2017某金工车间双跨等高厂房结构设计计算书

双跨等高工业厂房结构设计

一、设计任务书

1.设计题目

某金工车间双跨等高厂房。

2.设计任务

（1）单层厂房的结构布置；

（2）选用标准构件；

（3）排架柱及住下基础设计。

3．设计内容

（1）确定上下柱的高度和截面尺寸。

（2）选用屋面板，天沟板，基础梁，吊车梁及轨道连接件。

（3）计算排架所承受的各项荷载。

（4）计算各项荷载作用下排架的内力。

（5）柱及牛腿的设计，柱下独立基础的设计。

（6）绘制施工图。

1）结构布置图（屋架，天窗架，屋面板，屋盖支撑，吊车梁，柱及柱间支撑，墙体布置）；

2）柱施工图（柱模板图，柱施工图）

3）基础施工图（基础平面图及配筋图）

4.设计资料

（1）该车间为双跨等高无天窗厂房，采用卷材防水屋面，跨度为21米，柱距为6米，车间总厂为72米。厂房的剖面图如图1所示。

图1 厂房剖面图

（2）建筑地点为某市郊区（暂不考虑地震作用），设计使用年限为50年。

（3）吊车：根据生产工艺要求，车间设置有两台20/5t桥式软钩吊车，吊车工作级别为A5级，吊车轨顶标高+9.3m。

（4）风荷载：基本风压(50年)标注值为0.3KN/㎡，风压高度变化系数按B类地貌取。

（5）雪荷载：基本雪压（50年）标准值为0.25KN/㎡.

（6）工程地质及水文条件：厂址位于渭河二级阶地，地形平坦，厂区地层自上而下为耕土层，厚约0.6m，粘土层厚约3.5m，地基承载力标准值=200KN/㎡，可作为持力层；中砂；卵石；基岩。厂区地层地下水位较低，且无腐蚀性，设计时不考虑地下水位的影响。

（7）建筑构造。

1）屋面：卷材防水屋面；

2）墙体：240mm厚实心粘土砖砌筑；

3）地面：屋内混凝土地面，室内外高差150mm。

二、计算书

1.结构构件的选型与布置

装配式钢筋混凝土排架结构，当结构布置符合建筑模数且尺寸在馋鬼的范围内时，出柱与基础单独设计完成外，其他构件可以从建筑标准图集中选用。通用图集一般包括设计说明、构件选用表、结构布置图、模板图、配筋图、预埋件详图、钢筋及钢筋用量表等内容。它

们属于结构施工图，可以作为施工的依据。设计中应该选用合适的构件，对构件进行正确的表示，而无需逐个构件设计。

（1）屋面结构。

1）屋面板。屋面板（包括檐口板、嵌板）选用方法：采用全

国通用工业厂房结构构件标准图集G410（一）1.5m×6.0m预应力钢筋混凝土屋面板（卷材防水），计算屋面板所承受的外加荷载的标准值，在图集中查找板的允许外加荷载大于或等于板所承受的外加荷载，作为屋面板，选用结果见表1，屋面板的布置如图2所示。

2）天沟板。应配合屋架选用天沟板。采用全国通用工业厂房

结构构件标准图集G410（一）1.5m×6.0m预应力钢筋混凝土屋面板（卷材防水天沟板），由屋面排板计算，天沟板的宽度为680mm。具体计算如下：

半跨屋架上弦坡面总长

当排放6块屋面板和一块890mm嵌板时，则有：

12.005-0.89-1.49×6=0.763m

所以，根据图集选用一块宽为760mm的天沟板，见表1，其布置如

图2所示。

该厂房一侧设4根落水管，天沟板内坡度为5‰。垫层最薄处

20mm厚，最厚处为80mm，如图2-22所示。按最厚处的一块天沟板（80mm）计算其所受的外荷载标准值。注意天沟板的开洞位置。

续表

图3 落水管布置图

图2 屋面板、屋架布置图

3）屋架。屋架选用应根据厂房使用要求、跨度大小、屋面荷载的大小、有无天窗及天窗类别、檐口类别等进行选用。本实例采用全国通用工业厂房结构构件标准图集G415（三）预应力钢筋混凝土折线屋架（跨度21m），见表1，屋架布置如图2所示。

4）屋盖支撑。

⑴不设置屋架上弦水平支撑。屋架上弦横向水平支撑作用是在屋架上弦平面内形成刚性框，增强屋架的整体刚度，保证屋架上弦或屋面梁上翼缘平面外的稳定，同时将抗风柱传来的风荷载传递到（纵向）排架柱顶。但由于采用大型屋面板，每块屋面板与屋架的连结不少于三个焊接点，并沿板缝灌注C15细石混凝土保证了屋面刚度，因此屋面上弦不宜设置上弦横向水平支撑。

⑵不设置屋架下弦支撑。由于本设计中，厂房的吊车吨位（20/5t）不大，无震动类设备对屋架下弦产生的水平作用力，故无需设置下弦横向水平支撑和下弦纵向支撑。

⑶垂直支撑和水平系杆。垂直支撑作用是保证屋架承受荷载后在平面外的稳定并传递纵向水平力，在跨端布置垂直支撑CC-1，跨中布置垂直支撑CC-3，如图4所示。

下弦水平系杆课防止吊车或其他水平震动时（纵向）屋架下弦发生颤动，一般情况下应在未设置支撑的屋架间相应于垂直支撑平面的屋架下弦节点处设置通长水平系杆。如图4所示，在屋架端部用HG-2，屋架中部（跨中）用HG-1。

图4 屋盖支撑布置图

（2） 梁柱结构布置。 1）排架柱尺寸的选定。

a ） 柱高。轨顶标高为+9.300m ，吊车为20/5t ，工作级别为A5级。当厂房跨度为21m 时可以求得吊车的跨度为k L =21-0.75×2=22.5m

，查附表2-1求得吊车轨顶以上高度（吊车轨顶至小车顶面的距离）为2.3m ，根据选定吊车梁的高度h b =1.200m ，轨道顶面至吊车梁地面的距离（轨顶垫高）h a =0.20m 。

牛腿顶面标高=轨顶标高-吊车梁高度-轨顶标高=9.600-1.200-0.200=8.200m

牛腿顶面标高应满足建筑模数（3M ）要求，取为8.100m 。考虑到吊车行驶所需空隙尺寸220k h mm =，柱顶标高按下式计算：

柱顶标高=牛腿顶面标高+吊车梁高度+轨顶标高+吊车高度+k h

=8.10+1.20+0.20+2.30+0.22=12.02m

所以，柱顶（或屋架下弦底面）标高取为12.30m （满足3M 模数要求）。

设室内地面至基础顶面的距离为0.5m ，则计算简图中中柱的总高度H ，下柱高度l H 和上柱高度u H 分别为

12.30.512.88.40.58.612.88.6 4.2l u H H m H H m

=+==+==-=-=

实际轨顶标高=8.10+1.20+0.20=9.50m,与9.30m 相差0.200m ，满足的±0.200m 的要求。

b ）柱截面尺寸。根据主的高度、吊车起吊重量级工作级别等条

件，可查附表2-2、附表2-3、附表2-4、附表2-5确定柱截面尺寸为 8600390.92222l H b mm ≥

== 8600716.71212

l H h mm ≥== A(C)轴 上柱：矩形 400400b h mm mm ?=? 下柱：I 形 400900100150f f b h b h mm mm mm mm ???=???

B 轴 上柱：矩形 400600b h mm mm ?=? 下柱：I 形 4001000100150f f b h b h mm mm mm mm ???=???

c) 牛腿尺寸初选。由牛腿几何尺寸的构造规定，145,3

h

h α≤≥o ，且 1200h mm ≥，故取145,500h mm α?==。170c mm ≥，取1100c mm =，如图5所示。

图5 牛腿截面尺寸

A(C)轴柱：17509007501501009001002

b c c mm =++-=++-=

500100600h mm =+=

B 轴柱： 17505007501501005005002

b

c c mm =++-=++-=

2）柱间支撑。可在该厂房中部()()78:轴线间设置上柱柱间支撑和下柱柱间支撑。

（3）吊车梁。吊车梁除了要满足承载力、抗裂度和刚度的要求外，还要满足疲劳强度的要求。首先应根据工艺要求和吊车的特点，结合当地的施工技术条件和材料供应情况，选用合理吊车梁形式。采用G323（二）钢筋混凝土吊车梁（中、轻级工作制）,再根据吊车的起重量、吊车的台数、吊车的跨度、工作级别等因素选用吊车梁型号，见表1 。

（4）吊车轨道联结件。根据工业厂房结构构件标准图集G-325 吊车轨道联结查得软钩吊车最大设计轮压max 1.27p p =以及吊车工作级别、起重量、吊车梁上螺栓孔间距，选用见表1。

（5）基础平面布置。

1）基础编号。首先区分排架类型，分标准排架、端部排架、伸缩缝处排架等，然后对各类排架和边柱的基础分别编号，还有抗风柱的基础也需编号（见图27基础、基础梁、吊车梁布置图）。

2）基础梁。基础梁通常采用预制构件，按全国通用工业厂房结构构件标准图集G320 钢筋混凝土基础梁选取。本设计中跨选用JL-3，边跨选用JL-18，见表1。

2.排架结构计算

（1）计算简图及柱的计算参数。

1)计算单元及计算简图。通过相邻横向柱距的中心线取出有代表性的一榀排架作为整个结构的横向平面排架计算单元，如图6（a）所示。取中间跨（7）轴线排架为计算单元进行计算，其计算简图如图6（b）所示。

图6 计算单元和计算简图

2)柱的计算参数。由柱的截面尺寸，可以求得柱的计算参数，见表2。

表2 柱的计算参数

（2）荷载计算。

1）恒载。

I）屋盖恒载。

二毡三油上铺小石子防水层2

kN m

0.35/

20mm厚1：3水泥砂浆找平层2

kN m

?=

200.020.40/ 100mm厚水泥蛭石保温层2

?=

50.10.50/

kN m 一毡二油隔气层2

kN m

0.05/

20mm厚1：3水泥砂浆找平层2

?=

kN m

200.020.40/

预应力混凝土屋面板（包括灌缝）2

kN m

1.40/

屋盖支撑 20.25/kN m

23.35/kN m

屋架重力荷载为70.7Kn/榀，则作用与柱顶的屋盖结构自重标准值为：

111

3.3562170.7262.1522

G kN =???+?=

ii)柱自重标准值。

A,C 轴上柱：22 4.0 4.216.8A C k u G G g H kN ===?= 下柱：33 4.698.640.334A C G G kN ==?=

B 轴 上柱：2 6.0 4.225.2B G kN =?= 下柱：3 4.948.642.484B G kN =?=

iii)吊车梁及轨道自重标准值。

A,B 轴上柱：4429.20.8634A B G G kN ==+?= 各项恒载作用位置如图5所示。

2）屋面活荷载。由《建筑结构荷载规范》（GB5009—2001）第4.3.1条查得不上人屋面均布活荷载标准值为2

0.5/kN m 。因屋面活荷载

大于雪荷载，故不考虑雪荷载。作用于柱顶的屋面活荷载标准值为

121

0.5631.52

Q kN =??

= 1Q 的作用位置与1G 作用位置相同，如图5所示。

图5 荷载作用位置图（单位：kN ）

3）吊车荷载。由附表2-1查得吊车计算参数列于表2-13，并进行单位换算。

根据B 及K ，可算得吊车梁支座反力影响线中各轮距对应点竖向坐标值，如图6所示，由此可求的吊车作用于柱上的吊车荷载。

i ） 吊车竖向荷载。

max,max,0.9205(10.8080.2670.075)396.68k k i D P y kN β==??+++=∑ min,min,0.935(10.8080.2670.075)67.73k k i D P y kN β==??+++=∑

ii ） 吊车横向水平荷载。当吊车额定起重量1550t Q t ≤≤时，

0.10α=。则一个大车轮子传递的吊车横向水平荷载标准值

max,1

()4

1

0.10.9(20075)(10.8080.2670.075)4

13.3k k i i

T T y g Q y kN

βαβ==+=???+?+++=∑∑

图6 吊车荷载作用下支座反力影响线

4)风荷载。由设计任务书可知，该地区基本风压为200.3/W kN m =，地面粗糙度为B 类，查附表2-7可得风压高度变化系数z μ如下：

柱顶（标高=12.30m ）：z μ=1.604；

檐口（标高= 1.00 2.43 1.5 1.8 3.014.5m +?+++=）：z μ=1.126； 屋顶标高=柱顶标高+屋架高度+屋面厚度(包括屋面做法)

=12.30 3.1[(0.020.10.020.12)0.24]15.900m ++++++=

屋顶（标高=15.900m ）：z μ=1.158 。

风荷载体型系数s μ如图2-28所示。风荷载标准值为

图7 风荷载体型系数及排架计算简图

211 1.00.8 1.0640.30.255/k z s z W W kN m βμμ==???=o 222 1.00.4 1.0640.30.128/k z s z W W kN m βμμ==???=o

则作用于排架上的风荷载标准值为

210.255 6.0 1.53/q kN m =?= 220.128 6.00.77/q kN m =?=

1214.512.3 2.2,15.914.5 1.4h m h m =-==-=

121342[()()][(0.80.4) 1.126 2.2(0.60.5) 1.158 1.4] 1.00.3 6.05.05w s s z s s z z F h h W B

kN

μμμμμμβ=+++=+??+-+?????=o (3)内力分析。

1）剪力分配系数i η。该厂房为两跨等高排架，其柱顶位移系数0C 和柱的剪力分配系数i η的计算结果见表4。

注：1A B C ηηη++=

2）恒荷载作用下排架内力分析。恒荷载作用下的计算简图如图8（a ）所示，图中重力荷载G 以及力矩M 由图5确定。具体计算如下：

111246.4A C G G G KN ===

112492.8B G G KN -

==

1111246.40.0512.32.A C A M M G e KN m -

===?= 2212246.40.2561.6.A C A M M G e KN m -===?=

由于图8（a ）所示排架的计算简图为对称结构，在对称荷载作用下排架无侧移，各柱可按上端为不动铰支座计算，中柱无弯矩。

图8 恒荷载作用下排架内力图

a ）计算简图;

b ）M 图（KN.m ），V （KN ）;C)N 图（KN ）

A,C 柱：0.109,0.305n λ==，由附图2-11-2和附图2-11-3公式得

2

2

13322

333111223111(1)10.305(1)

0.1091.5 1.5 2.143111(1)10.30510.109110.3051.5 1.5 1.104

111(1)10.305()

0.109114.71

2.143 2.46312.87

3.55

1.104 6.3441

2.8

A n C n C n M R C KN

H M R C KN

H R λλλλ----==?=??+-+- ???

--==?=+-+-==?===?=12 2.463 6.3448.818.81C A R R KN R R KN

=+=+==-=

对于B 柱，B R =0

在A R 与12,M M 共同作用下，画出排架的弯矩图，柱底剪力图以及轴力图如图8（b ），（c ）所示。

3）屋面活荷载作用下排架内力分析。

i ）AB 跨作用有屋面活荷载，排架计算简图如图9a 所示，屋架传至柱顶的集中荷载136Q KN =，它在A,B 柱柱顶及变阶处引起的弯矩分

别为：111212111360.05 1.80.360.259.00.360.15 5.40.A A A A B B M Q e KN m M Q e KN m

M Q e KN m ==?===?===?= 计算不动铰支座反力。

A 柱：由附图2-11-2和附图2-11-3公式的132.143, 1.104C C ==，则

()1213 1.89

2.143 1.104 1.0812.812.8

A A A M M R C C KN H H =

+=?+?=→ B 柱：0.281,0.305n λ==，则由附图2-11-2公式得

2131111(1)

1.5

1.73111(1)5.4 1.7310.73()

12.8

B B n

C n

M R C KN H λλ--==+-==?=→

则排架柱顶不动铰支座总反力

1.080.73 1.81()A B R R R KN =+=+=→

将R 反方向作用于排架柱顶，按分配系数求得排架各柱顶剪力。

0.285,0.43

1.080.285 1.810.56()

0.730.43 1.810.05()00.285 1.810.52()

A C

B A A A B B B

C C C V R R KN V R R KN V R R KN ηηηηηη====-=-?=→=-=-?=-←=-=-?=-←

排架各柱的弯矩图，轴力图如图9（b ），（c ）所示。

图9 AB 跨在屋面活荷载作用下排架内力图 a ）计算简图;b ）M 图（KN.m ），V （KN ）;C)N 图（KN ）

II ）BC 跨作用有屋面活荷载，由于结构对称，只需将AB 跨作用的屋面活荷载情况的A 柱与C 柱的内力对换并变号，即为排架各柱内力，如图10所示。

图10 BC 跨在屋面活荷载作用下排架内力图 a ）计算简图;b ）M 图（KN.m ），V （KN ）;C)N 图（KN ）

4）柱及吊车梁自重作用下柱的内力分析（未形成排架）。由于在安装柱子时尚未吊装屋架，此时柱顶之间无联系，则按悬臂柱分析柱内力，计算简图如图11（a ）所示。 A 柱：

22215.60.25 3.90.A A A M G e KN m ==?=

3444441.7445.645.6(0.750.45)13.68.A A A A A G KN G KN

M G e KN m

====?-=

B 柱：

23423.4043.9745.6291.2B B B G KN G KN

G KN ===?=

排架各柱的弯矩图，轴力图如图11（b ），（c ）所示。

图11 柱及吊车梁自重作用下排架内力图

a ）计算简图;

b ）M 图（KN.m ），V （KN ）;C)N 图（KN ）

5）吊车荷载作用下排架内力分析（不考虑厂房整体空间作用） i ）max D 作用于A 柱。计算简图如图2-33（a ）所示，吊车竖向荷载max min 357.98,96.75D KN D KN ==在柱中引起的弯矩分别为

max 4min 4357.980.3107.39.96.750.7572.56.A A B B M D e KN m M D e KN m

==?===?=

计算不动铰支座反力：

A 柱：由附图2-11-3公式得3 1.104C =，则