XX造船厂厂房门式刚架设计方案

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精益求精，善益求善。XX造船厂厂房门式刚架设计方案江苏科技大学江苏科技大学.5截面验算2.5.1边刚架柱(1)截面选择采用等截面柱，截面尺寸为H950×460×20×22，截面如图所示图2-60刚架柱截面示意图(2)截面特征计算(3)强度验算翼缘的宽厚比，对Q345钢Ⅰ—Ⅰ截面处最不利组合Ⅱ—Ⅱ截面处最不利组合Ⅲ—Ⅲ截面处最不利组合Ⅳ—Ⅳ截面处最不利组合均满足要求整体稳定性验算平面内稳定柱与梁的线刚度之比：柱脚为刚接，平面内计算长度系数故平面内计算长度为：长细比：稳定性验算Ⅰ—Ⅰ截面处最不利组合——弯矩作用平面内，按轴心受压构件的稳定系数，根据，b类截面查得；——参数，；——等效弯矩系数，。平面外稳定上柱段计算长度下柱段计算长度①上柱段取Ⅳ—Ⅳ截面处最不利组合——弯矩作用平面外，按轴心受压构件的稳定系数，根据，b类截面查得；——等效弯矩系数，；——均匀弯矩作用时构件的整体稳定系数，用近似公式计算取。②下柱段取Ⅰ—Ⅰ截面最不利组合则——弯矩作用平面外，按轴心受压构件的稳定系数，根据，b类截面查得；——等效弯矩系数，；——均匀弯矩作用时构件的整体稳定系数，由近似公式得(5)局部稳定性验算翼缘局部稳定性翼缘宽厚比腹板局部稳定性腹板高厚比①上柱段取Ⅳ—Ⅳ截面最不利组合应力梯度满足要求。②下柱段取Ⅰ—Ⅰ截面最不利截面应力梯度满足要求。2.5.2中刚架柱(1)截面选择采用等截面柱，截面尺寸为H950×460×20×22，截面如图所示图2-61刚架柱截面示意图(2)截面特征计算(3)强度验算翼缘的宽厚比，对Q345钢Ⅰ—Ⅰ截面处最不利组合Ⅱ—Ⅱ截面处最不利组合Ⅲ—Ⅲ截面处最不利组合Ⅳ—Ⅳ截面处最不利组合均满足要求(4)整体稳定性验算1)平面内稳定柱与梁的线刚度之比：柱脚为刚接，平面内计算长度系数故平面内计算长度为：长细比：稳定性验算Ⅰ—Ⅰ截面处最不利组合——弯矩作用平面内，按轴心受压构件的稳定系数，根据，b类截面查得；——参数，；——等效弯矩系数，。2)平面外稳定上柱段计算长度下柱段计算长度①上柱段取Ⅲ—Ⅲ截面处最不利组合——弯矩作用平面外，按轴心受压构件的稳定系数，根据，b类截面查得；——等效弯矩系数，；——均匀弯矩作用时构件的整体稳定系数，用近似公式计算取。②下柱段取Ⅰ—Ⅰ截面最不利组合则——弯矩作用平面外，按轴心受压构件的稳定系数，根据，b类截面查得；——等效弯矩系数，；——均匀弯矩作用时构件的整体稳定系数，由近似公式得(5)局部稳定性验算1)翼缘局部稳定性翼缘宽厚比2)腹板局部稳定性腹板高厚比①上柱段取Ⅲ—Ⅲ截面处最不利组合应力梯度②下柱段取Ⅰ—Ⅰ截面最不利截面应力梯度2.5.3边刚架梁(1)截面选择采用等截面梁，截面尺寸为H700×240×12×14，截面如图所示(2)截面特性计算(3)构件宽厚比验算：图2-62刚架梁截面示意图按《门式轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002的规定验算如下：翼缘：满足要求！腹板：满足要求！取截面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ中最不利的组合(4)抗剪验算：考虑仅有支座加劲肋，取。抗剪承载力设计值：最大剪力：.满足要求！(5)弯剪压作用下的验算：有效截面计算：有效宽度的分布图取腹板截面部分受压。即，据满足要求！(6)平面内稳定验算：斜面梁在平面内的计算长度取竖向支撑点间的距离，按式计算据查《钢结构设计规范》可得。取满足要求！(7)平面外的整体稳定验算：梁在刚架平面外的计算长度取隅撑的间距3m，因此故不必计算钢架平面外的整体稳定。2.5.4中刚架梁(1)截面选择采用等截面梁，截面尺寸为H700×240×12×14，截面如图所示(2)截面特性计算(3)构件宽厚比验算：图2-63刚架梁截面示意图按《门式轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002的规定验算如下：翼缘：满足要求！腹板：满足要求！取截面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ中最不利的组合(4)抗剪验算：考虑仅有支座加劲肋，取。抗剪承载力设计值：最大剪力：.满足要求！(5)弯剪压作用下的验算：有效截面计算：有效宽度的分布图取腹板截面部分受压。即，据满足要求！(6)平面内稳定验算：斜面梁在平面内的计算长度取竖向支撑点间的距离，按式计算据查《钢结构设计规范》可得。取满足要求！(7)平面外的整体稳定验算：梁在刚架平面外的计算长度取隅撑的间距3m，因此故不必计算钢架平面外的整体稳定。2.6牛腿设计钢材为Q345，采用E50系列焊条，手工焊。连接焊缝采用沿周边围焊，转角处连续施焊，没有起弧落弧所引起的焊口缺焊，且假定剪孔仅由牛腿腹板焊缝承受。并对工字形翼缘端部绕转部分焊缝忽略不计。2.6.1荷载计算根据吊车梁的设计，吊车梁截面面积，Q345钢的密度为，吊车梁的自重为，轨道自重为由吊车最大轮压引起的支座反力标准值为。则牛腿根部承受的剪力：。2.6.2截面选择牛腿选用650-500×400×8×12,偏心距为，外伸长度为，截面高度，截面宽度，翼缘板厚度，腹板厚度。力作用点处截面为546×400×8×12。图2-64牛腿示意图图2-65牛腿根部截面示意图则2.6.3截面特性牛腿根部截面2.6.4强度验算抗弯强度：抗剪强度：腹板计算高度边缘处折算应力σ和τ最不利组合出现在腹板边缘，因此验算公式为：满足要求2.6.5焊缝验算根据角焊缝尺寸构造要求的限制，，所以，腹板连接焊缝的有效截面面积为：全部焊缝对x轴的惯性矩为：焊缝在最外边缘的截面模量为：。焊缝在翼缘和腹板顶部连接处的截面模量为：强度验算在偏心弯矩作用下角焊缝最大应力为：考虑到在牛腿翼缘和腹板交接处弯矩和剪力共同作用引起的应力为：弯矩引起的应力：剪力引起的应力：满足要求2.7支撑设计2.7.1屋面支撑设计刚架跨度30米，双坡面，柱距6米，布置如下图图2-66屋面支撑布置图(1)交叉支撑选用单角钢截面，两杆在交叉点均不中断，一根杆件的角钢外肢向上，另一根则向下，在交叉点处以填板使两角钢相连（填板的厚度等于节点板厚）。支撑几何长度：,支撑平面内：容许长细比：需要最小回转半径支撑平面外：需要最小回转半径：选用∟70×6，，，纵向构件按压杆考虑，采用圆钢管。容许长细比：，选用焊接薄壁圆管◎83×4，,2.7.2柱间支撑设计图2-67柱间支撑布置总图因为本工程是双跨，跨度为30m，檐口标高18m。边列开间以及中开间柱各设置四道交叉支撑，如上图所示，山墙风压为0.40kN/m2，风压高度变化系数，风压体型系数为计算荷载风压设计值：单片柱间支撑柱顶风荷载节点反力位移：柱间支撑构件中内力的计算：柱间支撑桁架内力分析如右图所示，并将各个节点作为铰接点计算。截面设计：(1)上部柱间支撑斜杆2-3采用单角钢、单片支撑。几何长度：。图2-68柱间支撑布置图平面内计算长度：。上部柱间支撑按斜拉杆设计，容许长细比。需要斜平面回转半径：。平面外计算长度：需要平行于角钢肢边的回转半径：需要角钢的净截面积为：选用∟63×6，材料特征为：(2)下部柱间支撑斜杆采用单角钢、单片支撑，几何长度平面内计算长度：需要斜平面回转半径：平面外计算长度：需要平行于角钢肢边的回转半径：需要角钢的净截面积为：选用∟75×6，材料特征为：。杆件与节点板以角焊接，安装螺栓在节点板范围以内，不需扣除螺栓孔，，满足要求。(3)下部柱间支撑横杆3-4、5-6。容许长细比，需要平面内回转半径：内力：选用焊接薄壁圆钢1◎121×4，。验算支撑横杆的稳定性（考虑平面内稳定）：由类截面查《钢结构设计规范》得。满足要求！

3.节点设计3.1梁柱节点3.1.1螺栓布置及验算采用M24的10.9级摩擦型高强度螺栓连接，摩擦面采用喷砂处理，，。螺栓布置如图2-66,67所示图2-69梁柱节点布置图图2-70梁柱节点螺栓布置图每个螺栓的抗剪承载力设计值为——抗力分项系数的倒数，一般取0.9；——一个螺栓的传力摩擦面数。每个螺栓的抗拉承载力设计值为选取梁端最不利组合，轴力和剪力转化考虑轴向压力影响最上端螺栓的拉力为每个螺栓的剪力为计算最上端螺栓的承载力为满足要求。3.1.2端板厚度设计对于最上排螺栓，此处端板属于两边支承类，端板平齐。对于第二排螺栓，此处端板属于两边支承类，端板平齐。对于第三排螺栓，此处端板属于无加劲肋对于第四排螺栓，此处端板属于两边支承类，端板平齐。——螺栓中心至翼缘板表面的距离；——螺栓中心至腹板的距离；——螺栓间距；——端板宽度；——端板钢材的抗拉强度设计值，端板厚度，取。综上，端板厚度取。3.1.3梁柱节点域验算。节点域的剪应力满足规范要求，按构造要求在两边设置加劲肋。3.1.4构件腹板强度验算采用翼缘内第二排一个螺栓的拉力设计.经计算得到：则满足要求！3.2梁梁节点3.2.1螺栓布置及验算采用M24的10.9级摩擦型高强度螺栓连接，摩擦面采用喷砂处理，，。螺栓布置如图2-68,69所示图2-71梁梁节点布置图每个螺栓的抗剪承载力设计值为——抗力分项系数的倒数，一般取0.9；——一个螺栓的传力摩擦面数。每个螺栓的抗拉承载力设计值为选取梁端最不利组合，轴力和剪力转化考虑轴向压力影响最上端螺栓的拉力为图2-72梁柱节点螺栓布置图每个螺栓的剪力为计算最上端螺栓的承载力为满足要求。3.2.2端板厚度设计对于最上排螺栓，此处端板属于两边支承类，端板平齐。对于第二排螺栓，此处端板属于两边支承类，端板平齐。对于第三排螺栓，此处端板属于两边支承类，端板平齐。——螺栓中心至翼缘板表面的距离；——螺栓中心至腹板的距离；——螺栓间距；——端板宽度；——端板钢材的抗拉强度设计值，端板厚度，取。综上，端板厚度取。3.3柱脚节点柱脚最不利内力组合值为：。底板下混凝土标号为C25锚栓采用Q345钢焊条采用E50型3.3.1确定底板长宽初步确定柱脚布置见柱脚布置示意图（图2-71）为负值，说明底板与基础脱离，产生拉应力，该拉应力应由锚栓来承担。3.3.2确定锚栓直径基座反力示意图如图2-70所示图2-73基座反力示意图由，有锚栓所需的有效截面面积查表得，直径为39mm的螺栓的有效面积，满足要求。3.3.3确定底板厚度柱脚布置见下图图2-74柱脚布置示意图三边支承，一边自由①B处锚栓所在的区格，由。查表得弯矩系数②C处锚栓所在的区格，由。查表得弯矩系数两边支承，两边自由A处锚栓所在的区格，由。查表得弯矩系数设底板厚度超过16mm，即，所以，底板厚度取。3.3.4柱与底板的连接计算柱翼缘与柱脚底板采用角焊缝连接，腹板采用角焊缝连接，质量等级为一级。柱与底板的焊脚尺寸，按构造要求：，，取,。柱与底板焊缝的截面积：全部焊缝对x轴的惯性矩为：柱与底板的连接焊缝计算满足要求满足要求满足要求。

4.基础设计4.1基础的选择由于本设计采用的上部结构为轻型门式刚架结构，荷载较小，所以选择基础形式为钢筋混凝土独立基础，根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002中8.2.2其构造要求是：1、锥形基础的边缘高度不小于200mm，阶梯形基础每阶高度宜在300-500mm；2、基础下垫层不小于70mm，垫层混凝土强度等级应为C10；3、底板受力钢筋直径不小于10mm，间距不小于100mm，不大于200mm，钢筋保护层厚度不小于40mm；4、基础混凝土强度等级不低于C20。所以，在本设计中，采用柱下独立基础，在结构的每根柱下均设基础，基础材料为C20混凝土和HPB235钢筋，垫层为100mm厚C10混凝土。4.2基础埋深根据本设计中建筑上部荷载和设计要求中的持力层深度，选定基础埋深为自天然地面下0.9m，基础下设100mm厚C10混凝土垫层，所以垫层底面标高为-1.3m（室内外高差为300mm）。4.3基础设计4.3.1确定基底尺寸弯矩最大一组：荷载设计组合值，荷载标准组合值。轴力最大一组：荷载设计组合值，荷载标准组合值。按轴力最大一组计算。持力层承载力特征值暂取。按中心荷载初步估计基础面积。若考虑荷载偏心影响，将基底面积扩大40%，。取(为偏心方向边长)，则：。验算基底边缘最大压力基底处总竖向力：基础处总力矩无偏心则：(满足要求)基底平均压应力(满足要求)(满足要求)验算弯矩最不利时的基底应力基底处总竖向力：基底处总力矩：偏心距：。基底边缘处压应力计算(满足要求)基底平均压应力(满足要求)(满足要求)验算结果表明，基底应力有轴力最大的一组控制。4.3.2确定基础高度和构造尺寸基础高度由助于基础交接处混凝土抗冲切承载力确定。假设基础高度为900mm，垫层厚度取100mm，垫层混凝土强度等级为C10，。基础冲切计算简图如下图所示图2-75基础抗冲切计算简图偏心荷载下由永久荷载控制荷载效应的基本组合时——基底净反力设计值的最大值；——净偏心距，此时，所以，冲切力为：冲切破坏面上的抗冲切能力为：——受冲切承载力截面高度影响系数，当基础高度时，取1.0；当时，取0.9，其间按线性插入法取用。4.3.3基础底板配筋(1)Ⅰ—Ⅰ截面地基净反力设计值的最大值对柱边Ⅰ—Ⅰ截面产生的弯矩为：——基底平均净反力设计值，。按构造配置钢筋（，）(2)Ⅱ—Ⅱ截面沿短边方向荷载没有偏心，故Ⅱ—Ⅱ截面的弯矩按轴心荷载作用下的公式计算：按构造配置钢筋（，）基础详图见施工图。

5.檩条设计根据前面部分的设计有如下资料：封闭式建筑，屋面材料为0.8mm压型钢板，屋面排水坡度为1/10（5.71°），檩条跨度为6m，采用简支搭接的方式，水平檩距为3m，每跨设置拉条一根，檩条及拉条钢材均为Q390，焊条采用E55型。计算依据《钢结构设计手册》7.2节檩条计算。5.1截面初选初选截面为C200×70×20×2.5，如下图所示图2-76檩条截面截面特性为：5.2荷载计算(1)1.2×恒荷载+1.4×活荷载恒荷载：活荷载：可变荷载取屋面活荷载与雪荷载中较大值，取。荷载标准值：荷载设计值：(2)1.0×恒荷载+1.4×风荷载根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，檩条上的风荷载计算：风载体型系数为：风载为：5.3内力计算檩条截面上的荷载图2-77檩条截面主轴及荷载示意图由荷载计算知第一种组合起控制作用。弯矩设计值为（1）产生的内力拉条处负弯矩拉条与支座间正弯矩（2）产生的内力跨中截面图2-78檩条弯矩计算简图所以，5.4截面验算5.4.1有效宽度计算图2-79跨中最大弯矩引起的截面应力符号（拉为负，压为正）由图可知，截面应力为(1)上翼缘有效宽度上翼缘为部分加劲板件，压应力分布不均匀系数，——分别为受压板件边缘最大压应力和另一边缘的应力。由于最大压应力作用在支承边，并且，所以单板受压屈曲系数为相邻板件的受压屈曲系数（相邻板件为腹板，为加劲板件）为：，故所以—计算板件相邻的板件宽度—计算板件的宽度。受压板件的板组约束系数为，取，所以板件的有效宽度为—板件受压区宽度，，取，(2)腹板有效宽度腹板为加劲板件，板件受压屈曲系数为，相邻板件的受压屈曲系数为，对于腹板，，故板组约束系数，故取，腹板的有效宽度：——板件受压区宽度，取(3)下翼缘受拉，故全截面有效。5.4.2有效截面特性上翼缘板的扣除面积宽度为：，腹板的扣除面积，同时在腹板有一拉条（拉条采用钢）连接孔（孔直径，距上翼缘边缘40），，所以腹板的扣除面积宽度按12计算如下图所示。图2-80檩条有效截面示意图有效净截面模量为：5.4.3强度计算计算1，2点的强度为满足要求。5.4.4稳定性计算屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转。在风吸力作用下计算檩条的稳定性，在永久荷载和风吸力作用下使下翼缘受压，下翼缘按有侧向支撑计算。永久荷载与风荷载吸力组合下的弯矩小于永久荷载与屋面均布活荷载组合下的弯矩，截面全部有效，不计孔洞削弱，则:跨中设一道拉条，故，，，——梁的侧向计算长度，——梁在弯矩作用平面外的长细比，檩条的稳定性计算5.4.6挠度计算满足要求。5.4.6长细比验算，，满足要求。5.4.7拉条强度验算拉条处所受的拉力为：拉条强度验算满足要求。

6.墙梁设计6.1截面初选墙梁采用冷弯薄壁卷边槽钢，材料采用钢，墙梁外挂彩钢夹芯板单侧挂墙板），墙梁跨度为6，墙梁间距不同，故取墙梁最大间距为，墙梁跨中设置一道拉条。初选截面，如下图所示。图2-81墙面截面截面特性为：6.2荷载计算6.2.1恒荷载墙体自重转化成线荷载墙梁转化成线荷载6.2.2风荷载根据《建筑结构荷载规范》计算风荷载迎风面背风面6.2.3荷载设计值竖向线荷载竖向荷载设计值迎风荷载设计值背风荷载设计值图2-82荷载作用简图6.2.4荷载组合墙梁的荷载组合有两种：1.2×竖向恒荷载+1.4×水平风压力荷载1.2×竖向恒荷载+1.4×水平风吸力荷载即为：（1），（2）6.3内力计算6.3.1竖向荷载产生的最大弯矩跨中设一道拉条，故可看做侧向支撑，计算简图如图2-49图2-83竖向荷载作用到墙梁时的计算简图故竖向荷载产生的最大弯矩为：6.3.2水平荷载产生的最大弯矩墙梁在风荷载作用下计算简图如下图所示图2-84水平荷载作用到墙梁时的计算简图6.3.3支座处最大剪力在竖向荷载作用下，支座最大剪力为在水平荷载作用下，支座最大剪力为6.3.4双力矩计算墙梁单侧挂墙板，拉条设在距墙面墙梁宽度处，因而仅考虑为承受墙面荷载的支撑点，而竖向荷载及水平风荷载的作用线均不通过截面形心，需考虑双力矩的影响。计算双力矩时，按跨中无支撑的简支梁计算。，，查得迎风面墙梁跨中最大双力矩背风面墙梁跨中最大双力矩背风时由双力矩引起正应力符号压应力为正，拉应力为负。图2-85双力矩，引起的应力符号图6.4截面验算6.4.1有效截面计算按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》第5.6.8条不考虑双力矩，按毛截面计算截面角点处正应力（a）（b）图2-86引起的正应力符号图(1)板件3—4的有效宽度3—4为部分加劲板件，压应力分布不均匀系数，——分别为受压板件边缘最大压应力和另一边缘的应力。由于最大压应力作用在部分加劲边，并且，所以单板受压屈曲系数为：相邻板件的受压屈曲系数（相邻板件为腹板，为加劲板件）为：，取，故所以——计算板件相邻的板件宽度，——计算板件的宽度。受压板件的板组约束系数为，取=1.30，所以3—4板件全截面有效。(2)1—3板件有效宽度1—3为加劲板件，板件受压屈曲系数为，相邻板件的受压屈曲系数为，对于腹板，，故板组约束系数，故取，腹板的有效宽度：，故全截面有效。6.4.1有效截面模量腹板截面有一拉条（拉条采用钢）连接孔（孔径，距下翼缘边缘65），所以腹板的扣除面积宽度按11计算图2-87有效截面示意图6.4.3强度验算(1)正应力验算由公式计算，(2)剪应力验算，6.4.4稳定性验算不考虑孔径对腹板截面削弱，均按毛截面计算。受弯构件的整体稳定系数查表计算，永久荷载与风吸力组合下使下翼缘受压查表得：跨中无侧向支撑，，，——梁的侧向计算长度，——梁在弯矩作用平面外的长细比，墙梁的稳定性计算6.4.5挠度验算竖向按两跨连续梁计算6.4.5拉条强度验算拉条处所受的拉力为：拉条强度验算：满足要求。

7.抗风柱设计7.1荷载计算恒荷载山墙墙面板及墙梁自重：。风荷载基本风压ω0=0.4kN/m2，厂房跨中设两根抗风柱，与边柱和中柱的间距均是10m，柱高19m，地面类别为B类，根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001表7.2.1得则风压标准值单根抗风柱承受的均布线荷载设计值为恒荷载：风荷载：7.2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，计算简图如下：最大轴力为：最大弯矩为：7.3截面初选选用等截面柱：H950×460×20×22截面特性为图2-88抗风柱支撑简图7.4强度验算满足要求7.5稳定性验算7.5.1平面内稳定由于抗风柱两端铰接，则：截面属于b类，查表得：，按式计算7.5.2平面外稳定考虑到抗风柱柱间支撑，截面属于b类截面，查表得：，所以所以平面内、平面外稳定性均满足要求。7.6挠度验算根据《钢结构设计手册》表2-11得挠度挠度满足要求

结束语本工业厂房为双跨结构，在每跨布置两台吊车，由于吊车的起重量超过了30吨，且跨度较大(均为30米)，高度较高(檐口高18米)，在结构选型时采用门式刚架，柱脚采用刚接。其中包括荷载分析，内力计算，内力组合，主次构件选择与验算。其中又以主构件的选择与验算为设计重点，在设计过程中主要通过对构件进行内力分析和内力组合来确定构件的选材。吊车梁的设计是一个重点，也是一个难点。对构件进行内力分析和组合的过程是钢结构设计中的难点，因为组合得到的结果对已选材料尺寸的验算有着至关重要的影响。本计算书中的内力计算是由PKPM中的STS模块进行计算的。经过验算我发现许多构件我设计的太过保守，偏向安全考虑。在设计过程中，通过查规范、规程及相关材料，融合所学的知识。是自己对钢结构有了更加深刻的了解，同时对PKPM软件又有了新的见解，对Word和CAD的操作与认识也提升了一个新的高度。但也发现了自己许多不足的地方，比如构件优化的不是很好，还有在“所学”与“所用”之间转化方面也不是很好。这次的毕业设计，最主要的就是锻炼了自己发现问题解决问的能力以及今后在工作当中要注意的一些事项。

参考文献[1]《钢结构设计规范(GB50017-2003)》中国计划出版社[2]《建筑结构荷载规范(GB50009-2001)》中国建筑工业出版社[3]《建筑地基基础设计规范(G