单层混凝土结构工业厂房设计

13.9单层厂房排架结构设计实例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3-7722．结构设计原始资料厂房所在地点的基本风压为2/35.0mkN，地面粗糙度为B类；基本雪压为。．2/30.0mkN。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kL=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bh=1.20m，暂取轨道顶面至吊车梁顶面的距离ah=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-bh-ah=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=9.80m9.60m。考虑吊车行驶所需空隙尺寸7h=220mm，柱顶标高可按下式计算：3柱顶标高=牛腿顶面标高+bh+吊车高度+ah，=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H、下柱高度lH和上柱高度uH分别为H=12.3+0.5=12.8mlH=8.4+0.5=8.9muH=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mmmmhb400400下柱mmmmmmmmhbhbff150100900400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5A的吊车，由附表4可查得轨道中心至吊车端部距离mmB2601;吊车桥架外边缘至上柱内边缘的净空宽度，一般取mmB802。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mmB4003，故mmmmBBeB8090400260750312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mB0.6，如图3-78(b)所示；计算简图如图3-78(a)所示。（a）4（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2/35.0mkN20mm厚水泥砂浆找平层2/40.002.020mkN100mm厚水泥蛭石保温层2/50.01.05mkN一毡两油隔气层2/05.0mkN20mm厚水泥砂浆找平层2/40.002.020mkN预应力混凝土屋面板（包括灌缝）2/40.1mkN屋盖钢支撑2/05.0mkN23.15/kNm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5kNG80.2792106224615.31(2)吊车梁及轨道自重标准值kNG30.4468.05.393(3)柱自重标准值A、B轴上柱kNGGBA60.159.3444下柱kNGGBA74.419.869.455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kNQ00.3622465.011Q的作用位置与1G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：,215,200maxkNPkNQ,45minkNP,40.4,55.5mKmBkNQ751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iyPDmaxmax6)075.0267.0808.01(215kN25.462iyPDminmin)075.0267.0808.01(45kN75.96(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kNQQT875.6)75200(1.041)(411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kNyTTi78.14)075.0267.0808.01(875.6max4．风荷载风荷载标准值按式（3—12）计算，其中基本风压20/35.0mmkN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z为柱顶（标高12.30m）064.1z檐口（标高14.60m）129.1z屋顶(标高16.00）170.1z风荷载体型系数s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2011/298.035.0064.18.00.1mkNzszk2022/149.035.0064.14.00.1mkNzszk则作用于排架计算简图(图3-81b)上的风荷载标准值为mkNq/79.10.6298.01mkNq/89.00.6149.02BhhFzzsszssw0243121])()[(0.635.00.1]4.117.1)5.06.0(3.2129.1)5.08.0[(kN75.67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LuIIn/HHu/)1/1(1/330nClEICH03/iii/1/1A、B柱109.0n305.0435.20C3100.21010ABHE5.0BA由上表可知，0.1BA。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)11(1)11(123321nnC2.1438)11(1123323nC1.104)11(1)]32()1)(2([32213225nanaaaC0.559)11(1)11(1833411nnC0.3263．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。9图中的重力荷载及力矩根据图3-79确定，即11279.80GGkN23444.3015.6059.90GGGkN3541.74kNAGG111279.800.0513.99mMGekN214033()(279.8015.60)0.2544.300.360.56AMGGeGekNm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iR可根据表3-9所列的相应公式计算求得，即)(57.78.12104.156.60143.299.133211kNCHMCHMRA)(57.7kNRA求得柱顶反力iR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3-832．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kNQ361,它在柱顶及变阶处引起的力矩分别为BAMmkNM1180.105.000.3610BAMkNM22m00.925.000.36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iR即)(08.18.12104.100.9143.280.13211kNCHMCHMRAAA)(08.1kNRB则排架柱顶不动铰支座总反力为：)(008.108.1kNRRRBA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3-843．屋面可变荷载作用下排架内力分析（1）maxD作用于A柱计算简图如图3-86(a)所示。其中吊车竖向荷载maxD、minD在牛腿顶面处引起的力矩分别为：mkNeDMA68.1383.025.4623maxmkNeDMB03.293.075.963min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iR分别为)(96.11104.18.1268.1383kNCHMRAA)(27.2268.18.1203.293kNCHMRBB11)(69.927.296.11kNRRRBA排架各柱顶剪力分别为)(98.669.95.096.11kNRRVAAA)(12.769.95.027.2kNRRVBAB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）maxD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）maxT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,692.09.3/)2.19.3(a则柱顶不动铰支座反力BARR、分别为)(26.8559.078.145maxkNCTRA)(26.8559.078.145maxkNCTRB排架柱顶总反力R为)(52.1626.826.8