毕业论文24m跨轻钢厂房设计.doc

编号： 本科毕业设计24m跨轻钢厂房设计The design of the workshop of 24m span light steel structure学 院 建筑工程与环境学院 专 业 土木工程 班 级 土木072班 学 号 074110224 姓 名 孙钦军 指导教师（校内）王新堂 职称：教授 指导教师（校外） 职称： 完成日期 2011年5月 24m跨轻钢厂房设计摘要：该工程位于宁波市，是72米长24米跨钢结构厂房，带吊车。建筑等级：耐久等级为级，耐火等级为级，设防烈度为7度。厂房采用门式钢架结构，屋面板采用75厚的EPS夹芯板，懔条采用卷边槽型檩条，梁柱为H型钢，基础为柱下独立基础。本设计是对轻型钢结构的实际工程进行建筑、结构设计与计算。主要对承重结构进行了内力分析和内力组合，在此基础上确定梁柱截面，对梁柱作了弯剪压计算，验算其平面内外的稳定性；梁柱均采用Q345B 钢，10.9 级摩擦型高强螺栓连接，局部焊接采用E43 型焊条，柱脚为刚性连接,梁柱为铰接连接。关键词：轻型钢结构；厂房；门式钢架； 设计The design of the workshop of 24m span light steel structureAuthor：Sun qinjunABSTRACT：The workshop lies Ningbo which is a 72meters in length and 24-meter span steel structure workshop with one crane. Class of construction: Durable grade ,fire protection rating ,earthquake intensity 7 degrees. The workshop adopts portal frame while the proof of the building adopts the 75 thick EPS sandwich board and the purline use crimping tank-type purline, both the beam and column use the H section steel. The base is a single base under the column. This design is to proceeds the building construction design to the structural and actual engineering in light steel and calculation. The tractate includes the internal force analyzes and combines, based on these analyse, we can choose the section of beam and columniation. Next, checking computations of stability calculation of the plane structure. The steel beam and column employs Q345 carbon structural steel. Connection bolts are high strenth bolt of friction type with behavoure grade 10.9. Rod for mannual welding usually adopts E43. rigid connection apply to the column leg and the connection of column and beam adopts hinged connection. KEYWORDS：light-weighted steel structure；workshop；portal frame ；design目 录1 设计资料11.1 工程概况11.2 设计资料11.3 设计主要内容和基本要求11.3.1 建筑设计内容与要求11.3.2 结构设计内容与要求12 建筑设计32.1 建筑平面设计32.1.1 厂房平面形式的选择32.1.2 柱网的选择32.1.3 辅助构件的定位32.2 建筑立面设计32.3 建筑剖面设计32.3.1 厂房高度的确定32.4 各种构造的做法42.4.1散水做法42.4.2地面做法42.4.3坡道做法43 结构设计63.1结构体系的选择63.1.1 门式刚架63.1.2 屋面系统63.1.3 吊车梁系统63.1.4 基础63.1.5 围护结构体系63.2材料选择73.2.1 钢材种类73.2.2 连接材料7 3.3檩条、墙梁、隅撑设计7 3.3.1檩条设计7 3.3.2墙梁设计93.3.3隅撑设计11 3.4抗风柱设计123.4.1柱高确定123.4.2设计信息123.4.3设计依据133.4.4设计计算133.5 刚架设计163.5.1设计主要依据173.5.2总信息173.5.3标准截面信息183.5.4荷载计算183.5.5内力计算汇总263.5.5荷载效应组合计算283.5.7刚架典型构件验算333.6吊车梁设计353.6.1吊车梁资料353.6.2荷载计算363.6.3内力计算363.6.4截面估算373.6.5截面验算383.7 牛腿设计423.7.1牛腿根部截面验算433.7.2牛腿焊缝验算433.8 节点设计443.8.1梁柱连接节点443.8.2横梁跨中节点463.9柱脚设计473.10 基础设计483.10.1计算条件483.10.2计算结果50参考文献55致 谢56附 录571 设计资料1.1 工程概况本设计是对钢结构单层厂房进行建筑和结构设计。该厂房平面呈矩形，长为72m，柱距6m，形式为单跨等高，跨度为24m，建筑总面积1728m2。1.2 设计资料基本风压0.5kN/m2。基本雪压0.3KN/ m2。地震设防烈度为7度。车间采光面积比为1/61/8。车间地坪荷重10KN/，均采用水磨石地面，全部地坪待设备基础完工后再施工。厂房设4m×4.5 m大门两个。车间内设桥式吊车一辆，软钩，吊车工作级别位A5（中级工作制），具体参数如下。表1：桥式软钩吊车性能参数起重量Q（t）跨度lk(m)基本尺寸（）小车总重（t）轮压（KN）车宽B大车轮距K轨顶以上高度H轨中心至大车外边缘B1PmaxPmin1522.55200405021402303.5112732.51.3 设计主要内容和基本要求1.3.1 建筑设计内容与要求（1） 完成建筑方案：平面、立面、剖面图（2） 完成建筑施工图设计：建筑设计总说明、建筑平、立面、剖面设计图（3） 基本要求：设有15吨桥式吊车、墙体1.2米以下为240厚砖墙、1.2米以上为EPS夹芯板，屋面采用75厚的EPS夹芯板。1.3.2 结构设计内容与要求（1）结构选型及布置：基础形式确定、柱网布置、屋面檩条布置、墙架布置（2）完成计算单元选取与荷载计算（风荷载按A类场地考虑、基本风压0.5）（3） 完成典型门式刚架的结构分析及刚度验算（跨度18米）（4）进行梁柱构件设计（材料为Q345B）（5） 完成吊车梁设计（15吨位桥式吊车梁设计）（6） 完成节点设计和柱脚设计（7） 完成结构施工图绘制，包括：结构设计总说明；基础平面布置图；柱脚平面布置图、柱脚详图；结构平面布置图、屋面檩条布置图、墙梁布置图、支撑布置图及部分附件详图；门式刚架施工图、檩条与檩托详图、拉条详图、梁柱节点详图及吊车梁施工图（8）完成论文的写作、整理及文献翻译工作。2 建筑设计2.1 建筑平面设计2.1.1 厂房平面形式的选择由设计要求确定跨度为24m单跨单层，选取厂房平面形式为矩形。这种平面形式规整，结构构造简单，造价低，施工快。2.1.2 柱网的选择综合考虑门式刚架的跨度、檩条的跨度以及荷载性质和类型等各方面的影响因素，确定基本柱距为6m。2.1.3 辅助构件的定位（1） 在、定位轴线间及、定位轴线间各设4m×4.5 m的大门一个。（2） 在满足车间采光面积比为1/61/8的前提下，在厂房两侧纵墙开窗，柱间窗户尺寸为3.6m×2.1m，上层窗为一排2.1m高连窗。（3） 外围散水坡度i=5%，宽800，大门入口的坡道坡度i=10%，且设有防滑条。（4）室内外高差为150，室外地面标高为-0.150m,在厂房的外围四周±0.000m以上1.2m范围均为砌体砌筑的墙体，兼作窗台并支撑墙板。2.2 建筑立面设计为使立面简洁大方，比例恰当，达到完整均匀，节奏自然，色调质感协调统一的效果。本厂房的立面采用水平划分的手法，在水平方向设整排的矩形窗，组成水平条带，增加立体感。窗均为水平推拉窗，在侧面开有4m×4.5m的门两扇。2.3 建筑剖面设计2.3.1 厂房高度的确定由生产工艺、生产设备、货物起吊高度、其中与运输和其他各方面的要求，初步确定轨顶标高为6m，钢结构厂房梁柱的截面高度为跨度的1/301/45，即在800533之间，暂取梁柱截面高度为600，吊车梁高度取800，轨道选截面高度为140的重轨，由设计资料所给出的桥式软钩吊车性能参数查得，轨顶以上高度H=2140，小车顶面至屋架下弦底部的安全高度取500，由此确定柱顶标高。（1）有吊车厂房柱顶标高的确定厂房柱顶标高：H=H1+h6+h7式中：H柱顶标高，应符合3M模数 H1轨顶标高 h6轨顶以上高度 h7小车顶面至屋架下弦底部的安全高度则H=6000+2140+500=8640，取3M的模数H=8700=8.7m。（2）厂房高度的确定厂房高度的标高：H=H+h式中：h横梁截面高度则H=8700+600=9300。屋脊标高的确定：H= H+×i式中：H屋脊标高 L厂房跨度 i屋脊坡度，一般取1/10。则H=10500=10.5 m。2.4 各种构造的做法2.4.1散水做法2.4.2地面做法2.4.3坡道做法3 结构设计3.1结构体系的选择3.1.1 门式刚架在本设计中所给资料中提供的是一座跨度为24m，柱距为6m，采用轻型屋盖和轻型外墙的单层厂房，车间内设15t的中型工作制吊车，选用门式刚架操作为本厂房的主要承重结构体系，在本设计中，门式刚架的柱、梁截面均选用等截面的实腹焊接工字形截面，为提高整个厂房的整体性和稳定性，柱脚的连接形式采用刚接柱脚，梁柱之间的连接采用高强螺栓。3.1.2 屋面系统（1）屋面板根据设计书要求屋面采用75厚的EPS夹芯板。（2）檩条在该屋面体系中，选用卷边槽形冷弯薄壁型钢檩条，跨度6m，高度取跨度的1/351/50，最后由计算确定截面尺寸。 檩距取为1.5m，檩条的布置使腹板垂直屋面坡面。檩条的连接，与屋面可靠连接，以保证屋面能起阻止檩条侧向失稳和扭转，与压型钢板屋面连接，宜采用带橡胶垫圈的自攻螺钉，与屋架、刚架的连接设置角钢檩托，以防止檩条在支座处的扭转变形和倾覆。拉条与撑杆为了减小檩条在安装和使用阶段的侧向变形和扭转，保证其整体稳定性而设置拉条。在檩条跨度位置设置一道拉条（规范：i=1/10，檩跨>4m设一道；跨度>6m在檩跨三分点出各设一道）。在檐檩和其相邻的檩条间设撑杆，撑杆采用钢管内设拉条的做法。在檐口处设置斜拉条和撑杆。3.1.3 吊车梁系统在本设计中，车间内设一辆起重量为15t的桥式软钩中级工作制吊车，考虑到其起重量小，吊车梁采用6m跨度的焊接工字形截面。通过计算确定梁的截面尺寸使之满足承载力的要求，端跨吊车梁的连接与中间跨的有所区别。3.1.4 基础由于柱脚处荷载较小，故考虑采用独立基础。阶梯形的刚性独立基础为主要的选择形式，在刚性角的范围内确定台阶的高宽尺寸。3.1.5 围护结构体系墙面标高1.2m以下采用240砖墙，墙面标高1.2m以上的所有墙体均采用EPS夹芯板3.2材料选择3.2.1 钢材种类根据设计要求本次设计梁柱使用Q345B钢，部分构件采用Q235B钢。3.2.2 连接材料在本设计中所涉及的所有连接所用钢材，如焊条，螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应。焊条选用E43系列焊条，采用手工电弧焊，连接螺栓分为普通螺栓和高强螺栓两种。横梁跨中拼接点，梁柱拼接点所用螺栓一律为高强螺栓，其余为普通螺栓连接。初步确定高强螺栓为10.9级，柱脚与基础的刚性连接采用锚栓，锚栓钢号为Q345B。3.3檩条、墙梁、隅撑设计3.3.1檩条设计（1）设计依据建筑结构荷载规范(GB 50009-2001)冷弯薄壁型钢结构技术规范(GB 50018-2002)门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:2002)（2）设计资料卷边槽形冷弯型钢，按6m跨简支计算；檩条间距取1.5m，按构造在檩条中设置一道拉条，钢材采用Q235钢，屋面排水坡度为1/10，倾角5.711°，屋面板采用彩色钢板岩棉夹芯压型钢板（3）设计数据屋面坡度(度): 5.711檩条跨度 (m): 6.000檩条间距 (m): 1.500设计规范: 门式刚架规程CECS102:2002风吸力下翼缘受压稳定验算：按式验算檩条形式: 卷边槽形冷弯型钢C160X70X20X3.0钢材钢号：Q235钢拉条设置: 设置一道拉条 拉条作用: 约束檩条上翼缘净截面系数: 1.000檩条仅支承压型钢板屋面(承受活荷载或雪荷载),挠度限值为 1/150屋面板能阻止檩条侧向失稳构造能保证风吸力作用下翼缘受压的稳定性建筑类型: 封闭式建筑永久荷载：取0.250 kN/m可变荷载：屋面均布活荷载0.50kN/m，雪荷0.30kN/m，计算时取两者的较大值0.50 kN/m。 风荷载：基本风压：0=0.50 kN/m （4）截面及材料特性檩条形式: 卷边槽形冷弯型钢C160X70X20X3.0 钢材钢号：Q235钢 屈服强度 fy= 235.000 N/mm2 强度设计值 f= 205.000 N/mm2 考虑冷弯效应强度 f'=222.493 N/mm2（5）截面验算、 1.2恒载+1.4(活载+0.9积灰+0.6风载(压力)弯矩设计值(kN.m): Mx = 7.115弯矩设计值(kN.m): My = 0.178有效截面计算结果:全截面有效截面强度(N/mm2) : 、 1.0恒载+1.4风载(吸力)组合 弯矩设计值(kN.m): 弯矩设计值(kN.m): 有效截面计算结果: 全截面有效。 截面强度(N/mm2) : 、 荷载标准值作用下，挠度计算 垂直于屋面的挠度(mm) : 计算满足 檩条能够承受的最大轴力设计值为(KN): N=31.0003.3.2墙梁设计（1）设计依据建筑结构荷载规范(GB 50009-2001)门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:2002)（2）设计数据墙梁跨度 (m): 6.000墙梁间距 (m): 1.500设计规范: 门式刚架规程CECS102:2002风吸力下翼缘受压稳定验算：按式验算墙梁形式: 热轧轻型槽钢 20 墙梁布置方式: 口朝下钢材钢号：Q235钢拉条设置: 在跨中设置一道拉条 拉条作用: 约束墙梁外翼缘净截面系数: 1.000墙梁支承压型钢板墙,水平挠度限值为 1/100墙板能阻止墙梁侧向失稳构造能保证风吸力作用墙梁内翼缘受压的稳定性墙梁支撑墙板重量单侧挂墙板墙梁上方一侧板重(kN/m) : 1.500建筑类型: 封闭式建筑分区: 边缘带基本风压: 0.500风荷载高度变化系数: 1.000迎风风荷载体型系数: 1.000背风风荷载体型系数: -1.100 迎风风荷载标准值 (kN/m2): 0.500背风风荷载标准值 (kN/m2): -0.550（3）截面及材料特性墙梁形式: 热轧轻型槽钢 20 钢材钢号：Q235钢 屈服强度 fy= 235.000 强度设计值 f= 215.000（4）设计内力 、1.2恒载+1.4风压力组合 绕主惯性轴强轴弯矩设计值(kN.m): Mx = 4.725 绕主惯性轴弱轴弯矩设计值(kN.m): My = -2.273 水平剪力设计值 (kN) : Vx = 3.150 竖向剪力设计值 (kN) : Vy = 3.788 、1.35恒载绕主惯性轴强轴弯矩设计值(kN.m): Mx1= 0.000 绕主惯性轴弱轴弯矩设计值(kN.m): My1= -2.557 水平剪力设计值 (kN) : Vx1 = 0.000 竖向剪力设计值 (kN) : Vy1 = 4.262、1.2恒载+1.4风吸力组合 绕主惯性轴强轴弯矩设计值(kN.m): Mx2 = -5.198 绕主惯性轴弱轴弯矩设计值(kN.m): My2 = -2.273 水平剪力设计值 (kN) : Vxw = 3.465 竖向剪力设计值 (kN) : Vyw = 3.788（5）风压力作用验算抗弯控制组合： 1.2恒载+1.4风压力组合 截面强度(N/mm2) : max = （6）风吸力作用验算组合: 1.2恒载+1.4风吸力 截面强度(N/mm2) : maxw = （7）荷载标准值作用下挠度验算竖向挠度(mm) : fy = 3.042 水平挠度(mm) : fx = 4.037 <=60.000 计算满足 3.3.3隅撑设计（1）隅撑计算输出结果:轴力N = 应力 = 梁下翼缘截面面积A： 0.0042mm2横梁钢材型号： Q345钢翼缘钢板厚度12mm横梁钢材屈服强度值fy345 N/mm2横梁钢材强度设计值f 310 N/mm2角钢计算长度1273.58mm角钢截面 L50x4角钢回转半径0.99cm角钢截面面积0.00039m2长细比128.644 220折减系数 = 0.6 + 0.0015×= 0.792967稳定系数0.292981轴力N18.0936 kN应力158.351 N/mm2<245.82 N/mm2（2）螺栓计算输出结果角钢钢材钢号Q235钢构件的钢材厚度 3 mm螺栓直径 12 mm螺栓有效截面面积84.3mm2螺栓孔径 13mm螺栓连接抗剪强度设计值140 N/mm2螺栓连接抗压强度设计值305 N/mm2螺栓连接抗剪承载力设计值 11.802 kN螺栓连接抗压承载力设计值 25.7115 kN螺栓连接承载力设计值 > 轴力N=18.0936 kN3.4抗风柱设计3.4.1柱高确定（1）山墙墙架柱高的确定 轨顶标高H1 = h1 + h2 + h3 + h4 + h5 =6000 mm 轨顶至柱顶高度H2 = h + h =2640 mm 柱顶标高H = H1 + H2 =8640 mm取3M的模数H=8700=8.7m (2）抗风柱高度的确定 H = 8700 + 24000×tan5.711°÷4 =9500 mm3.4.2设计信息 钢材等级：Q345 柱距(m)：8.000 柱高(m)：9.500 柱截面：焊接组合H形截面: H*B1*B2*Tw*T1*T2=300*200*200*8*12*12 铰接信息：下端固接、上端铰接 柱平面内计算长度系数：0.732 柱平面外计算长度：6.000 强度计算净截面系数：1.000 设计规范:钢结构设计规范 容许挠度限值: l/400 = 23.750 (mm) 风载信息： 基本风压W0(kN/m2)：0.500 风压力体形系数s1：0.600 风吸力体形系数s2：-0.600 风压高度变化系数z：1.380 柱顶恒载(kN)：0.000 柱顶活载(kN)：0.000 墙板自承重 风载作用起始高度 y0(m)：0.0003.4.3设计依据 （1）、建筑结构荷载规范 (GB 50009-2001) （2）、钢结构设计规范 (GB 50017-2003)3.4.4设计计算 （1）、截面特性计算 A =7.0080e-003; Xc =1.0000e-001; Yc =1.5000e-001;Ix =1.1361e-004; Iy =1.6012e-005; ix =1.2732e-001; iy =4.7799e-002;W1x=7.5738e-004; W2x=7.5738e-004; W1y=1.6012e-004; W2y=1.6012e-004;（2）、风载计算 抗风柱上风压力作用均布风载标准值(kN/m): 3.312 抗风柱上风吸力作用均布风载标准值(kN/m): -3.312（3）、柱上各断面内力计算结果 组合号 1：1.35恒+0.7*1.4活断面号 ： 1 2 3 4 5 6 7 弯矩(kN.m)： 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 轴力(kN) ： 7.010 6.426 5.842 5.258 4.674 4.089 3.505 断面号 ： 8 9 10 11 12 13 弯矩(kN.m)： 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 轴力(kN) ： 2.921 2.337 1.753 1.168 0.584 0.000 组合号 2：1.2恒+1.4风压+0.7*1.4活 断面号 ： 1 2 3 4 5 6 7 弯矩(kN.m)： 52.309 31.967 14.530 0.000 -11.624 -20.342 -26.154 轴力(kN) ： 6.232 5.712 5.193 4.674 4.154 3.635 3.116 断面号 ： 8 9 10 11 12 13 弯矩(kN.m)： -29.061 -29.061 -26.154 -20.342 -11.624 0.000 轴力(kN) ： 2.596 2.077 1.558 1.039 0.519 0.000 组合号 3：1.2恒+0.6*1.4风压+1.4活 断面号 ： 1 2 3 4 5 6 7 弯矩(kN.m)： 31.385 19.180 8.718 0.000 -6.975 -12.205 -15.693 轴力(kN) ： 6.232 5.712 5.193 4.674 4.154 3.635 3.116 断面号 ： 8 9 10 11 12 13 弯矩(kN.m)： -17.436 -17.436 -15.693 -12.205 -6.975 0.000 轴力(kN) ： 2.596 2.077 1.558 1.039 0.519 0.000 组合号 4：1.2恒+1.4风吸+0.7*1.4活 断面号 ： 1 2 3 4 5 6 7 弯矩(kN.m)：-52.309 -31.967 -14.530 0.000 11.624 20.342 26.154 轴力(kN) ： 6.232 5.712 5.193 4.674 4.154 3.635 3.116 断面号 ： 8 9 10 11 12 13 弯矩(kN.m)： 29.061 29.061 26.154 20.342 11.624 0.000 轴力(kN) ： 2.596 2.077 1.558 1.039 0.519 0.000 组合号 5：1.2恒+0.6*1.4风吸+1.4活 断面号 ： 1 2 3 4 5 6 7 弯矩(kN.m)：-31.385 -19.180 -8.718 0.000 6.975 12.205 15.693 轴力(kN) ： 6.232 5.712 5.193 4.674 4.154 3.635 3.116 断面号 ： 8 9 10 11 12 13 弯矩(kN.m)： 17.436 17.436 15.693 12.205 6.975 0.000 轴力(kN) ： 2.596 2.077 1.558 1.039 0.519 0.000 柱底剪力设计值: 风压力作用(kN): 27.531 风吸力作用(kN): -27.531（4）、抗风柱强度验算结果 控制组合：2 设计内力：弯矩(kN.m)：52.309; 轴力(kN)：6.232 抗风柱强度计算最大应力(N/mm2):66.666 < f=310.000 抗风柱强度验算满足。（5）、抗风柱平面内稳定验算结果 控制组合：2 设计内力：弯矩(kN.m)：52.309; 轴力(kN)：6.232 平面内计算长度(m)：6.954 抗风柱平面内长细比x:55 轴心受压稳定系数x：0.773 抗风柱平面内稳定计算最大应力(N/mm2):67.002 < f=310.000 抗风柱平面内稳定应力验算满足。 抗风柱平面内长细比x:55 < =150（6）、抗风柱平面外稳定验算结果 控制组合：2 设计内力：弯矩(kN.m)：52.309; 轴力(kN)：6.232 平面外计算长度(m)：6.000 抗风柱平面外长细比y:126 轴心受压稳定系数y：0.274 受弯整体稳定系数b：0.711 抗风柱平面外稳定计算最大应力(N/mm2):100.319 < f=310.000 抗风柱平面外稳定应力验算满足。 抗风柱平面外长细比y:126 < =150（7）、局部稳定验算 控制组合：1 腹板计算高厚比 H0/Tw=34.50 < 容许高厚比H0/Tw=61.9 翼缘宽厚比 B/T=8.00 < 容许宽厚比 B/T =12.4（8）、挠度验算 标准组合：1.0恒+1.0风断面号 ： 1 2 3 4 5 6 7 风压弯矩(kN.m)：37.363 22.833 10.379 0.000 -8.303 -14.530 -18.682 风吸弯矩(kN.m)：-37.363 -22.833 -10.379 0.000 8.303 14.530 18.682 断面号 ： 8 9 10 11 12 13 风压弯矩(kN.m)： -20.758 -20.758 -18.682 -14.530 -8.303 0.000