某机加工车间钢结构设计 (2).doc

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1、一 设计题目：某机加工车间设计二 设计资料：1. 车间基本参数某公司因生产需要，拟在济南郊区建设一座单层单跨机加工车间（设计使用寿命50年），车间建筑平面、剖面图见下图。图1 车间建筑平面图图2 车间建筑剖面示意图车间采用排架结构，下部为现浇钢筋混凝土柱及独立基础，上部采用钢屋架结构，屋架与排架柱铰接。车间内设有一台A4工作制的软钩梁式吊车，屋架下弦距离牛腿顶面1.8m，轨道高度130mm。混凝土排架柱采用混凝土实腹矩形柱，吊车梁采用工字形钢筋混凝土吊车梁，抗风柱为矩形截面钢筋混凝土柱。车间屋面采用75mm厚彩色夹芯钢板，屋面檩条为C型钢（）。檩条间距约1.5m，车间四周的围护墙，采用240m

2、m厚砖墙，内外各抹灰20mm厚，纵墙塑钢窗洞口高为1.8m，宽为2.4m，上下共两层。2. 车间荷载，材料自重，抗震设防等级（1） 屋面活荷载标准值：0.5（不上人屋面，无积灰荷载）；（2） 基本风压：0.45；（3） 基本雪压：0.30；（4） 屋面75mm厚夹芯钢板及檩条自重标准值：0.25；（5） 钢屋架及屋面支撑自重标准值：0.35；（6） 钢筋混凝土自重25；砖及抹灰自重20；回填土自重20（7） 抗震设防等级：6度3. 荷载组合（1） 钢屋架：为简化计算，屋面暂不考虑风荷载作用，首先计算一榀典型简支屋架的内力系数，然后计算在下述三种荷载标准值下的杆件内力：全跨永久荷载，全跨屋面活荷

3、载，半跨屋面活荷载，然后进行内力组合。（2） 排架柱：不考虑车间的空间作用，将钢屋架简化成刚度无穷大的水平横梁，两端与 排架柱铰接连接，然后计算排架在各种荷载下的内力，最后进行内力组合。4. 地质情况经过勘测，地表土为人工填土，1.2m厚，不宜作为天然地基土，建议全部挖除；其下为粘土，地基承载力特征值，压缩模量，适宜作为地基持力层，场地地下水静止水位埋深10.5m，可不考虑水质对基础混凝土的侵蚀，最大冻土深度可按0.5m考虑。5. 主要构件材料（1） 钢筋：纵向受力钢筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB300级钢筋；（2） 混凝土：C20- C30；（3） 钢材：Q235B或Q345B。6

4、. 设计分组屋架形式采用三角形钢屋架，屋面坡度采用12.0，吊车为A4工作制软钩5t吊车，牛腿顶标高为4.8m.。三 方案选择与布置1. 方案选择：由上述设计建筑平面图及剖面图，知厂房为,横向柱距为6m，内墙由于建筑需要沿山墙内移500mm，由设计资料知，厂房结构为排架结构。2. 屋架形式尺寸及支撑布置：屋架形式及尺寸见屋架计算部分，支撑布置见下图：屋盖上弦水平支撑屋盖下弦水平支撑垂直支撑下层柱间支撑支撑布置：厂房长度为66m，跨度为24m，有轻级工作制吊车及第一开间尺寸为5.5m，可在厂房两端第二开间设置二道上弦横向水平支撑，并同时在相应的位置设置下弦横向水平支撑，并在同一屋架的跨位置设置垂

5、直支撑，上弦檩条可兼作系杆，故不另设。在下弦跨中央设置一道通长的柔性系杆，在厂房两端的第一开间下弦各设三道刚性系杆，由于温度区段150m，且设防裂度为6度，故仍仅在厂房中部设一道下层柱间支撑，同时上部设上层柱间支撑，上层柱间支撑还应与楼盖支撑同开间设置。四 内力分析计算：1. 屋架尺寸及形状：（1） 檩条布置：根据设计容许檩距，将檩条布置于上弦节点上，同时还应布置在节间点上，檩距为1.656m，檩条跨度为6m，由于，在檩条跨中设置拉条。（2） 屋架尺寸：计算跨度，屋面倾角。屋架跨中高度，上弦总长度，节间长度，节间水平投影长度，檩条间水平投影长度。（3） 屋架荷载计算：恒载：屋面75mm厚夹芯钢

6、板及檩条自重标准值为0.25 钢屋架及屋面支撑自重标准值为0.35 活载：取屋面活荷载及基本雪压的标准值较大者为0.50故：作用在屋架上弦檩条处活荷载集中力标准值为作用在屋架上弦檩条处屋面板集中力标准值为作用在屋架上弦节点处屋架恒重集中力标准值为（4） 故作用在檩条处的荷载： 恒载 活载 （5） 故作用在节点处的恒载标准值为 设计值为 节点处的活荷载标准值为 设计值为（6） 节点处荷载由可变荷载效应控制的组合 由永久荷载效应控制的组合 故节点处的荷载设计值为（7） 檩条处荷载设计值 （8） 节间荷载转化为节点荷载产生弯矩，弦杆在端处正弯矩弦杆中间节点正弯矩及节点负弯矩为2. 屋架杆件内力计算：

7、分别对屋架施加半跨荷载及全跨荷载求得各杆的内力系数如下：左半跨荷载全跨荷载由于屋架的对称性，故取屋架左半部分为对象，计算内力如下表：,名称杆件内力系数第一种组合第二种组合第三种组合最不利组合全跨左半跨右半跨+上弦杆AB-7.826-5.590-2.236-197.55-169.73-127.99-197.55 BC-7.380-5.143-2.237-186.27-158.44-122.28-186.27 CD-6.934-4.698-2.236-175.01-147.19-116.56-175.01 DE-6.847-4.251-2.236-172.82-140.52-115.45-172.

8、82下弦杆 AH7.0015.001 2.000176.71151.82114.48176.71 HG6.0014.001 2.000151.47126.58101.69 151.47 GF4.0002.000 2.000100.9676.0876.08 100.96腹杆 EF0.0000.000 0.0000000 EI3.002 3.0020.00075.7775.77 38.42 75.77 DI-0.894-0.894-0.000-22.56-22.56 -11.44 -22.56 CI1.0021.002 0.00025.29 25.29 12.82 25.29 CG-1.790-1

9、.790-0.000-45.18 -45.18 22.91 -45.18 CH1.0001.000-0.00025.2425.24 12.80 25.24 IG2.0012.0010.00050.51 50.51 25.6150.51 BH-0.894-0.8940.000-22.56 -22.56 -11.44 -22.563. 屋架杆件截面选择：屋架钢材选用Q235B钢， 弦杆端节间最大内力为197.55kN,由焊接屋架节点板厚度选用表，可选用屋架中间节点板厚度为6mm,支座节点板厚为8mm。（1） 上弦杆：整个弦杆不改变截面，按最大内力计算，由于节间荷载存在，故上弦杆应按压弯构件计算。整

10、个上弦杆的弯矩图如下：弯矩作用平面内的计算长度，侧向无支撑。初选上弦杆截面为，如右图所示，查截面塑性发展系数得。强度验算：正弯矩截面：负弯矩截面：均满足要求。弯矩作用平面内稳定验算：由图可知，上弦杆AB的内力最大，最大正弯矩在节间，最大负弯矩在节点处，正弯矩使角钢水平边受压，；节点处最大负弯矩使角钢水平边受拉，因所考虑的杆端相当于两端支撑构件，其上同时有端弯矩和横向荷载并使构件产生反向曲率的情况，由规范查等效弯矩系数。按b类截面查表，欧拉临界力，AB杆。可知。对单轴对称截面的压弯构件以最大负弯矩进行验算：，。综上所述，平面内长细比和稳定性都满足要求。弯矩作用平面外的稳定性验算：截面影响系数，等

11、效弯矩系数，轴心压力。计算长度，因，故对y轴扭转效应的换算长细比为，查b类截面，用最大正弯矩验算：，。用最大负弯矩验算：，。，故故平面外长细比和稳定性均满足要求。局部稳定验算：对组成的T形截面压弯构件，翼缘，腹板，可以满足要求。综上所述，上弦杆截面完全符合各项要求，截面适用。（2）下弦杆：下弦杆按轴心受拉构件设计，整个下弦不改变截面，采用等截面长杆， ，屋架平面内的计算长度取最大节间GF长度即，因屋架下弦在跨中央设有一道通长细杆，故屋架平面外计算长度取侧向固定点的距离即。， ，因此选用，短边相连。如右图，查表得，由以上分析可知杆件的强度已经满足。（3）腹杆：按轴心受力构件计算CH、CI杆：受到

12、的拉力，。因。选用单肢角钢，单角钢截面，。单角钢单面连接计算构件强度时的强度设计值折减系数选用单肢单角钢满足长细比和强度要求。BH、DI杆：承受的压杆，几何长度，拟采用单角钢截面，通过节点板单向连接，。需，选单肢单角钢，单角钢截面，。查b类截面，得，单面连接时，单角钢按轴心受压计算时强度设计值折减系数GI、IE杆：两杆采用相同截面，承受的拉力，选用截面，可得，（）。，选用截面能满足要求。CG杆：承受的轴心压力，拟选用截面，得到，（由查得），。由查表得，故截面满足要求。EF杆：EF杆为零杆，对有连接垂直支撑的屋架，采用截面，此时，由屋架EF杆自身控制的长细比为，。由以上分析计算可知，截面满足要求

13、。对屋架杆件截面进行汇总，得到杆件截面选择表：杆件名称杆件编号内力设计值（kN）计算长度（mm）选用截面杆件受力长细比容许长细比计算应力填板数（每节间填板数）上弦AB BC CD DE-197.5531226624压弯86.0119.81501下弦AH HG GF176.71444511850拉345330350AH、HG为3GF为4腹 杆CH CI25.337033703拉21433435057.634BH DI-22.5613251656压119148150117.64GI IE75.7737037404拉264.4330.8350108.64CG-45.1826503312压135.21

14、15.4150124.554EF047405925拉33927735044. 屋架节点设计：角焊缝强度设计值由E43型焊缝，屋架各杆件轴心至各杆件角钢背面的按下表采用，表中为杆件重心线至角钢背面的距离。杆件名称杆件内力（kN）杆件截面重心距离（mm）轴线距离（mm）备注上弦杆-197.5534.535下弦杆176.7110.215长边外伸CH CI25.315.315单面连接BH DI-22.5615.315单面连接GI IE75.7712.615CG-45.1817.020EF012.615（1）屋脊节点：节点示意图如右图，N=197.55kN，P=25.240kN。拼接角钢的构造与计算拼接

15、角钢采用与上弦截面相同的，其与上弦杆间连接焊缝的焊脚尺寸取，铲去拼接角钢顶棱角，切短拼接角钢竖直边，拼接接头每侧的焊缝共有4条，则每条焊缝的计算长度，拼接处左右杆端部孔隙取40mm，需要拼接角钢长度为保证拼接处的刚度，实际采用拼接角钢长度，因坡度较大，应将拼接角钢的竖直边剖口：，取120mm，为了方便施工，拼接处工地焊一侧的弦杆与拼接角钢和受拉主斜杆与跨中吊杆分别设置直径为17.5mm和13mm的安装螺栓口。拼接接头每侧上弦杆与节点板间连接焊缝计算：弦杆轴力的竖向分力与P/2的合力为，设角钢背部的塞焊缝承受竖向合力V的一半，取，需焊缝长度，取，再设角钢趾部节点板间的角焊缝承受余下的V/2以及当

16、屋脊两侧活荷载不对称作用时可能引起的弦杆内差以及引起的弯矩M的共同作用：取，取，由图量得趾部实际焊缝长度为，计算长度，焊缝中应力为：故可满足强度要求。（2）下弦杆与节点板间连接焊缝计算 N=176.71kN 取角钢背部焊脚尺寸，角钢趾部焊脚尺寸，按焊缝连接强度要求得背部 趾部 实际焊缝长度采用角钢背部l1=110mm 趾部l2=50mm绘制节点详图 ：按以下方法、步骤和要求画节点大样，并确定节点板尺寸 严格按几何关系画出汇交于节点A的各杆件轴线（轴线至杆件角钢背面的距离Z0按表采用）。 下弦杆与支座底板之间的净距取140mm（符合大于130mm和大于下弦杆角钢水平肢宽的要求）。 按构造要求预定

17、底板平面尺寸为ab=220220mm，使节点A的垂直轴线通过底板的形心。 节点板上部缩进上弦杆角钢背面t1/2+2mm=7mm(式中t1=10mm为节点板厚度），取上、下弦杆端部边缘轮廓线间的距离为20mm和根据下弦杆与节点板间的连接焊缝长度等，确定节点板尺寸如图所示。 支座节点A（3）上弦杆与节点板间连接焊缝计算 N=197.55kN， P1=P/2=25.240/2=12.62kN 节点板与角钢背部采用塞焊缝连接（取），设仅承受节点荷载P1。因P1值很小，焊缝强度不必计算，一定能满足要求。令角钢趾部角焊缝承受全部轴心力N及其偏心弯矩M的共同作用：其中取焊脚尺寸，由节点图中量得实际焊缝长度(

18、全长焊满时），计算长度，计算（4）底板计算：支座反力 采用C30混凝土柱锚栓直径采用20，底板上留矩形带半圆形孔，尺寸-220220，锚栓套板用-702070，孔径22。底板面积A底板与钢筋混凝土柱面间的接触面面积 接触面压应力：可满足混凝土轴心抗压强度要求，预定底板尺寸ab=220mm220mm适用。底板厚度底板被节点板和加劲肋划分成四块相邻边支承的小板，两支承边之间的对角线长度，两支承边的支点到对角线的垂直距离，查表得板中最大弯矩（取单位板宽计算）故所需底板厚度，取。底板选用-22020220。（5）加劲肋与节点板的连接焊缝：一块加劲肋的受力支座反力的1/4，加劲肋厚度采用10mm，焊脚尺

19、寸，焊缝计算长度为，则焊缝应力：加劲肋、节点板与支座底板的焊缝。如上图，切口宽度为15mm，两条节点板和四条加劲肋焊缝的总长度为。满足要求。（6）上弦节点：按比例绘出节点详图上弦杆与节点板：，上弦肢背塞焊缝承受檩条传来的集中力荷载P，为了便于安装檩条，取节点板缩进肢背8mm，。由于P值较小，焊缝强度可不计算，上弦杆角趾部角焊缝假定承受两侧弦杆内力差及其偏心弯矩的共同作用：，采用，满足要求。（8） 下弦节点：取G点为节点控制节点，其中，。拼接角钢采用与下弦杆截面相同，拼接角钢与下弦杆间连接焊缝焊脚尺寸为。为便于两者紧贴和施焊铲去拼接角钢顶棱角，切去短拼接角钢竖直边，拼接接头每侧的连接焊缝共有四条

20、，连接强度条件需要每条焊缝的计算长度，拼接处弦杆端部空隙好取为10mm，需拼接角钢长度，实际采用250mm。接头两侧弦杆内力差和两者较大值计算：由节点详图中可以量得实际焊缝长度为，其计算长度，取。，取，满足要求。5. 吊车梁设计：（1） 竖向荷载：对A4的软钩吊车，动力系数 （2） 水平荷载：对软钩吊车，取，小车重量取吊车总重的10% （3） 内力计算：支座反力 最大弯矩： 最大剪力：水平力产生弯矩：（4）选定截面：经济高度：， 允许挠度确定高度，取 由翼缘厚度及腹板厚度确定 （这里可先假定翼缘厚度），按经验公式，因两种结果均小于8mm，故按规范要求取。 翼缘宽度确定：，b（1/31/5）=（

21、1/31/5）576=16096,但应大于200mm,确定翼缘宽度为250mm。综上所述，可知吊车梁截面如右图所示：截面特性： ，（4） 强度验算：上翼缘最大弯曲正应力：腹板最大剪应力：腹板局部压力应力验算（吊车轨道取）（6）整体稳定验算：平面外计算长度，由于，应计算吊车梁的整体稳定，。，满足整体稳定要求。（7）刚度验算：吊车梁的竖向挠度验算满足刚度要求。（8）疲劳验算： 满足要求。（9）局部稳定验算：受压翼缘自由外伸宽度与其厚度比（满足）。，且，应按构造要求配置横向加劲肋，间距，近似取间距1000mm，加劲肋宽度，厚度，取。（10）支座加劲肋计算：取支座加劲肋为：210012。端面承压应力为

22、：稳定计算:，属于b类截面，查表得则计算支座加劲肋在腹板平面外的稳定性：满足要求。（11）焊缝验算：上翼缘与腹板的连接焊缝 按构造取。下翼缘与腹板的连接焊缝按构造取支座加劲肋与腹板的连接焊缝，取。6. 排架柱设计（1）资料：排架柱采用混凝土实腹式矩形柱，混凝土采用C30（，）纵向受力钢筋为HRB335级（，）箍筋采用HPB300级（，）室内外标高相差为150mm，定基础顶面位于室外地坪以下500mm处即标高为0.650m，牛腿标高为+4.8m，上柱高1.8m，柱总高为。下柱高，仅取一榀排架进行计算，计算单元及计算简图如右：初步定上柱截面，下柱截面。（1） 荷载计算：恒载：a.屋盖恒载：屋面夹芯

23、板及檩条自重标准值 钢屋架及支撑自重标准值 则作用于每侧柱顶的屋盖结构自重设计值 ， b.上柱自重设计值 ，c.下柱自重设计值 d.吊车梁及轨道重力荷载设计值为屋面活荷载：取屋面活荷载及雪荷载的较大值为。作用于柱顶的屋面活荷载设计值，作用位置同。风荷载：基本风压，其中。当，当，按线性内插柱顶标高为，室外天然地坪标高为，。排架计算宽度B6m,地面粗糙类别为B，对可得，吊车荷载：吊车参数 ，轮距小车质量，起重量。a. 吊车竖向荷载，均作用于对下柱偏心处。b.吊车水平荷载：。作用于排架柱上的吊车横向水平力荷载设计值为。（3）排架内力分析：排架柱上柱截面用，下柱截面用。上柱，下柱，恒载下的排架内力分析

24、：分别在A、B两点施加不动铰支座，。在作用下，不动铰支座反力 由对称条件可知。撤去不动铰支座，每个柱子分担的剪力仍为0。可知为原值，故在恒载下柱子的M,V,N图如下： M 图 V图屋面活荷载作用下的内力分析：在柱顶处力矩在牛腿顶面。对柱：，。则，内力图如下M 图V图 N图风荷载作用下排架内力分析：（仅考虑左风一种情况）对两柱，。即，由于两柱相同，。， 故左风下的排架内力图（左风不引起轴力）：V图 吊车荷载作用下排架内力：a.作用于A柱时，。，。，A柱：，B柱：内力图： M 图V图N图b.当向左时柱中， 。由于吊车梁高500mm，垫板厚20mm，。，M与V图如下 M 图 V图A柱内力设计值汇总表

25、屋面恒载及吊车梁重屋面均布活载控制截面MVNMVN1-1M-0.2.7540.2.16N60.4850.42-2M-4.001-4.824N65.0450.43-3M3.0133.46N104.2850.4V1.2871.52在A柱在A柱控制截面MVNMVN 1-1M-6.076.07N002-2M21.342.72N60.5960.593-3M2.93615.657N60.5960.59V-3.372-3.372左风右风控制截面MVMVMV 1-1M 1.1189.52-13.08N0002-2M1.1189.52-13.08N0003-3M12.8498.07-90.02N000V2.15

26、24.49-17.59A柱内力组合值控制截面组合项目组合列式恒载+0.9（两种或两种以上活载）恒载+任一种活荷载组合项目1-1及相应的N+9.244660.48+9.38760.48及相应的N+0.9(+)-20.70260.48+-13.21360.48及相应的M+0.9(+)-20.64105.84+0.231110.88及相应的M+0.9(+)-20.96860.48+-13.21360.482-2及相应的N+0.9(+)34.589145.02+27.551153.84及相应的N+0.9(+)-22.926130.845+-16.93965.64及相应的M+0.9(+)30.38/19

27、0.38+27.551153.84及相应的M-18.71885.485+-16.93965.643-3及相应的N,V+0.9(+)134.028+101.142169.47525.745104.2725.781及相应的N,V+0.9(+)-90.783183.65-15.008+-87.008104.27-17.979及相应的M,V+0.9(+)118.647229.0125.745+9.382192.475.891及相应的M,V+0.9(+)130.905130.90524.376+101.142104.2725.7810（4）柱截面设计：混凝土采用C30（，）钢筋为HRB335级（），查表

28、得 ，上下柱内均为对称配筋。上柱配筋：上柱的截面共有四组内力值，当，时为最不利组合：,由于,故按此组内力计算时为构造配筋；由“偏心受压构件全部纵筋的配筋率不应小于0.6%，同时一侧配筋不小于0.2%”得，故每侧配筋512,。下柱配筋计算：下柱中的内力组合中，经内力评判，为最不利。，下柱计算长度。附加偏心距，取。，则。，取，取。，可按大偏心受压计算每侧配筋220+216 ,，满足要求。在垂直于排架方向柱的计算长度，查表得。，远大于。故平面外亦满足要求。柱的裂缝宽度验算： ， 。则，满足要求。柱箍筋配置：抗震设防烈度为6度的单层厂房柱，箍筋数量一般由构造控制。根据构造要求，上下柱均选用8200箍筋

29、。（5） 牛腿设计：牛腿尺寸如图所示： 牛腿截面高度验算：, ，取。由故牛腿截面高度满足要求。牛腿配筋计算：实际选用412,水平箍筋选用8100,满足要求。6.基础设计：。采用现浇柱下独立基础，C25混凝土，受力筋HPB335级（1）荷载计算：基础除承受3-3截面传来的荷载外，还要承受由基础梁直接传来的荷载（设计值）基础梁自重：窗重：墙重 ：,;偏心距，及相应的N及相应的N及相应的M及相应的MN设计值柱传来169.475183.65229.01130.205基础梁222.74222.74222.74222.74合计381.855396.03441.39336.495M设计值柱传来134.028

30、-90.783109.520-73.002梁产生-93.55-93.55-93.55-93.55V产生25.745-15.00825.74524.376合计70.573-194.99155.19266.081比较可知：选和第一组，第二组。（2）进行深度修正：（3）选取底面尺寸第二组：，倍，取。第一组：宽度不需修正。（4）验算基底最大压力均满足要求。（5）抗冲切验算：取，第一组：第二组：，故。此基础短边不需要进行抗冲切验算。长边冲切验算：。则当时。冲切面积，抗冲切力满足要求。（6）配筋计算：长边方向，截面：第一种：第二种：取较大者。按构造配筋足以满足要求 即10200,。短边方向，截面：第一种：第二种：取两者较大值，。按构造配筋即可满足要求 即10200,。41