单层单跨工业厂房设计

XX大学工程技术学院

本 科 生 课 程 设 计

题 目：单层单跨工业厂房设计

专 业：

学 生：

指导教师：

完成日期： 2014年 6月 16日

内容摘要

单层厂房指层数仅为一层的工业厂房，适用于生产工艺流程以水平运输为主，有大型起重运输设备及较大动荷载的厂房，如机械制造工业、冶金工业和其他工业等。单层厂房的骨架结构，由支撑各种竖向的与水平的荷载作用的构件所组成。厂房依靠各种结构构件合理连接为一整体，组成一个完整的结构空间以保证厂房的坚固、耐久。我国广泛采用钢筋混凝土排架结构和钢架结构，通常由横向排架、纵向联系构件、支撑系统构件和围护结构等几部分组成。本文以18m跨度单层单跨的莫实验室进行结构设计，根据相关资料选择合适的构件和确定柱网、基础平面的平面布置和排架柱与牛腿的形状、尺寸。并进行各种荷载作用下的排架柱内力计算，计算出各控制截面的轴力、弯矩和剪力。依据内力组合原理得出三个控制截面的内力。然后对构件进行内力分析、内力组合进而截面设计、进行配筋，并对预制柱的吊装安全进行验算。最后求出计算书，并根据规范绘制施工图和注写图纸说明。

关键词：单层工业厂房、荷载代表值、内力组合

目 录

内容摘要 ........................................................................................................................... I

引 言 ............................................................................................................................ 1

1 设计资料 .................................................................................................................... 2

1.1 基本要求 ......................................................................................................... 2

1.2 计算简图 ......................................................................................................... 4

2 荷载计算 .................................................................................................................... 6

2.1 屋盖荷载 ......................................................................................................... 6

2.2 柱和吊车梁等恒荷载 ..................................................................................... 6

2.3 吊车荷载 ......................................................................................................... 6

2.4 风荷载 ............................................................................................................. 7

3 内力计算 .................................................................................................................... 8

3.1 屋盖自重作用下内力计算（排架无侧移） ................................................. 8

3.2 上、下柱荷载、吊车、吊车梁及轨道自重作用下的内力计算 ................. 9

3.3 吊车荷载作用下的内力分析 ......................................................................... 9

3.4 风荷载作用下，A柱的内力分析 ................................................................ 11

4 内力组合表 .............................................................................................................. 12

5 排架柱设计 .............................................................................................................. 13

5.1 柱截面配筋计算 ........................................................................................... 13

5.2 柱牛腿设计 ................................................................................................... 15

6 柱吊装验算 .............................................................................................................. 16

6.1 设计吊装方案 ............................................................................................... 16

6.2 荷载计算 ....................................................................................................... 16

6.3 弯矩计算 ....................................................................................................... 16

6.4 截面承载力计算 ........................................................................................... 17

7 施工图 ...................................................................................................................... 18

参考文献 ........................................................................................................................ 19

引 言

单层厂房结构一般由屋盖结构、排架结构、支撑系统、吊车梁、围护结构和基础等组成。它比较容易组织生产工艺流程和车间内部运输，地面上能够放置较重的机器设备和产品，所以其在工业建筑设计中得到广泛的应用。

近年来，单层厂房的设计越来越重视设备节能,充分利用自然通风,利用自然采光,发展节能省地型工业厂房；运用生态学中的共生与再生原则，结合自然，保护环境，防止污染，发展具有良好生态循环系统的现代工业厂房；利用高科技材料，发展更具灵活性、通用性和多样化的工业厂房。本文以跨度为18米的实验室单层单跨厂房为例例的进行结构设计计算。首先依据设计任务书的提供的资料数据，建立排架计算模型。然后进行荷载计算，将荷载作用于排架计算单元上，计算每个荷载所产生的结构内力，进行内力组合，得到控制截面最不利的内力。最后，对排架柱进行截面配筋计算和牛腿设计计算，以及进行柱吊装验算。通过系统的设计，掌握了单层单跨工业厂房的设计流程，对钢筋混凝土、结构力学等专业理论有了更深的理解。

1 设计资料

1.1 基本要求

厂房柱网布置

1.设计基本资料

（1）工程名称：某实验室。

（2）自然条件：基本风压ω0=0.45kN/m2；基本雪压s0=0.25kN/m2。

（3）剖面、建筑平面图如下所示：（本设计不做基础设计）

图1.1 厂房剖面图

图1.2 建筑布置平面图

2.厂房中标准构件的选用情况

（1）屋面荷载

2g=1.7kN/m1k①屋面恒荷载：

2q=0.5kN/m1k②屋面活荷载：

（2）屋面板

①板自重：g2k=1.3kN/m2

②灌缝重：g3k=0.1kN/m2

（3）檐口板

①板自重：1.65kN/m2

②灌缝重：0.1kN/m2

（4）屋架

屋架自重：g4k=60.5kN/榀

（5）天沟板

构件自重：1.9kN/m2

3.吊车梁及吊车轨道

吊车选用：中级工作制，两台起重量为15t的吊车，吊车自重40kN，

K=4400mm，B=5660mm，Qk=150kN，gk=73kN pmax,k=155kN，pmax,k=42kN，

吊车轨道：中级吊车自重：g6k=0.8kN/m

4.排架柱材料选用

（1）混凝土：采用C30

（2）钢筋：纵向受力钢筋采用HRB335级，ξb=0.55

（3）箍筋：采用HPB235级

（4）型钢及预埋件均采用Ⅰ级

1.2 计算简图

1．柱高

已知：轨道顶面至吊车顶面的距离H=2047mm，轨顶垫块高为200mm。 基础顶面标高为-0.5m，牛腿顶标高为8.1m，柱顶标高为12m

上柱高HU=12−8.1=3.9m

下柱高HL=8.1+0.5=8.6m

全柱高H=12+0.5=12.5m

2．柱截面尺寸

由于吊车选用两台起重量为15t，故

下柱截面高度h应满足h≥Hk/11=9800/11=891mm

下柱截面宽度b应满足b≥Hl 20=8600 20=430

综上所述：

上部柱采用矩形截面b×h=450mm×450mm；

下部柱采用I形截面bf×h×b× f=450mm×900mm×100mm×150mm；

3．计算参数

（1）上、下柱截面惯性矩I

上柱In=1 12×0.45×0.453=0.0034m4

下柱Id=1 12×0.45×0.93−1 12×0.35×0.553−2×0.5×0.35×0.025×(0.275+0.025 3)2=0.022m4

（2）上、下柱截面面积A

上柱Au=0.45×0.45=0.2m2

下柱Ad=0.45×0.9−2×(0.175×0.025+0.55×0.175)=0.2m2

（3）上柱高与全柱高比值λ

λ=3.9/12.5=0.31

（4）上下柱截面的惯性矩比值n

n=In Id=0.155

4．计算简图

图1.3 截面尺寸计算简图

图1.4 排架柱计算简图

2 荷载计算

2.1 屋盖荷载

1.屋盖恒荷载

屋面恒荷载标准值g1k=1.7kN/m2,屋面板自重标准值g2k=1.3kN/m2,灌缝自重标准值g3k=0.1kN/m2，故由屋盖传给排架柱的集中恒荷载设计值

F1=1.2× g1k+g2k+g3k ×柱距×厂房跨度 2+1.2×g4k×0.5

=1.2× 1.70+1.30+0.10 ×6×18 2+1.2×60.5×0.5=237.18kN

屋盖自重竖直向下，集中作用在柱顶中心线，偏心距为0

2.屋面活荷载

屋面均布活荷载标准值q1k=0.5kN/m2，比屋面雪荷载标准值s0=0.25kN/m2大，故按屋面均布活荷载计算。

F6=1.4×0.5×6×18 2=37.8kN

2.2 柱和吊车梁等恒荷载

1.作用在牛腿截面处的上部柱恒荷载设计值

F2=25×0.45×0.45×3.9=19.7kN

作用于下柱中心线外侧

e0= l 2− u 2=900 2−450 2=225mm

2.作用在基础顶截面处的下柱恒荷载设计值

F3=25×0.2×8.6=43kN

3.吊车梁自重标准值为40kN/根，轨道连接自重标准值g6k=0.8kN/m，故作用在牛腿顶截面处的吊车梁和轨道连接的恒荷载设计值

F4=1.2× 40+0.8×6 =53.76kN

2.3 吊车荷载

1.吊车竖向荷载设计值Dmax，Dmin

由图所示的吊车梁支座反力影响线知

Dmax,k=βPmax,k∑yi=0.9×155× 0.057+0.73+0.323+1 =294.35kN

Dmax=γQDmax,k=1.4×294.35=412.09kN

Dmin=DmaxPmin,k42=412.09×=111.66kN max,k

0.050.71.0

图2.1 吊车梁支座反力影响线

2.吊车横向水平荷载设计值Tmax

Tk=α(Qk+gk) 4=0.1×(150+73) 4=5.58kN

Tmax=DmaxTk Pmax,k=412.09×5.58÷155=14.84kN

2.4 风荷载

1.作用在柱顶处的集中风荷载设计值W

风压高度变化系数μz按B类地区考虑，取檐口离室外地坪的高度14.42m来计算。查《荷载规范》，得离地面10m时，μz=1.0；离地面15m时，μz=1.14，用插入法，知

μz=1+ 14.42−10 × 1.14−1.0 15−10 =1.12

屋架高度 1=2.42m；屋架檐口至屋脊的高差 2=1.8m

k= 0.8+0.5 1+ 0.5−0.6 2 μzW0BW

= 0.8+0.5 ×2.42−0.1×1.8 ×1.12×0.45×6=8.97kN

=γQW k=1.4×8.97=12.56kN W

2.沿排架柱高度作用的均布风荷载设计值q1、q2

这时风压高度变化系数μz按柱顶离室外地坪高度12m来计算

μz=1+ 12−10 × 1.14−1.0 15−10 =1.06

q1=γQμsμzW0B=1.4×0.8×1.06×0.45×6=3.21kN/m

q2=γQμsμzW0B=1.4×0.5×1.06×0.45×6=2.00kN/m

0.323

3 内力计算

内力分析时所取的荷载值都是设计值，故得到的内力值都是设计值。

3.1 屋盖自重作用下内力计算（排架无侧移）

1.屋盖集中恒荷载F1作用下的内力分析

柱顶不动支点反力R=M1C1 H

M1=F1×e0=237.18×0.225=53.37kN∙m

按n=Iu Il=0.155，λ=Hu H=0.31，查图得柱顶弯矩作用下的系数

C1=1.98。按公式计算

1−λ2(1−1/n)1−0.312(1−1/0.155)C1=1.5×=1.5×=1.97 331+λ(n−1)1+0.31(0.155−1)

可见计算值与查图所得接近，取C1=1.97

R=M1C1 H=53.37×1.97 12.5=8.41kN

2.屋盖集中活荷载F6作用下的内力分析

M6=F6×e0=37.8×0.225=8.51kN∙m

R=M6C1 H=8.51×1.97 12.5=1.34kN

-53.37

-8.51

-20.6-3.28

+52.56

M图237.18N图+0.88V图+8.24M图37.8N图V图

(a) (b)

图2.2 屋盖荷载作用下的内力图

（a）屋盖恒荷载作用下的内力图；（b）屋盖活荷载作用下的内力图

在F1，F6分别作用下的排架柱弯矩图、轴力图和柱底剪力图。弯矩以使排架柱

外侧受拉的为正，反之为负；柱底剪力以向左为正，向右为负。

3.2 上、下柱荷载、吊车、吊车梁及轨道自重作用下的内力计算

上柱自重和吊车梁自重在下柱产生的弯矩

M2= −19.7+53.76 ×0.225=7.66kN∙m

上柱自重在变截面处产生的轴力

N1=19.7kN∙m

上柱自重和吊车及吊车梁自重在柱底产生的轴力

N2=F2+F3+F4=19.7+43+53.76=116.46kN

18.82

53.16

+7.66

M图116.46N图图2.3 柱自重及吊车梁等作用下的内力图

3.3 吊车荷载作用下的内力分析

1.Dmax作用在A柱，Dmin作用在B柱时，A柱的内力分析

Mmax=Dmaxe=412.09×0.225=92.72kN∙m

Mmin=Dmine=111.66×0.225=25.12kN∙m

偏心距e是指吊车轨道中心线至下部柱截面形心的水平距离。

A柱顶的不动支点反力，查图得C3=，按计算

1−λ21−0.312

C3=1.5×=1.5×=1.17 331+λ(n−1)1+0.31(0.155−1)

A柱顶不动支座反力RA=MmaxC3 H=92.72×1.17 12.5=8.68kN

B柱顶不动支座反力RB=MminC3 H=25.12×1.17 12.5=2.35kN

A柱顶水平剪力VA=RA+0.5 −RA−RB =8.68+0.5 −8.68−2.35 =

3.165kN

B柱顶水平剪力VB=RB+0.5 −RA−RB =2.35+0.5 −8.68−2.35 =

−3.165kN

2．Dmin作用在A柱，Dmax作用在B柱时的内力分析

此时，A柱顶剪力与Dmax作用在A柱时的相同，也是VA=3.165kN，故可得内

力值，

80.3

-12.3412.34-12.78

+53.16

M图412.09N图-3.165V图+14.44M图25.12-3.165N图V图图2.4 吊车竖向荷载作用下的内力图

3．在Tmax作用下的内力分析

Tmax至牛腿顶面的距离为9.2-7.8=1.4m

Tmax至柱底的距离为

因A柱与B柱相同，受力也相同，故柱顶水平位移相同，没有柱顶水平剪力，

7.88

-12.52

+140.68

-3.165-140.68+12.52

图2.5 Tmax作用下的内力图

3.4 风荷载作用下，A柱的内力分析

左风时，在q1、q2作用下的柱顶不动铰支座反力，按计算

C11=3[1+λ4(n−1)]

8[1+λ3(n1−1)]=3[1+0.314(0.155−1)]

8[1+0.313(0.1551−1)]=0.339

取C11=0.339，不动铰支座反力：

RA=q1HC11=3.21×12.5×0.339=−13.60kN

RB=q2HC11=2.00×12.5×0.339=−8.48kN

A柱顶水平剪力：

−RA−RB =−13.60+0.5 12.56+13.60+8.48 VA=RA+0.5 W

=3.72kN

−RA−RB =−8.48+0.5 12.56+13.60+8.48 VB=RB+0.5 W

=8.84kN

故左风和右风时，A柱的内力图分别如图

+297.28

M图

V

图

-266.75M图V图

（a） （b）

图2.6 风荷载作用下A柱内力图

（a）左风时；（b）右风时

4 内力组合表

5 排架柱设计

5.1 柱截面配筋计算

采用就地预制柱，混凝土强度等级为C30，纵向受力钢筋为HRB335级钢筋，

采用对称配筋。

1．上部柱配筋计算

由内力组合表知，控制截面Ⅰ-Ⅰ的内力设计值为

M=86.53kN∙m，N=290.9kN

（1） 考虑P-二阶效应

e0=M N=297mm，ea=20mm

ei=e0+ea=297+20=317mm

A=b =450×450=202.5×103mm2

ζc=0.5fcA N=0.5×14.3×202.5290.9=5>1.0，取ζc=1.0

l0=2Hu=7.8mm

ηs=1+

（2） 截面设计 11500 i0l017.8 ζc=1+ =1 1500405

假设为大偏心受压，则

N290.9×103′x==45.2mm

′e′=ηsei−0.5 +as=143.34mm

Ne′143.34×290.9×103′2As=As===384.89mm y0s

选用3B18，As=A′s=763mm2，故截面一侧钢筋截面面积

763mm2>ρminbh=0.2%×450×450=405mm2；同时柱截面总

配筋2×763=1526mm2>0.55%×450×450=1114mm2

（3） 垂直于排架方向的截面承载力验算

垂直于排架方向的上柱计算长度l0=1.25Ha=4.88m

l0 b=10.83，查表得，φ=0.97

′′Nu=0.9φ fcA+fyAs =0.9×0.97 14.3×450×450+300×

1526=2850.65kN>N=290.9kN，承载力满足要求。

2．下部柱配筋计算

按控制截面Ⅲ-Ⅲ进行计算。由内力组合表知，有二组不利内力

a M=509.64kN∙m (b) M=357.5kN∙m N=758.54kNN=353.64kN

（1） 按（a）组内力进行截面设计

e0=M N=672mm，ea=30mm

ei=e0+ea=702mm

A=b +2(bf−b) f=1.95×105mm2

ζc=0.5fcA N=1.84>1.0，取ζc=1.0

1l0ηs=1+ ζc=1.01 i1500 0

假设为大偏心受压，且中和轴在翼缘内：

N758.54×103′x===118mm>2as>90mm 1c′e′=ηsei−0.5 +as=1.01×702−0.5×900+45=304.02mm

′′Ne′−α1fcbf∙x 2−αs

y0s1182xAs=A′s==758.54×103×304.02−14.3×450×118

2−45 =905mm

采用4B18，As=A′s=1018mm2

（2） 按（b）组内力进行截面设计

e0=M N=101mm，ea=30mm

ei=e0+ea=1041mm

ζc=0.5fcA N=0.5×14.3×195000 353640=3.94>1，取

ζc=1

ηs=1+1

1500 i

8550N′x==54.96mm

′取x=2as=90mm计算

′e′=ηsei−0.5 +as=1.01×1041−0.5×900+45=646.4mm

Ne′As=A′s=f

2y( 02′==941mm

（3） 垂直于排架方向的承载力验算

l0 b=19.1，查表得，φ=0.777

′′5Nu=0.9φ fcA+fyAs =0.9×0.777 14.3×1.95×10+300×

1018=2213.7kN>(a)组轴向力N=758.54kN，满足。

3．箍筋配置

箍筋按构造要求设置，上下柱均采用B8@200，在牛腿处箍筋加密为B8@100

5.2 柱牛腿设计

根据吊车梁支撑位置，吊车梁尺寸及构造要求，确定牛腿尺寸如图所示。牛腿

截面宽度b=450mm，截面高度h=750mm，截面有效高度 0=705mm。

（1） 按裂缝控制要求验算牛腿截面高度

作用在牛腿顶面的竖向力标准值

53.76Fvk=Dmax,k+F4,k=412.09+=456.89kN 牛腿顶面没有水平荷载，即F k=0(Tmax作用在上柱轨顶标高处)。

设裂缝控制系数β=0.65，ftk=2.01N mm2，a=−150+20=−130mm

β 1−0.5F k vkFftkb 00.5+0=0.65×2.01×450×7050.5=828.97kN>Fvk=

456.89kN，满足。

（2） 牛腿配筋

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

As≥ρminb =0.002×450×

As=769mm2，其中2B14是弯起

钢筋。

图5.1 牛腿尺寸及配筋

705=634.5mm2，采用5B14，

6 柱吊装验算

6.1 设计吊装方案

排架柱插入基础杯口内的高度 1=0.9×900=810mm，取 1=850mm，故

柱总长度为3.9+8.6+0.85=13.35m。

采用就地翻身起吊，吊点设在牛腿下部处，因此起吊时的支点有两个：柱底和

牛腿底，上柱和牛腿是悬臂的，计算简图如图所示

M2

M3M1

图6.1 预制柱的翻身起吊验算

6.2 荷载计算

吊装时，应考虑动力系数μ=1.5，柱的重力荷载分项系数取1.35.

q1=1.5×1.35×25×0.45×0.45=10.25kN m

q2=1.5×1.35×25×0.45×1.25=28.48kN m

q3=1.5×1.35×25×0.2=10.125kN m

6.3 弯矩计算

2M1=0.5q1Hu=0.5×10.25×3.92=77.95kN∙m

M2=q1Hu× 0.5Hu+0.75 −0.5q2×0.752=−115.94kN∙m

2由∑Mb=0知，RAl3−0.5q3l3−M2=0

RA=0.5q3l3+M2 l3=0.5×10.15×8.7−115.94 8.7=30.72kN

M3=RAx−0.5q3x2

令dM3 dx=0，得x=RA q3=30.72 10.125=3.03，故

M3=30.72×3.03−0.5×10.125×3.032=46.60kN∙m

6.4 截面承载力计算

′′′上柱：Mu=fyAs 0−as =300×763× 405−45 =82.404kN∙m>

γ0M1=0.9×77.95=70.15kN∙m，满足

′ 下柱：Mu=fy′A′s 0−as=300×1018× 855−45 =247.374kN∙m>

γ0M2=0.9×115.94=104.35kN∙m，满足

7

施工图

参考文献

[1] 张万山，王小四.空气质量的研究.环境学报，2000，34(6):13-17.

[2] 张完善.有色金属材料.第二版.大连：金属工业出版社，1998.89-90.

[3] 张完善，刘六，等.第五届科学管理国际会议论文集.北京：管理工程出版社，2001.18-19.

[4] 张完善，刘六.校园环境与学风建设.城市日报，2002年3月5日，第2版.

[5] Borko H, Bernier C L.Indexing concepts and methods.New York: Academic Pr.,1978.

XX大学工程技术学院

本 科 生 课 程 设 计

题 目：单层单跨工业厂房设计

专 业：

学 生：

指导教师：

完成日期： 2014年 6月 16日

内容摘要

单层厂房指层数仅为一层的工业厂房，适用于生产工艺流程以水平运输为主，有大型起重运输设备及较大动荷载的厂房，如机械制造工业、冶金工业和其他工业等。单层厂房的骨架结构，由支撑各种竖向的与水平的荷载作用的构件所组成。厂房依靠各种结构构件合理连接为一整体，组成一个完整的结构空间以保证厂房的坚固、耐久。我国广泛采用钢筋混凝土排架结构和钢架结构，通常由横向排架、纵向联系构件、支撑系统构件和围护结构等几部分组成。本文以18m跨度单层单跨的莫实验室进行结构设计，根据相关资料选择合适的构件和确定柱网、基础平面的平面布置和排架柱与牛腿的形状、尺寸。并进行各种荷载作用下的排架柱内力计算，计算出各控制截面的轴力、弯矩和剪力。依据内力组合原理得出三个控制截面的内力。然后对构件进行内力分析、内力组合进而截面设计、进行配筋，并对预制柱的吊装安全进行验算。最后求出计算书，并根据规范绘制施工图和注写图纸说明。

关键词：单层工业厂房、荷载代表值、内力组合

目 录

内容摘要 ........................................................................................................................... I

引 言 ............................................................................................................................ 1

1 设计资料 .................................................................................................................... 2

1.1 基本要求 ......................................................................................................... 2

1.2 计算简图 ......................................................................................................... 4

2 荷载计算 .................................................................................................................... 6

2.1 屋盖荷载 ......................................................................................................... 6

2.2 柱和吊车梁等恒荷载 ..................................................................................... 6

2.3 吊车荷载 ......................................................................................................... 6

2.4 风荷载 ............................................................................................................. 7

3 内力计算 .................................................................................................................... 8

3.1 屋盖自重作用下内力计算（排架无侧移） ................................................. 8

3.2 上、下柱荷载、吊车、吊车梁及轨道自重作用下的内力计算 ................. 9

3.3 吊车荷载作用下的内力分析 ......................................................................... 9

3.4 风荷载作用下，A柱的内力分析 ................................................................ 11

4 内力组合表 .............................................................................................................. 12

5 排架柱设计 .............................................................................................................. 13

5.1 柱截面配筋计算 ........................................................................................... 13

5.2 柱牛腿设计 ................................................................................................... 15

6 柱吊装验算 .............................................................................................................. 16

6.1 设计吊装方案 ............................................................................................... 16

6.2 荷载计算 ....................................................................................................... 16

6.3 弯矩计算 ....................................................................................................... 16

6.4 截面承载力计算 ........................................................................................... 17

7 施工图 ...................................................................................................................... 18

参考文献 ........................................................................................................................ 19

引 言

单层厂房结构一般由屋盖结构、排架结构、支撑系统、吊车梁、围护结构和基础等组成。它比较容易组织生产工艺流程和车间内部运输，地面上能够放置较重的机器设备和产品，所以其在工业建筑设计中得到广泛的应用。

近年来，单层厂房的设计越来越重视设备节能,充分利用自然通风,利用自然采光,发展节能省地型工业厂房；运用生态学中的共生与再生原则，结合自然，保护环境，防止污染，发展具有良好生态循环系统的现代工业厂房；利用高科技材料，发展更具灵活性、通用性和多样化的工业厂房。本文以跨度为18米的实验室单层单跨厂房为例例的进行结构设计计算。首先依据设计任务书的提供的资料数据，建立排架计算模型。然后进行荷载计算，将荷载作用于排架计算单元上，计算每个荷载所产生的结构内力，进行内力组合，得到控制截面最不利的内力。最后，对排架柱进行截面配筋计算和牛腿设计计算，以及进行柱吊装验算。通过系统的设计，掌握了单层单跨工业厂房的设计流程，对钢筋混凝土、结构力学等专业理论有了更深的理解。

1 设计资料

1.1 基本要求

厂房柱网布置

1.设计基本资料

（1）工程名称：某实验室。

（2）自然条件：基本风压ω0=0.45kN/m2；基本雪压s0=0.25kN/m2。

（3）剖面、建筑平面图如下所示：（本设计不做基础设计）

图1.1 厂房剖面图

图1.2 建筑布置平面图

2.厂房中标准构件的选用情况

（1）屋面荷载

2g=1.7kN/m1k①屋面恒荷载：

2q=0.5kN/m1k②屋面活荷载：

（2）屋面板

①板自重：g2k=1.3kN/m2

②灌缝重：g3k=0.1kN/m2

（3）檐口板

①板自重：1.65kN/m2

②灌缝重：0.1kN/m2

（4）屋架

屋架自重：g4k=60.5kN/榀

（5）天沟板

构件自重：1.9kN/m2

3.吊车梁及吊车轨道

吊车选用：中级工作制，两台起重量为15t的吊车，吊车自重40kN，

K=4400mm，B=5660mm，Qk=150kN，gk=73kN pmax,k=155kN，pmax,k=42kN，

吊车轨道：中级吊车自重：g6k=0.8kN/m

4.排架柱材料选用

（1）混凝土：采用C30

（2）钢筋：纵向受力钢筋采用HRB335级，ξb=0.55

（3）箍筋：采用HPB235级

（4）型钢及预埋件均采用Ⅰ级

1.2 计算简图

1．柱高

已知：轨道顶面至吊车顶面的距离H=2047mm，轨顶垫块高为200mm。 基础顶面标高为-0.5m，牛腿顶标高为8.1m，柱顶标高为12m

上柱高HU=12−8.1=3.9m

下柱高HL=8.1+0.5=8.6m

全柱高H=12+0.5=12.5m

2．柱截面尺寸

由于吊车选用两台起重量为15t，故

下柱截面高度h应满足h≥Hk/11=9800/11=891mm

下柱截面宽度b应满足b≥Hl 20=8600 20=430

综上所述：

上部柱采用矩形截面b×h=450mm×450mm；

下部柱采用I形截面bf×h×b× f=450mm×900mm×100mm×150mm；

3．计算参数

（1）上、下柱截面惯性矩I

上柱In=1 12×0.45×0.453=0.0034m4

下柱Id=1 12×0.45×0.93−1 12×0.35×0.553−2×0.5×0.35×0.025×(0.275+0.025 3)2=0.022m4

（2）上、下柱截面面积A

上柱Au=0.45×0.45=0.2m2

下柱Ad=0.45×0.9−2×(0.175×0.025+0.55×0.175)=0.2m2

（3）上柱高与全柱高比值λ

λ=3.9/12.5=0.31

（4）上下柱截面的惯性矩比值n

n=In Id=0.155

4．计算简图

图1.3 截面尺寸计算简图

图1.4 排架柱计算简图

2 荷载计算

2.1 屋盖荷载

1.屋盖恒荷载

屋面恒荷载标准值g1k=1.7kN/m2,屋面板自重标准值g2k=1.3kN/m2,灌缝自重标准值g3k=0.1kN/m2，故由屋盖传给排架柱的集中恒荷载设计值

F1=1.2× g1k+g2k+g3k ×柱距×厂房跨度 2+1.2×g4k×0.5

=1.2× 1.70+1.30+0.10 ×6×18 2+1.2×60.5×0.5=237.18kN

屋盖自重竖直向下，集中作用在柱顶中心线，偏心距为0

2.屋面活荷载

屋面均布活荷载标准值q1k=0.5kN/m2，比屋面雪荷载标准值s0=0.25kN/m2大，故按屋面均布活荷载计算。

F6=1.4×0.5×6×18 2=37.8kN

2.2 柱和吊车梁等恒荷载

1.作用在牛腿截面处的上部柱恒荷载设计值

F2=25×0.45×0.45×3.9=19.7kN

作用于下柱中心线外侧

e0= l 2− u 2=900 2−450 2=225mm

2.作用在基础顶截面处的下柱恒荷载设计值

F3=25×0.2×8.6=43kN

3.吊车梁自重标准值为40kN/根，轨道连接自重标准值g6k=0.8kN/m，故作用在牛腿顶截面处的吊车梁和轨道连接的恒荷载设计值

F4=1.2× 40+0.8×6 =53.76kN

2.3 吊车荷载

1.吊车竖向荷载设计值Dmax，Dmin

由图所示的吊车梁支座反力影响线知

Dmax,k=βPmax,k∑yi=0.9×155× 0.057+0.73+0.323+1 =294.35kN

Dmax=γQDmax,k=1.4×294.35=412.09kN

Dmin=DmaxPmin,k42=412.09×=111.66kN max,k

0.050.71.0

图2.1 吊车梁支座反力影响线

2.吊车横向水平荷载设计值Tmax

Tk=α(Qk+gk) 4=0.1×(150+73) 4=5.58kN

Tmax=DmaxTk Pmax,k=412.09×5.58÷155=14.84kN

2.4 风荷载

1.作用在柱顶处的集中风荷载设计值W

风压高度变化系数μz按B类地区考虑，取檐口离室外地坪的高度14.42m来计算。查《荷载规范》，得离地面10m时，μz=1.0；离地面15m时，μz=1.14，用插入法，知

μz=1+ 14.42−10 × 1.14−1.0 15−10 =1.12

屋架高度 1=2.42m；屋架檐口至屋脊的高差 2=1.8m

k= 0.8+0.5 1+ 0.5−0.6 2 μzW0BW

= 0.8+0.5 ×2.42−0.1×1.8 ×1.12×0.45×6=8.97kN

=γQW k=1.4×8.97=12.56kN W

2.沿排架柱高度作用的均布风荷载设计值q1、q2

这时风压高度变化系数μz按柱顶离室外地坪高度12m来计算

μz=1+ 12−10 × 1.14−1.0 15−10 =1.06

q1=γQμsμzW0B=1.4×0.8×1.06×0.45×6=3.21kN/m

q2=γQμsμzW0B=1.4×0.5×1.06×0.45×6=2.00kN/m

0.323

3 内力计算

内力分析时所取的荷载值都是设计值，故得到的内力值都是设计值。

3.1 屋盖自重作用下内力计算（排架无侧移）

1.屋盖集中恒荷载F1作用下的内力分析

柱顶不动支点反力R=M1C1 H

M1=F1×e0=237.18×0.225=53.37kN∙m

按n=Iu Il=0.155，λ=Hu H=0.31，查图得柱顶弯矩作用下的系数

C1=1.98。按公式计算

1−λ2(1−1/n)1−0.312(1−1/0.155)C1=1.5×=1.5×=1.97 331+λ(n−1)1+0.31(0.155−1)

可见计算值与查图所得接近，取C1=1.97

R=M1C1 H=53.37×1.97 12.5=8.41kN

2.屋盖集中活荷载F6作用下的内力分析

M6=F6×e0=37.8×0.225=8.51kN∙m

R=M6C1 H=8.51×1.97 12.5=1.34kN

-53.37

-8.51

-20.6-3.28

+52.56

M图237.18N图+0.88V图+8.24M图37.8N图V图

(a) (b)

图2.2 屋盖荷载作用下的内力图

（a）屋盖恒荷载作用下的内力图；（b）屋盖活荷载作用下的内力图

在F1，F6分别作用下的排架柱弯矩图、轴力图和柱底剪力图。弯矩以使排架柱

外侧受拉的为正，反之为负；柱底剪力以向左为正，向右为负。

3.2 上、下柱荷载、吊车、吊车梁及轨道自重作用下的内力计算

上柱自重和吊车梁自重在下柱产生的弯矩

M2= −19.7+53.76 ×0.225=7.66kN∙m

上柱自重在变截面处产生的轴力

N1=19.7kN∙m

上柱自重和吊车及吊车梁自重在柱底产生的轴力

N2=F2+F3+F4=19.7+43+53.76=116.46kN

18.82

53.16

+7.66

M图116.46N图图2.3 柱自重及吊车梁等作用下的内力图

3.3 吊车荷载作用下的内力分析

1.Dmax作用在A柱，Dmin作用在B柱时，A柱的内力分析

Mmax=Dmaxe=412.09×0.225=92.72kN∙m

Mmin=Dmine=111.66×0.225=25.12kN∙m

偏心距e是指吊车轨道中心线至下部柱截面形心的水平距离。

A柱顶的不动支点反力，查图得C3=，按计算

1−λ21−0.312

C3=1.5×=1.5×=1.17 331+λ(n−1)1+0.31(0.155−1)

A柱顶不动支座反力RA=MmaxC3 H=92.72×1.17 12.5=8.68kN

B柱顶不动支座反力RB=MminC3 H=25.12×1.17 12.5=2.35kN

A柱顶水平剪力VA=RA+0.5 −RA−RB =8.68+0.5 −8.68−2.35 =

3.165kN

B柱顶水平剪力VB=RB+0.5 −RA−RB =2.35+0.5 −8.68−2.35 =

−3.165kN

2．Dmin作用在A柱，Dmax作用在B柱时的内力分析

此时，A柱顶剪力与Dmax作用在A柱时的相同，也是VA=3.165kN，故可得内

力值，

80.3

-12.3412.34-12.78

+53.16

M图412.09N图-3.165V图+14.44M图25.12-3.165N图V图图2.4 吊车竖向荷载作用下的内力图

3．在Tmax作用下的内力分析

Tmax至牛腿顶面的距离为9.2-7.8=1.4m

Tmax至柱底的距离为

因A柱与B柱相同，受力也相同，故柱顶水平位移相同，没有柱顶水平剪力，

7.88

-12.52

+140.68

-3.165-140.68+12.52

图2.5 Tmax作用下的内力图

3.4 风荷载作用下，A柱的内力分析

左风时，在q1、q2作用下的柱顶不动铰支座反力，按计算

C11=3[1+λ4(n−1)]

8[1+λ3(n1−1)]=3[1+0.314(0.155−1)]

8[1+0.313(0.1551−1)]=0.339

取C11=0.339，不动铰支座反力：

RA=q1HC11=3.21×12.5×0.339=−13.60kN

RB=q2HC11=2.00×12.5×0.339=−8.48kN

A柱顶水平剪力：

−RA−RB =−13.60+0.5 12.56+13.60+8.48 VA=RA+0.5 W

=3.72kN

−RA−RB =−8.48+0.5 12.56+13.60+8.48 VB=RB+0.5 W

=8.84kN

故左风和右风时，A柱的内力图分别如图

+297.28

M图

V

图

-266.75M图V图

（a） （b）

图2.6 风荷载作用下A柱内力图

（a）左风时；（b）右风时

4 内力组合表

5 排架柱设计

5.1 柱截面配筋计算

采用就地预制柱，混凝土强度等级为C30，纵向受力钢筋为HRB335级钢筋，

采用对称配筋。

1．上部柱配筋计算

由内力组合表知，控制截面Ⅰ-Ⅰ的内力设计值为

M=86.53kN∙m，N=290.9kN

（1） 考虑P-二阶效应

e0=M N=297mm，ea=20mm

ei=e0+ea=297+20=317mm

A=b =450×450=202.5×103mm2

ζc=0.5fcA N=0.5×14.3×202.5290.9=5>1.0，取ζc=1.0

l0=2Hu=7.8mm

ηs=1+

（2） 截面设计 11500 i0l017.8 ζc=1+ =1 1500405

假设为大偏心受压，则

N290.9×103′x==45.2mm

′e′=ηsei−0.5 +as=143.34mm

Ne′143.34×290.9×103′2As=As===384.89mm y0s

选用3B18，As=A′s=763mm2，故截面一侧钢筋截面面积

763mm2>ρminbh=0.2%×450×450=405mm2；同时柱截面总

配筋2×763=1526mm2>0.55%×450×450=1114mm2

（3） 垂直于排架方向的截面承载力验算

垂直于排架方向的上柱计算长度l0=1.25Ha=4.88m

l0 b=10.83，查表得，φ=0.97

′′Nu=0.9φ fcA+fyAs =0.9×0.97 14.3×450×450+300×

1526=2850.65kN>N=290.9kN，承载力满足要求。

2．下部柱配筋计算

按控制截面Ⅲ-Ⅲ进行计算。由内力组合表知，有二组不利内力

a M=509.64kN∙m (b) M=357.5kN∙m N=758.54kNN=353.64kN

（1） 按（a）组内力进行截面设计

e0=M N=672mm，ea=30mm

ei=e0+ea=702mm

A=b +2(bf−b) f=1.95×105mm2

ζc=0.5fcA N=1.84>1.0，取ζc=1.0

1l0ηs=1+ ζc=1.01 i1500 0

假设为大偏心受压，且中和轴在翼缘内：

N758.54×103′x===118mm>2as>90mm 1c′e′=ηsei−0.5 +as=1.01×702−0.5×900+45=304.02mm

′′Ne′−α1fcbf∙x 2−αs

y0s1182xAs=A′s==758.54×103×304.02−14.3×450×118

2−45 =905mm

采用4B18，As=A′s=1018mm2

（2） 按（b）组内力进行截面设计

e0=M N=101mm，ea=30mm

ei=e0+ea=1041mm

ζc=0.5fcA N=0.5×14.3×195000 353640=3.94>1，取

ζc=1

ηs=1+1

1500 i

8550N′x==54.96mm

′取x=2as=90mm计算

′e′=ηsei−0.5 +as=1.01×1041−0.5×900+45=646.4mm

Ne′As=A′s=f

2y( 02′==941mm

（3） 垂直于排架方向的承载力验算

l0 b=19.1，查表得，φ=0.777

′′5Nu=0.9φ fcA+fyAs =0.9×0.777 14.3×1.95×10+300×

1018=2213.7kN>(a)组轴向力N=758.54kN，满足。

3．箍筋配置

箍筋按构造要求设置，上下柱均采用B8@200，在牛腿处箍筋加密为B8@100

5.2 柱牛腿设计

根据吊车梁支撑位置，吊车梁尺寸及构造要求，确定牛腿尺寸如图所示。牛腿

截面宽度b=450mm，截面高度h=750mm，截面有效高度 0=705mm。

（1） 按裂缝控制要求验算牛腿截面高度

作用在牛腿顶面的竖向力标准值

53.76Fvk=Dmax,k+F4,k=412.09+=456.89kN 牛腿顶面没有水平荷载，即F k=0(Tmax作用在上柱轨顶标高处)。

设裂缝控制系数β=0.65，ftk=2.01N mm2，a=−150+20=−130mm

β 1−0.5F k vkFftkb 00.5+0=0.65×2.01×450×7050.5=828.97kN>Fvk=

456.89kN，满足。

（2） 牛腿配筋

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

As≥ρminb =0.002×450×

As=769mm2，其中2B14是弯起

钢筋。

图5.1 牛腿尺寸及配筋

705=634.5mm2，采用5B14，

6 柱吊装验算

6.1 设计吊装方案

排架柱插入基础杯口内的高度 1=0.9×900=810mm，取 1=850mm，故

柱总长度为3.9+8.6+0.85=13.35m。

采用就地翻身起吊，吊点设在牛腿下部处，因此起吊时的支点有两个：柱底和

牛腿底，上柱和牛腿是悬臂的，计算简图如图所示

M2

M3M1

图6.1 预制柱的翻身起吊验算

6.2 荷载计算

吊装时，应考虑动力系数μ=1.5，柱的重力荷载分项系数取1.35.

q1=1.5×1.35×25×0.45×0.45=10.25kN m

q2=1.5×1.35×25×0.45×1.25=28.48kN m

q3=1.5×1.35×25×0.2=10.125kN m

6.3 弯矩计算

2M1=0.5q1Hu=0.5×10.25×3.92=77.95kN∙m

M2=q1Hu× 0.5Hu+0.75 −0.5q2×0.752=−115.94kN∙m

2由∑Mb=0知，RAl3−0.5q3l3−M2=0

RA=0.5q3l3+M2 l3=0.5×10.15×8.7−115.94 8.7=30.72kN

M3=RAx−0.5q3x2

令dM3 dx=0，得x=RA q3=30.72 10.125=3.03，故

M3=30.72×3.03−0.5×10.125×3.032=46.60kN∙m

6.4 截面承载力计算

′′′上柱：Mu=fyAs 0−as =300×763× 405−45 =82.404kN∙m>

γ0M1=0.9×77.95=70.15kN∙m，满足

′ 下柱：Mu=fy′A′s 0−as=300×1018× 855−45 =247.374kN∙m>

γ0M2=0.9×115.94=104.35kN∙m，满足

7

施工图

参考文献

[1] 张万山，王小四.空气质量的研究.环境学报，2000，34(6):13-17.

[2] 张完善.有色金属材料.第二版.大连：金属工业出版社，1998.89-90.

[3] 张完善，刘六，等.第五届科学管理国际会议论文集.北京：管理工程出版社，2001.18-19.

[4] 张完善，刘六.校园环境与学风建设.城市日报，2002年3月5日，第2版.

[5] Borko H, Bernier C L.Indexing concepts and methods.New York: Academic Pr.,1978.