门式轻型钢结构双跨厂房设计 - 副本.doc

武汉工程大学邮电与信息工程学院
毕业设计说明书

论文题目
学 号
学生姓名
专业班级
指导教师
总评成绩

年 月 日

摘 要 I
Abstract II
1绪论 1
2 结构选型及布置 2
3 荷载计算 6
4 吊车梁的设计 9
4.1 内力分析 9
4.2 截面选型 11
4.3 截面验算 12
4.4 加劲肋计算 15
4.5 疲劳强度验算 16
4.6 挠度验算 16
4.7 焊缝连接计算 16
5 抗风柱设计 18
5.1 荷载计算 18
5.2 内力分析 19
5.3 截面选择 19
5.4 强度验算 20
5.5 稳定性验算 20
5.6 挠度验算 21
6 门式刚架设计 22
6.1 荷载分析 22
6.2 作用在刚架上的线荷载标准值 23
6.3 钢架计算简图 25
6.4 内力计算 25
6.5 荷载组合 34
6.6 截面验算 35
7 节点设计 57
7.1 斜梁与边柱的连接节点 57
7.2 中柱与双边斜梁连接节点 59
7.3 梁梁端板节点 61
7.4 屋脊端板节点 62
7.5 边柱和中柱柱脚设计 64
8 基础设计 76
8.1 基础的选择 76
8.2 基础埋深 76
8.3 地质水文资料 76
8.4 基础尺寸的确定 77
8.5 基础截面配筋计算 81
参考文献 83
致谢 84
附表A 钢架非地震作用内力组合表 85

摘 要

本设计为轻型钢结构厂房，采用轻型门式刚架体系，轻型钢结构建筑质量轻，强度高，跨度大，钢结构建筑施工工期短，相应降低投资成本，经济实惠。它在我国有着较为广泛的应用前景。轻型钢结构的屋面荷载较轻，因而杆件截面较小、较薄。它除具有普通钢结构的自重较轻、材质均匀、应力计算准确可靠、加工制造简单、工业化程度高、运输安装方便等特点外，一般还具有取材方便、用料较省、自重更轻等优点。
本设计主要为结构设计。结构设计部分包括结构选型和布置、荷载计算、吊车梁设计、抗风柱设计、檩条和墙梁设计、门式钢架设计、支撑设计，基础设计（手算电算对比，内力组合），节点设计。各章节都详细演算了主要构件的计算过程。
本次设计图纸部分有：结构设计说明书，厂房平面图，立面剖面，节点详图，刚架施工图，厂房檩条墙梁布置图，吊车梁施工图，支撑布置图，基础平面布置图。

关键词： 轻型钢结构； 门式刚架； 结构设计； 基础设计。

Abstract

The design for the light steel structure plant, the use of light portal frame system, the construction of light steel structure light weight, high strength, large-span, steel structure construction period short, lower investment costs, economic benefits. In China it has a more extensive application prospects. Light steel structure of the roof load lighter, and thus a smaller cross-section bar, thin. In addition to its ordinary lighter weight steel structures, material uniformity, accurate and reliable stress calculation, simple processing, a high degree of industrialization, transport and other features easy installation, the general also has easy material to be used than the provinces, the advantages of lighter weight .
The design specification is structural design.Part of the structural design, including program selection, the design of the crane beam, purlin design, pillar of wind-resistant design, corbel design, rigid frame design (hand-counting computer comparison, combination of internal forces), the node design. Chapters detail the main components of calculus calculation.
Foundation programs include ground handling, foundation design. Part of the design drawings are as follows: plant floor plan, Node elevation profiles and detailed, Frame Construction ,wall-beam purlin plant layout map, construction of crane beam map, support layout map, foundation plan, lime-soil compaction pile layout map .

Key Words: Light steel structure； Portal frame； Structural design； foundation design.

1绪论
结构体系是指“结构构件采用较薄板件，设计时考 虑板件局部失稳后的后继强度的钢结构体系”。门式刚架是典型的轻型钢结构，也是目前国内应用最为广泛的轻型钢结构。门式刚架属于平面结构，它们在纵向构件、支撑和围护结构的联系下形成空间的稳定体系，结构只有组成空间稳定整体，才能承担各种荷载和其他外在效应。所以在考虑建筑功能和经济条件下后本设计选用单层轻型门式刚架结构。
本厂房建筑面积近2808，为单层钢结构建筑。单层厂房为四坡双跨门式刚架,跨度为18m+18m，长度78m，宽度36m，柱高10.00m，刚架柱距6m，屋面坡度8%,屋面板为压型钢板,檩条采用薄壁卷边C型， 檩条间距1.5m，墙梁间距2.0m。门式刚架采用Q345钢，屋面檩条、墙架檩条采用Q235-B钢，焊条采用E43型，外墙墙面为彩色压型钢板， 每跨设置一台150吊车，牛腿标高6.50米。
安全等级为二级，结构设计使用年限50年。
地基基础设计等级为丙类。
防火等级为二级。

2 结构选型及布置
结构选型
经分析，由于本厂房荷载较小，故选用质量较轻、工业化程度较高、施工周期短、结构形式较简单的轻型门式刚架结构。梁、柱节点为刚性连接的门式钢架具有结构简洁、刚度良好、受力合理、使用空间大及施工方便等特点，并便于工业化，商品化的制品生产，与轻型维护材料想配套的轻型钢结构框架体系已广泛应用于建筑结构中。单层门式钢架适用于一般工业于民用建筑及公用建筑、商业建筑，也可用于吊车起重量不大（Q≤15t）且跨度不大的工业厂房。
材料的选择
材料选择根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：2002中的相关规定选取，本厂房是轻型门式刚架结构，厂房柱、梁、吊车梁构件选用Q345钢。檩条、压型钢板柱间支撑等结构构件均选用Q235钢材。
焊条选用：Q235钢与Q235钢，Q235钢与Q345钢之间的焊接连接采用E43型焊条；Q345钢与Q345钢之间的焊接采用E50型焊条。
柱网布置
本厂房建筑面积2808m²，其中柱距6m，对于跨度的选择，应尽量选择较大的跨度。跨度较大可以扩大柱网，这样可以底稿厂房的通用性，扩大生产面积，节约用地，加快建设速度，提高吊车的服务范围，因此本厂房采用9m和18m的跨度。并根据工艺要求设为双跨。柱网布置图如图2.1所示。

图 2.1
屋面布置
根据屋面压型钢板的规格，檩条沿跨度方向每隔1.5m布置一道。根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：2002中6.3.1之规定，由于檩条跨度为6m＜9m，故采用实腹式檩条。根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：2002中6.3.5和6.3.6之规定，应在檩条中间处设置一道拉条，拉条采用Φ8圆钢，圆钢拉条设在距檩条上翼缘1/2腹板高度范围内，屋脊拉条为刚性。

柱间支撑及布置
根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：2002中4.5.2之规定应在厂房两端第一柱间设置柱间支撑，并应在中间一个柱间设置柱间支撑，柱间支撑分为上柱柱间支撑和下柱柱间支撑布置。两端气第二跨设上下柱支撑，中间设上下柱支撑。在设置柱间支撑的开间，宜同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体系。当有起重量不小于5t的吊车时，柱间宜采用型钢支撑，形式为十字交叉。

屋盖支撑及布置
由于本厂房长78m，宽36m，根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：2002中4.5.2之规定，将整个厂房可划分为一个温度区段。因此在厂房两端第一个柱间支撑设置横向水平支撑。此外，还应在厂房中间柱间内设置屋盖横向水平支撑，并应在上述相应位置设置刚性系杆。
墙面结构布置
根据墙板的板型和规格，墙梁的布置沿高度方向间距每隔2.0m布置一道，根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002中8.4.2之规定，本厂房跨度6m，应在跨中中间处设置一道拉条，拉条承担的墙体自重通过斜拉条传至承重柱和墙架柱，且应每隔5道拉条设置一对斜拉条，以分段传递墙体自重，拉条为Φ8圆钢。
根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：2002中6.4.2节，应设置门柱窗柱，且由于门柱、窗柱需承受墙板重及自重，所以应考虑为双向受弯构件。

3 荷载计算
3.1 永久荷载统计
结构自重（包括屋面板、檩条、支撑、斜梁、墙架等），初步计算时，此折算荷重按（标准值）近似采用。
3.2 活荷载统计
按照设计要求：对不上人屋面一般按取（标准值）取用雪荷载：，查《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001，钟祥市时，
风荷载：，查《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001，钟祥市时，基本风压为，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》附录A.0.1条：基本风压，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定值乘以1.05采用；故基本风压取 ，地面粗糙等级为B级，风振系数。

图3.1 左风作用下风荷载体形系数

3.3 吊车荷载
吊车采用A5级10t电动桥式吊车，小车重g=3.8t ，吊车总重18.0t，最大轮压Pmax=115KN，最小轮压Pmin=25KN。18m内一台10t吊车如下图所示

吊车竖向荷载：（标注值/设计值）

吊车横向荷载：

3.4 整个厂房各部分作用的荷载（标准值与设计值）
18米跨 屋面 恒荷载 标准值：
设计值：
活荷载 标准值：
设计值：
风荷载 （设计值）：
左风时

右风时

4 吊车梁的设计
吊车梁跨度 L=6m，无制动结构，钢材采用Q345，焊条采用E50 系列，吊车梁资料如下：吊车采A5级10t电动桥式吊车，查知:宽度B=5550mm，轨道中心至吊车外端距离B1=230㎜，跨度L=18m。轨顶以上高度H=2140mm，轮距K=4400m，小车重g=3.8t，吊车总重G=18.0t，最大轮压
图4.1 吊车尺寸
Pmax=115KN,最小轮压Pmin=25KN,吊车尺寸如4.1所示。轨道类型：43kg/m ,轨高为140mm。
4.1 内力分析
4.1.1 吊车梁的最大竖向弯矩
当吊车轮位置如图4.2所示时，吊车梁的竖向弯矩最大。

图4.2 最不利轮位布置及内力
吊车竖向荷载动力系数 ，近似轮压乘荷载增大系数，吊车荷载分项系数，软钩吊车取，则：
竖向计算轮压：

在处剪力：

4.1.2 吊车梁的最大剪力Vmax
求最不利轮位布置如4.3所示

图4.3 最不利轮位布置如图所示

4.1.3 吊车梁的最大水平弯矩
由《建筑结构荷载规范》GB 50205-2001 5.1.2之规定知 ，每个轮上的横向荷载设计值为：

4.1.4 吊车梁在竖向荷载标准值作用下的最大弯矩（求竖向挠度用）

4.2 截面选型
钢材为Q345,其强度设计值为：
抗弯 （）
抗剪 （）
4.2.1 梁高h
需要的截面模量：

按经济条件确定：
最小高度
建筑净空无要求，故初选腹板高度。
4.2.2 腹板厚度
按经验公式：
按抗剪要求：
取。
4.2.3 翼缘板尺寸
需要的翼缘板面积约为：

翼缘宽度
翼缘厚度
翼缘板外伸宽度
翼缘板外伸宽度与厚度之比 满足局部稳定要求
4.3 截面验算
4.3.1 截面几何特性
吊车梁断面尺寸如图4.4所示

图4.4

4.3.2 强度验算
(1)上翼缘正应力

2) 剪应力

4.3.3 整体稳定验算
用 计算

由于截面对称，则

则

4.3.4 局部稳定验算
应按计算配置横向加劲肋。
加劲肋间距计算：

间距a =（0.5-2）h0
取a=1000mm
4.4 加劲肋计算
4.4.1 横向加劲肋在腹板两侧成对出现
外伸宽度：
厚度：
采用—。
4.4.2支座加劲肋
采用 则
稳定性验算：按承受最大支座反力的轴心压杆，验算在腹板平面外的稳定。
端部承压力计算：

此截面属b类，由，查表得，整体稳定：

验算断面承压应力：

支承加劲肋与腹板的连接焊缝计算：

需要的焊脚尺寸为：

最小焊脚尺寸：，取。
4.5 疲劳强度验算
因本厂房吊车为中级工作制，故吊车梁可不进行疲劳强度验算。
4.6 挠度验算

4.7 焊缝连接计算
4.7.1 上翼缘与腹板连接焊缝
上翼缘对中和轴面积距：

取，则

4.7.2 下翼缘与腹板连接焊缝
因截面对称，故和上翼缘与腹板的连接焊缝相同。
4.7.3 支座加劲肋与腹板连接焊缝

满足要求。

5 抗风柱设计
5.1 荷载计算
5.1.1 永久荷载
山墙墙面板及墙梁
自重为： 。
抗风柱自重 ：
5.1.2 风荷载
基本风压，厂房跨中不设置抗风柱，柱高10.0m。地面类别为B类，根据《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001表7.2.1 得：；
风压体型系数由《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002附录A表A.0.2-4查出,， 则风压标准值：

5.1.3 单根抗风柱承受的均布线荷载设计值
永久荷载设计值：
风荷载设计值：
风荷载标准值：
5.2 内力分析
抗风柱的柱脚和柱顶分别由基础和屋面支撑提供竖向及水平支撑，计算简图如图5.1所示。

图5.1 抗风柱计算简图

构件最大轴压力：
构件最大弯矩：
5.3 截面选择
选用 型柱，则柱截面特性：
；；；；
；；。
5.4 强度验算
根据《钢结构设计规范》GB 50017-2003公式（5.2.1）：

满足要求。
5.5 稳定性验算
5.5.1 弯矩作用平面内的稳定
根据《钢结构设计规范》GB 50017-2003公式（5.2.2-1）,
绕强轴的长细比：
因为，所以对轴属a类，对轴属b类。
查《钢结构设计规范》GB 50017-2003附录C的类截面得：，则
所计算段无端弯矩但有横向荷载，故

5.5.2 弯矩作用平面外的稳定
绕弱轴的长细比的计算考虑墙面墙梁隅撑的支持作用,
计算长度取为墙梁的间1.4m
根据《钢结构设计规范》GB 50017-2003公式(5.2.2-3),
绕弱轴的长细比：
因为，所以对轴属a类，对轴属b类。
查《钢结构设计规范》GB 50017-2003附录C的b类截面得：

计算段有端弯矩和横向荷载作用，并使构件段产生同向曲率，
故取，则：

满足要求。
5.6 挠度验算
根据《钢结构设计规范》GB 50017-2003附录A续表A.1.1,在横向风荷载作用下,
抗风柱水平挠度为：

满足要求。

8 门式刚架设计
8.1 荷载分析
8.1.1 永久荷载
结构自重（包括屋面板、檩条、支撑、斜梁、墙架等），初步计算时，此折算荷重按（标准值）近似采用。
轻质墙面和墙梁标准值为，刚架柱自重标准值为。
8.1.2 可变荷载
活载： 计算刚架取
雪载:
8.1.3 风载
基本风压, 基本风压《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001取，地面粗糙等级为B级，以柱顶为准，风压高度变化系数。
8.1.4 吊车荷载
吊车每个大车轮子传递的吊车横向水平荷载标准值：

吊车竖向荷载设计值：

横向水平荷载：
8.2 作用在刚架上的线荷载标准值
8.2.1 作用于柱上的线荷载
考虑刚柱自重柱上线荷载为：
边柱为
中柱为
8.2.2 屋面与檩条引起的线荷载
考虑刚架梁自重，屋面与檩条引起的线荷载：
8.2.3 屋面活荷载引起的线荷载
由于屋面活荷载小于雪荷载，取雪荷载，则由雪荷载引起的线荷载：

8.2.4 风荷载引起的线荷载
由3.5知风荷载引起的线荷载为
左风：
左边柱上的线荷载设计值：
右边柱上的线荷载设计值：
左边迎风坡面上的线荷载设计值：
左边背风坡面上的线荷载设计值：
右边迎风坡面上的线荷载设计值：
右边背风坡面上的线荷载设计值：
右风：
右边柱上的线荷载设计值：
左边柱上的线荷载设计值：
右边迎风坡面上的线荷载设计值：
右边背风坡面上的线荷载设计值：
左边迎风坡面上的线荷载设计值：
左边背风坡面上的线荷载设计值：
8.2.5 吊车引起的线荷载
（1） 最大轮压作用于边柱列
边柱列所受竖向力及弯矩：

中柱列所受竖向力及弯矩：

（2） 最大轮压作用于中柱列
中柱列所受竖向力及弯矩：

边柱列所受竖向力及弯矩：

（3） 横向荷载作用

8.3 钢架计算简图
对钢架进行节点、单元编号，计算简图如图8.1所示

图81 钢架计算简图
8.4 内力计算
由力学求解器分别求出不同荷载作用下的轴力、剪力和弯矩图，以及各个单元、节点的数值，如表8.1所示。
表8.1 各种荷载作用下的内力图及数值
1 永久荷载

计算简图（）

轴力图
（）

剪力图
（）

弯矩图
（）

2 可变荷载

计算简图（）

轴力图
（）

剪力图
（）

弯矩图
（）

3 左风

计算简图（）

轴力图
（）

剪力图
（）

弯矩图
（）

4 吊车工况一

计算简图
（）

轴力图
（）

剪力图
（）

弯矩图
（）

5 吊车工况二

计算简图
（）

轴力图
（）

剪力图
（）

弯矩图
（）

6 吊车工况三

计算简图
（）

轴力图
（）

剪力图
（）

弯矩图
（）

8.5 荷载组合
8.5.1 荷载组合种类
（1） 1.2恒载 + 1.4活载

（2） 1.0恒载 + 1.4风载
（3） 1.2恒载 +1.4吊车荷载
（4） 1.2恒载 +0.85×(1.4活载+1.4风载+1.4吊车荷载)
8.5.2 荷载组合计算
不考虑地震作用，荷载组合计算得到最不利组合值，见附表1；
8.6 截面验算
8.6.1 截面选择
初选梁柱截面及截面特性如表8.2所示。
表8.2 梁柱截面及截面特性

边柱和中柱截面

；
； ； ； ； ； 。

刚架斜梁
(7)、（10）（11）、（14）大头处断面

；
； ；
； ；
； 。

刚架斜梁(7)、（10）（11）、（14）小头处断面

；
； ；
； ；
； 。
8.6.2 最大宽厚比验算
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002第（6.1.1）条进行板件最大宽厚比验算。
（1） 翼缘板自由外伸宽厚比
中柱和边柱截面：
斜梁变截面大头处：
斜梁变截面小头处：
均满足技术规程的限值要求。
（2） 腹板宽厚比
中柱和边柱截面：
斜梁变截面大头处：
斜梁变截面小头处：
均满足技术规程的限值要求。
8.6.3 左边柱验算
（1） 最不利内力组合值
第一组：；；。
第二组：；；。
（2） 强度验算
截面特性：；
① 取第一组内力计算
；
。
截面边缘正应力比值：
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-4）

因，计算可用代替式（6.1.1-3）中的

根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-3）

所以根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-2），有效宽度系数为 ，即此时截面全部有效，同时。
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-8）
抗剪承载力设计值为：
。
，满足要求。
在剪力V，弯矩M，轴压力N共同作用下：
因为：；

所以：。
强度满足要求。
② 取第二组内力计算
；
。
截面边缘正应力比值：
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-4）
因，计算可用代替式（6.1.1-3）中的

根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-3）

所以根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-2），有效宽度系数为 ，即此时截面全部有效，同时。
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-8）
抗剪承载力设计值为：
。
，
满足要求。
在剪力V，弯矩M，轴压力N共同作用下：
因为：；

所以：。
强度满足要求。

（3） 稳定验算
① 上段柱稳定性验算
内力组合取
a 上段柱平面内稳定性验算
根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)求单阶柱平面内计算长度系数。
柱线刚度：

计算柱上端可移动但不转动的单阶柱下端的计算长度系数：
由，试值法得
查《钢结构设计规范》（GB 50017-20030）表5.3.4得折减系数为0.8。
上段柱平面内计算长度系数为：
下段柱平面内计算长度系数为：
上段柱平面内计算长度为：
上段柱平面内稳定性验算：

，对x轴属a类；对y轴属b类。查《钢结构设计规范》(GB50017-2003)附录C-1得，杆件轴心受压稳定系数为：。

等效弯矩系数

满足要求。
b 上段柱平面外的稳定性验算
已知在边柱平面外柱高6.5m处设置柱间支撑，即平面外计算长度：；

，对x轴属a类；对y轴属b类。查《钢结构设计规范》(GB50017-2003)附录C-2得，杆件轴心受压稳定系数为：。

取，

满足要求。
② 下段柱稳定性验算
内力组合取最不利内力组合为第一组和第二组。
a 下段柱平面内稳定性验算
下段柱平面内计算长度为：
下段柱平面内稳定性验算：

，对x轴属a类；对y轴属b类。查《钢结构设计规范》(GB50017-2003)附录C-1得，杆件轴心受压稳定系数为：。

等效弯矩系数

满足要求。
b 下段柱平面外的稳定性验算
已知在边柱平面外柱高6.5m处设置柱间支撑，即平面外计算长度：；

，对x轴属a类；对y轴属b类。查《钢结构设计规范》(GB50017-2003)附录C-2得，杆件轴心受压稳定系数为：。

取，

满足要求
8.6.4 右边柱验算
最不利内力组合值如下：
第一组：；；。
第二组：；；。
因右边柱同左边柱截面选型相同，且不利内力值也和左边柱相同，故同理，右边柱强度及稳定性均满足要求。
8.6.5 中柱验算
（1） 最不利内力组合值
第一组：；；。
第二组：；；。
（2） 强度验算
截面特性：；
① 取第一组内力计算
；

截面边缘正应力比值：
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-4）

因，计算可用代替式（6.1.1-3）中的

根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-3）

所以根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-2），有效宽度系数为 ，即此时截面全部有效，同时。
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-8）
抗剪承载力设计值为：
。
，满足要求。
在剪力V，弯矩M，轴压力N共同作用下：
因为：；

所以：
强度满足要求。
② 取第二组内力计算
；
截面边缘正应力比值：
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-4）
因，计算可用代替式（6.1.1-3）中的

根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-3）

所以根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-2），有效宽度系数为 ，即此时截面全部有效，同时。
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（6.1.1-8）
抗剪承载力设计值为：
。
，满足要求。
在剪力V，弯矩M，轴压力N共同作用下：
因为：；

所以
强度满足要求。
（3） 稳定验算
① 牛腿上部稳定性验算
内力组合取
a 牛腿上部平面内稳定性验算
根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)求单阶柱平面内计算长度系数。
柱线刚度：

计算柱上端可移动但不转动的单阶柱下端的计算长度系数：
由，试值法得
查《钢结构设计规范》(GB50017-2003)表5.3.4得折减系数为0.8。
上段柱平面内计算长度系数为：