1、 “万州杯”宁夏大学生钢结构设计大赛 -门式刚架单层厂房计算书 GJGDS 10 2016 年 5 月 9 日 目录 第一部分 设计资料 .1 一、 工程概况 .1 二、设计相关资料 .1 三、设计其他资料 .1 四、设计任务要求 .1 第二部分 建筑设计 .3 一、厂房平面形式的选择 .3 二、柱网的选择 .3 三、辅助构件的定位 .3 四、厂房高度的确定 .3 五、剖面设计 .3 六、采光设计 .4 七、通风设计 .4 八、厂房的保温，隔热设计 .4 九、定位轴线的确定 .4 十、建筑立面设计 .4 第三部分 结构计算 .6 一、结构体系的选择 .6 二、材料选择 .8 三、檩条的设计 .
2、8 四、墙架设计 . 11 五、抗风柱设计 . 13 六、吊车梁设计 . 14 七、刚架内力分析及设计 . 18 八、截面选择与强度验算 . 29 九、节点设计及计算 . 33 十、牛腿截面设计 . 38 十一、基础设计 . 39 第 1 页 第一部分 设计资料 一、 工程概况 本设计为一门式刚架汽车零件组装厂房，厂房位于银川市西夏区。厂房长 63m，宽 24m，高 9.6m。 二、设计相关资料 1、最大风速 25m/s，主导风向：北，基本风压 0.65KN/。 2、最大积雪深度 210mm，基本雪压 0.35KN/。 3、最高地下水位 -9m。 4、土壤冻结深度 -1.50m。 5、冬季相对
3、湿度为 55%，夏季相对湿度为 40%。 6、车间防火等级为 丙 类。 7、地基承载力标准值为 a220KP ，无不良地基。 三、设计其他资料 1、厂房采光面积比为 1/6 1/8。 2、厂房地坪荷重 10 2m/KN ，均采用水磨石地面，全部地坪待设备基础完工后再施工。 3、厂房在纵向设 3.6m 3.6m 小门两个，在横向设 12m 7m 大门一个，门上有挡雨棚，外挑 900mm。 4、厂房内设桥式吊车一辆，软钩，吊车工作级别位 A3（轻级工作制），具体参数如下： 表 1-1 电动桥式吊车数据表 起重量 Q（ t） 跨度 kl (m) 基本尺寸（） 起重机量（ t） 最大轮压（ KN） 大
4、车宽 B 大车轮距 K 轨面至车顶高度 H 轨中心至大车外边缘 B1 大车 小车 P1 P2 10 22.5 5290 4050 1677.0 230.0 240 39 133 37 四、设计任务要求 1、 建筑设计 图纸内容：建筑平面图、正立面、剖立面、节点详图。 建筑设计说明书内容：设计任第 2 页 务简介、平、立、剖面设计说明、承重及围护结构选择和布置、主要节点 构造说明。 2、结构设计 图纸内容：柱、吊车梁、柱间支撑等布置图；屋面檩条布置图、墙架布置图；节点图（柱脚、檩托、牛腿、柱和梁交接处）；刚架图。 3、说明部分： 结构方案、承重构件（包括屋面板、檩条、吊车梁、柱、基础、支撑系统）
5、 4、计算部分 需要完成厂房刚架（横向及纵向）内力分析及柱的一个完整设计，其具体内容为： 对厂房横向刚架进行荷载计算、内力分析及截面设计、吊车梁的设计、檩条、墙架及柱间支撑的设计、牛腿柱的设计、基础的设计。 5. 参考书目 单层厂房建筑设计中国建筑工业出版社 厂房建筑统一化基本 规则（ TJ6-74） 建筑结构荷载规范（ GB50009-2012） 钢结构设计规范（ GB50017-2012） 冷弯薄壁型钢结构技术规范（ GB50018-2003） 门式刚架轻型房屋钢结构技术规范（ CECS102-2002） 钢结构设计手册中国建筑工业出版社 钢结构设计计算图表北京钢铁设计研究总院编 冶金工业
6、出版社 钢结构设计原理（课本） 钢结构设计（课本） 轻型钢结构设计手册 第 3 页 第二部分 建筑设计 一 、厂房平面形式的选择 由长度 63m 及宽度 24m 确 定该厂房平面形式选为矩形，这种平面形式较适应工作段之间联系紧密，形状规整，且这种平面形式由于宽度不大，室内采光和通风较容易设计。矩形形式规整，构造简单，造价低，施工快，采用此平面形式完全可以满足使用上和工艺上的要求。 二 、柱网的选择 由车间的长，宽，跨度尺寸柱距的要求确定柱子的位置，柱在平面中排列所形成的网络为柱网。 综合考虑门式刚架的合理跨度有 9m、 12m、 15m、 18m、 24m，檩条的跨度有 0.9 m、 1.2
7、m、1.5m 以及荷载性质和类型等各方面的影响因素，柱距取 7m，檩条间距取 1.5m。 在 B、 D 号 轴线靠山墙处各设两根抗风柱，且柱距为 12m，距离 A、 E 号定位轴线间距离各为 6m。 三 、辅助构件的定位 1、 在 B、 D 定位轴线间 3、 4 号轴线的抗风柱间设 12m 7m 的大门一个，主要供车辆的出入，在 A 号轴 3、 4 号轴线， 7、 8号轴线间设 3.6m 3.6m 的小门各一个，主要供材料和人员的出入，门上有挡雨棚，外挑 900mm。 2、 在满足车间采光面积比为 1/6 1/8 的前提下，在厂房两侧纵墙开窗，柱间窗户尺寸为 3.6m 1.8m。 3、 外围散
8、水坡度 i=5%， 1000mm，大门入口的坡道坡度 i=10%，且设有防滑条，宽为 150mm。 4、 室内外高差为 150mm，室外地面标高为 -0.150m,在厂房的外围四周 0.000m 以上 1.2m范围均为砌体砌筑的墙体，厚度为 240mm。 四、 厂房高度的确定 单层厂房的高度是指地面至屋架下表面的垂直距离，一般情况下，屋架下表面的高度即是柱顶与地面之间的高度，所以单层厂房的高度即是地面到柱顶的高度。厂房高 9.6m，柱子的高度选取为 9m，埋入基础以下 600mm。 五 、剖面设计 厂房的工艺流程对剖面设计的影响很大，因而在满足生产要求的前提下，解决好厂房的第 4 页 采光和通
9、风，使其有良好的室内环境，合理的选 择屋面排水，围护结构的形式及其构造，使厂房具有随气候条件变化影响小的围护功能，进而保证生产的正常进行以及为工人创造良好舒适的生产环境，同时满足建筑工业化的要求。 六 、采光设计 由于天然光的照度时刻都在变化，室内工作面上的照度也随之改变，因此，采光设计不能用变化的照度来作依据，而是采用采光系数的概念来表示采光标准。 设计书中规定的厂房采光面积为 1/6 1/8，则试设计在侧墙开窗采光，且为双侧采光。在吊车梁处设置高侧窗，提高了远离窗户处的采光效果，改善了厂房光线的均匀程度，高侧窗宽为 3.6m，高为 1.8m。 七 、通风设计 厂房的通风方式有两种，即自然通
10、风和机械通风，该厂房采用自然通风。自然通风是利用空气的自然流动将室外的空气引入室内，将室内的空气和热量排至室外，针对该厂房的特点可利用室内外的温差造成的热压和风吹向建筑物而在不同表面上造成的压差来实现通风换气，不失为一种经济合理的通风方式。因此，在厂房的平面布置上要使厂房长轴与夏季主导风向垂直，且厂房宽度 24m 32m，便于组织穿堂风，以侧墙上的侧窗和山墙上的大门作为主要的通风道。 八 、厂房的保温，隔热设计 为保证厂房的围护结构具有一定的保温性能和在构造上的严密性， 屋面和墙面均采用轻质高强的压型钢板，内夹一定厚度的聚苯板用来保温隔热。 九 、定位轴线的确定 单层厂房的定位轴线是确定厂房主
11、要承重构件位置的基准线，同时也是设备安装，施工放线的依据。依据我国现行的厂房建筑模数协调标准中的规定，定位轴线的划分与柱网布置是一致的，通常把厂房定位轴线划分为横向和纵向。垂直与厂房长度方向的称为横向定位轴线，平行于厂房长度方向的称为纵向定位轴线。 除山墙处端部刚架柱的横向定位轴线与抗风柱内缘相重合外，其余横向定位轴线与中间柱的中心线相重合，纵向定位轴线与吊车轨中心线的距离为 750mm。端部排架柱的中心线自端部横向地位轴线内移 600 ，因此端部实际柱距减少了 600mm，为 540mm。 十 、建筑立面设计 第 5 页 为使立面简洁大方，比例恰当，达到完整均匀，节奏自然，色调质感协调统一的
12、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。高侧窗为推拉窗，在正立面开有 3.6m 3.6m 的门，门上设有外挑 900mm 的雨棚。 第 6 页 第三部分 结构计算 一、结构体系的选择 1、 门式刚架 根据门式刚架轻型房屋钢结构技术规范（ CECS102-2012）关于门式刚架建筑尺寸的规定：门式刚架跨度宜为 9 36m，以 3M为模数；高度宜为 4.5 9.0m；刚架的间距，及柱网轴线在纵向的间距宜为 6m。在本设计中所给资料中提供的是一座 长度为 63m ， 跨度为24m，柱距为 7m，采用轻型屋盖和轻型外墙的单层厂房，车间内设 10t 的轻
13、型工作制吊车，分析以上所给资料，无论从技术的角度还是经济的角度来看，选用门式刚架操作为本厂房的主要承重结构体系，完全满足使用上和功能上的要求 。 因 此，在本设计中，门式刚架的柱、梁截面均选用等截面的实腹焊接工字形截面，为提高整个厂房的整体性和稳定性，柱脚的连接形式采用 平板式铰接柱脚 ，梁柱之间的连接采用高强螺栓，总体设计力求技术先进，经济合理，使用方便。 2、屋面系统 2.1 屋面板 屋面板选用双层压型钢板内夹聚苯保温板的轻型屋面结构，其具有轻质、高强、美观、耐用、覆盖面积较大、用料省、连接简单、施工方便，而且防火、可满足不同尺寸的要求。压型钢板间的搭接所用紧固件设于波峰之上，横向搭接与主
14、导风向一致，且采用错缝铺法，一般错开 1 2 波即可，以免重叠搭接。 2.2 檩条 在该屋面体系中，选用卷边槽形冷弯薄壁型钢檩条，跨度 7m，高度取跨度的 1/35 1/50，最后由计算确定 截 面尺寸。 檩距取为 1.5m，檩条的布置使腹板垂直屋面坡面，对槽钢檩条，宜将上翼缘卷边朝向屋脊方向，以减小屋面荷载偏心而引起的扭矩，宜采用双脊檩条方案。檩条的连接，与屋面可靠连接，以保证屋面能起阻止檩条侧向失稳和扭转，与压型钢板屋面连接，以防止檩条在支座处的扭转变形和倾覆，檩条端部与檩托的连接螺栓不少于 2 个，并沿檩条高度方向设置。 2.3 拉条与撑杆 为了减小檩条在安装和使用阶段的侧向变形和 扭转
15、，保证其整体稳定性而设置拉条，做第 7 页 起侧向支撑点。在檩条跨度位置设置一道拉条（规范： i=1/10，檩跨 4m 设一道；跨度 6m在檩跨三分点出各设一道 ） 。 为了减小屋架上弦平面外的计算长度，并增强其平面外的稳定性，可将檩条与屋架上弦横向水平支撑在交叉点处相连，使檩条兼作支撑的竖压杆，参加支撑工作。在檐檩和其相邻的檩条间设撑杆，撑杆采用钢管内设拉条的做法 ， 在檐口处设置斜拉条和撑杆。 3、吊车梁系统 在本设计中，车间内设一辆起重量为 10t 的桥式软钩轻级工作制吊车，考虑到其起重量小，吊车梁采用 7m 跨度的焊接工字形截 面。为增强其整体稳定性，保证桥式吊车在梁上的平稳行驶，采用
16、加强受压翼缘且沿梁全长均为同一截面的吊车梁。每隔一定距离在梁的上翼缘平面外设侧向支撑点。通过计算确定梁的截面尺寸使之满足承载力的要求，端跨吊车梁的连接与中间跨的有所区别 。 4、基础 由于柱脚处荷载较小，故考虑采用独立基础。阶梯形的刚性独立基础为主要的选择形式，在刚性角的范围内确定台阶的高宽尺寸，垫层采用 C10 混凝土厚度为 100mm， 基础 混凝土标号不小于 C25，构造钢筋直径为 8 10mm，间距为 150 200mm。 5、围护结构体系 5.1、砖 墙 墙面标高 1.2m 以下采用 240mm 砖墙，作为上部墙板的支撑段，同时也对地下潮气的上升起到一定的阻止作用，使墙板和柱免受腐蚀
17、。 5.2、 压型钢板墙 墙面标高 1.2m 以上的所有墙体均采用彩色夹心保温压型钢板，根据门窗尺寸和墙架间距选用合适的压型刚板来满足轻质、美观、耐用、保温、施工简便、防火等方面的要求。 5.3、墙架 墙架的截面形式选为 C 型，跨度同柱距选 为 7m，开口方向参见墙梁布置图。在墙梁的跨中设一道拉条，作为墙梁的竖向支撑，在最上端的两相邻墙梁间设斜拉条将其以下拉条所受 的拉力传于柱。墙板与墙 梁的连接采用自攻螺栓，对于单侧挂板的墙梁，板的自重会对墙梁产生偏心，为消除偏心的作用，拉条连接在挂板一侧 1/3 板与柱间距处。拉条直径为 812mm。 第 8 页 二、材料选择 1、 钢材种类 钢结构所用
18、钢材主要有两个种类，即碳素结构钢和低合金高强度结构钢。在本设计中选用碳素结构钢作为结构构件的主要用钢。 钢材强度主要由其中碳元素含量的多少来决定，对建筑结构用钢而言，在满足强度的前提下，还要具有一定的塑性和韧性，随着含碳量的增加，碳素钢的强度也在提高，而塑性和韧性却在降低。在由 Q195 到 Q275 的所有碳素结构钢的牌号中，且 综合考虑结构和构件的重要性，荷载性质，连接方法，工作条件等方 面 ， 因此选择 Q235 钢是较理想的钢号。 钢结构的元件是型钢及钢板，在本设计中门式刚架结构用钢结构体系中，首选型钢，其次为焊接钢板制作构件，考虑到刚架梁柱截面较大，没有合适的型钢可造，故采用焊接工字
19、形截面的焊接成型钢来满足结构用钢的要求，还有吊车梁用钢也只能选用焊接钢板组成的工字形钢。其余的小柱，檩条，墙架，小梁，板材均可直接由热轧型钢，冷弯薄壁型钢和热轧钢板表中选用，这样可以减少制作工作量，提高工业化水平，加快施工速度，进而降低工程造价。 2、保证 项目 本设计中的门式刚结构厂房用钢的主要牌号是 Q235 钢，依据所处的不同环境和所承受的荷载效用以及结构的重要性，采用不同的质量等级，同时也具备不同的保证项目。 3、连接材料 在本设计中所涉及的所有连接所用钢材，如焊条，螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应。焊条选用 E43 系列焊条，采用手工电弧焊，连接螺栓分为普通螺栓和高强螺栓两种。横梁跨中拼接点，梁柱拼接点所用螺栓一律为高强螺栓，其余为普通螺栓连接。初步确定高强螺栓为 10.9 级，柱脚与基础的刚性连接采用锚栓，锚栓钢号也为 Q235。 三、檩条的设计 檩条 的选择和在屋架上的布置和搁置：实腹式檩条的截面高度 h， 一般为跨度的 1/351/50，故初步选用檩条为卷边槽形冷弯薄壁型钢 C2207 5202.5。 实腹式檩条的截面均垂直于屋面坡面，且卷边 C 型槽钢的上翼缘肢尖（即卷边）朝向屋脊方向（以减小屋面荷载偏心而引起的扭矩）。屋脊檩条的布置采取双檩方案，双脊檩之间的间距为 0.2m，双脊檩与跨中
