重型钢结构厂房计算书

1 引言

为了能够更好地回顾所学的钢结构相关的知识，此次的设计选择了有吊车的重型钢结构厂房，并采用轻钢围护结构。文章从建筑、结构、施工图三个方面对厂房的设计过程作了说明，设计过程当中难免有遗漏或不妥的地方，希望老师再次指正。

1.1 工程概况

这是一个新建的机械装配车间，坐落在XXX，厂房的长132m，宽36m，总建筑面积4752m2；内设一台160/50T桥式吊车；该厂房采用轻钢围护结构设计。1.2 地质水文及气象条件

1.3 生产车间工艺、组成及要求

（1）装配车间设计主要承担设备的加工、装配任务，工艺流程为：

仓库机械加工热处理中间仓库部件装配

总装配油漆检验

（2）总装配跨：轨顶标高21米，内设160/50T桥式吊车一台。

（3）总装配车间是冷加工车间，由于加工零件及加工工序多，精度要求高，地面与上部运输频繁，机床设备及操作工人多，要求车间自然光线好，采光等级为三级，火灾危险性属戊类。

2 建筑设计

2.1 平面设计

2.1.1 厂房平面的布置形式

由于厂房内设置一台160/50T桥式吊车，该吊车的跨度为34m，由此确定该

厂房为单跨；根据生产工艺等要求，确定该厂房为单层。所以厂房平面形式为矩形。

2.1.2 柱网的确定

根据《厂房建筑模数协调标准》（GBJ6-86）的要求：当跨度尺寸≧18m时，按60M模数递增，即合理跨度可取18m，24m，30m和36m；柱距采用60M数列，即6m，12m，18m等。由于厂房为36×132m，综合规范要求等方面的影响因素，确定该厂房的跨度为36m，柱距为6m。柱网布置如下图所示：

2.1.3 定位轴线的确定

（1）横向定位轴线

通常以通常以○1○2○3等数字标识；除了边柱和变形缝处，其它都是从柱子的中心通过；墙的内缘与边柱的外缘相重合，定位轴线内缩750mm。

（2）纵向定位轴线

通常以○A○B○C等字母标识；标定了横向构件屋架，也是大型屋面板边缘的位置。

吊车规格与工业建筑跨度的关系为：

L - L

= 2e

K

——吊车的跨度，取34m；

式中 L

K

L——厂房的跨度，该厂房为36m；

e——吊车轨道中心至纵向定位轴线的距离，由于该吊车为160/50T，所以 e取1m。

2.1.4 变形缝的设置

普通钢结构厂房的温度区段的最大长度：

由于该厂房长132m，宽36m，按照上表的要求，可以不设温度缝。且厂房为规整的长方形结构，可以不设抗震缝和沉降缝。

2.2 剖面设计

2.2.1 单层工业厂房相关高度的确定

（1）厂房柱顶标高的确定

H=H

1+h

6

+h

7

式中：H—柱顶标高，应符合3M

模数；

H

1

—吊车轨道顶面标高（m），本设计为21m；

h

6

—吊车轨顶至小车顶面的高度（mm），本设计为5290mm；

h

7

—小车顶面至屋架下弦底面之间的安全净空尺寸（mm），取值为500mm。

则H=21000+5290+500=26790mm，取3M的模数H=27000mm。

（2）室内地坪标高的确定

为了防止雨水浸入室内，同时考虑到单层工业建筑运输工具进出频繁，若室内外高差过大则出入不便，所以取150mm。

2.2.2采光设计

设计要求该厂房的采光等级为三级，查《采光标准》可知，该厂房采光要求的窗地面积比为1:3.5。

由于厂房跨度为36m，超越单侧采光所能解决的范围，所以该厂房将在侧墙采用双侧开窗采光。并将侧窗分为上下两段布置，即高侧窗和低侧窗。高侧窗有两排，分别为3×1.5m和3×1m，低侧窗为3.9×5.1m，经计算满足窗地比的要求。为方便工作和不使吊车梁遮挡光线，一般高侧窗的下沿比吊车梁顶面高出600mm；低侧窗下沿一般应略高于工作面的高度，工作面高度取900mm。

2.2.3 通风设计

为了节约环保，本厂房采用自然通风，除了高低侧窗户的布置外，在正立面各设两道3.6×3.6的汽车门，在厂房的两侧立面各设两道4.5×5.4的火车门。

2.3 立面设计

为了使立面简洁大方，比例恰当，达到完整均匀，节奏自然，色调质感协调统一的效果。本厂房的立面采用水平划分的手法，在水平方向设整排的矩形窗，组成水平条带，增加立体感。在山墙设有3600×3600的汽车门，在侧立面4500×5400的火车门；门上设有外挑的900mm的雨棚。

2.4 其它节点设计

2.4.1 墙面、屋面和地面的设计

（1）根据当地的水文气象条件，XXX属于夏热冬冷地区，“防热为主，兼顾保温”，均采用轻质高强度的压型钢板，内夹发泡型保温材料用来保温隔热。墙厚240mm，墙板通过墙梁与钢架柱相连。

（2）屋面采用两层压型钢板，内填发泡型保温材料，自身就具有良好的防水作用，无需额外做防水层。屋面檐口部分采用有组织排水方式。

（3）室内地面构造

2.4.2 排水、散水与坡道设计

由于该厂房较高，XXX的年降雨量较大，故采用有组织排水的方式。落水管间距为12m。

外围散水坡度i=5%，宽600㎜；为了方便车辆进出，大门入口的坡道坡度i=7.5%，且设有防滑条。

坡道地面构造

2.4.3 防火设计

钢结构厂房具有耐火性能低的弱点，在未进行防火处理的情况下，其本身虽然不会起火燃烧，但火灾时，强度会迅速下降。易出现塑性变形，产生局部损坏，造成钢结构整体倒塌失效。

由于该厂房的防火等级为戊类，根据生产工艺和安全防火要求，在厂房的两个山墙立面各设置两个3600×3600的汽车门，在侧立面各设置两个4500×5400的火车门。各个钢构件涂防火材料。

2.4.4 楼梯

在厂房两头各设置一个吊车梯，在外墙设置一个消防检修梯，由于高度为30.8m，所以楼梯的设置中，有梯间休息平台。

3 结构选型及整体布置

3.1 选择钢材的必要性

与其他材料的结构相比，钢结构具有如下优点：钢材强度高，结构重量轻；材质均匀，且塑性韧性好；加工和焊接性能好；密封性好；钢材可重复利用。由于该厂房跨度为36m，高度为30.8m，混凝土结构对这样的厂房无法胜任，钢材强度高、自重轻的优势尤为合适。

3.2 柱网布置

厂房的长为132m，跨度为36m，根据要求取柱距为6m，故采用6×36m的柱网。

3.3 屋架、框架的形式和相关尺寸

框架柱与屋架刚接。使其内力分布较均匀。框架跨度36m，端部高度2m。

屋架布置

由于该厂房为重型钢结构厂房，所以将柱脚做成刚接来增加横向框架的刚度，承重柱采用阶形柱。上柱为工字型钢柱，下柱为格构式钢柱。

上柱截面尺寸

下柱截面尺寸

3.4 屋盖支撑的布置

屋盖支撑包括横向支撑、纵向支撑、垂直支撑和系杆(檁条)。

3.4.1上弦横向水平支撑布置

上弦横向水平支撑设在横向温度区段的两端，横向水平支撑的间距L0不宜超过60m，由于厂房的长132m>60m，所以在温度区段中部也设置一道横向水平支撑。

3.4.2 下弦横向水平支撑布置

与上弦支撑布置在同一柱间，它也形成一个平行弦桁架，位于屋架下弦平面。

3.4.3 下弦纵向水平支撑

在屋架下弦端节点间设置纵向支撑。纵向水平支撑和横向水平支撑形成封闭合框，加强了屋架的整体稳定性，并提高了厂房的纵向刚度。

3.4.4 垂直支撑

3.4.5系杆（檩条）

上弦平面内，系杆由檩条代替，系杆只在屋脊及屋脊两边设置。下弦平面内，在跨中设置一道系杆，在屋架两端设置系杆。

3.5 柱间支撑布置

上层柱间支撑要在下层柱间支撑布置柱间设置外，还在每个温度区段的端布设置。

3.6 抗风柱的布置

采用整体式体系，山墙柱上搭墙梁，墙梁跨度为6m；在山墙处设置抗风柱，柱距为6m。

4 荷载计算

4.1计算单元的划分以及计算简图的确定

4.1.1 计算单元的划分

为了计算方便，将厂房的空间结构简化为平面结构进行计算。并近似地认为各个横向平面框架之间以及各个纵向平面框架之间是互不影响的，各自独立工作。横向框架的间距、荷载相同，因此取出有代表性的一榀中间横向框架作为计算单元，如图阴影部分所示。

4.1.2 计算简图的确定

计算简图中，H为柱脚低至屋架下弦重心线与柱顶交点间的距离,即柱高，H1

为下柱高度，为19.4m，总高度为27m。上柱与下柱偏为上柱高度，为7.6m；H

2

心距e

为500mm。

1

4.2 永久荷载

4.2.1屋盖自重

两层压型钢板（含保温） 0.30 KN/㎡

檀条及支撑 0.10 KN/㎡

钢架倾斜自重 0.15 KN/㎡

荷载总和 0.55 KN/㎡

屋架作用于框架柱的计算简图为下图所示，屋架间距6m。Q为屋盖线荷载. Q=6×0.55=3.30KN/m

4.2.2 集中荷载

屋架反力 3.3×36/2=59.4KN

偏心距e 0.5m

集中荷载产生的弯矩 M 1=59.4×0.5=29.7KN ·M

4.2.3 柱及吊车梁的自重

（1）上柱自重（上柱自重标准值=上柱体积×7850Kg/m 3×1.1） A 上=18×940+2×30×500=46920mm 2

P 上=1.2× A 上H 1××7850Kg/m 3×1.1=36.95KN

（2）下柱自重（下柱自重标准值=下柱体积×7850Kg/m 3×1.3）

A 下=30×530+（200-16）×16×2+16×167×2+2×30×500+16×540=66828mm 2 P 下= 1.2×A 下H 2×7850Kg/m 3×1.3=174.63KN

（3）吊车梁自重

A 吊=2×25×500+18×1300=48400mm 2 P 吊=1.2×A 吊H ×7850Kg/m 3×1.4=38.30KN

M 1= P 吊a c -P 上e 1=38.30×0.7-35.01×0.5=9.31KN ·m

4.2.4 外墙自重

压型钢板（包含填充物） 0.25 KN/㎡

墙梁自重 0.10 KN/㎡ 支撑自重 0.10 KN/㎡ (+

合计 0.45 KN/㎡ 开窗处荷载自重

钢窗自重 0.4 KN/㎡

墙梁自重 0.10 KN/㎡ 支撑自重 0.10 KN/㎡ (+

合计 0.6KN/㎡

图4-5

P

1

= [( 2.9 + 0.70 ) × 0.45 + 4

× 0.6 ] × 6×1.2 =27.648KN

P

2

= [(3.7 + 4.5 ) ×

0.45 + 4 × 0. 6]× 6×1.2 = 40.89KN

4.3 可变荷载

4.3.1 屋面活荷载

本厂房屋面为不上人屋面，均布活荷载标准值取0.3KN/㎡，XXX屋面雪荷载值为0.4KN/㎡，在可变荷载计算时，只取均布活荷载与雪荷载两者中的较大值，本厂房不考虑积灰荷载。

屋面线荷载 q=q

×6=1.4×0.4×6=3.36KN/m 屋架反力

上下柱的偏心距 e=0.5m

集中荷载所产生的弯矩 M

1

=60.48×

0.5=30.24KN·m

1

0.5 3.363660.48

2

w

P ql KN

==??=

4.3.2 吊车荷载

（1）竖向荷载

本厂房采用160/50T桥式吊车，查表得最大轮压P

max

=335KN，最小轮压

P

min

=103KN。吊车梁支座反力影响线如图所示：

D

max = P

max

∑y

i

=1.4×335×（1+0.86+0.63+0.49+0.59+0.45+0.22+0.08）

=2026.08KN

D

min =（P

min

/P

max

）·D

max

=（103/335）×2026.08=1622.49KN

（2）横向荷载

H K=K(g+Q)/n

g=小车自重标准值=63.3t

Q=最大起重量=160t

K=0.08

因此H K=0.08×（630＋1600)/8=22.33KN

T=γ.H K.∑y1=1.4×22.33×（0.34+0.49+0.63+0.86+1+0.59+0.45+0.22+0.08）=135.05KN

4.4 风荷载

风荷载的标准值，

式中，β

z

—z高度处的风振系数；

μ

s —风荷载体型系数，根据表1.1得μ

s

=-0.6；

μ

z —z风压高度变化系数，离地面20m时，μ

z

=1.25；离地面30m时，

μ

z

=1.42。

风压高度变化系数按柱顶离室外天然地坪的高度27.15m取值，得μz

=1.37。

当厂房高宽比小于1.5时，μ

z =1，本厂房高宽比为0.75<1.5，所以μ

z

=1；

查《建筑荷载规范》可知，XXX的基本风压W

= 0.35 KN/㎡；计算简图如图所示，

风载体型系数

（1）W k1为屋架端部传给框架柱的集中荷载

（2）W 2为屋面传给框架柱的集中荷载

（3）q 为墙面传给框架柱的线风荷载

集中力的合力 W= （W k1 + W k2 ）×

1.4=

2.42KN

100.826 3.96k z z W w KN

μβ=?????=,100.526 2.48k z z W w KN

μβ=-?????=-200.6 1.56 2.23k z z W w KN

μβ=-?????=-,200.5 1.56 1.86k z z W w KN

μβ=-?????=-100.86 1.98/z z q w KN m

μβ=????=,100.56 1.24/z z q w KN m

μβ=-????=- α μs

≤150 30° ≥60°

-0.6 0 +0.8

W

k ’=（W

k1

’+ W

k2

’）×1.4 = -6.07 KN

4.5 地震作用

该厂房为6级抗震，根据抗震设防烈度的要求，该厂房不考虑地震作用的计算。

5 内力分析与组合

5.1框架内力计算的准备

5.1.1 横梁及上下柱惯性矩的选取

（1）屋架折算惯性矩的近似计算

I

0=(A

1

y

1

2＋A

2

y

2

2)k

式中A

1，A

2

－屋架在跨中处的上弦杆和下弦杆的截面面积；

y

1, y

2

–屋架在跨中的上弦杆重心线和下弦杆重心线至中和轴的距离；

k为折减系数，屋架坡度为1/10,查表得k为0.7。

A

1

= 43.9 × 2 = 87.8cm2

A

2

= 37.6 × 2 = 75.2cm2

I 0= ( A

1

y

1

2+A

2

y

2

2)×k=0.7×[87.8×(350/2–2.91)2+75.2×(350/2-

3.98)2

I 0= 3.37×106cm 4

(2)上柱惯性截面（实腹式）：

I s =1.8×943/12+2×(50×33/12 + 50×3×48.52)=830487.6cm 4

(3)下柱（格构柱）折算惯性矩：

I 下=( A 1x 12+A 2x 22 ) × 0.9

A 1=223cm 2， A 2=386.4cm 2 A=A 1+ A 2=609.4cm 2

X 2=(52×3×(200-1.5)+2×76.51×9200-5.69-3.0))/609.4=98.8 cm X 2=200-98.8=101.2cm

I x =(223×101.2+386.4×98.8) ×0.9=5450095cm 4

5.1.2 杆端有单位变形时的支座反力

（1）柱

116

n μ=-=()221

10.72

2δμλ=+=

31 2.61δμλ=+=()311

10.343δμλ=

+=21320.38

D δδδ-==011/0.905k D δ==022/ 1.905k D δ==033/ 6.944k D δ==