门式刚架轻型钢结构工业厂房最优柱距研究计算书大学论文.doc

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1、装订线 毕业设计（论文）报告纸 目录引言1文献综述2第一部分 建筑方案设计81厂房的平面设计82 厂房的剖面设计103 厂房的立面设计114 厂房的构造设计115 总平面设计11第二部分 结构设计121 屋面檩条计算122 墙面(轴线414)檩条计算153 墙面(轴线AE)檩条计算184 抗风柱的计算215 （A 、C）柱间支撑236 柱（B）间支撑257 横向水平支撑268 吊车梁计算289 门式刚架计算349.1 荷载标准值349.2 初选截面359.3 截面特性359.4 刚架内力计算3610节点计算6810.1 柱脚计算6810.2 牛腿计算7310.3 梁柱连接设计计算7711 基础

2、梁及地基基础计算8411.1 基础梁计算8411.2 左柱基础计算8611.3 中柱基础计算92致谢97参 考 文 献98外文翻译99附录A毕业论文原始资料109附录B 刚架计算内力组合表. . 116附录C 英文翻译原文资料 . . 132装订线 毕业设计（论文）报告纸共 2 页 第 1 页安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸引言钢结构作为一种新兴的结构型式方兴未艾，由于其具有强度高、自重轻、安装方便、造型美观，施工周期短且不受季节变化影响，地基费用省等一系列优点，与混凝土材料相比，属环保型和可再次利用型材料，已被人们普遍接受。其中轻型钢结构以其经济、高效的优点在工业厂房、仓库、超市建筑中倍

3、受青睐。本设计即为单层双跨的轻钢结构工业厂房，采用了门式刚架结构。文献综述门式刚架轻型钢结构工业厂房最优柱距研究1.1简介 工业厂房设计中柱网布置往往采用模数化柱距，而对门式刚架轻型钢结构工业厂房来说，不合理的模数柱距会使用钢量指标过大。本文根据笔者从事的几个实际工程，对轻型钢结构工业厂房的最优柱距问题从设计用钢量的角度作了较详细的研究讨论。 关键字：轻型钢结构，门式刚架，柱距The Study on Optimumal Column Spacing of the Portal Frame Light Steel Sructure of Industrial Building.Wang Yua

4、ntsing Wang Chunguang(Department of Civil Engineering, Tsinghua University)Abstract: Spacing module is often used in the layout of column system of industrial building. But in the portal frame light steel structure industrial building, unsuitable module can cause too large design steel cost. This pa

5、per introduces some problem and cooresponding solutions in the several practical projects the author engaged. The optimumal column spacing in the light steel structure industrial building is discussedin detial from the point of design steel cost.KeyWords: light steel structure; portal frame; column

6、spacing1.2概述门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房中一种常见的结构形式。特别是近十多年来，随着我国经济建设的迅速发展，由于生产的需要，这类结构以其用钢量低，重量轻，造价低，适用范围广等优点而获得广泛的应用。不仅国外的轻钢生产厂家纷纷将整套的厂房结构体系推向国内市场，国内的轻钢生产厂家、设计单位也纷纷转向这类结构的生产和设计。但是，由于我国目前还没有相应的轻钢设计规范。大部分设计仍沿用现行的普通钢结构设计规范来进行门式刚架轻钢结构的设计和计算，使得设计用钢量指标高攀不下，或在没有充分理论依据的情况下，凭经验一味地追求低用钢量而造成事故。因此，对门式刚架轻型钢结构进行系统的研究，建立和完善专

7、门的设计规范势在必行。2.1设计方面2.1.1屋面活荷载取值框架荷载取0.3kN/m2已经沿用多年，但屋面结构，包括屋面板和檩条，其活荷载要提高到0.5kN/m2。钢结构设计规范规定不上人屋面的活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6。门式刚架一般符合此条件，所以可用0.3kN/m2，与钢结构设计规范保持一致。国外这类，要考虑0.15-0.5N/m2的附加荷载，而我们无此规定，遇到超载情况，就要出安全问题。设计时可适当提高至0.5kN/m2。现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有人为减少荷载情况，应特别注意，决不允许在有限的活荷载中“偷工减料”。2.2.2屋脊垂

8、度要控制框架斜梁的竖向挠度限值一般情况规定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度？过去不明确，可能不包括屋脊点垂度。现在应该是计算的。一般是将构件分段，用等截面程序计算，每段都要计算水平和竖向位移，不能大于允许值，等于要验算跨中垂度。跨中垂度反映屋面竖向刚度，刚度太小竖向变形就大。要的度本来就小，脊点下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面竖向刚度过小，第一榀刚架与山墙间的屋面出现斜坡，使屋面变形。本人有此想法，刚架侧移后，当山尖下垂对坡度影响较大时（例如使坡度小于1/20），要验算山尖垂度，以便对屋面刚度进行控制。2.2.3钢柱换砼柱少数设计的门式刚架，采用钢

9、筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与砼柱中的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用砼柱和钢桁架组成的框架，但此时梁柱只能铰接，不能刚接。多高层建筑中，钢梁与墙的连接也是如此。因为混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很并，在外力作用下很容易松动和破坏。有些设计，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变。应当指出，砼柱加钢梁作成排架是可以的，但将刚架的钢柱换成砼柱，而钢梁不变，是不行的。由于连接不同，构件内力也不同，要的工程斜梁很细，可能与此有关。2.3.4檩条计算不安全 檩

10、条计算问题较大。檩要是冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能象热轧型钢那样全截面有效。有效宽度理论是在冷弯薄壁型钢构件技术规范（GB500182002）中讲的，有的设计人员恐怕还不了解，甚至有些设计软件也未考虑。但是，设计光靠软件不行，还要能判断。软件未考虑的，自己要考虑。再有，设计人员往往忽略强度计算要用净断面，忽略钉孔减弱。这种减弱，一般达到6-15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。刚架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。规范4.1.8、9条规定：“结构构件的受拉强度应按净截面计算；受压强度

11、应按有效截面计算；稳定性应按有效截面计算。变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。有的单位看到国外资料中檩条很薄，也想用薄的。国外檩条普遍采用高强度低合金钢，但我国低合金钢Q345的冲压性能不行，只有用Q235的。国外是按有效截面计算承载力的。如果用Q235的，又想用得薄，计算时还不考虑有效截面，荷载稍大时檩条就要垮。3.1门式刚架轻型钢结构合理柱距的选择厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合工艺要求进行柱网的平面布置。过去我国和前苏联习惯上将柱距模数定为3m(常用3m，6m，9m，12m等)，这实际上是照搬了预制钢筋混凝土工业厂房的模数制。对门式刚架轻型钢结构是否适用，尚很少有人对此进行专门

12、的研究。然而，从综合经济分析的角度来看，合理的柱距(模数)对设计的好坏影响极大。这是因为：(1)对门式刚架轻型钢结构而言，任何一项设计，其设计用钢量的多少是评价设计优劣的一项重要指标。而设计用钢量和柱距的大小是密切相关的(详见以下工程实例) (2)用轻质屋面材料代替传统笨重的预制钢筋混凝土屋面板，并采用轻型墙体材料，改变了传统工业厂房”肥梁，胖柱，重盖，深基”的做法。设计中可采用由预制钢筋混凝土限制的传统柱距模数，或采用新的模数化柱距，以降低用钢量指标。(3)厂房的实际用钢量及费用还与钢材的供应情况(品种规格)、构件标准化程度等密切相关。有时因材料替代及非标准构件的采用而造成的额外耗钢还相当可

13、观。当然，离开了柱距模数，构件的标准化是无从谈起的。因此，只有从研究经济柱距入手，确定合理的柱距模数，才能使门式刚架轻型钢结构真正地实现设计标准化、定型化、专门化。从而推动门式刚架轻型钢结构体系在我国的发展。本毕业设计是一个米跨，带有吨吊车的厂房，万荣厂有两个车间，林德发的毕业设计是一个米跨，带有吨吊车,另一个是米跨，带有吨吊车的厂房。可以说，这三个厂房从跨度和吊车吨位而言是有很大差别的，都采用6米柱距是否合适？本人以刚架跨度和吊车吨位为主要变量，利用PKPM进行结构分析，对两厂所采用的实腹式门式刚架轻型钢结构体系在给定刚架跨度和吊车吨位的条件下，其设计用钢量随柱距的变化情况作了较系统的研究。

14、主要考虑跨度：12m、15m、18m、24m、30m、36m；吊车吨位：0t、2t、5t、10t、15t、20t；及柱距为3m、6m、9m、12m、15m、18m的情况。结构计算简图见图1。 图1门式刚架计算模型（双跨）为使研究更具有普遍意义和可比性，本文在设计计算时采用以下参数：钢材：Q235-B.F钢；风载：以0.35kN/m2为基本风压值，近似取高度变化系数为1.0; 雪荷载:0.30kN/m2,考虑屋面坡度1:15,15取屋面积雪分布系数为1.0。吊车荷载：吊车基本参数和尺寸依据550一般用途电动桥式起重机基本参数和尺寸系列(ZQ1-62)。需要说明的是：因本文考虑的是中级制工作厂房，

15、吊车的吨位不大。因此在设计分析时，当柱距较小(80mm，满足要求。由上可得如下数据：mmmm取 mm， mm1.2 柱网布置 根据毕业设计（论文）指导书的要求，厂房的跨度均为18m，柱距为6m。如图1.1所示。 图1.1 柱网布置 1.3 变形缝由于该厂房纵向长度为63m，所以不需设置伸缩缝；土壤地质条件较好，不需设置沉降缝；根据地震设防烈度为7度，也不需设置防震缝。1.4 屋面板及墙面板的选择由毕业设计（论文）指导书知，本厂房地处安徽六安市。该地区较为温暖，但是雨量较大，基本风压为0.35kN/m，基本雪压为0.55kN/m。根据以上的基本气象，荷载条件及屋面坡度为1/20，屋面坡度较小，屋

16、面板采用高波板利于屋面排水，墙面板采用底波板屋面板型为：W600型，其屋面水平檩距取2.0 m；墙面板型为：W600型，其墙梁间距取1.2m。2 厂房的剖面设计2.1 轨顶及牛腿标高的确定：柱顶标高（现定柱高为7.9 m）：轨顶标高； ：轨顶到柱顶的高度； 如图1.2所示。 图1.2 厂房的剖面 2.2 内外高差的确定厂房建筑室内外高差，考虑运输工具进出厂房的便利及防止雨水侵入室内，选取了150mm。2.3 采光及通风设计根据厂房生产状况，查表知厂房的采光等级为III级，且双跨厂房采用单侧采光，其窗地比取1/4。由于厂房中设有桥式吊车，光线受吊车梁的遮挡，不能有效地进入厂房。在吊车梁处将侧窗分

17、为上下两段布置，上段为高侧窗、下段为低侧窗，如图1.2所示。鉴于厂房为双跨跨度均为18m，故此其通风问题主要是合理的组合气流的路径，利用穿堂风即可有效的解决其通风问题，具体设计中是将两侧窗对齐，低侧窗下部为平开窗，方便开启和组织气流，形成穿堂风，上部可为固定窗，即高侧窗为固定窗。2.4 屋面排水设计：屋面排水方式采用有组织排水，屋面排水坡度1/20，内天沟纵向坡度1%，雨水管每侧5根，中间10根，用直径150的PVC雨水管。根据资料，按200m2的建筑面积汇水1m3的建筑排水计算天沟截面，故边柱位置内天沟截面尺寸取高度为200mm，宽度为500mm ；中柱位置内天沟截面尺寸取高度为200mm，

18、宽度为1000mm。均能满足排水要求。3 厂房的立面设计采用竖向波形压型钢板外墙及采板钢窗，形成竖向线条的立面效果改变厂房长度和高度尺高的扁平视觉效果，使厂房显得庄重、挺拔。4 厂房的构造设计(1) 外墙构造外墙底部窗台以下部分采用240厚的空心砖墙，高度为0.9米，墙下设基础梁支撑在柱基础上，窗台以上部分采用压型钢板外墙，墙板采用C型墙梁与刚架柱连接。(2) 屋面构造 屋顶彩色压型钢采用板，利用C型檩条与刚架梁连接。(3) 地面构造因厂房内生厂对地面没有特殊要求，故采用水泥砂浆地面，其构造厚度可查阅工业建筑地面设计规范附录（一）得以确定。5 总平面设计根据建筑场地示意图，综合考虑地形，建筑朝

19、向、主导风向、防火安全，厂区内的道路绿化因素，合理布置厂房位置，使其满足生产工艺要求，达到技术经济合理，利于生产发展，方便职工的工作和生活的目的，总平面图参见建筑设计说明图纸。第二部分 结构设计1 屋面檩条计算1.1设计资料檩条选用薄壁C型钢，屋面坡度为1/20 （ =2.86），屋面材料为压型钢板。檩条跨度6m，跨中在两分点处各设一道拉条。在屋脊处和屋檐处设置斜拉条，水平檩距2m，檐口距地面高度8m。檩条采用Q235-BF。1.2 荷载标准值（对水平投影面）(1) 永久荷载： 屋面压型钢板自重： 0.10檩条及支撑自重 ： 0.15合 计： 0.25 kN/m (2) 可变荷载：屋面均布活荷

20、载0.50kN/m，雪荷载0.55kN/m，计算时取两者的较大值0.55 kN/m。(3) 风荷载：基本风压：0=0.35 kN/m 按建筑结构荷载规范（GB50009-2001），房屋 高度小于10m，风荷载高度变化系数取10m高度处的数值 图2.1 檩条计算简图=1.0，风振系数。风荷载体型系数取边缘带=-1.4（吸力）。垂直屋面的风荷载标准值： kN/m2 1.3 内力计算：（如图2.1所示）(1) 永久荷载与屋面活荷载组合（1.2永久荷载+1.4可变荷载）檩条线荷载： kN/m kN/m（双跨是考虑积雪分布系数，） kN/m kN/m弯矩设计值： kNm kNm (2) 永久荷载与风吸

21、力组合（1.0永久荷载+1.4风吸力荷载）檩条线荷载： kN/m kN/m弯矩设计值： kNm kNm 1.4 截面选择及截面特性选用冷弯薄壁C型钢C20070203截面特性： cm cm cm cm cm cm cm cm cm cm cm cm檩条跨中有一根拉条穿过，距C型檩条上翼缘的距离为40mm,则C型檩条截面面积矩可近似为： cm cm cm1.5 强度验算假设屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转，则不考虑截面塑性发展， 根据公式，验算檩条在第一种荷载组合作用下的强度为： N/mm N/mm N/mm N/mm强度满足要求。1.6 稳定性验算（1）有效截面模量 永久荷载与风吸力组合下的弯矩较

22、永久荷载与屋面可变荷载组合下的弯矩小的很多，按上述方法计算的截面模量全部有效，同时不计孔洞削弱，则： cm cm屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转，在风吸力作用下，按公式验算在风荷载与屋面永久荷载组合作用下檩条（下翼缘）的稳定性。（2）受弯构件的整体稳定系数 跨中无侧向支撑，查表：， () (3) 风吸力作用使檩条下翼缘受压，根据公式，计算的稳定性为 N/mm N/mm N/mm 稳定性满足要求，计算表明由永久荷载与屋面活荷载组合控制。1.7 挠度计算按公式 验算其挠度 跨内最大挠度为1.8 构造要求 ，故此檩条在平面内、外均满足要求。2 墙面(轴线414)檩条计算2.1设计资料房屋围护结构采用压型

23、板W750(YX35-125-750)，墙梁跨度为6m，间距为1.2m。在墙梁两分点处设置一道拉条（12），在屋檐处设置斜拉条。2.2 荷载标准值(1) 永久荷载： 压型钢板自重： 0.10墙面檩条自重： 0.15 0.25 kN/m 作用于墙梁上的竖向荷载标准值： kN/m (2) 风荷载风荷载标准值 ： 风荷载体型系数： 由于，则垂直于房屋墙面的风荷载标准值：kN/m kN/m（吸力）作用于墙梁上的水平风荷载标准值： kN/m （吸力）2.3 荷载设计值恒荷载设计值： kN/m风荷载设计值： kN/m 2.3内力计算墙面压型钢板与檩条相连，且板与板有可靠连接，墙梁承受墙板与风荷载作用。竖向

24、荷载产生的最大弯矩： kNm水平风荷载产生的弯矩： kNm 由单侧压型钢板对墙梁由于偏心产生的弯矩对墙梁产生扭矩作用，但很小，由于压型钢板与墙梁连接很好，可认为压型钢板是墙梁的翼缘可阻止由于该弯矩产生的扭转，所以压型钢板由于偏心产生的弯矩可以不计入稳定计算。2.4 截面选择选用冷弯薄壁C型钢C18070202.5 截面特性： cm cm cm cm cm cm cm cm cm cm檩条跨中有一根拉条穿过，距C型檩条上翼缘的距离为40mm,则C型檩条截面面积矩可近似为： cm cm cm2.5 强度验算根据公式，验算墙梁在自重荷载与风荷载组合作用下的强度：=N/mm N/mm N/mm N/m

25、m强度满足要求。2.6整体稳定性验算 （1）有效截面模量 在永久荷载与风吸力组合下，按上述方法计算的截面模量全部有效，同时不计孔洞削弱，则： cm cm墙面能阻止檩条侧向失稳和扭转，在风吸力作用下，按公式验算在风荷载与墙面永久荷载组合作用下檩条的稳定性。（2）受弯构件的整体稳定系数 查表为(3) 在风吸力作用下，根据公式计算的稳定性为： N/mm N/mm 稳定性满足要求。 2.7 风荷载作用下的挠度计算风荷载标准值： kN/m，按公式 验算其挠度。跨内最大挠度为： mm mm3 墙面(轴线AE)檩条计算3.1设计资料房屋围护结构采用压型板W750(YX35-125-750)，墙梁跨度为4.5

26、m，间距为1.2m。在墙梁两分点处设置一道拉条（12），在屋檐处设置斜拉条。3.2 荷载标准值(1) 永久荷载： 压型钢板自重： 0.10墙面檩条自重： 0.15 0.25 kN/m 作用于墙梁上的竖向荷载标准值： kN/m (2) 风荷载风荷载标准值 ： 风荷载体型系数： 由于，则 垂直于房屋墙面的风荷载标准值：kN/m kN/m（吸力）作用于墙梁上的水平风荷载标准值： kN/m （吸力）3.3 荷载设计值恒荷载设计值： kN/m风荷载设计值： kN/m （吸力）3.4内力计算墙面压型钢板与檩条相连，且板与板有可靠连接，墙梁承受墙板与风荷载作用。竖向荷载产生的最大弯矩： kNm水平风荷载（吸

27、力）产生的弯矩： kNm 由单侧压型钢板对墙梁由于偏心产生的弯矩对墙梁产生扭矩作用，但很小，由于压型钢板与墙梁连接很好，可认为压型钢板是墙梁的翼缘可阻止由于该弯矩产生的扭转，所以由压型钢板自重产生偏心矩可以不计入稳定计算。3.5 截面选择选用冷弯薄壁C型钢16060202 截面特性： cm cm cm cm cm cm檩条跨中有一根拉条穿过，距C型檩条上翼缘的距离为40mm,则C型檩条截面面积矩可近似为： cm cm cm3.6 强度验算根据公式，验算墙梁在自重荷载与风荷载组合作用下的强度：=N/mm N/mm N/mm N/mm强度满足要求。3.7整体稳定性验算 （1）有效截面模量 在永久荷

28、载与风吸力组合下，按上述方法计算的截面模量全部有效，同时不计孔洞削弱，则： cm cm墙面能阻止檩条侧向失稳和扭转，在风吸力作用下，按公式验算在风荷载与墙面永久荷载组合作用下檩条的稳定性。（2）受弯构件的整体稳定系数 查表为(3) 在风吸力作用下，根据公式计算的稳定性为： N/mm N/mm 稳定性满足要求。 3.8 风荷载作用下的挠度计算风荷载标准值： kN/m，按公式 验算其挠度。跨内最大挠度为： mm mm挠度满足要求。4 抗风柱的计算4.1 设计资料抗风柱通过弹簧钢片与屋架铰接，底端与基础铰接，则柱的计算长度系数，檐口设计标高为7.800m(屋面坡度为1/20)，如图3.1所示，抗风柱

29、设置如图4.1，抗风柱顶标高7.700 m，地面以下-0.600m。4.2 荷载由上述计算可知:(1)墙梁支撑、墙面、压型钢板自重标准值： 0.25 kN/m墙梁、支撑、压型钢板自重设计值： kN/m作用于柱各檩托处的垂直力： kN(2)垂直于房屋墙面的风荷载标准值： kN/m作用于柱上的水平风荷载设计值为： kN/m 图4.1 抗风柱设置 4.2 截面选择及内力计算选用高频H型钢 2501504.56截面特性： cm cm cm cm 忽略墙架垂直荷载的偏心，设抗风柱自重为0.30 kN/m抗风柱计算长度： m抗风柱最大弯矩： kNm 抗风柱最大轴力： kN4.3 稳定性计算(1) 弯矩作用

30、平面内稳定性计算， kN 由于自由外伸宽度与其厚度只比，需要考虑塑性发展系数的影响，即，。由公式，验算压弯作用下，其平面内的稳定性。等效弯矩系数取1.0；按a类截面 ，由，查表得：。 N/mm N/mm平面内稳定满足要求。(2) 弯矩作用平面外的稳定性由于墙梁外侧和墙板的支撑作用，可不验算其稳定性。4.4挠度验算风荷载标准值： kN/m，按公式 验算其挠度。跨内最大挠度为： mm mm5 （A 、C）柱间支撑5.1设计资料双等跨门式刚架跨度为18m，柱间距为6.0m，钢材为Q235。在厂房的两端中和间各设置一道垂直支撑以抵抗风荷载及吊车的纵向水平荷载等作用。抗震设防烈度为7度，则十字交叉斜杆最

31、大长细比为：上斜杆为200，下斜杆为200。计算简图如图4.1所示： 图5.1 柱间支撑计算简图 图5.2 杆件内力5.2 荷载设计值和杆件内力由建筑结构和荷载规范查得：风荷载高度变化系数：=1.0，风载体型系数：迎风面=+0.8，背风面=-0.5 。由于厂房一面的风荷载由砖混结构的办公楼承担，所以只需要计算厂房山墙一面的风荷载，取两者中的较大值。则垂直于山墙的风荷载标准值：=0.28 kN/m风荷载设计值为： kN 吊车制动力设计值为: kN 杆件内力见右图4.2所示:kN ， kN kN 5.3 吊车梁以上的柱间支撑:（压杆） kN，cm，选用截面为圆钢管,其几何特性为：A6.31cm，i=2.37。则:,查表得：。由公式计算其稳定强度 : N/mm N/mm稳定性满足要求。5.4 吊车梁以下的柱间支撑:（压杆）kN，cm，选用截面为圆钢管,其几何特性为：cm，cm。则,查表得。按公式计算强度: N/mm N/mm稳定性满足要求。5.5 横杆：由于横杆是贯通整个厂房，起箍的作用，所以可取较大直径的圆。因为kNkN,可选用于相同的截面，选用截面为圆钢管。由于，且，所以截面稳定性可以满足。