汉中板材制造厂轻钢厂房设计计算书.doc

本科毕业设计(论文)

题目：汉中板材制造厂轻钢厂房设计

院 （系）： 建筑工程系
专 业： 土木工程
班 级： 050707
学 生： 张 兵
学 号： 050707121
指导教师： 李养成

2009 年 6 月

西安工业大学毕业设计（论文）任务书

院（系） 建筑工程系 专业 土木工程 班 050707 姓名 张兵 学号 050707121
1.毕业设计（论文）题目： 汉中板材制造厂轻钢厂房设计
2.题目背景和意义：该工程位于汉中市，汉中板材制造厂拟兴建一生产车间，总建筑面积约为2000-3000m2，单层轻钢结构。
课题来源于工程实际，对土木工程专业学生具有现实意义。通过工程设计，1、使学生进一步熟悉和掌握结构力学、钢结构、钢结构设计等专业核心课程知识，将四年来所学到的主干专业课程串起来，同时提高对各门专业课知识综合应用的能力； 2、通过设计使学生基本掌握一个建筑项目结构设计的全过程；3、通过本设计各个环节的全面训练，使学生进一步了解和熟悉各种结构规范的内容、结构设计中方方面面的有关构造规定及熟悉结构设计手册的使用；4、通过毕业设计提高学生的综合素质，提高学生独立运用力学、结构知识判断、处理和解决工程问题的能力。
3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：本次毕业设计由建筑设计和结构设计两部分组成，结构设计为重点。
1）建筑设计部分：
完成建筑平面、剖面及立面设计。
1．平面设计：合理确定平面柱网尺寸；满足室内采光、通风要求。
2．剖面设计：根据给定设计资料，确定合理建筑层高。
3．立面设计：建筑风格、造型应富有创意，有时代感。
4．绘制建筑设计施工图：平面图、正立面、侧立面各一个、剖面图、节点详图。
5．建筑设计说明书。
2）结构设计部分：
根据建筑设计方案及设计原始资料，选择结构体系，布置结构构件，进行结构内力分析，确定构件截面，设计连接节点，绘制结构施工图。
1. 结构选型：根据建筑设计方案及设计原始资料，选择适当的结构体系。
2. 结构布置：合理布置结构构件，初步确定材料强度等级及构件截面尺寸。
3. 结构内力分析及构件设计：根据现行国家设计规范，计算结构荷载及地震作用；手算完成结构的内力分析，进行刚架梁、柱的内力组合，完成构件截面及连接节点设计。
4．绘制结构设计施工图：屋盖结构布置图、墙面结构布置图、刚架结构施工图、节点详图、吊车梁施工图。

5. 结构计算说明书。内容包括结构设计方案论证（包括柱网布置，支撑设置，刚架主尺度以及材料选择等）；主要承重结构的内力计算及设计。吊车梁设计。墙梁、檩条、压型钢板、抗风柱、牛腿设计。
气象条件：
1. 年最低温度2.1°C。
2. 主导风向：东北。基本风压0.30kN/m2。
3. 基本雪压：0.20kN/m2。
4. 年降雨量：871mm；日最大降雨量：110mm；时最大降雨量：82mm；雨季集中在9、10月份。
5. 土壤最大冻结深度：无冻土。
工程地质条件：
1. 建筑场地土属粉质粘土，地基承载力160 kN/m2。
2. 稳定地下水埋深约5.5m，属潜水类型。该场地地下水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性，场地水位以上土质对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性。
3. 抗震设防烈度为6度（0.05g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类。
4. 地基处理及基础方案：根据场地岩土工程条件和建筑物荷载特点，建议本工程采用天然地基，基础形式采用柱下独立基础。
4. 设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：
1）设计说明书：应完整地说明设计方案、设计依据、设计步骤及过程；论述充分，条理清晰，叙述准确，简明扼要；书写整齐；计算过程尽可能表格化。
设计说明书应包括下列内容：封页，扉页，毕业设计任务书，中英文摘要和关键词，目录，正文，参考文献，附录，致谢。设计说明书的字数应在10000字以上， 建筑设计、结构设计的说明书应合在一起装订成册。
2）图纸：设计图纸应符合国家有关制图标准，正确体现设计意图；图面整洁，布置匀称，尺寸标注齐全，字体端正，线型规范。
进度安排：
实习及熟悉任务 第1-2周
确定建筑房案 第3周
结构方案设计及结构布置 第4周
结构计算 第5-11周

绘制施工图 第12-14周
整理建筑说明书、结构计算书 第15-16周
收尾及答辩 第17-18周
5.毕业设计（论文）的工作量要求
① 实验（时数）*或实习（天数）： 14天
② 图纸（幅面和张数）*： A1或A2图纸约12张
③ 其他要求： 设计过程应按相关规范、图集执行。

指导教师签名： 年 月 日
学生签名： 年 月 日
系（教研室）主任审批： 年 月 日
说明：1本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。
毕I-2

2 带*项可根据学科特点选

汉中板材制造厂轻钢厂房设计
摘 要
本设计工程为汉中板材制造厂一单跨钢结构厂房，主要依据《钢结构设计规范》GB50017－2003 和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102:2002 等国家规范，综合考虑设计工程的规模、跨度、高度及用途，依据“适用、经济、在可能条件下注意美观”的原则，对各组成部分的选型、选材、连接和经济性作了比较，最终选用单层门式刚架的结构形式。梁、柱节点为刚性连接的门式刚架具有结构简洁、刚度良好、受力合理、使用空间大及施工方便等特点，便于工业化，商品化的制品生产，与轻型维护材料相配套的轻型钢结构框架体系已广泛应用于建筑结构中，本设计就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Q235 钢，10.9 级摩擦型高强螺栓连接，局部焊接采用E43 型焊条，柱脚刚性连接，屋面和墙面维护采用压型钢板；另外特别注重了支撑设置、拉条设置，避免了一些常见的拉条设计错误。

关键词：轻型钢结构；门式刚架；内力分析；节点

Design of the light-duty steel structure in Hanzhong

Abstract

The project situated in the suburbs of hanzhong. It is a single-span plate steel manufacturing plant.The project designed strictly comply with the relavant stipulations of the “CODE FOR DESIGN OF STEEL STRUCTURES(GB50017-2003)” and “TECHNICAL SPECIFICATION FOR STEEL STRUCTURE OF LIGHT-WEIGHT BUILDINGS WITH GABLED FRAMES (CECS 102:2002)”, and some others. Synthesize the scale of the consideration design engineering and across a principle for span and use, according as" applying, economy,under the possible term attention beautifully", Connecting method,structure type and material of each part which consist of a light-weight steel villa are analysed, then choose the construction form that use single layer a type steel. The beam, pillar node is a light steel construction frame system that rigid and copular a type steel a ware for having construction Simple, just degree goodly,suffering dint reasonablely, using space bigly and starting construction convenience etc. characteristics, and easy to industrialization, commercializing produce, thinking with light maintenance material the kit the already extensive applying in the building construction inside, 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 Q235 carbon structural steel. Connection bolts are high strenth bolt of friction type with behavoure grade 10.9. Common bolts are rough type made by Q235-B.F steel. Rod for mannual welding usually adopts E43. rigid connection apply to the column leg and the connection of column and beam adopts hinged connection. The metope and roofage adopts profiled steel sheet. Otherwise,it is analyzed that the forced state of the bracing system for a steel factor building under wind load,and the design of a bracing truss for a building with larger width. Avoid some errors in the design of brace,tention rod,tention rod joints.

Keywords: light-duty steel structure; gabled frame; the internal force analysis; joint

主要符号表

fy ………… 钢材的屈服强度
f ………… 钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值
fv ………… 钢材的抗剪强度设计值
Mf ………… 两翼缘所承担的弯矩设计值
Af ………… 一个翼缘的截面面积
hw ………… 腹板高度
MfN ………… 兼受压力N时两翼缘所能承受的弯矩设计值
Vd ………… 腹板屈曲后的抗剪承载力设计值
Me ………… 腹板屈曲后按构件有效截面计算的抗弯承载力
设计值
Ae ………… 构件有效截面面积
β ………… 腹板两边缘正应力比值
………… 通用高厚比
We ………… 有效截面最大受压纤维的截面模量
………… 等效弯矩系数
………… 弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数

目 录
中文摘要………………………………………………………………………… Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………………… Ⅱ
主要符号表……………………………………………………………………… Ⅲ
1 建筑设计 …………………………………………………………………… 1
1.1 平面设计………………………………………………………………… 1
1.2 剖面设计………………………………………………………………… 1
1.3 采光通风设计…………………………………………………………… 1
1.4 屋面排水设计…………………………………………………………… 1
1.5 立面设计………………………………………………………………… 1
1.6 构造设计………………………………………………………………… 2
1.6.1 外墙构造………………………………………………………… 2
1.6.2 屋顶构造………………………………………………………… 2
1.6.3 地面构造………………………………………………………… 2
2 主刚架设计 ………………………………………………………………… 3
2.1 结构选型与布置………………………………………………………… 3
2.2 荷载计算 ………………………………………………………………… 3
2.3 刚架计算 ………………………………………………………………… 4
2.3.1 内力分析 ………………………………………………………… 4
2.3.2 内力组合 ………………………………………………………… 12
2.4 刚架柱和刚架梁设计与验算 …………………………………………… 12
2.4.1 刚架横梁设计 …………………………………………………… 12
2.4.2 刚架柱设计 ……………………………………………………… 17
2.4.3 刚架柱顶位移计算 ……………………………………………… 19
2.5 梁柱节点设计与验算 …………………………………………………… 19
2.5.1 梁与柱连接节点 ………………………………………………… 19
2.5.2 屋脊处梁拼接点 ………………………………………………… 21

3 次结构及辅助设计………………………………………………………… 23
3.1 吊车梁设计 …………………………………………………………… 23
3.2 牛腿设计 ……………………………………………………………… 26
3.3 檩条设计与验算 ………………………………………………………… 27
3.4 墙梁构件设计与验算 ………………………………………………… 31
3.5 支撑构件设计与验算 ………………………………………………… 37
3.5.1 屋面横向水平支撑……………………………………………… 37
3.5.2 柱间支撑………………………………………………………… 38
3.6 压型钢板设计与计算 ………………………………………………… 40
3.6.1 屋面压型钢板设计与计算……………………………………… 40
3.6.2 墙面压型钢板设计与计算……………………………………… 42
3.7 柱脚与基础设计验算 ………………………………………………… 44
3.7.1 柱脚节点设计…………………………………………………… 44
3.7.2 柱下独立基础设计……………………………………………… 45
参考文献………………………………………………………………………… 48
致谢 ……………………………………………………………………………… 49
毕业设计（论文）知识产权声明………………………………………… 50
毕业设计（论文）独创性声明 ………………………………………… 51
附录1 外文翻译 ……………………………………………………………… 52
附录2 吊车原始资料………………………………………………………… 61

1 建筑设计
1.1平面设计
根据题目所给条件：单跨钢结构，跨度取24米，长90米。参照工程应用实例，厂房平面布置为单跨矩形平面。其柱网采用6m×24m，除两端部柱中心线内偏横向定位轴线600mm 外，其余均与横向定位轴线重合；纵向定位轴线与柱外缘重合(详见施工图)。抗风柱距分别取6m。
厂房出入口尺寸取4000㎜×4000㎜。
1.2 剖面设计
厂房高度的确定：根据吊车起吊高度6m的要求和所选吊车规格数据资料，确定厂房标高。
吊车轨顶标高：H1=6000+1485=7.485m，取H1=7.5m。
柱子高度：H’=H1+0.875+0.300=8.675m，考虑刚架斜梁与柱子连接的构造尺寸(780 ㎜)要求，柱顶标高：H=H’+0.78=9.455m，取H=9.5m。
根据厂房工艺要求和所选吊车规格参数资料，牛腿标高取为H0=7.00m。
厂房室内外高差按一般值取300mm，屋面坡度取1:10。
1.3 采光通风设计
根据厂房生产状况，查表拟定厂房的采光等级为Ⅲ级。采用双侧窗采光，其窗地面积比为1/3.5。当每个柱距都设侧窗进行采光时，其采光窗面积大小为：
A1=6×24/3.5=41.14 ㎡，则每侧窗户面积为20.57 ㎡。
当取窗宽3.6m 时，每侧窗高为5.7m,此时设高低侧窗，以利于近、远窗点的采光。高侧窗高度取2.7m，低侧窗取3.0m，窗底标高为1.2m。
通风设计：因为厂房单跨且跨度只有24m，故此通风问题主要是合理组织气流路径，利用穿堂风即可解决。具体设计是将两侧窗对窗。
1.4 屋面排水设计
屋面排水方式采用内天沟有组织排水，屋面排水坡度取为1/10，檐沟纵向坡度取为5‰。落水管每侧6 根，分别位于轴线处，用直径φ110 的PVC 管。
1.5 立面设计
采用竖向波形压型钢板外墙及彩板钢窗，形成竖向线条的立面效果，改变厂房长度和高度尺度扁平视觉效果，使厂房显得庄重、挺拔。立面图见施工图纸。

1.6 构造设计
1.6.1 外墙构造
外墙底部窗台以下部分采用240 厚空心砖墙，高度为1.2m，墙下设基础梁支承在柱下独立基础上。窗台以上部分外墙采用保温型压型钢板外墙，墙板用墙梁(C 型钢)与刚架柱连接。
外墙保温设计：厂房室内相对湿度Φ=55%，冬季室内计算温度为16℃，室外计算温度为2.1℃，外墙采用压型钢板+矿棉保温层+压型钢板的构造，其中压型钢板的厚度为0.53mm,矿棉板的导热系数为0.07 ㎡·k/w,则其厚度计算如下:

因为R0>R0min,所以0.158+d/0.07≥0.213。d≥0.00385m,取矿棉板厚5mm即可。
1.6.2 屋顶构造
屋顶采用保温型压型钢板，C 型用冷扎薄壁檩条与刚架斜梁相连接，屋面檐口采用有组织排水。
1.6.3 地面构造
因厂房内生产对地面无特殊要求，故采用水泥沙浆地面。

2 主刚架设计
2.1 结构选型与布置
因吊车吨位较小，屋面恒载和活荷载都很小，跨度较大，故采用轻型门式刚架结构，造价较低，施工速度快，施工难度较低。
刚架结构形式采用实腹式，刚架形式为单跨双坡，屋面坡度取为1/10。
厂房长度为90m，故只设一个温度区段，柱间支撑在端部的第二个开间各设一道，在厂房纵向中央设一道，在与有柱间支撑开间相应的屋盖位置均设置横向支撑，以形成几何不变体系。在端部的第一开间与端部支撑相应位置及刚架转折处(柱顶和屋脊处)设置刚性系杆。
檩条和墙檩的间距一般取1.5m，间隔设置隅撑，间距为3m，截面尺寸根据计算得到。在跨中设置一道拉条，在屋脊和侧墙的顶部，还应设置斜拉条。
2.2 荷载计算
(1)永久荷载标准值
屋顶保温层及压型钢板 0.25KN/㎡
檩条及支撑 0.15KN/㎡
刚架梁自重（估） 0.10KN/㎡
屋面恒载标准值合计 0.50KN/㎡
墙板、墙架及刚架柱自重（估） 0.40KN/㎡
(2)可变荷载标准值
屋面雪荷载 0.20KN/㎡
屋面活荷载 0.30KN/㎡
因此，垂直可变荷载应按较大值的屋面活载0.30KN/㎡取用。
风荷载：基本风压ω0＝0.30kN/㎡；地面粗糙度系数按B类取；风压高度变化系数按离地面高度为10m的数值，即μz=1.0。风荷载体型系数按《CECS102：2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》附录A（风荷载计算）封闭式建筑的中间区取用，即迎风面的柱和屋面的μs为+0.25和-1.0，则ωk=μsμzω0＝+0.075KN/㎡和-0.30KN/㎡；背风面的柱和屋面的μs为-0.55和-0.65，则ωk=μsμzω0＝-0.165KN/㎡和-0.195KN/㎡。
(3)刚架承受的荷载设计值
屋面恒荷载 g1=1.2×0.5×6/=3.62KN/m
柱身恒荷载 g2=1.2×0.4×6=2.88KN/m
屋面活荷载 qs=1.4×0.3×6=2.52KN/m
屋面风荷载（迎风面） ω2=1.4×（-0.3）×6=-2.52KN/m
（背风面） ω3=1.4×（-0.195）×6=-1.64KN/m

屋面风荷载（迎风面） ω1=1.4×0.075×6=+0.63KN/m
（背风面） ω4=1.4×（-0.165）×6=-1.39KN/m
(4)吊车荷载
1)吊车竖向荷载
最大轮压标准值Pmax=52KN
每个轮子的最大轮压设计值为：
P=βα1γQPmax=1.03×1.05×1.4×52=78.73KN
根据吊车梁支座反力影响线及吊车布置图所示：
图2.1 吊车支座反力影响线及吊车布置图
可得：Dmax=P=78.73×（1+5/12）=111.53KN
最小轮压标准值：Pmin=20（G+G0）/n－Pmax=20×(5+12)/4－52=33KN
则：Dmin=DmaxPmin/Pmax=111.53×33/52=70.78KN
2)吊车横向水平荷载
每个轮子传递的横向水平荷载标准值Tk:

设计值:T=α2γQTk=1.0×1.4×4.05=5.67KN
则：
2.3 刚架计算
预估截面：梁柱均采用Q235高频焊接H型钢，梁截面尺寸h×b×tw×t=600×200×8×16；柱的截面尺寸h×b×tw×t=500×200×8×10，以上截面翼缘和腹板宽厚比验算均满足要求。I1=32.74×107mm4,EI1=6.74×104KN·m2；I2=68.94×107mm4,EI2=1.42×105KN·m2。
2.3.1 内力分析
计算简图如图2.2所示：

图2.2 刚架计算简图
各种工况下的内力图如下：

a.恒载计算

恒载分布图

恒载弯矩图

恒载剪力图

恒载轴力图
b.活载计算

活载分布图

活载弯矩图
活载剪力图

活载轴力图

c.风荷载（左风）计算

左风荷载图

左风载弯矩图

左风载剪力图

左风载轴力图
d.吊车荷载计算
考虑吊车荷载有偏心距，已附加力偶荷载。
(1)Dmax在A柱

Dmax在A柱

Dmax在A柱时弯矩图

Dmax在A柱时剪力图

Dmax在A柱时轴力图
(2)最大横向水平荷载Tmax自右向左作用
水平刹车力作用在吊车梁上，在牛腿处存在附加力偶荷载。

吊车荷载Tmax自右向左

吊车荷载Tmax自右向左时弯矩图

吊车荷载Tmax自右向左时剪力图

吊车荷载Tmax自右向左时轴力图

2.3.2 内力组合
根据使用过程中在结构上可能出现的荷载，按承载能力极限状态，依照荷载组合原则进行荷载效应的组合，并取最不利组合进行设计。
对于压弯构件，只作如下四种内力组合：
（1） +Mmax及相应的N,V
（2） -Mmax及相应的N,V
（3） Nmax及相应的M,V
（4） Nmin及相应的M,V
对于受弯构件，只作如下四种内力组合：
（1）+Mmax及相应的N,V
（2）-Mmax及相应的N,V
（3）Nmax及相应的M,V
（4）Vmax及相应的M,N
各柱与横梁的内力组合项目和组合值见表1，表2，表3。
2.4 刚架柱和刚架梁设计与验算
梁柱均采用Q235 高频焊接H 型钢，材料强度设计值：f y=235N /mm2，f = 215 N /mm2， f v=125N /mm2 。
2.4.1 刚架横梁设计
试选梁截面尺寸h×b×tw×t=600×200×8×16，其截面特性为：
A=200×16×2+(600-2×16)×8=10944mm2
Ix=[200×6003-(200-8)×(600-16×2)3]/12=6.68×108mm4
Iy=[16×2003×2+(600-2×16)×83]/12=2.14×107mm4

Wx=2.23×106mm3
a.翼缘和腹板宽厚比验算
（满足）
（满足）
b.刚架梁验算
(1) 强度
刚架梁端部截面为最不利截面，其承受弯矩M=Mmax=209.763KN·m,剪力V=Vmax=72.004KN和轴力N=-31.0855KN的共同作用，故其强度按下面计算。
1）计算Vd,Me
① 梁抗剪承载力设计值Vd
仅考虑在梁端设置支承加劲肋（短板），即按a/hw>1或hw/a=0计算。由式：

因为0.8<λw<1.4，故按下式计算Vd：
Vd =hwtw[1-0.64(λw-0.8)]fv
=568×8×[1-0.64×(0.83-0.8)]×125=557.09KN
② 梁抗弯承载力设计值Me
先计算梁的有效截面：腹板的最大应力σmax和最小应力σmin为：
σmax=N/A+My/Ix=31085/10944+209.763×106×210/6.68×108=68.78N/mm2
σmin=N/A-My/Ix=31085/10944-209.763×106×210/6.68×108=-63.1N/mm2
腹板的受压区高度：
β=σmin/σmax=-0.9174
代入下式得：
由于σmax=68.78N/mm2<f=215N/mm2，故取rR·σmax=1.1×68.78=75.66N/mm2代替下式中的fy计算λp：

因此，β=1，即梁腹板不屈曲全部有效，从而可得按有效截面计算的梁抗弯承载力设计值：Me=Wef=Wxf=2.23×106×215=479.45KN·m
2）在M、V、N共同作用下梁的强度计算
由于V=72.004KN<0.5Vd=0.5×557.09=278.55KN，故按下式计算，即：
满足要求。

图2.3 梁柱内力组合编号

表2.1 A柱内力组合表
A柱内力组合
控

制

截

面
荷 载

类 型

恒载

活载
吊车荷载
风载
内力组合值
Dmax左
Dmax右
Tmax左
Tmax
右
左风
右风
荷载编 号
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
内 力 值

组合项目

1.2①+1.4②
1.2+1.4×0.85(ƒ+⑥+⑦)
1.2+1.4×0.85(②+④+⑤)
1.2+1.4×0.85(④+⑤+⑦)

Ⅰ
M
-92.94
-55.42
17.98
-3