【正文】 （論文）單層輕鋼建筑結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)論文1 緒論由于科技的飛速發(fā)展以及鋼材品質(zhì)的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)的重要性己經(jīng)被先進(jìn)國家所肯定，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國鋼鐵工業(yè)與建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也取得了長足的發(fā)展。中國鋼產(chǎn)量自1996年突破l億噸后，至今已實現(xiàn)”七連冠”。2000年中國鋼產(chǎn)量占到世界鋼產(chǎn)量份額的巧 .23%，鋼材消費量也一躍成為世界大國。到了2004年，中國鋼產(chǎn)量占到世界鋼產(chǎn)量份額的25%。隨著中國鋼材實現(xiàn)了從短缺到充裕的大跨度飛躍，國家相繼出臺了”發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)、開發(fā)鋼結(jié)構(gòu)造和安裝施工新技術(shù)等產(chǎn)業(yè)技術(shù)政策。至此，中國的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)擺脫了由于鋼材數(shù)量不足對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的束縛，駛上積極發(fā)展的快車道。由從前的限制使用鋼結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在鼓勵建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。由于國家政策、鋼材生產(chǎn)、設(shè)計研發(fā)等諸多方面的有利因素，近幾年我國的建筑鋼結(jié)構(gòu)處于建國以來最好的發(fā)展時期，而且還會在相當(dāng)長時期內(nèi)得到長足的發(fā)展。建設(shè)部、原國家冶金工業(yè)局成立的建筑用鋼技術(shù)協(xié)調(diào)小組制定的建筑用鋼發(fā)展計劃指出：爭取到2010年我國建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼達(dá)到鋼材總產(chǎn)量的5%，而發(fā)達(dá)國家建筑用鋼占鋼產(chǎn)量的比例目前都在10%以上。建設(shè)部1997年H月發(fā)布了新的《中國建筑技術(shù)政策》(1992010)，具體提出了發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的要求，這是幾十年來的第一次。近幾年來采用鋼結(jié)構(gòu)的工業(yè)與民用建筑年平均用量呈迅猛發(fā)展的態(tài)勢，其中輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋所占比重在迅速增加，并且由于其突出的特點及適應(yīng)我國現(xiàn)階段國民經(jīng)濟發(fā)展的需要而得到飛速發(fā)展。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，1999年中國建筑用鋼約2500多萬噸，占全部鋼材產(chǎn)量的20%一25%。其中鋼筋混凝土用鋼筋、鋼絲、鋼絞線約2000萬噸，鋼結(jié)構(gòu)約200萬噸，金屬門窗及設(shè)備支架約300萬噸。包括橋梁、石油管線及各專業(yè)工業(yè)部門使用鋼材，其總量約為4000萬一5000萬噸，占全國鋼材產(chǎn)量45%左右。據(jù)統(tǒng)計，2000年中國每年大約有300多萬平方米輕鋼結(jié)構(gòu)建筑竣工(包括門式鋼架、輕鋼房屋和壓型鋼板、拱殼屋蓋)。輕型鋼結(jié)構(gòu)所用鋼板大量為涂層鋼板。2000年，，市場滿足率只有41%。而到了2004年，我國僅新增彩色涂層板生產(chǎn)能力143萬噸/年。輕型鋼結(jié)構(gòu)體系中擦條和墻梁一般采用“Z”型或“C”形冷彎薄壁型鋼【4】。目前，我國冷彎型鋼年產(chǎn)量在30萬噸左右。鋼結(jié)構(gòu)新興產(chǎn)業(yè)方興未艾，國產(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)用鋼發(fā)展迅速。這幾年，為適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)對鋼材的需求，一大批新型鋼結(jié)構(gòu)用種相繼問世，產(chǎn)量在不斷擴大。寶鋼開發(fā)出新型的耐火耐候鋼，初步形成了具有國際先進(jìn)水平的和中國特點的系列產(chǎn)品B27O一B57ONQ，并在國內(nèi)的大型廠房、民居、商務(wù)樓等應(yīng)用，受到鋼結(jié)構(gòu)加工、施工單位好評；馬鋼也研制出耐火熱軋H型鋼，能耐600℃高溫，并在上海一幢高層建筑上應(yīng)用；上海大通鋼結(jié)構(gòu)有限公司采用寶鋼的材料開發(fā)出耐火耐候高頻焊接H型鋼。我國的熱軋H型鋼從零開始發(fā)展到2002年的100多萬噸，其他鋼結(jié)構(gòu)用的中厚板、型鋼、鋼管、冷彎型鋼、涂鍍層鋼板等產(chǎn)品，都有明顯的增長，基本滿足國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的需求，為其不斷發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。然而，應(yīng)該看到，盡管國產(chǎn)的鋼結(jié)構(gòu)用鋼在研制、開發(fā)和產(chǎn)能上有了長足進(jìn)展，但與鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展趨勢和要求還存在一定的差距，目前國產(chǎn)的輕型薄壁型鋼材與我國鋼結(jié)構(gòu)建筑業(yè)的發(fā)展還不能完全相適應(yīng)。比如，板材的焊接能力差，16Mn板材在焊接時往往出現(xiàn)層狀撕裂；高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼在冷彎薄壁型鋼中的應(yīng)用尚未解決，不能滿足輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的需要；我國生產(chǎn)的大多為鍍鋅薄板，而鍍鋁鋅薄板幾乎沒有，在輕鋼房屋中，用戶多選用抗蝕性能更好的鍍鋁鋅薄板；我國的型材品種規(guī)格還不能滿足建筑需要，H型鋼的規(guī)格不多，對其推廣應(yīng)用帶來一定影響；近年來，方鋼管在建筑建筑工程應(yīng)用增多，但這種型材的規(guī)格不夠齊全，尤其是大規(guī)格的很少，對推廣應(yīng)用有一定影響；目前國產(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是Q235，建筑用高強度低合金鋼品種還太少，Q39O鋼材在實際工程中尚未見采用；耐火耐候鋼等鋼材的新品種還需進(jìn)一步開發(fā)；等等。這些問題有待研究，它為鋼鐵企業(yè)提出了新的攻關(guān)課題。對于輕型鋼結(jié)構(gòu)，我國目前主要還是接受輕型門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系，我國現(xiàn)階段的設(shè)計規(guī)程也是針對這一結(jié)構(gòu)形式。中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECSI()2：2002)就是針對這一結(jié)構(gòu)形式制定的[3]。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比，輕型門式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)體系在理論還很不完善，存在著很大的理論探索空間。有鑒于此，圍繞輕型門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用過程中各環(huán)節(jié)的工作均不是簡單的成果應(yīng)用。另外，輕型門式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)體系在各個領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用發(fā)展，除必要的技術(shù)導(dǎo)入之外，應(yīng)根據(jù)自身能力，追逐理論熱點，以科技為先導(dǎo)，開展必要的科研工作，以最大限度地挖掘利潤空間，追求更大的經(jīng)濟效益和社會效益，滿足生產(chǎn)和市場需要。就目前的熱點問題有以下幾個方面：(1)理論研究方面：①應(yīng)力蒙皮效應(yīng)與結(jié)構(gòu)共同工作的空間作用；②I型變截面梁柱，在腹板局部屈曲后剛架結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定極限承載力；③以用鋼量為目標(biāo)函數(shù)，以極限承載力或不適合變形為控制參數(shù)的計算機分析、優(yōu)化設(shè)計和評估軟件系統(tǒng)的開發(fā)等。(2)實驗驗證方面：①節(jié)點、基本構(gòu)件和整體剛架結(jié)構(gòu)，在靜力和動力荷載作用下的受力性能、破壞機理和對穩(wěn)定極限承載力的影響；②剛架結(jié)構(gòu)體系，在動力和地震荷載作用下的工作性能和破壞機理等。(3)設(shè)計與生產(chǎn)領(lǐng)域技術(shù)方面①輕型門式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)體系的進(jìn)一步簡化；②構(gòu)件節(jié)點(包括剛架和彩板節(jié)點)設(shè)計的可靠性和方便適用；焊接I型鋼生產(chǎn)線的加工工藝的連續(xù)性和高效性，各環(huán)節(jié)效率如何協(xié)調(diào)同步，以及具體環(huán)節(jié)內(nèi)的專項技術(shù)。如切割、組立(或拼裝)、焊接、校正以及除銹和防腐處理技術(shù)等。另外，輕型門式剛架的安裝技術(shù)有別與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)。剛架的安裝要區(qū)別具體情況和自身安裝能力，選擇整體或組合吊裝方案。整體吊裝的主要優(yōu)點是速度快，但機械和機具需用量大，并應(yīng)注意吊裝過程中的穩(wěn)定和作業(yè)安全等問題；組合吊裝機械和機具需用量少，但工作量相對較大，用時較長。并且由于作業(yè)量大，空中作業(yè)的安全性等問題顯得十分突出。同時兩者均須強調(diào)安裝精度對結(jié)構(gòu)受力的影響。壓型板以及配套附件安裝則應(yīng)著重于根據(jù)不同板型的需要，選擇不同的安裝工藝，并且更強調(diào)板型連接和節(jié)點處理質(zhì)量，達(dá)到外形美觀和符合功能性要求等[4]。 單層廠房結(jié)構(gòu)組成 圖 12單層廠房結(jié)構(gòu)組成Figure 12 Singlelayer workshop structures1）屋蓋結(jié)構(gòu)：位于廠房頂部，主要承受屋面上的豎向荷載，并與廠房柱組成排架承受結(jié)構(gòu)上各種荷載的作用。屋蓋結(jié)構(gòu)分為有檁體系和無檁體系兩種。有檁體系由小型屋面板、檁條、屋架及屋蓋支撐組成如圖13（a），這種屋蓋的結(jié)構(gòu)和荷載傳遞均比較復(fù)雜，整體性和空間剛度較差，但對一般中小型廠房能滿足使用要求，且構(gòu)件小而輕，便于運輸和吊裝。無檁體系由大型屋面板（包括天溝板）、屋架及屋蓋支撐組成如圖13（b），有時還包括有天窗架和托架等構(gòu)件，這種屋蓋的屋面剛度大、整體性好，構(gòu)件數(shù)量和種類較少，施工速度快，適用范圍廣，是單層廠房中最常用的一種屋面形式，適用于具有較大噸位吊車或有較大振動的大、中型或重型工業(yè)廠房。 （a） （b）圖13 房蓋結(jié)構(gòu)Figure 13Housing cover structure2）排架柱：柱頂與屋架鉸接，柱底與基礎(chǔ)頂面剛接，承受屋架、吊車梁及外墻等構(gòu)件傳來的豎向荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載及地震作用等，并將它們傳至基礎(chǔ)，是廠房中的主要承重構(gòu)件。3）吊車梁：兩端焊接（簡支）在柱的牛腿頂面，主要承受吊車傳來的豎向荷載及橫向或縱向水平荷載，并將它們及其自重傳遞給排架柱。4）支撐：包括屋蓋支撐和柱間支撐兩大類。其主要作用是加強廠房的空間剛度和整體性，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件在安裝和使用時的穩(wěn)定性和安全性，同時傳遞山墻風(fēng)荷載、吊車水平荷載和地震作用等。5）基礎(chǔ)：承受住和基礎(chǔ)梁傳來的荷載，并將它們傳至地基。6）圍護(hù)結(jié)構(gòu)：包括縱墻、橫墻（或稱山墻）?？癸L(fēng)柱、連系梁等構(gòu)件。主要承受墻體和構(gòu)件自重及墻面上的風(fēng)荷載，并將它們傳遞至柱和基礎(chǔ)，抗風(fēng)柱還將部分風(fēng)荷載傳至屋蓋結(jié)構(gòu)[5]。 荷載取值一個建筑對外界防御的第一道防線由墻面和屋面組成的外維護(hù)體系。它們同時承受風(fēng)載，雪載等荷載的作用，并將這些荷載傳到次要支承結(jié)構(gòu)上。次結(jié)構(gòu)即墻面墻梁及屋面檁條，將由墻面及屋面?zhèn)鬟f來的荷載均勻地傳到主結(jié)構(gòu)上去，同時對主結(jié)構(gòu)提供良好的側(cè)向約束。對于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)，其主結(jié)構(gòu)由柱及橫梁構(gòu)成，承受荷風(fēng)載、雪載及其它的荷載，并將其傳遞到基礎(chǔ)。作用在橫向排架上的荷載有恒載、屋面活載、雪荷載、積灰荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載等，除吊車荷載外，其他荷載均取自計算單元范圍內(nèi)[6]。1）恒載恒載包括屋蓋、柱、吊車梁及軌道連接件、圍護(hù)墻體自重，其值可根據(jù)構(gòu)件的設(shè)計尺寸和材料容重計算。若選用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，其值也可直接由標(biāo)準(zhǔn)圖查得。a）屋蓋自重屋蓋自重包括屋架或屋面梁、屋面板、天溝板、屋面構(gòu)造層（找平層、保溫層、防水層）、天窗架和屋蓋支撐等重量。計算單元范圍內(nèi)屋蓋的總重是通過屋架或屋面梁的端部以豎向集中力傳至柱頂，其作用點位置視實際連接情況而定。b）懸墻自重當(dāng)設(shè)有連系梁支承圍護(hù)墻體時，排架柱承受著計算單元范圍內(nèi)連系梁、墻體和窗等自重，它以豎向集中力的方式作用在支承連系梁的柱牛腿頂面，作用點通過連系梁或墻體截面的形心軸。c）吊車梁自重吊車梁和軌道及連接件自重按照吊車梁及軌道連接構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)圖取用，它以豎向集中力的方式沿吊車梁截面中心線作用在柱牛腿頂面，作用點距柱縱向定位軸線之間的距離，一般為750mm。d）柱自重，上、下柱自重及分別作用于各柱截面的幾何中心線上，且上柱自重對下柱幾何中心線有一偏心距。2）屋面活荷載a）屋面均布活荷載《荷載規(guī)范》規(guī)定屋面水平投影面上的均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：石棉瓦；鋼筋混凝土[12]；當(dāng)檢修施工荷載較大時，按實際情況采用。b）屋面雪荷載《荷載規(guī)范》規(guī)定屋面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算: (11)式中—基本雪壓值，由《荷載規(guī)范》中“全國基本雪壓分布圖”查得； —屋面積雪分布系數(shù)，可由《荷載規(guī)范》查得。c）屋面積灰荷載按照廠方使用性質(zhì)及屋面形式的不同，標(biāo)準(zhǔn)值可由《荷載規(guī)范》查得3）吊車荷載a）吊車豎向荷載對于四輪橋式吊車，可按下式進(jìn)行計算: (12)式中 G—吊車橋架（大車）的總重；g—小車的重量；Q—吊車的額定最大起重量。b）吊車橫向水平荷載對于各類四輪橋式吊車，當(dāng)小車滿載時，大車每一個輪子傳遞給吊車梁的橫向水平制動力為 (13)式中為水平制動力系數(shù)，對軟鉤吊車:當(dāng)t時，取當(dāng)t時，取當(dāng)t時，取c）吊車縱向水平荷載作用在吊車梁上的縱向水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值為 （14）式中 —吊車每端制動輪數(shù)，對一般四輪橋式吊車，=1； —制動輪在輪壓下與鋼軌間的滑動摩擦系數(shù)。4）風(fēng)荷載風(fēng)荷載崔志作用于廠房外墻面、天窗側(cè)面和屋面，在迎風(fēng)墻面產(chǎn)生風(fēng)壓力，在背風(fēng)墻面產(chǎn)生風(fēng)吸力。風(fēng)荷載的大小與建筑場地的基本風(fēng)壓、建筑體型、高度及建筑地面粗糙度等因素有關(guān)?！逗奢d規(guī)范》規(guī)定：垂直于廠房各部分表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算 (15)式中 —基本風(fēng)壓值，由《荷載規(guī)范》中“全國基本風(fēng)壓分布圖”查得； —某高度Z處的風(fēng)振系數(shù)，對于高度小于30m的單層廠房，取=； —風(fēng)壓高度變化系數(shù)，離地面越高，風(fēng)壓值越大，為各廠房標(biāo)高處的風(fēng)壓與其10m高度處的基本風(fēng)壓的比值；它還與地面粗糙度有關(guān)，其值可由《荷載規(guī)范》查得； —風(fēng)荷載體型系數(shù)，可根據(jù)建筑體型由《荷載規(guī)范》查得。橫向排架上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下述有關(guān)公式計算: (16) (17) (18)式中B為計算單元寬度。892 單層輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計 設(shè)計資料 生產(chǎn)工藝要求某金工車間為兩跨等高廠房，跨度均為24m，柱距均為6m，車間總長度66m?？偨ㄖ娣e3168。每跨設(shè)有10t吊車各一臺，吊車工作級別為中制A5，廠房無天窗，建筑剖面簡圖如圖21所示。耐火等級為二級，屋面防水等級三級，建筑耐久年限二級。 工程氣象條件 /， /， /。 工程地質(zhì)條件 根據(jù)對建筑基地的勘察結(jié)果，地質(zhì)情況見下表21表 21建筑地層一覽表（標(biāo)準(zhǔn)值）Table 21 List of building ground (standard value)序號巖 土分 類土層深度（M）厚度范圍（M）地基承載力fk（KPa）樁端阻力（KPa）樁周摩擦力（KPa）1雜填土2粉土110103中砂200254礫砂3002400305圓礫500350060注：１）地下穩(wěn)定水位距地坪－6 M以下； ２）表中給定土層深度由自然地坪算起；建筑場地類別為Ⅱ類場地土。 建筑構(gòu)造屋面采用卷材保溫屋面做法，圍護(hù)墻為240mm厚雙面清水磚墻，采用鋼門窗，窗寬為3600mm，室內(nèi)外高差為150mm，