论文总字数：22728字

摘 要

此次设计的土木工程学院复合材料单层厂房是钢结构轻型门式承重体系。其设计内容为建筑部分设计、结构部分采用了公式初步手算和pkpm电算相对比方法。对工程建设中所需要的结构荷载、外界荷载（地震荷载、风荷载）作用下的侧移验算，在对局部构件（墙梁、檩条）进行弯矩、剪力和挠度的验算。验算柱、梁局部构件，看其是否满足规范要求；设计梁、柱和柱脚。最后用电算出相对精确结果，与前结果进行对比。

关键词：轻型钢架、内力组合、荷载计算、对比验算

Nanjing university of technology composite materials laboratory building

  Abstract

The single-story composite material plant of the School of Civil Engineering designed this time is a light-weight steel door-bearing system. The design content for the architectural part design and structural part adopts the formula preliminary manual calculation and pkpm computer comparison method. Check the calculation of the bending moment, shear force and deflection of the local components (wall beams, purlins) under the lateral load (seismic load, wind load) required for the construction of the project. Check local column and beam components to see if they meet code requirements and design the beams. columns and footings. Finally, use electricity to calculate a relatively accurate result and compare it with the previous result.

Keywords: light steel frame, internal force combination, load calculation, comparison check calculation

目 录

摘要 2

第一章 设计原始资料 1

1.1工程概况 1

1.2设计原始资料 1

第二章 建筑设计说明 3

2.1工业建筑设计应满足的要求 3

2.2此复合材料实验室平面布置对其具体建筑功能的影响 5

2.3复合材料实验室厂房的平面设计 7

2.4钢结构复合材料实验室厂房的剖面设计 8

2.5钢结构复合材料实验室厂房的立面设计 10

2.6立面设计 10

2.7采光通风 11

2.7.1天然采光 11

2.8排水设计 11

2.9建筑构造做法 12

2.9.1散水做法（水泥沙浆散水） 12

2.9.2坡道做法（水泥锯齿坡道） 12

2.9.3地面做法（水磨石地面） 12

2.9.4内墙做法（水泥沙浆墙面） 12

2.9.5墙板做法（彩色压型钢板） 13

2.9.6踢脚板做法（大理石踢脚板） 13

第三章 结构选型 13

3.1钢结构的选用 13

3.1.1构造要求 13

3.2构件选型 13

3.2.1. 屋面板及墙板选型 13

3.2.2变形规定 14

3.2.3构造要求 14

3.2.2支撑布置及选型 16

3.2.3檩条及墙梁布置 16

3.2.4檩条布置 17

3.2.5墙梁布置 18

第四章 结构设计 19

4.1基本设计规定 19

4.1.1设计原则 19

4.2檩条设计 19

4.2.1檩条计算 19

4.2.2檩条的布置、连接与构造 27

4.3墙梁设计 30

4.3.1墙梁设计 30

4.4抗风柱设计 35

4.5吊车梁设计 37

4.6刚架内力计算 47

4.6.1刚架荷载计算 47

4.6.2刚架内力计算 49

4.7刚架侧移和截面验算 86

4.7.1侧移计算 86

4.7.2刚架构件截面验算 87

4.8刚架连接节点设计 91

4.8.1刚架梁柱连接节点设计 91

4.8.2刚架跨中节点设计 92

4.8.3柱脚设计 93

4.8.4牛腿设计 96

4.9基础设计 97

4.10平台设计 99

4.10.1板的内力计算 99

4.10.2次梁设计 100

4.10.4主梁设计 101

4.10.5平台柱设计 102

第一章 设计原始资料

1.1工程概况

1.2设计原始资料

气象

日最大降水量 245mm（60年以来）

最大风速 25m/s

最大集雪 210mm

冬季相对湿度 73%

夏季相对湿度 95%

地质、地震

最高底下水位 -10.0m

标准冻结深度 -1.50m

经勘察知地基承载能力标准值为基础持力层为 2层粘土（=150KPa,=7.5MPa)

地震设防烈度 7度

设计参数

车间防火等级 丙类

冬季采暖室外计算温度 16摄氏度

厂房采暖按23摄氏度设计

夏季通风室外计算温度 27摄氏度

不上人屋面活荷载 0.5

风荷载 0.40

雪压 0.65

积灰荷载 0.3

1.3设计其他资料

车间长43.9米，宽18.4米。附属办公室、会议室和楼梯的建筑面积为108m²（第一柱间距设置在东侧，高度为3米）。货物的起重高度为6.5米。车间设有4.02.4m²和2.42.4m²门各一个，门上有一个行人门，门上有一个避雨棚，挑出1600mm。为每个跨度选择2 台Gn＝10t和Lk= 16.5m电动单梁起重机。具体时间见表1.1。

表1.1电动单梁吊车性能参数

第二章 建筑设计说明

2.1工业建筑设计应满足的要求

一、钢结构复合材料实验室前期设计的理念和步骤：

钢结构的建筑设计一般分为三个步骤，分为方案的设计提出、方案初步设计和最终方案的敲定。对于学校此次毕业设计，可以相对简化为两个步骤，经过研究讨论，将方案设计阶段和初步设计阶段合并成为一个阶段。如此方案通过导师的审批，则可以直接进入结构施工部分的设计。

设计前的准备工作中，建筑外观的设计是一个十分复杂和精细的工作。因为这一过程中涉及了许多的建筑知识的串联，比如对自己任务书的深入了解和广泛的深入调查，这都需要大量阅读已有文献和在网上、图书馆进行必要文献的翻阅，又比如结构在设计过程中尺寸与荷载之间的拿捏，从脑海中的构想图演变成设计电子稿中的计算图过程中，需要充分的利用所学的知识和一定的绘图软件熟练度。

在经过一定的查阅了解后，在网络和书籍中查询到了相关设计结构数据。这些数据包括除了任务书中所给的一些指定尺寸数据外的当地地质条件数据的收集，直接影响我们建筑设计的相关必要因素。这些因素包括：该项目所在地的城市建设设施、交通道路、当地的施工特点要求、气候条件、项目所在的环境、地勘报告。在收集到上述资料后，还应对其甄别整理，有些过期的规范要及时更新，以前久远的勘察数据需要更改，在经过自身实际的思考和研究后再对其进行使用。与此同时，还可以对同地区、同类型的建筑进行借鉴参考，其发生过的安全事故都要及时规避。通过充分的调研准备，全面的掌握了所设计的建筑物的特点和要求后，再进行初步的设计拟定则变得顺利许多。

前期准备完成后，就是方案的设计，方案的设计依据是老师给予的设计文件任务书，同时也是进行施工方案设计的初步依据。方案初步设计表达的是设计人员在最初的设计构想，及依据上文所述的资料，结合自己的构想，初步设计出合理的建筑方案。这一过程中，要考虑当地实时环境条件，当地的施工习惯，对建筑的设计要体现出当地特色，周围整体建筑布置要做到合理。

在初步的方案构想出来后，还应该进行下一步，考虑初步的建筑构想和实际专业的结构专业之间的冲突，在一个合理的设计范围内，对建筑和结构进行融合，合理的解决两者之间的矛盾冲突，尽可能的得到两者之间的统一和协调，并为之后的实际中的结构施工留有余地和便捷。初步的设计就需要包含一定的深度以让老师进行审查和指导，工程在新颖的基础上，一定要符合实际要求。

最后的施工图设计。在初步的设计得到了指导老师的认可和通过后，就该进行建筑结构的施工阶段。进行施工图的设计时，要充分的将之前的初步设计理念加入其中的同时，将建筑设计进一步细化设计。例如将钢结构厂房中的结构节点细部设计详细拟定出来，细部的尺寸，做法大样，门窗尺寸和位置的安排等清晰的呈现给结构工程师。在这一过程中要充分的把前面的初步设计思想和任务书的要求准确的表达出来，要求达到施工设计内容清晰，图纸的表达详细美观。

1. 钢结构建筑的设计步骤

根据任务书所给的尺寸和位置要求，对柱网和轴线布置进行设计，确定厂房建筑的层数，单层面积、复合层面积等。

根据厂房建筑的功能要求来绘制每层平面图的钢柱大小、轮廓和位置。同时将必要的功能房间进行安排布置。例如绘制楼梯大小、台阶位置和卫生间大样图等。

根据建筑各层平面图绘制建筑周围的维护结构和细部构件。标出室外地坪标高和墙柱的轮廓线。画出立面图中门窗洞口的位置，排水管道的放置情况，檐口、大门雨棚尺寸等细部构件的外形轮廓，画出墙面分割线。

最后，根据之前累积的资料、规范规定和任务书的要求编织出建筑设计总说明，详细绘制出建筑图、结构计算书和结构图。

三、符合规定的流程进行工艺操作：

工艺流程是钢结构厂房建筑设计过程中一项重要指标依据，生产工艺就是对此项目建筑大概建设方向上加以要求，而建筑师的工作就是在这一定的范围内，将美观、实用和经济这三者相协调，从而得到最为合理的建筑方案。所以，根据已有的大量经验和规范，设计师就必须遵守工艺流程要求，例如在建筑物的大小面积、柱子的数量和位置摆放、轴线的宽度确定、墙梁的材料选定和尺寸的设计、单跨厂房的跨度设计、厂房的檐高和层高的确定、剖面图的形式、结构方案的选取和一些具体的内外部装饰方案的选定。以上的种种方案都需要符合建筑和结构的构造要求。特殊的例如本次设计的带有吊车梁的实验室厂房，就需要对特殊的荷载进行单独设计计算。

1. 要符合现代建筑设计的要求

现代科技的飞速发展，对建筑的设计要求提出了更多、更高的要求。尤其是工业建筑厂房，其长期的耐久性和在特殊环境下的耐腐蚀性都需要较高的要求。而且本工程的复合材料实验室厂房具有可移动的电动吊车，其上的移动可变荷载是不可忽略的因素。所以建筑设计在最初的设计时，就应该为结构争取设计空间，为后面的结构设计铺平道路，从而为了满足更为重要结构稳定和耐久使用。

但这一切的建筑新构思和结构稳定计算都得基于厂房建筑规范和建筑模数中的规定。要在开始就要依据此选定结构的大小、尺寸和位置。这样不仅是为了避免初期设计不确定而导致的材料浪费，更是为了让建造处的钢结构厂房更加耐久和安全。使用了标准化设计，我们在施工和建造过程中，就可以让建造形成设计标准化、建造标准化、现场施工器械的统一化，最终使得厂房建设过程效率提高，质量保障。

四、要符合实际中经济的预算

先说说影响钢结构厂房建筑经济预算的建设因素。建筑场地的选取，本次厂房建筑位于新土木学院学科楼东边，厂房建设的地段具有坡度，这样自然会增加施工前期的场地清理费用。还有厂房的层数大小选定，本次厂房主体为单层厂房，但在一端部处建有一复合层，二层拥有办公、会议和活动使用，这也是增加相对建设费用的因素。但是这些都是必许要克服的建筑环境和因素，所以要在施工工艺和流程方向上下功夫，在不影响必要建设的实施同时，将建设的费用降到最合理。

节约预算的方法，就要在前期的设计过程中，充分考虑后期的使用和情况，设法缩小建筑的相对体积，充分的发挥已有的建筑条件。合理的使用建筑钢材，节点形式，挺高每个构件和细部结构的受力效率。

在多方面的设计方面的考虑后，还要顾及到结构施工过程中的便捷性。有时候，虽然在理论设计上产生了最优方案，但在实际的施工过程中，由于各种施工条件限制，此方案可能并不是最优解。所以要学会顾前顾尾，将整个建设施工过程串联起来考虑设计，只有这样，才能设计出最为实际和经济的建设方案。

2.2此复合材料实验室平面布置对其具体建筑功能的影响

1. 此次的实验室厂房需要众多的特殊设计方案和结构要求。

这一实验厂房就是一个生产工作的特殊工作室。需要满足不同工作人员之间的协调配合和人员日常的工作生活所需。这从某方面上讲，也是对此建筑的设计使用是否合格的考核标准。所以，这就需要设计人员在平面面积的布置安排，各种仪器设备，生活工作隔间进行合理的大小和位置安排。一般情况下，像这样带有科研工作性质的厂房具有三四个组成部分：

1. 第一、就是最为重要的工作属性，本身此建筑之初就是为了材料试验而建设，如果不优先考虑该因素，那么其他的功能安排的再稳妥，也是徒劳用功。具体来说，就是根据实验人员的要求和实验需求，对大型实验设备进行合理位置布置，分成先后顺序，高低有序。对一样重要和危险的设备安置，要考虑到后续的安全处理和日常安全养护。
2. 第二、就是为了帮助实验工作高效进行而安置的一些必要的辅助措施，例如上述的安全装置，备用材料的放置仓库安排，一般存放的都是一些刚进场的备用材料，前段实验所预留的实验设备和一些生产完毕的成品。
3. 第三、就是考虑实验人员的办公、生活和娱乐的场所。人们长期的在一个地点工作，其环境对人的影响十分重要。工作科研需要安静和足够的空间进行研讨，实验之余的日常生活、办公和娱乐设施也必须合理安置，这些都是影响此材料试验厂房功能发挥的不可或缺的因素。

再具体到施工安排，就是要按照已有的成熟工艺流程进行建设施工，其辅助的设施，例如交通运输道路的铺设，材料货物的进场设备安装，设备的保护防火措施，整体厂房所受的自然环境的侵蚀等。在这些措施得到保障之余，可酌情对厂房建筑进行美化和周围环境绿化。

二、具体的厂房平面位置的安放设计

1、前文说过，要考虑厂房在通入使用过程中，其功能的发挥率，人员工作地点的安排和机械设备的放置。比如此次工程厂房的隔壁还建有一栋木结构厂房，所以就要考虑两者之间的设备共享和人员流通的因素。

2、此次的复合材料实验室建设在斜坡之上，所以这对厂房的平面布置有大的影响，及不宜将厂房的长度拉的过长，导致后期地质的变化使得厂房的耐久性和牢固性受到影响。

3、建筑物本身所在的城市的气候环境变化对平面的布置也有影响。其中日照因素和风荷载因素优先考虑。工作实验厂房对太阳阳光的朝向有设计考虑，例如一些应该规避阳光的怕晒材料、不耐热材料的实验室和仓库就应该考虑朝阳的方向。所以厂房的宽度尺寸不宜过大，最好是呈长方形的长形厂房，朝向要符合南北安排，复合材料实验室的长轴方向应与夏季的风向呈45-90度。在考虑风荷载的时候，要在长侧方向上开设窗户洞口和大门，要使厂房能够顺畅通风，对厂房内的污染空气及时进行排出。如果上述考虑的因素之间相互影响或者矛盾，就需要进行专业的评测从而进行某一方面的取舍，从而做出合理布置。

4、还有就是，总平面布置不得太过松散，要注意场地的节约使用，毕竟现在寸土寸金，一点的浪费，可能导致后续的正常场地安排。建筑物的外形也不要刻意追求艺术设计，正常情况下，要尽量使得厂房建筑的大体规整，在方向上的平直，避免不必要的浪费。

2.3复合材料实验室厂房的平面设计

此次功能性实验厂房，是借鉴了已有的相关建筑经验和特定的规范规程进行工艺流程上的合理设计。总体来说，就是要保证安全和功能充分发挥的前提下，再将厂房进行合理的场地大小、能源利用和结构简化的布置。总而言之，大的范围内厂房的设计要满足《钢结构厂房设计规范》和《钢结构厂房建筑模数标准》，这是工业功能性厂房的基本要求。

此工程的复合材料实验室厂房，根据其特殊的实验要求，为了支持上部活荷载和恒荷载与特殊构件的移动荷载，需要支设特定檩条和钢架杆件。而且对于厂房的具体跨度也提出了要求，这需要对荷载经过一系列的取值和荷载组合后进行判断，后文会对此部分荷载进行详细计算。接下来就需要对平面方向上的轴线和柱网的位置和尺寸进行设计。综合以上的分析，包括厂房所处环境、具体土层地质的情况、建筑说明、结构说明和施工实际情况的考虑确定。根据任务书所给的已定的资料：厂房宽度跨度为18.4m，而长度方向上的跨度根据规范和实际的43.9m长度确定，轴线用6m,6.9m和7.5m交错安排。其设置满足了《钢结构规范》的6~8m建议范围。此次工程的复合材料实验室厂房的平面设计如图2.1所示：

图2.1

2.4钢结构复合材料实验室厂房的剖面设计

一、厂房的建筑设计不仅要考虑平面方向上，还要结合剖面的细部连接构造。因为钢结构建筑物是一个整体性非常强的建筑，所以在建筑设计的初期，就要将多方面的因素考虑进去。故需要考虑的因素如下：

1. 剖面方向上也需要满足最为重要的实验工作的需求，比如大门高度的设置，要满足材料运输车的平均运输高度；厂房内部平台的高度和室外地坪的高度差要进行一定的控制，否则高度过大会导致运输车进场坡度过大而影响正常工作进行。
2. 要与外部进行良好的通风和采光设计。通风达标与否需要检查门窗的设计标准，侧面的高低窗和侧门，正面的大门尺寸都影响着厂房内部的通风情况。采光的设计也依然重要，日常的采光情况对人员和设备影响不可忽视。值得注意的是，部分怕晒材料的放置需要规避阳光的直接照射。
3. 钢结构厂房外部的辅助结构建设，屋面的排水构件和墙面的保温材料的装饰。这些装饰工程对今后的整体厂房实验运作有着非常大的影响。
4. 结构方案要结合之前的建筑要求和后续当地的施工条件进行合理设置，从得到一个相对而言较为经济的结构设计方案。
5. 现在的钢结构厂房，强调的是工业功能的发挥，所以在建设过程中要符合这一标准。

二、厂房的剖面方向的设计还需要对内部的一些重要构件和外部节点高度进行确定。综合了上述厂房荷载承重、风向、采光、内部移动荷载和屋面排水构件的考虑，从而取确定厂房的高度。

1、钢结构复合材料实验室厂房的高度确定

此单层厂房的高度确定，是指从室内的地坪标高到屋顶承重结构下部的垂直距离。在多数情况下，这一高度是和钢结构柱子的柱顶到地面的高度相一致。所以，在有些时候可以用柱顶标高来当做钢结构厂房的高度使用。

2、钢结构复合材料实验室厂房的柱子高度确定

先观察钢结构厂房的剖面图，从室外地坪到室内地坪，到牛腿的上表面高度，再到厂房钢柱的上部高度，最后到厂房屋面上表面高度，可以通过一层层构件的要求高度叠加确定出厂房的最终高度。

所以厂房的标高=室内地坪到牛腿柱的高度h1 牛腿柱到吊车梁的上部高度h2 牛腿柱到厂房钢架柱的上部高度h3=6.3 0.75 3.1=10.15m

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