土木工程毕业设计 ——钢结构设计.doc

土木工程毕业设计 钢结构设计 目 录摘 要 . Abstract . 1 建筑设计 . 11.1 建筑平面设计 . 11.2 建筑立面设计 . 41.3 建筑平面设计 . 62 结构方案设计说明 . 72.1 构件截面尺寸及材料选择 . 72.2 结构体系抗震防火要求 . 7 I3.荷载统计 . 93.1恒荷载统计 . 93.2活荷载统计 . 93.3整个厂房部分作用的荷载 . 124.各种荷载作用下的II7.4 拉条计算 . 498 支撑设计 . 508.1屋面横向水平支撑设计 . 508.2 柱间支撑设计 . 539 屋面板设计和计算 . 589.1 全文总结 . 9114 参考文献 . 4815 致谢 . 95 III附录：内力组合计算表 . 96IVV1 建筑设计本建筑依据其功能要求设计成单层的单坡双跨刚架承重厂房，适用于门式刚架轻型房屋钢结构规程（CECS102）。建筑占地面积为：105m×48m=5040 m2。平面详细情况见建筑物的平面图。功能布置依据所给出的建筑功能和相关规范要求，进行建筑内部的设计如下： 1.1 建筑平面设计本厂房平面设计考虑到现在较常用的刚架承重方案，采用轻型门式刚架。考虑柱距的经济性和受理的均匀合理性，所以纵向柱距取7.5m。此外，考虑到抗震设计的一些要求，建筑物应力求规则。因此，本次设计在平面上采用较为简单平面布置。对于建筑物大门的设置，考虑到有重型吊车出入，在左右山墙上采用4.5m×4.5m的推拉门。建筑物纵向墙体考虑到人员及设备的出入方便上，采用3.6m×3.6m的推拉门。屋顶为不上人屋顶，屋顶排水采用有组织外檐沟排水，层顶排水坡度为10%，檐沟内排水坡度为0.002。各详细情况表达见图1-1厂房平面图和图1-2屋顶平面图 1图1-1 厂房平面图 2图1-2 屋顶平面图1.2 建筑立面设计 3考虑到排架结构的优点，柱间尽量多用窗，使窗与柱及窗间墙之间形成了有节奏的虚实对比，显得明快、活泼，同时也得到了良好的采光效果。大门2个，均匀布置。除了在1.5米高处设窗之外，在排架柱上部采用贯通的窗以减轻自重和增加厂房内部通风的功能。悬挂式雨蓬的运用，和大门的设置一同起到了突出主要入口功能，起到了吸引人流导向的作用。建筑立面详图见图1-341.3 建筑剖面 图1-3 正立面图 5建筑剖面从厂房轴线11-12处剖断，剖断处的各详细表达见图1-31.3.1 建筑做法：12345屋面做法：II 级防水，不上人，保温隔热， 地面做法：01ZJ001，地19，陶瓷地砖地面。总厚135mm. 墙面做法：01ZJ001外墙22，涂料外墙面（一），总厚20mm， 踢脚做法：01ZJ001，踢22（150高），面砖踢脚（一），总厚30mm， 散水做法：01ZJ001，散4，水泥砂浆散水（二），总厚120mm。 5门式刚架的计算和选型65.1截面选型5.1.1 构件截面几何参数梁柱采用国 H 800×350×10×14 Q235 图5-1 梁截面示意图截面特性： 截面面积 A=175.2cm2截面惯性矩 Ix=189717.66cm4 Iy=10010.60cm4截面抗弯系数 Wx=4742.94cm3 Wy=572.03cm3截面回转半径 ix=32.91cm2 iy=7.56cm2 2 边柱 H 500×250×8×12 Q2357 图5-2 边柱截面示意图截面特性 截面面积 A=98.08cm2截面惯性矩 Ix=42918.81cm4 Iy=3127.03cm4 截面抗弯系数 Wx=1716.75cm3 Wy=250.16cm3 截面回转半径 ix=20.92cm2 iy=5.65cm2 3中柱 H 500×400×8×14Q235 8 图5-3 中柱截面示意图截面特性 截面面积 A=134.08cm2截面惯性矩 Ix=64356.09cm4 Iy=12802.03cm4 截面抗弯系数 Wx=2574.24cm3 Wy=640.10cm3 截面回转半径 ix=21.91cm2 iy=9.77cm25.1.2 构件宽厚比验算b1701梁： 翼缘 =12.115 t14腹板hw(800-2´14)=77.2=250 tw102边柱： 翼缘 b121=10.08 t12腹板 3中柱： 翼缘 hw(500-2´14)=59.5=250 tw8b196=14 t14腹板hw(500-2´14)=59=250 tw85.2 刚架梁的验算1 抗剪验算：剪力 Vmax=190.13 kN190.13´103=24.6 N/mm2=0.114fy 平均剪应力 t0=(800-2´14)´109hwt=77.2<170 无需设置横向加劲肋w 2 弯剪压共同作用下验算N=-34.6kN M=885.26kN×m V=190.13kNlw= 查表得 kt=5.34 lw=0.9030.8<lw<1.4fv=1-0.64(lw-0.8)fv=1-0.64´(0.903-0.8)´125=117 N/mm2Vd=hwtwfv=(800-28)´10´117=903.24kN V<0.5Vd=451.26kN 按公式M£MNe MNe=Me-NWe/Ae计算 s=NA±MhwW=34.6´103±885.26´106´386=182 N/mm2 xh175204742.94´103´400-178边缘应力比：b=smax-s=178182=-0.978mink0=lp=r=1.0he=rhc=hc=182182+178´772=390mm 受压区全截面有效Me=Wef=4742.94×1000×215=1019.7 kN×mMNe=M=1019.7-34.6´4742.94´10-6e-NWe/A189717.66´10-8=933.2kN×m 3 斜梁平面外整体稳定性验算斜梁下翼缘受压时，加隅撑作为梁平面外支撑点，梁平面外计算长度取2.4m，即ly=2400mmly<350´1=/mm56 00 不需计算10 5.3 刚架柱的验算5.3.1 边柱的验算1 抗剪验算： 柱截面最大剪力 Vmax=80.16 kNh80.16´103平均应力： t0=21.05N/mm2=0.114fy w=59.5 (500-24)´8tw2 弯剪压共同作用下验算 取二组 M=251.85kN×m M=296.71kN×mV=37.54kN V=37.54kN lw= 查表得 kt=5.34 lw=0.696 lw<0.8 fv=fv=125N/mm2Vd=hwtwfv=(500-24)´8´125=476kN V<0.5Vd 按公式M£MeN MeN=Me-NWe/Ae计算 NMhw497.63´103251.85´106´476191±= s=±= N/mm2 398081716.75´10´500-89AWxhb=k0=smax-89=-0.466 smin19112.71lp=0.519 lp<0.8 r=1.0 he=rhc=hc=191´476=324.7mm 受压区全截面有效 191+89Me=Wef=1716.75×1000×215=369.1 kN×m497.63´103M=Me-NWe/A=369.1-´1716.75´103=282.6kN×m>251.85kN×m满9808Ne11足要求 3 整体稳定验算 lx=mlx0 lx=900 cm柱截面惯性矩 Ic=42918.81cm4 梁截面惯性矩 IR=189717.66cm4中柱长度 lR=2411cmK=IClR42918.812411=´=0.606 IRH189717.66900IR1.50)K=1.20 边柱计算长度 lx=1.2´90=Ic10cm8 0 m=1+(0.1+0.07lx=lx1080=49.3 jxr=0.86 0 ix20.92EX5p2EA3.142´2.06´10´9808=7451.1kN 221.1l1.1´49.3欧拉临界力为 NN0bmxM1+jxrAe0(1-N0j)Wxre1NE=497.63´101.0´251.85´10+=214N/mm2<f=215N/mm20.86´9808(1-´0.86)´1716.75´1037451.136满足要求 4 刚架柱平面外稳定验算考虑墙梁与柱连接处有隅撑，故刚架柱的平面外计算长度取3.0m ly=300=53.1 查表得 jy=0.842 5.65jbr=1.07-ly244000=1.0 h=1.0bMN+txxjyAjbWx=497.63´101.0´251.85´1022+=207N/mm<f=215N/mm0.842´98081.0´1716.75´10312 36 满足要求5.3.2 中柱的验算1 抗剪验算： 柱截面最大剪力 Vmax=110.56 kNh110.56´103平均应力： t0=29.3N/mm2=0.136fy w=59.5 (500-28)´8tw2 弯剪压共同作用下验算 取二组 M=174.34kN×mV=44.65kN lw= 查表得 kt=5.34 lw=0.696 lw<0.8 fv=fv=125N/mm2Vd=hwtwfv=(500-28)´8´125=472kN V<0.5Vd 按公式M£MeN MeN=Me-NWe/Ae计算 117NMhw701.84´103174.34´106´476±= s=±= N/mm2 3134082574.24´10´500-12.3AWxh边缘应力比： b=k0=smax-13=-0.111 smin1178.64lp=0.533 lp<0.8 r=1.0he=rhc=hc=117´476=428.4mm 受压区全截面有效 117+13Me=Wef=2574.24×1000×215=553.5 kN×m701.84´103M=Me-NWe/A=553.5-´2574.24´103=418.8kN×m>174.34kN×m满足13408Ne要求13 3整体稳定验算 lx=mlx0 lx=1140 cm4c6m6柱截面惯性矩 Ic=42918.81cm4 梁截面惯性矩 IR=189717.中柱长度 lR=2411cmK=IClR42918.812411=´=0.478 IRH189717.661140m=1+(0.1+0.07lx=IR1.5´90=0)K=1.04 边柱计算长度 lx=1.04Ic12c4m2. lx1247 =56.9 jxr=0.82 3ix21.91EX5p2EA3.142´2.06´10´13408=7646.7kN 221.1l1.1´56.9欧拉临界力为 NN0bmxM1+jxrAe0(1-N0j)Wxre1NE=701.84´101.0´174.34´10+=136.9N/mm2<f=215N/mm20.823´13408(1-´0.823)´2574.24´1037646.736满足要求 4刚架柱平面外稳定验算考虑墙梁与柱连接处有隅撑，故刚架柱的平面外计算长度取3.0m ly=300=30.7 查表得 jy=0.933 9.77jbr=1.07-ly244000=1.05 h=1.0bMN+txxjyAjbWx=701.84´101.0´174.34´10+=123.8N/mm2<f=215N/mm230.933´134081.0´2574.24´1036 满足要求5.4 位移验算145.4.1风荷载作用下的位移因为刚架对称，所以只计算在左风下的变形： 图5-5 刚架在左风荷载下的变形V2=1.47mm , V4=1.54 mmV2=1.47/9000=1/6122&lt;V=1/240 满足要求 HV4=1.54/9000=1/7418&lt;V=1/240 满足要求 H5.4.2横梁的竖向挠度 图5-6 刚架在竖向荷载下的变形 15 屋面恒荷载作用下V3=16mm 屋面活荷载作用下V3=14mm V315+14=1/827.6&lt;V=1/180 满足要求。 =L24000 166檩条的设计和计算6.1设计说明屋面做法：复合屋面板。屋面坡度0.1，檩条跨度为刚架跨度7.5m，水平檩条间距0.8m，均匀设置2道拉条。钢材采用Q235F 图6-1 檩条布置简图 6.2 荷载计算1 恒载： 屋面板 0.2 kN/m2檩条（包括拉条）自重 0.1 kN/m 2 活载： 活载（受荷面积60m2） 0.3 kN/m2雪荷载 0.5 kN/m2积灰荷载 0.3 kN/m2 3检修集中荷载（采用等效均步荷载） 1×2/（0.8×7.5）=0.34 kN/m24风荷载 受风面积为：A=7.5´0.8=617风载体型系数为： ms=0.15logA-1.3=-1.183风压高度变化系数：mz=1.07基本风压w0=0.35kN/m2w=1.05msmzw0=1.05´-1.183´1.07´0.35=-0.47kN/m25 荷载组合（设计值）1.G2+1.L4=1.´2(+0.1´0.2+0.´8)1.´4+(0.5´0.08=8k0.N/3 m0s=1.20kN2 m/ qx=qcoaa=0.12kN0 m/ qy=qsin6.3 Mx=-qyl2=-1/8´1.202´7.52=8.45kN×m8=0.12kN/m 图6-3 檩条内力计算简图 181/3处负弯矩： My=跨中正弯矩： My=qx2l=1/90´0.12´7.52=-0.075kN×m 90qx2l=1/360´0.12´7.52=-0.019kN×m 3606.4 截面选型和计算6.4.1 截面选型 C160×70×20×3.0 图6-4 檩条截面示意图截面面积 A=9.45cm24c4m截面惯性矩 Ix=373.6 Iy=60.42cm4x0=2.224cm6.4.2 截面验算 191 应力计算和稳定验算Mh8.45´106160s=´=181N/mm2 4Ix2373.64´102s1=M(70-2.24)=-6N/mm2 IxM2.24=3N/mm2 Ixs2=腹板smax=184N/mm2 smin=178 N/mm2y=smin-178=-0.967<0 b/t=160/3=53.3 a=1.15 smax184k=7.8-6.29y+9.78y2=7.8+6.29×0.967+9.78×0.9672=23.03 上翼缘smax=184N/mm2 smin=175 N/mm2y=smin184=0.951 b/t=70/3=23.3 a=1.150.15y=1.007 smax17520 k=5.89-11.59y+6.68y2=5.89-11.59´0.951+6.68´0.9512=0.909 腹板 e=0.93=1.1 k1=0.11+=0.3111.7 2(e-0.05)r=b160ar<bt/<3ar8 =80 18t2 上翼缘beb=0.1)c=26.8 be=26.8´2.5=67mm tte=1.1 k1=1.7 r=b=28 18ar<bt/<3ar8 tùúbcbe=0.1ú=23.9 tútúûbe=23.9×2.5=60 mm下翼缘受压，全截面有效A=(78+70+40+27+24+36+40)´2.5=787.511Ienx=Ix-´2.5´153+15´2.5´45.52+´10´2.53+10´2.5´802=349.8cm4121211Ieny=Iy-´15´2.53+15´2.5´22.242+´10´2.53+10´2.5´6.762=58.43cm 12124 Wenx=IenyIenx3=26.2c7m =43.725cm3 Wenmyax2.224h/221Wenymin=Ieny7-2.224=12.23cm3 屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转MM8.45´1060.075´106s=+=+=199.4N/mm2<f=205N/mm2 满足要求 WenxWeny43725122302 刚度 v=5q4yl384EI=50.9´cos5.7´750045=43mm<l=50mmx3842.06´10´373.64´104150 7墙梁的设计和计算22 满足要求本工程墙梁采用卷边C形槽钢C 160×70×20×3.0，跨度l=7.5m，间距l=1.5m，在1/3各设一根根拉条，墙梁和拉条均用Q235钢。墙梁自重0.073kN/m。迎风风荷载标准值：qk=1.05szw0ll=1.05×1.0×1.01×0.35×1.5=0.56 kN/m背风风荷载标准值：qk=1.05szw0ll=1.05×1.1×1.01×0.35×1.5=0.62 kN/m本设计中墙梁有一定竖向承载能力，且墙板落地，墙梁与墙板有可靠连接。根据规范要求，可不考虑墙梁自重引起的剪力和弯矩。 图7-1 墙梁布置简图7.1 荷载计算墙梁所受荷载标准值：水平 q1y=0.56 kN/m2 qy=0.62 kN/m墙梁所受荷载设计值：水平 q11.4=0.784 kN/m y=0.56×2qy=0.62×1.4=0.868 kN/m 237.2 Mx=1/8 qyl2=1/8×0.784×7.52=5.51 kN·m背风 My=1/8 qyll2=1/8×0.868×7.52=6.1 kN·m 2 剪力 水平方向剪力按单跨简支梁计算计算迎风 Vymax=0.5 qyl=0.5×0.784×7.5=2.96 kN 背风 Vymax=0.5 qyll=0.5×0.868×7.5=3.255 kN 3 双弯矩力矩因设有拉条，故可不计算双弯矩。 7.3截面选型及验算7.3.1 截面选型选择C形槽钢160×70×20×3，查表可知其截面特性： 247-3 墙梁截面示意图 截面面积 A=9.45cm2截面惯性矩 Ix=373.64 cm4 Iy=60.42 cm4 截面抗弯系数 Wx=46.71 cm Wymax=27.17 cm3 Wymin=12.65 cm3截面回转半径 ix=6.29 cm iy=2.53 cmx0=2.224 cm7.3.2 截面验算由弯矩Mx，Mxl，My引起的截面各角点应力符号如图5.3所示。 1 各板件端部的应力值为：（1） 迎风 si=MxW xis1=s5.51´1062=-46705=-118N/mm2 s5.51´1063=s4=46705=118N/mm2 25 图6.1´10s3=s4=-=-131N/mm2 467052 各组成板件有效截面（1） 迎风荷载qy时：腹板为受压的两边支撑板件，smax=s3=118N/mm2 smin=s2=118 N/mm2 y=smin118=-1 b/t=160/3=53.3 a=1.15 smax-118k=7.8-6.29y+9.78y2=7.8+6.29×1+9.78×1=23.87 上翼缘y=smin118=1 b/t=70/3=23.3 a=1.150.15y=1.0 smax11826 k=5.89-11.59y+6.68y2=5.89-11.59´1+6.68´1=0.98 腹板 e=0.93=2.161.1 k1=0.11+=0.3191.7 2(e-0.05)r=b160=53.3<18ar=18´3.637´1.15=75.3 t3腹板受压全截面有效。受拉区也全部有效 上翼缘 e=0.4631.1k1=1.7 r=ùúbcbe=0.1ú=20 tútúûbe=20×3=60 mmy0 b=2bc=2×70/4=35 mm be2=6035=25 mm e15-yé1ùIenx=Ix-2´ê´10´33+10´3´802ú=3352355 mm4 ë12ûWenx=Ienx=41904 mm3 y（2） 背风荷载qly时：腹板为受压的两边支撑板件，smax=s3=131N/mm2 smin=s2=131 N/mm2y=smin131=-1 b/t=160/3=53.3 a=1.15 smax-131k=7.8-6.29y+9.78y2=7.8+6.29×1+9.78×1=23.87 27下翼缘 y=smin131=1 b/t=70/3=23.3 a=1.150.15y=1.0 smax131k=5.89-11.59y+6.68y2=5.89-11.59´1+6.68´1=0.98 腹板 e=0.93=2.161.1 k1=0.11+=0.3191.7 2(e-0.05)r=b160=53.3<18ar=18´3.452´1.15=71.4 t3腹板受压全截面有效。受拉区也全部有效 下翼缘 e=0.4631.1k1=1.7 r=ùúbcbe=0.1ú=20 tútúûbe=20×3=60 mmy0 b=2bc=2×70/4=35 mm be2=6035=25 mm e15-yé1ùIenx=Ix-2´ê´10´33+10´3´802ú=3352355 mm4 ë12ûWenx=Ienx=41904 mm3 y3 强度和稳定验算（1） 迎风时：28由于与墙板的有效连接能阻止墙梁的侧向失稳和扭转，所以只需验算其应力满足要求即可：M5.51´106s=135 N/mm2 f=205 N/mm2 Wenx419043´2.94´103t=9.5 N/mm2 fv=120 N/mm2 2h0t2´160-3´2´33Vymax应力满足要求（2） 背风时：此时，由于墙梁受压一侧无墙板连接，不能阻止墙梁的侧向失稳和扭转，所以需验算其平面外失稳和应力：M6.1´106s=146 N/mm2 f=205 N/mm2 Wenx419043´3.255´103t=10.5 N/mm2 fv=120 N/mm2 2h0t2´160-3´2´33Vymax平面外失稳：k=My0f52.5=kqy=0.3´30.8=68 0.29kN/m =0.33 qxh1600.29´2.52=0.08 kN/m 24242qxlyé1ùIfly=Iy-ê´133´33+3´133´222ú=410984mm4 ë12ûWfly=Ifly22.4=18681mm31954900/=1500 536945867=2´2.06´510´Ct1=130n=130´4=720 Ct2=kE/ISCt=111+Ct1Ct2=111+7205.4´108=7202214(1-v)h(hd+e)h24´(1-0.3)´160´(160+52.5)1602=+=+=35.6 352KEtCt2.06´10´3720K=0.0329R=Kl/pEIfly420.03´25004=3.14´3.14´2.06´105´410984=1.4 h=1-0.0125R1-0.0125´1.4=0.361 1+0.198R1+0.198´1.4My=hMym 0=0.361´0.08=0.03 kN·l1=3.14=99.5ifly=27.6 Kl40.03´75004R0=2=113.7 pEIfly3.14´3.14´2.06´105´410984lfly=0.7l0(1+13.1R0)-0.125=0.7´7500´(1+13.1´113.7)-0.125=2106lfly=lflyifly=l2106=76.3 ln=fly=0.76 727.6l1f=0.51+a(ln-0.2)+ln2=0.5´(1+0.21´(0.767+0.2)+0.7672)=0.584 c=0.8131æMmaxNöMy16.1´1060.03´106+÷+=()+=174 N/mm2f=205 N/mm2 çcèWexAøWfly0.8544190418681应力和稳定均满足要求 4 刚度验算（1） 迎风时：5qxl450.5´674500l=´=30 v= mm =50 mm 384EIx3842.06´105´3736400150（2） 背风时：5qxl450.6´274500l=´=33 v= mm =50 mm5384EIx3842.06´10´3736400150刚度满足要求7.4拉条计算跨中布置2根垂直拉条，其计算简图如下所示：30 图7-5 拉条内力计算简图当跨中拉条承担一根墙梁的竖向支撑作用时，拉条所受拉力：N=0.37qxl=0.37×0.09×7.5=0.25kN拉条所需截面面积：Nl0.25´103=1.22mm2 An=f0.95´215按构造选用18拉条，截面面积50.3mm2,它可以承担10根墙梁的竖向支撑作用。 11 节点设计11.1 柱脚设计柱脚采用埋入式，其示意图如图11-1所示 31 图11-1 柱脚示意图11.1.1 边柱柱脚设计ìM=-281.63KN×mï1 柱脚内力设计值 íN=-232.92KNïV=-80.16KNî 图11-2 边柱柱脚计算简图 柱脚采用埋入式柱脚，用C40细石混凝土二次浇灌。混凝土参数为：ftk=2.39N/mm2322fck=26.8N/mm2 ft=1.71N/mm2 fc=19.1 N/mm埋入深度为：H1=1.5HZ=1.5×500=750mm1M=M+VH1=251.85+0.5´37.54´0.75=265.93kN×m 2V37.54´103f=fc-=19.1-=18.89N/mm2 bfH1250´750cS=(250+500)´2+(250-12)´2=1976mmN=ftH1S=1.71´750´1976=2534kN>N=497.63 满足要求M=fcbfH126250´7502=18.89´=442.7kN×m>M=265.93kN×m 满足要求 611.1.2中柱柱脚设计ìM=-168.44KN×mï1 柱脚fc=19.1 N/mm33埋入深度为：H1=1.5HZ=1.5×500=750mm1M=M+VH1=168.44+0.5´36.27´0.75=182.3kN×m 2V36.27´103f=fc-=19.1-=18.89N/mm2 bfH1250´750cS=(400+500)´2+(400-12)´2=2576mmN=ftH1S=1.71´750´2576=3303kN>N=372.6 满足要求M=fcbfH126400´7502=18.89´=708.4kN×m>M=182.3kN×m 满足要求 6 11.2梁柱节点设计梁柱节点采用端板拼接，如图11-4 图11-4 梁柱拼接节点 11.2.1 梁与边柱连接计算结合A柱柱顶截面内力组合与左半跨截面内力组合知连接处内力组合为：34k3Nm.ìM=267.9ï íV=-64.4k5NïN=-167.5k4Nî采用10.9级M22高强螺栓连接，连接表面用钢丝刷除锈，mf=0.3，每个螺栓承b=0.9´0.3´190=51.3kN，抗剪需用螺栓数量n=载力为：NV64.45=1.26。初步选用51.320个M22高强螺栓。