单层厂房排架结构设计 35页

'单层厂房排架结构设计ADesignofExampleforMillBentsofOne-storyIndustrialWorkshops3.9.1设计资料及要求1．工程概况某机修车间为单跨厂房，跨度为24m，柱距均为6m，车间总长度为66m。每跨设有起重量为20/5t吊车各2台，吊车工作级别为A5级，轨顶标高不小于9.60m。厂房无天窗，采用卷材防水屋面，围护墙为240mm厚双面清水砖墙，采用钢门窗，钢窗宽度为3.6m，室内外高差为l50mm，素混凝土地面。建筑平面及剖面分别如图3-76和图3-77所示。图3-76图3-7735 2．结构设计原始资料厂房所在地点的基本风压为，地面粗糙度为B类；基本雪压为。．。风荷载的组合值系数为0.6，其余可变荷载的组合值系数均为07。土壤冻结深度为0.3m，建筑场地为I级非自重湿陷性黄土，地基承载力特征值为l65kN/m：，地下水位于地面以下7m，不考虑抗震设防。3．材料基础混凝土强度等级为C20;柱混凝土强度等级为C30。纵向受力钢筋采用HRB335级、HRB400级；箍筋和分布钢筋采用HPB235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；3.9.2构件选型及柱截面尺寸确定因该厂房跨度在l5-36m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粱制作方便，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粱。厂房各主要构件造型见表3-16。由设计资料可知，吊车轨顶标高为9.80m。对起重量为20/5t、工作级别为A5的吊车，当厂房跨度为24m时，可求得吊车的跨度=24-0.75×2=22.5m，由附表4可查得吊车轨顶以上高度为2.3m;选定吊车梁的高度=1.20m，暂取轨道顶面至吊车梁顶面的距离=0.2m，则牛腿顶面标高可按下式计算：牛腿顶面标高=轨顶标高--=9.60-1.20-0.20=8.20m由建筑模数的要求，故牛腿顶面标高取为8.40m。实际轨顶标高=8.40+1.20+0.20=9.80m>9.60m。考虑吊车行驶所需空隙尺寸=220mm，柱顶标高可按下式计算：35 柱顶标高=牛腿顶面标高++吊车高度+，=8.40+1.20+0.20+2.30+0.22=12.32m故柱顶（或屋架下弦底面）标高取为12.30m。取室内地面至基础顶面的距离为0.5m，则计算简图中柱的总高度、下柱高度和上柱高度分别为=12.3+0.5=12.8m=8.4+0.5=8.9m=12.8—8.9=3.9m根据柱的高度吊车起重量及工作级别等条件，可由表3-5并参考表3-7确定柱截面尺寸为A、B轴上柱口下柱3.9.3定位轴线横向定位轴线除端柱外，均通过柱截面几何中心。对起重量为20/5t、工作级别为的吊车，由附表4可查得轨道中心至吊车端部距离;吊车桥架外边缘至上柱内边缘的净空宽度，一般取。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，故亦符合要求。3.9.4计算简图确定由于该机修车间厂房，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，如图3-78(b)所示；计算简图如图3-78(a)所示。（a）35 （b）图3-783.9.5荷载计算1.永久荷载（l）屋盖恒载为了简化计算，天沟板及相应构造层的恒载，取与一般屋面恒载相同。两毡三油防水层20mm厚水泥砂浆找平层100mm厚水泥蛭石保温层一毡两油隔气层20mm厚水泥砂浆找平层预应力混凝土屋面板（包括灌缝）屋盖钢支撑图3-79A、B柱永久荷载作用位置相同屋架自重重力荷载为l06kN/榀，则作用于柱顶的屋盖结构自重标准值为35 (2)吊车梁及轨道自重标准值(3)柱自重标准值A、B轴上柱下柱各项永久荷载作用位置如图3-79所示。2．屋面可变荷载由《荷载规范》查得，屋面活荷载标准值为0.5kN/㎡,屋面雪荷载标准值为0.25kN/㎡，由于后者小于前者，故仅按屋面均布活荷载计算。作用于柱顶的屋面活荷载标准值为的作用位置与作用位置相同，如图3-79所示。3．吊车荷载对起重量为20/5t的吊车，查附表4并将吊车的起重量、最大轮压和最小轮压进行单位换算，可得：根据B及K，可算得吊车梁支座反力影响线各轮压对应点的竖向坐标值，如图3-80所示，据此可求得吊车作用于柱上的吊车荷载。图3-80(1)吊车竖向荷裁吊车竖向荷载标准值为35 (2)吊车横向水下荷藏作用于每一个轮子上的吊车横向水平制动力为同时作用于吊车两端每排架柱上的吊车横向水平荷载标准值为4．风荷载风荷载标准值按式（3—12）计算，其中基本风压按B类地面粗糙度，根据厂房各部分标高（图3—77），由附表3-1可查得风压高度变化系数为柱顶（标高12.30m）檐口（标高14.60m）屋顶(标高16.00）风荷载体型系数如图3-81(a)所示，则由式(3-12)可求得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计算简图(图3-81b)上的风荷载标准值为35 图3-813.9.6排架内力分析有关系数厂房为等高排架可用剪力分配法进行排架内力分析。由于该厂房的A柱和B柱的柱高、截面尺寸等均相同，故这两柱的有关参数相同。1．柱顶剪力分配系数柱顶位移系数和柱的剪力分配系数分别计算，结果见下表柱号A、B柱由上表可知，。2.单阶变截面柱柱顶反力系数由表3-9中给出的公式可分别计算不同荷载作用下单阶变截面柱的柱顶反力系数，计算结果见表3-19。表3-19简图柱顶反力系数A柱和B柱2.14335 1.1040.5590.3263．内力正负号规定本例题中，排架柱的弯矩、剪力和轴力的正负号规定如图3-82所示，后面的各弯矩图和柱底剪力均未标出正负号，弯矩图画在受拉一侧，柱底剪力按实际方向标出。图3-823.9.7排架内力分析1．永久荷载作用下排架内力分析永久荷载作用下排架的计算简图如图3-83（a）所示。图中的重力荷载及力矩根据图3-79确定，即35 由于图3-83(a)所示排架为对称结构且作用对称荷载，排架结构无侧移，故各柱可按顶为不动铰支座计算内力。按照表3-19计算的柱顶反力系数，柱顶不动铰支座反力可根据表3-9所列的相应公式计算求得，即求得柱顶反力后，可根据平衡条件求得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、轴力图和柱底剪力分别见图3-83(b)、(c)。图3-831．屋面可变荷载作用下排架内力分析排架计算简图如图3-84(a)所示。屋架传至柱顶的集中荷载,它在柱顶及变阶处引起的力矩分别为35 按照表3-19计算的柱顶反力系数和表3-9所列的相应公式可求得柱顶不动铰支座反力即则排架柱顶不动铰支座总反力为：排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力如图3-84（b)、（c)所示。图3-841．屋面可变荷载作用下排架内力分析（1）作用于A柱计算简图如图3-86(a)所示。其中吊车竖向荷载、在牛腿顶面处引起的力矩分别为：按照表3-19计算的柱顶反力系数和表3-9所列的相应公式可求得柱顶不动铰支座反力分别为排架各柱顶剪力分别为35 排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力如图3-86（b)、（c)所示。图3-86（2）作用于B柱同理，将作用于A柱情况的A、B柱内力对换，并改变内力符号可求得各柱的内力。（3）作用于AB跨柱当AB跨作用吊车横向水平荷载时，排架计算简图如图3-90(a)所示。由表3-9得,则柱顶不动铰支座反力分别为排架柱顶总反力R为各柱顶剪力分别为排架各柱的弯矩图及柱底剪力值如图3-90（b)所示。当方向相反时，弯矩图和剪力图只改变符号，数值不变。35 图3-901．风荷载作用下排架内力分析（1）左吹风时计算简图如图3-92（a)所示。柱顶不动铰支座反力及总反力分别为各柱顶剪力分别为排架内力图如图3-92（b)所示。（2）右吹风时将图3-92(b)所示A、B柱内力图对换，并改变内力符号后即可。35 图3-923.9.8内力组合以A柱内力组合为例。控制截面分别取上柱底部截面I-I、牛腿顶截面ⅡⅡ和下柱底截面Ⅲ-Ⅲ，如图3-53所示。表3-20为各种荷戴作用下A柱各控制截面的内力标准值汇总表。表中控制截面及正号内力方向如表3-20中的例图所示。荷载效应的奉基本组合设计值按式(3-24)进行计算。在每种荷载效应组合中，对矩形和I形截面柱均应考虑以下四种组合，即(1)及相应的(2)及相应的;(3)及相应的；(4)及相应的。35 表3-20控制截面及正向内力荷载类别永久荷载效应SGK屋面可变荷载效应SGK吊车竖向荷载效应SGK吊车水平荷载效应SQK风荷载效应SQK作用在A柱作用在B柱作用在AB跨左风右风弯矩图及柱底截面剪力序号①②③④⑤⑥⑦I-IMK15.532.41-27.22-27.77019.46-27.28NK295.4036.0000000II-IIMK-45.03-6.59111.461.26019.46-27.28NK339.7036.00462.2596.75000III-IIIMK22.353.0249.34-62.1+62.1165.83-140.24NK381.4436.00462.2596.75000VK7.571.08-6.98-7.128.2624.41-16.65由于本例不考虑抗震设防，对柱截面一般不需进行受剪承载力计算。故除下柱底截面Ⅲ-Ⅲ外，其他截面的不利内力组合未给出所对应的剪力值。对柱进行裂缝宽度验算和基础地基承载力计算时，需采用荷载效应的标准组合和准永久组合的效应设计值。表3-2l和表3-22为A柱荷载效应的基本组合和标准组合。35 表3-21截面内力组合基本组合（可变荷载控制）标准组合:+Mmax及相应的N,V-Mmax及相应的N,VNmax及相应的M,VNmin及相应的N,VI-IM1.2×①+1.4×⑥+1.4×0.7×②48.24①+1.4×0.9×④+1.4×0.7×0.9×③+0.6×⑦-66.381.2×+1.4×0.9×⑥+1.4×0.7×②45.24①+1.4×0.9×⑥+1.4×0.7×②42.14N389.76295.40389.76295.40II-IIM①+1.4×0.9×③+1.4×0.6×⑥114.481.2×①+1.4×0.9×⑦+1.4×0.7×②-94.871.2×①+1.4×0.9×③+1.4×[0.7×②+0.6×（⑥+⑦）]75.84①+1.4×0.9×⑦+1.4×0.6×⑥-80.26N922.14442.921025.36339.70III-IIIM1.2×①+1.4×⑥+1.4×(0.7×②+0.7×0.9×③+0.7×0.9×⑤)361.04①+1.4×⑦+0.7×0.9×（④＋⑤）-293.851.2×①+1.4×0.9×③+1.4×0.7×（②+0.9×⑤）196.42①＋1.4×⑥+1.4×0.7×（②+0.8×③+0.9×⑤）335.84N946.01466.771075.44779.12V34.34-24.469.9333.34Mk①+⑥+[0.7×(②+③)×③+0.7×0.9⑤]275.57①＋⑦＋0.7×0.8×④+0.7×0.9×⑤-203.41①+0.9×③+0.7×②+0.7×0.9×⑤+0.6×⑥219.29①＋⑥＋（0.7×③+0.7×0.9×⑤）273.46NK730.20435.62822.67705.02VK34.34-24.4621.1433.2635 表3-22截面内力组合基本组合（永久荷载控制）+Mmax及相应的N,V-Mmax及相应的N,VNmax及相应的M,VNmin及相应的N,VI-IM1.35×+1.4×（0.7×②+0.6×⑥）39.66①+1.4×（0.7×0.8×④+0.7×0.9×③+0.6×⑦）-53.181.35×①+1.4×（0.6×⑥+0.7×②）39.66①+1.4×（0.6×⑥+0.7×②）34.23N434.07295.40434.07330.68II-IIM①+1.4×（0.7×③+0.6×⑥）80.551.35×①+1.4×（0.6×⑦+0.7×②）-80.401.35×①+1.4×[0.7×0.9×③+0.7×②+0.6×（⑥+⑦）]24.46①+1.4×0.6×（⑥＋⑦）-51.62N792.71493.88901.58339.70III-IIIM1.35×①+1.4×[0.7×②+0.7×0.8×（③+⑤）+0.6×⑥]274.46①+1.4×[0.6×⑦+0.7×0.8×（④＋⑤）]-207.281.35×①+1.4×[0.7×②+0.7×0.9×（③+⑤)）147.69①＋1.4×（0.7×②+0.7×0.8×③+0.6×⑥）203.29N912.63457.29957.93779.12V32.79-18.4712.4123.6635 3.9.9柱截面设计仍以A柱为例。混凝土强度等级为C30,,;纵向钢筋采用HRB400级，，。上、下柱均采用对称配筋。1．选取控制截面最不利内力对上柱，截面的有效高度取，则大偏心受压和小偏心受压界限破坏时对应的轴向压力为当时,为大偏心受压;由表3-21表3-23可见,上柱I—I截面共有8组不利内力。经判别,其中8组内力均为大偏心受压，对8组大偏心受压内力，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，则大偏心受压和小偏心受压界限破坏时对应的轴向压力为当,且弯矩较大时,为大偏心受压。由表3-21-表3-23可见，下柱Ⅱ一Ⅱ和Ⅲ一Ⅲ截面共有16组不利内力。经用判别，其中12组内力为大偏心受压,有4组内力为小偏心受压且均满足，故小偏心受压均为构造配筋。对12组大偏心受压内力，采用与上柱I-I截面相同的分析方法，可确定下柱的最不力内力为2．上柱配筋计算由上述分析结果可知，上柱取下列最不利内力进行配筋计算：由表3-12查得有吊车厂房排架方向上柱的计算长度为35 由于h/30=400/30=13.33mm,取附加偏心距,则取故取进行计算选3（三级钢）18，则满足要求。由表312得，垂直于排架方向上柱的计算长度，则35 ，满足弯矩作用平面外的承载力要求。1．下柱配筋计算由分析结果可知，下柱取下列两组为最不利内力进行配筋计算：(1)按计算由表3-12可查得下柱计算长度取；截面尺寸。取附加偏心距,则取先假定中和轴位于翼缘内，受压区进入腹板内，则35 ，为大偏心受压构件，则（2）按计算计算方法与上述相同，计算过程从略，计算结果为综合上述计算结果，下柱截面选用6（三级钢筋）20（），且满足最下配筋的要求，即。1．柱的裂缝宽度验算按荷载准永久组合计算时，该单层厂房A柱的效应设计值较小，不起控制作用，因此可不对其进行裂缝宽度验算。2．柱箍筋配置非地震区单层厂房柱，其箍筋数量一般由构造要求控制，根据构造柱要求，上、下柱箍筋均选用。3．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3-94所示。其中牛腿截面宽度，牛腿截面高度，。(l)牛腿截面高度验算作用于牛腿顶面按荷载效应标准组合计算的竖向力为牛腿顶面无水平荷载，即；35 图3-94牛腿尺寸简图对支承吊车梁的牛腿，裂缝控制系数；；，取；由式(3-27)得故牛腿截面高度满足要求。(2)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，，实际选用4（三级钢）14（）。水平箍筋选用。1．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。由表3-13可得柱插入杯口深度为，取，则柱吊装时总长度为3.9+8.9+0.85=13.65m,计算简图如图3-95所示。35 图3-95柱吊装计算简图（l)荷载计算柱吊装阶段的荷载为柱自重重力荷载，且应考虑动力系数，即(2)内力计算在上述荷载作用下，柱各控制截面的弯矩为由得35 令，得则下柱段最大弯矩为承载力和裂缝宽度验算上柱配筋为（3三级钢18），其受弯承载力按下式进行验算：裂缝宽度验算如下：，取满足要求。下柱配筋（6三级钢20），其受弯承载力按下式进行计算：35 裂缝宽度验算如下：，取，取满足要求。3.9.10基础设计《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)规定，对6m柱距单层排架结构单跨厂房，当地基承载力特征值为,厂房跨度，吊车额定起重量不超过，以及设计等级为丙级时，设计时可不做地基变形验算。本例符合上述条件，故不需进行地基变形验算。下面以A柱为例进行该柱的基础设计。基础材料：混凝土强度等级取,，；钢筋采用，；基础垫层采用素混凝土。1．基础设计时不利内力的选取作用于基础顶面上的荷载包括柱底（Ⅲ一Ⅲ截面）传给基础的以及围护墙自重重力荷载两部分。按照《建筑地基基础设计规范>(GB50007-2011)的规定，基础的地基承载力验算取用荷载效应标准组合,基础的受冲切承载力验算和底板配筋计算取用荷载效应基本组台。由于围护墙自重重力荷载大小、方向和作用位置均不变，故基础最不利内力主要取决于柱底（Ⅲ一Ⅲ35 截面）的不利内力，应选取轴力为最大的不利内力组合以及正负弯矩为最大的不利内力组合。经对表3-20-表3-22中的柱底截面不利内力进行分析可知，基础设计时的不利内力如表3-23。表3-23组别荷载标准组合的效应设计值荷载基本组合的效应设计值第一组275.75730.2234.34361.04946.0134.34第二组-203.44435.62-24.46-263.85466.77-24.46第三组219.29822.6721.14196.421075.449.932．围护墙自重重力荷载计算如图3-97所示,每个基础承受的围护墙总宽度为,总高度为,墙体为240mm厚烧结普通黏土砖砌筑,重度为;钢框玻璃窗自重,按计算,每根基础梁自重为,则每个基础承受的由墙体传来的重力荷载标准值为基础梁自重墙体自重钢窗自重35 图3-9围护墙对基础产生的偏心距为3．基础地面尺寸及地基承载力验算(l)基础高度和埋置深度确定由构造要求可知，基础高度为，其中为柱插入杯口深度，由表3-13可知，，取；为杯底厚度，由表3-14可知，取；故基础高度为因基础顶面标高为，室内外高差为，则基础埋置深度为(2)基础底面尺寸拟定基础底面面积按地基承载力计算确定，并取用荷载效应标准组合。由《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)可查得，（黏性土），取基础底面以上土及基础的平均重度为，则深度修正后的地基承载力特征值按下式计算：由式(3-31)按轴心受压估算基础底面尺寸，取则考虑到偏心的影响，将基础的底面尺寸再增加30%，取基础底面的弹性抵抗矩为35 (3)地基承载力验算基础自重和土重为（基础及其上填土的平均自重取）由表3-23可知，选取以下三组不利内力进行基础底面积计算：先按第一组不利内力计算，基础底面相应于荷载效应标准组合时的竖向压力值和力矩值分别为（图3-98a）m由式(3-32)可得基础底面边缘的压力为由式(3-35a)和式(3-35b)进行地基承载力验算满足要求。取第二组不利内力计算，基础底面相应于荷载效应标准组合时的竖向压力值和力矩值分别为(图3-98b)m由式(3-32)可得基础底面边缘的压力为35 由式(3-35a)和式(3-35b)进行地基承载力验算满足要求。取第三组不利内力计算，基础底面相应于荷载效应标准组合时的竖向压力值和力矩值分别为(图3-98c)由式(3-32)可得基础底面边缘的压力为由式(3-35a)和式(3-35b)进行地基承载力验算满足要求。图3-9835 4．基础受冲切承载力验算基础受冲切承载力计算时采用荷载效应的基本组合，并采用基底净反力。由表3-23可知，选取下列三组不利内力；先按第一组不利内力计算,该组内力组合时，取，不考虑基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基净反力计算如下(图3-99b)：按第二组不利内力计算,该组内力组合时，取，不考虑基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基净反力计算如下(图3-99c)：因最小净反力为负值，故基础底面净反力应按式（3-34）计算（图3-99c)35 最后按第三组不利内力计算,该组内力组合时，取，不考虑基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基净反力计算如下(图3-99d)：35 基础各细部尺寸如图3-99(a)、(e)所示。其中基础顶面突出柱边的宽度主要取决于杯壁厚度，由表3-14查得，取，则基础顶面突出柱边的宽度为。杯壁高度取为。根据所确定的尺寸可知，变阶处的冲切破坏锥面比较危险，故只须对变阶处进行受冲切承载力验算。冲切破坏锥面如图3-99中的虚线所示。取保护层厚度为，则基础变阶处截面的有效高度为：由式(3-37)可得35 因为变阶处的截面高度，故。由式(3-36)和式(3-38)可得受冲切承载力满足要求。5.基础底板配筋计算(l)柱边及变阶处基底净反力计算由表3-23中三组不利内力设计值所产生的基底净反力见表3-24，如图3-99所示，其中为基础柱边或变阶处所对应的基底净反力。经分析可知，第一组基底净反力不起控制作用。基础底板配筋可按第二组和第三组基底净反力计算。表3-24基地净反力第一组第二组第三组167.99162.27152.01变阶处144.61101.42150.06柱边处151.53119.45151.02105.650148.25（2）柱边及变阶处弯矩计算基础的宽高比为第二组不利内力时基础的偏心距为对于第二组不利内力，由于基础偏心距大于1/6基础宽度，则在沿弯矩作用方向上，任意截面I-I处相应于荷载效应基本组合时的弯矩设计值可按式(3-44)计算，在垂直于弯矩作用方向上，柱边截面或截面变高度处相应于荷载效应基本组合时的弯矩设计值仍可近似地按式(3-45)计算。柱边处截面的弯矩:35 先按第二组内力计算，即再按第三组内力计算，即变阶处截面的弯矩先按第二组内力计算，即再按第三组内力计算，即35 (3)配筋计算基础底板受力钢筋采用HRB335级(),则基础底板沿长边方向的受力钢筋截面面积可由式(3-42)计算：将计算的钢筋面积换算为单位宽度的钢筋面积，选用（二级钢）基础底板沿短边方向的受力钢筋截面面积可由式(3-43)计算：考虑构造要求选用（二级钢）@206．基础配筋如图3-100所示35 图3-10035'