本论文论述了单层钢结构厂房的焊接结构设计与焊接工艺制作。对于跨度为 24 米的钢结构厂房，结合相关资料，首先选定结构整体用钢的型号，接着进行钢结构厂房整体平面结构的布置，选取起重机的型号。依据沈阳地区自然情况，对刚架结构进行设计并进行强度校核，选择合适的柱脚、牛腿以及刚架柱与梁等节点，同时选取合适的柱间支撑和屋顶水平支撑等保证强度的维护体系。参照相关资料，选择丝极埋弧焊和二氧化碳气体保护焊的焊接方法进行施工，并设计坡口形式和尺寸等参数的焊接工艺。还阐述了钢结构厂房的现场施工工艺流程及施工注意事项。钢结构厂房体系被称作“绿色工厂”，它具备自重轻、安装便捷、施工周期短、抗震性能优良、投资回收速度快以及环境污染少等综合优势。与钢筋混凝土结构相比，在“高、大、轻”这三个方面具有独特的发展优势。

我国建筑工程领域近期出现了产品结构调整，混凝土和砌体结构长期占据主导的局面正在改变，钢结构厂房凭借自身优势引起了业内关注，并且在工程中得到了合理且迅速的应用，因此钢结构厂房的发展前景良好。大家都知道，建筑钢结构是一个复杂的系统工程，其中包含钢结构设计等 13 个主要工艺流程。焊接应用技术在整个工艺流程中起着决定性作用。在钢结构行业的主要工艺流程里，焊接技术对整个流程有着决定性作用。以热轧型钢（如角钢、工字钢、槽钢、钢管等）、钢板、冷加工成型的薄壁型钢以及钢索作为基本元件，通过焊接、螺栓或铆钉连接，将基本构件连成能够承受外载荷的结构，这种结构就称为钢结构。并且在近年来新兴的航空业、海洋工程中也大规模应用了钢结构。5. 用钢才制成的结构运输和架设方便。

b、钢材具有良好的塑性，通常情况下，不会因偶然超载或局部超载而导致突然的断裂破坏，而是会出现有塑性变形的征兆，这样就能及时采取补救措施。钢材的韧性良好，对于加载在其上的动载荷有很好的适应性，从而为结构的安全提供了可靠的保障。d、钢结构是由各种加工制成的型钢和钢板构成的。它采用焊接、螺栓或铆接等工艺制成基本构件，然后运到现场进行装配拼接。这种施工方法制造简单，施工周期短，效率高，修配和更换都很方便。工厂制造、工地安装的方式具备成批大件生产的优点，也具备成品精度高的优点，同时为降低造价以及发挥投资的经济效益创造了条件。钢结构厂房是近十年来发展最为迅速的领域。在美国，轻型钢结构厂房在非住宅建筑投资中所占比例超过 50%。这种结构的工业化和商品化程度较高，施工速度快，综合效益高，市场需求量极大，已经引起了结构设计人员的重视。目前已经存在多种低层、多层和高层的设计方案以及实例。它具有大跨度、大空间的能力，分隔使用较为灵活，同时施工速度快，对抗震也有利。这些特点必然会对我国传统的厂房结构模式造成较大的冲击。

目前存在着一些不尽如人意或有待提升的地方，然而钢结构厂房的发展潜力极为巨大，前景十分广阔。我国历经三十年的改革开放与经济发展，已经为钢结构厂房体系的应用营造出了极为有利的发展环境。其一，从发展钢结构厂房的主要物质基础方面来看，自 1996 年起，我国钢的总产值就已经超过了 1 亿吨，在世界上位居首位。钢材产量在持续提高，质量也在持续提高。随着这一情况的出现，钢材的价格正逐步下降。因为钢材价格下降，所以钢结构厂房的造价也相应有较大幅度的降低。与之相应的是，钢结构厂房配套的新型建材得到了迅速发展。其次，从发展钢结构厂房的技术基础角度来看，普通钢结构厂房方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行；薄壁轻钢结构厂房方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行；高层建筑钢结构厂房方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行；门式刚架轻型房屋钢结构厂房方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行；网架结构方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行；压型钢板结构方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行；钢结构厂房焊接和高强度螺栓连接方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行；钢与混凝土组合楼盖方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行；钢管混凝土结构方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行；钢骨（型钢）混凝土结构方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行。有关钢结构厂房的规范规程在不断完善。这为钢结构厂房体系的应用奠定了必要的技术基础，也为设计提供了依据。从发展钢结构厂房的人才素质方面来看，经过几年的发展，专业的钢结构厂房设计人员已经形成了一定的规模。并且他们的专业素质在实践中不断得到提高。计算机在工程设计中得到普遍应用后，国内外钢结构厂房设计软件发展得很迅猛。软件的功能越来越完善，这为协助设计人员完成结构分析设计以及绘制施工图提供了很大的便利条件。

国外的门式刚架体系已进入这样一个时代，即设计、分析、出图都实现了程序化，例如大型通用化设计软件包 Loseke Building System Software 就可完成这些工作，并且构件加工、安装施工以及经营管理也都一体化了。同时，在建造方面也出现了变化。业主并非带图纸委托加工，而是向承包商定购某类轻型钢结构房屋。承包商能在规定时间内，按照业主要求保质建成并交付使用。并且许多公司都拥有自身的系列，以商品形式进行交付使用。门式刚架钢结构体系已普及至各个领域。日本工程界目前正在就以下几个方面进行研究：主刚架在地震力作用时保有水平耐力（也就是构件达到塑性阶段时的承载力）所需要的 Ds 值的取法，Ds 为地震空间结构分维，能反映地震空间结构的相似性；大断面 Z 型冷弯薄壁型钢檩条及墙梁的相关情况；高强度螺栓在椭圆孔处的受力状态。现今我国建成的门式刚架轻钢结构房屋已达 800 多万立方米。每年还以约 100 万立方米的速度在增加。这是个前所未有的大好机遇，会带动建筑业产品结构的调整，促使建筑结构向轻型化、系列化发展。目前在国内门式刚架结构优化设计研究领域已取得较好成绩。研究了 门式刚架工业厂房最优柱距的问题，有了详细的数据。

在优化算法以及敏度分析的研究方面已经获得了显著的成果。我国学者运用渐近满应力法，研发出了门式刚架结构优化设计软件 SOA 。利用 GIG（General Interactive Gradient）一般梯度法，对门式刚架在荷载作用下的优化进行了研究，和传统设计方法相比较，取得了更优的效果。采用离散复合形优化方法，依据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102:98)。建立了门式刚架轻型结构离散变量优化的数学模型。在 3D3S(V3.0)软件的基础上，编制了门式刚架的结构优化程序。使用遗传算法，针对门式刚架展开了研究，此研究包含了对离散和连续变量的截面以及形状的混合优化。并且将其与 PFCAD 系统相融合，从而形成了一个完整的门式刚架轻型房屋设计与优化系统[2]。本课题主要研究沈阳地区跨度为 24m 的钢结构厂房的焊接结构及焊接工艺。首先研究钢结构厂房的整体平面布置结构和立面布置结构。接着选取厂房的一些维护系统，如檩条、系杆、水平支撑等，并选择其连接方式，以及确定节点的形式。同时对刚架进行强度校核。最后确定需要焊接连接而成的部位的焊接工艺。

学习了钢结构厂房的特点及布置情况之后，查阅了《钢结构设计手册》《建筑荷载规范》以及《焊接手册》等资料，在指导老师的指导下，确定了厂房的具体布置，接着完成了焊接工艺等内容。建筑结构布置设计包含建筑平面设计，其中建筑平面设计的 2.1.1 为厂房平面形式的选择。本设计的厂房跨度为 24m，根据文献[3,413]可知，门式刚架跨度一般单跨为 9 - 36m，所以该厂房设计为单跨。为了形式对称，进一步设计为单跨双坡的常见形式。厂房有起重机时，其高度一般在 9 - 12m 之间。因此，将厂房牛腿高度定为 9m（以满足 3M 模数）[3]。厂房的具体高度是由起重机轨顶标高以及起重机所需的净空高度进一步确定的，由于高度范围是 9 - 12m，所以确定为单层钢结构厂房。考虑到温度区段长度这一问题。从《钢结构设计手册》表 2 - 17（见表 2.1）可查得，在采暖和非采暖地区，纵向温度区段长度为 220m，横向温度区段长度为 120m。本结构的横向为 24m，纵向为 72m，均在上述范围内。因此，本结构不用加设温度伸缩缝[3]。表 2.1 给出了温度区段长度值（m）以及横向和纵向温度区段的结构情况。在采暖和非采暖地区，横向温度区段长度为 220m 时柱顶为刚接，长度为 120m 时柱顶为铰接；纵向温度区段长度为 220m 时柱顶为刚接，长度为 150m 时柱顶为铰接。在房屋中，横向温度区段长度为 180m 时柱顶为刚接，长度为 100m 时柱顶为铰接；纵向温度区段长度为 180m 时柱顶为刚接，长度为 125m 时柱顶为铰接。在热车间和采暖地区，横向温度区段长度为 120m；非采暖房屋露天结构的相关情况未提及。2.1.2 中提到，柱网的选择由车间的长、宽尺寸以及柱距的要求来确定，柱子在平面中排列所形成的网络即为柱网。

柱网的选择主要涉及厂房跨度和柱距的选择。通常情况下，柱距也就是刚架的最优距离在 6 至 9 米之间。当柱距超过 9 米时，屋面檩条与墙架体系的用钢量会大幅增加，导致综合造价不经济。目前，我国应用的基本柱距是 6 米，本结构厂房也选择了 6 米的柱距[6]。屋面维护体系选择檩条间距时，最常用的是 1.5m。同时，选择应用最普遍、用钢量省、制造和安装方便且跨度小于等于 6m 的冷弯薄壁卷边槽钢（C 型）檩条。檩条高度的确定可参考公式（2.1），其中 L 表示檩条跨度为 6m。它的高度在 171.43mm 左右。根据《钢结构设计手册》表 7-3，选择了檩条截面规格为 C180*70*20*3.0 的檩条[3]。为使屋面能构成稳定的体系，需在屋面上设置横向水平支撑。通常情况下，横向水平支撑的间距在 30m 至 40m 之间。本结构厂房的总长度为 72m，共有 12 个开间。因此，在第一个开间、第七个开间以及最后一个开间上设置水平支撑。其详细布置情况可参考图纸。定位轴线可确定单层厂房主要承重构件的位置，它也是设备安装和施工放线的依据。我国现行的《厂房建筑模数协调标准》规定，定位轴线的划分与柱网布置是一致的，一般将厂房定位轴线划分为横向和纵向。

垂直于厂房长度方向的被称作横向定位轴线，平行于厂房长度方向的被称作纵向定位轴线。横向定位轴线与刚架柱的横向中心线是重合的，纵向定位轴线与起重机轨道中心线向外有 750mm 的距离。柱顶标高的确定是为了满足 3M 模数，牛腿高度已定为 9m。吊车的轨道梁选择了工字型截面的 600mm 高的工字钢，所以吊车轨顶标高为 9600mm。根据文献[3]中北京起重运输机械研究所 1 - 10t 吊钩 LDB 型电动单梁起重机技术规格中的 10t 起重机参数（见表 2.2）可知，起重机自身梁高 875mm。起重机参数说明见图 2.1。并且由《钢结构设计手册》得知，吊车顶面至屋顶的安全高度即所需净空尺寸一般取 250mm - 350mm，本结构取 350mm[3]。这样厂房的柱顶标高可以通过式（2.2）来进行计算。在式（2.2）中，由于需要满足 3M 模数的要求，所以取 11100mm 也就是 11.1m 。图 2.1 呈现了起重机参数，2.2.2 部分提到屋脊高度。确定刚架的坡度一般在 18 至 120 之间，在雨水大的地方坡度取较大值，而沈阳地区雨水不是很多，本结构选择 110 的坡度。

屋脊的高度 H′是通过公式（2.3）计算得出的。公式（2.3）涉及跨度 i 和坡度等因素。经计算，屋脊高度为 11.4m。门式刚架框架柱形式多样厂房钢结构，按截面形式可分为等截面和变截面形式。变截面形式虽能节省材料，但构造连接及加工制造存在不便，通常在跨度较大或高度很高时才会采用。因此，本结构选用了等截面刚架柱。等截面柱一般适合用于无吊车或吊车起重量 Q≤20t 的情况，而本结构中的起重机为 10t，所以适用该等截面刚架柱。并且一般来说，等截面刚架柱是工字型的。在本结构中，选用了焊接型工字钢作为刚架柱。按照构件体系来划分，有实腹式和格钩式。由于选择了工字钢，所以自然采用的是实腹式刚架柱[3]。门式刚架的梁选用的是与柱相同的工字钢。刚架梁与柱的连接是刚接。因为厂房内设置了起重机，为了考虑稳定性，所以选择了刚接柱脚。另外，在上述加设水平支撑的开间需要加设柱间支撑。在两端山墙处，每端要加设三根抗风柱，抗风柱间距为 6m 且对称分布。根据《钢结构设计手册》表 11 - 2[3]，选择 QJZ12 - 6.0 - 1，它就是 H300 * 150 * 4.5 * 8.0 的普通高频焊接 H 型钢。门式刚架的详细情况可查看图纸。在钢结构厂房里，厂房梁柱的截面高度可以通过按公式（3.1）来计算，[6]中提及此公式。公式（3.1）中，h 表示柱截面高度，L 表示厂房跨度。

所以 h( ~ ) 24m 等于 0.53 到 0.8m30 。45 暂时取截面高度为 600mm 。接着由《钢结构设计手册》中的焊接工字型钢的截面特性表 17 - 6 选出一种截面 [3] 。这种截面的尺寸及截面特性见表 3.1 。尺寸说明见图 3.1 。3.2 材料的选择方面，钢结构所用钢材主要有两个种类，分别是碳素结构钢和低合金高强度结构钢。在本设计里，将碳素结构钢选为结构构件的主要用钢。钢材的强度主要由其含碳元素的量来决定。对于建筑结构用钢来说，在能满足强度要求的情况下，还得具备一定的塑性和韧性。当含碳量增加时，碳素钢的强度会提高，然而其塑性和韧性却会降低。在所有碳素结构钢的牌号中，从 Q195 到 Q275 。同时综合多方面因素，包括结构和构件的重要性、荷载性质、连接方法、工作条件等。Q235 钢在这些方面表现较为理想，是较理想的钢号。

吊车梁用钢选用的是由焊接钢板组成的工字形钢。其余的小柱、檩条、墙架、小梁和板材，都可以直接从热轧型钢、冷弯薄壁型钢和热轧钢板表中选用。这样做能够减少制作的工作量，提升工业化水平，加快施工的速度，从而降低工程造价。设计资料给出厂房处于沈阳。沈阳冬季室外温度多数在 -12.9 至 -2℃之间。刚架和吊车梁等承受重要载荷的部件，其计算温度处于 0℃和 -20℃之间。根据《钢结构设计手册》，应选用具有 0℃冲击性能且合格的 C 级钢，也就是 Q235C。在焊接工艺中，会对其材料的成分和焊接性能进行进一步的阐述。表 3.2 表述了 Q235 钢材的力学性能厂房钢结构，表 3.3 表述了钢材强度设计值[3]。表 3.2 展示了钢材力学性能相关内容：标准钢材厚度一般机械性能的 V 形冲击试验，包括代号牌号、厚度屈服点 fy、抗拉强度 f u、伸长率 δ（%）、质量温度冲击（纵等向）功 J 等，其中 Q235 钢材的屈服点不大于 235，抗拉强度为 375 至 500，伸长率为 26，B 级钢材在 20℃时冲击功为 271，C 级钢材在 0℃时冲击功为 24，D 级钢材在-20℃时冲击功为相应数值；表 3.3 为钢材强度设计值（Nmm2），如钢材抗拉、抗弯和抗压抗剪 f vf 牌号，厚度或直径不大于 16 时，Q235 钢材的强度设计值为 215，抗剪强度设计值为 125；计算 3.3.1 中，恒荷载标准值（对水平投影面），压型钢板（二层含 80 ㎜厚的保温层）为 0.30 KNm2。