单层工业厂房结构设计(毕业论文).doc

北京城市学院毕业设计（论文）

单层双跨工业厂房结构设计

学生姓名：
学 号： 08120206106
班 级： 08土木升
专 业： 土木工程
学 部： 城市建设学部
指导教师：

2010年5月

单层双跨工业厂房结构设计

Single pair of inter-industrial building design

学生： 班级： 08土木升 学号： 08120206104
学部： 城市建设学部 专业： 土木工程
指导教师： 职称： 副教授
工作单位： 湖南先导建筑工程有限公司

毕业设计（论文）完成时间： 自 2009 年 11 月
至 2010 年 5 月

【摘 要】

单层厂房指层数仅为一层的工业厂房，适用于生产工艺流程以水平运输为主，有大型起重运输设备及较大动荷载的厂房，如机械制造工业、冶金工业和其他工业等。单层厂房的骨架结构，由支撑各种竖向的与水平的荷载作用的构件所组成。厂房依靠各种结构构件合理连接为一整体，组成一个完整的结构空间以保证厂房的坚固、耐久。我国广泛采用钢筋混凝土排架结构和钢架结构，通常由横向排架、纵向联系构件、支撑系统构件和围护结构等几部分组成。
单层砖柱厂房具有选价低廉、构造简单、施工方便等优点，在中小型工业厂肩中得到广泛应用，但单层厂房的端墙(山墙)受风面积较大，内部空间要求、厂房屋顶面积、荷载等均较大，构造复杂，如何进行有效的荷载效应组合、选取最不利内力组合，作为柱及基础的设计依据，将是本文要重点解决的问题。

关键词：内力组合；偏心受压；钢筋；混凝土

【Abstract】

Single plant means the layer is only a layer of industrial plant, applied to the production process to the level of transport-based, large material handling equipment and large dynamic load plants, such as machinery manufacturing industry, metallurgical industry and other industries . Single plant of the skeleton structure, the support of various vertical and horizontal loads consisting of components. Plants rely on a variety of structural components as a whole a reasonable connection to form a complete structure of space to ensure the plant's strong, durable. China's extensive use of reinforced concrete and steel structure, bent structure, usually bent from the horizontal, vertical linkages component, support systems and building envelope components such as a few parts.
Single brick column with the selected plants are cheap, simple structure, convenient for construction, the shoulder in the small and medium industrial plants has been widely used, but the single plant of the side wall (gable) larger by the wind, internal space requirements, plant roof area, load large and complex structures, how to effectively load effect combination, select the most unfavorable combination of internal forces, as the pillar and foundation of the design basis, will be the focus of this paper to solve the problem.

Keywords：Combination of internal forces; Concrete; Eccentric compression;
Reinforced

目录

前言 1
1.设计条件与资料 2
1.1建筑物基本条件 2
1.2设计资料 2 1.3设计要求 3
2.确定柱的截面尺寸 3
3.荷载计算 4
4.排架的内力分析 7
5.排架的内力组合 16
6.柱的截面设计 16
7.柱的吊装验算 20
8.基础的设计 22
9.绘制施工图 28
参考文献 33
致谢 34

北京城市学院2010届毕业设计（论文）

前言

单层厂房的结构特点大致可分为砌体结构、混凝土结构和钢结构。一般情况下，无吊车或吊车吨位不超过5t，其跨度在15m以内，柱顶标高在8m以下，无特殊工艺要求的小型厂房，可采用由砖柱、钢筋混凝土屋架或木屋架或轻钢屋架组成的砌体结构；当吊车吨位在250t以上或跨度大于36m的大型厂房，或有特殊工艺要求的厂房（如设有10t以上锻锤的车间以及高温车间的特殊部位等），一般采用钢屋架、钢筋混凝土柱或者是全钢结构，其他大部分厂房均可采用混凝土结构。
单层厂房结构一般由屋盖结构、排架结构、支撑系统、吊车梁、围护结构和基础等组成。它比较容易组织生产工艺流程和车间内部运输，地面上能够放置较重的机器设备和产品，所以其在工业建筑设计中得到广泛的应用。
近年来，单层厂房的设计越来越重视设备节能,充分利用自然通风,利用自然采光,发展节能省地型工业厂房；运用生态学中的共生与再生原则，结合自然，保护环境，防止污染，发展具有良好生态循环系统的现代工业厂房；利用高科技材料，发展更具灵活性、通用性和多样化的工业厂房。
由于水平所限，时间仓促，文中一定存在缺点和不足，甚至错误，恳请老师批评指正。

1.设计条件与资料

1.1建筑物基本条件
某金工车间为两跨等高厂房，跨度均为24m，柱距均为6m，车间总长度66m。每跨设有20/5t吊车各两台，吊车工作级别为中制，轨顶标高为9.6m，基础顶面标高为-0.8m，厂房无天窗，建筑剖面简图如图1所示。

图1 厂房剖面示意图

1.2设计资料
（1）荷载: 屋面均布活荷载标准值为0.7KN/m。
（2）材料:
①柱: 混凝土C30;纵筋HRB335级; 箍筋采用HPB235级。
②基础: 混凝土C30;钢筋HPB235级。
③型钢及预埋件铁板用HRB335、HPB235级钢筋。
（3）建筑构造
①屋面: 卷材防水屋面,其做法如下:
两毡三油防水层上铺小石子: 0.35 KN/m。
20mm厚水泥砂浆找平层: 20×0.02=0.4 KN/m。
100mm厚水泥珍珠岩制品保温层: 5×0.1=0.5 KN/m。
一毡两油隔气层: 0.05 KN/m。
20mm厚水泥砂浆找平层: 20×0.02=0.4 KN/m。
预应力混凝土大型屋面板(包括灌缝)荷载标准值1.4KN/m。
②屋盖钢支撑荷载标准值为0.05 KN/m,屋架自重标准值106KN/榀,坡度:1:6。
③墙体用240mm厚双面清水维护砖墙;钢窗宽度3.6m,纵墙上窗洞高2400mm。
④地面:室内素混凝土地面,室内外高差150mm。
（4）吊车: 桥式吊车,软钩,中级工作制。
吊车梁:先张法预应力混凝土吊车梁,梁高1.2m, 自重。
吊车轨道联结:轨道及连接件自重1 KN/m。
吊车荷载:最大轮压=215KN。
最小轮压=45KN。
小车总重g=75KN。
大车宽B=5550mm。
轮距K=4400mm。
（5）工程地质及水文条件
该场地地面粗糙度为B类，地形平整,无滑坡,无液化土层等不良地质现象。
①地层自上而下为
填土层: 厚度约为0.5m。
砂质粘土: 厚度约为2.0m,[f]=200 KN/m。
卵石: 中密,厚度约为5～7m, [f]=600 KN/m。
基岩: 表层中度风化。
②地下水位在地面7m以下,设计时不考虑地下水的影响，也不考虑抗震设防。
（6）气象资料:基本风压为0.35 KN/m,基本雪压为0.2 KN/m。

1.3设计要求
（1）确定柱截面尺寸；
（2）荷载计算；
（3）分析排架内力；
（4）柱、牛腿配筋计算；
（5）编制荷载、内力计算说明书；
（6）根据计算结果绘制排架柱结构施工图；
（7）柱下基础的设计及其配筋；
（8）绘制柱下基础施工图；

2.确定柱的截面尺寸

Q=（15~20）t,中级工作制，=9.6+0.8=10.5m。
上柱:矩形:500mm×500mm
面积:
惯性矩:

下柱:工字型

柱截面尺寸见图2。
排架计算简图见图3。

3.荷载计算

⑴恒载
①屋盖自重:
两毡三油防水层上铺小石子: 0.35 （KN/m）
20mm厚水泥砂浆找平层: 20×0.02=0.4 （KN/m）
100mm厚水泥珍珠岩制品保温层: 5×0.1=0.5 （KN/m）
一毡两油隔气层: 0.05 （KN/m）
20mm厚水泥砂浆找平层: 20×0.02=0.4 （KN/m）
预应力大型屋面板 1.4 （KN/m）
合计 3.1 （KN/m）
屋架自重: 106 （KN/榀）
则作用于屋顶的屋盖结构自重为

上式中的系数1.05为考虑柱牛腿处及柱根部矩形部分的重量。
③吊车梁、轨道及轨道联结件自重:

各柱恒载的作用位置见图4。
⑵屋面活荷载
屋面均布活荷载标准值为0.7KN/m。
雪荷载
屋面均布活荷载与雪荷载不同时考虑.故屋面荷载为

其作用位置与屋盖自重的位置同。
⑶吊车荷载
每跨设20t的吊车各2台,中级工作制,吊车的主要参数如下:
轮距:K=4.44m;大车宽:B=5.55m；小车重:g=75KN；
最大轮压: =215KN；最小轮压: =45KN
图5是在2台10t吊车作用下,吊车梁的支座反力影响线。

①吊车的竖向荷载

=

=
,的作用位置同吊车梁轨道及轨道联结件自重的作用点。
②吊车的横向水平荷载
由于额定起重量在16~50t之间,取=10%,则

其作用位置在吊车梁的顶面处。
⑷风荷载
基本风压:= 0.35KN/m,市郊地面粗糙度按B类考虑,查得风压高度变化系数:

查得风荷载体型系数,如图6所示,则作用于排架上的风荷载设计值为:

其中B为排架的计算宽度.风荷载作用的示意图及排架计算简图见图7(a)、(b)。
作用在柱顶处的风荷载集中力:

4.排架的内力分析

⑴剪力分配系数的确定
因边柱和中柱的截面相同,则

因各柱的抗侧移刚度相同,则各柱的剪力分配系数相同

⑵恒载作用下排架的内力
恒载作用下排架的计算简图见图8。

n=0.21,λ=0.3查单阶柱柱顶反力系数表得,各柱不动铰支承的支反力为
A列柱:

C列柱:柱顶不动铰支反力同A柱,方向相反

B列柱:

则排架柱柱顶不动铰支座的总反力为

最终分配到各柱柱顶的剪力分别为：

恒载作用下排架弯矩图、轴力图,如图9所示。
③屋面活荷载作用下排架的内力
屋面活荷载作用于AB跨时的计算简图(作用于BC跨时与其对称),见图10。

n=0.21,λ=0.3查单阶柱柱顶反力系数表得,各柱不动铰支承的支反力为
A列柱:

B柱列:

排架柱顶不动铰支座总反力为

最终分配到各柱柱顶剪力分别为

屋面活荷载作用于AB跨时排架的弯矩、轴力图见图11。
⑷其他荷载作用下排架的内力
同理可得其他荷载作用下排架的内力,计算结果列于表1。

其余荷载作用下的计算简图及排架的弯矩、轴力图见图12~21。

表1荷载作用下排架的内力分析结果

荷载
柱上力矩/(KN·m)
各柱柱顶不动铰支承力反力/KN
总反力/KN
分配到各柱顶最后剪力/KN

吊车竖向荷载作用于AB跨作用于A列柱(BC跨与其对称)
=174.7(↘)
=91.4(↙)
16.5
(←)
8.7
（→）
0
5.6
(←)
14.6
(←)
12.7
（→）
1.9
（→）
吊车竖向荷载作用于AB跨作用于A列柱(BC跨与其对称)
=36.6(↘)
=436.8(↙)
3.5
(←)
41.4
（→）
0
37.9
（→）
16.1
(←)
28.7
（→）
12.6
(←)
吊车水平荷作用于AB跨向右(向左时与其对称)
=18.6KN(吊车梁取1.2m)
11.9
(←)
11.9
(←)
0
23.8
(←)
4
(←)
4
(←)
8
（→）
风荷载作用下左来风(右来风时与其对称)
=10.9KN
=2.3KN/m
=1.25KN/m
15
(←)
0
5.8
(←)
31.7
(←)
4.4
(←)
10.6
（→）
4.5
（→）
注:

在各种荷载作用之下,A柱和B柱的内力图及控制截面内力汇总于表2和表3。
35

5.排架的内力组合

在各种荷载作用下,对边柱和中柱进行最不利内力组合.其中未考虑厂房的整体空间的作用.A柱加B 柱的内力组合结果见表4和表5。

表4 A柱的内力组合
截面
内力
+及相应的N、V
-及相应的N、V
及相应的M、V
及相应的M、V
组合项
数值
组合项
数值
组合项
数值
组合项
数值
Ⅰ-Ⅰ
M
①+0.9[③+⑦+⑨+⑩]
88
①+0.9[②+0.8(⑤+⑥+⑧)+ ⑨+]
-28.5
①+0.9[②+0.8(⑤+⑥+⑧)+ ⑨+]
-28.5
①+0.9[③+⑦+⑨+⑩]
88
N
306.7
424.2
424.2
306.7
Ⅱ-Ⅱ
M
①+0.9[③+0.8(④+⑦)+⑨+⑩]
110
①+0.9[②+0.8(⑤+⑧)+ ⑨+]
-35.9
①+0.9[②+0.8(④+⑦)+ ⑨+⑩]
90.3
①+0.9[⑦+⑨+⑩]
29.6
N
840.2
572.2
903.7
420.9
Ⅲ-Ⅲ
M
①+0.9[③+⑦+⑨+⑩]
501.5
①+0.9[②+⑤+ ⑥+]
-147
①+0.9[②+④+⑥+]
8.86
①+0.9[③+⑦+⑨+⑩]
501.5
N
487.9
661.1
1076
487.9
V
28.6
-11.5
-10.1
28.6

表5 B柱的内力组合
截面
内力
+及相应的N、V
-及相应的N、V
及相应的M、V
及相应的M、V
组合项
数值
组合项
数值
组合项
数值
组合项
数值
Ⅰ-Ⅰ
M
①+0.9[③+⑤+⑥+⑩]
152.8
①+0.9[②+⑦+⑨+]
-152.8
①+0.9[②+③+⑤+⑥+⑩]
143.9
①+0.9[⑤+⑥+⑩]
143.9
N
726.4
726.4
790
662.9
Ⅱ-Ⅱ
M
①+0.9[③+⑦+⑨+⑩]
284.4
①+0.9[②+⑤+⑥+]
-284.4
①+0.9[②+③+⑦+⑨+⑩]
275.6
①+⑩
41.3
N
1340
1340
1404
752.3
Ⅲ-Ⅲ
M
①+0.9[③+0.8(④+⑦)+⑥+⑩]
294.6
①+0.9[②+0.8(⑤+⑧)+ ⑥+]
-294.6
①+0.9[②+③+0.8(④+⑦)+⑥+⑩]
287.4
①+⑩
140
N
1390
1390
1453
819.3
V
-5.8
5.8
-5.6
10.6
注: 1）组合及中,±M的绝对值相等.因柱为对称配筋,所以表中的M只取了正值.
2）表中0.8为参与组合的吊车竖向荷载为4台时的荷载折减系数。

根据《荷载规范》,荷载效应的基本组合有两种.一种由可变荷载效应控制的组合;一种由永久荷载效应控制的组合.单层厂房中排架的内力通常由第一种组合控制。

6.柱的截面设计

⑴选取控制截面的最不利内力
大偏心受压和小偏心受压界限破坏时的轴压力为:
A、B柱:
上柱:
下柱:

(取=40mm)
经比较,A、B柱的所有<,所以A、B柱组合后的内力值均为大偏心受压.对大偏心受压,对称配筋的柱,在 “︱M︱相差不多时,N越小越不利;N相差不大时︱M︱越大越不利”.由此可确定各柱的最不利内力为:
A柱:

B柱:

⑵纵向受力钢筋的计算(表6)
⑶箍筋的配置
因柱底的剪力很小
=28.6KN(A柱)
若取剪跨比=3

则远远大于柱底的剪力值(还未考虑轴向压力对斜截面受剪的有利影响),所以排架柱的箍筋按构造配置为10@200,柱箍筋加密区取为10@100,加密区范围(此处按抗震要求配置)，柱配筋施工图见图28和图29。
⑷排架柱平面外轴心受压承载力验算
取配筋中的较小值验算。
AB柱:
，

所以A、B柱平面外受压承载力满足要求。
A、B柱截面配筋图，见图29和图30。
⑸牛腿的设计
A柱:根据牛腿的构造要求,初步确定牛腿的尺寸,如图22所示。

表6 A、B柱纵向受力钢筋的计算表
柱截面
项目
A柱
B柱
Ⅰ-Ⅰ
Ⅲ-Ⅲ
Ⅰ-Ⅰ
Ⅲ-Ⅲ
M/(KN·m)
88
501.5
143.9
294.6
N/KN
306.7
487.9
662.9
1390

287
1028
217
212
(取及20中较大值)(mm)
20
30
20
30

307
1058
237
242
( 上柱)
(下柱)
7.8
9.2
7.8
9.2

15.6>5
>15
10.2>5
<15
15.6>5
>15
10.2>5
<15

5.83>1.0
取1.0
3.64>1.0
取1.0
2.7>1.0
取1.0
1.28>1.0
取1.0

0.99
1.05
0.99
1.05

2.5
1.23
2.7
1.35

977.5
1711.3
850
736.7

42.8<取80
68.2<
<取80
92.7
194.4>
>

1357 3)
1768 3)
2262 3)
0 2)
实配钢筋/(mm×mm)
4φ22
(1520)
5φ22
(1900)
4φ28
(2463)
4φ22
(1520)
配筋率/%

0.61
0.76
0.99
0.61

1.22
1.53
1.97
1.22
注:1) ,则.
2)
3)
4)矩形截面: ,
5)Ⅰ形截面: ,

①牛腿截面尺寸的验算

牛腿的截面尺寸满足要求。
②牛腿顶面局部受压验算
取吊车梁的垫板尺寸为500mm×250mm,则

牛腿顶面的局压满足要求。
③牛腿纵向受拉钢筋的计算
因为,取=0.3×760=228mm

④牛腿的箍筋
牛腿的水平箍筋选用10@100,牛腿的范围有,箍筋的总截面面积为

故箍筋的设置满足构造要求。
牛腿的=0<0.3,可不设弯起钢筋.牛腿的配筋如图23所示。
同理,可设计出B柱牛腿的尺寸及配筋如图23所示。

⑹使用阶段柱的裂缝宽度的验算
由《混凝土规范》知,排架柱的裂缝控制等级为三级,按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度。
只有A柱的I-I,Ⅲ-Ⅲ截面处,需进行裂缝宽度的验算,见表7。

7.柱的吊装验算

A、B柱的截面尺寸相同,B柱的荷载在牛腿处稍大些,因此只需对B柱进行吊装时的验算。
⑴柱吊装时的承载力验算
混凝土达到设计强度的100%时方可吊装。
表7 A柱裂缝宽度的验算

项目

截面

I-I（上柱）

Ⅲ-Ⅲ（下柱）

67.7
385.8

235.9
375.3

287
1028

15.6>14
10.2<14

1.1
1.0

535
1438

0
0.41

360
726

75.5
194

0.01
0.148

-0.63<0.2取0.2
0.64

0.036mm<0.3mm
0.23mm<0.3mm

注： 1）内力的标准值近似值取设计值除1.3的系数。

根据构造要求,取柱入基础的深度,所以柱吊装验算时的计算简图如图24所示。

考虑到牛腿根部及柱底部为矩形截面,下柱自重乘1.1的系数,1.5为动力系数。

由得

的最大位置

式中:—结构重要性系数,取为0.9

所以柱吊装的承载力满足要求。

8.基础的设计

混凝土采用C30;, ,垫层采用C10素混凝土,厚100.A柱基础的标高见图25。
A柱:
由基础梁传至基础顶面的荷载计算:
基础梁b×h=250mm×500mm,围护墙为240mm厚清水砖墙

墙上开有上下两层钢窗,上窗:宽×高为3.6m×2.4m；下窗：宽×高为3.6m×4.8m；
钢窗重取为0.45;清水砖墙为18×0.24=4.32
墙重:[(15.2+0.15)×6-（4.8+2.4）×3.6]×4.32=285.9KN
钢窗重:（4.8+2.4）×4.2×0.45=13.6KN
基础梁自重:0.25×0.5×6×25=18.8KN
合计

A柱基础顶面最不利内力(设计值):

B柱基础顶面最不利内力(设计值):

基础的受力图见图26。
⑴地基承载力的验算
①A柱基础底面积的确定
由杯口基础的构造要求可初步确定基础的尺寸及埋置深度d,见图27。
d=1.1+0.8=1.9m

(式中1.3为系数1.2与1.4的平均值)

将基础底面积扩大1.4倍,1.4A=1.4×7.1=9.9

②B柱基础底面积的确定
由杯口基础的构造要求可初步确定基础的尺寸及埋置深度d,见图27。
d=1.1+0.8=1.9m

(式中1.3为系数1.2与1.4的平均值)
将基础底面积扩大1.4倍,1.4A=1.4×8.85=12.4

③地基承载力的验算
;
基础自重和基础上土重的标准值为

A柱和B柱基础底面压力标准值分别见表8和表9。

表8 A柱基础底面压力标准值

内力
项目
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ

385.8
-113.1
6.8

375.3
508.5
827.7

22
-8.8
-7.8

1026.9
1160.1
1479.3

228.1
-304.7
-183.7

153.4
180.9
197.5

79.5
82.2
138

116.5
131.6
167.8
注:1)表中的内力标准值为设计值除1.3的系数。
2)表中h为基础高度1.1m。

表9 B柱基础底面压力标准值

内力
项目
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ

226
221
108

1069
1120
630

-4.43
-4.3
8.2

1847
1898
1408

39
34.3
-65

156
160
123

148
152
109

152
156
116
注:1)表中的内力标准值为设计值除1.3的系数。
2)表中h为基础高度1.1m。

从表8和表9可看出
基础底面积满足地基承载力的要求。
⑵基础的受冲切承载力验算
扣除基础自重及其上土重后,基础地面内力设计值在基础底面产生的净反力计算见表9。
因柱与基础交接处杯壁厚300mm小于杯壁高度400mm,说明上阶底落在冲切破坏锥体以内,故仅需对变阶处进行冲切验算。
.表9 基础底面净反力设计值

项目

内力
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
A柱
B柱
A柱
B柱
A柱
B柱

867.6
1770
1040.8
1836
1455.7
1199

306.2
1165
-378
1232
-538.2
613

148
274
179.2
286
252.2
166

48.8
18
56.8
15.7
77.9
31

此时=700-40=660mm
冲切破坏锥体最不利一侧斜截面上边长和下边长分别为
A柱： =500+2×375=1250mm
=1250+2×660=2570mm>2100mm,取=2100mm