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单层单跨工业厂房-设计

1 设计条件与资料 (1)

2 结构构件选型与截面尺寸确定 (1)

3 荷载计算 (3)

恒载 (3)

屋面活荷载 (4)

风荷载 (4)

吊车荷载 (5)

（

4 排架内力分析 (6)

恒载作用下排架内力分析 (6)

屋面活荷载作用下排架内力分析 (8)

风荷载作用下排架内力分析（仅考虑左吹风） (9)

吊车荷载作用下排架内力分析 (10)

5 内力组合 (14)

6 柱截面设计 (15)

选取控制截面最不利内力 (14)

上柱配筋计算 (15)

下柱配筋计算 (16)

柱的裂缝宽度验算 (17)

柱箍筋配置 (17)

牛腿设计 (17)

柱的吊装验算 (18)

7 基础设计 (20)

作用于地基顶面上的荷载计算 (20)

基础尺寸及埋置深度 (21)

基础高度验算 (22)

基础底板配筋计算 (24)

致谢

参考文献

、

1 设计条件与资料

某金工车间为单跨厂房，跨度为18m ，柱距均为9m ，车间总长度45m 。该跨设有150/50kN 吊车1台，吊车工作等级为A5级，轨顶标高为。采用卷材防水屋面，240mm 厚双面清水围护砖墙，钢窗宽度6m ，室内外高差为150mm ，素混凝土地面，厂房建筑剖面如图1所示。

厂房所在地点的基本风压m 2，地面粗糙度为B 类；修正后的地基承载力特征值为200kN/m 2

。活荷载组合值系数7.0=c ψ；风荷载组合值系数取。要求进行排架结构设计（不考虑抗震设防）。

2 结构构件选型与截面尺寸确定

因该厂房跨度在15～36m 之间，且柱顶标高大于8m ，故采用钢筋混凝土排架结构。为了使屋盖具有较大刚度，选用预应力混凝土折线形屋架及预应力混凝土屋面板。选用钢筋混凝土吊车梁及基础梁，厂房各主要构件选型见表1。

表1 主要承重构件选型表

注：本表图集均按TJ 10-1974《钢筋混凝土结构设计规范》设计，重力荷载已换算为法定计量单位。

图1 厂房剖面图

由图1可知柱顶标高为，牛腿顶面标高为，设室内地面至基础顶面的距离为，则计算简图中柱的总高度H ，下柱l H 和上柱高度u H 分别为：m m m H 8.145.03.14=+=

m m m H l 9.105.04.10=+= m m m H u 9.39.108.14=-=

根据柱的高度，吊车起重量及工作级别等条件，可确定柱截面尺寸，见表2。

表2 柱截面尺寸及相应的计算参数

柱号计算参数

截面尺寸/mm 面积/mm 2

惯性矩/mm 4

自重/（kN/m ）

A,B

上柱

矩 500×600

×105

×109

下柱

I 500×1200×150×200

×105

×1010

本例仅取1榀排架进行计算，计算单元和计算简图如图2所示。

图2 计算单元和计算简图

3 荷载计算

恒载

（1）屋盖恒载

SBS 防水层 m 2

20mm 厚水泥砂浆找平层 20kN/m 3

×=m

100mm 厚水泥蛭石保温层 5kN/m 3×=m 2

一毡两油隔气层 m

20mm 厚水泥砂浆找平层 20kN/m 3

×=m

预应力混凝土屋面板（包括灌缝） m 2

屋盖钢支撑 m 2 合计 m 2

屋架重力荷载为80kN/榀，则作用于柱顶的屋盖结构重力荷载设计值 363.90kN 80kN/2)18m /29m (3.25kN/m 1.22

1=+???=G （2）吊车梁及轨道重力荷载设计值

57.60kN 9m )8kN/m .0(40.8kN 1.23=?+?=G （3）柱自重重力荷载设计值

上柱 35.10kN 3.9m 7.5kN/m 1.244=??==B A G G 下柱 110.39kN 10.9m 8.44kN/m 1.255=??==B A G G 各项恒载作用位置如图3所示

图3 荷载作用位置图（单位：kN ）

屋面活荷载

屋面活荷载标准值为m 2

，雪荷载标准值为m 2

，后者小于前者，故仅按前者计算，作用于柱顶的屋面活荷载设计值为：

61.24kN 18m /29m 0.54kN/m 1.421=???=Q

1Q 的作用位置与1G 作用位置相同，如图3所示。

风荷载

风荷载标准值按式0ωμμβωz s z k =计算，其中200.45kN/m =ω，0.1=z β

z μ根据厂房各部分标高（图1）及B 类地面粗糙度由《混凝土结构设计》附表确定如

下：

柱顶（标高） 1204.1=z μ 檐口（标高） 1752.1=z μ

屋顶（标高） 2060.1=z μ

s μ如图4a 所示，由式0ωμμβz s z k w =可得排架迎风面及背风面的风荷载标准值分别

为：

10.403kN/m 0.45kN/m

1.12040.81.0=???=k w

.805=A G 91

.805=A G

20.252kN/m 0.45kN/m

1.12040.51.0=???=k w

图4 风荷载体型系数及排架计算简图

作用于排架计算简图4b 上的风荷载设计值为：

5.08kN/m 9.0m 0.403kN/m 1.421=??=q 3.18kN/m 9.0m 0.252kN/m 1.422=??=q

()()[]B h h F 0z 2z s4s31z s2s1Q w ωβμμμμμμγ+++=

()[]18.97kN 9.0m 0.45kN/m 1.01.4m 1.2060.5)0.6(2.3m 1.17520.50.81.42=?????+-+??+?= 吊车荷载

由《混凝土结构设计》表可得500/50kN 吊车的参数为：

kN 35,kN 165150kN,kN,69,m 40.4,m 65.5min p,max p,======F F Q g K B

根据B 及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。

图5 吊车荷载下支座反力影响线

（1）吊车竖向荷载

由公式∑=i y F D m ax pi,m ax ∑=i y F D m in pi,m in 可得吊车竖向荷载设计值为：

349.04kN 0.511)(1.0165kN 1.4max p,Q max =+??==∑i

y F D γ kN 04.740.511)(1.0kN 351.4min

p,Q min =+??==∑i

y F D γ

（2）吊车横向水平荷载

作用于每一个轮子上的吊车横向水平制动力按公式()g Q T +=α4

计算

()10.95kN 69kN)(150kN 0.24

41=+??=+=

g Q T α 作用于排架柱上的吊车横向水平荷载设计值 23.16kN 1.51110.95kN 1.4Q max =??==∑i

T γ

4 排架内力分析

该厂房为单跨排架，可用剪力分配法进行排架内力分析，其中柱的剪力分配系数i η按公式∑=

i i

i 1

/1/1δδη计算，结果见表3。

表3 柱剪力分配系数

恒载作用下排架内力分析

恒载作用下排架的计算简图如图6a 所示。图中的重力荷载G 及力矩M 是根据图3确定的，即：

kN G G 9.36311==; 92.70kN 31.5kN 54.72kN 4A 32=+=+=G G G 110.39kN A 53==G G

m 36.39kN 0.1m 363.9kN 111?=?==e G M

()

m kN e G e G G M A ?=?-?+=-+=18.1082.06.573.0)1.359.363(330412

由于图6a 所示排架结构无侧移，故各柱可按柱顶为不动铰支座计算内力。柱顶不动铰支座反力i R 可根据《混凝土结构设计》表所列的相应公式计算。对于A,B 柱，719.0=n

264.0=λ，则

385.1111123,530.111111123323321=?

? ??-+-?==??? ??-+??? ??--?=n C n n C λλλλ

6.94kN 14.8m 1.385m 108.18kN 1.530m 36.39kN 3211=??+??=+=C H M C H M R A

kN 94.6-=B R

求得i R 后，可用平衡条件求出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和轴力图分别见图6b,c 。

图6d 为排架柱的弯矩、剪力和轴力的正负号规定。

图6 恒载作用下排架内力图

屋面活荷载作用下排架内力分析

A,B 跨作用屋面活荷载，排架计算简图如图7所示。其中kN 24.611=Q ，它在柱顶及变阶处引起的力矩为m 6.124kN 0.1m 61.24kN A 1?=?=M ，

m 18.37kN 0.3m 61.24kN A 2?=?=M

对于A,B 柱，530.11=C ,385.13=C ,则

kN C H M C H M R R 175.114.8m

1.385m 18.37kN 1.530m 6.124kN 3A 211B A =??+??=+=

=(→)

2.35kN 2A ==R R (→)

0kN 2.35kN 0.51.175kN A A B A =?-=-==R R V V η

图7 AB 跨作用屋面活荷载时排架内力图

风荷载作用下排架内力分析（仅考虑左吹风）

计算简图如图8所示。对于A,B 柱，719.0=n ，264.0=λ，由《混凝土结构设计》

表所得：

373.011

1811133411=?

????

???? ??-+?

??????? ??-+=n n C λλ

28.04kN 0.37314.8m 5.08kN/m 111A -=??-=-=HC q R （←） 7.55kN 10.37314.8m 3.18kN/m 112B -=??-=-=HC q R （←） 64.52kN 18.93kN 17.55kN 28.04kN w B A -=---=++=F R R R （←）

各项顶剪力分别为：

4.22kN 64.52kN 0.528.04kN A A A =?+-=-=R R V η(→) kN 71.1464.52kN 0.5kN 5

5.71B B B =?+-=-=R R V η(→)

图8 左吹风时排架内力图

吊车荷载作用下排架内力分析

（1）max D 作用于A 柱

计算简图如图9所示，其中吊车竖向荷载max D ，min D 在牛腿顶面处引起的力

m 117.01kN 0.3m 390.04kN 3max A ?=?==e D M m 55.53kN 0.75m 74.04kN 3min B ?=?==e D M

对于A 柱，385.13=C ，则

10.95kN 1.38514.8m

117.01kN 3A A -=??-=-

=C H M R （←）对于B 柱

kN 20.51.38514.8m

m 55.53kN 3B B =??==

C H M R (→) 5.75kN kN 20.510.95kN B A -=+-=+=R R R

排架各柱剪力分别为

8.08kN 5.750.510.95kN A A A -=?+-=-=R R V η（←） 8.08kN 5.750.55.20kN B B B =?+=-=R R V η(→)

图9 D max作用在A柱时排架内力图

排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力值如图9所示。

D作用在B柱

（2）max

D作用在A柱”的情况的A,B柱内力对换，并注意改计算简图如图10a所示，将“max

D作用于B柱时各柱的内力。排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪变符号，渴求的max

力值如图10b,c所示。

图10 D max 作用在B 柱时排架内力图

（3）max D 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11所示。对于A 柱，719.0=n ，264.0=λ，由《混凝土结构设计》表得692.09.3/)2.19.3(=-=α，则

()()()736.01112321232323

5=?

????

???? ??-+?

???---++-=

n n C λαααλαλ

17.04kN 0.73623.16kN 5max B A -=?-=-==C T R R （←）

排架柱顶总反力R 为：kN kN kN R R R 04.1752.852.8B A -=--=+=

8.52kN 8.52kN 0.517.04kN A B A -=?+-=-==R R V V η

排架各柱的弯矩图及柱底剪力值如图11b 所示。当max T 方向相反时弯矩图和剪力只改

变符号，方向不变。

⊕

图11 T max作用在AB柱时排架内力图

5 内力组合

由于排架单元为对称结构，可仅考虑A柱截面，表4为各种荷载作用下A柱内力设计值汇总表，表5为A柱内力组合表。

表4 A柱内力设计值汇总表

柱号及正向内荷载类别恒载屋面活载吊车竖向荷载吊车水平风荷载

力

D max 作用在A 柱

D max 作用在B 柱荷载

序号 ①

② ③ ④ ⑤ ⑥

Ⅰ-Ⅰ M ± N 399 0 0 0 0 Ⅱ-Ⅱ

± N

0 0 Ⅲ-Ⅲ

± N 0 0 V

注：M （单位为m k N ?），N （单位为kN ），V （单位为kN ）

表5 A 柱内力组合表

截面 +M max 及相应的N,V

-M max 及相应的N,V N max 及相应的M,V

N min 及相应的M,V

备注

Ⅰ-Ⅰ M

①+（②+⑤+⑥）

①+*②+③*+⑤*

①/+②

①+*②

q M ·m

q N =

N 339

Ⅱ-Ⅱ

M ①+*③+⑥*

①+*②+*⑤

①+②+③

①+*②+④

N Ⅲ-Ⅲ M ①+(②+③+⑤)+

⑥*

①+（②+⑤）+④ ①+②+③ ①+*②+*④

q M ·m

q N =

k M k N k V

注：M （单位为m k N ?），N （单位为kN ），V （单位为kN ）

6 柱截面设计

以A 柱为例，混凝土强度等级为35C ，2c 16.7N/mm =f ，2tk 2.20N/mm =f ，采用HRB400级钢筋，2y y 360N/mm =='f f ，5176.0b =ξ，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mm mm mm h 555456000=-=,则大偏心和小偏心受压界限破坏时对应的轴向压力为

kN bh f N b c b 7.23985176.05555007.160.101=????==ξα

由表5可见，上柱Ⅰ-Ⅰ截面共有4组不利组合，4组内力均满足b N N <=，故均为大偏心受压。对这4组内力，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，可确定上柱的最不利内力为

m kN M ?=642.54 kN N 339=

对下柱，截面的有效高度取mm mm mm h 10554512000=-=,则大偏心和小偏心受压

界限破坏时对应的轴向压力为

[]

[]kN

h b b bh f N f f b c b 9.2536200)150500(5176.010551507.160.1)(''01=?-+????=-+=ξα 由表5可见，下柱Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ有8组不利内力，均满足b N N <=。对这8组内力采用与上柱Ⅰ-Ⅰ截面相同的分析方法，可得下柱的最不利内力为

m kN M ?=184.831 kN N 03.957=

（2）上柱配筋计算上柱的最不利内力为

m kN M ?=642.54 kN N 339=

查由附表，可得有吊车厂房排架方向柱的计算长度为

m m H l u 8.79.30.20.20=?==

0.1389.710339600500/7.165.05.03

2>=????==N

mm mm N N A f c c ξ （取0.1=c ξ）

mm h 2030

60030== mm

mm N

N e N M e e e a a i 181201033910642.543600=+???=+=+= 1.3451.0600mm 7800mm 555mm 181mm 1500111500

=???

? ??+=??? ??+=c i s h l h e ζη

m kN M M s ?=?==519.73642.54345.10η

mm N mm

N e N M e e e a a i 237201033910519.73360=+???=+=+= mm mm mm

mm a h e e s i 492452

6002372=-+=-+=

0732.0555500/7.160.1103992

301=????==mm mm mm N N

bh f N c αξ ξ>=?=1622.055545220'mm

h a s

故取'

2s a x =进行计算

mm mm mm mm a h

e e s i s 6445300181345.12

=+-?=+-

=η 22s

0118mm 45mm)

(555mm 360N/mm 64mm 339000N )(=-?='

-'='

=a h f e N A A y s s

选用183φ(2763mm =s A )，则

0.2%0.25%600mm /500mm mm 637)/(2s >=?==bh A ρ

由《混凝土结构设计》附表查得垂直排架柱计算长度 4.875m 3.9m 25.10=?=l 则9.75m m 4875m m /500/0==b l ，9825.0=ψ

满足弯矩作用平面外的承载力要求。

（3）下柱配筋计算

取1160mm 40mm 1200mm 0=-=h ，与上柱分析方法类似，在表5的8组内力中，选取最不利内力组为：

m kN 184.831?=M ，kN 03.957=N

下柱计算长度取10.9m 10.9m 1.00.10=?==l H l ，截面尺寸:b=150mm,mm 500b '

f =,

mm 200h 'f =。

f f 1032)150500(21200150b)h -2(b bh A mm mm mm mm mm ?=-?+?=+= mm mm mm a h s 1155451200h 0=-=-=

0.1792.21003.9571032/7.165.05.032

42>=????==N mm mm N N A f c c ξ （取0.1=c ξ） mm mm h 4030120030== mm mm N

N e N M e e e a a i 908401003.95710184.8313600=+???=+=+= 1.0701.01200mm 10900mm 1155mm 908mm 1500111500

=???

??+=??? ??+=c i s h l h e ζη

m kN m kN M M s ?=??==340.889184.831070.10η

mm N mm

N e N M e e e a a i 969401003.95710340.889360=+???=+=+= mm mm mm

mm a h e e s i 1524452

12009692=-+=-+=

mm h mm mm

mm N N

bh f N f c 500114500/7.160.11003.957'2

301=<=???==αξ 且mm mm a x s 904522'

=?=>，为大偏心受压构件，受压区在受压翼缘内，则

)

()2('

0'0'1's y f c s s a h f x

h x b f Ne A A ---==α ()

2763mm 360N/mm 600mm 500mm 16.7N/mm 0.98250.9)(9.0222??+????='

+='s y c u A f A f N ψ743kN

.491N 4916kN max =>=

)

451155(/360)21141155(114500/7.160.115241003.957223mm mm mm N mm

mm mm mm mm N mm N --???-??=

选用185φ(21272mm =s A )，则

min 10346401032002.0mm mm mm A <=??=ρ

33121

2)2(121f f f x b h b h h I ?+-=

3350020012

2150)20021200(121mm mm mm mm mm ???+??-?=

1039.4mm ?=

mm mm mm A I i x x 1.117321037.42

9=??== 4.741.117109008.08.00=?==

i H i l x l x 711.0=? )(9.0'

's y c u A f A f N +=?

)21034/3601032/7.16(711.09.02

??+????=mm mm N mm mm N kN N kN 898.9993896max =>= （4）柱的裂缝宽度验算

规范规定，对55.0/00>h e 的柱应进行裂缝宽度验算。由表5可知，按荷载准永久组合

计算时，上柱及下柱的偏心距分别为

305mm 55.042mm 10868.4111017.350360=>=???==h N mm

N N M e q q

635mm 55.075mm 10686.6611049.340360=>=???==h N

mm N N M e q q

故不需要进行裂缝宽度验算。（5）柱箍筋配置

非抗震地区的单层厂房柱，其箍筋数量一般由构造要求控制。根据构造要求，上下柱

均选用200@8?箍筋，加密区为100@8?。（6）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12所示。其中牛腿截面宽度b=500mm ，牛腿截面高度h=800mm,h 0=760mm （1）牛腿截面高度验算

按式00tk vk hk vk /5.05.01h a bh f F F F +???? ?

?-≤β验算，其中65.0=β,2

tk 2.20N/mm =f ,0hk =F (牛腿顶面无水平荷载)，0430mm 20mm 450mm <-=+-=a ，取0=a ；按下式确定：

341.31kN 1.2

110.39kN 1.4349.04kN G

max

vk =+=

γγG D F

200tk

vk hk vk 585.31kN 0.5560mm 400mm 2.20N/mm 0.65/5.05.01F h a bh f F F F >=???=+???? ?

?-=β故牛腿截面高度满足要求。

图12 牛腿尺寸简图

（2）牛腿配筋计算

由于0430mm 20mm 450mm <-=+-=a ,因此该牛腿可按构造要求配筋，根据构造

要求，2

min s 80mm 4600mm 400mm 0.002=??=≥bh A ρ。实际选用14

4?（=s A 2

616mm ）。水平箍筋选用100@8?。（7）柱的吊装验算

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《混凝土结构设计》表可得柱插入杯口深度为1080m m 1200m m 9.01=?=h ，取0m m 1101=h ，则吊装时总长度为15.90m 1.1m 10.9m 3.9m =++，计算简图如图13所示。