1、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
2、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，培养自己理论结合实践的能力，积累工程经验，从而为将来走向工作岗位打下坚实的基础。摘 要近年来，轻钢结构因其取材方便、用料省、自重轻、构件批量生产、现场施工速度快、周期短等诸多特点，在
3、我国取得了长足的发展。其中，门式刚架造型由于其简洁美观、平面布置灵活、安装便利及可以满足多种生产工艺和使用功能的要求等特点，目前正被运用于越来越多的钢结构房屋建筑中。本工程是以轻型门式钢架作为结构形式的单层工业厂房。厂房共有两跨，每跨设有两台桥式软钩吊车。厂房为双坡屋面，除基础和地基梁使用混凝土、外墙标高1.2m以下为240厚砖墙外，其他所有主次要构件均为钢结构。首先根据现有资料进行建筑方案的比选及建筑的平、立、剖面的设计；然后建筑设计基础之上的结构布置、静力计算、框架设计、节点设计、柱脚设计、檩条设计、柱间支撑设计、吊车梁设计及基础设计等。建筑设计给结构设计提供初步的计算资料，结构设计又把更
4、新的数据反馈给建筑设计，如此循环以得到最终设计结果。在结构设计中，对各种构件的基本的设计思路如下：(1)建立合理的力学模型，确定计算简图；(2) 计算各种工况下构件危险截面的内力；(3) 进行荷载效应组合，得到可能的最不利内力；(4)对构件危险截面进行内力验算，继而确定其具体尺寸(包括截面尺寸、板件厚度、螺栓直径及间距、焊脚尺寸及长度、疲劳验算等)。构件的尺寸选择一般是通过经验公式进行初选，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
5、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11.1目前轻钢结构的特点及发展现状11.2毕业设计的内容与方法2第2章 建筑设计22.1工程概况22.2设计条件22.2.1.自然条件22.2.2.荷载条件22.2.3.材料规格32.2.4.施工与安装条件32.3建筑设计32.3.1.设计依据及设计指导思想32.3.2.设计特点及方案42.3.3.构造说明5第3章 内力计算63.1结构设计资料63.2结构布置73.2.1.柱网布置及抗风柱布置73.2.2.横向
6、框架结构主要尺寸73.2.3.柱间支撑布置73.2.4.墙架布置83.2.5.屋面支撑93.2.6.支撑的布置93.3静力计算113.3.1.计算简图113.3.2.荷载计算123.3.3.梁柱截面估选143.3.4.内力分析14第4章 框架设计234.1柱的设计234.1.1.边柱截面设计234.1.2.中柱截面设计274.1.3.柱截面设计更改294.2横梁的设计344.2.1.内力组合344.2.2.跨中截面选择354.2.3.梁端截面选择364.2.4.梁翼缘和腹板的连接焊缝374.2.5.梁变截面设计374.2.6.加劲肋的设计384.3主要节点设计394.3.1.横梁和柱连接及横梁
7、拼接形式和要求394.3.2.横梁和柱的连接404.3.4.牛腿的设计与验算454.4柱脚设计474.4.1.底板尺寸474.4.2.肋板计算484.4.3.靴梁计算484.4.4.锚栓计算504.4.5.厂房侧移计算51第5章 墙架及抗风柱设计515.1山墙墙梁设计515.1.1.荷载及墙板设计515.1.2.墙梁设计525.2纵向墙梁的设计525.2.1.荷载及墙板设计525.2.2.墙梁设计535.3抗风柱的设计535.3.1.截面选择545.3.2.截面验算54第6章 檩条设计556.1荷载计算556.2内力计算556.2.1.永久荷载与屋面活载组合556.2.2.考虑风荷载吸力的组合
8、566.3截面选择566.4确定有效截面并验算强度566.5风吸力组合下稳定计算586.6绕度计算586.7长细比计算58第7章 柱间支撑设计597.1柱间支撑的形式597.2柱间支撑的设计597.2.1.荷载计算597.2.2.支撑构件内力计算（设计值）607.2.3.截面选择和验算607.2.4.厂房纵向刚度计算61第8章 吊车梁与地基梁设计618.1吊车梁设计618.1.1.吊车梁资料618.1.2.吊车荷载计算618.1.3.内力计算618.1.4.截面选择628.1.5.强度计算648.1.6.稳定性计算658.1.7.挠度计算678.1.8.支座加劲肋计算678.1.9.焊缝计算6
9、88.1.10.疲劳验算688.2地基梁设计698.2.1.纵向地基梁698.2.2.山墙地基梁70第9章 基础设计719.1地质条件719.2基础设计719.2.1.边柱基础设计719.2.2.中柱基础设计77第10章 3D3S软件计算过程82第11章 回顾与展望9511.1轻型门式刚架结构设计9511.2对轻钢结构发展的建议96参考资料96附表一98附表二99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
10、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23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
11、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、
12、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30
13、m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
14、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
