混凝土及砌体结构课程设计——单层工业厂房设计任务书.doc

混凝土及砌体结构课程设计

学生姓名： 何昕桐
学 号：20122023017
指导教师： 刘少东
所在学院： 工程学院
专 业： 土木工程

中国·大庆
2015年12月

混凝土及砌体结构课程设计
——单层工业厂房设计任务书
一、设计题目：金属结构车间双跨等高厂房。
二、设计内容：
1．计算排架所受的各项荷载；
2．计算各种荷载作用下的排架内力(对于吊车荷载不考虑厂房的空间作用)；
3．柱及牛腿设计，柱下独立基础设计；
4．绘施工图：柱模板图和配筋图；基础模板和配筋图。
三、设计资料
1．金属结构车间为两跨厂房，安全等级为一级，厂房总长54m，柱距为6m，厂房剖面如图1所示；
2．厂房每跨内设两台吊车；
3．建设地点为东北某城市(基本风压0.50kN／m2，基本雪压0.6kN／m2，地面粗糙程度B类，冻结深度2.2m)；
4．地基为均匀粘性土，地基承载力特征值205kpa；
5．厂房标准构件选用及载荷标准值：
(1)屋架采用梯形钢屋架，屋架自重标准值：27m跨121kN／每榀；
(2)吊车梁选用预应力混凝土吊车梁，参数见表3。轨道及零件自重0.8kN／m，轨道及垫层构造高度197mm；
(3)天窗采用矩形纵向天窗，每榀天窗架重：27m跨35.3kN／每榀；
(4)天沟板自重标准值为2.12kN／m；
(5)围护墙采用240mm双面粉刷墙，自重5.24kN/m2。塑钢窗：自重0.45kN／m2，窗宽4.2m，窗高见图1。
(6)基础梁截面为250 mm×600mm；基础梁自重4.4kN／m；
6．材料：混凝土强度等级为C30，柱的受力钢筋采用HRB335级或HRB400级，箍筋采用HPB300级；
7．屋面卷材防水做法（自上而下）及荷载标准值如下：
4mm厚APP防水：0.04kN／m2；
20mm厚水泥沙浆找平层：0.4kN／m2；
80mm聚苯乙烯泡沫塑料：0.04kN／m2；
2mm厚APP隔气层：0.02kN／m2；
20mm厚水泥砂浆找平层：0.4kN／m2；
预应力大型屋面板：1.4kN／m2。
8．屋面均布活荷载为0.5kN／m2。

-0.150
柱顶
轨顶
+0.000

图1 厂房剖面图

土木12专升本序号41～72。

表1 各学号所对应桥式吊车和牛腿标高

跨度
左跨吊车序号

右跨吊车序号
C1
C2
C3
C4
C5
C1
C2
C3
C4
C5
18
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
C1
21
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
C2
24
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
C3
27
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
C4
30
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
C5
27
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
C1
24
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
C2
21
71
72

C3
轨顶标高(m)

6.9
7.2
7.5
7.8
8.1
8.4
8.7
9.0
9.3
9.6

表2 吊车数据（工作级别A5）
吊车序号
起重量(kN)
桥跨
LQ(m)
吊车总重(kN)

最大轮压
Pmax(kN)
最小轮压
Pmin(kN)
大车轮距
K(m)
轨道中心至端部距离Bl(mm)
轨顶以上高度H(mm)
大车宽
B(m)
C1
50
28.5
286
105
63
5.25
230
1870
6.4
C2
100
25.5
270
135
50
5.25
230
2190
6.40

表3 吊车梁数据（工作级别A5）
梁型号
起重量(kN)
跨 度(m)
梁 高(mm)
梁 重(kN)
YDL1
≤150 ~200
16.5 ~ 28.5
1200
42.3

最后须提交的内容：
1、设计计算书。包括封页、任务书、目录、正文。
2、一号图纸一张。包括柱模板图、柱配筋图、基础模板图、基础配筋图。

IV

目 录
1.设计资料 - 1 -
2.结构构件选型及柱截面尺寸确定 - 1 -
2.1 上柱及柱全高 - 1 -
2.2 柱的截面尺寸及计算参数的确定 - 1 -
2.3 柱网布置 - 3 -
2.3.1 恒载 - 3 -
2.3.2 活荷载 - 4 -
4.排架内力分析 - 7 -
4.1恒载作用下的排架内力分析 - 7 -
4.2 屋面活荷载作用下排架内力分析 - 8 -
4.3 风荷载作用下排架内力分析 - 9 -
4.4吊车作用下排架内力分析 - 11 -
5.内力组合 - 16 -
6.A柱的截面设计 - 19 -
6.1 柱截面最不利内力的选取 - 19 -
6.2 上柱配筋计算 - 19 -
6.3柱的裂缝宽度验算 - 22 -
6.4柱箍筋配置 - 22 -
6.5柱牛腿设计 - 23 -
6.6柱的吊装验算 - 24 -
6.7基础设计 - 26 -
6.7.1 作用于基础顶面上的荷载计算 - 26 -
6.7.2基础埋置深度及基础尺寸 - 26 -
6.7.3基础高度验算 - 27 -

- 1 -

混凝土及砌体结构课程设计

1.设计资料
本设计对应任务书第60号方案，左右跨吊车分别为C5，C1。轨顶标高9.6m，跨度27m吊车梁左右跨选用YDL-3、YDL-1，梁高都是1.2m，轨道及垫层构造高度为0.197m，梁重47kN和42.3KN。
2.结构构件选型及柱截面尺寸确定
2.1 上柱及柱全高
由于本设计为双跨等高厂房，所以边柱A、C及中柱B的标高均一致
A柱 柱顶标高=轨顶标高+吊车高度+净空
=8.7m + 2.19m + 0.22m = 11.11m 取11.4m
C柱 柱顶标高=8.7m + 1.87m + 0.22m = 10.79m 取10.8m
A柱 牛腿标高=轨顶标高-（吊车轨道连接高度+吊车梁高度）
=8.7m - (0.197m + 1.2) = 7.303m 取7.2m
故A和C柱牛腿标高7.2m
设室内地面至基础顶面的距离为0.5m，则计算简图中的柱的总高度H,下柱高度和上柱高度分别为：

2.2 柱的截面尺寸及计算参数的确定
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2。
表1柱截面尺寸及相应参数
计算参数
柱号
截面尺寸/mm
面积/
惯性矩/
自重/
A
上柱
矩400400
1.6×105
21.3×108
4.0
下柱
I4001000100150
1.98×105
256.3×108
4.9
C
上柱
矩400400
1.6×105
21.3×108
4.0
下柱
I4001000100150
1.98×105
256.3×108
4.9
B
上柱
矩400600
2.4×105
72×108
6.0
下柱
I4001000100150
1.975×105
256.3×108
4.9
取一品排架进行计算，计算单元和计算简图如图2.

图1 柱的截面尺寸图
验算初步确定的截面尺寸：
A、B、C柱 截面宽度（满足要求）
C柱 起重量验算高度：（满足）
所以A、B柱满足要求。
2.3 柱网布置
判断纵向定位轴线是否封闭，由确定，由此可得：
A柱、C柱 (封闭)
B柱 (封闭)
取一品排架进行计算，计算简图如图2所示。

图2 排架计算简图
2.3.1 恒载
①屋盖恒载
4mm厚APP防水： 0.04kN／m2
20mm厚水泥沙浆找平层： 0.40kN／m2
80mm聚苯乙烯泡沫塑料： 0.04kN／m2
2mm厚APP隔气层： 0.02kN／m2
20mm厚水泥砂浆找平层： 0.4kN／m2
预应力大型屋面板： 1.4 kN／m2
屋盖钢支撑： 0.07kN／m2

2.37kN／m2
屋架重力荷载为121kN／榀，则作用于柱顶的屋盖结构重力荷载设计值为：

②吊车梁及轨道重力荷载设计值

③柱自重重力荷载设计值
A、C柱
上柱
下柱
B柱
上柱
下柱

图3 荷载作用位置图

2.3.2 活荷载
（1）屋面活荷载
屋面活荷载标准值为0.5kN/m2，雪荷载标准值0.60 kN/m2，前者小于后者,故按后者计算。作用于柱顶的屋面活荷载设计值为

的作用位置与作用位置相同,如图3所示。
（2）风荷载
风荷载标准值按式计算，其中，，根据厂房各部分标高（图1）及B类地面粗糙度计算可得
柱顶（标高11.4m） ；
檐口（标高12.9m）
屋顶（标高14.35m）
如图所示4a所示，由可得排架迎风面及背风面的风荷载标准值分别为

（a) (b)

图4 风荷载体型系数图
则作用在排架计算简图4(b)上的风荷载设计值为

（3）吊车竖向荷载
由表2.5.1可得
AB跨：100kN吊车，， ,,
最大轮压。
BC跨：50kN吊车，， ,,
最大轮压。
根据B与K，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5所示。
①吊车竖向荷载：
AB跨

BC跨

图5 吊车荷载作用下支反力影响线
（4）吊车横向水平荷载
AB跨
作用在每一个轮子上的吊车横向水平制动力

作用于排架柱上的吊车横向水平荷载设

BC跨
作用在每一个轮子上的吊车横向水平制动力

作用于排架柱上的吊车横向水平荷载设计值
等高双跨单层厂房课程设计

4.排架内力分析
由于该厂房为两跨等高排架，用剪力分配法进行排架的内力分析，柱的剪力分配系数结果见表2。
表2柱剪力分配系数
柱别

A、C柱

B柱

4.1恒载作用下的排架内力分析
恒载作用下排架的计算简图如图7a所示。图中的重力荷载及力矩是根据图确定，即
,
,
,

由于图7a所示的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。柱顶不动铰支座的反力可根据表2.5.2所列公式进行计算：
A和C柱: ，则

同理，。求得后，可用平衡条件求出柱各截面的弯矩和剪力。柱截面的轴力为截面以上重力荷载之和，荷载作用下的排架结构的弯矩和轴力图分别见图7b、c，图7d为排架柱的弯矩、剪力和轴力的正负号规定。

图7恒载作用下排架内力图
4.2 屋面活荷载作用下排架内力分析
（1）AB跨作用屋面活荷载
AB跨：排架计算简图如图8a所示，其中Q=68.04KN，它在柱顶及变阶处引起的力矩

对于A柱，,则

对于B柱，，则

则排架柱顶不动铰支座总反力为

将R反向作用于排架柱顶，用式计算相应的柱顶剪力，并与柱顶不动铰支反力叠加,可得屋面活荷载作用于AB跨时的柱顶剪力，即

排架各柱的弯矩图，轴力图及柱底剪力图如图8c所示。

图8 AB跨作用屋面活荷载时排架内力图
（2）BC跨作用屋面活荷载
由于结构对称，且BC跨与AB跨作用荷载相同，故只需将图8中各内力图的位置及方向调整一下即可，如图9所示。

图9 BC跨作用屋面活荷载时排架内力图
4.3 风荷载作用下排架内力分析
（1）左吹风时
计算简图如图10a所示，对于A和C柱，n=0.083， ，由表2.5.2得

各柱顶剪力分别为：

得排架内力图如图10b。
图10 左吹风时排架内力图
（2）右吹风时
计算简图如图11a所示，将上图10b所示A、C柱内力图对换且改变内力符号后可得，如图11b所示。

图11 右吹风时排架图内力图
4.4吊车作用下排架内力分析
（1）Dmax作用于A柱
计算简图如图12a所示，其中吊车竖向荷载，在牛腿顶面引起的矩为

对于A柱，,则

对于B柱，n=0.281，,由表2.5.2得:

排架各柱顶剪力分别为：

则排架各柱弯矩图,轴力图及柱顶剪力值如图12 b、c所示。

图12 Dmax作用在A柱时排架内力图
（2） Dmax作用于B柱左
计算简图如图13a所示。计算如下：

柱顶不动铰支座反力及总反力R分别为：

排架各柱顶剪力分别为：

则排架各柱内力图如图13b、c所示。
图13 Dmax作用在B柱左时排架内力图

（3） Dmax作用于B柱右
计算简图如图14a所示，计算如下:

柱顶不动铰支座反力，及总反力R分别为

排架各柱顶剪力分别为

则排架各柱内力图如图14b、c所示。

图14 Dmax作用于B柱右时排架内力图
（4） Dmax作用于C柱
计算简图如图15a所示，计算如下:

对于C柱，，则

对于B柱，，由表2.5.2得

排架各柱顶剪力分别为

则排架各柱内力图如图15b、c所示。

图15 Dmax作用于C柱时排架内力图
（5）Tmax作用于AB跨柱
当AB跨作用吊车横向水平荷载时，排架计算简图如图16a所示。
对于A柱，n=0.083，，，则

同理,对于B柱，n=0.281，，，则

排架柱顶总反力R为

各柱顶剪力为

排架各柱的弯矩及剪力值如图16b、c所示。当方向相反时，弯矩图和剪力只变符号，方向不变。
图16 Tmax作用于AB跨柱时排架内力图
（6）Tmax作用于BC跨柱
当BC跨作用吊车横向水平荷载时，排架计算简图如图17a所示。
对于C柱，n=0.083，，，则

同理,对于B柱，n=0.281，，，则

排架柱顶总反力R为

各柱顶剪力为

排架各柱的弯矩图及柱底剪力值如图17b所示。当方向相反时，弯矩图和剪力只改变符号，方向不变。

图17 Tmax作用于BC跨柱时排架弯矩图
5.内力组合
表4、6、8为各种荷载作用下A、B、C柱内力设计值汇总表，表5、7、9为A、B、C柱内力组合表，这两表中的控制截面及正号内力方向如表4中的例图所示。内力组合按式（2.5.19）~（2.5.21）进行。
对柱进行裂隙宽度验算时，内力采用准永久值，同时只需对的柱进行验算。为此，表5亦出了和的组合值，他们均满足的条件，这些值均取自及相应的M和N 一项。

- 32 -

表3 A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
AB跨
作用在
BC跨
Dmax作用
在A柱
Dmax作用
在B柱左
Dmax作用
在B柱右
Dmax作用在C柱
Tmax作用
在AB跨
Tmax作用在BC跨
左风
右风
序号

Ⅰ-Ⅰ

26.54
1.24
7.71
-38.43
-48.26
23.81
-4.24
11.55
8.19
2.31
-22.62

395.72
68.04
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Ⅱ-Ⅱ

-55.43
-15.77
2.81
71.17
-7.67
23.81
-4.24
11.55
8.19
2.31
-22.62

452.24
68.04
0
365.34
135.31
0
0
0
0
0
0
Ⅲ-Ⅲ

27.65
7.92
13.45
-0.715
-96.14
67.47
-12.02
94.33
23.21
166.42
-144.32

497.52
68.04
0
365.34
135.31
0
0
0
0
0
0

10.79
1.02
1.13
-9.15
-11.49
5.67
-1.01
10.75
1.95
34.75
-22.54

表4 A柱内力组合表
截面
及相应,
及相应,
及相应,
及相应,
备注
Ⅰ-Ⅰ

①+0.9×⑥+0.7×(②+③)+0.7×0.9×⑨+0.6×⑩
58.68
①/1.2+0.8×⑤+0.7×0.8×⑦+ 0.7 0.9×⑨+0.6×⑪
-37.597
1.35①/1.2+0.7×(②+③)+ 0.7 ×0.9×⑥
49.023
①/1.2+0.9×⑥ +0.7×③+
0.7×0.9×⑨+0.6×⑩
53.388
=52.344
=329.767

443.348
329.767
492.813
329.767
Ⅱ-Ⅱ

①/1.2+0.8④+0.7③+ 0.7 0.8⑥+0.7 0.9⑨+0.6⑩
32.591
①+0.9⑨+0.7②+0.70.8(⑤+⑦)+0.6⑪
-94.082
①+0.9④+0.7(②+③)+0.70.9⑧+0.6⑩
8.182
①/1.2+0.9⑨+0.70.9⑦+0.6⑪
-55.064

669.115
575
828.674
376.867

Ⅲ-Ⅲ

①+⑩+0.7③+0.70.8(④+⑥)+0.70.9⑧
300.296
①/1.2+⑪+0.7②+0.70.9⑤+0.70.9⑧
-235.73
①+0.9④+0.7②+0.70.9⑧+0.6⑩
191.83
①/1.2+⑩+0.7③+0.70.9⑥+0.70.9⑨
255.93
=139.5
=414.6

702.110
547.473
873.954
414.6

51.155
-26.846
30.892
49.333

237.526
-157.187
139.998
194.052

560.736
592.430
683.462
414.6

41.961
-14.808
23.650
39.605
注：M（单位为），M(单位为) ，V(单位为).

6.A柱的截面设计
6.1 柱截面最不利内力的选取
以A柱为例，混凝土采用，则，。纵向受力钢筋采用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，截面有效高度取，则大偏心受压与小偏心受压界限破坏时对应的轴向压力为

由内力组合表可见，上柱截面共有4组不利内力，内力均满足,故均为大偏心受压。对这4组不利内力，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”的原则可确定上柱最不利内力的为：
，
对下柱，截面有效高度，则大偏心受压与小偏心受压界限破坏时对应的轴向压力为
由内力组合表可见，下柱截面和截面共有8组不利内力，均满足 ，对这8组内里采用与上柱截面相同的分析方法，可得下柱最不利内力为：
Ⅱ-Ⅱ 截面 ，
Ⅲ-Ⅲ截面 ，
6.2 上柱配筋计算
上柱最不利内力为
，
查附表11.1,可得有吊车厂房排架方向柱的计算长度为

取
取

取进行计算。

选3，则，满足要求。
查附表11.1，可得，，，则
满足弯矩作用平面外的承载力要求。
6.2.1 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
查附表11.1，得下柱计算长度，截面尺寸，，。

先假定中和轴位于翼缘内，则
，
且，为大偏心受压构件，受压区在受压翼缘内，则

②按， 计算
（取）

先假定中和轴位于翼缘内，则

且，为大偏心受压构件，受压区在受压翼缘内。取 进行计算

选418（As=1018m㎡）
③验算垂直于作用弯矩平面内的受压承载力

=

，

满足要求
6.3柱的裂缝宽度验算
《规范》规定，对的柱应进行裂缝宽度验算。由荷载内力组合表可知，按照荷载准永久组合计算时，上柱及下柱的偏心距分别为

故不对裂缝宽度验算。
6.4柱箍筋配置
非地震区的单层厂房柱，起箍筋数量一般由构造要求控制。根据箍筋构造要求，上下柱均选用Φ8@200。
6.5柱牛腿设计
根据吊车梁支撑位置，截面尺寸及构造要求，初步拟定牛腿尺寸，如图18所示，其中牛腿截面宽度，牛腿截面高度，
（1）牛腿截面高度验算
其中，，取a=0.按下列公式确定：

故牛腿截面高度满足要求。

图18 A柱和C柱牛腿截面示意图
（2）牛腿配筋计算
由于a=250mm+20mm=-230mm<0,故牛腿可按构造要求配筋。根据构造要求，
，选配。水平箍筋选用
Φ8@100。

6.6柱的吊装验算
（1）内力计算
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2.4.6可得柱插入杯口深度为，则，则柱吊装时总长度为
，计算简图如图19所示。

图19 柱吊装验算简图
柱吊装阶段的荷载为柱的自重重力荷载，动力系数，即

在上述荷载作用下，柱各控制截面弯矩为

由得

令，得，则下柱最大弯矩为

（2）柱承载力和裂缝宽度验算
上柱配筋为（320），其受弯承载力按下式进行验算：

上柱裂缝宽度验算如下：

（取）

=，满足要求。
下柱配筋（418），其受弯承载力按下式进行验算：

下柱裂缝宽度验算如下：

＜0.2 取

=

满足要求。
6.7基础设计
基础混凝土强度等级采用,下设厚的素混凝土垫层。
6.7.1 作用于基础顶面上的荷载计算
由图20可见，每个基础承受的外墙总宽度为6.0m,总高度为11.4m+1.5m=11.55m,墙体为240mm,实心砖墙（），钢框玻璃窗（），基础梁重量，每个基础承受的由墙体传来的重力荷载为
厚砖墙
钢框玻璃窗
基础梁

距基础形心的偏心距为

图20 基础荷载示意图
6.7.2基础埋置深度及基础尺寸
（1）按构造要求拟定高度h

由表2.4.6得柱的插入深度为，取，由表2.4.7得杯底厚度a1应小于200mm，取a1=250mm，则h=900+250+50=1200mm。基础顶面标高为-0.5m，故基础埋置深度，由表2.4.7得杯壁厚,取325mm，基础边缘高度，台阶高度取,见图。
（2）拟定基础底面尺寸

适当放大，取。
（3）计算基底压力及验算地基承载力

验算地基承载力，其中，验算结果见表10，可见基础底面尺寸满足要求。
表5 基础底面压力计算及地基承载力验算
类 别
第一组
第二组
第三组

237.53
560.74
41.96
-157.19
592.43
-14.81
140
683.46
23.35

1013.61
1045.3
1136.33

146.23
-316.6
-29.67

179.89
109.27
243.32
62.44
181.16
163.18

144.58<205
179.89<246
148.38<205 234.32<246
172.17<205
181.16<246
6.7.3基础高度验算
这时应采用基地净反力设计值，和，结果见表6。
表6 基础底面净反力设计值计算表
类 别
第一组
第二组
第三组

300.3
702.11
51.16
-235.73
547.47
-26.85
191.83
873.94
30.89

976.16
821.63
1148.1

191.71
-437.93
-15.22

206
89.81
272.35
0
178.57
165.34

因台阶高度与台阶宽度相等（均为400mm),所以只需验算变阶处的受冲切承载力。变阶处受冲切承载力计算截面如图21所示。变阶处截面有效高度h0=750mm-45mm=705mm。
因为at+2h0=1200mm+2×705mm=2610mm＞L=2200mm所以

因,故取

取，

因台阶高度等于于台阶宽度，则基础底面落在从柱边与变阶处向外扩散线以内，因此不必验算柱与基础交接处及变阶处的受冲切承载力，基础高度满足要求。

图21变阶处冲切破换截面
6.7.5基础底板配筋计算
（1）柱边及变阶处基底反力计算

图22 基础底板配筋计算截面
表7 柱边及变阶处基地净反力计算
公 式
第一组
第二组
第三组

186.64
162.07
147.03

182.76
217.88
176.72

196.32
217.21
162.8

194.38
246.62
177.65

295.81
136.18
173.96
（2）柱边及变阶处弯矩计算

（3）配筋计算
基础底板受力钢筋采用HPB300级（），长边方向钢筋面积为

选用Φ10@100（）
基础底板短边方向钢筋面积为

选用φ12@110 ()。
基础底板配筋图见图23。由于，所以杯壁不需要配筋。

图23 基础底板配筋图
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