单层厂房排架结构课程设计单层厂房排架结构设计一、设计资料某金工车间为两跨等高厂房，跨度均为21m ，柱距均为6m ，车间总长度66m ，每跨设有150/30kN 吊车各2台。

吊车工作级别为A5级，轨顶标高为7.8m ，采用卷材防水屋面，240mm 厚双面粉刷围护砖墙，钢窗宽度3.6m ，高4.2m ，室内外高差为150mm ，素混凝土地面。

厂房建设剖面如图，厂房所在地衡阳的基本风压为0.4kN/m²，地面粗糙度为B 类，基本雪压为0.35 kN/m²,修正后的地基承载力特征值为300 kN/m²,钢筋等级Ⅱ或Ⅲ级,柱、基础采用C25~C30混凝土。

活荷载组合值系数φc =0.7，风荷载组合值系数取0.6，柱顶标高为10.5m ，基底标高为-0.5m ，高窗为3.6×1.8m 。

要求进行排架结构设计。

二、结构构件选型及柱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。

表1 主要承重构件选型表图1 厂房剖面图由图1可知柱顶标高为10.5m ，牛腿顶面标高为6.6m ，室内地面至基础顶面的距离为0.5m ，则柱的总高度H ，下柱高度H l 和上柱高度H u 分别为： H=10.5+0.5=11.0m H l =6.6+0.5=7.1m H u =11.0-7.1=3.9m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：表2 柱截面尺寸及相应的计算参考图2 计算单元和计算简图三、荷载计算1.恒载（1）屋盖恒载SBS改性沥青 0.3 kN/m²20mm厚水泥砂浆找平层 20 kN/m3×0.02m=0.40 kN/m²20mm厚挤塑板 0.1 kN/m3×0.02m=0.002 kN/m²20mm厚水泥砂浆找平层 20 kN/m3×0.02m=0.40 kN/m²预应力混凝土屋面板 1.4kN/m²钢屋盖支撑 0.05 kN/m²2.552kN/m²屋架重力荷载为88.8kN/榀，则作用于柱顶的屋盖结构重力荷载标准值为：G1=2.552×6×21/2+88.2/2=205.2kN（2）吊车梁及轨道重力荷载标准值G3=39.5+0.8×6=44.3kN（3）柱自重重力荷载标准值A、C柱上柱 G4A=G4C=4×3.9=15.60kN下柱 G5A=G5C=4.44×7.1=31.52kNB柱上柱 G4B=6×3.9=23.4kN下柱G5B=44.4×7.1=31.52kN图3 荷载作用位置图（单位：kN）2.屋面活荷载屋面活荷载标准值为0.5kN/m²，雪荷载标准值为0.35 kN/m²，后者小于前者，故仅按前者计算，作用于柱顶的屋面活荷载标准值为：Q1=0.5×6×21/2=31.5 kN ，Q1的作用位置与G1相同3.风荷载风荷载的标准值按ωk=βzμsμzω0计算，其中ω0 =0.4 kN/m²，βz =1.0，μz 根据厂房各部分标高及B类地面粗糙度确定，μs 如图4：柱顶（标高10.5m）μz =1.014檐口（标高10.5m）μz =1.070屋顶（标高10.5m）μz =1.106图4 风荷载体型系数及排架计算简图故排架迎风面及背风面的风荷载标准值分别为：ω1k=βzμs1μzω0 =1.0×0.8×1.014×0.4=0.324kN/m²ω2k=βzμs2μzω0 =1.0×0.4×1.014×0.4=0.162kN/m²则作用于排架计算简图4上的风荷载标准值为：q1=0.324×6=1.94kN/mq2=0.162×6=0.97kN/mF w=[(μs1 +μs2) μz h1+(μs3 +μs4) μz h2] βzω0 B=[(0.8+0.4)×1.070×2.0+(-0.6+0.5)×1.106×1.3]×1.0×0.4×6=5.82kN4.吊车荷载查表得150/30kN吊车的参数为：B=5.55m，K=4.40m，g=69kN，Q=150kN，F p,max=175kN，F p,min=43kN。

根据B及K，可算得吊车梁支座反力影响线中各轮压对应的竖向坐标值，如图5：图5 吊车荷载作用下支座反力影响线（1）吊车竖向荷载吊车竖向荷载标准值为：D max= F p,max∑y i=175×（1+0.808+0.267+0.075）=376.25kND min= F p,min∑y i =43×2.15=92.46kN（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：T=1/4α(Q+g)=1/4×0.1×(150+69)=5.475kN作用于排架柱上的吊车横向水平荷载标准值：T max=T∑y i =5.475×2.15=11.77kN四、排架内力分析该厂房为两跨等高排架，可用剪力分配法进行排架内力分析，其中柱剪力分配系数η，结果见表：表3 柱剪力分配系数1.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，图中的重力荷载G及力矩M是根据图3确定的，即：G1=G1=205.20kN G2=G3+G4A=44.3+15.6=59.9kNG3=G5A=31.52kN G4=2G1=2×205.2=410.40kNG6=G5B=31.52kN G5=G4B+2G3=23.4+2×44.3=112.00kNM1=G1e1=205.2×0.05=10.26kN•mM2=(G1+G4A)e0-G3e3=(205.2+15.6)×0.2-44.3×0.35=28.66kN•m由于图6 所示排架为对称结构且作用对称荷载，排架结构无侧移，故各柱可按柱顶为不动铰支座计算内力。

柱顶不动铰支座反力R i 可以由相应公式计算。

对于A 、C 柱，n=0.148，λ=0.355，则：C 1=3[1-λ2(1-1n )] 2[1+λ3(1n -1)] =2.058 C 3=3(1-λ2) 2[1+λ3(1n -1)]=1.042R A =M 1H C 1+M 2H C 3=10.26×2.058+28.66×1.04211.0=4.63kN R C =-4.63kN R B =0求得Ri 后，可用平衡条件求出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6（b ）（c ）。

图6（d ）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2.屋面活荷载作用下排架的内力分析 （1）AB 跨作用屋面活荷载排架计算简图如图7（a ）所示，其中Q1=31.5kN ，它在柱顶及变阶处引起的力矩为M 1A =31.5×0.05=1.58kN•m ，M 2A =31.5×0.2=6.3kN•m ，M 1B =31.5×0.15=4.73kN•m 。

对于A 柱，C1=2.058，C3=1.042。

则： R A =M 1A H C 1+M 2AH C 3=1.58×2.058+6.30×1.04211.0=0.89kN(→) 对于B 柱，n=0.501，λ=0.355，则： C 1=3[1-λ2(1-1n)]2[1+λ3(1n -1)]=1.616R B =M 1BH C 1 =4.73×1.61611.0=0.69kN(→) 则排架柱顶不动铰支座总反力为： R=R A +R B =0.89+0.69=1.58kN(→)将R 反向作用于排架柱顶，计算相应的柱顶剪力，并与柱顶不动铰支座反力叠加，可得屋面活荷载作用于AB 跨时的柱顶剪力，即：V A =R A -ηA R=0.89-0.312×1.58=0.40kN(→) V B =R B -ηB R=0.69-0.376×1.58=0.10kN(→) V C =-ηC R=-0.312×1.58=-0.49kN(←)排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力图如图7：图7 AB 跨作用屋面活荷载时排架内力图（2）BC 跨作用屋面活荷载由于结构对称，且BC 跨与AB 跨作用荷载相同，故只需将图7中各内力图的位置及方向调整一下即可，如图8所示：图8 BC 跨作用屋面活荷载时排架内力图3.风荷载作用下排架内力分析 （1）左风吹时计算简图如图9（a ）所示，对于A 、C 柱，n=0.148，λ=0.355，则： C 1=3[1+λ4(1n-1)]8[1+λ3(1n-1)]=0.325R A =-q1H C11=-1.94×11.0×0.325=-6.94kN(←) R C =-q2H C11=-0.97×11.0×0.325=-3.47kN(←) R=R A +R C +Fw=-6.94-3.47-5.82=-16.23kN(←) 各柱顶剪力分别为：V A =R A -ηA R=-6.94+0.312×16.23=-1.88kN(←) V B = -ηB R=0.376×16.23=6.10kN(→) V C =R C -ηC R=-3.47+0.312×16.23=1.59kN(←) 排架内力图如图9（b ）所示图9 左风吹时排架内力图（2）右风吹时计算简图如图10（a ）所示，将图9（b ）所示A 、C 柱内力图对换且改变内力符号后可得，如图10（6）所示：图10 右风吹时排架内力图4.吊车荷载作用下排架内力分析 （1）D max 作用于A 柱计算简图如图11（a ）所示，其中吊车竖向荷载D max ，D min 在牛腿顶面处引起的力矩为： M A =D max e 3=376.25×0.35=131.69kN•m M B =D min e 3=92.46×0.75=69.35kN•m 对于A 柱，C3=1.042，则： R A =-M AH C 3=-131.69×1.04211.0=-12.47kN(←)对于B 柱，n=0.501，λ=0.355，则： C 3=3(1-λ2) 2[1+λ3(1n -1)]=1.255R B =M BH C 3 =69.35×1.25511.0=7.91kN(→) R=R A +R B =-12.47+7.91=-4.56kN(←) 排架各柱顶剪力分别为：V A =R A -ηA R=-12.47+0.312×4.56=-11.05kN(←) V B =R B -ηB R=7.91+0.376×4.56=9.62kN(→) V C =-ηC R=0.312×4.56=1.42kN(→)排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力值如图11（b ）（c ）所示：图11 D max作用在A柱时排架内力图（2）D max作用于B柱左：计算简图如图12（a）所示，MA、MB计算如下：M A=D max e3=92.46×0.35=32.36kN•mM B=D min e3=376.25×0.75=282.19kN•m柱顶不动铰支座反力R A，R B及总反力R分别为：R A=-M AH C3=-32.36×1.04211.0=-3.07kN(←)R B=M BH C3=282.19×1.25511.0=32.20kN(→)R=R A+R B=-3.07+32.20=29.13kN(→)排架各柱顶剪力分别为：V A=R A-ηA R=-3.07-0.312×29.13=-12.16kN(←)V B=R B-ηB R=32.20-0.376×29.13=21.25kN(→)V C=-ηC R=-0.312×29.13=-9.69kN(←)排架各柱的弯矩图、轴力图及柱底剪力值如图12（b）（c）所示：图12 D max作用在B柱左时排架内力图（3）D max作用于B柱右：根据结构对称性及吊车吨位相等的条件，内力计算与“D max作用于B柱左”的情况相同，只需将A、C柱内力对换并改变全部弯矩及剪力符号，如图13所示：图13 D max 作用在B 柱右时排架内力图（4）D max 作用于C 柱：同理，将“D max 作用于A 柱”的情况的A 、C 柱内力对换，并注意改变符号，可求得各柱的内力，如图14所示：图14 D max 作用在C 柱时排架内力图（5）T max 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15（a ）所示。