单层工业厂房设计.docx
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单层工业厂房设计
成绩
徐州工程学院
09级房建
（2）班课程设计计算书
设计题目单层厂房设计
设计时间2012.5.11
学生姓名张健
学生学号20090704245
所在院系土木学院
任课教师刘志勇
徐州工程学院印制
混凝土单层工业厂房设计任务书
一、 设计目的
1． 进一步熟悉单层工业厂房的构件组成与结构布置；
2． 熟悉有关标准图集的选用；
3． 熟悉有关计算图表的应用；
4． 掌握荷载和内力的最不利组合方法；
5． 掌握独立基础的设计方法；
6． 提高绘制施工图的能力。
二、 设计题目
某金工车间，厂房长度66m，柱距为6m，不设天窗。
窗台标高为1.2m，上部窗洞4.8m×1.2m，下部窗洞4.8m×3.6m，采用钢窗。
室内外高差为350mm。
屋面采用大型屋面板，卷材防水（两毡三油防水屋面），为非上人屋面。
排架柱采用C30砼，基础采用C20砼；柱中受力钢筋采用HRB335钢，箍筋、构造筋、基础配筋采用HPB235钢。
厂房所在地的地面粗糙度为B类，基本风压w0=0.7kN/m2，组合值系数ψc=0.6；基本雪压S0=0.5kN/m2，组合值系数ψc=0.6。
基础持力层为粉土，粘粒含量ρc=0.8，地基承载力特征值fak=180kN/m2，埋深-2.0m，基底以上土的加权平均重度γm=17kN/m3、基底以下土的重度γ=18kN/m3。
其余条件见下表。
各题号的厂房跨度及吊车设置情况
吊车设置
跨度
每跨2台16t重级吊车
每跨2台20t重级吊车
每跨2台32t中级吊车
每跨1台16t、1台20t重级吊车
每跨1台20t、1台32t中级吊车
每跨1台10t、1台32t中级吊车
18m单跨
1
2
3
4
5
6
24m单跨
7
8
9
10
11
12
注：
题号为单号的轨顶标高为9m，题号为双号的轨顶标高8.4m。
题号选择说明：
每个学生把自己学号的最后两位数提出来，设为
，并令
，符合条件的
值，即是各自的设计题号。
三、 设计任务及要求
1．选择厂房结构方案,进行厂房平、剖面设计和结构构件选型；
2．设计排架边柱、柱下单独基础；
3．计算正确，计算书采用打印形式，且必须统一格式（详见《大作业试卷封面及排版要求》），计算书装订内容包含封面、任务书及计算书等内容。
4．采用CAD绘制2#施工图2张，各图纸右下角要有图纸标签。
内容包括：
屋盖平面布置图，构件平面布置图及基础、基础梁布置图，排架柱模板、配筋图；柱下单独基础的模板、配筋图。
5．上交内容包括：
计算书、2张2#施工图、计算书电子档。
6．在完成上述设计任务后方可参加设计成绩评定。
四、 设计步骤
（一）厂房平、剖面布置及结构构件选型
1．厂房平面布置（柱网布置、轴线与各构件的关系）
2．构件选型及布置（屋架、屋面板、天沟板、吊车梁、连系梁、基础梁、支撑、抗风柱）
3．厂房剖面设计（确定标高）
（二）排架柱设计
1．计算简图；2.荷载计算；3.内力分析；4.内力组合；5.截面设计（上柱截面、下柱截面、牛腿）
（三）基础设计
1．构造尺寸；2.地基计算（确定底板面积）；3.抗冲切和抗剪计算（确定基础高度）；4.底板配筋
五、 进度安排（10天）
1．下达设计任务及结构布置1天
2．设计计算及整理计算书6天
3．绘制施工图3天
六、 附录荷载值
1．钢窗自重0.45kN/m2；
2． 240墙加双面粉刷5.24kN/m2；
3． 两毡三油做法0.35kN/m2。
七、 参考资料
1．《混凝土结构》（中册），中国建筑工业出版社，2005.7
2．《建筑结构设计》，东南大学出版社，2002.3
3．《混凝土结构设计规范》GB50010—2002
4．《建筑荷载设计规范》GB50009-2001
5．单层工业厂房标准图集
一、设计条件及要求
1.设计资料
某金工车间，厂房长度66m，柱距为6m，不设天窗。
窗台标高为1.2m，上部窗洞4.8m×1.2m，下部窗洞4.8m×3.6m，采用钢窗。
室内外高差为350mm。
屋面采用大型屋面板，卷材防水（两毡三油防水屋面），为非上人屋面。
排架柱采用C30砼，基础采用C20砼；柱中受力钢筋采用HRB335钢，箍筋、构造筋、基础配筋采用HPB235钢。
厂房所在地的地面粗糙度为B类，基本风压w0=0.7kN/m2，组合值系数ψc=0.6；基本雪压S0=0.5kN/m2，组合值系数ψc=0.6。
基础持力层为粉土，粘粒含量ρc=0.8，地基承载力特征值fak=180kN/m2，埋深-2.0m，基底以上土的加权平均重度γm=17kN/m3、基底以下土的重度γ=18kN/m3。
24m单跨，每跨2台32t中级吊车，轨顶标高为9m。
2．设计要求
除排架柱、抗风柱和基础外，其余构件均选用标准图集。
设计内容包括：
（1）选择厂房结构方案,进行平面、剖面设计和结构构件的选型；
（2）设计柱及柱下单独基础；
（3）绘制施工图，包括结构平面布置图、排架柱的模板图和配筋图等。
二、结构方案设计
1.厂房平面设计
厂房的平面设计包括确定柱网尺寸、排架柱与定位轴线的关系和设置变形缝。
柱距为6米，横向定位轴线用1,、2...表示，间距取为6米；纵向定位轴线用（A）,（B）表示，间距取等于跨度，即（A）~（B）轴线的间距均为24米。
为了布置抗风柱，端柱离开（内向）横向定位轴线600mm，其余排架柱的形心与横向定位轴线重合。
（A）~（B）跨的吊车起重量大于20t，（A）列柱出采用非封闭结合，初步取联系尺寸D=150mm。
是否采用非封闭结合以及联系尺寸取多大，需要根据吊车外缘与上柱内缘的净空气尺寸B2确定.
B2=λ-（B1+B3）应满足：
其中
λ—吊车轨道中心线至柱纵向定位轴线的距离，一般取750mm;
B1—吊车中心线至桥身外缘的距离，对于10t,16t,20t和32t吊车（大连起重机厂“85系列”）分别为230mm,260mm,260mm,300mm;
B3—是上柱内缘至纵向定位轴线的距离，对于封闭结合等于上柱截面高度，对于非封闭结合等于上柱截面高度减去联系尺寸D。
假定上柱截面高度为400mm，则
（A）列柱B2=750-[300+（400-150）]=200mm>80mm,满足要求
对于等高排架，中柱上柱截面形心与纵向定位轴线重合，吊车架外缘与上柱内缘的净空尺寸能满足要求。
厂房长度66m，小于100m,可不设伸缩缝。
2、构件选型及布置
构件选型包括屋面板、天沟板、屋架（含屋盖支撑）、吊车梁、连系梁、基础梁、柱间支撑、抗风柱等。
1）屋面构件
（1）屋面板和嵌板
屋面板的型号根据外加屋面均布面荷载（不含屋面板自重）的设计值，查92G410
（一）。
当屋架斜长不是屋面板宽1.5m的整数倍时，需要布置嵌板，嵌板查92G410
（二）。
荷载：
二毡三油防水层1.2×0.35=0.42KN/m2
20mm厚水泥砂浆找平层1.2×0.02×20=0.48KN/m2
屋面均布活载（不上人）1.4×0.5=0.70KN/m2
取较大值雪载1.4×1.0×0.4=0.56KN/m2
小计1.60KN/m2
采用预应力混凝土屋面板。
根据容许外加均布荷载设计值1.60KN/m2,查附表1-5，中部选用Y-WB-111端部选用Y-WB-111S,其容许外加荷载1.99KN/m2>1.60KN/m2。
板自重1.40KN/m2。
嵌板采用钢筋混凝土板，查表1-2，中部选用KWB-1，端部选用KWB-1S，其容许外加荷载3.35KN/m2>1.60KN/m2,板重1.70KN/m2。
（2）天沟板
当面板采用有组织排水时，需要布置天沟。
对于单跨，既可以采用外天沟，也可以采用内天沟；对于多跨，内侧只能采用内天沟。
天沟的型号根据外加均布线荷载设计值查92G410（三）。
计算天沟的积水荷载时，按天沟的最大深度确定。
同一型号的天沟板有三种情况：
不开洞、开洞和加端壁。
在落水管位置的天沟板需要开洞，分左端开洞和右端开洞，分别用“a”、“b”表示。
厂房端部有断壁的天沟板用“sa”、“sb”表示。
外天沟荷载：
焦渣混凝土找坡层1.2×1.5×0.77=1.39KN/m
二毡三油防水层1.2×0.35×0.77=0.32KN/m
20mm厚水泥砂浆找平层1.2×0.02×20×0.77=0.37KN/m
积水荷载1.4×10×0.13×0.77=1.40KN/m
取较大值屋面均布活载1.4×0.5×0.77=0.54KN/m
小计3.48KN/m
查附表1-6，一般天沟板选用TGB77-1，开洞天沟板选用TGB77-1a或TGB77-1b,端部为TGB77-1Sa或TGB77-1Sb,容许外加荷载4.13KN/m>3.48KN/m,自重2.24KN/m。
同理可求的内天沟板荷载设计值2.81KN/m,由附表1-6，一般天沟板选用TGB62-1，开洞天沟板选用TGB62-1a或TGB62-1b，端部为TGB62-1Sa或TGB62-1Sb,容许外加荷载3.16KN/m>2.81KN/m,自重2.06KN/m。
2）屋架及支撑
屋架型号根据吴面面荷载设计值、天窗类别、悬挂吊车情况及檐口形状选定。
跨度较小时可采用钢筋混凝土折线型屋架，查95GB314；跨度较大时可采用预应力混凝土折线型屋架，查95G414。
本题不设天窗（类别号为a），檐口形状为一端外天沟、一端内天沟，代号为D。
屋面荷载：
屋面板传来的荷载1.60KN/m
屋面板自重1.2×1.4=1.68KN/m
灌缝重1.2×0.1=0.12KN/m
小计3.40KN/m
24m跨采用预应力混凝土屋架，中间选用YWJ18-1Da；两端选用YWJ-18-1Da’。
容许外加荷载3.5KN/m2>3.28KN/m2,自重67.6KN。
3）吊车梁
吊车梁型号根据吊车的额定起重量、吊车的跨距（Lk=L-2λ）以及吊车的荷载状态选定，其中钢筋混凝土吊车梁可查95G323、先张法预应力混凝土吊车梁可查95G425、后张法预应力混凝土吊车梁可查95G426。
对24m跨厂房，吊车起重量为32t，中级载荷状态，Lk=18-2×0.75=16.5m，采用混凝土吊车梁。
查附表1-4，中间跨选用DL-11Z，边跨选用DL-11。
梁高1200mm,自重39.98KN。
4）基础梁
基础梁型号根据跨度、墙体高度、有无门窗洞等查93G320。
墙厚240mm，突出于柱外。
由附表1-8，纵墙中间选用JL-3，纵墙边跨选用JL-15；山墙6m柱距选用JL-14，山墙4.5m柱距选用JL-23。
5）柱间支撑
柱间支撑设置在（6），（7）轴线之间，支撑型号可查表97G336。
首先根据吊车起重量、柱顶标高、牛腿顶标高、吊车梁顶标高、上柱高、屋架跨度等查出排架号，然后根据排架号和基本风压确定支撑型号。
6）抗风柱
抗风柱下柱采用工字型截面，上柱采用矩形截面。
抗风柱的布置需考虑基础梁的最大跨度。
24m跨的抗风柱沿山墙等距离布置，间距为6m。
对于有吊车厂房，除在檐口或窗顶设置圈梁外，尚应在吊车梁标高处增设一道，外墙高度大于15m时，还应适当增设。
圈梁与柱的连接一般采用锚拉钢筋2φ10~2φ12。
现在2.4m和10.86m标高处设二道圈梁，分别用QL-1、QL-2表示。
其中柱顶圈梁可代替连系梁。
圈梁截面采用240×240mm,配筋采用4φ12、φ6@200。
圈梁在过梁处地配筋应另行计算。
3、厂房剖面设计
剖面设计的内容是确定厂房的控制标高，包括牛腿顶标高、柱顶标高和圈梁的标高。
牛腿顶标高等于轨顶标高减去吊车梁在支撑处的高度和轨道及垫层高度，必须满足300m的倍数。
吊车轨道及垫层高度可以取0.2m。
为了使牛腿顶标高满足模数要求，轨顶的实际标高将不同于标志标高。
规范容许轨顶实际标高之间有±200mm的差值。
柱顶标高H=吊车轨顶的实际标高HA+吊车轨顶至桥架顶面的高度HB+空隙HC。
其中，空隙HC不应小于220mm；吊车轨顶至桥架顶面的高度HB可查95G323。
柱顶标高同样需要满足300mm的倍数。
由工艺要求，轨顶标志高度为9m。
对于24m跨：
取柱牛腿顶面高度为7.8m。
吊车梁高度1.2m，吊车轨道及垫层高度0.2m，则轨顶构造高度，HA=7.8+1.2+0.2=9.2m。
构造高度-标志高度=9.2-9.0=0.2m，满足±200mm差值的要求。
查附表1-1，吊车轨顶至桥架顶面的高度HB=2.347m，则H=HA+HB+HC=9.0+2.347+0.22=11.57m。
为满足模数要求，取H=11.1m。
二、排架柱设计
1、计算简图
对于没有抽住的单层厂房，计算单元可以取一个柱距，即6m。
排架跨度取厂房的跨度，上柱高度等于柱顶标高减去牛腿顶标高。
下柱高度从牛腿顶算至基础顶面，持力层（基底标高）确定后，还需要预估计出高度。
基础顶面不能超出室外地面，一般低于地面不少于50mm。
对于边柱，由于基础顶面还需要放置预制基础梁，所以排架柱基础顶面一般应低于室外地面500mm。
为了得到排架柱的截面几何特征，需要假定柱子的截面尺寸。
从刚度条件出发，可按教材表12-3选取。
1）确定柱子各段高度
基底标高为-2.0m，初步假定基础高度为1.4m；则柱总高度H=11.1-（-2.0）-1.4=11.7m；
上柱高度Hu=11.1-7.8=3.3m；下柱高度Hl=11.7-3.3=8.4m。
2）确定柱截面尺寸
下柱截面高度，根据吊车起重量级基础顶面至吊车梁顶的高度Hk，由表2-3，当Q=32t时：
h≥Hk/9=8400/9=840mm,取900mm。
下柱截面宽度，根据顶面至吊车两地的高度H1，由表12-3，b≥Hl/20=8400/20=420,且≥400mm,（A）、（B）列柱下段截面采用I形，b=450mm、h=900mm，上柱截面采用正方形b=h=400mm；个柱下段截面的详细尺寸见图。
3）计算主界面几何特征
个柱截面的几何特征见表1。
排架计算简图
表1截面几何特征
柱号
A柱
B柱
上柱
下柱
上柱
下柱
截面尺寸（mm）
正方形400×400
工字形400×900×100
矩形400×400
工字形400×900×100
面积A（103mm2）
160.0
159.5
160.0
159.5
惯性矩I（106mm4）
2133
16611
2133
16611
每米长重量G（KN/m）
4.00
3.94
4.00
3.94
2.荷载计算
排架的荷载包括恒荷载、屋面活荷载、吊车荷载和风荷载。
荷载均计算其标准值。
1）恒载
恒载包括屋盖自重、上柱自重、下柱自重、吊车梁及轨道自重。
（1）屋盖荷载
面荷载：
防水层、找平层等0.35+0.4=0.75KN/m2
屋面板自重1.40KN/m2
屋面板灌缝0.10KN/m2
小计2.25KN/m2
外天沟板线荷载：
找坡等1.16+0.27+0.31=1.74KN/m2
TGB77-1自重2.24KN/m2
————————————————————————————————
小计3.98KN/m2
内天沟线荷载：
找坡等1.40KN/m2
内天沟板自重2.02KN/m2
————————————————————————————————
小计3.42KN/m2
集中荷载：
24m跨屋架自重67.6KN/m2
屋架作用在柱顶的恒荷载标准值：
A、B柱：
P=2.25×6×24/2+3.98×6+0.5×67.6=219.68KN
P1作用点与纵向定位轴线的距离为150mm。
（2）上柱自重P2
A、B柱：
P2=4×3.3=13.2KN
（3）下柱自重P3
下柱大部分截面为I形，但牛腿部位是矩形截面。
假定矩形截面的范围为自牛腿顶面
下1400mm及基础顶面以上1100mm。
近似忽略牛腿的重量。
A柱：
3.94×（8.4-1.4-1.1）+0.9×0.4×25×（1.4+1.1）=45.746KN
B柱：
45.746KN
（4）吊车梁、轨道、垫层自重P4
取轨道及垫层自重为0.8KN/m。
A柱：
P4A=0.8×6+39.98=44.8KN
B柱：
P4B=44.8KN
P4的作用点离纵向定位轴线的距离为750mm。
2）屋面活荷载P5
屋面活荷载取屋面均布活载和雪荷载两者的较大值0.5KN/m2
A柱：
P5A=（24×6×0.5）/2+0.77×6×0.5=38.31KN
B柱：
P5B’=38.31KN
P5作用位置同P1。
3）吊车荷载
（1）吊车竖向荷载Dmax,kDmin,k
从产品目录查得吊车基本尺寸和轮压，列于表2.
表2吊车基本尺寸和轮压
起重量
Q（t）
吊车跨度
Lk（m）
吊车桥距B
（mm）
轮距K
（mm）
吊车总重
（G+g）（t）
小车重
g（t）
最大轮压
Pmax（kN）
最小轮压
Pmin（kN）
32
16.5
6640
4650
33
10.9
278
40.5
表中Pmin=0.5×（G+g+Q）-Pmax
吊车竖向荷载Dmax、Dmin根据两台吊车作用的最不利位置用影响线求出。
Dmax、Dmin
的计算简图见图9。
图中两台之间的最小轮距x=（B1-K1）/2+（B2-K2）/2。
对对应于轮子位置影响线的高度y2、y3、y4可利用几何关系求的。
24m跨两台吊车相同，均为32t吊车，P1max=P2max=278KN，P1min=P2min=40.5KN；
x=（6640-4650）/2+（6640-4650）/2=1990mm；
y2=（6-4.65）/6=0.225，y3=（6-1.9）/6=0.683，y4=0。
Dmax,k=P1max（y1+y2）+P2max（y3+y4）=278×（1+0.225+0.683+0）=530.4KN
Dmin,k=P1min（y1+y2）+P2min（y3+y4）=40.5×（1+0.225+0.683+0）=77.3KN
（2）吊车横向水平荷载Tmax,k
24m跨，吊车额定起重量16t＜Q＜50t,吊车横向水平荷载系数α=0.1,每个大车轮产生的横向水平制动力为
T=α（G+Q）/4=0.1×（32+10.9）×9.8/4=10.5KN
T的最不利位置同Pmax，故
Tmax,k=T（1+0.225+0.683+0）=10.5×（1+0.225+0.683+0）=20.0KN
Tmax作用点的位置在吊车梁顶面。
4）风荷载
该地区基本风压W0=0.7KN/m2,地面粗糙度为B类。
（1）作用在柱上的均布荷载
柱顶标高11.1m，室外地面标高-0.35，则柱顶离室外地面高度为11.1-（-0.35）=11.45m，查表1-10，风压高度系数μz=1.039。
从表1-11，可查得风荷载体型系数μs，标于图10。
单层工业厂房，可不考虑风振系数，取βz=1。
q1=μsμzβzW0B=0.8×1.039×1.0×0.7×6=3.5KN/m
q2=μsμzβzW0B=-0.5×1.039×1.0×0.7×6=-2.18KN/m
（2）作用在柱顶的集中风荷载FW
作用在柱顶的集中风荷载FW由两部分组成：
柱顶至掩口竖直面上的风荷载FW1和坡屋面上的荷载FW2（见图11），其中后者的作用方向垂直于屋面，因而是倾斜的，需要计算其水平方向的分力（竖向分力在排架分析中一般不考虑）
为了简化，确定风压高度系数时，可统一取屋脊高度。
屋脊高度=柱顶高度+屋架轴线高度（屋脊处）+上、下弦杆截面增加高度+屋面板高度。
对于24m跨：
H=11.45+（2.65+0.15+0.12）+0.24=14.61m，μz=1.128。
柱顶至檐口的高度=屋架轴线高度（端头处）+上、下弦杆截面增加高度+天沟板宽度；坡屋面高度=屋脊高度-柱顶高度-柱顶至檐口的高度。
FW1=0.8×1.128×1×0.7×（1.18+0.27+0.4）×6=7.02KN（→）
FW1’=0.4×1.128×1×0.×（1.23+0.27+0.4）×6=3.56KN（→）
FW2=（-0.6+0.5）×1.128×1×0.7×（14.56-11.4-1.85）×6=-0.62KN（←）
FW2’=（-0.4+0.4）×1.118×1×0.7×（14.2-11.4-1.9）×6=0
FW=FW1+FW1’+FW2+FW2’=7.02+3.56-0.62+0=9.96KN（→）
同理可求的又吹向左风（←）
迎风面和背风面地q1、q2大小相等、方向相反。
Fw=0.8×1.118×1×0.7×（1.23+0.27+0.4）×6+0.4×1.128×1×0.7×（1.18+0.27+0.4）×6+（-0.6+0.5）×1.118×1×0.7×（14.2-11.4-1.9）×6+0=10.22KN（←）
3、内力分析
在计算简图中，上柱的计算轴线取为上柱的截面形心线，下柱的计算轴线屋为下柱的截面形
心线。
下面计算时弯矩和剪力的符号按照下述规则：
弯矩以顺时针方向为正；剪力以使构件产生顺时针方向转动趋势为正；轴向力以压为正。
各柱的抗剪刚度计算结果见表3
表3柱的抗侧刚度及剪力分配系数
项目
n=Iu/Il
λ=Hu/H
A柱
2133/16611=0.1284
4.5/11.7=
0.385
2.1624
22.4272EC
0.365
B柱
0.1284
0.385
2.1624
22.4272EC
0.365
1）恒荷载作用下的内力分析
恒荷载的计算简图可以分解为两部分：
作作用在柱截面形心的竖向力和偏心力矩。
屋盖自重对上柱截面形心产生的偏心力距为（参见图8）：
M1A=219.68×（0,.15-0.05）=21.968KN.M
M1B=-21.968KN.M
屋盖自重、上柱自重、吊车梁及轨道自重对下柱截面形心产生的偏心力矩为
M2A=-219.68×0.25-24×0.25+44.8×0.45=-39.26KN.M
偏心力矩作用下，各柱的弯距和剪力分配法计算。
先在柱顶加上不动的铰支座，利用附录2求出各柱顶不动铰支座地反力；然后将总的支座反力反向作用于排架柱顶，根据剪力分配系数分配给个柱（剪力分配过程列于表2-4）；最后求出各柱柱顶的剪力（见图13a），得到每根柱的柱顶剪力后，单根柱利用平衡条件求出各界面的弯距及柱底截面剪力。
表4恒荷载下柱的剪力分配
项目
n
λ
C1
C3
M1
M2
Ri
εi
Vi
A柱
0.1284
0.385
2.17
0.92
21.968
-39.26
0.98（←）
0.5
-0.98（←）
B
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