单层厂房课程设计
单层工业厂房结构课程设计计算书一．设计资料
1.某金工车间，单跨无天窗厂房，厂房跨度L=21m，柱距为6m，车间
总长度为150m，中间设一道温度缝，厂房剖面图如图所示：
2.车间设有两台中级工作制吊车，吊车起重量为200/50kN。
3.吊车轨顶标高为9.0m。
4.建筑地点：市郊。
5.地基：地基持力层为e及I L均小于0.85的粘性层（弱冻胀土），地基
承载力特征值为f ak=180kN/m2。标准冻深为：-2.0m。
6.材料：混凝土强度等级为C30，纵向钢筋采用HRB400级，
(360N/mm2)箍筋采用HPB300级。(270N/mm2)
二. 选用结构形式
1.屋面板采用大型预应力屋面板，其自重标准值（包括灌缝在）为
1.4kN/m 2。
2. 屋架采用G415（二）折线型预应力钢筋混凝土屋架，跨度为21m ，
端部高度为2.3m ，跨中高度为33.5m ，自重标准值为83.0kN 。 3. 吊车梁高度为0.9m ，自重30.4kN ；轨道与垫层垫板总高度为
184mm ，自重0.8kN/m 。 4. 柱下独立基础:采用锥形杯口基础。
三、柱的各部分尺寸及几何参数
采用预制钢筋混凝土柱
轨道与垫层垫板总高m h a 184.0= ， 吊车梁高m h b 9.0= ， 故
牛腿顶面标高=轨顶标高m h h b a 916.79.0184.00.9=--=--
由附录12查得，吊车轨顶只吊车顶部的高度为m 3.2，考虑屋架下弦至吊车顶部所需空隙高度为mm 220，故柱顶标高=m 520.1122.03.20.9+=++
基础顶面至室外地坪的距离取m 0.1，则
基础顶面至室地坪的高度为m 15.115.00.1=+，故 从基础顶面算起的柱高m H 67.1215.152.11=+=，
上部柱高m 60.3,604.3916.752.11取为m H u =-= 下部柱高m 07.9,066.9604.367.12取为m H l =-= 上部柱采用矩形截面mm mm h b 400400?=?；
下部柱采用Ⅰ型截面mm mm mm mm h b h b f f 150100900400???=???。 上柱： mm mm h b 400400?=? (m kN g /0.41=) 25106.1mm h b A u ?=?= 4931013.212mm bh I u ?==
下柱：
)/69.4(1501009004002m kN g mm mm mm mm h b h b f f =???=??? [])100400()1752900()1502900(4009001-??-+?--?=A 2510875.1mm ?=
33
3)3/25275(253005.0212
60030012400900+????+?-?=
l I 4101095.1mm ?=
109.0105.191013.29
9
=??==l u I I n m H m H u 67.12,6.3== 284.067.126.3===H H u λ
上柱：
下柱：
284.0;109.0==λn
图1厂房计算简图及柱截面尺寸
四．荷载计算
1. 恒荷载
（1）屋盖恒荷载
SBS 防水层 m kN /12.01.02.1=? 20mm 厚水泥砂浆找平层 m kN /48.02002.02.1=?? 100mm 厚水泥珍珠岩保温层 m kN /48.041.02.1=?? 隔气层 m kN /06.005.02.1=? 20mm 厚水泥砂浆找平层 m kN /48.02002.02.1=?? 大型预应力屋面板（包括灌缝重） m kN /68.14.12.1=? 总1 m kN g /3.31= 屋架 m kN /6.990.832.1=? 则作用屋架一段作用于柱顶的自重为：
kN F 7.2556.995.03.35.1061=?+??= 作用于上部柱中心线外侧mm e 500=处。
（2）柱和吊车梁等恒荷载
上柱： kN F 28.170.460.32.12=??=作用在牛腿顶截面处; 下柱： kN F 05.5169.407.92.13=??=作用在基础顶截面处； 吊车梁及轨道自重：kN F 2.42)68.04.30(2.14=?+?= 2.屋面活荷载
由《荷载规》查得屋面活荷载标准值为0.5kN/m 2，雪荷载0.75kN/m 2（50年一遇），故考虑雪荷载。
kN F 6.7512675.04.16=???= 作用于上部柱中心线外侧e 0=50mm 处。
3.风荷载
由《荷载规》查得地区基本风压为 ω0=0.50kN
柱顶处集中风荷载风压高度变化系数 （按B 类地面粗糙度取）按檐口离室外地坪的高度m 88.133.252.1115.0=++来计算。查表可得离地面m 10时，
0.1=z μ，离地面m 15时，14.1=z μ，用插入法，可得 11.1)1088.13(10
150
.114.11=-?--+
=z μ
柱顶处均布风荷载风压高度变化系数 （按B 类地面粗糙度取）按柱顶离室外地坪的高度m 67.1152.1115.0=+来计算。同理可得 05.1)1067.11(10
150
.114.11=-?--+=z μ
风荷载标准值：m kN z s z k /42.005.005.18.00.1011=???==ωμμβω m kN z z k /2625.005.005.15.00.1022=???==ωμμβω
则作用于排架上的风荷载设计值为：
m
kN q m kN q /21.262625.04.1/53.3642.04.121=??==??=
[][]kN
h h W z s s s s k 5571.965.011.12.1)6.05.0(3.2)5.08.0()()(0243121=????-+?+=+++=β
ωμμμμμ （屋面坡度为1/10） 故kN W W k Q 38.135571.94.1=?==γ 风荷载作用下的计算简图如下图：
图2风荷载作用下计算简图
4.吊车荷载
吊车跨度m L K 5.1975.0221=?-=
查附录12，得Q=20/5t,L k =19.5m 时的吊车最大轮压标准值P max ，k 、最小
轮压标准值P min ，k 、小车自重标准值G 2，k 以及吊车额定起重量相对应的重力标准值G 3，k ：
P max ，k =205kN ， P min ，k =45kN ，G 2，k =75kN ，G 3，k =200kN 并查得吊车宽度B 和轮距K ：B=5.55m ，K=4.40m （1）吊车竖向荷载设计值D max 、D min
由图所示的吊车梁支座影响线知
∑=+++??==kN y P D i k 675.396)075.0267.0808.00.1(2059.0max,max β
kN D D k Q 345.555675.3964.1max,max =?==γ
905.121205
45
345.555.max min,max
min =?
==K
k P P D D （2）吊车横向水平荷载设计值Tmax
62
.18205
875
.6345.555875.6)20075(1.041)(4
1
max,max max ,3,2=?===+??=+=k k k k k P T D T kN
G G T α
五．力分析
1、屋盖荷载作用下的力分析 （1）屋盖集中恒荷载F 1作用下的力分析 柱顶不动点反力 11
C H
M R =
m kN e F M ?=?=?=785.1205.07.255011 由于n=0.109，λ=0.284则代入公式
()()
()()10.21109.0/1284.01109.0/11284.015.11/11/1115.13213
2=-+--?=-+--?=n n C λλ 则kN C H M R 12.210.267
.12785
.1211=?==
（2）屋盖集中活荷载F 6作用下的力分析
m kN e F M ?=?=?=78.305.06.75066 kN C H M R 63.010.267
.1278
.316=?==
在F1、F6分别作用下的排架柱弯矩图、轴向力图和柱底剪力图如下，图中标注出的力值是指控制截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ截面的力设计值。弯矩以使排架柱外侧受拉为正，反之为负；柱底剪力以向左为正、向右为负。
<1>屋盖恒荷载作用下的力图 <2>屋盖活荷载作用下的力图 2、柱自重、吊车梁及轨道连接等自重作用下的力分析。
不作排架分析，其对排架产生的弯矩和轴向力如下图所示：
3、吊车荷载作用下的力分
(1)D max 作用在A 柱，D min 作用在B 柱时，A 柱的力分析
M max =D max ?e=555.345×（0.75-0.45）=166.6kN ?m
M min =D min ?e=121.91×（0.75-0.45）=36.57kN ?m 这里的偏心距e 是指吊车轨道中心至下部柱截面形心的水平距离。 A 柱顶的不动支点反力，代入公式得：
16.1)1109.0/1(284.01284.015.1)
1/1(115.1332
32=-+-?=-+-?=n C λλ
A 柱顶不动支点反力)(27.1516.167.1266.1663max ←=?==kN C H M R A A 柱顶不动支点反力)(35.316.167.1257
.363min →-=?==kN C H M R B
A 柱顶水平剪力:
)(31.9)35.327.15(21
27.15)(21←=+-+=--+=kN R R R V B A A A
A 柱顶水平剪力:
)(31.9)35.327.15(21
35.3)(21→-=+-+-=--+=kN R R R V B A B B
力图示如下图（a ）
（2）D min 作用在A 柱，D max 作用在B 柱时的力分析
此时，A 柱顶剪力与D max 作用在A 柱时相同，也是V A =9.31kN （←）故可得力值，示于下图（b ） （3）在T max 作用下的力分析
T max 至牛腿顶面的距离0.9+0.184=1.084m ； T max 至柱底的距离为9+0.15+1.0=10.15。
因A 柱和B 柱相同，受力也相同，故柱顶位移相同，没有柱顶剪力，故A 柱的力如下图（c ）
4、风荷载作用下A 柱的力分析
左风时，在q 1、q 2作用下的柱顶不动铰支座反力，代入计算公式：
[][][][]
333.0)
1109.0/1(284.018)1109.0/1(284.013)1/1(18)1/1(13343114=-+-+=-+-+=n n C λλ
不动铰支座反力：
kN HC q R A 89.14333.067.1253.3111-=??==（←） kN HC q R A 32.9333.067.1221.2111-=??==（←）
A 柱顶水平剪力：
()kN R R F R V B A W A A 905.3)32.989.1438.13(2189.1421
=+++-=--+
=（→） ()kN R R F R V B A W B B 475.9)32.989.1438.13(2
1
32.921=+++-=--+=（→）
故左风和右风是，A 柱的力图分别示于下图（a ）和（b ）
六．力组合
单跨排架的A柱与B柱承受荷载的情况相同，故仅对A柱在各种荷载作用下的力进行组合。
表1为A柱在各种荷载作用下力汇总表，表2为A柱承载力极限状态荷载效应的基本组合，表3为A柱正常使用极限状态荷载效应的标准组合及准永久组合。
荷载种类恒荷载屋面
活荷
载
风荷载吊车荷载
左风右风
max
D
min
D
T(→) T(←)
荷载编号 1 2 3 4 5 6 7 8
Ⅰ-ⅠM-5.
-1.5
1 36.93 -48.43
-33.5
2
-33.5
2
20.18 -20.18 N272.98 75.6
注：（1）力的单位是kN·m，轴力的单位是kN，剪力的单位是kN；（2）表中弯矩和剪力符号对杆端以顺时针为正，轴向力以压为正；（3）表中第1项恒荷载包括屋盖自重、柱自重、吊车梁及轨道自重；
（4）组合时第3项与第4项、第5项与第6项、第7项与第八项二者不能同时组合；
（5）有T作用时候必须有D max或D min同时作用。
注：由永久荷载效应控制的组合：其组合值不是最不利，计算从略。
七．柱子设计
1.上柱配筋计算
从表2中选取两组最不利的力 M 1=-97.05kN ·m ；N 1=272.98kN 。 M 2=-98.41N ·m ；N 2=341.02kN 。
(1) 先按M 1，N 1计算
l 0/h=2×3600/400=18>5,故需要考虑纵向弯曲影响，其截面按对称配筋计算，偏心距为：
e 0=M 1/N 1=97.05/272.98=0.356m
e a =h/30=400/30=13.33mm ≤20mm ，取20mm e i =e 0+e a =356+20=376mm
ζc =0.5f c A/N=0.5×14.3×1.6×105/(272.98×103)=4.19>1.0 取ζc =1.0 21.10.118360
/37615001
1)(/1500112200=???+=+
=c i s h l h e ζη
则e=ηs e i +h/2-a s =1.21×376+400/2-40=614.96mm
ζb =0.518 N ≤ɑ1f c bh 0ζ
ζ=N/(ɑ1f c bh 0)=272.98×103/(1.0×14.3×400×360)=0.132<ζb ζh 0=0.132×360=47.52mm<2a s ’=80mm 不满足 则取x=2a s ’=80mm 来计算，
e ’=ηs e i -h/2+a s ’=1.21×376-400/2+40=294.96mm
23
0'
698)
40360(36096.29410272.98)'('mm a h f Ne A A s y s s =-???=-==
选用320，2
6.942'mm A A s s ==,故截面一侧钢筋截面面积
2min 2320400400%2.06.942mm bh mm =??=>ρ；同时柱截面总配筋
22880400400%55.02.18856.9422mm mm =??>=?。
(2)再按M 2，N 2计算（M 2=-98.41N ·m ；N 2=341.02kN ）
e 0=M 2/N 2=98.41/341.02=0.289m
e a =h/30=400/30=13.33mm ≤20mm ，取20mm e i = e 0+e a =289+20=309mm
ζc =0.5f c A/N=0.5×14.3×1.6×105/(341.02×103)=3.35>1.0 取ζc =1.0 25.10.118360
/30915001
1)(/1500112200=???+=+
=c i s h l h e ζη
则e=ηs e i +h/2-a s =1.25×309+400/2-40=546.25mm ζb =0.518 N ≤ɑ1f c bh 0ζ
ζ=N/(ɑ1f c bh 0)=341.02×103/(1.0×14.3×400×360)=0.167<ζb ζh 0=0.167×360=59.62mm<2a s ’=80mm 不满足 则取x=2a s ’=80mm 来计算，
e ’=ηs e i -h/2+a s ’=1.25×309-400/2+40=226.25mm
230'536)
40360(36025
.22610272.98)'('mm a h f Ne A A s y s
s =-???=-=
=<320， 2
6.942'mm A A s s ==
（3）垂直于排架方向的截面承载力验算
查表知垂直于排架方向的上柱计算长度m H l a 5.460.325.125.10=?== 976.0,25.114
.05.40===?查表得b l
()承载力满足。
,314.0286.2605)18853604004003.14(976.09.0''9.0max kN N kN A f A f N s y c u =>=?+????=+=?
2.下柱配筋计算
从表2中选取两组最不利的力 M 1=539.56N ·m ；N 1=934.09kN 。 M 2=-489.67kN ·m ；N 2=475.92kN 。
(1) 先按M 1，N 1计算
l 0/h=9070/900=10.08>5,故需要考虑纵向弯曲影响，其截面按对称配筋计算，其偏心距为：
e 0=M 1/N 1=539.56/934.09=0.578m e a =h/30=900/30=30mm>20mm e i = e 0+e a =578+30=608mm
ζc =0.5f c A/N=0.5×14.3×1.875×105/(934.09×103)=1.44>1.0 取ζc =1.0
10.10.108.10860
/60815001
1)(/1500112200=???+=+=c i s h l h e ζη
先按大偏心受压计算相对受压区高度x ，并假定中和轴通过翼缘，则有， x=N/(ɑ1f c b f ’)=934.09×103/(1.0×14.3×400)
=.30mm>2a s ’=80mm
>h f ’=162.5mm,说明中和轴不在翼缘。
e=ηs e i +h/2-a s =1.10×608+900/2-40=1078.8mm
()()()()()()2
300011019408603602/5.1628605.1623002/30.16386030.163100[3.140.18.107810934.09)
'(]
'5.0''5.0['mm a h f h h h b b x h bx f Ne A A s y f f f c s s =--??+-????-??=---+--=
=α
采用518，21272'mm A A s s ==
(2)再按M 2，N 2计算（M 2=-496.74kN ·m ；N 2=475.92kN ）
e 0=M 2/N 2=496.74/475.92=1.044m e a =h/30=900/30=30mm>20mm e i = e 0+e a =1044+30=1074mm
ζc =0.5f c A/N=0.5×14.3×1.875×105/(519.65×103)=2.58>1.0 取ζc =1.0
05.10.108.10860
/1074150011)(/1500112200=???+=+
=c i s h l h e ζη
x=N/(ɑ1f c b f ’)=475.92×103/(1.0×14.3×400)=83.20mm>2a s ’=80mm
e=ηs e i +h/2-a s ’=1.05×1074+900/2-40=1537.7mm
2
3'00'1'19.2463)
40860(360)
20.805.0860(4003.140.17.15371092.475)
()
5.0(mm a h f x h b f Ne A A s y f c s s =-??-???-??=---=
=α
>518，采用722，22661'mm A A s s ==
综合两组计算结果，最后下柱钢筋截面面积每侧选用(722，22661mm A s =) （3）垂直于排架方向的截面承载力验算
查表知，有柱间支撑时，垂直于排架方向的下柱计算长度 m H l l 256.707.98.08.00=?== 81.0,14.184
.0256.70===?查表得b l
()承载力满足。
,934.0986.28.2622)1272236010875.13.14(81.09.0''9.0max 5kN N kN A f A f N s y c u =>=??+????=+=?
3.柱裂缝宽度验算
裂缝宽度按力的准永久组合值进行验算。风荷载的,0=q ψ故不考虑风荷载。(1)上柱裂缝宽度验算 控制截面Ⅰ-Ⅰ的准永久力值：
kN N m kN M q q 09.290545.09.26384.2742.146.094.236.008.15.028.4=?+=?-=?-?-?--=
e 0=M q /N q =96mm
55.027.0360
9600<==h e ,因此可知裂缝宽度较小不必验算裂缝宽度。 (2)下柱裂缝宽度验算
对Ⅲ-Ⅲ截面力组合+M max 及相应的N 的情况进行裂缝宽度验算。
kN
N m kN M q q 62.57968.3966.0545.061.34163.264)99.13471.3472.237(6.00.35.068.18=?+?+=?=++?+?+=
e 0=M q /N q =0.457m
ρte =A s /A te =A s /[0.5bh+（b f -b ）h f ]
=2661/[0.5×100×900+(400-100)×162.5]=0. 因为 l 0/h=10.75<14；ηs =1.0
则e=ηs e 0+h/2-a s =1.0×457+900/2-40=867mm
γf ’=(b f ’-b)h f ’/(bh 0)=(400-100)×162.5/(100×900)=0.542 z=[0.87-0.12(1-γf ’)(h 0/e)2]h 0
=[0.87-0.12(1-0.542)×(860/867)2]×860 =701.69mm
按荷载标准组合计算的纵向受拉钢筋应力
σsq =N q (e-z)/(zA s )
=579620×(867-701.69)/(701.69×2661) =51.32N/mm 2 裂缝间钢筋应变不均匀系数为: ψ=1.1-0.65f tk /(ρte ·σsk )
=1.1-0.65×2.01/(0.×51.32)=0.191
满足。,3.0011.0)028
.020
08.0329.1(100.232.51191.09.1)
08
.09.1(5
max mm mm p d c E W te
eq s s
sq
cr <=?+???
?=+=σψ
α
4.箍筋配置
由于该厂房处于非地震区，故对上、下柱均采用φ8200，在牛腿处箍筋加密为φ8100.
5.柱的牛腿设计
(1)荷载计算
kN F D F k k vk 85.4312
.12
.4268.396,4max,+
=+=
(2)截面尺寸验算
h 1=100mm, h=600mm,b=400mm, 则h 0=600-40=560mm ， a=-150+20=-130mm<0，故取a=0，f tk =2.01N/mm 2，F hk =0,β=0.65。 β(1-0.5F hk /F vk )f tk bh 0/(0.5+a/h 0) =0.65×2.01×400×560/0.5 =585.31kN>F vk =451.20kN ɑ<450,故满足要求。 (3)配筋计算
由于a=-130mm ，故可按构造要求配筋。水平纵向受拉钢筋截面面积 2min 480600400002.0mm bh A s =??=≥ρ，采用514，A s =769mm 2， 其中214是弯起钢筋。