钢结构厂房毕业设计.docx
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钢结构厂房毕业设计
摘要
本论文论述了单层钢结构厂房的焊接结构设计和焊接工艺的制作，针对跨度为24米的钢结构厂房，结合《钢结构设计手册》、《建筑结构载荷规范》等资料首先选择了结构整体用钢的型号然后进行了钢结构厂房整体平面结构的布置，起重机的型号选取，根据沈阳地区的自然情况对刚架结构进行了设计以及强度校核，选择了合适的柱脚和牛腿以及刚架柱与梁等节点，并且选取合适的柱间支撑和屋顶水平支撑等保证强度的维护体系，参照《GB985.1-2008》和《焊接手册》等资料选择了丝极埋弧焊和二氧化碳气体保护焊的焊接方法进行施工，并设计了坡口形式和尺寸等参数的焊接工艺，还叙述了钢结构厂房的现场施工工艺流程，和施工注意事项。
关键词：
钢结构；钢结构厂房；埋弧焊
Abstract
Thispaperdiscussesthestructuraldesignandweldingprocessofweldingofthesinglelayersteelstructureworkshopproduction,forsteelstructureworkshopof24span,firstselectthemodelofstructuralsteelasawholeandtheoveralllayoutoftheplanarstructureofthesteelstructureworkshop,cranemodelselection,combinedwith"SteelDesignManual","constructionstructuralloadnorms"andotherinformation.ThencombinedwiththenatureofShenyang,designandstrengthcheckofsteel-framedstructures,andselecttheappropriatelevelofsupportandroofsupportcolumnensuringthestrengthtomaintainthesystem.Referenceto"GB985.1-2008"and"WeldingHandbook"andotherinformation,choosethearcweldingandtheCarbondioxidegasshieldedarcwelding,anddesignthegroovetypeandthesizeandotherWeldingparameters,italsodescribesthesiteofthesteelplantconstructionprocess,andConstructionNotes.
Keywords:
steelstructure;steelstructureworkshop;submergedarcwelding
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题背景和意义1
1.2国内外研究现状2
1.3本课题的研究内容及方案3
2建筑结构布置设计4
2.1建筑平面设计4
2.1.1厂房平面形式的选择4
2.1.2柱网的选择4
2.1.3屋面维护体系选择5
2.1.4定位轴线的确定5
2.2建筑剖面设计5
2.2.1柱顶标高的确定5
2.2.2屋脊高度确定7
2.2.3刚架结构形式的确定7
3刚架内力计算8
3.1刚架截面尺寸的确定8
3.2材料的选择9
3.3计算10
3.3.1恒荷载标准值（对水平投影面）10
3.3.2活荷载标准值10
3.3.3屋面荷载值10
3.3.4风荷载标准值10
3.3.5恒载作用内力计算12
3.3.6活载作用14
3.3.7风荷载作用15
3.3.8起重机荷载作用22
4刚架强度验算28
4.1梁柱截面宽厚比验算28
4.2梁的验算28
4.2.1抗剪验算28
4.2.2弯、剪、压共同作用下的验算29
4.3柱的验算29
4.3.1抗剪验算29
4.3.2弯、剪、压共同作用下的验算29
4.3.3整体稳定性的验算29
5牛腿尺寸确定及验算32
5.1牛腿尺寸32
5.2验算32
6焊接工艺34
6.1材料焊接性分析34
6.2焊接工艺的制定34
6.2.1焊接方法的选择34
6.2.2焊接材料的选择35
6.2.3坡口形式及尺寸的选择35
6.2.4焊接参数的选择35
6.2.5焊接防止变形及矫正措施36
6.2.6焊缝检测36
6.2.7焊缝缺陷的补救37
6.3施工流程37
6.3.1下料切割37
6.3.2钢结构的焊接37
6.3.3除锈及涂装38
6.3.4钢结构的安装38
结论40
致谢41
参考文献42
附录A：
英文原文43
附录B：
中文翻译51
附录C：
焊接工艺卡57
1绪论
1.1课题背景和意义
被喻为“绿色工厂”的钢结构厂房体系具有自重轻、安装容易、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势，与钢筋混凝土结构相比，更具有在“高、大、轻”三个方面发展的独特优势。
最近在我国建筑工程领域中已经出现了产品结构调整，长期以来混凝土和砌体结构一统天下的局面正在发生变化，钢结构厂房以其自身的优越性引起业内关注，已经在工程中得到合理的、迅速的应用，所以钢结构厂房的发展前景美好。
众所周知，建筑钢结构是一个复杂的系统工程，它包括钢结构设计等13个主要工艺流程。
焊接应用技术对整个工艺流程起到决定性的作用。
在钢结构行业的主要工艺流程中，焊接技术对整个流程起到决定性的作用。
以热轧型钢（角钢、工字钢、槽钢、钢管等）、钢板、冷加工成型的薄壁型钢以及钢索作为基本元件，通过焊接、螺栓或铆钉连接将基本构件连成能够承受外载荷的结构称为钢结构。
目前钢结构已经在国门经济各部门获得非常广泛的应用。
不仅在传统工业部门，如工业与民用建筑业的建筑结构，交通运输业的船舶、车辆、飞机、桥梁，电力部门的高架塔桅，水工建筑中的闸门、大型管道以及机械工业中的工程机械、重型机械等方面，而且在近年来新兴的航空业、海洋工程中都大规模应用了钢结构。
钢结构有如此广泛的应用，原因在于它具有以下的特点：
a、强度高、重量轻钢才的强度要比混凝土高很多倍，因此当承受载荷和周围环境相同时，用钢才制成的结构自重较轻，所需截面积较小，运输和架设方便。
b、塑性和韧性好钢材具有良好的塑性，一般情况下，不会偶然超载或局部超载造成突然的断裂破坏，而是实现有塑性变形的征兆，可以及时采取补救的措施。
钢材的良好韧性，对加载在其上的动载荷有很好的适应性，为结构的安全提供了可靠的保证。
c、材质均匀钢材的内部组织均匀，各个方向的物理力学性能大致相同，很接近各向同性体，在一定的应力范围内，钢材处于理想的弹性状态，与工程力学所采用的基本假定较符合，故计算结果准确可靠。
d、制造方便钢结构是由各种加工制成的型钢和钢板组成的，采用焊接、螺栓或铆接等工艺制成基本构件，运到现场装配拼接。
所以制造简单、施工周期短、效率高，且修配、更换方便。
这种工厂制造、工地安装的施工方法，具备了成批大件生产和成品精度高等优点，同时为降低造价、发挥投资的经济效益创造了条件[1]。
1.2国内外研究现状
钢结构厂房是近十年来发展最快的领域，在美国采用轻型钢结构厂房占非住宅建筑投资的50%以上。
这种结构工业化、商品化程度高，施工快，综合效益高，市场需求量很大，已引起结构设计人员认识。
目前已经有多种的低层、多层和高层的设计方案和实例。
因其可做到大跨度、大空间，分隔使用灵活，而且施工速度快、抗震有利的特点，必将对我国传统的厂房结构模式产生较大冲击。
目前还存在着种种不尽人意或有待提高的方面，但钢结构厂房的发展潜力巨大，前景广阔。
我国三十年来的改革开放和经济发展，已经为钢结构厂房体系的应用创造极为有利的发展环境。
首先，从发展钢结构厂房的主要物质基础来看，自1996年开始我国钢的总产值就已超过1亿吨，居世界首位。
而且随着钢材产量和质量持续提高，其价格正逐步下降，钢结构厂房的造价也相应有较大幅度的降低。
与之相应的是，钢结构厂房配套的新型建材也得到了迅速发展。
其次，从发展钢结构厂房的技术基础来看，在普通钢结构厂房、薄壁轻钢结构厂房、高层建筑钢结构厂房、门式刚架轻型房屋钢结构厂房、网架结构、压型钢板结构、钢结构厂房焊接和高强度螺栓连接、钢与混凝土组合楼盖、钢管混凝土结构及钢骨（型钢）混凝土结构等方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行。
有关钢结构厂房的规范规程的不断完善为钢结构厂房体系的应用奠定了必要的技术基础，为设计提供了依据。
第三，从发展钢结构厂房的人才素质来看，经过几年来的发展，专业钢结构厂房设计人员已经形成一定的规模，而且他们的专业素质在实践中得到不断提高。
而随着计算机在工程设计中的普遍应用，国内外钢结构厂房设计软件发展迅猛，软件功能日臻完善，为协助设计人员完成结构分析设计，施工图绘制提供了极大的便利条件。
国外的门式刚架体系已经进入了设计、分析、出图程序化（如大型通用化设计软件包LosekeBuildingSystemSoftware）、构件加工、安装施工、经营管理一体化流程的时代。
同时在建造方面也发生了变化。
业主不是带图纸委托加工，而是向承包商定购某种轻型钢结构房屋，承包商在规定时间内按业主要求按质建成并交付使用。
而且很多公司都有自己的系列，以商品的形式交付使用。
门式刚架钢结构体系已经普及到了各个领域内。
日本工程界目前正就主刚架在地震力作用时保有水平耐力（即构件达到塑性阶段时的承载力）所需的Ds值的取法（Ds为地震空间结构分维，反映地震空间结构的相似性），大断面Z型冷弯薄壁型钢檩条及墙梁、高强度螺栓在椭圆孔处的受力状态等几个方面进行研究。
现今我国已建成的门式刚架轻钢结构房屋已达800多万m2，而且以每年约100万m2的速度增加。
这是个前所未有的大好机遇，必将带动建筑业产品结构的调整，促进建筑结构向轻型化、系列化发展。
目前国内门式刚架结构优化设计研究领域取得了较好的成绩。
研究了门式刚架工业厂房最优柱距的问题，有了详细的数据。
在优化算法和敏度分析的研究上也已经取得了显著的成果。
我国学者采用渐近满应力法，研究开发了门式刚架结构优化设计软件SOA。
采用GIG（GeneralInteractiveGradient）一般梯度法，研究了门式刚架在荷载作用下的优化，与传统设计方法相比，取得了较好的效果。
采用离散复合形优化方法，依据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:
98），建立了门式刚架轻型结构离散变量优化的数学模型，在3D3S（V3.0）软件的基础上编制了门式刚架的结构优化程序。
使用遗传算法，对门式刚架进行了包括离散和连续变量的截面、形状混合优化的研究，并与PFCAD系统相结合，形成了一个完整的门式刚架轻型房屋设计与优化系统[2]。
1.3本课题的研究内容及方案
本课题主要研究在沈阳地区跨度为24m的钢结构厂房的焊接结构及焊接工艺，从最开始对钢结构厂房的整体的平面布置结构和立面布置结构的研究，然后对厂房的一些维护系统例如檩条、系杆、水平支撑等进行了选取和连接方式的选择，以及节点的形式选择，并且对刚架进行的强度校核，最后对需要焊接连接而成的部位进行了焊接工艺的确定。
通过对钢结构厂房的特点及布置情况的学习后。
查阅《钢结构设计手册》、《建筑荷载规范》以及《焊接手册》等资料，并且在指导老师的指导下，对厂房的具体布置进行确定然后完成焊接工艺等内容。
2建筑结构布置设计
2.1建筑平面设计
2.1.1厂房平面形式的选择
本设计厂房跨度为24m，由文献[3,413]可知道门式刚架跨度一般单跨为9-36m，所以该厂房设计为单跨，为形式对称再设计为单跨双坡的常见形式。
有起重机的厂房高度一般为9-12m，所以定厂房牛腿高度9m（满足3M模数）[3]，厂房具体高度由起重机轨顶标高及起重机所需净空高度进一步确定，由高度9-12m确定为单层钢结构厂房。
另外考虑到温度区段长度问题，由《钢结构设计手册》表2-17（见表2.1）查得采暖和非采暖地区纵向温度区段长度为220m，横向温度区段长度为120m，本结构横向24m纵向72m都在以上范围内所以不用加设温度伸缩缝[3]。
表2.1温度区段长度值（m）
结构情况
纵向温度区段
横向温度区段
柱顶为刚接
柱顶为铰接
采暖和非采暖地区房屋
热车间和采暖地区非采暖房屋
露天结构
220
180
120
120
100
—
150
125
—
2.1.2柱网的选择
由车间的长，宽尺寸，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。
柱网的选择实际上是厂房跨度和柱距的选择。
一般情况下柱距即刚架的最优距离为6-9m，超过9m时，屋面檩条与墙架体系用钢量增加太多，综合造价并不经济，现在我国应用的基本柱距为6m，本结构厂房也选择6m的柱距[6]。
2.1.3屋面维护体系选择
檩条间距选择最常用的1.5m，并且选择应用最普遍，用钢量省，制造和安装方便且跨度小于等于6m的冷弯薄壁卷边槽钢（C型）檩条。
檩条高度的确定见公式（2.1）
（2.1）
式中L—檩条跨度为6m。
其高度在171.43mm附近，由《钢结构设计手册》表7-3选择檩条截面规格为：
C180*70*20*3.0的檩条[3]。
为使屋面构成稳定的体系，还要在屋面上设置横向水平支撑，一般横向水平支撑间距为30m-40m，本结构厂房总厂72m总共12个开间，所以在第一个开间、第七个开间和最后一个开间上设置水平支撑，详细布置见图纸。
2.1.4定位轴线的确定
单层厂房的定位轴线是确定厂房主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。
横向定位轴线与刚架柱的横向中心线重合，纵向定位轴线与起重机轨道中心线向外距离750mm。
2.2建筑剖面设计
2.2.1柱顶标高的确定
为满足3M模数，牛腿高度已定为9m，吊车的轨道梁选择工字型截面的600mm高的工字钢，这样吊车轨顶标高即为9600mm，又根据文献[3]中的北京起重运输机械研究所1-10t吊钩LDB型电动单梁起重机技术规格中的10t起重机参数（见表2.2）中得知起重机自身梁高875mm，起重机参数说明见图2.1，并且由《钢结构设计手册》中得知吊车顶面至屋顶的安全高度即所需净空尺寸一般取250mm-350mm，本结构取350mm[3]。
这样厂房的柱顶标高可用式（2.2）计算：
（2.2）
式中，因为要满足3M模数，所以取11100mm即11.1m。
表2.210t起重机参数
起重量
工作制
跨度s（m）
起升高度（m）
基本尺寸（mm）
轨道型号
总重（t）
轮压（KN）
10t
A3~A5
22.5
912
B
3500
W
3000
H1
875
b
120
38kgm
8.84
Pmax
74.95
Pmin
19.23
图2.1起重机参数
2.2.2屋脊高度确定
刚架的坡度一般为18~120，在雨水大的地方取较大值，沈阳地区雨水不是很多，本结构选择110的坡度。
则屋脊的高度H′由公式（2.3）确定
（2.3）
L—跨度
i—坡度
算得屋脊高度为11.4m。
2.2.3刚架结构形式的确定
门式刚架框架柱的形式有多种，按截面形式分，有等截面和变截面形式，变截面虽然节省材料但是构造连接及加工制造不方便，一般当跨度较大或者高度很高时采用，所以本结构中采用等截面刚架柱，等截面柱一般适合用于无吊车或者吊车起重量Q≤20t时，本结构中起重机为10t，所以适用。
并且等截面刚架柱一般为工字型，本结构中选择焊接型工字钢作为刚架柱，按构件体系分有实腹式和格钩式，因为选择了工字钢自然是实腹式刚架柱[3]。
门式刚架的梁选用与柱相同的工字钢，刚架梁与柱的连接为刚接，柱脚与地面的连接因为厂房内设起重机，为了稳定性的考虑选择刚接柱脚。
另外在上述加设水平支撑的开间还要加设柱间支撑，在两端山墙处每端加设三根抗风柱，抗风柱间距6m对称分布，根据《钢结构设计手册》表11-2[3]选择QJZ12-6.0-1即为H300*150*4.5*8.0的普通高频焊接H型钢，门式刚架详细见图纸。
3刚架内力计算
3.1刚架截面尺寸的确定
在钢结构厂房中，厂房梁柱的截面高度的计算公式可按公式（3.1）计算[6]：
（3.1）
式中h—柱截面高度；
L—厂房跨度。
暂取截面高度为600mm。
然后由《钢结构设计手册》中的焊接工字型钢的截面特性表17-6选出一种截面[3]，其尺寸及截面特性见表3.1，尺寸说明见图3.1。
表3.1所选焊接工字钢的截面尺寸及特性
尺寸（mm）
截面面积
A（cm²）
每米重量
（Kgm）
截面特性
x-x轴
y-y轴
h
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
600
560*120
300*20
187.2
147.0
118522
3951
25.16
2210
9008
600.5
6.94
图3.1工字钢截面尺寸参数
3.2材料的选择
钢结构所用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，Q235钢是较理想的钢号。
还有吊车梁用钢也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。
另外设计资料中给出厂房所处环境在沈阳，沈阳冬季室外温度多数处在-12.9~-2℃之间，对于刚架和吊车梁承受重要载荷的部件由于计算温度处于0℃和-20℃之间，根据《钢结构设计手册》应选用具有0℃冲击性能和合格C级钢，即为Q235C。
关于其材料的成分和焊接性能在焊接工艺中会进一步阐述，表3.2和表3.3中分别表述了Q235钢材的力学性能和钢材强度设计值[3]。
表3.2钢材力学性能
标准代号
钢材牌号
厚度
一般机械性能
V形冲击试验
屈服点fy（Nmm²）
抗拉强度fu（Nmm²）
伸长率δ（%）
质量等级
温度（℃）
冲击功（纵向）J不小于
Q235
≤16
235
375~500
26
25
24
B
C
D
20
0
-20
27
表3.3钢材强度设计值（Nmm²）
钢材
抗拉、抗弯和抗压f
抗剪fv
牌号
Q235
厚度或直径
≤16
215
125
3.3计算
3.3.1恒荷载标准值（对水平投影面）
压型钢板（二层含80㎜厚的保温层）0.30KNm2
檩条（包括拉条）0.05KNm2
刚架斜梁自重0.15KNm²
0.50KNm2
3.3.2活荷载标准值
屋面活荷载：
按不上人屋面考虑，取为0.50KNm2。
雪荷载：
基本雪压0.30KNm2。
取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0.50KNm2，不考虑积灰荷载。
3.3.3屋面荷载值
首先恒载的设计值是标准值乘以分项系数1.2，活载的设计值应为标准值乘以分项系数1.4。
恒载标准值0.50×6=3.0KNm
设计值3.0×1.2=3.6KNm
活载标准值0.5×6=3.0KNm
设计值3.0×1.4=4.2KNm
3.3.4风荷载标准值
计算[4]：
（3.2）
式中—高度z处的风振系数；
—风载荷体形系数；
—风压高度变化系数；
—沈阳地区基本风压。
地面粗糙度类别为B类其中查得为0.4，为1.0，为1.0，取值说明见图3.2[4]：
图3.2风荷载体形系数（左来风）
那么风荷载的的具体标准值计算见式（3.3）：
（3.3）
式中B—刚架间距。
1、向风面的风荷载
（1）柱上
（2）横梁上
2、被风面的风荷载
（1）住上
（2）横梁上
3.3.5恒载作用内力计算
首先确定几个基本参数s、f、=125KNm
3、Tmax作用内力计算
计算所需系数
计算得=0.87，=2.20，=0.11，K=0.90，=4.96，=1.29，=7.24，=4.90，=5.03
此时计算剪力及弯矩的公式如下：
剪力
（3.37）
剪力
（3.38）
弯矩
（3.39）
弯矩
（3.40）
弯矩
（3.41）
支反力
（3.42）
弯矩
（3.43）
弯矩
（3.44）
式中：
—最大集中力Tmax处的作用弯矩；
F—Tmax。
带入具体数值计算可得出：
VA=-VE=3.04KN，HA=-9.60KN，HE=7.10KN，MA=-54.3KN·m，ME=25.9KN·m，MB=25.9KN·m，MD=-22.05KN·m，MC=20.90KN·m，=33.73KM·m。
4、Dmax作用在左侧柱时内力
此时剪力、弯矩等计算公式如下：
剪力
（3.45）
弯矩
（3.46）
弯矩
（3.47）
弯矩
（3.48）
支反力
（3.49）
弯矩
（3.50）
带入具体数值计算可得出：
VA=380KN，VE=8.23KN，HA=HE=19KN，MA=23.20KN·m，ME=130.50KN·m，MB=114.14KN·m，MD=-65.85KN·m，MC=-6.39KN·m。
把此步的计算结果加下脚标“4”以便在下一步计算方便区分。
5、Dmin作用在左侧柱时内力
剪力、弯矩等计算公式如下：
剪力
（3.51）
弯矩
（3.52）
弯矩
（3.53）
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