主厂房结构设计计算书

邯钢钢材包装物主厂房设计学生冯佳军指导教师王羡农河北工程大学土木工程学院土木工程专业0绪论0.1轻型钢结构定义轻型钢结构建筑，即轻钢建筑：是指以轻型冷弯薄壁型钢、高频焊接型钢、薄钢板、薄壁钢管、轻型热扎型钢及以上各种构件拼接、焊接成的组合构件等为主要受力构件，大量采用轻质围护隔离材料的单层和多层建筑等。0.2门式刚架结构的特点0.2.1采用轻型屋面，不仅可减小梁柱截面尺寸，基础也相应减小。0.2.2在多跨建筑中可做成一个屋脊的大双坡屋面，为长坡面排水创造了条件。设中间柱可减小横梁的跨度，从而降低造价。中间柱采用钢管制作的上下铰接摇摆柱，占用空间小。0.2.3刚架的侧向刚度籍檩条的隅撑保证，省去纵向刚性构件，并减小翼缘宽度。0.2.4刚架可采用变截面，截面与弯矩成正比；变截面时根据需要可改变腹板的高度、厚度与翼缘的宽度，做到材尽其用。0.2.5结构构件可全部在工厂制作，工业化程度高。构件单元可根据运输条件划分，单元之间在现场用螺栓相连，安装方便快速，土建施工量小。0.3门式刚架的结构形式门式刚架的形式是多种多样的。按构件体系分，有实腹式与格构式；按截面形式分，有等截面和变截面；按结构选材分，有普通型钢、薄壁型钢和钢管等。实腹式刚架的截面一般为工字形，格构式刚架的截面为矩行或三角形。门式刚架的横梁与柱为刚接，柱脚与基础宜采用铰接；当水平荷载较大、有5吨以上桥式吊车、檐口标高较高或刚度要求较高时，柱脚与基础宜采用刚接。变截面与等截面相比，前者可适应弯矩变化，节约材料，但在构造连接及加工制造方面，不如等截面方便，故当刚架跨度较大或房屋较高时才设计成变截面。我国轻型门式刚架结构体系起步较晚，是引进国外的相关材料和软件的基础上发展起来的。尽管我国的轻型门式刚架结构体系理论和工程实践发展迅速，但目前仍存在一些问题有待于进一步解决。没有实现真正意义上的一体化流程，施工工期与国外相比仍显得较长；许多施工过程中的工艺方法有待于进一步研究，现场拼接优越性没有充分发挥；采用平面分析方法进行设计，较少考虑整体结构的空间作用；结构设计偏于保守，翼缘的宽厚比限值与国外相比显得很低，没有充分发挥材料的承载能力，所设计的结构整体用钢量偏高。所以，我国轻型门式刚架还处于继续探索阶段。1工程概况1.1工程概况本工程为邯郸钢铁集团附属公司用于钢材包装的单层两跨钢结构厂房，由于钢材包装需要运输，因此该厂房两跨均需设置吊车梁。采光要求为三级，室内通风适当组织即可，采用中央集中空调。营业区冬季温度要求不低于15摄氏度。本建筑设计采用新型建筑材料，基础为钢筋混凝土独立基础。承重结构均采用钢结构。屋盖和维护结构采用保温彩板。建筑场地位于邯钢路以南，西临主干道中华大街，交通方便1.2自然条件1.2.1建筑场地地段情况该厂房位于邯钢路以南，西临主干道中华大街，交通方便。场区西侧距主干道（30米宽）中心线30米，场区南北长70米，东西长40米，内部道路及绿化由设计确定。建筑面积约201.2.2主导风向：冬季西北风，夏季东南风。1.2.3土壤冻结深度：0.4米。1.2.4场地地基情况：见表1。1.2.5抗震设防烈度：7度。土层分布及土的物理力学性质指标表1-1土层编号埋深范围（m）土层描述与鉴别土的主要物理力学指标①0.0-0.8杂填土，褐黄色，以粉土为主，含大量碎砖、灰渣、树根等，潮湿，可塑γ=17KN/m3②0.8-4.2粉质粘土，黄褐色，很湿，可塑状态，含云母等γ=18.7KN/m3,e=0.900,Es=6.0MPa,fak=115KPa③4.2-粉土，灰褐色，饱和，可塑至软塑（本层未被打穿）γ=18.5KN/m3,e=1.050,fak=95KPa1.3建筑物层数与层高1.3.1层数：1层。1.3.2高度：9.51.3.3跨度：2跨，跨度分别为12m，1.3.4柱距：标准7.5m1.3.5结构系统：采用门式刚架结构。1.3.6屋面坡度：1：8-1：20。1.4设备条件市场内的采暖、电力、上下水道均由市内管网直接提供。2荷载统计：2.1恒荷载：屋面板+保温层0.25KN/m2檩条0.05KN/m2支撑0.05KN/m2合计0.35KN/m22.2活荷载:屋面均布活荷载0.3KN/m2(刚架受荷面积大于60m2雪荷载S0=0.35KN/m22.3风荷载基本风压值:W0=0.4KN/m2,地面粗糙度系数按B类取值.风荷载高度变化系数按现行国家标准(GB50009-2001)的规定,当高度小于10m时,按10m高度处的数值采用,μz=1.0;风荷载体形系数按<<门式刚架轻型房屋钢结构技术规程>>(CECS102：2002)迎风面柱及屋面分别为+0.25和-1.0,背风面柱及屋面分别为-0.55和-0.65，如图2.1所示。-1.0-1.0-0.65+0.25-0.55图2.12.4屋面构件2.4.1压型钢板压型钢板型号采用YX51-250-750,基板厚度为1.0mm,波高为52.4.2檩条檩条截面采用C220×75×20×2.5,跨内设2道拉条.2.5屋面支撑系统设计2.5.1屋面檩条布置檩条间距为1.5m.2.5.2屋面支撑荷载及内力屋面水平支撑为柔性杆件,采用张紧的圆钢.3檩条设计屋面材料为压型钢板，屋面坡度分别为1/10和1/15，檩条跨度为7.5m，檩距为1.5m,钢材Q235。3.1荷载标准值3.1.1压型钢板（含保温棉、灯等其它配件）檩条（包括拉条）3.1.2屋面均布活荷载和雪荷载最大值为，基本风压为。3.2内力计算3.2.1永久荷载与屋面活荷载组合檩条线荷载弯矩设计值当时和跨度处弯矩当时和跨度处弯矩3.2.2永久荷载与风吸力荷载组合按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），房屋高度大于10m，风荷载高度变化系数取屋脊高度处数值，其值为：风荷载体型系数为：-1.4（边缘带），(A=1.5×7.5=10.5>10)垂直屋面的风荷载标准值：（吸力）檩条线荷载当时当时弯矩设计值(采用受压下翼缘不设拉条的方案)永久荷载与屋面活荷载组合起控制作用。3.3截面选择及截面特性3.3.1选用C220×75×20×2.5如下先按毛截面计算截面应力为：（压）（压）（拉）（拉）图3.1檩条截面力系图3.3.2腹板（1-4）：腹板为加劲板件，，取所以上翼缘（1-2）：上翼缘板为最大压应力作用于部分加劲边,3.腹板（1-4）：，，，，，，计算板组约束系数为：，，由于，则，，，，，。计算截面有效宽度为：，扣除面积部分的长度为：110-98.64=11.36上翼缘（1-2）：计算板组约束系数为：，，由于，则，，，，，，计算截面有效宽度为：，则，扣除面积的宽度为：75-62.1=12.9mm下翼缘板：下翼缘板全截面受拉，全部有效。3.3.4截面模量上翼缘板的扣除面积宽度为：，腹板的扣除面积宽度为：，同时在腹板的计算截面有拉条连接孔（距上翼缘板边缘42mm），孔位置与扣除面积位置基本相同，所以腹板的扣除面积宽度按8mm计算如图2.2所示：图3.2檩条有效截面图，3.3.5强度计算屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转3.3.6有效截面模量永久荷载与风吸力组合下的弯矩小于永久荷载与屋面可变荷载组合下的弯矩，根据前面的计算结果，截面全部有效；同时不计孔洞削弱，则由于均布风荷载方向离开弯心，故取正值，cm构件的几何参数为：，查《冷弯薄壁型钢结构结束规范》中表A.2.1-4可得：，所以：，长细比：，则，考虑有效截面乘以0.95（不计空洞削弱）的折减系数，由下式计算其稳定性为:，满足计算表明由永久荷载与屋面活荷载组合控制3.3.73.3.8，故此檩条在平面内、外均满足要求。4吊车梁设计选用大连重工大起集团DQQD型桥式吊车起重机技术规格：起重量Q=10t,跨度S=16.5m，B=5700mm,W=4050mm，，；起重量Q=10t,跨度S=10.5，B=5700mm,W=4050mm，小车重：3.424，总重：14.270t轨道型号：43kg/m,4.1吊车荷载计算4.1.1吊车荷载动力系数吊车荷载分项系数可不考虑吊车横向水平荷载，吊车竖向荷载设计值为：4.2内力计算4.2.1吊车梁中最大弯矩及相应的剪力产生最大弯矩的荷载位置如下图所示，由下式可得梁上所有吊车轮压的位置为：1）吊车梁上有三个轮压时：图4.1吊车梁弯矩计算简图自重影响系数取1.03，则C点的最大弯矩为：在处相应的剪力为：2）吊车梁上有两个轮压时,由公式可得(梁上所有吊车轮压的位置如下图)：C点的最大弯矩为：可见由第二种情况控制。在处相应的剪力为：4.2荷载位置见下图，由下式可得图4.2吊车梁剪力计算简图4.3截面选择钢材选用Q235，初选截面如下图所示图4.3吊车梁截面尺寸4.4验算4.4.1毛截面特性净截面特性：上翼缘对y轴的截面特性：4.4.2强度计正应力：上翼缘正应力为：下翼缘正应力为：剪应力：平板支座处剪应力为：4.4.腹板局部稳定：采用43Kg/m钢轨，轨高为140mm集中荷载增大系数则腹板局部压应力为： 腹板计算高度边缘处折算应力为：图4.4计算吊车梁折算应力时荷载位置图满足要求。吊车梁的整体稳定性：应计算梁的整体稳定性因集中荷载并非在跨中附近，所以受弯构件整体稳定的等效弯矩系数吊车梁的整体稳定性系数为：整体稳定性验算：腹板的局部稳定性：，加劲肋间距外伸宽度：取厚度：4.4.4疲劳计算：计算跨中处，吊车梁腹板计算高度边缘的弯曲应力为腹板平均剪应力为：腹板边缘区格压应力为：1）计算所以2）计算则：所以3）计算所以，满足4.4.5挠度计算：按一台吊车计算，梁跨有两个吊车轮压（），如下图所示图4.5吊车梁标准荷载下的弯矩计算简图C点的最大弯矩为：挠度计算为：4.4.6取平板支座加劲肋的外伸宽度厚度取突缘支座加劲肋板宽按公式计算平板支座加劲肋端面承压应力为：对于突缘支座，见图4-6A)图， 图4-6支座加劲肋计算简图对平板支座，由图4-6B），平板支座处控制，属B类截面，查12-7b表，可得，支座加劲肋在腹板平面外的稳定性为：4.4.7焊缝计算上翼缘与腹板的连接焊缝为：取下翼缘板与腹板的连接焊缝为：取支座加劲肋与腹板的连接焊缝为：设，则所以取5墙梁设计由于实例建筑有两种跨度的墙梁，侧墙跨度为7.5m，山墙为6m。侧墙设两道拉条，承受垂直荷载跨度为2.5m，而山墙设一道拉条，承受垂直荷载的跨度为3m。因此，对这种墙梁需要分别计算内力。5.1荷载计算5.1.1荷载标准值永久荷载：单层压型彩色钢板面板隔热层0.05墙梁自重0.07图5.1山墙墙架结构布置图5.1.2荷载设计值永久荷载：风荷载：基本风压，高度变化系数（B类，10.7m高）从表可知，有效受风面积。墙梁的体型系数在中间区与边缘带相同，现求山墙墙梁有效受风面积A（侧墙大于山墙）。按风吸力验算，对封闭建筑。墙梁线风荷载标准值为：设计值为：5.2内力计算现假定永久荷载部分由拉杆承受，则侧墙墙梁在竖向可按三跨连续梁计算内力。风荷载w产生的内力按简支梁计算，其跨中中点和距支坐1/3跨度处的弯矩分别为：1/3跨度处：风荷载作用下，支座处的剪力为：5.3强度验算：墙梁跨中截面与拉条处的应力符号如图5.2所示。选用冷弯薄壁C型钢，截面C200×70×20×2.25.3.1截面特性：图5.2现用毛截面计算构件的应力：点1，点2，点3，点4，板件1-2是非均匀受压加劲板件，则现计算板件1-4的受压稳定系数K现最大压应力在支承边，则所以板1-2的，因此，将其代入计算系数：所以，。计算所以，板1-4的为板1-2的K，，此处b=70mm,c=200mm，将其代入计算系数所以，。计算现，现在，有效截面力学性能参数计算：计算（截面几何尺寸见下图5.3所示）从板件的有效宽度计算宽度计算可知，板1-2需扣除宽度：图5.3墙梁净截面计算板1-4需要扣除宽度：确定扣除截面后x轴的为：求绕轴的：点1，点3，因此，抗弯强度满足要求。剪应力：因此，抗剪强度满足要求。5.4挠度验算水平向挠度：竖直向挠度：因此，变形满足要求。6抗风柱设计6.1荷载计算图5.4抗风柱计算简图6.1.1作用于10.70m抗风柱上的风荷载6.1.2垂直荷载：6.2截面选择及验算6.2.1根据长细比和挠度需要试选截面：选用截面特性：柱中一半高度处：柱的最大轴力：6.2.2稳定验算柱平面内的稳定验算：，按b类构件查表可得：式中，，代入公式抗风柱平面外的稳定性一般与刚架边柱相同，用隅撑减少平面外的无支长度，可不做验算。6.2.3变形验算：因此，满足要求。7刚架验算刚架采用Q235-B钢，刚架柱和刚架梁均采用焊接工字型截面7.1刚架内力组合7.1.1荷载作用下刚架内力图由于刚架为超静定结构，其内力无法根据静力平衡条件求出，必须考虑变形协调条件才能求解。为方便计算和加快设计进度，使用PKPM-STS进行结构内力计算。并且可根据计算结构得到弯矩包络图，剪力包络图，剪力包络图等。 7.1.2永久荷载+活荷载：永久荷载+风荷载（当永久荷载有利时）：永久荷载+0.9（风荷载+活荷载）：永久荷载+吊车荷载：永久荷载+0.9（风荷载+吊车荷载）：7.1.3内力分析根据PKPM-STS计算的刚架内力包络图可知：梁1：梁4：梁5：柱1：柱2：柱3：7.2刚架梁截面验算7.2.1刚架梁截面选择刚架斜梁的截面高度H取跨度的1/30—1/45，取H=550采用焊接工字形截面，如下图所示图7.16刚架梁截面7.2.2刚架梁的平面内稳定计算梁1：取截面无孔洞削弱，按下式计算的强度为：强度满足要求梁4：取截面无孔洞削弱，按下式计算的强度为：强度满足要求梁5：取截面无孔洞削弱，按下式计算的强度为：强度满足要求。7.2.3刚架梁的平面外稳定计算考虑屋面压型钢板可与檩条牢固连接，且存在“蒙皮效应”，因此檩条可作为横梁平面外的侧向支承点。但为了偏于安全起见，对于钢梁平面外的计算长度则应根据隅撑的位置来确定，本设计隅撑设置位置为两檩距一个，故钢梁的平面外计算长度取为2倍的檩条距离，即属C类截面，查表可得等截面构件按所以由下式计算梁的整体稳定系数为：由下式计算的整体稳定性为：钢梁内力取梁4端部内力：所以，满足要求7.2.4钢梁局部稳定验算1）翼缘局部稳定验算，满足要求2）腹板局部稳定验算，满足要求7.3边柱刚架截面验算7.3.1边柱刚架截面选择边柱刚架柱的截面高度H通常小于刚架斜梁的高度，故取H=500mm采用焊接工字形截面，如下图所示7.3.2单元内力边柱考虑各种荷载效应的组合后，根据电算结果可得出刚架柱的最大内力设计值为：7.3.3单元计算长度7.3.3.1平面外计算长度：柱平面外的计算长度为最大侧向支撑点的间距即7.3.3.2平面内计算长度。由于中柱非摇摆柱，则单位水平荷载作用下，通过电算得出有且已知中柱轴力，有柱平面内计算长度7.3.4强度验算7.3.4.1控制截面的强度验算，满足要求，满足要求7.3.4.2单元抗剪承载力验算由于柱子仅有支座加劲肋，腹板不设置横向加劲肋，所以，有由于<0.8,则7.3.4.3单元抗弯承载力验算由于，则7.3.5整体稳定性验算7.3.5.1平面内整体稳定性对于x轴，属于Q235钢，按b类截面，查表可得，则满足平面内稳定性要求。7.3.5.2平面外整体稳定性对于y轴，属于Q235钢，按b类截面，查表可得，则可以求出等效弯矩系数由于钢柱为等截面，故，再有：修正可得：满足平面外整体要求。7.3.6局部稳定验算7.3.6.1翼缘局部稳定钢柱翼缘满足局部稳定要求。7.3.6.1腹板局部稳定钢柱腹板满足局部稳定要求。经计算其他柱均满足要求。7.4中柱刚架截面验算7.4.1中柱刚架的截面高度H通常小于刚架斜梁的高度，故取H=500mm（等截面）采用焊接工字形截面，如图7.17所示图7.17刚架柱截面7.4.2单元内力中柱考虑各种荷载效应的组合后，根据电算结果可得出刚架柱的最大内力设计值为：7.47.4.3.1平面外计算长度：柱平面外的计算长度为最大侧向支撑点的间距即7.4单位水平荷载作用下，通过电算得出有且已知边柱轴力，有柱平面内计算长度：7.47.4，满足要求满足要求7.4.4.2单元抗剪承载力验算由于柱子仅有支座加劲肋，腹板不设置横向加劲肋，所以，有由于<0.8,则7.4由于，则有7.47.4对于x轴，属于Q235钢，按b类截面，查表可得，则满足平面内稳定性要求。7.4.5.2平面外整体稳定性对于y轴，属于Q235钢，按b类截面，查表可得，则可以求出等效弯矩系数由于钢柱为等截面，故，再有：修正可得：满足平面外整体要求。7.47.4钢柱翼缘满足局部稳定要求。7.4.6.1腹板局部稳定钢柱腹板满足局部稳定要求。7.5刚架变形验算7.5.1柱顶侧移根据计算结果，刚架柱顶在风荷载标准值作用下的相对侧移为H/4331<H/240,满足要求刚架梁在竖向荷载标准值作用下的挠度为1/584<1/180,满足要求。8节点验算8.1设计资料边跨梁柱节点采用10.9级高强度螺栓摩擦连接，构件接触面采用喷砂，摩擦面抗滑移系数，每个高强度螺栓的预应力为P=155KN。8.2梁与柱相交的节点域由下式计算的梁与柱相交的节点域的抗剪强度为：8.3边跨梁柱和跨中梁柱高强度连接螺栓计算采用10.9级M20高强度螺栓摩擦型连接，摩擦面采用喷砂（丸）处理8.3.1边跨梁端取采用10个M20螺栓，如下图所示图8.1梁柱拼接节点连接螺栓计算简图由于螺栓为对称布置，所以截面形心与螺栓群形心的距离为：每个螺栓抗剪承载力设计值为：每个螺栓抗拉承载力设计值为：考虑轴向压力影响厚最上端螺栓的拉力为：每个螺栓的剪力为：最上端螺栓的承载力为：，满足要求8.3.2跨采用10.9级M22高强度螺栓摩擦型连接，摩擦面采用喷砂（丸）处理采用10个M22螺栓，，如下图所示图8.2跨中梁柱截面连接螺栓计算简图每个螺栓抗剪承载力设计值为：每个螺栓抗拉承载力设计值为：考虑轴向压力影响厚最下端螺栓的拉力为：每个螺栓的剪力为：最上端螺栓的承载力为：满足要求8.4端板厚度计算8.4.1边柱端板为两边支撑类端板，且端板外伸，故：8.4.2中柱端板为两边支撑类端板，且端板外伸，故：8.5刚接柱脚锚栓计算8.5.1边柱柱脚锚栓计算边柱底板取为：750×420取边柱柱底端荷载内力设计值：受压高度：受拉锚栓至受压区中心距离：边柱底板尺寸及锚栓布置图轴心力N至受压中心距离为：受拉区每个锚栓的拉力为：所需锚栓的面积为:所以，两边柱柱脚底板都选用锚栓。边柱底板厚度计算根据底板应力和支承情况，其中板脚取两边支承，边缘取三边支承，柱腹板与隔板间取四边支承，按计算所需最大厚度确定底板厚度，底板分为三个区格，计算如下：板底反力:边柱带肋板的刚接柱脚底板计算图①区格为两边支承，按三边支承计算；，查表可得：②区格为三边支承，按三边支承计算；，查表可得：③区格为三边支承，按三边支承计算；，查表可得：所以取地板厚度为：t=22所以，两边柱底板尺寸都取为：8.5.2中柱锚栓计算中柱底板取为：740×410取边柱柱底端荷载内力设计值：中柱底板尺寸及锚栓布置图受压高度：受拉锚栓至受压区中心距离：轴心力N至受压中心距离为：受拉区每个锚栓的拉力为：所需锚栓的面积为:所以，选用锚栓中柱底板厚度计算根据底板应力和支承情况，其中板角取两边支承，边缘取三边支承，柱腹板与隔板间取四边支承，按计算所需最大厚度确定底板厚度，底板分为三个区格，计算如下：中柱带肋板的刚接柱脚底板计算图板底反力:①区格为两边支承，按三边支承计算:，查表可得：②区格为三边支承，按三边支承计算；，查表可得：③区格为三边支承，按三边支承计算；，查表可得：所以,取地板厚度为：t=25mm所以，中柱底板尺寸取为：mm9牛腿设计图9.1牛腿截面尺寸集中荷载下牛腿高度为200+200×200/575=270设翼缘板为-250×10，腹板厚为89.1强度计算9.1.1抗剪强度计算集中荷载下腹板的抗剪强度为：9.1.2抗弯强度计算牛腿根部抗弯模量:牛腿根部（1点）的抗弯强度为：9.1.3折算应力验算牛腿根部（2点）应力为：2点的折算应力为：，满足要求。10基础设计10.1基础类型选择本建筑为轻型钢结构，基础选择柱下钢筋混凝土独立基础。10.2确定地基持力层和基础埋置深度根据场地地基土层分布情况，0—0.8m为杂填土；0.8—4.2m为粉质粘土；4.2m以下为粉土。土壤冻结深度为0.4m，基础最小埋置深度为0.6m，综合上述因素选择第二层（0.810.3确定地基承载力已知第二层持力层土的主要物理力学指标r=18.7KN/m3、e=0.900、Es=6.0MPa、fak=115KPa查表得承载力修正系数代入上式的修正后的地基承载力特征值为：图10.1地层分布图10.4基础梁设计混凝土强度等级为,钢筋采用HPB235级钢筋。10.4.1荷载计算10.4.2内力计算10.4.3截面尺寸b×h及纵向钢筋面积As计算已知fc=9.6N/mm2、fy=210N/mm2、查表得：设b=150mm,h=200mm计算系数：故选用验算适用条件：10.5基础结构设计采用混凝土，HPB235级钢筋，ft=1.10N/mm2,fy=210N/mm2,垫层采用混凝土。10.5.1边柱基础计算计算基础时，取荷载效应基本组合所以取已知初步确定基础底面尺寸考虑荷载偏心，将基础地面积初步增大20%，得取A=4.3m2取基础底面边尺寸为:b=1.8m因为b=1.8m<3m,故f所以，基底处的总竖向力为：基底压力计算：所以，基础底面尺寸满足要求。基地净反力计算：基础高度：柱边截面，取h=800mmh0=755因偏心受压，按下式计算时Pj取Pjmax，满足要求。配筋计算：沿基础长度方向，对柱边截面Ⅰ-Ⅰ处的弯矩MⅠ为：沿基础长边方向，对柱边截面Ⅲ-Ⅲ处的弯矩MⅢ：比较和，按构造要求配筋