以看出Nmax最不利。（Pjmax=158.10 kN,Pjmin=93.42 kN）柱边冲切承载力验算基础的有效高度h0=1150mm-40mm=1110mm，而b=2.4mbc+2h0=0.4m+21.11m=2.62m， 查表的np=0.98，C20基础混凝土，ft=1.10N/mm2，1264.785kN，满足要求。变阶处冲切承载力验算 h/0=500mm-40mm=460mm，=1250m ，=1750m =186.13，满足要求。基底配筋验算截面：MI=1/48(Pjmax+Pj)(2b+bc)+(Pjmax-Pj)b(l-hc)2 =1/48(158.1 kN+125.76 kN) (2.4m2+0.4m)+ (158.1 kN 125.76 kN) 2.4m (3.4m-0.9m)2 =280.25kN.mAsI= MI/0.9fyh0=280.25 kN.m /(0.9210kN/m21.11m)=