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摘要
轻型钢结构厂房与传统的钢筋混凝土厂房相比，他的建设周期更短，费用更加经济，空间布局更加合理，所以它的使用非常广泛。
本次设计是先进行了建筑部分的设计，包括厂区总平面设计，以及厂房的平、立、剖面的设计。其次重点进行了厂房结构部分的设计，包括主体刚架设计，以及其他分项的设计。最后进行了基础设计。
关键词：厂房；梁柱节点；檩条；基础
一、 设计条件
1.工程概况
本工程为机械铆焊车间，根据工艺及建筑设计的要求，确定车间为两等跨等高单层门式刚架结构。屋面坡度为0.1，设纵向排水沟，采用彩色压型钢板轻型防水保温屋面。天窗采用阳光板，窗下为1.2m的240的砖墙，窗上采用彩色压型钢板轻型保温墙体。室内外高差150mm，地面采用素混凝土。
2.结构参数
厂房为两等跨等高结构，第一跨18米长，设一台5t中级工作制梁式吊车，第二跨18米长，设一台10t工作制梁式吊车，柱距为6m，檐口高度为11.1m，牛腿高度8.4m，结构长度为66m。
二、 建筑设计
工业建筑既为生产服务，也要满足广大工人的生活要求。单层厂房设备体积大、质量大，厂房以水平运输为主。
建筑设计的主要任务是设计厂房的平面形状，柱网尺寸，剖面形式，建筑形体；合理选择结构方案和围护结构类型，进行细部构造设计；协调建筑、结构、水、电、暖、排气、通风等各工种；正确贯彻“坚固适用，技术先进，经济合理”的原则。
工业建筑设计应满足生产工艺对建筑使用功能的要求；遵守各项规定，满足有关的建筑技术方面的要求；满足施工方面的要求；尽量降低造价及满足卫生、安全等要求。
三、 结构设计
本设计中的刚架梁、柱截面均采用焊接H型钢，具体截面的尺寸确定需要满足梁柱的截面验算。结构部分的设计是本次设计的重点，共包括荷载计算，梁、柱截面验算，节点设计，檩条设计及吊车梁设计等几个方面[1]。
1. 荷载计算
设计门式刚架结构所涉及的荷载，包括永久荷载和可变荷载。
（1）永久荷载
永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非构件的重力荷载，如屋面、檩条、支承、墙面构件和刚架自身等。
（2）可变荷载
可变荷载包括：
屋面活荷载：当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值应取0.5KN/㎡。
屋面雪荷载：按《荷载规范》取。
吊车荷载：包括竖向荷载和水平荷载。
地震作用及风荷载：按《建筑抗震设计规范》以及《门式刚架轻型房屋结构技术规程》取值。
（3）荷载组合效应
屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者的较大值；
施工或检修荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；
当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。
2. 内力组合
根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力，控制截面的位置在柱顶、柱牛腿连接处的上部及下部、柱底、梁端以及梁的连接处。
控制截面的内力组合有：
（1）+Mmax时的N,V
（2）-Mmax时的N,V
（3）最大轴力Nmax时的N,V
（4）最小轴力Nmin时的N,V
3.稳定性验算
（1）局部稳定性验算
梁和柱是靠翼缘和腹板共同作用来承担的，为了防止在压力作用下，翼缘和腹板达到极限承载力而失稳，通过限定翼缘和腹板的宽厚比来保证局部稳定性。
（2）截面有效特性验算
钢材在局部屈曲后，仍然没有破坏，能继续在安全状态下工作。为了能节约钢材、降低造价，对于H型截面的梁、柱构件，在设计中可利用其屈曲后的强度，计算时应按有效宽度计算截面的几何特性。受压区有效宽度为有效宽度系数与受压区宽度的乘积[2]。
（3）强度验算
梁柱必须满足起码的强度条件才能在设计中采用。而截面强度承载力由翼缘和腹板共同承担，腹板取有效截面所能抵抗的弯矩、剪力和轴力。
（4）平面内的整体稳定验算
为了保证构件不发生平面内失稳，在强度条件得到满足的同时，必须进行平面内稳定性验算。变截面梁，其平面内稳定验算公式不同于等截面构件，应进行适当的修正。变截面柱，允许柱腹板发生局部屈曲并利用屈曲后的强度，因此在计算中截面几何特性应采用有效截面的几何特性。在实际中，变截面柱，往往是大头截面弯矩大于小头截面，故在计算公式中弯矩和有效截面模量应以大头为准。刚架柱的最大轴力往往作用在小头，故在公式中的轴力应以小头截面为准。
（5）平面外的整体稳定验算
同平面内整体稳定性一样，变截面柱的平面外整体稳定计算公式中的截面几何特性按有效截面计算，考虑楔形柱的受力特点，轴力取小头截面，弯矩取大头截面。对于变截面梁，由于设有隅撑，可不进行平面外稳定性验算。
4.节点设计
钢结构构件间如梁与梁之间，柱与柱之间，柱脚与基础的预埋件之间的连接设计即为节点设计。节点由端板、加劲肋板和螺栓组成。
端板之间一般采用高强螺栓连接。端板与构件外边缘相垂直，且采用焊接连接。在端板设计时，按照刚性节点设计。当内力较小时，按能承受不小于较小连接截面承载力的一半进行设计。在保证必要强度的同时，也要提供足够的转动刚度。为了满足强度要求，通常采用摩擦型高强螺栓，并对螺栓施加预拉力。
为了使受力均匀，不发生应力集中现象，端板螺栓应对称布置。在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧各设置一排，并使每个翼缘的四个螺栓的中心与翼缘的中心相重合。为了增大螺栓群的力臂，将端板外伸处截面高度范围以外，形成外伸式连接。柱脚采用平板式铰接柱脚。
节点设计后应进行验算。由于节点端板与构件间，以及加劲肋板间均采用焊接，故在刚架柱与梁验算时，要增加焊缝强度的验算。
5.檩条设计
檩条跨度为6m，采用实腹式C型檩条。在设计中檩条选取三种内力组合的最不利情况进行计算[3]。设计完毕后，对檩条进行强度、平面内整体稳定、平面外整体稳定以及刚度验算。
在檩条跨度的三分点处各设置一道拉条，以防止侧向变形和扭转，并提供X轴方向的中间支点。在屋檐和屋脊处都设置拉条，以提高整体协调变形的能力和刚度。两根檩条间设有隅撑。
6.吊车梁设计
吊车梁承受吊车产生的三个方向的荷载作用，即吊车的竖向荷载、横向水平荷载和縱向水平荷载。其中纵向水平刹车力沿吊车轨道方向，通过吊车梁传给柱间支撑，对吊车梁的截面受力影响很小，计算吊车梁时一般不考虑。在计算吊车梁时应按双向受弯构件设计[4]。
该厂房设有两台吊车，在计算中选取吊车梁荷载大的一跨进行设计。首先确定最大轮压作用下最不利位置的弯矩，然后再求横向水平荷载作用下最不利位置轮压位置的弯矩及剪力。选取截面以后，计算截面特性，再进行验算，包括强度、整体稳定性和刚度验算。对焊缝也要进行验算，以防止焊缝长度或焊脚尺寸高度不够而影响整体的正常使用。
四、 基础设计
1.地质条件
建筑场地属于Ⅱ类场地土，上部填土2.0m，其下即为卵石层，且卵石层分布均匀 ，承载力标准值为300kpa，场地地下水位约为地下6m处。
厂房采用柱下钢筋混凝土独立基础，基础混凝土强度为C25级。下设100厚C15的素混凝土垫层。根据《建筑抗震设计规范》规定，地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般单层厂房可不进行天然地基及基础抗震承载力验算，因此可仅取无地震作用时的内力组合进行设计。
2.设计步骤
根据以上资料，以及结构设计部分的荷载值进行计算。确定埋深，确定基础截面形式，最后进行验算。基础设计完毕后，进行基础梁的设计。包括截面设计、配筋设计，然后对基础梁的截面进行验算。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开
轻型钢结构厂房与传统的钢筋混凝土厂房相比，他的建设周期更短，费用更加经济，空间布局更加合理，所以它的使用非常广泛。
本次设计是先进行了建筑部分的设计，包括厂区总平面设计，以及厂房的平、立、剖面的设计。其次重点进行了厂房结构部分的设计，包括主体刚架设计，以及其他分项的设计。最后进行了基础设计。
关键词：厂房；梁柱节点；檩条；基础
一、 设计条件
1.工程概况
本工程为机械铆焊车间，根据工艺及建筑设计的要求，确定车间为两等跨等高单层门式刚架结构。屋面坡度为0.1，设纵向排水沟，采用彩色压型钢板轻型防水保温屋面。天窗采用阳光板，窗下为1.2m的240的砖墙，窗上采用彩色压型钢板轻型保温墙体。室内外高差150mm，地面采用素混凝土。
2.结构参数
厂房为两等跨等高结构，第一跨18米长，设一台5t中级工作制梁式吊车，第二跨18米长，设一台10t工作制梁式吊车，柱距为6m，檐口高度为11.1m，牛腿高度8.4m，结构长度为66m。
二、 建筑设计
工业建筑既为生产服务，也要满足广大工人的生活要求。单层厂房设备体积大、质量大，厂房以水平运输为主。
建筑设计的主要任务是设计厂房的平面形状，柱网尺寸，剖面形式，建筑形体；合理选择结构方案和围护结构类型，进行细部构造设计；协调建筑、结构、水、电、暖、排气、通风等各工种；正确贯彻“坚固适用，技术先进，经济合理”的原则。
工业建筑设计应满足生产工艺对建筑使用功能的要求；遵守各项规定，满足有关的建筑技术方面的要求；满足施工方面的要求；尽量降低造价及满足卫生、安全等要求。
三、 结构设计
本设计中的刚架梁、柱截面均采用焊接H型钢，具体截面的尺寸确定需要满足梁柱的截面验算。结构部分的设计是本次设计的重点，共包括荷载计算，梁、柱截面验算，节点设计，檩条设计及吊车梁设计等几个方面[1]。
1. 荷载计算
设计门式刚架结构所涉及的荷载，包括永久荷载和可变荷载。
（1）永久荷载
永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非构件的重力荷载，如屋面、檩条、支承、墙面构件和刚架自身等。
（2）可变荷载
可变荷载包括：
屋面活荷载：当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值应取0.5KN/㎡。
屋面雪荷载：按《荷载规范》取。
吊车荷载：包括竖向荷载和水平荷载。
地震作用及风荷载：按《建筑抗震设计规范》以及《门式刚架轻型房屋结构技术规程》取值。
（3）荷载组合效应
屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者的较大值；
施工或检修荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；
当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。
2. 内力组合
根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力，控制截面的位置在柱顶、柱牛腿连接处的上部及下部、柱底、梁端以及梁的连接处。
控制截面的内力组合有：
（1）+Mmax时的N,V
（2）-Mmax时的N,V
（3）最大轴力Nmax时的N,V
（4）最小轴力Nmin时的N,V
3.稳定性验算
（1）局部稳定性验算
梁和柱是靠翼缘和腹板共同作用来承担的，为了防止在压力作用下，翼缘和腹板达到极限承载力而失稳，通过限定翼缘和腹板的宽厚比来保证局部稳定性。
（2）截面有效特性验算
钢材在局部屈曲后，仍然没有破坏，能继续在安全状态下工作。为了能节约钢材、降低造价，对于H型截面的梁、柱构件，在设计中可利用其屈曲后的强度，计算时应按有效宽度计算截面的几何特性。受压区有效宽度为有效宽度系数与受压区宽度的乘积[2]。
（3）强度验算
梁柱必须满足起码的强度条件才能在设计中采用。而截面强度承载力由翼缘和腹板共同承担，腹板取有效截面所能抵抗的弯矩、剪力和轴力。
（4）平面内的整体稳定验算
为了保证构件不发生平面内失稳，在强度条件得到满足的同时，必须进行平面内稳定性验算。变截面梁，其平面内稳定验算公式不同于等截面构件，应进行适当的修正。变截面柱，允许柱腹板发生局部屈曲并利用屈曲后的强度，因此在计算中截面几何特性应采用有效截面的几何特性。在实际中，变截面柱，往往是大头截面弯矩大于小头截面，故在计算公式中弯矩和有效截面模量应以大头为准。刚架柱的最大轴力往往作用在小头，故在公式中的轴力应以小头截面为准。
（5）平面外的整体稳定验算
同平面内整体稳定性一样，变截面柱的平面外整体稳定计算公式中的截面几何特性按有效截面计算，考虑楔形柱的受力特点，轴力取小头截面，弯矩取大头截面。对于变截面梁，由于设有隅撑，可不进行平面外稳定性验算。
4.节点设计
钢结构构件间如梁与梁之间，柱与柱之间，柱脚与基础的预埋件之间的连接设计即为节点设计。节点由端板、加劲肋板和螺栓组成。
端板之间一般采用高强螺栓连接。端板与构件外边缘相垂直，且采用焊接连接。在端板设计时，按照刚性节点设计。当内力较小时，按能承受不小于较小连接截面承载力的一半进行设计。在保证必要强度的同时，也要提供足够的转动刚度。为了满足强度要求，通常采用摩擦型高强螺栓，并对螺栓施加预拉力。
为了使受力均匀，不发生应力集中现象，端板螺栓应对称布置。在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧各设置一排，并使每个翼缘的四个螺栓的中心与翼缘的中心相重合。为了增大螺栓群的力臂，将端板外伸处截面高度范围以外，形成外伸式连接。柱脚采用平板式铰接柱脚。
节点设计后应进行验算。由于节点端板与构件间，以及加劲肋板间均采用焊接，故在刚架柱与梁验算时，要增加焊缝强度的验算。
5.檩条设计
檩条跨度为6m，采用实腹式C型檩条。在设计中檩条选取三种内力组合的最不利情况进行计算[3]。设计完毕后，对檩条进行强度、平面内整体稳定、平面外整体稳定以及刚度验算。
在檩条跨度的三分点处各设置一道拉条，以防止侧向变形和扭转，并提供X轴方向的中间支点。在屋檐和屋脊处都设置拉条，以提高整体协调变形的能力和刚度。两根檩条间设有隅撑。
6.吊车梁设计
吊车梁承受吊车产生的三个方向的荷载作用，即吊车的竖向荷载、横向水平荷载和縱向水平荷载。其中纵向水平刹车力沿吊车轨道方向，通过吊车梁传给柱间支撑，对吊车梁的截面受力影响很小，计算吊车梁时一般不考虑。在计算吊车梁时应按双向受弯构件设计[4]。
该厂房设有两台吊车，在计算中选取吊车梁荷载大的一跨进行设计。首先确定最大轮压作用下最不利位置的弯矩，然后再求横向水平荷载作用下最不利位置轮压位置的弯矩及剪力。选取截面以后，计算截面特性，再进行验算，包括强度、整体稳定性和刚度验算。对焊缝也要进行验算，以防止焊缝长度或焊脚尺寸高度不够而影响整体的正常使用。
四、 基础设计
1.地质条件
建筑场地属于Ⅱ类场地土，上部填土2.0m，其下即为卵石层，且卵石层分布均匀 ，承载力标准值为300kpa，场地地下水位约为地下6m处。
厂房采用柱下钢筋混凝土独立基础，基础混凝土强度为C25级。下设100厚C15的素混凝土垫层。根据《建筑抗震设计规范》规定，地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般单层厂房可不进行天然地基及基础抗震承载力验算，因此可仅取无地震作用时的内力组合进行设计。
2.设计步骤
根据以上资料，以及结构设计部分的荷载值进行计算。确定埋深，确定基础截面形式，最后进行验算。基础设计完毕后，进行基础梁的设计。包括截面设计、配筋设计，然后对基础梁的截面进行验算。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开