重型钢结构厂房毕业设计计算书.doc

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1、 1 引言 为了能够更好地回顾所学的钢结构相关的知识，此次的设计选择了有吊车的重型钢结构厂房，并采用轻钢围护结构。文章从建筑、结构、施工图三个方面对厂房的设计过程作了说明，设计过程当中难免有遗漏或不妥的地方，希望老师再次指正。1.1 工程概况 这是一个新建的机械装配车间，坐落在武汉，厂房的长132m，宽36m，总建筑面积4752m2；内设一台160/50T桥式吊车；该厂房采用轻钢围护结构设计。1.2 地质水文及气象条件建筑等级I地下水性质无侵蚀性最冷月平均温度3.4地下水位标高最高-8M最热月平均温度28.8土壤情况及性质密实粘性土室外计算温度冬季-2夏季33许可耐压力砌置深度2米时30N/c

2、m2常年降雨量1043.3mm主导风向及风速东北 1.9M/s最大积雪厚度0地震设计烈度6度1.3 生产车间工艺、组成及要求 （1）装配车间设计主要承担设备的加工、装配任务，工艺流程为： 仓库 机械加工 热处理 中间仓库 部件装配 总装配 油漆 检验 （2）总装配跨：轨顶标高21米，内设160/50T桥式吊车一台。 （3）总装配车间是冷加工车间，由于加工零件及加工工序多，精度要求高，地面与上部运输频繁，机床设备及操作工人多，要求车间自然光线好，采光等级为三级，火灾危险性属戊类。2 建筑设计2.1 平面设计2.1.1 厂房平面的布置形式 由于厂房内设置一台160/50T桥式吊车，该吊车的跨度为3

3、4m，由此确定该厂房为单跨；根据生产工艺等要求，确定该厂房为单层。所以厂房平面形式为矩形。2.1.2 柱网的确定 根据厂房建筑模数协调标准（GBJ6-86）的要求：当跨度尺寸18m时，按60M模数递增，即合理跨度可取18m，24m，30m和36m；柱距采用60M数列，即6m，12m，18m等。由于厂房为36132m，综合规范要求等方面的影响因素，确定该厂房的跨度为36m，柱距为6m。柱网布置如下图所示：2.1.3 定位轴线的确定 （1） 横向定位轴线 通常以通常以等数字标识；除了边柱和变形缝处，其它都是从柱子的中心通过；墙的内缘与边柱的外缘相重合，定位轴线内缩750mm。 （2）纵向定位轴线

4、通常以等字母标识；标定了横向构件屋架， 也是大型屋面板 边缘的位置。 吊车规格与工业建筑跨度的关系为： L - LK = 2e 式中 LK吊车的跨度，取34m； L厂房的跨度，该厂房为36m； e吊车轨道中心至纵向定位轴线的距离，由于该吊车为160/50T， 所以 e取1m。 2.1.4 变形缝的设置 普通钢结构厂房的温度区段的最大长度：结构情况温度区段长度/m纵向温度区段（垂直屋架跨度方向）横向温度区段（沿屋架跨度方向）柱顶刚接柱顶铰接采暖房屋和非采暖地区的房屋220120150热车间和采暖地区的飞非采暖房屋180100125露天结构120 由于该厂房长132m，宽36m，按照上表的要求，可

5、以不设温度缝。且厂房为规整的长方形结构，可以不设抗震缝和沉降缝。2.2 剖面设计2.2.1 单层工业厂房相关高度的确定 （1）厂房柱顶标高的确定 H=H1+h6+h7 式中：H柱顶标高，应符合3M模数； H1吊车轨道顶面标高（m），本设计为21m； h6吊车轨顶至小车顶面的高度（mm），本设计为5290mm； h7小车顶面至屋架下弦底面之间的安全净空尺寸（mm），取值为500mm。则H=21000+5290+500=26790mm，取3M的模数H=27000mm。 （2）室内地坪标高的确定 为了防止雨水浸入室内，同时考虑到单层工业建筑运输工具进出频繁，若室内外高差过大则出入不便，所以取150m

6、m。2.2.2采光设计 设计要求该厂房的采光等级为三级，查采光标准可知，该厂房采光要求的窗地面积比为1:3.5。 由于厂房跨度为36m，超越单侧采光所能解决的范围，所以该厂房将在侧墙采用双侧开窗采光。并将侧窗分为上下两段布置，即高侧窗和低侧窗。高侧窗有两排，分别为31.5m和31m，低侧窗为3.95.1m，经计算满足窗地比的要求。为方便工作和不使吊车梁遮挡光线，一般高侧窗的下沿比吊车梁顶面高出600mm；低侧窗下沿一般应略高于工作面的高度，工作面高度取900mm。2.2.3 通风设计 为了节约环保，本厂房采用自然通风，除了高低侧窗户的布置外，在正立面各设两道3.63.6的汽车门，在厂房的两侧立

7、面各设两道4.55.4的火车门。2.3 立面设计 为了使立面简洁大方，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。在山墙设有36003600的汽车门，在侧立面45005400的火车门；门上设有外挑的900mm的雨棚。 2.4 其它节点设计2.4.1 墙面、屋面和地面的设计 （1）根据当地的水文气象条件，武汉属于夏热冬冷地区，“防热为主，兼顾保温”，均采用轻质高强度的压型钢板，内夹发泡型保温材料用来保温隔热。墙厚240mm，墙板通过墙梁与钢架柱相连。 （2）屋面采用两层压型钢板，内填发泡型保温材料，

8、自身就具有良好的防水作用，无需额外做防水层。屋面檐口部分采用有组织排水方式。 （3） 室内地面构造 2.4.2 排水、散水与坡道设计由于该厂房较高，武汉的年降雨量较大，故采用有组织排水的方式。落水管间距为12m。外围散水坡度i=5%，宽600；为了方便车辆进出，大门入口的坡道坡度i=7.5%，且设有防滑条。 坡道地面构造2.4.3 防火设计 钢结构厂房具有耐火性能低的弱点，在未进行防火处理的情况下，其本身虽然不会起火燃烧，但火灾时，强度会迅速下降。易出现塑性变形，产生局部损坏，造成钢结构整体倒塌失效。 由于该厂房的防火等级为戊类，根据生产工艺和安全防火要求，在厂房的两个山墙立面各设置两个360

9、03600的汽车门，在侧立面各设置两个45005400的火车门。各个钢构件涂防火材料。2.4.4 楼梯 在厂房两头各设置一个吊车梯，在外墙设置一个消防检修梯，由于高度为30.8m，所以楼梯的设置中，有梯间休息平台。3 结构选型及整体布置3.1 选择钢材的必要性 与其他材料的结构相比，钢结构具有如下优点：钢材强度高，结构重量轻；材质均匀，且塑性韧性好；加工和焊接性能好；密封性好；钢材可重复利用。由于该厂房跨度为36m，高度为30.8m，混凝土结构对这样的厂房无法胜任，钢材强度高、自重轻的优势尤为合适。3.2 柱网布置 厂房的长为132m，跨度为36m，根据要求取柱距为6m，故采用636m的柱网。

10、 3.3 屋架、框架的形式和相关尺寸框架柱与屋架刚接。使其内力分布较均匀。框架跨度36m，端部高度2m。 屋架布置 由于该厂房为重型钢结构厂房，所以将柱脚做成刚接来增加横向框架的刚度，承重柱采用阶形柱。上柱为工字型钢柱，下柱为格构式钢柱。上柱截面尺寸下柱截面尺寸3.4 屋盖支撑的布置 屋盖支撑包括横向支撑、纵向支撑、垂直支撑和系杆(檁条)。3.4.1上弦横向水平支撑布置 上弦横向水平支撑设在横向温度区段的两端，横向水平支撑的间距L0不宜超过60m，由于厂房的长132m60m，所以在温度区段中部也设置一道横向水平支撑。3.4.2 下弦横向水平支撑布置与上弦支撑布置在同一柱间，它也形成一个平行弦桁

11、架，位于屋架下弦平面。3.4.3 下弦纵向水平支撑在屋架下弦端节点间设置纵向支撑。纵向水平支撑和横向水平支撑形成封闭合框，加强了屋架的整体稳定性，并提高了厂房的纵向刚度。 3.4.4 垂直支撑3.4.5系杆（檩条） 上弦平面内，系杆由檩条代替，系杆只在屋脊及屋脊两边设置。下弦平面内，在跨中设置一道系杆，在屋架两端设置系杆。3.5 柱间支撑布置 上层柱间支撑要在下层柱间支撑布置柱间设置外，还在每个温度区段的端布设置。3.6 抗风柱的布置 采用整体式体系，山墙柱上搭墙梁，墙梁跨度为6m；在山墙处设置抗风柱，柱距为6m。4 荷载计算4.1计算单元的划分以及计算简图的确定4.1.1 计算单元的划分 为

12、了计算方便，将厂房的空间结构简化为平面结构进行计算。并近似地认为各个横向平面框架之间以及各个纵向平面框架之间是互不影响的，各自独立工作。横向框架的间距、荷载相同，因此取出有代表性的一榀中间横向框架作为计算单元，如图阴影部分所示。4.1.2 计算简图的确定 计算简图中，H为柱脚低至屋架下弦重心线与柱顶交点间的距离,即柱高，H1为上柱高度，为7.6m；H2为下柱高度，为19.4m，总高度为27m。上柱与下柱偏心距e1为500mm。4.2 永久荷载4.2.1屋盖自重两层压型钢板 （含保温） 0.30 KN/檀条及支撑 0.10 KN/ 钢架倾斜自重 0.15 KN/ 荷载总和 0.55 KN/ 屋架

13、作用于框架柱的计算简图为下图所示，屋架间距6m。Q为屋盖线荷载.Q=60.55=3.30KN/m 4.2.2 集中荷载 屋架反力 3.336/2=59.4KN 偏心距e 0.5m 集中荷载产生的弯矩 M1=59.40.5=29.7KNM4.2.3 柱及吊车梁的自重 （1）上柱自重（上柱自重标准值=上柱体积7850Kg/m31.1）A上=18940+230500=46920mmP上=1.2 A上H17850Kg/m31.1=36.95KN （2）下柱自重（下柱自重标准值=下柱体积7850Kg/m31.3）A下=30530+（200-16）162+161672+230500+16540=66828

14、mm2P下= 1.2A下H27850Kg/m31.3=174.63KN （3）吊车梁自重A吊=225500+181300=48400mm2P吊=1.2A吊H7850Kg/m31.4=38.30KNM1= P吊ac-P上e1=38.300.7-35.010.5=9.31KNm4.2.4 外墙自重 压型钢板（包含填充物） 0.25 KN/墙梁自重 0.10 KN/支撑自重 0.10 KN/ (+ 合计 0.45 KN/ 开窗处荷载自重 钢窗自重 0.4 KN/墙梁自重 0.10 KN/支撑自重 0.10 KN/ (+ 合计 0.6 KN/ 图4-5P1= ( 2.9 + 0.70 ) 0.45 +

15、 4 0.6 61.2 =27.648KNP2= (3.7 + 4.5 ) 0.45 + 4 0. 6 61.2 = 40.89KN4.3 可变荷载4.3.1 屋面活荷载 本厂房屋面为不上人屋面，均布活荷载标准值取0.3KN/，武汉屋面雪荷载值为0.4KN/，在可变荷载计算时，只取均布活荷载与雪荷载两者中的较大值，本厂房不考虑积灰荷载。屋面线荷载 q=q06=1.40.46=3.36KN/m屋架反力 上下柱的偏心距 e=0.5m集中荷载所产生的弯矩 M1=60.480.5=30.24KNm 4.3.2 吊车荷载 （1）竖向荷载本厂房采用160/50T桥式吊车，查表得最大轮压Pmax=335KN

16、，最小轮压Pmin=103KN。吊车梁支座反力影响线如图所示： Dmax = Pmaxyi=1.4335（1+0.86+0.63+0.49+0.59+0.45+0.22+0.08）=2026.08KN Dmin=（Pmin/Pmax）Dmax=（103/335）2026.08=1622.49KN （2）横向荷载 HK=K(g+Q)/n g=小车自重标准值=63.3tQ=最大起重量=160tK=0.08因此HK=0.08（6301600)/8=22.33KNT=.HK.y1=1.422.33（0.34+0.49+0.63+0.86+1+0.59+0.45+0.22+0.08）=135.05KN4

17、.4 风荷载 风荷载的标准值，式中，zz高度处的风振系数； s风荷载体型系数，根据表1.1得s=-0.6； zz风压高度变化系数，离地面20m时，z=1.25；离地面30m时，z=1.42。风压高度变化系数按柱顶离室外天然地坪的高度27.15m取值，得z=1.37。 当厂房高宽比小于1.5时，z=1，本厂房高宽比为0.751.5，所以z=1；查建筑荷载规范可知，武汉的基本风压W0= 0.35 KN/ ； 计算简图如图所示， s1503060-0.60+0.8 风载体型系数 （1）Wk1为屋架端部传给框架柱的集中荷载 （2）W2为屋面传给框架柱的集中荷载 （3）q为墙面传给框架柱的线风荷载 集中

18、力的合力 W= （Wk1 + Wk2 ）1.4=2.42KN Wk=（Wk1+ Wk2）1.4 = -6.07 KN4.5 地震作用 该厂房为6级抗震，根据抗震设防烈度的要求，该厂房不考虑地震作用的计算。5 内力分析与组合5.1框架内力计算的准备5.1.1 横梁及上下柱惯性矩的选取 （1）屋架折算惯性矩的近似计算 I0=(A1y12A2y22)k 式中A1，A2屋架在跨中处的上弦杆和下弦杆的截面面积； y1, y2 屋架在跨中的上弦杆重心线和下弦杆重心线至中和轴的距离； k为折减系数，屋架坡度为1/10,查表得k为0.7。坡度1/81/101/12k0.650.70.8A1 = 43.9 2

19、= 87.8cm2A2 = 37.6 2 = 75.2cm2I0= ( A1y12+A2y22 )k=0.787.8(350/22.91)2+75.2(350/2-3.98)2I0= 3.37106cm4 (2)上柱惯性截面（实腹式）： Is=1.8943/12+2(5033/12 + 50348.52)=830487.6cm4 (3)下柱（格构柱）折算惯性矩： I下=( A1x12+A2x22 ) 0.9 A1=223cm2， A2=386.4cm2 A=A1+ A2=609.4cm2X2=(523(200-1.5)+276.519200-5.69-3.0)/609.4=98.8 cmX2=

20、200-98.8=101.2cmIx=(223101.2+386.498.8) 0.9=5450095cm45.1.2 杆端有单位变形时的支座反力（1）柱 （2） 梁 横梁的轴向变形很小，在计算中忽略框架横向侧移变形。 5.2 框架内力分析计算5.2.1 内力分析的几点说明 （1）横梁和柱子的轴向变形很小，所以计算中不考虑。 （2） 荷载符号规定，水平向右为正，竖直向下为正，弯矩顺时针方向为正。 （3） M在受拉一侧。 （4） 手算吊车刹车力作用下的内力 5.2.2 电算其它荷载内力（荷载，弯矩，剪力，轴力图） （1）屋盖自重内力图 (2)外墙自重（3）吊车竖向荷载 （4） 屋面活荷载 （5）

21、 风荷载（6）柱及吊车自重内力图（7）永久荷载作用及内力图 5.3 框架内力组合5.3.1 内力组合表 内力图荷载类型MNV1.屋面活荷载 2.竖向吊车荷载Dmax 3.竖向吊车荷载Dmin 4.吊车水平荷载（左刹） 5.吊车水平荷载（右刹） 6.风荷载（左风） 7.永久荷载5.3.2 1-1截面 柱简图：永久荷载屋面活荷吊车荷载风荷载竖向荷载水平荷载DmaxDmin左刹右刹左吹 截面1-1设计值M268.5135.3-6.756.75192.5-192.578.19N178.143.40010.54-10.544.53V-15.6-8.660000-6.69组合I（+Mmax）选项M1.22

22、68.5+1.40.9(135.3+6.76+192.5+78.19)=842.6N1.2178.1+1.40.9(43.4+10.54+4.53)=283.4V-1.215.6+1.40.9(-8.66-6.69)=-38.08组合II（-Mmax）选项M1.2268.5+1.40.9(-6.67-192.5-89.3)=-30.36N1.2178.1+1.40.9(-10.54-4.53)=194.8V-1.215.6+1.46.69=-9.4组合III（+Nmax）选项M1.2268.5+1.40.9(135.3+6.76+191.5+78.19)=838.5N1.2179.1+1.40

23、.9(44.4+10.64+4.53)=290V-1.215.6+1.40.9(-8.66-6.69)=-38.06组合IV（-Nmax）选项M1.2268.5+1.40.9(-6.67-192.5-89.3)=-30.41N1.2179.1+1.40.9(-10.64-4.53)=195.8V-1.215.6+1.46.69=-9.4组合V（Vmax）选项M1.2268.5+1.40.9(134.3+78.19)=588.6N1.2179.1+1.40.9(44.4+4.53)=276.6V-1.215.6+1.40.9(-8.66-6.69)=-38.065.3.2 2-2截面柱简图：永久

24、荷载屋面活荷吊车荷载风荷载竖向荷载水平荷载DmaxDmin左刹右刹左吹右吹 截面1-1设计值M190.785.83-6.766.76191.5-191.530.13-30.13N179.144.40010.64-10.644.53-4.53V-15.6-8.660000-6.696.69组合I（+Mmax）选项M1.2190.7+1.40.9(85.83+6.76+191.5+30.13)=624.8N1.2179.1+1.40.9(44.4+10.64+4.53)=290V-1.215.6+1.40.9(-8.66-6.69)=-38.06组合II（-Mmax）选项M1.2190.7+1.4

25、0.9(-6.67-191.5-30.13)=-58.8N1.2179.1+1.40.9(-10.64-4.53)=195.8V-1.215.6+1.46.69=-9.4组合III（+Nmax）选项M1.2190.7+1.40.9(85.83+6.76+191.5+30.13)=624.8N1.2179.1+1.40.9(44.4+10.64+4.53)=290V-1.215.6+1.40.9(-8.66-6.69)=-38.06组合IV（-Nmax）选项M1.2190.7+1.40.9(-6.67-191.5-30.13)=-58.8N1.2179.1+1.40.9(-10.64-4.53)

26、=195.8V-1.215.6+1.46.69=-9.4组合V（Vmax）选项M1.2190.7+1.40.9(85.83+30.13)=374.95N1.2179.1+1.40.9(44.4+4.53)=276.6V-1.215.6+1.40.9(-8.66-6.69)=-38.065.3.3 3-3截面柱简图：永久荷载屋面活荷吊车荷载风荷载竖向荷载水平荷载DmaxDmin左刹右刹左吹右吹 截面1-1设计值M190.785.83-6.586.58191.5-191.548.35-48.35N179.144.4-137940410.64-10.644.53-4.53V-15.6-8.6600-

27、47.347.3-10.313.36组合I（+Mmax）选项M1.2190.7+1.40.9(85.83+6.58+191.5+48.35)=646.5N1.2179.1+1.40.9(44.4+404+10.64+4.53)=798.04V-1.215.6+1.40.9(-8.66-47.3-10.3)=-102.3组合II（-Mmax）选项M1.2190.7+1.40.9(-6.58-191.5-48.35)=-81.6N1.2179.1+1.40.9(-1379-10.64-4.53)=-1564.4V-1.215.6+1.4(47.39+13.36)=57.82组合III（+Nmax）

28、选项M1.2190.7+1.40.9(85.83+6.58+191.5+48.35)=647.5N1.2179.1+1.40.9(44.4+10.64+404+4.53)=799.04V-1.215.6+1.40.9(-8.66-47.3-10.3)=-102.2组合IV（-Nmax）选项M1.2190.7+1.40.9(-6.58-191.5-48.35)=-81.7N1.2179.1+1.40.9(-1379-10.64-4.53)=-1564.4V-1.215.6+1.4(47.39+13.36)=57.82组合V（Vmax）选项M1.2190.7+1.40.9(85.83+48.35-

29、47.3)=338.31N1.2179.1+1.40.9(44.4+10.64+4.53)=290V-1.215.6+1.40.9(-8.66-47.3-10.3)=-102.25.3.4 4-4截面柱简图：永久荷载屋面活荷吊车荷载风荷载竖向荷载水平荷载DmaxDmin左刹右刹左吹右吹 截面1-1设计值M218104.4-6.586.58803.7-803.7527.3-467.7N300.544.4-137940410.64-10.644.53-4.53V-15.6-8.6600-47.347.3-48.9 37.7组合I（+Mmax）选项M1.2218+1.40.9(104.4+6.58+

30、803.7+527.3)=2077.8N1.2300.5+1.40.9(44.4+404+10.64+4.53)=944.7V-1.215.6+1.40.9(-8.66-47.3-48.9)=-319.3组合II（-Mmax）选项M1.2218+1.40.9(-6.58-803.7-467.7)=-1348.7N1.2300.5+1.40.9(-1379-10.64-4.53)=-1418.7V-1.215.6+1.4(47.39+37.7)=88.5组合III（+Nmax）选项M1.2218+1.40.9(104.4+6.58+803.7+527.3)=2078.6N1.2300.5+1.4

31、0.9(44.4+404+10.64+4.53)=944.6V-1.215.6+1.40.9(-8.66-47.3-48.9)=-319.1组合IV（-Nmax）选项M1.2218+1.40.9(-6.58-803.7-467.7)=-1348.6N1.2300.5+1.40.9(-1379-10.64-4.53)=-1417.7V-1.215.6+1.4(47.39+37.7)=89.3组合V（Vmax）选项M1.2218+1.40.9(104.4+803.7+527.3)=2070.1N1.2300.5+1.40.9(44.4+10.64+4.53)=435.65V-1.215.6+1.4

32、0.9(-8.66-47.3-48.9)=-319.46 柱的计算6.1 柱的计算长度和容许长细比6.1.1 各段柱在平面内的高度、最大轴向力和相对惯性矩： 上段柱 H1=760cm；N1=-290KN；I1=1下段柱 H2=1940cm；N2=-242.6KN；I2=6.566.1.2 柱段的线刚度比和计算参数： 由钢结构手册查得值为：=2.07,系数还要乘以折减系数0.8即，。6.1.3 各段柱在平面内的计算长度为： 上柱: 下柱:6.1.4 各段柱在平面外的计算长度为： 上段柱： 下段柱：6.2 柱截面的计算 下柱的截面尺寸 上柱的截面尺寸6.2.1 上柱（实腹式柱） A1=469.2c

33、m2 I1x=830487.6cm4 W1x=I1x / 50=830487.6/50=16610cm3 回转半径： i1x= I1y=230502+941.82/12=69078cm4 W1y=I1y / 25=2763cm3 i1y=第一组合 ： N=290 Mmax=838.5第二组合：Nmax=290 M=838.5（1）强度计算 假设扣除翼缘上2-21.5螺栓孔的面积，即：An=469.2-2(21.5 3)=340.2cm2 Wnx=W1xAn/A1=12043cm3 r=1.05 （满足要求） （2）稳定性验算 H01=1148cm 焊接工字钢对x轴为b累截面，查表的 （满足要求

34、） （3）平面外稳定性的验算 焊接工字钢对Y轴为b类截面，查表的查表的 （满足要求） （4）腹板局部稳定性计算 计算腹板与上，下翼缘交界处的应力 由于 （满足要求） （5）翼缘局部稳定计算 b=(500-18)/2=241mm b/t=241/30=8.0 （满足规范要求）6.2.2 下段柱（格构式柱） （1）屋盖肢AR=223cm2 重心轴 y0=4.6cm IRx=5332/12+533(4.6-1.5)2+22867+261.44(5.69+3-4.6)2=9437cm4 i1x= IRy=5333/12+22867+261.44(30-5.69)2=115513cm4 i1y= （2）

35、吊车肢 Ad=386.4cm2 Idx=23503/12+541.62/12=62518cm4 idx= 12.7cm （3）整体柱的截面特性 A2=223+386.4=609.4cm2重心轴 y0=386.4 （200-4.6）/609.4=101.2cmI2x=(223101.2+386.498.8)0.9=5450095cm4i2x= 在计算柱长度系数时，格构式柱的截面惯性矩乘以0.9即：I2x=0.9I2x=5450095cm4 （3）格构式柱斜缀条采用L140 换算长细比 =1.0 下柱截面属于b类截面 查表得 稳定性计算 （4）屋盖肢稳定性验算 格构式缀条之间的距离是200cm， 故,平面外计算长度 。 屋盖肢属于b