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1、1韶关冶炼厂冶炼车间上料平台的结构设计12 级机械设计及其自动化 2 班 指导老师： 副教授1 设计概述1.1基本情况介绍1.1.1 钢结构设计的背景我国钢产量大且品种齐全，2010 年粗钢产量达到 7 亿吨，占世界第一位。其中钢结构行业消耗将近 4%。钢结构在建筑工程、桥梁工程、地下工程、铁道工程中大量使用。由于钢材的性能优良，钢结构具有现代化、标准化的优势，又是一种可再生的材料，满足“低碳、节能、环保”可持续发展国策的基本要求，有着很好的发展前景与机遇。国内建成的北京奥运会场馆、广州亚运会建筑、横跨长江的多座大型桥梁、遍布全国的高速铁路基础设施等一批钢结构标志性工程，代表了世界的先进水平。
2、钢结构在公共建筑、民用住宅等方面有巨大的发展潜力，今后必将占领更多的市场份额。新中国成立初期，国民经济处于起步阶段，钢结构仅在大型工业厂房中应用，鞍钢、武钢、包钢等钢铁厂的大型车间基本都采用了钢结构。20 世纪 50年代末在外国专家的帮助下，南京长江大桥成为我国第一座自己建造的大型钢结构桥梁。改革开放以后我国的钢产量大幅增加，使用钢材的政策由限制转变为推广使用，钢结构在高层和超高层建筑、多层房屋、轻钢建筑、大跨度体育场馆、各种会展中心、大型飞机安装检修库、大跨度公路铁路桥梁、海上采油平台、各种大中型仓库中都得到广泛应用。随着大型计算机的出现，先进的结构分析手段不断更新，大型复杂钢结构项目成为可
3、能，我国出现许多项目的设计制造水平居世界一流。1.1.2 钢结构的特点（1）强度高、结构重量轻，但钢结构容易失稳。在承受同样荷载时，钢结构比钢筋混凝土和木材组成的结构重量减轻很多。正是因为强度高，钢结构的杠件就可以做得细长，组成杠件的板件也可能比较薄，这样，结构的整体稳定和板件的局部稳定就变得尤为突出，容易因为整体或局部失稳导致结构破坏。（2）在复杂情况下性能优越。钢材的弹性模量稳定，材质均匀性好，比较符合2理想弹朔性体的力学假定，因而结构分析计算的结果与实际情况很接近；钢材具有良好的朔性、韧性、抗冲击和抗低温冷脆性能，在复杂受力情况下性能较好。（3）抗震性能好。钢结构可以建造的比较轻柔，受到
4、的地震作用较小，而且其具有良好的能量耗散能力，在历次地震中损害的程度是最小的，钢材已经被工程界确定为最适合的抗震结构材料。（4）耐热性能好但抗火性能差。在温度不高于 250 摄氏度的一般受热情况下，钢结构的弹性模量、强度、变形等主要的力学指标变化不大，是一种较好的耐热结构材料。但是钢结构的抗火能力很差，当温度达到 300 摄氏度以上时，强度逐渐下降，在 600 摄氏度时强度不足三分之二，模量几乎为零，所以在火灾下不加防护的钢结构很快就会倒塌，需要引起特别的注意。（5）密封性好但脆性状态下裂纹容易扩展。焊接钢结构不渗漏，密封性好，适用于制造船舶、气柜油罐、压力容器、高压管道等。但是，由于钢结构整
5、体刚度大，当焊接结构设计不当或工艺不好时，在低温和复杂受力情况下，微小裂纹有可能扩展导致整体断裂，这是焊接钢结构的弱点。（6）材料价格较贵，但钢结构工业化程度高，建筑工期短。使用钢结构与使用钢筋混凝土结构相比，高层建筑的总投资大约增加不到 2%，低矮建筑就更少。由于钢结构的工厂化生产，以及施工过程中机械化程度高，工期缩短带来的效益更为明显，越来越多的业主选择钢结构作为主要的土木工程结构。（7）钢结构耐腐蚀性差。因为易于被腐蚀，隔一段时间业主不得不对结构重新喷涂刷涂料。在海边、腐蚀性气体浓度比较大的环境中，这笔维护费用更大。耐候钢的出现使钢结构在腐蚀环境中有了更大的使用空间。通常情况下钢结构耐腐
6、蚀性差的缺点不足以对钢结构的使用产生明显的负面影响。1.1.3钢结构合理应用范围基于它的特点，它的合理应用范围体现在以下方面：（1）大跨度结构。如飞机装配车间、飞机库、大会堂、体育馆、展览馆等。（2）工业厂房。如冶金厂房的转炉炼钢车间、连铸连轧车间；重型机械厂的铸钢车间、水压机车间锻压车间等。（3）可拆卸或移动的结构。如塔式起重机、履带式起重机的吊臂、龙门起重机3等。（4）高耸结构和高层结构。钢结构电视塔、输电塔架等自重轻，便于安装和施工；高 610 米的广州新电视塔是目前世界第一高的电视塔，正在建造中的上海环球金融中心等高层建筑都是钢结构建筑。（5）密封和压力容器。钢材质地密实，抗拉强度高，
7、做成容器后不渗油不透水，并且能承受较大的内部压力，广泛应用与轮船、各种油罐、气柜等。（6）版壳结构。如油罐、煤气柜、高炉炉壳、热风炉、漏斗、烟囱、水塔以及各种管道等。（7）承受动力荷载以及地震作用的结构。1.1.4钢结构构件的分类钢结构构件可以分为两类：钢结构杠件和钢结构板件。（1）钢结构杠件按受力状态可以分为受拉杠件、受压杠件、受弯杠件、拉弯杠件、压弯杠件、受拉索等。这些杠件是组成钢结构各种形式的最基本单元。钢结构杠件和杠件之间可以组合成合理的结构形式，充分利用钢材的各种优势，有效地承担各种作用和荷载，满足结构物各种功能要求并具有美观的造型。（2）钢结构板件是一种平面构件，一般在板件平面内拉
8、应力、压应力和剪应力共同作用，工作状态比较复杂。在实际应用中，按照边界支承状况不同，板件可以分为四边简支版、三边简支一边自由板、带加劲肋的三边简支板等。钢结构有时还和混凝土组合在一起，形成组合构件；拱、钢架既是钢构件，也可以独立组成结构。1.1.5钢结构设计的基本方法钢结构设计方法的理论基础是结构的可靠度分析。无论对建筑结构还是桥梁结构，结构可靠度设计统一标准要求对不同结构取得相同的可靠度，从理论上制定出结构设计统一的目标可靠指标。目标可靠指标应该根据各种结构构件的重要性、破坏性质和失效产生的后果来确定。在结构构件设计时，涉及可靠度指标的参数隐含在计算公式里。结构工程师需要掌握的是钢结构极限状
9、态法的基本原理，正确理解概率极限状态的概念和含义，以便正确处理设计、施工、工程事故分析、工程加固中出现的各种复杂问题。41.1.5钢结构的极限状态和其他土木工程结构一样，钢结构的极限状态分为承载力极限状态和正常使用极限状态两类。（1）承载力极限状态对应于构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。1.2 本设计（题目）的特点与性质1.2.1 使用功能要求根据上述的钢结构合理使用范围，考虑本设计为大跨度受动力荷载影响的结构,从其使用功能考虑宜采用钢结构的形式。1.2.2 荷载的受力分析本上料平台主要承受竖向可变荷载、结构的自重及附
10、属连接的零部件的重力。其荷载的传递方式为:板面上的竖向永久荷载和竖向可变荷载，由叠合式板(DHB)以均布荷载的形式传给次梁(CL)，再由次梁以集中力的形式传给主梁(ZL),最后由主梁以集中力的形式传给格构式柱(GGZ)，由柱再传给基础(JC)，基础传给地基。综上所述，本设计采用大板式钢结构的单向板梁板结构形式。2 荷载的汇集21 结构的平面布置由设计规范可知次梁的经济跨度在 5000-7000mm 之间，主梁大于等于10000mm，以及考虑上料平台的具体的环境还有施工的便利性，其平面布置如下：52.2 标准情况下荷载标准值的计算：40m厚 铁 砂 砂 浆 面 层 )/25(3mkN21 :;
11、; 25.1 ; /k StelctiondesgLcalstbiyStresPkNKeywords：厚 钢 筋 混 凝 土 叠 合 层 )/25(3mkN 220./kPk：0m预 应 力 钢 筋 混 凝 土 空 心 板 3.1k：2厚 水 泥 砂 浆 底 面 )/17( 247.34/kNm2.2.1竖向永久荷载板 面 的 竖 向 永 久 荷 载 的 标 准 值 为 ：621234152.0348./kkkgPkNm板 面 的 竖 向 永 久 荷 载 的 设 计 值 为 ： 2.8./bk k2.2.2竖向可变荷载 :板 面 的 竖 向 可 变 载 荷 标 准 值 2/10mNqk板 面
12、的 竖 向 可 变 载 荷 设 计 值 2.4.14/bkk2.2.3竖向荷载组合竖 向 板 荷 载 总 值 标 准 值 ： 28.0./kkpgqN竖 向 板 荷 载 总 值 设 计 值 ： 12418bb km3 次梁的截面设计3.1计算简图（不算次梁本身重量的前提下）次梁的计算简图如下，其中 为设计值， 为标准值，柱宽选取1q1kq320bm次梁的静跨度为： 两支座反力距离为：0 =420-38mlLb0 1.5=381.57l4.1KN/kqpl12.0=983b 图 3.173.2 初选截面（算上次梁本身的重量）3.2.1 截面最大弯矩设计值的计算（不算本身重量）次梁的材料：Q235
13、 钢，塑性发展系数 初取为 1.05，x210afMP则最大弯矩设计值为：= 2max18Mql29.3047=3.941kNm3.2.2 需要的截面抵抗矩 3 3ax6.12.05rWcf3.2.2 初选工字型钢查表选择型号为 36c 的工字钢，其几何性质为。 ，4x1730cmI，3x962cm*x/29.cIS3.2.3验算截面抵抗矩查表得 ， ， 为设计值，故71.34.80691/ kqgKNm1.35kkqq，又 ，所以 ，而1.5069/k9.248/KNm.25./k2max143807.89.8Mql KNm 333605.9.7962 (1.05)21r xxxWcWcf
14、故所选工字型钢型号符合截面抵抗矩的条件。3.2.4验算抗弯承载力在算上本身重量时：( =1.05)max 629.4720384.1201MP105MkPW x即符合条件。3.2.5验算抗剪承载力（ ） max 135vaf8maxmax1a* 2()vvqlIts查表可知： *9. 15.8xIct所以 max1.243.072.vKN059149135.9.8aavapMPf即所选型号符合条件。3.2.6 验算工字钢的刚度限制挠度条件 4 41 lim6557.1204.07.07416.162938325kxql mEI 通过以上截面抵抗矩，抗弯承载力、抗剪承载力和刚度的验算，所选工字型
15、号钢型号是合理的。4主梁设计4.1 基本情况介绍4.11 计算简图（不算本身重量）计算图如下图 4.1 4.1.2 主梁载荷为了满足安全可靠和经济合理的双重要求，对于本次设计中的工作环境的一个思考，现决定选取 Q345 的焊接组合工字型钢梁。下图为主梁的计算简图：9图 4.2 所以：上图中的静跨度 式中 是支座圆柱的截面直径，由以往的习惯06ala选择 ，即 ，故a304m320618032480l m两支座反距离 01.5.a1.54Ll（ ）并有 1(a)(48)922l m98.376.9pqKN15152k4.1.3截面抵抗矩的计算（1）最大弯矩 11115(la)Pl2Pa=478.32.2xrMaKNm最大剪力 1576.94.3rVPKN（2）由 得截面抵抗矩xrrWfxr1478.3204693.25（对一般单向弯曲梁：当最大弯矩外无孔眼时 ）1.05xr4.2截面设计4.2.1 梁截面沿长度的改变对于均布荷载作用下的简支梁，一般按跨中最大弯矩选定截面尺寸。但是考虑到弯矩沿跨度按抛物线分布，当梁跨度较大时，如在跨间随弯矩减小将截10面改小，做成变截面梁，则可节约钢材减轻自重。焊接工字梁的截面改变一般是改变翼缘宽度。4.2.2 变换截面的连接如下图图 4.3 下翼缘连接的坡口焊位置4.3 具体尺寸的计算4.3.1 各个名称: 11具体
