单层厂房排架结构设计.docx

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单层厂房排架结构设计

单层厂房排架结构设计

ADesignofExampleforMillBentsofOne-storyIndustrial

Workshops

3.9.1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150mm,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3-77

2•结构设计原始资料

厂房所在地点的基本风压为0.35kN/m2，地面粗糙度为B类；基本雪压为。

•0.30kN/m2。

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C30s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Lk=24-0.75X2=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n=1.20m，暂取轨道顶面至吊车梁顶面的距离ha=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-hb-ha=9.60-1.20-0.20=8.20m

主裁承重构件选生表

构件名称

标橋图霍

选用型号1

重力荷載h灘值

O4G-41O-J

YW1>211i中ibJ^J

1,juiXGfti術徒力瀝貶丄厘回'西

YWH2U八瑞脛）1

〔包括瓏統蘆〉

04G4I0-1

应力谨拡卜礪面域（卷材防水天洵板｝

TGRfiS1

嘶应力混联+折蜕率隔聖£齊度剖

YWJA-241A.

106kN/4£

0,QSkN/ni2

£绘址钢支挥、

钢筋幌龊士吊车谱（吊车T作遛世为

DL-9Z冲枫跨〕

DI.9B£电跨】

39.SkN/ftl

4a

粉逋迷接

用工就逍连揍徉压

0.KukN/ni

!

則册泯蛊上晶弗聲

16.7kN/4fl

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h7=220mm柱顶标高可按下式计算:

柱顶标高=牛腿顶面标高+%+吊车高度+ha，

=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Hl和上柱高度Hu分

别为

H=12.3+0.5=12.8m

H|=8.4+0.5=8.9m

Hu=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bh400mm400mm

下柱bfhbhf400mm900mm100mm150mm

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A5的吊车，由附表

4可查得轨道中心至吊车端部距离B1260mm；吊车桥架外边缘至上柱内边缘的净空宽度，一般取

B280mm。

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B3400mm，故

B2eB1B375026040090mm80mm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B6.0m，如图3-78（b）

所示；计算简图如图3-78（a）所示。

（a）

图3-78

3.9.5荷载计算

1.永久何载

（I）屋盖恒载

两毡三油防水层

2

0.35kN/m2

20mm厚水泥砂浆找平层

20

0.02

2

0.40kN/m

100mm厚水泥蛭石保温层

5

0.1

2

0.50kN/m

一毡两油隔气层

2

0.05kN/m

20mm厚水泥砂浆找平层

20

0.02

0.40kN/m2

预应力混凝土屋面板（包括灌缝）

2

1.40kN/m

屋盖钢支撑

2

0.05kN/m

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。

2

3.15kN/m2图3-79a、B柱永久荷载

屋架自重重力荷载为IO6kN/榀，则作用于柱顶的屋盖结构自重标准值为

24106

G,3.156279.80kN

22

（2）吊车梁及轨道自重标准值

G339.50.8644.30kN

（3）柱自重标准值

A、B轴上柱G4AG4B43.915.60kN

下柱G5AG5B4.698.941.74kN

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/m2,屋面雪荷载标准值为0.25kN/怦，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

Q,0.562436.00kN

2

Qi的作用位置与G,作用位置相同，如图3-79所示。

3.吊车何载

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:

Q200kN,Pmax

215kN,

Pmin

45kN,

B5.55m,K

4.40m,

Q,75kN

3-80所示，据此可求得

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，如图吊车作用于柱上的吊车荷载。

（1）吊车竖向荷裁

吊车竖向荷载标准值为

yi

215（10.8080.2670.075）

462.25kN

DminPminyi

45（10.8080.2670.075）

96.75kN

（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

11

T丄（QQ1）丄0.1（20075）6.875kN

44

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

TmaxTyi6.875（10.8080.2670.075）14.78kN

4•风荷载

风荷载标准值按式（3—12）计算，其中基本风压00.35kN/mm2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）

z1.064

檐口（标高14.60m）

z1.129

屋顶（标高16.00）

z1.170

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

1kzS1z01.00.81.0640.350.298kN/m2

2k

zs2z01.00.41.0640.350.149kN/m2

则作用于排架计算简图（图3-81b）上的风荷载标准值为

5

0.298

6.0

1.79kN/m

q2

0.149

6.0

0.89kN/mFw[（s1s2）zh1（s3s4）zh2]z0B

[（0.8

0.5）

1.1292.3（0.60.5）1.171.4]1.00.356.0

6.75kN

图3-81

3.9.6排架内力分析有关系数

A柱和B柱的柱高、截面尺寸等均

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

nIu/Il

C03/13（1/n

1）

1/i

比/H

H3/C°Eh

i

1/i

C02.435

n0.109

A、B柱

0.305

10

H3

A

b0.5

AB0.21010

E

由上表可知，AB1.0。

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

312（11）p3n

2.143

C1

213（丄1）

n

C3-—1-1-—

213（n1）

n

1.104

2

123a2[（2a）（1a）（23a）]

C1n

0.559

21lD

n

314（-1）

C3n

11813（-1）

n

0.326

3•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。

r\

图3-82

3.9.7排架内力分析

1永久荷载作用下排架内力分析

图中的重力荷载及力矩根据图3-79确定，即

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

求得，即

求得柱顶反力R后，可根据平衡条件求得柱各截面的弯矩和剪力。

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

图3-83

2•屋面可变荷载作用下排架内力分析

36kN,它在柱顶及变阶处引起的力矩

分别为

M1A36.000.051.80kNmM1B

M2A36.000.259.00kNmM2B

侦2・1439.°0「仙i.°8kN（）

12.8

RB1.08kN（）

则排架柱顶不动铰支座总反力为:

RRaRB1.081.080kN（）

排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力如图

3-84（b）、（c）所示。

（b）

图3-84

3•屋面可变荷载作用下排架内力分析

（1）Dmax作用于A柱

Dmin在牛腿顶面处引起的力矩分别为:

计算简图如图3-86（a）所示。

其中吊车竖向荷载Dmax

MaDmaxe3462.250.3138.68kNm

MBDmin©96.750.329.03kNm

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R分别为

Ra也C3138.681.10411.96kN（）

H12.8

MB29.03

RbbC31.2682.27kN（）

H12.8

RRaRb11.962.279.69kN（）

排架各柱顶剪力分别为

VaRaaR11.960.59.696.98kN（）

VBRABR2.270.59.697.12kN（）

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）Dmax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，a

（3.9

1.2）/3.9

0.692则柱顶不动铰支座反力Ra、Rb分别为

RA

TC

max5

14.78

0.559

8.26kN（）

Rb

TC

max5

14.78

0.559

8.26kN（）

排架柱顶总反力R为

RRARB8.268.2616.52kN（）

各柱顶剪力分别为

VARAAR8.260.516.520

VBRBBR8.260.516.520

排架各柱的弯矩图及柱底剪力值如图3-90（b）所示。

当Tmax方向相反时，弯矩图和剪力图只改变符号,

数值不变。

X.

—>

一

图3-90

4•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Ra、RB及总反力R分别为

Ra

q1HC11

1.7912.80.316

7.47kN（）

Rb

q2HC11

0.8912.80.326

3.71kN（）

r

RaRb

FW7.473.716.75

17.93kN（）

各柱顶剪力分别为

Va

RaaR

7.47

0.5

17.93

1.50kN（

）

Vb

RbbR

3.71

0.5

17.93

5.26kN（

）

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。

Euo

―h

「

i

~1

—1

T

T2

—I

—I

―»

—a

—h

165$3_

■b：

；.;

图3-92

3.9.8内力组合

-川，如图

（3-24）进

以A柱内力组合为例。

控制截面分别取上柱底部截面1-1、牛腿顶截面nn和下柱底截面川

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）Mmax及相应的N、V

⑵Mmax及相应的N、V;

（3）N

max及相应的M、V；

⑷Nmin及相应的M、V。

表3-20

控制截面及正向内力

何载类别

永久何载效应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

Dmax作用在

A柱

Dmax作用在

B柱

Tmax作用

在AB跨

左风

右风

弯矩图及柱底截面剪力

■•■

■"s-—■

；

1

AnrJ

''.|"?

J1

1.

序号

①

②

③

④

⑤

⑥

⑦

1-1

MK

15.53

2.41

-27.22

-27.77

0

19.46

-27.28

Nk

295.40

36.00

0

0

0

0

0

11-1

I

MK

-45.03

-6.59

111.46

1.26

0

19.46

-27.28

Nk

339.70

36.00

462.25

96.75

0

0

0

III

III

MK

22.35

3.02

49.34

-62.1

+62.1

165.83

-140.24

Nk

381.44

36.00

462.25

96.75

0

0

0

Vk

7.57

1.08

-6.98

-7.12

8.26

24.41

-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。

故除下柱底截面川-川外，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3-21和表3-22为A柱荷载效应的基本组合和标准组合。

表3-21

截面内力组合

mnmn

基本组合（可变荷载控制）SdGjSGjkQiLiSqikQiL1CiSQk标准组合：

SdSg,Sq^^Sq,

j1i2j1i2

+Max及相应的N,V

-Mmax及相应的N,V

Max及相应的M,V

Nmin及相应的N,V

1-1

M

1.2X①+1.4X⑥+1.4

X0.7X②

48.24

①+1.4X0.9X④+1.4X0.7X0.9X③+

0.6X⑦

-66.38

1.2X+1.4X0.9

X⑥+1.4X0.7X

②

45.24

①+1.4X0.9X⑥+1.4X0.

7X②

42.14

N

389.7

6

295.40

389.76

295.40

11-11

M

①+1.4X0.9X③+1.4

X0.6X⑥

114.4

8

1.2X①+1.4X0.9

X⑦+1.4X0.7X②

-94.87

1.2X①+1.4X0.9X③+1.4X[0.7X②+0.6X（⑥+⑦）]

75.84

①+1.4X0.9X⑦+1.4X0.

6X⑥

-80.26

N

922.1

4

442.92

1025.3

6

339.70

III-III

M

1.2X①+1.4X⑥+1.4

X（0.7X②+0.7X0.9

X③+0.7X0.9X⑤）

361.0

4

①+1.4X⑦+0.7X0

.9X（④+⑤）

-293.85

1.2X①+1.4X0.9

X③+1.4X0.7X

（②+0.9X⑤）

196.42

①+1.4X⑥+1.4X0.7X

（②+0.8X③+0.9X⑤）

335.84

N

946.0

1

466.77

1075.4

4

779.12

V

34.34

-24.46

9.93

33.34

M

①+⑥+[0.7X（②+③）

X③+0.7X0.9⑤]

275.5

7

①+⑦+

0.7X0.8X④+0.7

X0.9X⑤

-203.41

1+0.9X③+0.7X

2+0.7X0.9X⑤+

0.6X⑥

219.29

①+⑥+

（0.7X③+0.7X0.9X⑤）

273.46

Nk

730.2

0

435.62

822.67

705.02

Vk

34.34

-24.46

21.14

33.26

表3-22

截面内力组合

mn

基本组合（永久何载控制）SdGjSGjkQL1cSQik

j1i1

+Mnax及相应的N,V

-Mmax及相应的N,V

Max及相应的M,V

Nmin及相应的N,V

1-1

M

1.35X+1.4

X（0.7X②

+0.6X⑥）

39.66

①+1.4X

（0.7X0.8X④

+0.7X0.9X③+0

.6X⑦）

-53.18

1.35X①+1.4

X

（0.6X⑥+0.7

X②）

39.66

①+1.4X

（0.6X⑥+0.7

X②）

34.23

N

434.07

295.40

434.07

330.68

11-11

M

①+1.4X

（0.7X③+0.

6X⑥）

80.55

1.35X①+1.4X

（0.6X⑦+0.7X

②）

-80.40

1.35X①+1.4X[0.7X0.9X③+0.7X②+0.

6X（⑥+⑦）]

24.46

①+1.4X0.6X

（⑥+⑦）

-51.62

N

792.71

493.88

901.58

339.70

III-III

M

1.35X①+1.4X[0.7X②+0.7X0.8X

（③+⑤）

+0.6X⑥]

274.46

①+1.4X[0.6X

⑦+0.7X0.8X

（④+⑤）]

-207.28

1.35X①+1.4X[0.7X②+0.

7X0.9X

（③+⑤））

147.69

①+1.4X

（0.7X②+0.7X0.8X③

+0.6X⑥）

203.29

N

912.63

457.29

957.93

779.12

V

32.79

-18.47

12.41

23.66

3.9.9柱截面设计

仍以A柱为例。

混凝土强度等级为

22

C30,fc14.3N/mm2,ftk2.01N/mm2;纵向钢筋采用

HRB4O0级，ftk2.01N/mm2,

0.518。

上、下柱均采用对称配筋。

对上柱，截面的有效高度取

1．选取控制截面最不利内力

h040045355mm，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

Nb

1fcbh0b1.014.3

4003550.518

1051.85kN

当N比1051.85kN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ei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