钢结构毕业设计.docx

钢结构毕业设计 前 言 伴随着我国经济与科学技术的快速发展，钢结构已逐步在工业厂房，商业大楼，民用住宅，大型场馆等公共建筑中被广泛采用。钢材的强度高，故在结构中占体积小，因而建筑的实用空间就较大；钢结构可以成套预制装配，故施工方便；钢材可以回炉重新利用，故钢结构的再生性好。钢结构有着非常多的优点，我国的钢结构事业也正处在蓬勃发展中。 轻型钢结构除具有普通钢结构的材质均匀，可靠性高；强度高，重量轻；塑性韧性，抗震性能好；便于机械化制造，施工期短；可回收，建筑造型美观等特点以外，一般还具有取材方便，用料较省，自重更轻等特点。它对加快基本建设速度，特别对中小型企业的建设，以及对现有企业的挖潜、革新、改造等工作能够起到显著的作用，因而受到建设单位，尤其是在工业建筑中的普遍欢迎。由于轻型钢结构的经济指标很好，总造价较低，再加上结构自重轻为改革重型结构体系创造了条件。因此，轻型钢结构是很有发展前途的一种结构形势。 基于以上对轻型钢结构的认识，我在毕业设计课题中选择了轻型钢结构设计。本次设计的是万利集团民用工业园的轻钢结构房屋工程。通过这次设计，我希望能对钢结构的计算原理、轻型钢结构的特点和构造要求有一个较系统的认识。同时，通过这次设计，培养自己理 然后进行验算调整直至其符合要求。 在人工设计结束以后，利用3D3S钢结构设计软件建模设计。首先对手算设计的主体构件进行验算和校核，然后利用软件中围护结构设计模块对厂房总体设计进行完善，主要包括隅撑、女儿墙小立柱等构件。最终利用软件自动生成施工图并加以必要修改，以建施和结施图纸集的形式将总体设计表达出来。 关键词：轻型门式刚架；荷载组合；内力分析；结构设计与验算；3D3S建模 目 录 第1章 引言 1 1.1 目前轻钢结构的特点及发展现状 1 1.2 毕业设计的内容与方法 4 第2章 建筑设计 5 2.1 工程概况 5 2.2 设计条件 6 2.2.1. 自然条件 6 2.2.2. 荷载条件 6 2.2.3. 材料规格 7 2.2.4. 施工与安装条件 7 2.3 建筑设计 7 2.3.1. 设计依据及设计指导思想 7 2.3.2. 设计特点及方案 9 2.3.3. 构造说明 14 第3章 内力计算 17 3.1 结构设计资料 17 3.2 结构布置 19 3.2.1. 柱网布置及抗风柱布置 19 3.2.2. 横向框架结构主要尺寸 20 3.2.3. 柱间支撑布置 20 3.2.4. 墙架布置 23 3.2.5. 屋面支撑 25 3.2.6. 支撑的布置 25 3.3 静力计算 30 3.3.1. 计算简图 30 3.3.2. 荷载计算 32 3.3.3. 梁柱截面估选 36 3.3.4. 内力分析 37 第4章 框架设计 57 4.1 柱的设计 57 4.1.1. 边柱截面设计 57 4.1.2. 中柱截面设计 62 4.1.3. 柱截面设计更改 66 4.2 横梁的设计 73 4.2.1. 内力组合 73 4.2.2. 跨中截面选择 74 4.2.3. 梁端截面选择 76 4.2.4. 梁翼缘和腹板的连接焊缝 78 4.2.5. 梁变截面设计 79 4.2.6. 加劲肋的设计 80 4.3 主要节点设计 81 4.3.1. 横梁和柱连接及横梁拼接形式和要求 81 4.3.2. 横梁和柱的连接 82 4.3.4. 牛腿的设计与验算 92 4.4 柱脚设计 96 4.4.1. 底板尺寸 97 4.4.2. 肋板计算 98 4.4.3. 靴梁计算 99 4.4.4. 锚栓计算 101 4.4.5. 厂房侧移计算 103 第5章 墙架及抗风柱设计 104 5.1 山墙墙梁设计 105 5.1.1. 荷载及墙板设计 105 5.1.2. 墙梁设计 105 5.2 纵向墙梁的设计 106 5.2.1. 荷载及墙板设计 106 5.2.2. 墙梁设计 107 5.3 抗风柱的设计 108 5.3.1. 截面选择 109 5.3.2. 截面验算 110 第6章 檩条设计 111 6.1 荷载计算 111 6.2 内力计算 112 6.2.1. 永久荷载与屋面活载组合 112 6.2.2. 考虑风荷载吸力的组合 113 6.3 截面选择 113 6.4 确定有效截面并验算强度 114 6.5 风吸力组合下稳定计算 116 6.6 绕度计算 117 6.7 长细比计算 117 第7章 柱间支撑设计 117 7.1 柱间支撑的形式 117 7.2 柱间支撑的设计 118 7.2.1. 荷载计算 118 7.2.2. 支撑构件内力计算（设计值） 120 7.2.3. 截面选择和验算 120 7.2.4. 厂房纵向刚度计算 121 第8章 吊车梁与地基梁设计 122 8.1 吊车梁设计 122 8.1.1. 吊车梁资料 122 8.1.2. 吊车荷载计算 122 8.1.3. 内力计算 122 8.1.4. 截面选择 124 8.1.5. 强度计算 127 8.1.6. 稳定性计算 128 8.1.7. 挠度计算 130 8.1.8. 支座加劲肋计算 131 8.1.9. 焊缝计算 132 8.1.10. 疲劳验算 132 8.2 地基梁设计 134 8.2.1. 纵向地基梁 134 8.2.2. 山墙地基梁 136 第9章 基础设计 137 9.1 地质条件 137 9.2 基础设计 137 9.2.1. 边柱基础设计 137 9.2.2. 中柱基础设计 147 第10章 3D3S软件计算过程 156 第11章 回顾与展望 186 11.1 轻型门式刚架结构设计 186 11.2 对轻钢结构发展的建议 187 参考资料 189 附表一 191 附表二 195 第1章 引言 1.1 目前轻钢结构的特点及发展现状 轻型钢结构建筑体系是指以单层非住宅的中小型工厂、仓库、商品、大型超市为主要对象的建筑[1]，这种建筑体系是采用轻型H型钢（焊接或轧制；变截面或等截面）做成门型刚架、C型、Z型冷弯薄壁型钢作檩条墙梁，压型钢板或轻质夹芯板作屋面、墙面围护结构，采用高强螺栓、普通螺栓及自攻螺丝等连接件和密封材料将承重结构、围护结构构件在现场组装起来的预制装配式钢结构房屋体系。这种轻钢结构建筑具有以下特点： （1）构造简单，材料单一。容易做到设计标准化定型化，构件加工制作工业化所以现场安装预制装配化程度高。销售、设计、生产可以全部采用计算机控制，产品质量好，生产效率高。 （2）自重轻，降轻了基础材料用量；减少构件运输、安装工作量；并且有利于结构抗震。 （3）工期短。构件标准定型装配化程度高，所以现场安装简单快速，一般厂房仓库签订合同后2~3个月内可以交付使用。因为没有湿作业，现场安装不受气候影响。 （4）可以满足多种生产工艺和使用功能的要求。轻钢结构建筑体系在建筑造型、色彩以及结构跨度、柱距等方面的选择上灵活多样，给设计者提供充分展示才能的条件。 （5）轻钢结构建筑属于环保性、节能性产品，厂房可以搬迁，材料可以回收。 （6）价格便宜。随着我国钢产量的提高，钢材价格的下调，竞争的激烈，轻钢结构建筑与其他同类砖混结构建筑相比，造价持平或偏低。 轻钢结构系统代替传统的混凝土和热轧型钢制作的屋面板、檩条等，不仅可减少梁、柱和基础截面尺寸，使整体结构质量减轻，而且式样美观，工业化程度高，施工速度快，经济效益显著[2]。由于轻钢结构突出的优点，它已被广泛应用于工农业建筑、商业、服务性建筑、标准办公楼、学校、医院建筑、别墅、旅游建筑、各类仓库性建筑、娱乐、体育场馆、地震区建筑、活动式可拆迁建筑、建材缺乏地区的建筑、工期紧的建筑、旧房改造、翻修等建筑领域。 门式刚架的特点与发展 在这次毕业设计的过程中，我主要进行了门式轻钢结构厂房的设计和计算工作。门式刚架轻钢结构是一种常用的结构形式，用途十分广泛。自H型钢问世后，门式刚架已成为一种固定的结构形式，即形成在角隅处带有变截面加腋的刚架，以加大它的跨度。不少西方先进国家已把它作为一种经济的建筑体系，已商品化形式出售，有单跨、多跨、有无悬挂吊车等多种类型。刚架的用量与刚架的跨度、柱高以及屋面荷载大小有很大关系，特别是跨度加大，用钢量显著增加。所以，轻型门式刚架的适宜跨度在30m以下，屋面应于各种彩色压型钢板或压型铝板配套使用，墙体也应采用轻质维护材料，使结构具有美观轻巧的特点。门式刚架就其截面形式来分，有实腹式和格构式等。实腹式刚架虽然用钢量稍高，但它的构件整齐，每榀刚架由4件梁柱构件用螺栓连接而成，构件的刚度较大，适用于长途运输和多次拆装搬运，制造省工，工地安装方便。在门式刚架结构系统中所占比重最大。门式刚架的形式由三块钢板焊成的工字型截面实腹刚架，截面形式简单，受力性能好，是常用的截面形式。当采用轧制H型钢时，可以减少制造焊接工作量。Z形截面实腹刚架，截面采用钢板冷加工弯曲成型，主要优点是有利于定型化生产，焊接拼装工作量少，可以将构件叠合运输。但截面不对称，受力性能较差。格构式刚架常用于跨度较大的建筑，其材料选用和截面组成比较灵活，可采用普通角钢、槽钢、冷弯薄壁型钢等，其截面为双腹杆的矩形，以及三面腹杆的三角形。由薄壁型钢组成的格构式刚架经济，但制造费工，杆件刚度也较小。不论实腹式还是格构式刚架，其梁柱构件都可做成等截面或变截面的。当跨度和荷载较小时，一般采用等截面结构；当跨度和荷载较大时，宜采用变截面结构，使结构造型更接近于荷载作用下的弯矩图形，使材料在截面的分布更加合理，并使结构显得轻巧。对格构式刚架，一般柱为变截面，横梁可采用等截面。 近二十多年来，随着我国经济建设的迅速发展，由于生产的需要，门式轻钢结构凭借其诸多优点获得了广泛的应用。但是，由于我国目前还没有相应的轻钢设计规范，大部分设计仍沿用现行的普通钢结构设计规范来进行门式刚架轻钢结构的设计和计算，使得设计用钢量指标居高不下，或在没有充分理论依据的情况下，凭经验一味地追求低用钢量而造成事故。因此，对门式刚架轻型钢结构进行系统的研究，建立和完善专门的设计规范势在必行。 1.2 毕业设计的内容与方法 作为大学四年学习实践的最后也是最重要的一个环节，在将近一个学期的时间里，我以及唐婷婷、吴珊同学在武汉大学钢结构研究所进行了毕业设计，指导老师为郭耀杰和陈晓燕两位老师。按照老师布置的任务，我主要完成了万利集团轻钢结构房屋设计。 钢结构研究所将实际的工程作为学生毕业设计的任务，避免了单纯理论研究和假课题设计的空洞性，使得学生通过真实命题的设计，实际问题的解决，灵活全面地运用曾经学过的理论知识，初步积累实际工程设计的经验，基本掌握工程设计的方法，从而达到毕业设计大纲的要求。 本设计主要包括建筑设计和结构设计两大部分。建筑设计是根据现有资料进行建筑方案的比选及建筑的平、立、剖面设计；结构设计是指在建筑设计基础之上的结构布置、静力计算、框架设计、檩条设计、柱间支撑设计、吊车梁设计及基础设计等。毕业设计应完成厂房的建筑设计和结构设计，以手算为主完成厂房的计算，同时学习力学求解器、探索者结构CAD、PKPM、3D3S等软件进行校核验算，编写计算书，绘制建筑设计图和结构施工图。 第2章 建筑设计 2.1 工程概况 万利集团轻钢结构房屋工程从属于该集团公司民用工业园工程。该工程主要包括四个厂房的设计：轻钢结构房屋、铝窗加工厂房、机械加工厂房、喷涂厂房。毕业设计期间完成轻钢结构房屋设计。 此项工程的具体要求如下： 1．厂房内净高6米； 2．厂房柱距9米； 3．厂区通道宽度8米； 4．厂房大门均采用推拉门，为满足消防等要求的辅助门采用平开门（宽度小于1.5米）； 5．厂房均采用内天沟有组