郑州大学自考助学混凝土结构设计

河南省高等教育自学考试

《混凝土结构设计》课程设计

建筑工程专业（本科） （课程编号：02441）

题 目：_______________ 助考学校：_______________ 准考证号：_______________ 学生姓名：_______________ 指导老师：_______________ 成 绩：_______________

郑州大学土木工程学院 时间：2014 年 9 月 27 日

目 录

一、设计资料................................................................................................................3 二、构件选型及平面、剖面布置................................................................................4 三、尺寸设计及计算简图............................................................................................5 四、牛腿设计..............................................................................................................11 五、预埋件设计..........................................................................................................12 六、基础设计..............................................................................................................12 七、排架柱吊装验算..................................................................................................14 八、抗风柱设计..........................................................................................................15

一、设计资料

（一）、设计题目：设计某单层工业厂房。 （二）、设计条件：

1、工艺要求：该车间为一单跨厂房，柱距6m，长度66m，跨度18m，不设天窗。窗台标高为1.2m, 上部窗洞4.8m×1.2m,下部窗洞4.8m×3.6m采用钢窗。室内外高差为350mm。吊车的有关参数见下表1-1。

2、气象条件：基本风压w00.45kN/m（组合系数0.6），基本雪压0.40 KN/m2（组合系数0.6）。

3、地质条件：基础持力层为粉土，粘粒含量0.8，地基承载能力特征值：fa＝180 KN/m2，基础埋深2.0m。基底以上图的加权平均重度为m1.7KN/m2，基底以下的土的重度为

2

18KN/m2。

5、建筑资料和荷载资料：

（1）不上人屋面：活载0.5KN/m2。 （2）防水卷材(二毡三油)：0.35 KN/m2。

（3）排架柱采用C30混凝土，基础采用C20混凝土；柱中受力钢筋采用HRP335钢，箍筋、构造筋、基础配筋采用HPB235钢。 （三）、设计任务： 1、设计内容：

（1）、平面、立面、剖面图。

（2）、结构方案：构件选型和结构布臵。

（3）、结构计算：计算简图、荷载计算、内力分析与组合、排架柱及牛腿设计、单独基础设计。

（4）、编写结构计算书。 2、施工图内容：

（1）、结构布臵图：基础及基础梁布臵图，吊车梁及柱间支撑布臵图，屋盖结构布臵图。 （2）、排架柱的模板图和配筋图。 （3）、柱下独立基础模板图和配筋图。

二、构件选型及平面、剖面布置

（一）、屋面板选型 ：

不上人屋面 活载 1.4×0.5=0.7KN/m2。 雪载 两者取大 1.4×1.0×0.4=0.56 KN/m2。 防水卷材(二毡三油) 1.2×0.35=0.42 KN/m2。 20mm水泥砂浆找平层 1.2×0.02×20=0.48KN/m2。 小计： 1.6 KN/m2。

采用预应力混凝土屋面板，根据外加均布荷载设计值1.6 KN/m2，查表得，中部选用

YWB1Ⅱ，端部选用YWB1Ⅱs，自重1.40KN/ m2。

（二）、天沟板选型：

焦渣砼找坡层 1.2×1.5×0.77=1.39KN/m2。 二毡三油防水层 1.2×0.35×0.77=0.32KN/m2。 20mm水泥砂浆找平层 1.2×0.02×20×0.77=0.48 KN/m2。 积水荷载 1.4×10×0.13×0.77=1.40KN/m2。 屋面均布荷载 两者取大 1.4×0.5×0.77=0.54KN/m2。 小计： 3.48 KN/m2。

查表得，一般天沟板TGB77-1，开洞天沟板TGB77-1a或TGB77-1b，端部为TGB77-1sa，TGB77-1sb，自重2.24KN/m。 （三）、屋架及支撑 屋面荷载：

屋面板传来的荷载 1.60KN/m。 屋面板自重 1.2×1.4=1.68KN/m。 灌缝重 1.2×0.1=0.12KN/m。 小计： 3.4 KN/m2。 采用钢筋混凝土屋架，中间选用YWJ-18-2Ba；两端选用YWJ-18-2Ba’自重6.9t。 屋架支撑布臵见平面布臵图。 （四）、吊车梁：

根据吊车为32t，中级荷载状态，采用钢筋混凝土吊车梁，所以在中间用DL11B，在边跨用DL11B。梁高1200，自重39.98KN （五）、基础梁：

墙厚240mm，查表得纵墙边跨选用JL-3，中间跨选用JL-15。山墙用LJ-16。 （六）、抗风柱：

上下柱均用矩形截面。间距为6m。 （七）、剖面设计： 由设计资料得轨顶标高为8.4m。查表得吊车轨顶至桥架面的高度HB1.876m，设计牛

2腿高8.41.

0.2m，7则HHAH.40.222.347BHC8

1m0取，

H11.1m。

此外，在檐口，窗顶，吊车梁标高处分别设臵圈梁，即在标高4.8m，8.4m，11.1m处设

臵。圈梁截面采用240×240mm，配筋采用4Φ12、Φ6@200。圈梁与柱连接采用锚拉钢筋2Φ12。

（由于A、B柱的对称性，所以以下计算过程以A柱为例） （一）、计算简图： 1、排架柱的高度

基地标高为-2.0m，初定基础高为1.4m。 柱总高H11.1(2.0)1.411.7m， 上柱高Hu11.17.04.1m； 下柱高度Hl11.74.17.6m。

A柱截面

2、截面尺寸：

Q32

t， hHk/9(2.01.48.4)/91000mm，取1000mm

bHl/207600/20380mm ，取400mm

上柱截面：400400mm，下柱采用工字形截面

柱截面几何特征： bf400mm,h1000mm

三、尺寸设计及计算简图

（二）、荷载计算： 1、恒荷载： （1）、屋盖自重P1： 面荷载：

防水层、找平层等 0.350.40.75KN/m2 屋面板自重 1.4KN/m2 屋面板灌缝 0.10KN/m 小计 2.25KN/m2 天沟板线荷载：

找坡等 1.160.270.311.74KN/m TGB77-1自重 2.24KN/m 小计 3.98KN/m 集中荷载：

屋架自重 67.6KN 屋架作用在柱顶的恒荷载标准值：

PA12.25618/23.9860.567.6179.2KN

（2）、上柱自重P2：

PA244.116.4KN （3）、下柱自重P3：

PA34.197.61.41.11.00.4251.41.146.369KN

（4）、吊车梁、轨道、垫层自重P4： 取轨道及垫层自重为0.8KN/m PA40.8639.9844.8KN 2、屋面活荷载P5：

PA51860.520.776529.3KN

3、吊车荷载： （1）、吊车竖向荷载Dmax,k、Dmin.k： 由表1-1可得32t吊车的参数为： Pmax278KNPmin=40.5KN

x66404650664046501990mm；

y264.650.225，y361.960.683；y40。 据此可得吊车梁支座反力Dmax,kP1maxy1y2P2maxy3y4530.4KNDmin,kP1miny1y2P2miny3y477.3KN

（2）、吊车横向荷载Tmax,k：

恒荷载作用点位臵

TQg40.13210.99.810.5KN

Tmax,k10.510.2250.683020.0KN作用点位臵在吊车梁顶面。 4、风荷载： （1）、作用在柱上的均布荷载：

柱顶标高11.1m,室外地面标高-0.35m,基本风压为00.7KN/m2，柱顶离室外地面高度为

P

1max

P

1max

P

2max

P

2max

吊车荷载计算简图

11.10.3511.45m，查表得z1.041，同时查得风荷载体型系数s，如图，取z1

q1szz0B0.81.0411.00.763.50KN/m（压力） q2szz0B0.41.0411.00.761.75KN/m（吸力）

（2）、作用在柱顶的集中风荷载Fw：

屋脊高度：H11.7(2.650.150.12)0.2414.86m，z1.136 +0.8Fw10.81.1361.00.7(1.180.270.4)67.06KN()

-0.6

0.5

-0.5

'Fw10.51.1361.00.71.8564.41KN()

Fw2(0.60.5)1.1361.00.7(14.8611.71.85)60.63KN() 左吹向右风M1BFwFw1Fw1'Fw27.064.410.6310.84KN() 右吹向左风Fw10.84KN()

（三）、内力分析计算：

1、恒荷载作用下的内力分析：

屋盖自重对上柱截面形心产生的偏心力矩为 M1A179.2(0.150.05)17.92KNm

屋盖自重、上柱自重、吊车梁及轨道自重对下柱形心产生的偏心力矩

2B

荷载产生的偏心力矩

为

M2A179.20.25180.2544.80.4529.14KNm

剪力分配：

A柱 nIuIl213630.0986，

D

DAC0EcIl

29.1143EAc2

H3

Di

j1

1

12(1)

120.63 C11.51.52，C3

11

131131

nn

求得RA1.30()，VA0.78()；因此可求出柱A的弯矩和剪力，同理可求得柱B的内力情况。见图。

17.9217.2422.89

17.92

179.2

189.3

179.2234.1

22.89234.1

AB

-0.167

(a)

0.167

(b)

A

280.47

(c)

恒荷载下排架柱内力

(a)单根柱的受力及柱底剪力;(b)弯矩图（KN.m）;(c)轴力图（KN）

2、屋面活荷载作用下的内力分析：

C11.52，C30.63，M1A29.30.12.93KNm，M2A29.30.38.79KNm

HuH0.35，C0

3

2.1552，3111n12

求得RA0.09()，VA0.09()；柱A、柱B的内力见图。

3.299

2.93

-5.491-5.491

3.2992.93

29.3

29.3

BAB

A

(a)

(b)

(c)

屋面活荷载下排架柱内力

(a)单柱的受力及柱底剪力(b)弯矩图（KN·m）

(c)轴力图（KN）

3、吊车竖向荷载作用下的内力分析：

Dmax,k位于柱A时：

柱A：C30.63，M2A530.40.4212.16KNm，RA11.424()，VA6.542()

6.542185.34

26.82

530.4

77.3

(b)

45.62BA

B

(a)

(c)

A柱作用Dmax、B柱作用Dmin时的排架内力

(a)单根柱的受力及柱底剪力

(b)弯矩图（KN·m）(c)轴力图（KN）

柱B：C30.63，M2B77.30.430.92KNm，RB1.66()，VB6.542() Dmax,k位于柱B时：

柱A：C30.63，M2A77.30.430.92KNm，RA1.66()，VA6.542() 柱B：C30.63，M2B530.4

0.4212.16KNm，RB

11.424()，VB6.542()

6.542-6.5424.1

26.82

77.3

530.4

(a)

A

(b)

(c)

A柱作用Dmin、B柱作用Dmax时的排架内力

(a)单根柱的受力及柱底剪力

(b)弯矩图（KN·m）

(c)轴力图（KN）

4、吊车水平荷载作用下的内力分析：

柱A：C50.583，T20KN，RA11.66()，VA0 柱B：C50.583，T20KN，RB11.66()，VB0

24

24

ABA176176

弯矩图（KN〃m）

单根柱的受力及柱底剪力

5、风荷载作用下的内力分析： 左向右吹

柱A：C110.366，q3.5KN/m，RA14.99()，VA1.67() 柱B：C110.366，q1.75KN/m，RB7.49()，VA9.17() 由此可得右向左吹时各柱内力。

136.26

52.31

AB

29.65单根柱的受力及柱底剪力

259.1227.07

弯矩图（KN〃m）

（四）、内力组合：

（五）、排架柱截面设计： 1、计算长度及材料强度： 考虑吊车荷载时

上柱lu2.0Hu2.04.18.2m；下柱ll1.0Hu1.07.67.6m 不考虑吊车荷载时

上柱lu1.25Hu1.254.15.125m；下柱ll1.25Hu1.257.69.5m

箍筋、构造筋，fy210N/mm2。

11.0。C30混凝土，fc14.3N/mm2；HRB335纵向钢筋，fvfy'300N/mm2；HPB235

2、上柱截面配筋设计：

上柱截面初定400 mm×400 mm，采用对称配筋。上柱的控制截面（Ⅰ－Ⅰ）有三组最不利内力：

M107.94KNmM88.38KNmM63.18KNm①；②；③

N264.08KNN804.06KNN227.16KN

1fcbbh01258.4KN，上述三组均属于大偏压，因此取第一组内力计算配筋。

e0M/N107.94/264.080.409m

h400ea13.320，取ea0.02m

3030

eie0ea0.4090.020.411m

10.5fcA/N0.514.3160000/2640804.331.0，取11； 21.150.01l0/h1.150.015.125/0.41.022

11l08.2

∴111211.0221.272 1400ei/h0h1400411/4000.4

h

eeis400/21.27241135689.4m

2N264.08103

x46.2mmbh00.55365200.75mm

1fcb1.014.3400

Nefcbx(hob)'

AsAS926.3mm2>minbh320mm2， ''

fyh0as选取构造配筋3Ф20， 按构造配箍筋Ф6@250 3、下柱截面配筋设计：

下柱截面按工字形截面，采用对称配筋。

N1fc(bNNNfb)hf

bh00.55965530.75，337.5；

，

1fcbf57201fcb1430

As1综上所述，配臵4Ф20，（As，箍筋取Ф6@250。 256()mmnimA）

22

四、牛腿设计

牛腿截面尺寸：b400mm，h1000mm；

斜截面抗裂验算：

Fhkftkbh002.01400960)0.65(10.5)1003.39103NFvk575.2KN

0Fvk0.5a575.20.5

h0960

尺寸满足要求。

FvaFh(1.244.81.4530.4)1030.3

As1.2936.08mm2

0.85fyh0fy0.85300

选用3Ф20（As942(mm2)）；箍筋Ф8@100。

(10.5

五、预埋件设计

排架柱与吊车梁连接处预埋件承受法向拉力，构造如图，因此： N1.4Tmax28KN，b0.60.25t/d0.60.2510/80.913

0.8bfyAs0.80.91330020144103N28KN，满足要求。

六、基础设计

1、基础设计资料：

7550050075

480

基础采用C20混凝土，抗拉强度ft1.1N/mm2；HPB235钢筋抗拉强度fy210N/mm2。

2、初定基础几何尺寸： 取杯口深度h1900mm，

杯口顶：b400275550mm，h10002751150mm; 杯口底：b400250500mm，h10002501100mm 杯壁：t350mm，h2t

466.7mm取480mm，底厚a1250mm，

总高hh1a150900250501200mm，取1200mm，埋深d2.00.31.7mm 3、地基计算：

先按轴心受压基础估算基础底面尺寸：

ANmax,k(faksd)(180171.7)4.8m2，选取lb2mm3mm； ∴A236m2，Wlb2/63m3，∴GksAd1.761.7173.4KN； 修正fafakdm(d0.5)180217(1.70.5)220.8KN/m2

4、基础承载力计算：

以上两种基本组合的地基净反力为：

2

Pn,maxN/A(MVh)/W451.4/6(607.0837.71.2)/3292.67KN/m

2Pn,maxN/A(MVh)/W908.13/6(423.3937.31.2)/3310.74KN/m

（1）、受冲切承载力计算： 取ps311KN/m2。

台阶宽(400275)23501250mm，长(1150275)23501850mm， ∴上下阶底面均落在冲切破坏锥体内，故不需进行冲切验算。 （2）、基础底板受弯承载力计算： 柱边I-I截面处的地基净反力：

pn,I203.7KN/m2

沿基础长边方向的弯矩：

Pn.IP12

MI(bhc)2(2lbc)n,max(31)(220.4)(311203.7)/48188.7KNm

242

需要的配筋: As,IMI/(0.9fyh0)188.7106/[0.9210(1200400)]1248mm2 处地基净反力：pn,I249.3KN/m2，

MI(31.85)2(221.25)(311249.3)/4881KNm，

As,IMI/(0.9fyh0)81106/(0.9210680)630mm2；

长边方向配Ф16@1250，As1608mm2。

短边方向按轴心受压考虑，地基净反力：pn150KN/m2，

柱边截面Ⅱ-Ⅱ的弯矩为：MII(30.4)2(221)140/24197.2KNm， 需要的配筋：AsII197.2106/[0.9210(80016)]1330.8mm2；

(31.25)2(221.85)140/24104.5KNm， Ⅱ′-Ⅱ′截面的弯矩：MII

II104.5106/[0.9210(68016)]832.7mm2 需要的配筋; As

∴短边方向配Ф16@140，As1435mm2。

七、排架柱吊装验算

采用单点吊装，吊点在牛腿与下柱交界处，起吊时，自重下内力最大。

1、内力计算：

动力系数1.5，取施工阶段安全等级降低系数为0.9，吊装时混凝土强度为达到设计值，按照设计值的70%考虑。柱底标高为-1.70m，故柱全长为11.7—（—1.70）=13.4m。

q11.50.91.246.48KN/m

q21.50.91.225(1.10.552)0.4/1.012.92KN/m q31.50.91.2(4.196.20.41252.1)/8.39.17KN/m M16.484.12/254.46KNm

M20.51.0212.926.484.1(1.04.1/2)87.49KNm M30.587.499.178.33/835.22KNm

2、承载力验算：

当不翻身起吊时，1—1截面尺寸为400 mm×400 mm，由于对称配筋：

)]54.46106/[300(36535)]550.1mm2 AsM/[fy(h0as

现上柱有3Ф20(As942mm2)，满足；

)]87.49106/[300(36535)]883.7mm2， 2—2截面：AsM/[fy(h0as

下柱有4Ф20(As1256mm2)，也满足。 故承载力验算满足要求。

3、裂缝宽度验算：

最大裂缝：maxcr各截面裂缝宽度：

sk

Es

(1.9c0.08

deq

te

)；

八、抗风柱设计

下柱上皮标高：11.10.10011.11m，柱顶标高：11.00.22.5000.05013.750m； 基础标高：-1.70m。

Hl11.001.712.70mm，Hu13.75112.75，HHlHu15.45Hb

hlHl/2512.7/25508mm，hu300mm ∴bHl/40386，取400mm，取hl550mm，us0.8，uz1.105，00.7KN/m2，s6.0m，q0.81.1050.763.71KN/m，

nIuIl

11

4003003/40055030.162，HuHl0.178， 1212

c110.366Rc11qH0.3663.7115.4520.979KNV3.9115.4520.97939.43KN

∴上柱下截面受到弯矩：Mu20.9792.753.712.75243.66KNm

1

2

M43.66106

s0.005，0.005，s0.998

0bh20fy300400265243.66106

As550.3mm2，配2Ф20(As628mm2)

fysh03000.998265

M

下柱下截面受到弯矩：Mu20.97915.453.7115.452118.67KNm

12

M118.67106

s0.014，0.014，s0.993， 22

0bh0fy300400265118.67106

As1503mm2，配5Ф20(As1570mm2)

fysh03000.993265

M