钢结构厂房设计.docx
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钢结构厂房设计
6、7道翻车机封闭厂房
[钢结构设计粗算]
作者：
张辉
单位：
神华宁夏煤业集团太西洗煤厂
时间：
2015.5.18
§建筑部分
一、平面设计
根据现场条件：
采用双跨钢结构，跨度为24米，。
参照工程应用实例，厂房平面布置为双跨矩形平面。
其柱网采用6m间距，厂房出入口尺寸取3900㎜×3300㎜。
屋顶坡度取1/10，为考虑到运输工具进出厂房的便利及防止雨水侵入室内，取厂房室内外高差为200mm。
二、厂房天然采光设计
根据我国《工业企业采光设计标准》规定可知，本厂房的采光等级为III级。
本厂房拟采用混合采光，双侧采光+顶部采光。
纵墙上的开窗总面积为：
（2.6×3×34=265m2），顶部为2100×3000×10型PC阳光板（如图2-1所示），白天采光性能好，满足采光要求，阳光板拼接方式示意图如图2.1所示。
图2-1阳光板
图2-2阳光板拼接方式示意图
三、厂房屋面排水设计
采用檐沟外排水，压型钢屋面及檐沟构造做法如图3-1所示。
图3-1压型钢屋面及檐沟构造示意图
四、厂房立面设计
厂房立面采用保温彩钢板，利用矩形窗，墙体勒脚等水平构件及其色彩变化形成立面划分形状，使立面简洁大方，具有开朗，明快的效果。
门窗框口包角板以及女儿墙盖板均采用蓝色钢板，以丰富立面，同时也突出了门窗的重点部位。
五、厂房的构造设计
1.外墙
本厂房外墙下部为200mm高240mm厚的砖砌墙体，上部为压型钢板，以避免压型钢板直接着地而产生锈蚀。
压型钢板采用保温复合式压型彩钢板，并通过自攻螺丝与焊接在立柱间的矩形方管连接。
压型钢板外墙构造力求简单，施工方便，与墙梁连接可靠。
转角处以包角板与压型钢板搭接，搭接长度为100mm，以保证防水效果。
图5-1纵墙与山墙角部节点示意图
2.屋顶构造
本厂房屋面采用10mm厚阳光板有檩体系，即在钢架斜梁上放置矩型冷轧薄壁钢作为檩条，再铺设阳光板屋面，以利于采光、排水，根据规范中石嘴山地区地区降雨量，排水坡度取1/10。
具体构造如下图。
图5-2屋脊节点示意图
3.散水构造
厂房周围做宽800mm的混凝土散水，散水坡度取5%，散水构造由下至上为素土夯实，80厚碎砖打底，60厚C10混凝土，10厚1：
2.5水泥砂浆抹面。
具体做法如下图所示：
图5-3散水构造示意图
六、门窗明细表
表6-1门窗明细表
尺寸
数量
高度（mm）
宽度（mm）
2600
3000
34
§结构部分
一、结构布置
1.材料的选择
材料选择根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：
2002中的相关规定选取，由于本厂房是轻型门式刚架结构，本身自重较轻且吊车吨位较小，钢架承受荷载也较小，所以厂房梁、柱、檩条等结构构件可选用Q235钢，又由于厂房对材料的冲击韧性无特殊要求，所以质量等级可以选用B级，且厂房对钢材无特殊要求，为了节省造价，可采用沸腾钢，因此，长房梁、柱、檩条、吊车梁、压型钢板等结构构件均可选用Q235B钢材。
2.屋面布置
根据屋面压型钢板的规格，檩条沿跨度方向每隔1.5m布置一道。
根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：
2002中6.3.1之规定，由于檩条跨度为6＜9m，故采用实腹式檩条。
根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：
2002中6.3.5和6.3.6之规定，应在檩条三分点处设置一道拉条，拉条采用Φ10圆钢，圆钢拉条设在距檩条上翼缘1/3腹板高度范围内，屋脊拉条为刚性，并安装撑偶。
3.柱间支撑布置
根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：
2002中4.5.2之规定应在厂房两端第一柱间设置柱间支撑，并应在中间一个柱间设置柱间支撑，柱间支撑分为上柱柱间支撑和下柱柱间支撑布置。
两端设上柱支撑，中间设上下柱支撑。
在设置柱间支撑的开间，宜同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体系。
4.屋盖支撑布置
由于本厂房宽24m，长100、50m，，根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：
2002中4.5.2之规定，将整个厂房可划分为一个温度区段。
因此在厂房两端第一个柱间支撑设置横向水平支撑。
此外，还应在厂房中间柱间内设置屋盖横向水平支撑，并应在上述相应位置设置刚性系杆。
5.墙面结构布置
根据墙板的板型和规格，墙梁的布置沿高度方向间距每隔1.5m布置一道，根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002中8.4.2之规定，本厂房跨度6m，应在跨中位置设置一道拉条，拉条承担的墙体自重通过斜拉条传至承重柱和墙架柱，且应每隔5道拉条设置一对斜拉条，以分段传递墙体自重，拉条为Φ10圆钢。
根据《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CECS102：
2002中6.4.2节，应设置门柱窗柱，且由于门柱、窗柱需承受墙板重及自重，所以应考虑为双向受弯构件，初步确定为矩形钢管。
二、风荷载
建筑所在场地地面粗糙度类别按B类考虑，则10m以下的风压高度变化系数为μz=1.0，结构的风荷载体型系数依据《规程》附录A中的A.0.1和A.0.2条的相关规定计算。
垂直于建筑物表面的风荷载标准值wk的计算公式为：
wk=βzμsμzw0
式中w0为基本风压，但需按现行国家标准《荷载规范》的规定值乘以系数1.05采用，w0=0.65x1.05=0.6825故μs为风载体型系数，背风面：
-0.5，迎风面：
-0.6.
计算主要承重结构：
wk=βzμsμzw0
风压高度变化系数
可查荷载规范取得。
将风荷载换算成作用与框架每层节点上的集中荷载，计算过程如下表所示。
表中z为框架节点至室外地面的高度，由于厂房为单层且高度只有8米，固简化为柱顶端受力，柱顶层面分压如下：
表2.1柱顶层节点风压
A（m2）
PK（kN）=
A×
1.0
1.3
0.68
0.74
0.654
12
7.848
三、地震作用
由于门式刚架结构的自重较轻，地震作用产生的荷载效应一般较小。
当抗震设防烈度为8度而风荷载标准值大于0.45kN/㎡时，地震作用的组合一般不起控制作用，因此，本设计只采用抗震构造措施和简单验算而不做详细的计算。
四、屋架设计
1.梁截面选择及截面特性
选用20a型热轧工字钢
查表得其截面特性如下：
尺寸h/mm200
尺寸b/mm100
尺寸d/mm7.0
尺寸t/mm11.4
尺寸r/mm9.0
尺寸r1/mm4.5
截面面积/cm^2:
35.578
理论重量/（kg/m）:
27.929
图4-1檩条截面示意图
2.荷载取值
不考虑地震作用时，作用在屋顶上的荷载包括结构自重、屋面永久荷载、屋面活荷载及风荷载，各荷载的标准值分别如下（结构自重由程序自动计算，并参与相应的组合）：
1.屋面永久荷载Gk：
0.4kN/m2
屋面板0.03kN/m2
屋架自重0.6kN/m2
合计0.63kN/m2
2.屋面可变荷载Qik
屋面活荷载0.5kN/m2
雪荷载:
基本雪压：
s0=0.1kN/m2ur=1.0sk=urs0=0.1kN/m2
屋面活荷载大于雪荷载，取两者中较大值0.5kN/m2
3.风荷载：
基本风压w0：
0.65kN/m2；
3.竖向荷载导算
1.梁节点恒荷载和活荷载值，为可变荷载组合控制，见下表：
表4-1横梁所受线荷载表
横梁线荷载
标准值Pk（Kn/m）
设计值P（kN/m）
恒线荷载QGk
0.63×6=2.16
1.2×2.16=2.592
活线荷载QQ
0.5×6=3
1.4×3=4.2
总线荷载
6.792
2．梁节点风荷载值
1）风载体型系数
背风面：
μs=-0.5，迎风面：
μs=-0.6
2）风压高度变化系数
建筑所在场地地面粗糙度类别按B类考虑，屋架下弦高度9米，坡度为1/10，则10m以下的风压高度变化系数为μz=1.0,不计风振系数βz。
计算主要承重结构：
wk=βzμsμzw0
背风面：
wk1=1×（-0.5）×1×0.65=-0.325kN/m2（垂直于屋面），为风吸力
迎风面：
wk2=1×（-0.6）×1×0.65=-0.39kN/m2（垂直于屋面），为风吸力
作用在梁边线方向上的荷载标准值：
Wk1=-0.325×6=-1.95kN/m
Wk2=-0.39×6=-2.34kN/m
作用在梁边线方向上的的风荷载设计值：
w1=1.4×（-1.95）=-2.73kN/m
w2=1.4×（-2.34）=-3.276kN/m
4.梁有限元分析
图4-2梁应力图
图4-3梁合位移图
图4-4梁安全系数图
图4-5连接板螺栓孔处最大应力
梁主体部分应力最大值发生在筋板与梁接触部位，为167Mpa<235Mpa，横梁中间位置合位移最大，为25mm<12000/400=30mm，符合钢结构横梁挠度允许值。
最小安全系数1.4。
测得梁与立柱连接处螺栓孔位置最大应力200Mpa<235Mpa，所以，连接板、横梁满足设计要求。
螺栓所受力与螺栓孔受力大小相同，螺栓强度要求，为加强螺栓承载能力，可用6.8级高强度螺栓。
五、檩条设计
1.截面选择及截面特性
选用KQJ90×55×2.5型矩形空心管。
查表得其截面特性如下：
尺寸A/mm:
55
尺寸B/mm:
90
尺寸t/mm:
2.5
理论重量/（kg/m）:
5.368
截面面积/cm^2:
6.839
图5-1檩条截面示意图
2.荷载取值
永久荷载
屋面板0.03kN/m2
檩条自重（包括拉条、撑偶）0.08kN/m2
合计0.11kN/m2
可变荷载
（1）屋面均布活荷载标准值
根据《建筑结构荷载规范》GB5009-2001，本厂房采用轻型屋面板，屋面为上人屋面，其水平投影面上的屋面均不活荷载按表4.3.1采用，标准值取0.5kN/m2
（2）屋面雪荷载标准值
查《建筑结构荷载规范GB50009_2001》可知，基本雪压为0.1kN/m2
作用在每根檩条上的恒荷载和活荷载值，为可变荷载组合控制，见下表：
表5-1檩条所受线荷载表
每根檩条线荷载
标准值Pk（Kn/m）
设计值P（kN/m）
恒线荷载QGk
0.11×1.5=0.165
1.2×0.165=0.198
活线荷载QQ
0.5×1.5=0.75
1.4×1.5=1.05
总线荷载
1.248
3.屋面风荷载
作用在每根檩条线方向风荷载设计值：
w1=1.4×（-2.925）=-4.095kN
w2=1.4×（-3.51）=-4.914kN
4.有限元分析
由于屋面风荷载为吸力，且吸力小于每根檩条所受总荷载1.248×7.448KN,分荷载只有减小檩条所受其余荷载的趋势，所以就在分析时不计风荷载。
图5-2檩条应力图
图5-3檩条合位移图
图5-4檩条安全系数图
檩条应力最大值在檩条与梁焊接处，为213Mpa<235Mpa.最大合位移发生在檩条中间位置，为26mm<6000/200=30mmm，挠度符合要求。
最小安全系数1.1。
综上，应在檩条与横梁固定处焊接角铁，增大接触面积，减小应力集中。
在安装时在檩条与横梁接触部位适当加装拉条，增强整体强度。
六、高低转换部位牛腿设计
1.截面选择
图6-1牛腿节点示意图
牛腿选用结构如上所示，由于高低转换部位风压较低，不纳入计算。
每个牛腿上的支撑力近似为1/3（1组梁个梁自重）+1/2（8根檩条重）+相应面积屋面板重量即1/3×8.8+（0.38×8）/2+0.03×6×12=22.8KN
2.有限元分析
图6-2应力图
图6-3合位移图
图6-4安全系数图
由上图可知，腿与立柱工字钢焊接部位，为26Mpa<235Mpa,合位移在牛腿前边缘部位，为0.046mm。
最小安全系数为9，牛腿符合设计要求。
七、立柱设计
1.初选截面
厂房跨度为24米，初选截面如下：
刚架柱选用HT250×175型H型钢，截面示意图及截面参数如下所示：
截面尺寸/mm|H:
238
截面尺寸/mm|B:
173
截面尺寸/mm|t1:
4.5
截面尺寸/mm|t2:
8
截面尺寸/mm|r:
13
截面面积/cm^2:
39.12
理论重量/（kg/m）:
30.7
图7-1立柱截面示意图
2.立柱受力分析
单组结构抗风能力计算
由上面对墙面分何在的计算可知作用在每组立柱结构中的风荷载如下表所示：
表7-1每组立柱结构顶端中的风荷载表
A（m2）
PK（kN）=
A×
1.0
1.3
0.68
0.74
0.654
12
7.848
立柱有限元分析
按最不利因素，风荷载平均分配到3个立柱上，背风面墙立柱承受屋架重量在水平方向的分量。
因此，在立柱上端施加以上两力进行有限元分析。
图7-2柱应力图
图7-3柱合位移图
图7-4柱安全系数图
立柱应力最大值在檩条与加强筋板接处，为30Mpa<235Mpa。
地脚螺栓孔最大应力13Mpa<235Mpa。
最大合位移发生在立柱顶端位置，为24mm<7000/150=46mm，挠度符合要求。
最小安全系数7.6。
综上，立柱、地脚螺栓、符合使用要求。
八、抗风柱设计
为了便于制作及安装，抗风柱也采用25b型工字钢。
为了预留大门位置，抗风柱间距为4.3米<6米,由上面对侧面立柱受力分析可知，抗风柱符合设计要求。
实际上，抗风柱的设置可以作为大门安装的立柱。
九、基础设计
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C25混凝土和HPB235钢筋，垫层为100mm厚C10混凝土。
2.基础埋深
根据本设计中建筑上部荷载较小，地下水位较深等因素，并根据提供材料，选定基础埋深为自天然地面下1.0m，基础下设100mm厚C10混凝土垫层，所以垫层顶面标高为-1.150m（室内外高差为150mm）。
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