土木工程毕业设计（论文）-重型工业厂房钢结构设计.doc

毕 业 设 计题 目： 重型工业厂房钢结构设计 入 学 年 月_2006年10月_ 姓 名_ _ 学 号_ _专 业_土木工程_学 习 中 心_今明学习中心_指 导 教 师_ _完成时间 2008_年_9_月_20_日目 录摘 要3第一章正文4简介4有侧移框架5弹塑性铰分析方法的精确度6改进塑性铰分析方法7轴心受力柱8独立梁柱结构11具体例子的分析12刚性框架13极限承载能力14荷载分布与估计的破坏模型16荷载作用点轨迹18Vogel的六层框架18荷载位移曲线18力分布与塑性铰形成19设计推论20设计建议22第二章参考文献26附 录28计算书28一. 荷载28二. pkpm内力计算结果28三.屋面檩条计算132四. 墙梁计算136五.抗风柱计算142六.吊车梁计算148七屋面横向支撑计算158八柱间支撑计算158九. 节点设计160图 纸161致 谢172重型工业厂房钢结构设计摘 要本文讨论的是与二维钢框架结构设计改进分析方法相关的若干使用问题。我们对弹塑性铰分析方法的精确度专门进行了检查，并且确定了它的应用范围。我们还推荐一种叫做改进塑性铰分析的方法，并对它的设计原理做了分析。我们做了一些个案分析，目的是为了阐述改进塑性铰方法在预测独立构件强度和局部稳定以及整体结构强度方面的精确性。同时，把它的结果与弹塑性分析结果和塑性区分析结果的作出对比，从而评价了这个分析模型的性能。本文的目的是阐述塑性铰分析方法在应用于预测钢构件和框架的极限强度和工作性能时的效果和局限。关键词：钢结构 塑性铰 弹塑性分析重型工业厂房框架结构二阶改进塑性铰分析第一章正文简介在一位学者的论文中（Liew et al. 1993）已经论述了对传统的弹塑性铰模型的改进，它描述了梁柱的非弹性性能并保证了对钢框架高级分析有足够的精确度。合成模型已经对改进塑性铰方法做了定义。这篇论文详细地评估了用来模拟梁柱和框架平面内强度性能的弹塑性铰和改进的塑性铰分析方法。当前的基本问题是基于Kanchanalai (1977) 和Zhou et al. (1990) 所阐述的有侧移框架和独立梁柱结构的塑性区分析方法的Kanchanalai的著作中有侧移框架的例子描述了框架结构中一系列非常典型的梁柱特征。Zhou的著作中独立梁柱结构的研究也提出了另外的基本点，但构件的二阶影响会比较大。任何分析方法如果与这些基准点相符合就可以被认为是满足二维改进非弹性分析的。也就是说，分析模型可以以足够的精确度来表达梁柱的强度从而单独的具体构件的承载力验算就不需要了。一个全面的研究是由两个刚性框架和一个六层非刚性框架组成的。对这些框架的评价是基于荷载承载力设计的弹性分析方法塑性铰分析方法的。我们把这些分析方法得出的结果和框架完全塑性区分析方法的结果做了比较。这些研究的主要目的是确定可以用于设计的塑性铰分析方法的可靠度和精确度。第二个目的是比较非弹性分析方法和LRFD弹性分析方法得出的有侧移和无侧移框架在强度极限状态下的性能。这些比较为非弹性分析方法在平面框架极限状态设计中的应用提供了支持和依据。用于直接计算构件和系统强度的塑性铰分析方法的适用范围已经得到确定。并且还论述了这些方法在钢框架结构高级分析中的应用，提出了设计的建议。接着总结了本文的重点。本文所引用的例子是Liew（1992）研究的构件和框架问题的一部分。Liew的著作中的全部问题包括带有刚性和半刚性连接的有侧移和无侧移框架，带有嵌板区变形的框架，斜柱框架，独立梁柱，强弱轴柱的工作性能。有侧移框架图13把二阶弹塑性铰和改进塑性铰分析方法得出的非平面强度曲线和Kanchanalai（1977）的塑性区结果做了比较。因为Kanchanalai的塑性区分析方法是作为基准而应用于美国钢结构协会的LRFD梁柱方程（Yura 1988；Liew et al.1991）的发展中的，所以任何可以满足这些基准的分析方法都可以被认为是满足二维高级非弹性分析方法的要求的，从而不必验算单独的具体构件的承载能力。图中同时给出了强轴和弱轴的用于塑性区分析方法的强度曲线。然而，对于塑性铰分析方法只给出了强轴的强度曲线。因为其结果是用无量纲的形式表示的，而且用于强轴和弱轴截面强度分析的是同一种塑性强度曲线（例如用于零长度构件的LRFD梁柱影响方程），所以建立在铰分析基础上的弱轴曲线和强轴强度曲线是非常相似的。此塑性区分析方法对于无初始几何缺陷的框架是通用的，但是已经考虑了初始应力的影响。比较各种方法，改进塑性铰分析方法用的是只考虑初始应力影响的切线模量。同样的，在接下来的全部复核研究中，改进塑性铰分析方法是利用了抛物线型刚度退化作用。另外，图13中给出了一条表示梁柱构件初始弯曲作用的曲线。这条曲线是由二阶分析得出的，图1. 且的门式框架强度曲线的对比其中考虑了强轴的弯曲和残余应力的影响（端部边缘取得最大压应力值0.3）。弹塑性铰分析方法的精确度弹塑性分析方法经常把框架的最大承载能力估计的过高。在图1和2描述的门式钢架中，塑性铰模型的强轴强度出现了误差，大约平均误差有9，最高的有20。对于图3中的斜柱框架，强轴强度也估计的过高，最大误差达20。在图13中的框架结构中，其弱轴强度也被弹塑性模型过高地估测。在这些例子中，建立在弹塑性铰分析基础上的对弱轴强度估计的最大误差高达10到30。弹塑性铰模型是有可能过低估计弱轴强度的。这体现在图1的框架例子中。这是因为现在用于弹塑性铰分析的截面强度曲线对于典型的相对于弱轴的大边缘截面的弯曲是偏保守的，特别是当弯曲和轴力影响起主要作用时。Liew（1992）的研究说明对于那些矮胖型和非常柔的框架来说，在各种轴力弯矩比下，其弹塑性铰分析方法的结果和强轴塑性区分析法的结果是相差无几的。这意味着在估计弹性弯曲或塑性机制下的破坏荷载时，二阶弹塑性铰分析是有足够的精确度的。然而，对于图13中的框架来说，在塑性铰分析中，在一系列弯矩轴力比下强轴和弱轴强度都被估计的过高。因此我们有必要改进传统的弹塑性铰模型从而使得它能够适用于一系列结构的分析。改进塑性铰分析方法对于图13中的强弱轴例子，在一系列的弯矩轴力比下，与塑性区结果相比较，其保守系数不会超过4。改进塑性分析法用于图3的框架结构时精确度特别高，相比之下如果在这样的结构中用弹塑性铰分析法就会经常出错。在这个例子中，如果用弹塑性铰模型分析弱轴强度，其最大误差将达到30，而如果用改进塑性铰模型，其误差不超过1。当作用在框架上的轴力非常大时，把切线模量单独应用于弹塑性铰分析能够对强度极限作出很好的估计。然而，在中等量的轴力作用下，此模型对强度的估计就有些偏高了。在这样一系列的轴力作用下，构件中附加的分散的塑性影响将伴随着弯曲作用。因此，把切线模量单独应用于弹塑性铰分析中对于表达构件的刚度退化是不够的，特别是当构件中的弯距并不是很小时。这在图2中得到证明，当轴力小于0.5Py时，弹塑性铰模型对强弱轴强度都作出了过高的估计。对于这些例子，切线模量和二阶改进弹塑性铰分析的应用并不会改进强度估计，因为当P100时，就要求对几何偏心做出明确的模拟。在这样的例子中，就要用到CRC切线模量。图11. 六层框架的弯矩比较图12. LRFD二阶弹性方法得到的系数k和梁柱强度值3. 虽然用于数据分析的刚度退化作用是一个现象型模型，但与塑性区方法相比，它得出了足够准确的结果。4. 用正截面强度LRFD曲线来估计平面内强弱轴强度性能。我们会采用抵抗系数来减少塑性强度表面来满足LRFD。不需要对平面内构件分别进行核实，但是所有的构件必须完全结合并足够的刚接以避免侧向扭转屈曲。结论 我们可以得出这样的结论，弹塑性铰方法提供了一个对非弹性梁柱性能的改进的描述，忽略了可能的机械硬化带来有利的影响。我们必须注意，在实际的结构中应力状态是非常复杂的。结构构件可能会留有大于三分之一屈服强度的局部残余应力。在构件的连接中，焊接，加工，安装方法和安装误差都会产生额外的局部应力。因为这些因素，大多数钢框架中会不可避免地产生局部屈服，特别是在构件的连接端，当达到极限承载力时。改进塑性较模型比弹塑性铰方法更能考虑到这些影响。另外，改进塑性铰分析可以采用合适的切线模量公式来估计各种类型柱子的轴向承载力。这些规范方程通过大量的核准才得到的，包括对带有初始缺陷的柱子的经验性的和理论性的研究。虽然的等效值是基于合适的柱强度方程的，但是改进塑性铰可以和合适的柱强度协调的很好。从很多的例子中我们可以得出一些很重要的结论，这些结论是关于传统的弹塑性铰和改进塑性铰方法在分析非弹性框架时的准确性的。1. 对于承受高荷载的框架构件，特别是梁构件，二阶弹塑性铰分析会给出足够可靠的结果。另外，这个方法在估计框架在弹性屈服状态或极限强度状态时的破坏荷载时是足够精确的。对于以下种类的倒塌的梁柱构件，比起塑性铰方法，弹塑性铰分析的偏危险的误差不超过4%。 单向弯曲的梁柱：和/或。 双向弯曲的梁柱：和/或。 只受轴力作用的柱：。 在所有的情况下，要求构件中的轴力不大于。2. 在本文所引用的一些例子中传统的塑性铰分析方法表现并不理想。用塑性区分析方法作为比较的标准，使用二阶弹塑性铰分析的偏危险的最大误差总结如下： 绕强轴弯曲的Kanchanalai框架：误差为4%21%，当L/r介于20与60之间时。 绕弱轴弯曲的Kanchanalai框架：误差为0%30%，当L/r介于20与60之间时。 单向弯曲的独立梁柱：误差为1%18%，当L/r介于20与100之间时。 双向弯曲的独立梁柱：误差为0%17%，当L/r介于20与100之间时（Liew 1992）。 轴心受力柱：最大误差为23%，当时。 总之，传统的弹塑性铰分析不能看作是一种高级的非弹性分析。同样，把弹塑性铰模型用于分析受很大的重力荷载但非弹性内力重分布的储备能力很小的结构时，效果很差。3. 改进塑性铰分析使得对柱强度的估计接近于柱设计的规范要求。同时，改进塑性较模型能够很好地估计梁构件的破坏荷载，当破坏是由于塑性破坏机制的形成时。对于Liew（1992）研究过的有侧移框架例子，改进塑性铰方法给出了偏安全的结果并保证了一个合理的准确度。对于独立梁柱结构的例子，与LRFD梁柱强度结果相比，其最大偏危险误差不超过5%。改进塑性铰方法可以分析各种结构的强度和稳定性能，从独立构件和简单的门式框架结构，到整个多层的结构。因此，它可以被称为一种高级的分析方法。4. 现在的研究表明，基于具体构件承载能力核实的弹性分析程序在评估超静定结构在极限强度状态下的性能时，是有局限的。当内力重分布发生时，LRFD梁柱方程所采用的有效长度系数就无法表达一个框架的工作性能了。因此，只有当框架是完全弹性时，它的应用才是有效的。总之，LRFD弹性分析/设计是偏保守的。然而，Liew（1992）中的若干基准点研究说明这种方法估计的极限强度状态比起一个超静定框架的实际强度来说是太保守了。LRFD弹性分析/设计方法的保守度在总体上是随着框架的超静定次数的增加而增加的。第二章参考文献1、陈禄如 中国钢结构的现状和展望 建筑钢结构的进展2001 NO.12、李国强 薛伟辰 当代建筑工程的新结构体系 建筑钢结构的进展2001 NO.13、李世俊 徐寅 我国钢铁产品的发展对建筑钢结构的促进 建筑钢结构进展2002 NO.14、姜学诗 钢结构房屋结构设计中常见问题分析 建筑结构2003 NO.65、西德 F 哈特 W 海恩 H 桑塔格钢结构建筑资料集中国建筑工业出版社附 录计算书本次设计内容为一钢结构重型工业厂房。除屋面支撑、柱间支撑、隅撑采用手算外，其它结构均用pkpm计算。一. 荷载1. 屋面活载屋面活荷载设计值 0.5KN/ 彩钢板屋面自重标准值 0.10 KN/ 屋面檩条自重标准值 0.06 KN/ 支撑重标准值 0.05 KN/2. 风荷载 （10m高处） 0.45 KN/ 3. 主梁，柱自重程序自动计算4. 吊车荷载查找吊车数据库5. 基本雪压 0.45 KN/ 二. pkpm内力计算结果工程名: 工业厂房 * PK11.EXE * 日期: 6/10/2004 时间:10:13:39 设计主要依据: 1、建筑结构荷载规范(GB 50009-2001); 2、建筑抗震设计规范(GB 50011-2001); 3、钢结构设计规范(GBJ 17-88); 4、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS 102:98); 5、上海市标准轻型钢结构设计规程(DBJ08-68-97); 6、混凝土结构设计规范(GB 50010-2002)。 结果输出 - 总信息 - 节点总数: 15 柱数: 6 梁数: 8 结构形式: 门式刚架,按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程计算 结构重要性系数: 1.00 支座约束数: 3 标准截面总数: 4 活荷载计算信息: 考虑活荷载不利布置 风荷载计算信息: 计算风荷载 抗震等级: 5 钢材: Q345 梁柱自重计算信息: 柱梁自重都计算 梁柱自重计算增大系数: 1.20 基础计算信息: 不计算基础 混凝土梁支座负弯矩调幅系数: 1.00 梁刚度增大系数: 1.00 钢结构静截面面积与毛截面面积比: 0.85 温度计算参数： 0 窄行输出全部内容第一跨计算简图 第二跨计算简图 - 节点坐标 - 节点号 X Y 节点号 X Y 节点号 X Y ( 1) 0.00 7.90 ( 2) 24.00 7.90 ( 3) 48.00 7.90 ( 4) 0.00 10.80 ( 5) 24.00 10.80 ( 6) 48.00 10.80 ( 7) 3.36 11.08 ( 8) 20.64 11.08 ( 9) 27.36 11.08 ( 10) 44.64 11.08 ( 11) 12.00 11.80 ( 12) 36.00 11.80 ( 13) 0.00 0.00 ( 14) 24.00 0.00 ( 15) 48.00 0.00 - 柱关联号 - 柱号 节点 节点 柱号 节点 节点 柱号 节点 节点 ( 1) 13 1 ( 2) 14 2 ( 3) 15 3 ( 4) 1 4 ( 5) 2 5 ( 6) 3 6 - 梁关联号 - 梁号 节点 节点 梁号 节点 节点 梁号 节点 节点 ( 1) 4 7 ( 2) 5 9 ( 3) 7 11 ( 4) 8 5 ( 5) 9 12 ( 6) 10 6 ( 7) 11 8 ( 8) 12 10 - 支座约束信息 - ( 1) 13111 ( 2) 14111 ( 3) 15111 - 柱上下节点偏心 - 节点号 柱偏心值 节点号 柱偏心值 节点号 柱偏心值 节点号 柱偏心值 ( 1) 0.00 ( 2) 0.00 ( 3) 0.00 ( 4) 0.00 ( 5) 0.00 ( 6) 0.00 ( 7) 0.00 ( 8) 0.00 ( 9) 0.00 ( 10) 0.00 ( 11) 0.00 ( 12) 0.00 ( 13) 0.00 ( 14) 0.00 ( 15) 0.00 - 标准截面信息 -1、标准截面类型 ( 1) 16, 250, 250, 500, 6, 10, 10, 5 ( 2) 27, 200, 200, 700, 400, 6, 10, 10, 5, ( 3) 16, 200, 200, 400, 6, 10, 10, 5 ( 4) 27, 200, 200, 400, 700, 6, 10, 10, 5,2、标准截面特性 截面号 Xc Yc Ix Iy A 1 0.12500 0.25000 0.35546E-03 0.26050E-04 0.78800E-02 2 0.10000 0.27500 0.36607E-03 0.13343E-04 0.71800E-02 3 0.10000 0.20000 0.17957E-03 0.13340E-04 0.62800E-02 4 0.10000 0.27500 0.36607E-03 0.13343E-04 0.71800E-02 截面号 ix iy W1x W2x W1y W2y 1 0.21239E+00 0.57497E-01 0.14219E-02 0.14219E-02 0.20840E-03 0.20840E-03 2 0.22580E+00 0.43108E-01 0.13312E-02 0.13312E-02 0.13343E-03 0.13343E-03 3 0.16910E+00 0.46089E-01 0.89785E-03 0.89785E-03 0.13340E-03 0.13340E-03 4 0.22580E+00 0.43108E-01 0.13312E-02 0.13312E-02 0.13343E-03 0.13343E-03 - 柱布置截面号,铰接信息,截面布置角度 - 柱号 标准截 铰接 截面布 柱号 标准截 铰接 截面布 面 号 信息 置角度 面 号 信息 置角度 ( 1) 1 0 0 ( 2) 1 0 0 ( 3) 1 0 0 ( 4) 1 0 0 ( 5) 1 0 0 ( 6) 1 0 0 - 梁布置截面号,铰接信息,截面布置角度 - 梁号 标准截 铰接 截面布 梁号 标准截 铰接 截面布 面 号 信息 置角度 面 号 信息 置角度 ( 1) 2 0 0 ( 2) 2 0 0 ( 3) 3 0 0 ( 4) 4 0 0 ( 5) 3 0 0 ( 6) 4 0 0 ( 7) 3 0 0 ( 8) 3 0 0 恒荷载计算 节 点 荷 载: 节点号 弯矩 垂直力 水平力 0 柱 荷 载: 柱号 荷载类型 荷载值 荷载参数1 荷载参数2 0 梁 荷 载: NE LI KL P X P1 X1 1 1 1 1.28 0.00 1 1 1 1.28 0.00 1 1 1 1.28 0.00 1 1 1 1.28 0.00 1 1 1 1.28 0.00 1 1 1 1.28 0.00 1 1 1 1.28 0.00 1 1 1 1.28 0.00 - 恒荷载标准值作用计算结果 - 恒载轴力包络图 KN恒载弯矩包络图 KN-m恒载剪力图 KN （两跨一样） - 柱内力 - 柱号 M N V M N V 1 -48.00 29.60 -11.49 -42.7