单层工业厂房排架结构设计㈠工程概况1 设计题目某煅工车间为一单层单跨钢筋混凝土装配式结构，跨度18m，长度66m。

选用两台中级工作制桥式吊车（5t，15/3t），轨顶标高9.8m，考虑散热通风要求，需设置天窗和挡风板。

2 设计任务⑴完成屋面板、屋架、天窗架、天沟、吊车梁、基础梁等构件的选型，并初步确定排架柱的截面尺寸；⑵进行结构布置（包括支撑布置）；⑶排架荷载计算；⑷排架内力计算；⑸排架内力组合；⑹柱子配筋设计（包括牛腿）；⑺柱下单独基础设计；⑻绘制施工图，内容包括：I.基础平面布置图及基础配筋图II.屋盖结构布置及结构平面布置图III.柱子配筋图3 设计资料⑴荷载钢筋混凝土容重 25kN/m3一砖墙（单面粉刷） 4.92kN/m220mm水泥砂浆找平层 0.4kN/m2钢门窗自重 0.4kN/m2钢轨及垫层 0.6kN/m二毡三油防水层 0.35kN/m2（沿斜面）屋面活荷载 0.5kN/m2（沿水平面）屋面积灰荷载 0.5kN/m2（沿水平面）施工活荷载 0.5kN/m2（沿水平面）风荷载 0.40kN/m2屋面雪荷载 0.45kN/m2吊车荷载 5t，15/3t⑵工程地质资料根据钻探报告，天然地面下1.2m处为老土层，修正后的地基承载力为120kN/m2，地下水位在地面下1.3m（标高-1.45m）⑶材料混凝土：柱C30，基础C15钢筋：受力筋为HRB400级钢筋，钢箍、预埋件及吊钩为HPB300级钢筋砌体：M5砖，M2.5砂浆㈡结构设计1 结构平面布置⑴构件选型I.屋面板：自重1.3kN/m2（沿屋架斜面），嵌缝0.1kN/m2（沿屋架斜面） II.天沟板：重17.4kN/块（包括积水重量）III.门型钢筋混凝土天窗架IV.预应力钢筋混凝土折线型屋架 YMJA-18-xBb上弦杆 b×h=240mm×220mm下弦杆 b×h=240mm×220mm腹板 b×h=120mm×240mm （F1）b×h=200mm×240mm （F2）b×h=120mm×120mm （F3~F6）屋架自重：60.5kN/榀V.屋盖支撑： 0.05kN/m2（沿水平面）VI.吊车梁重： 44.2kN/根（高1200mm）VII.基础梁重： 15.7kN/根（高450mm）VIII.联系梁、过梁均为矩形截面IX.排架柱尺寸：上柱为矩形 400mm×400mm下柱为工字型 400mm×800mmX.基础采用单独杯型基础，基顶标高-0.6m。

⑵结构平面布置图2 排架柱⑴截面特性、几何尺寸上柱：400mm×400mm 面积A=1.6×105mm2，惯性矩I x=I y=2.13×109mm4下柱：工字型截面，b=120mm, h=800mm, b f=b f’=400mm, h f=h f’=150mm, 面积A=1.87×105mm2，惯性矩I x=1.456×1010mm4，I y=1.759×109mm4⑵荷载计算I.恒荷载a.屋盖部分传来P1P天窗重 26.2×2+11.5×2=75.4kN 屋面板重 1.3×6×18=140.4kN 嵌缝重 0.1×6×18=10.8kN 防水层重 0.35×6×18=37.8kN 找平层重 0.4×6×18=43.2kN 屋盖支撑重 0.05×6×18=5.4kN 屋架重 60.5kN373.5kN （两个柱顶的力） 每块天沟及积水重 17.4kN P 1P =373.5/2+17.4=204.15kNb.柱自重P 2P 及P 3P上柱：P 2P =25×0.42×3.6=14.4kN下柱：柱身 25×[0.187×7+0.4×0.8×（0.6+0.2）]=39.13kN牛腿 25×（0.8+12×0.2+1×0.4）×0.4=5.8kNP 3P =39.13+5.8=44.93kNc.混凝土吊车梁及轨道重P 4P P 4P =44.2+0.6×6=47.8kNII.活荷载a.屋面活荷载P 1Q雪荷载0.45kN/m 2，屋面积灰荷载0.5kN/m 2，屋面活荷载0.5kN/m 2排架计算时，屋面积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑 P 1Q =（0.5+0.5）×6×18/2=54kN ，作用位置同P 1Pb.吊车荷载采用两台中级工作制的吊车，起重量分别为Q=5t ，15/3t ，吊车参数见表注：P min =（G+Q ）/2-P max ①竖向吊车荷载 β=0.9情况1 情况2情况1：D max=0.9[74（1.6+5）/6+148（1+1.9/6）]=248.64kND min=0.9[17.5（1.6+5）/6+34.5（1+1.9/6）]=58.7kN情况2：D max=0.9[148（0.9+5）/6+74（1+2.6/6）]=226.44kND min=0.9[34.5（0.9+5）/6+17.5（1+2.6/6）]=53.7kN经过比较，设计时采用情况1中的荷载，D max=248.64kN，D min=58.7kN作用位置同P4P②水平吊车荷载每个轮子水平刹车制动力5t：T1=α(Q+g)/4=0.12(49+22.8)/4=2.2kN15/3t：T2=α(Q+g)/4=0.1(196+66.1)/4=6.55KN产生T max时，吊车作用位置如情况1T max=0.9[2.2（1.6+5）/6+6.55（1+1.9/6）]=9.94kNc.风荷载①均布风荷载q风载体型系数，计算简图如下柱顶离室外地坪高度为12+0.15=12.15m，风压高度变化系数μz=0.74q1=0.8×0.74×0.4×6=1.42kN/m （→）q2=0.5×0.74×0.4×6=0.89kN/m （→）②集中风荷载W屋架檐口离室外地坪高度 14.5-0.4+0.15=14.25m μz=0.74 挡风板、屋架交界处离室外地坪的高度 14.55+0.15=14.70m μz=0.74 天窗架、屋架交界处离室外地坪高度 15.15+0.15=15.30m μz=0.746 天窗檐口离室外地坪高度 17.22+0.15=17.37m μz=0.7874 天窗顶离室外地坪高度 17.52+0.15=17.67m μz=0.7934q3=0.8×0.74×0.4×6=1.42kN/m （→）q4=0.3×0.74×0.4×6=0.53kN/m （→）q5=1.4×0.7874×0.4×6=2.65kN/m （→）q6=-0.8×0.746×0.4×6=-1.43kN/m （←）q7=-0.8×0.7874×0.4×6=-1.51kN/m （←）q8 q9相抵消q 10=0.6×0.7874×0.4×6=1.13kN/m （→） q 11=0.6×0.746×0.4×6=1.07kN/m （→） q 12=0.6×0.74×0.4×6=1.07kN/m （→） q 13=0.5×0.74×0.4×6=0.89kN/m （→）W=（q 3+q 13）×（14.25-12.15）+（q 4+q 12）×（14.70-14.25）+（q 6+q 11）×（15.3-14.7）+（q 7+q 10）×（17.37-15.30）+q 5×（17.37-14.7）=11.64kN （→） 作用点标高+12.000m排架计算简图及荷载作用如图：⑶ 内力分析I.恒载作用下的排架内力 a.由P 1P 产生的弯矩和轴力P 1P =204.15kN M 11= P 1P ×e 1=204.15×0.05=10.21kN ·m M 12= P 1P ×e 2=204.15×0.2=40.83kN ·mI 1=I X =1.456×1010mm 4 I U =2.13×109mm 4n I =I U /I 1=0.146 λH =H U /H=3.6/12.6=0.286C 1=32×1−λH 2(1−1n I)1+λH 3(1I−1)=1.951 C 3=32×1−λH21+λH 3(1I−1)=1.212 R 11= C 1M 11/H=1.951×10.21/12.6=1.58kN （→）R 12= C 3M 12/H=1.212×40.83/12.6=3.93kN （→） N 1=204.15kN R 1=R 11+R 12=5.51kN （→）b.由柱自重产生的弯矩和轴力上柱：P2P=14.4kN M22= P2P×e2=14.4×0.2=2.88kN·mR2=C3M22/H=1.212×2.88/12.6=0.28kN （→）N2=14.4kN下柱：P3P=44.93kN N3=44.93kN 只产生轴力而不产生弯矩c.由P4P产生的弯矩和轴力P4P=47.8kN M44= P4P×e4=47.8×0.35=16.73kN·mR4=C3M44/H=1.212×16.73/12.6=1.61kN （←）N4=47.8kN恒载作用下的计算简图及内力图如下：II.屋面活荷载作用下的排架内力P1Q=54kN 与P1P作用位置相同，反力成比例R=5.51×54/204.15=1.46kN （→）M11=10.21×54/204.15=2.70kN·mM12=40.83×54/204.15=10.80kN·m N=54kN 屋面活载下的计算简图及内力图：III.吊车竖向荷载作用下排架内力考虑结构对称性，只考虑D max作用于A柱，B柱同A柱配筋A柱：M A=D max·e4=248.64×0.35=87.02kN·mB柱：M B=D min·e4=58.7×0.35=20.54kN·mR A=C3M A/H=1.212×87.02/12.6=-8.37kN （←）R B=C3M B/H=1.212×20.54/12.6=1.98kN （→）剪力分配系数ηA=ηB=0.5，则A柱与B柱柱顶的剪力为A柱：V A= R A-ηA(R A+ R B)=-8.37-0.5(-8.37+1.98)=-5.18kN （←）B柱：V B= R B-ηB(R A+ R B)=1.98-0.5(-8.37+1.98)= 5.18kN （→）内力图如下：IV.吊车水平制动力作用下的排架内力 考虑对称性，按T max 向左作用计算 柱中轴力为零n I =0.146， λH =0.286 T A =T B =T max =9.94Kny/H U =(12-9.7)/3.6=0.639C 5=2−1.8λH +λH 3(0.416I−0.2)2×(1+λH 3 n I −1 )=0.6805 R A = R B = C 5T max =0.6805×9.94=5.74kN （→）考虑空间分配系数m ，查表m=0.80 剪力分配系数ηA =ηB =0.5 计算简图如下：则A 柱和B 柱的柱顶剪力为V A = R A -ηA m(R A + R B )=6.76-0.5×0.8(6.76+6.76)=1.352kN （→） V B =V A = 1.352kN （→）水平荷载作用下内力图（实线为T max 向左，虚线为T max 向右）V.风荷载作用下排架内力考虑对称性，仅按左风情况计算q 1=1.42kN/m （→） q 2=0.89kN/m （→） W=11.64kN （→）C 11=3×(1+λH 41n I−1 )8×(1+λH3 1n I−1 ) =0.3428 R 1=-C 11q 1H=0.3428×1.42×12.6=-6.13kN （←）R 2=-C 11q 2H=0.3428×0.89×12.6=-3.84kN （←）排架单元为对称结构，柱中轴力为零，计算简图如下：ηA =ηB =0.5V A= R1+ηA (W-R1-R2))=4.68kN （→）V B= R2+ηB (W-R1-R2))=6.96kN （→）⑷内力组合排架单元为对称结构，可仅考虑A柱的截面（见下表）,表中柱截面和内力的正方向如图⑸排架柱设计以A轴柱计算，B柱参照A配筋I.设计资料a.截面尺寸：上柱 400mm×400mm 正方形截面下柱工字型截面b=120mm, h=800mm,b f=b f’=400mm, h f=h f’=150mm b.材料等级：混凝土C30 f c=14.3N/mm2钢筋受力筋为HRB400 f y=f y’=360N/mm2其余均为HPB300 f y=270N/mm2c.计算长度柱高大于8m，设柱间支撑排架平面内：上柱 2.0×3.6=7.2m 下柱1.0×9=9m排架平面外：上柱 1.25×3.6=4.5m 下柱0.8×9=7.2mII.内力a.上柱ξb =0.81+f yεcu ×E s=0.81+3000.0033×2×105=0.55 N b =f c bh 0ξb =14.3×400×365×0.55=1148.29kN内力表中I-I 截面的控制内力均小于N b ，所以属于大偏心受压，故选取弯矩较大而轴力较小的情况，经比较选取该组合M=-66.67kN ·m N=262.26kNb.下柱由于下柱在长度范围内配筋相同，比较II 截面及III 截面的控制内力，可看出III截面起控制作用。